第三节 曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动汽车车轮转动。

曲柄连杆机构由活塞组（活塞、活塞环、活塞销、卡环等）、连杆组（连杆杆身、连杆瓦盖、连杆轴承、连杆螺栓、连杆衬套、连杆螺母等）和曲轴飞轮组（曲轴、飞轮、主轴承、止推轴承、扭转减振器、带轮、正时链条等）的零件组成，如图2-25所示。

图2-25 曲柄连杆机构

一、活塞组

活塞的主要功用是承受燃烧气体力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转，此外活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室，活塞各部名称如图2-26所示。

活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用在活塞上的有气体力和往复惯性力，这些力都是周期变化的，且其最大值都很大。如增压发动机的最高燃烧压力在14～16MPa，这样大的机械负荷作用在形状复杂的活塞上，可能引起活塞变形、活塞销开裂及第一道环岸折断。

活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。根据上述工作条件，活塞结构材料应满足以下要求。

图2-26 活塞各部名称

1）活塞应具有足够的刚度、合理的形状和壁厚。合理的活塞裙部形状，可以获得最佳的配合间隙。活塞质量应尽可能的小。

2）受热面积小，散热好。高强化的发动机应进行冷却。

3）活塞材料应该是热膨胀系数小、导热性能好、密度小，具有较好的减摩性和热强度。

现在汽车广泛采用铝合金活塞。铝合金的优点是密度小，约为铸铁的1/3，因此铝合金活塞质量轻，在发动机工作时产生的惯性力小。铝合金活塞的另一个特点是导热性好，其热导率约为铸铁的3～4倍。温度分布均匀，对减小热应力、改善工作条件和延缓机油变质都十分有利。其缺点是膨胀系数大，另外当温度升高时，其机械强度和硬度下降较快。通过设计和调整材料配方等措施可以弥补这些缺陷。

活塞是铝压铸的，带有明显FSI的设计特点。该活塞结构轻巧，裙部无开槽（平滑裙部），活塞孔凸台离得很近。

优点：摆动质量小且摩擦因数小，这是因为活塞裙部只有一部分在气缸壁上运行。

活塞顶有一个凹坑，该凹坑在分层充气状态时可将空气流导向火花塞方向。活塞的几何结构可以使得空气流呈旋涡状运动。

其上有供安装上部活塞环的铸造嵌入式活塞环支架。活塞环支架技术上采用了典型的高应力乘用车柴油发动机技术，并且在最小的摩擦损耗的工况下平稳下运行。此技术曾首次在2.0L TFSI汽油发动机中。由于采用了轻质结构设计理念，活塞环支架镀膜处理如图2-27所示。为了防止排气侧出现过热现象，在活塞下面有一个机油喷嘴向活塞顶喷射机油。机油压力超过2bar（1bar=10⁵ Pa），喷嘴就会打开。喷嘴用螺栓连接在油道上。为了减小摩擦，活塞裙部进行了石墨喷涂处理，活塞环也进行了优化来减小摩擦。活塞销（31CrMoV）的位置可以移动，靠弹性挡圈来限位。

直喷发动机改进的梯形活塞，目的是使燃烧压力能均匀分配给梯形连杆，如图2-28所示。

图2-27 活塞环支架

图2-28 改进的活塞

a）平行四边形活塞与连杆压力分配 b）梯形活塞与连杆压力分配

1.活塞结构

活塞由活塞顶部、活塞头部、活塞裙部三部分组成。

（1）活塞顶部 活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成部分，其形状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求，其顶部形状可分为三大类，平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞，如图2-29所示。

1）平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用。

2）凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，可获得较大的压缩比，也能增加挤流强度但顶部温度较高，有利于改善换气过程，二冲程汽油机常采用凸顶活塞。

图2-29 活塞顶部形状

3）凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等，采用凹顶的活塞，可以通过改变活塞顶上的凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比。

在活塞顶部除有燃烧室凹坑外，有的活塞顶还加工有避让气门的气门凹坑。为了减少活塞顶受热，可在活塞顶上焊一层不锈钢片。因为不锈钢既耐热又吸热缓慢，所以能减轻活塞顶部的热负荷并可提高发动机热效率。在活塞顶上喷涂0.2～0.3mm的陶瓷也能起到同样作用。

（2）活塞头部 现在汽车发动机普遍采用三环短活塞，三环指上气环、下气环和油环。为了减少摩擦损失，在竞赛汽车发动机的活塞上只安装一道气环和一道油环。由活塞顶到油环槽下端面之间的部分称为活塞头部。在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽。在油环槽底部还加工有回油孔或横向切槽，油环从气缸壁上刮下来多余的机油，经回油孔或横向切槽流回油底壳。

活塞头部应足够厚，从活塞顶到环槽区的断面变化尽可能圆滑，过渡角的半径R应足够大，以减小热阻力，便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁，使活塞顶部的温度不致过高，如图2-30所示。

（3）活塞裙部 活塞头部以下的部分为活塞裙部。裙部的形状应该保证活塞在气缸内得到良好的导向，气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀的、适宜的间隙。间隙过大，活塞敲缸；间隙过小，活塞可能被气缸卡住。此外，裙部应有足够的实际承压面积，承受侧压力的一面称为主推力面，承受压缩侧力的一面称为次推力面。发动机工作时，活塞在气体力和侧向力的作用下发生机械变形，而活塞受热膨胀时还发生热变形。这两种变形的结果都是使活塞裙部在活塞销孔轴线方向的尺寸增大。因此，为使活塞工作时裙部接近正圆形与气缸相适应，在制造时应将活塞裙部的横断面加工成椭圆形，并使其长轴与活塞销孔轴线垂直，现代汽车发动机均为椭圆裙。

图2-30 由活塞顶到气缸壁的热流

另外，沿活塞轴线方向，活塞的温度是上高下低，活塞的热膨胀量自然是上大下小。因此为使活塞工作时裙部接近圆柱形，必须把活塞制成上小下大的圆锥形或桶形。桶形裙不仅适应活塞的温度分布，而且裙部与气缸壁之间能够形成双向楔形油膜，使裙部具有较高的承载能力和良好的润滑。

在活塞销座处镶铸恒范钢片的活塞称为恒范活塞（图2-31a）。由于恒范活塞在销座处只靠恒范钢片与活塞裙相连且恒范钢片的热膨胀系数只有铝合金的1/10左右，因此当温度升高时、在恒范钢片的牵制下，裙部在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小。

若将普通碳素钢片铸在销座处的铝合金层内侧形成双金属壁（图2-31b），由于两种金属的热膨胀系数不同，当温度升高时双金属壁发生弯曲，而钢片两端的距离基本不变，从而限制了裙部的热膨胀量。因为这种控制热膨胀的作用随温度升高而增大，所以称这种活塞为自动热补偿活塞。

图2-31 恒范活塞及自动热补偿活塞

a）恒范活塞 b）自动热补偿活塞 c）钢片形状 Δ₁—恒范活塞膨胀量 Δ₂—全铝活塞膨胀量 Δ₃—有效膨胀量

图2-32 镶筒形钢片的活塞

a）活塞裙部镶筒形钢片 b）筒形钢片形状

有些柴油机采用裙部镶筒形钢片的活塞（图2-32）。在浇注这种活塞时，钢筒夹在铝合金中间。在铝合金冷凝时，铝合金的收缩比钢大得多，因此钢筒外侧的铝合金层包紧在钢筒上，并使铝合金层产生拉应力，钢筒产生压应力。钢筒内侧的铝合金层无阻碍地自由收缩，于是在钢筒与内侧铝合金层之间形成“收缩缝隙”。发动机工作时，随着活塞温度的升高，首先要消除钢筒与内侧铝含金层间的收缩缝隙和钢筒与外侧铝合金层的残留应力，然后才向外膨胀，结果使半个活塞裙部的热膨胀量相应减小。

为了保证活塞在工作时与气缸壁间保持比较均匀的间隙，以免在气缸内卡死或引起局部磨损，必须在结构上采取各种措施。

①冷态下将活塞制成其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆，轴线方向为上小下大的近似圆锥形。

②活塞销座附近的裙部外表面制成凹陷0.5～1mm。

③为了不使活塞卡死在气缸中，在活塞裙部受侧压力小的一侧开“П”槽或“T”槽，如图2-33所示，其中横槽称绝热槽，可减少从活塞头部向裙部的传热，使裙部膨胀量减少；纵槽称膨胀槽，使裙部具有弹性，这样冷态下的间隙可减小，热态下又因切槽的补偿作用，使活塞不致卡死在气缸中。

④采用双金属活塞。双金属活塞有恒范钢片式、筒形钢片式、自动调节式等。其作用是牵制活塞裙部的膨胀量。

图2-33 活塞开槽

采用上述措施后，活塞裙部与气缸壁之间的冷态装配间隙便可减小，使发动机不产生冷“敲缸”现象。

在现代汽车发动机上广泛采用半拖鞋式裙部或拖鞋式裙部的活塞。在保证裙部有足够承压面积的条件下，将不承受侧向力一侧的裙部部分地去掉，即为半拖鞋式裙部；若全部去掉则为拖鞋式裙部。半拖鞋式裙部和拖鞋式裙部活塞的优点是：①质量轻，比全裙式活塞轻10%～20%，适应高速发动机减小往复惯性力的需要。②裙部弹性好，可以减小活塞与气缸的配合间隙。③能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。

活塞承受的气体力和往复惯性力通过活塞销座传给活塞销，因此销座承受很大的力。在销座与活塞顶内壁之间设置不同形状的肋，这些肋不仅加强了销座，也提高了活塞头部的刚度，同时可以降低活塞销孔主要受力表面的压强。

图2-34 销孔位置对侧向力变向时活塞运动的影响

活塞销孔轴线通常与活塞轴线垂直相交。这时当压缩行程结束、做功行程开始，活塞越过上止点时，侧向力方向改变，活塞由次推力面贴紧气缸壁突然转变为主推力面贴紧气缸壁，活塞与气缸发生“拍击”，如图2-34a所示，产生噪声，且有损活塞的耐久性。在许多发动机中，活塞销孔轴线朝主推力面一侧偏离活塞轴线1～2mm。这时，压缩压力将使活塞在接近上止点时发生倾斜，如图2-34b所示，活塞在越过上止点时，将逐渐地由次推力面转变主推力面贴紧气缸壁，从而消减了活塞对气缸的拍击。

（4）活塞表面处理 根据不同的目的和要求，进行不同的活塞表面处理，其方法有：

1）活塞顶进行阳极氧化处理，形成高硬度的耐热层，增大热阻，减少活塞顶部的吸热量。

2）活塞裙部镀锡或镀锌，可以避免在润滑不良的情况下运转时出现拉缸现象，也可以起到加速活塞与气缸的磨合作用。

3）在活塞裙部涂敷石墨，石墨涂层可以加速磨合过程，可使裙部磨损均匀，在润滑不良的情况下可以避免拉缸。

2.活塞环

活塞环有气环和油环两种。

气环的主要功用是密封、传热、隔热。保证活塞与气缸壁间的密封，防止高温、高压的燃气漏入曲轴箱，将活塞顶部的热量传导到气缸壁，再由冷却液或空气带走。同时将活塞顶部与裙部的热量隔开，防止裙部强度下降。如果密封不良，不但发动机起动困难，功率下降，燃油和机油的消耗量增加，机油老化变质，而且还由于活塞环外圆面与气缸壁贴合不严密，活塞顶部接受的热传不出去，而导致活塞及活塞环温度过高，甚至被烧坏。一般发动机每个活塞上装有2～3道气环，目前新型发动机上气环有减少趋势。

油环用来刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上涂敷一层均匀的油膜，既能防止机油窜入燃烧室被烧掉，又能实现对活塞、活塞环和气缸壁的润滑。通常发动机上有1～2道油环。

由于活塞环也是在高温、高压、高速及润滑困难的条件下工作，且运动情况复杂，因此，要求其材料应有良好的耐热性、导热性、耐磨性、磨合性、韧性及足够的强度和弹性。目前，活塞环的材料采用优质铸铁、球墨铸铁、合金铸铁，并对第一道环甚至所有环实行工作表面镀铬或喷钼处理，提高耐磨性。镀铬发亮，喷钼发黑。其余环一般镀锡或磷化处理。组合式油环则采用弹簧钢片制造。

（1）气环

1）气环的间隙。发动机工作时，活塞、活塞环都会发生热膨胀，并且，活塞环随着活塞环在气缸内做往复运动时，有径向胀缩变形现象。为防止活塞环卡死在缸内或胀死在环槽中，安装时，活塞环应留有端隙、侧隙和背隙，如图2-35所示。

端隙Δ₁又称为开口间隙，是活塞环在冷态下装入气缸后，该环在上止点时环的两端头的间隙，一般为0.25～0.80mm之间。第一道气环温度高，其端隙也最大。端隙过大漏气严重；端隙过小，活塞环受热膨胀后可能卡死甚至折断。

侧隙Δ₂又称边隙，是指活塞环装入活塞后，其侧面与活塞环槽之间的间隙。第一环因工作温度高，间隙较大，一般为0.04～0.10mm，其他环一般为0.03～0.07mm。油环侧隙较气环小，为0.025～0.07mm。

图2-35 气环的间隙

背隙Δ₃是活塞及活塞环装入气缸后，活塞环内圆柱面与活环槽底部间的间隙，一般为0.50～1.00mm。油环背隙较气环大，以增大存油间隙，利于减压泄油。

2）气环的密封原理。活塞环在自由状态下不是圆环形，其外形尺寸比气缸内径大，因此，它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力F₁而紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，使高温高压燃气不能通过环与气缸接触面的间隙。活塞环在燃气压力作用下，压紧在环槽的下端面上，形成第二密封面，于是燃气绕流到环的背面，并发生膨胀，其压力降低。同时，燃烧压力对环背的作用力使环更紧地贴在气缸壁上，形成对第一密封面的第二次密封，如图2-36所示。

高温高压燃气从第一道气环的切口漏到第二道气环的上平面时压力已有所降低，又把这道气环压贴在第二环槽的下端面上，于是，燃烧气体又绕流到这个环的背面，再发生膨胀，其压力又进一步降低。如此下去，从最后一道气环漏出来的燃烧气体，其压力和流速已大大减小，因而漏气量也就很少了（最后漏入曲轴箱的气体仅为进气量的0.2%～1.0%）。

为减少气体泄漏，将活塞环装入气缸时，各道环的开口应相互错开。如有三道环，则各道环开口应沿圆周成120°夹角；如有四道环，则第一、二道互错180°，第二、第三道互错90°。第三、四道互错180°，形成迷宫式的路线，增大漏气阻力，减少漏气量。

3）气环的泵油现象。由于侧隙和背隙的存在，当发动机工作时，活塞环便产生了泵油现象，如图2-37所示。活塞下行时，环靠在环槽上方，环从缸壁上刮下来的机油充入环槽下方；当活塞上行时，环又靠在环槽的下方，同时将机油挤压到环槽上方。如此反复，就将缸壁上的机油泵入燃烧室。

图2-36 气环密封的原理

图2-37 活塞环泵油现象

泵油现象会使燃烧室内形成积炭，同时增加机油消耗，并且可能在环槽中形成积炭，导致环卡死，失去密封作用，甚至折断活塞环。

4）气环的种类。气环按其断面形状分有多种，如图2-38所示。

新款的高尔夫A6第一道环是矩形活塞环；第二道环是一个锥面活塞环；油环是一个钢带组合油环。

图2-38 气环的断面形状

a—矩形环 b—锥面环 c、d—侧面内切环正扭曲环 e—下侧面外切正扭曲环 f—下侧面内切反扭曲环 g—梯形环 h—楔形环 i—桶面环 j—开槽环 k、l—顶岸环

①矩形环。断面为矩形，形状简单，加工方便，与气缸壁接触面积大，有利于活塞散热。但磨合性差，而且在与活塞一起做往复运动时，在环槽内上下窜动，把气缸壁上的机油不断地挤入燃烧室中，产生“泵油现象”，使机油消耗量增加，活塞顶及燃烧室壁面积炭。

②扭曲环。断面不对称的气环装入气缸后，由于弹性内力的作用使断面发生扭转，故称扭曲环。扭曲环断面扭转原理如图2-39所示。活塞环装入气缸之后，其外侧拉应力F₁（F₁指向活塞环中心）与内侧拉压缩应力的合力F₂（F₂的方向背离活塞环中心）之间有一力臂e，于是产生扭曲力矩M。在力矩M的作用下，使环的外圆周扭曲成上小下大的锥形，从而使环的边缘上下端面接触，提高了表面接触应力，防止了活塞在环槽内上下窜动而造成的泵油作用，同时增加了密封性。扭曲环还易于磨合，并有向下刮油的作用。

若将内圆面的上边缘或外圆面的下边缘切掉一部分，整个气环将扭曲成碟子形，则称这种环为正扭曲环；若将内圆面的下边缘切掉一部分，气环将扭曲成盖子形，则称其为反扭曲环。在环面上切去部分金属称为切台。

当发动机工作时，在进气、压缩和排气行程中，扭曲环发生扭曲，其工作特点一方面与锥面环类似，另一方面由于扭曲环的上下侧面与环槽的上下侧面相接触（图2-40a），从而防止了环在环槽内上下窜动，消除了泵油现象，减轻了环对环槽的冲击而引起的磨损。在做功行程中，巨大的燃气压力作用于环的上侧面和内圆面，足以克服环的弹性内力使环不再扭曲，整个外圆面与气缸壁接触如图2-40b所示，这时扭曲环的工作特点与矩形环相同。扭曲安装时必须注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，不能装反。

图2-39 扭曲环断面扭转原理

图2-40 扭曲环工作示意图

a）进气、压缩、排气 b）做功行程

若扭曲环的外圆面为锥面则为扭曲锥面环，也分正、反扭曲锥面环，在做功行程，其工作特点与锥面环类似。

③锥面环。环的外圆工作面上加工一个很小的锥面（0.5°～1.5°）。理论上锥面环与气缸壁为线接触，磨合性好，增大了接触压力和对气缸壁的适应能力。当活塞下行时，锥面环能起到向下刮油的作用。当活塞上行时，由于锥面的油楔作用，锥面环能越过气缸壁上的油膜而不致将机油带入燃烧室。锥面环传热性差，所以不用作第一道气环。由于锥角很小，一般不易识别，为避免装错，在环的上侧面标有向上的记号。

④梯形环。断面呈梯形。其主要优点是抗粘结性好。当活塞头部温度很高时，窜入第一道环槽中的机油容易结焦并将气环粘住。在侧向力换向活塞左右摆动时，梯形环的侧隙、径向间隙都发生变化，将槽中的胶质挤出。楔形环的工作特点与梯形环相似，而且由于断面不对称，装入气缸后也会发生扭曲，多用于柴油发动机第一道气环。

⑤桶面环。外圆为凸圆弧形，是近年来兴起的一种新型结构。当桶面环上下运动时，均能与气缸壁形成楔形空间，使机油容易进入摩擦面，减小磨损。由于它与气缸呈圆弧接触，故对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性均较好，有利于密封，但凸圆弧表面加工较困难。桶面环目前已普遍地用于强化柴油机的第一道气环。它的缺点是凸圆弧表面加工困难。

⑥开槽环。在外表面上加工出环形槽，在槽内填充能吸附机油的多孔性氧化铁，有利于润滑、磨合和密封。

⑦顶岸环。断面为“L”形。因为顶岸环距离活顶面近，做功行程时，燃气压力能迅速作用于环的上侧和内圆面，使环的侧面与环槽的下侧面、外圆面与气缸壁面贴紧，有利于密封；由于同样的原因，顶岸环可以减少汽车尾气中HC的排放量。

（2）油环的分类如下：

①整体式油环用合金铸铁制造，其外圆面的中间切有一道凹槽，在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔或缝隙。

②组合油环由上下两刮片与中间的衬簧组成，刮片用镀铬钢片制成，衬簧的周边比气缸内圆周略大一些。刮片紧紧压向气缸壁。这种油环的接触压力高，对气缸壁面适应性好，而且回油通路大，重量小，刮油效果明显。近年来汽车发动机上越来越多地采用了组合式油环，如图2-41所示。它的缺点主要是制造成本高。

3.活塞销

活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。

活塞销工作时承受很大的周期性冲击载荷，且工作于高温环境中，润滑条件差，因而要求活塞销要有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量轻。

图2-41 油环

活塞销一般采用低碳钢或低碳合金钢，经表面渗碳淬火后再精磨加工。为了减轻质量，活塞销一般做成空心圆柱，空心柱的形状可以是组合形或两段截锥形，如图2-42所示。

图2-42 活塞销

活塞销的连接方式有两种：全浮式和半浮式，如图2-43所示。

全浮式连接是指在发动机工作温度时，活塞销与销座、活塞销与连杆小头之间都是间隙配合，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动。这种连接方式增大了实际接触面积，减小了磨损且使磨损均匀，被广泛采用。为防止活塞销工作时从孔中滑出，刮伤气缸壁必须用卡环将其固定在销座孔内，进行轴向定位。

图2-43 活塞销的连接方式

半浮式连接是指销与座孔或销与连杆小头两处，一处固定，一处浮动。活塞销只能在销座内自由摆动，而和连杆小头没有相对运动，使活塞销与座孔磨损不均匀。其中大多数采用销与连杆小头固定的方式。可以将活塞销压配在连杆小头孔内，这种方式不需要卡环，也不需要连杆衬套。这种方式首先将连杆小头加热到300℃左右，再将活塞销压入小头孔中，在小轿车上应用较多。半浮式活塞销可以降低发动机噪声并消除了活塞销挡圈可能引起的事故。

二、连杆组

连杆组的作用是将活塞承受的力传给曲轴，推动曲轴转动对外输出转矩。

连杆组件包括连杆、连杆轴承盖、连杆轴承、连杆螺栓等，如图2-44所示。连杆和连杆轴承盖统称为连杆。

连杆工作时要承受活塞销传来的气体压力及本身摆动和活塞往复运动时的惯性力。这些周期性变化的力使连杆受到拉伸、压缩、弯曲等交变载荷的作用，因而要求连杆要有足够的刚度和强度，质量尽可能小。

连杆一般采用中碳钢或中碳合金钢经模锻成形，然后进行机加工和热处理。

（1）连杆 连杆由小头、杆身、大头三部分组成。

连杆小头与活塞销连接。采用全浮式连接时，小头孔中有减磨的青铜衬套，小头和衬套上钻有集油槽，用来收集飞溅到连杆小头上的机油进行润滑。有些发动机连杆小头采用压力润滑，则在连杆杆身内钻有纵向油道。连杆杆身制成“工”字形断面，以求在强度和刚度足够的前提下减小质量。

图2-44 大众直喷2.0L连杆组

连杆大头与曲轴的连杆轴颈连接。为便于安装，连杆大头一般做成剖分式，被分开的部分称作连杆轴承盖，用连杆螺栓紧固在连杆大头上。连杆轴承盖与连杆大头是组合加工的，为防止装配时配对错误，在同一侧刻有记号，如图2-45所示。

连杆大头上还铣有连杆轴承的定位凹坑。有的连杆大头连同轴承还钻有机油孔，将机油导向缸壁以改善润滑状况。

大众直喷发动机采用分体式连杆，铜衬套压置在小端轴承孔中，分离面不是平的，取消了连杆瓦定位凸起。材料是36MnVS4传统式连杆，分离面是平的，如图2-46所示。

连杆大头的切口形式分为平切口和斜切口两种。平切口连杆的剖分面垂直于连杆轴线，一般汽油机连杆大头尺寸小于气缸直径，可以采用平切口。柴油机连杆受力较大，尺寸往往超过气缸直径，为使连杆大头能通过气缸，拆装方便，一般采用斜切口。

连杆大头与连杆轴承盖必须定位。平切口的定位是利用连杆螺栓上精加工的圆柱凸台或光圆柱部分，与经过精加工的螺栓孔来保证的。斜切口连杆的大头剖分面与连杆轴线成30°～60°的夹角，在工作中受到惯性力的拉伸，在切口方向有一个较大的横向分力，必须采用可靠的定位措施。常用方法有止口定位、套筒定位、锯齿形定位等几种，如图2-47所示。

图2-4 5装配记号

1—所属气缸 2—标记（单个凸起，指向正时链轮侧（如果没有标记，在拆卸前标出））

图2-46 改进的连杆

1—传统式连杆 2—分体式连杆

图2-47 斜切口连杆的定位方式

止口定位工艺简单，但定位不大可靠，只能单向定位，对连杆轴承盖止口向外变形或连杆大头止口向内变形均无法防止。套筒定位是在连杆轴承盖的每一个螺栓孔中压配一个短套筒。它与连杆大头有精度很高的配合间隙，故装拆连杆轴承盖时也很方便。它的缺点是定位套筒孔的工艺要求高，若孔距不够准确，则可能因为定位而造成连杆大头孔严重失圆，此外，连杆大头的横向尺寸也必然因此而加大。

锯齿定位结构紧凑，定位可靠，但对齿节距公差要求严格，否则连杆轴承盖装在连杆大头上时，中间会有几个齿脱空，不仅影响连杆组件的刚度，并且连杆大头孔也会立即失圆。

（2）连杆螺栓 连杆螺栓经常承受交变载荷的作用，一般采用韧性较高的优质合金钢或优质碳素钢锻制成形。拆装时，连杆螺栓必须以原厂规定的拧紧力矩分2～3次均匀地拧紧。为防止工作时自动松动，必须用其他锁紧装置紧固。常采用的锁止装置有：开口销、双螺母、自锁螺母、防松胶等。

（3）连杆轴承 连杆轴承也称连杆轴瓦（俗称小瓦），装在连杆大头内，保护连杆轴颈和连杆大头孔，由于其工作时承受较大的交变载荷，且润滑困难，要求它具有足够的强度、良好的减磨性和耐蚀性。

连杆轴承由钢背和减磨层、软镀层组成，为两半分开形式。钢背由厚1～3mm的低碳钢制成，是轴承的基体，钢背面只有很小的表面粗糙度，旨在增大与连杆大头或主轴承孔的接触面积，以利于散热，在钢背镀锡也可达到同样目的。减磨层是由浇注在钢背内圆上厚为0.3～0.7mm的薄层减磨合金制成，减磨合金具有保持油膜、减少摩擦阻力和易于磨合的作用。软镀层是指在减磨合金上电镀一层锡或锡铅合金，其主要作用是改善轴瓦的磨合性能并作为减磨合金层的保护层，如图2-48所示。

图2-48 连杆轴承

目前汽车发动机的轴承减磨合金主要有白合金（巴氏合金）、铜铅合金和铝基合金，其中巴氏合金轴承的疲劳强度较低，只能用于负荷不大的汽油机，而铜铅合金或高锡铝合金轴承均具有较高的承载能力与耐疲劳性。含锡量20%以上的高锡铝合金轴承，在汽油机和柴油机上均得到广泛应用。

半个连杆轴承在自由状态下并不是半圆形的，也就是说R₁>R₂。当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上及连杆盖上，具有很好的承载和导热能力。为了防止连杆轴承在工作中发生转动或轴向移动，在两个连杆轴承的剖分面上，分别冲压出高于钢背面的两个定位凸唇。装配时，这两个凸唇分别嵌入在连杆大头和连杆盖上的相应凹槽中。在连杆轴承内表面上还加工有油槽，用以储油，保证可靠润滑。

三、曲轴飞轮组

曲轴飞轮组由曲轴、飞轮（双质量飞轮）、扭转减振器、带轮、正时齿轮（或链条）、推力轴承等组成，如图2-49所示。新型大众直喷发动机的曲轴有5个轴颈，是由钢制成的，并经过感应硬化处理。最佳的内部平衡是通过使用8个平衡块实现的。为了进一步地加强曲轴总成的强度，三个内主轴承被用螺栓侧面固定在曲轴箱上。

1.曲轴

曲轴的作用是把活塞连杆组传来的气体压力转变为转矩并对外输出，同时，还驱动发动机的配气机构和其他辅助装置（如发电机、水泵、空调压缩机、转向助力泵）等。

曲轴工作时，承受周期性变化的气体压力及活塞连杆等运动件的往复和旋转惯性力作用，这些力及其力矩使曲轴产生弯曲和扭转变形，弯曲和扭转作用还会使曲轴产生振动，因此要求曲轴必须要有足够的刚度、强度、耐磨性和很高的平衡性。

曲轴一般采用优质中碳钢或中碳合金钢模锻，其主轴颈和连杆轴颈表面上均进行了高频感应淬火或渗氮，以提高耐磨性。也有些发动机采用球墨铸铁铸造曲轴。

（1）曲轴的结构 曲轴的基本组成包括前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄销、平衡块、后端凸缘等，如图2-50所示。

图2-49 曲轴飞轮组

前端轴指曲轴第一道主轴颈之前的部分。它用以安装正时齿轮（或正时齿形带轮、链轮）、传动带轮等。为防止机油外漏，在曲轴前端有油封装置；为减小扭转振动，曲轴前端还装有扭转减振器。

曲轴基本上由若干个单元拐构成。一个曲柄销、左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个曲拐单元。多缸直列发动机的曲拐数与气缸数相同。V型发动机的曲拐数等于气缸数的一半。若干个曲拐单元按照一定的相位连接起来再加上曲轴前、后端便构成一根曲轴。多数发动机在曲柄臂上装有平衡块。

主轴颈是曲轴的支承部分。按曲轴主轴颈的数目，可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴两种。在每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈者，称为全支承曲轴，否则为非全支承。显然全支承曲轴的主轴颈数比连杆轴颈数多一个，这种支承方式的曲轴刚度好，但长度较长，如图2-51所示。由此可见，直列发动机全支承曲轴的主轴颈数比气缸数多一个；Ⅴ型发动机全支承曲轴的主轴颈数是气缸数的一半加一个。

图2-50 曲轴各部分名称

图2-51 曲轴支承形式

a）全支承式 b）非全支承式

在曲轴的主轴颈、曲柄、连杆轴颈上钻有贯通的油道，以使主轴颈内的机油经此油道流至连杆轴颈进行润滑。

平衡块用来平衡连杆大头、连杆轴颈和曲柄等产生的离心力及其力矩，有时还平衡部分往复惯性力，使发动机运转平稳。图2-52所示的四缸发动机，从整体来说，其惯性力及力矩是平衡的，但曲轴局部却受弯矩M₁-2、M₃-4作用，造成曲轴弯曲变形。如果在曲柄的相反方向上设置平衡块，就能使其产生的力矩与上述惯性力矩M₁-₂、M₃-4相平衡。

图2-52 曲轴平衡块示意图

a）无平衡块 b）有平衡块

平衡块有的与曲轴制成一体，也有的单独制成，再用螺栓固定于曲柄上。无论有无平衡块，曲轴本身必须经过动平衡校验，对不平衡的曲轴常在其偏重的一侧钻去一部分质量（一般在平衡块上）使其达到平衡。

曲轴后端是最后一道主轴颈之后的部分。有安装飞轮用的凸缘，为防止机油从后端泄漏，后端也安装有油封装置。

（2）曲轴的轴向定位 曲轴作为转动件，必须与其固定件之间有一定的轴向间隙。而在发动机工作时，曲轴经常受到离合器施加于飞轮的轴向力以及在上、下坡行驶或突然加、减速出现的轴向惯性力作用而有轴向窜动的趋势。曲轴的轴向窜动将破坏曲柄连杆机构各零件间正确的相对位置，造成额外的受力或力矩，导致机械故障，因此曲轴必须有轴向定位措施。而在曲轴受热膨胀时，又应允许它能自由伸长，故曲轴上只能有一处设置轴向定位装置。

（3）曲拐的布置 一个连杆轴颈和它两端的曲柄臂及相邻两个主轴颈构成一个曲拐，如图2-53所示。

曲拐的布置（即曲拐的相对位置）除了与气缸数、气缸排列方式有关外，还与发动机工作顺序有关。在安排发动机工作顺序时，应注意使连续做功的两缸相距尽可能远些，以减轻主轴承的载荷，同时避免进气干涉而影响充气量；做功间隔力求均匀，在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸应做功一次，以保证发动机运转平稳；V型发动机左右两列气缸应交替做功，曲拐布置尽可能对称、均匀。

如多缸发动机气缸数为i，则发动机做功间隔角为720°/i。几种常见的多缸发动机曲拐的布置和工作顺序如下：

1）直列四缸四冲程发动机曲拐布置。曲拐对称布置在同一平面内，如图2-54所示。做功间隔角为720°/4=180°，各缸工作顺序有1-2-4-3和1-3-4-2两种。其工作循环分别如表2-1、表2-2所示。

图2-53 曲拐单元

图2-54 直列四缸曲拐布置

表2-1 四缸发动机做功循环表（工作顺序1-2-4-3）

表2-2 四缸发动机做功循环表（工作顺序1-3-4-2）

图2-55 直列六缸曲拐布置

图2-56 V型八缸曲拐布置

2）直列六缸四冲程发动机曲拐布置。曲拐对称布置在同一平面内，如图2-55所示。做功间隔角为720°/6=120°，各缸工作顺序有1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5两种，前者的工作循环如表2-3所示。

3）V型八缸四冲程发动机曲拐布置。曲拐对称布置在同一平面内，如图2-56所示。做功间隔角为720°/8=90°，各缸工作顺序有1-8-4-3-6-5-7-2（右1-3-5-7；左2-4-6-8）。其工作循环如表2-4所示。

表2-3 六缸发动机做功循环表（工作顺序1-5-3-6-2-4）

表2-4 八缸发动机做功循环表（工作顺序1-8-4-3-6-5-7-2）

2.飞轮

飞轮的作用是通过储存和释放能量来提高发动机运转的均匀性和改善发动机克服短时超载的能力，飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，多用灰铸铁制造，外缘上压有一个齿圈，可与起动机的驱动齿轮啮合，供起动发动机用。

飞轮与曲轴在制造时一起进行过动平衡试验，在拆装时为了不破坏它们之间的平衡关系，飞轮与曲轴之间应有严格不变的相对位置。通常用定位销和不对称布置的螺栓来定位。

（1）双质量飞轮结构 实践表明，汽车传动系通常会有一两个固有频率落在发动机常用转速范围之内，这是引起变速器噪声和车内噪声的主要原因。研究表明，要降低这两个容易造成传动系共振的固有频率，只有在变速器和离合器之间（在扭转减振器之后）增加转动惯量才能解决。要做到在变速器和离合器之间增加转动惯量，最好的也是唯一的办法，是在结构设计上把原先装在离合器从动盘上的扭转减振器移至飞轮处，把飞轮分成两部分：第1质量飞轮和第2质量飞轮。第1质量飞轮直接装在曲轴上，只起飞轮的作用；第2质量飞轮位于第1质量飞轮之后，这两者之间装有能传递大容量发动机转矩的扭转减振器，通过该扭转减振器将第1质量飞轮和第2质量飞轮相联系，第2质量飞轮除起到前面所说的附加质量的作用外，同时作为主动摩擦面，离合器总成也装在第2质量飞轮上。当离合器在接合状态，第2质量飞轮和变速器第一轴呈刚性连接。因此，第2质量飞轮实际上还包括离合器总成（含有离合器盖、压盘及从动盘等），显然，这就增加了所希望的变速器第一轴前端所连的转动惯量。双质量飞轮减振器结构如图2-57所示。

采用双质量飞轮后，原先装在从动盘中的扭转减振器就可以取消（如有必要也可加装），这就减少了离合器从动部分的转动惯量，对变速器的换档及提高变速器中的同步器寿命十分有利。

图2-57 具有双质量飞轮减振器的膜片弹簧离合器

1—扭转减振器弹簧 2—第1质量飞轮 3—第2质量飞轮 4—离合器盖总成 5—离合器从动盘 6—轴承 7—连接盘 8—滚针轴承 9—发动机曲轴

（2）双质量飞轮的减振特点与原理

1）防止变速器在怠速乃至在汽车整个行驶速度范围内（驱动模式和滑行模式）出现齿轮噪声。

2）双质量飞轮相当于一个机械低通滤波器，改善了隔振效果，这样就可以在变速器中采用低粘度的齿轮油而不会有齿轮噪声。

3）改善车内的噪声水平，采用双质量飞轮可在很宽的范围内降低噪声2～8dB，尤其是在低转速时，可降低达8dB。

由于双质量飞轮的扭转刚度可设计得较低，传动系发生的共振频率通常在怠速工况之下。但当发动机起动或停止时都要穿过共振区，当较大质量飞轮进入共振状态时，就可能产生大于发动机功率好几倍的能量。这种振动能量级别会很快损坏减振器，因此双质量飞轮结构中一定要顾及纳入吸收并耗散这一能量的措施。有许多方法可以采用，如在减振器的靠近行程终了处增大弹簧刚性和摩擦、采用大容量黏性阻尼等。

经验表明，双质量飞轮扭转减振器，采用干摩擦作为阻尼对弹簧寿命并不有利。因为弹簧在双质量飞轮中的安装半径、移动行程都要比装在从动盘中的大，没有润滑会加快弹簧磨损。用润滑介质可以解决这种磨损问题，采用能自由流动的介质（如合成油或矿物油）虽然性能很稳定，工作很理想，但发动机停止不动时，润滑油会流至低处，使得发动机重新起动时，出现不平衡现象。润滑脂是较理想的替代物，但在结构上要进行一些特殊的处理：设计一些窄的导沟，导沟的尺寸设计要满足共振时润滑脂通过它产生较高的阻尼，而在一般情况下，阻尼又不太大。上述方案结构比较简单、可靠，而且制造成本也相对较低。

新款高尔夫A6轿车的转矩通过发动机曲轴、双质量飞轮、双离合器进行传递。为完成传递，双质量飞轮装配有内齿，与双离合器的外壳上装配的外齿相啮合，这样，转矩就被传递到双离合器，如图2-58所示。

它是把传统的飞轮分为两个圆盘，其中一个圆盘仍与发动机曲轴连接，以提高发动机的惯性矩；另一个圆盘与变速器输入轴相连，以提高变速器的惯性矩。它们通过弹簧阻尼系统相互连接，和传统的离合器扭转减振器相比，双质量飞轮可以降低发动机和变速器振动系统的固有频率，避免在怠速时发生共振，提高了整体舒适性。

德国Luk公司所开发的双质量飞轮结构的特点是采用长的螺旋弹簧呈圆弧形布置（图2-59中为两个长圆弧弹簧）。减振器的整个转角可达75°，减振器的扭转刚度可降低至5N·m/（°），零件也大为减少，这种结构形式已用于多种款式的小轿车，如图2-60所示。

图2-58 高尔夫A6双质量飞轮

图2-59 长圆弧双质量飞轮

1—第1质量飞轮 2—长圆弧弹簧（两个） 3—连接法兰 4—第2质量飞轮

图2-60 奥迪A5双质量飞轮

图中第1质量飞轮通过两个长圆弧减振弹簧可以推动法兰盘来回转动，而法兰盘则和第2质量飞轮刚性相连，这样第2质量飞轮通过减振弹簧接受来自发动机的转矩，这时的第2质量飞轮相当于一般飞轮，它要作为离合器的一个主动摩擦面并在其上安装离合器盖总成。

双质量飞轮能全面改善噪声水平，但从商品的角度，要考虑的是其成本、附加质量和结构复杂程度。对于要靠减振器来降低传动系噪声的小轿车、轻型货车和厢式客车（其传动系的零件采用的是轿车零件，故和轿车有相同问题），采用双质量飞轮能获得满意的效果；但对载货汽车，采用减振器在行驶工况下若对降低噪声并不起主要作用，则采用双质量飞轮的意义就不是很大了。

图2-61所示是轻型汽车和重型汽车的离合器中装双质量飞轮和从动盘中装减振器后，在不同转速下变速器第一轴上角加速度值的对比图。从图中可以看到，装有一般减振器的重型汽车，其角加速度峰值已在发动机常用转速之外，故无需安装双质量飞轮；而在发动机常用转速范围内，轻型汽车改用双质量飞轮后比装用一般减振器的加速度峰值有显著下降，效果明显。

图2-61 变速器输出轴频率-角加速度响应曲线

3.扭转减振器

扭转减振器的功用是吸收曲轴扭转振动的能量，消减扭转振动，避免发生强烈的共振及其引起的严重恶果。一般低速发动机不易达到临界转速。但曲轴刚度小、旋转质量大、缸数多及转速高的发动机，由于自振频率低，强迫振动频率高，容易达到临界转速而发生强烈的共振。因而加装扭转减振器就很有必要。

最常见的扭转减振器为橡胶式扭转减振器、硅油式扭转减振器和硅油-橡胶扭转减振器。

（1）橡胶式扭转减振器 减振器壳体与曲轴连接，减振器壳体与扭转振动惯性质量粘在硫化橡胶层上。发动机工作时，减振器壳体与曲轴一起振动，由于惯性质量滞后于减振器壳体，因而在两者之间产生相对运动，使橡胶层来回揉搓，振动能量被橡胶内的内摩擦阻尼吸收，从而使曲轴的扭振得以消减，橡胶扭转减振器如图2-62所示。但其阻尼作用小，橡胶容易老化，故在大功率发动机上较少用。

（2）硅油式扭转减振器 由钢板冲压而成的减振器壳体与曲轴连接。侧盖与减振器壳体组成封闭腔，其中有扭转振动惯性质量。惯性质量与密封腔之间留有一定的间隙，里面充满高粘度硅油，当发动机转动工作时，减振器壳体与曲轴一起旋转、一起振动，惯性质量则被硅油的黏性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动，在惯性质量与减振器壳体间产生相对运动。曲轴的振动能量被硅油的内摩擦阻尼吸收，使扭振消除或减轻，硅油扭转减振器减振效果好，性能稳定，工作可靠，维修方便，所以在汽车发动机的应用日益普遍，如图2-63所示。

（3）硅油-橡胶扭转减振器 硅油-橡胶扭转减振器中的橡胶惯性环主要作为弹性体，并用来密封硅油和支承惯性环。在封闭腔中注满高粘度硅油。硅油-橡胶扭转减振器集中了前两者的优点，即体积小、质量轻和减振性能稳定等，如图2-64所示。

4.曲轴前后端油封

出于近年来橡胶油封的耐油、耐热和耐老化性能的提高，在现代汽车发动机上曲轴后端的密封愈来愈多地采用与曲轴前端一样的自紧式橡胶油封。自紧式油封由金属保持架、氟橡胶密封环和拉紧弹簧构成。

图2-62 橡胶式扭转减振器

图2-63 硅油式扭转减振器

图2-64 硅油-橡胶扭转减振器

四、平衡机构

现代轿车特别重视乘坐的舒适性和噪声水平，为此必须将引起汽车振动和噪声的发动机不平衡力及不平衡力矩减小到最低限度。在曲轴的曲柄臂上设置的平衡块只能平衡旋转惯性力及其力矩，而往复惯性力及其力矩的平衡则需要专门的平衡机构。

直喷四缸发动机在4000r/min以上时，振动通过车身传递变得明显，令人不快的嗡嗡声降低车辆的舒适性。这种振动是由惯性力引起的，可以用带平衡块的轴以相反方向转动抵消。

平衡轴由石墨铸铁构成并有三道轴承支承，平衡轴安装于铸铝轴承座里，两根轴的旋转方向相反。平衡轴的反向运动可消除发动机纵向惯性。平衡机构如图2-65所示。

大众新型的直喷发动机平衡轴机构是从常规的FSI发动机继承而来的。做了如下相应的改动：

1）采用分体驱动链轮，实物及分解如图2-66所示。

图2-65 平衡机构

2）驱动齿轮与不平衡质量分离有利于提高平衡等级。

3）采用较宽齿轮的机油泵。

4）机油控制的机油压力调节阀位于平衡轴壳体上。

5）采用强度优化的压铸壳体。

6）轴承直接位于铝合金壳体上。

在发动机转速较低时，涡轮增压发动机曲轴的旋转不平衡很严重，这会使得平衡轴链条机构的链条力明显增大。自然吸气发动机的振动角度为0.8°曲轴转角，而涡轮增压发动机的振动角度高达2°曲轴转角。链条机构上的突然加载使得链条的磨损大大提高了（如果不采取措施的话）。因此在链轮的轮毂内使用了弓形弹簧，这样就可使平衡轴模块中的输入轴与曲轴脱开，其作用与双质量飞轮类似。

图2-66 分体驱动链轮