第一章汽車發動機的工作原理及總體構造(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 基本上是一個厚壁空心圓柱。其內孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易，但活塞銷的質量較大；兩段截錐形孔的活塞銷質量較小，且因為活塞銷所受的彎矩在其中部最大，所以接近于等強度梁，但錐孔加工較難。三、連桿組連桿組包括連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸承等零件。習慣上常常把連桿體、連桿蓋和連桿螺栓合起來稱作連桿，有時也稱連桿體為連桿。1．連桿組的功用 連桿組的功用 是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動。2．連桿組材料連桿體和連桿蓋由優質中碳鋼或中碳合金鋼，如440Cr、42CrMo或40MnB等模鍛或輥鍛而成。連桿螺栓通常用優質合金鋼40Cr或35CrMo制造。一般均經噴丸處理以提高連桿組零件的強度。3．連桿構造 連桿由小頭、桿身和大頭構成。 1) 連桿小頭 小頭的結構形狀取決于活塞銷的尺寸及其與連桿小頭的連接方式。 在汽車發動機中連桿小頭與活塞銷的連接方式有兩種，即全浮式和半浮式。全浮式活塞銷工作時，在連桿小頭孔和活塞銷孔中轉動，可以保證活塞銷沿圓周磨損均勻。為防止活塞銷兩端刮傷氣缸壁 ，在活塞銷孔外側裝置活塞銷擋圈。半浮式活塞銷是用螺栓將活塞銷夾緊在連桿小頭孔內，這時活塞銷只在活塞銷孔內轉動，在小頭孔內不轉動。小頭孔不裝襯套，銷孔中也不裝活塞銷擋圈。
2) 連桿桿身 桿身斷面為工字形，剛度大、質量輕、適于模鍛。工字形斷面的YY軸在連桿運動平面內。有的連桿在桿身內加工有油道，用來潤滑小頭襯套或冷卻活塞。如果是后者，須在小頭頂部加工出噴油孔。 3) 連桿大頭 連桿大頭除應具有足夠的剛度外，還應外形尺寸小，質量輕，拆卸發動機時能從氣缸上端取出。連桿大頭是剖分的，連桿蓋用螺栓或螺柱緊固，為使結合面在任何轉速下都能緊密結合，連桿螺栓的擰緊力矩必須足夠大。
結合面與連桿軸線垂直的為平切口連桿，而結合面與連桿軸線成30176。～60176。夾角的為斜切口連桿。平切口連桿體大端的剛度較大，因此大頭孔受力變形較小，而且平切口連桿制造費用較低。汽油機均采用平切口連桿。柴油機連桿既有平切口的也有斜切口的。一般柴油機由于曲柄銷直徑較大，因此連桿大頭的外形尺寸相應較大，欲在拆卸時能從氣缸上端取出連桿體，必須采用斜切口連桿。連桿蓋裝合到連桿體上時須嚴格定位，以防止連桿蓋橫向位移。平切口連桿利用連桿螺栓上一段精密加工的圓柱面與精密加工的螺栓孔來實現連桿蓋的定位。斜切口連桿的連桿螺栓由于承受較大的剪切力而容易發生疲勞破壞。為此，應該采用能夠承受橫向力的定位方法。四、曲軸飛輪組(一)曲軸 1．曲軸的功用及工作條件曲軸的功用 是把活塞、連桿傳來的氣體力轉變為轉矩，用以驅動汽車的傳動系統和發動機的配氣機構以及其他輔助裝置。曲軸在周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用下工作，承受彎曲和扭轉交變載荷。因此，曲軸應有足夠的抗彎曲、抗扭轉的疲勞強度和剛度；軸頸應有足夠大的承壓表面和耐磨性；曲軸的質量應盡量小；對各軸頸的潤滑應該充分。 2．曲軸材料 曲軸一般由440Cr、35Mn2等中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成，軸頸表面經高頻淬火或氮化處理，最后進行精加工。現代汽車發動機廣泛采用球墨鑄鐵曲軸。球墨鑄鐵價格便宜，耐磨性能好，軸頸不需硬化處理，同時金屬消耗量少，機械加工量也少。為提高曲軸的疲勞強度，消除應力集中，軸頸表面應進行噴丸處理，圓角處要經滾壓處理。 3．曲軸構造 曲軸基本上由若干個單元曲拐構成。一個曲柄銷，左右兩個曲柄臂和左右兩個主軸頸構成一個單元曲拐。單缸發動機的曲軸只有一個曲拐，多缸直列式發動機曲軸的曲拐數與氣缸數相同，V型發動機曲軸的曲拐數等于氣缸數的一半。將若干個單元曲拐按照一定的相位連接起來再加上曲軸前、后端便構成一根曲軸。多數發動機的曲軸，在其曲柄臂上裝有平衡重。按單元曲拐連接方法的不同，曲軸分為整體式和組合式兩類。
4．曲拐布置與多缸發動機的工作順序 各曲拐的相對位置或曲拐布置取決于氣缸數、氣缸排列形式和發動機工作順序。當氣缸數和氣缸排列形式確定之后，曲拐布置就只取決于發動機工作順序。在選擇發動機工作順序時，應注意以下幾點： 1)應該使接連作功的兩個氣缸相距盡可能的遠，以減輕主軸承載荷和避免在進氣行程中發生搶氣現象。 2)各氣缸發火的間隔時間應該相同。發火間隔時間若以曲軸轉角計則稱發火間隔角。在發動機完成一個工作循環的曲軸轉角內，每個氣缸都應發火作功一次。對于氣缸數為 i 的四沖程發動機，其發火間隔角應為720176。/i，即曲軸每轉720176。/i 時，就有一缸發火作功，以保證發動機運轉平穩。
直列四缸發動機四行程直列六缸發動機的發火順序和曲拐布置：四行程直列六缸發動機發火間隔角為720176。/6=120176。，六個曲拐分別布置在三個平面內，發火順序是153624。五、汽車發動機滑動軸承 汽車發動機滑動軸承有連桿襯套、連桿軸承、主軸承和曲軸止推軸承等。 1．連桿軸承和主軸承 連桿軸承和主軸承均承受交變載荷和高速摩擦，因此軸承材料必須具有足夠的抗疲勞強度，而且要摩擦小、耐磨損和耐腐蝕。 連桿軸承和主軸承均由上、下兩片軸瓦對合而成。每一片軸瓦都是由鋼背和減摩合金層或鋼背、減摩合金層和軟鍍層構成，前者稱為二層結構軸瓦，后者稱三層結構軸瓦。鋼背是軸瓦的基體，由1～3mm厚的低碳鋼板制造，以保證有較高的機械強度。在鋼背上澆鑄減摩合金層，減摩合金材料主要有白合金、銅基合金和鋁基合金。2．曲軸止推軸承 汽車行駛時由于踩踏離合器而對曲軸施加軸向推力，使曲軸發生軸向竄動。過大的軸向竄動將影響活塞連桿組的正常工作和破壞正確的配氣定時和柴油機的噴油定時。為了保證曲軸軸向的正確定位，需裝設止推軸承，而且只能在一處設置止推軸承，以保證曲軸受熱膨脹時能自由伸長。曲軸止推軸承有翻邊軸瓦、半圓環止推片和止推軸承環3種形式。 翻邊軸瓦(是將軸瓦兩側翻邊作為止推面，在止推面上澆鑄減摩合金。～，從而限制了曲軸軸向竄動量。思考題 1．為什么說多缸發動機機體承受拉、壓、彎、扭等各種形式的機械負荷?2．無氣缸套式機體有何利弊?為什么許多轎車發動機都采用無氣缸套式機體?3．為什么要對汽油機氣缸蓋的鼻梁區和柴油機氣缸蓋的三角區加強冷卻?在結構上如何保證上述區域的良好冷卻?4．曲柄連桿機構的功用如何?由哪些主要零件組成?5．為什么要把活塞的橫斷面制成橢圓形，而將其縱斷面制成上小下大的錐形或桶形?6．扭曲環裝入氣缸后為什么會發生扭曲?正扭曲環和反扭曲環的作用是否相同?7．若連桿剛度不足，可能發生何種故障?8．曲拐布置形式與發動機工作順序有何關系?
第三章 配氣機構目前，四沖程汽車發動機都采用氣門式配氣機構。其功用是按照發動機的工作順序和工作循環的要求，定時開啟和關閉各缸的進、排氣門，使新氣進入氣缸，廢氣從氣缸排出。第一節 配氣機構的功用及組成氣門式配氣機構由氣門組和氣門傳動組兩部分組成，每組的零件組成則與氣門的位置、凸輪軸的位置和氣門驅動形式等有關。現代汽車發動機均采用頂置氣門，即進、排氣門置于氣缸蓋內，倒掛在氣缸頂上。凸輪軸的位置有下置式、中置式和上置式3種。一、凸輪軸下置式配氣機構 凸輪軸置于曲軸箱內的配氣機構為凸輪軸下置式配氣機構 。其中氣門組零件包括氣門、氣門座圈、氣門導管、氣門彈簧、氣門彈簧座和氣門鎖夾等；氣門傳動組零件則包括凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、搖臂軸、搖臂軸座和氣門間隙調整螺釘等。下置凸輪軸由曲軸定時齒輪驅動。發動機工作時，曲軸通過定時齒輪驅動凸輪軸旋轉。當凸輪的上升段頂起挺柱時，經推桿和氣門間隙調整螺釘推動搖臂繞搖臂軸擺動，壓縮氣門彈簧使氣門開啟。當凸輪的下降段與挺柱接觸時，氣門在氣門彈簧力的作用下逐漸關閉。四沖程發動機每完成一個工作循環，每個氣缸進、排氣一次。這時曲軸轉兩周，而凸輪軸只旋轉一周，所以曲軸與凸輪軸的轉速比或傳動比為2∶1。二、凸輪軸中置式配氣機構凸輪軸置于機體上部的配氣機構被稱為凸輪軸中置式配氣機構。與凸輪軸下置式配氣機構的組成相比，減少了推桿，從而減輕了配氣機構的往復運動質量，增大了機構的剛度，更適用于較高轉速的發動機。有些凸輪軸中置式配氣機構的組成與凸輪軸下置式配氣機構沒有什么區別，只是推桿較短而已，如YC6105Q、6110A、。三、凸輪軸上置式配氣機構凸輪軸置于氣缸蓋上的配氣機構為凸輪軸上置式配氣機構(OHC)。其主要優點是運動件少，傳動鏈短，整個機構的剛度大，適合于高速發動機。由于氣門排列和氣門驅動形式的不同，凸輪軸上置式配氣機構有多種多樣的結構形式。氣門驅動形式有搖臂驅動、擺臂驅動和直接驅動三種類型。、單凸輪軸上置式配氣機構凸輪軸推動液力挺柱，液力挺柱推動搖臂，搖臂再驅動氣門；或凸輪軸直接驅動搖臂，搖臂驅動氣門。
、凸輪軸上置式配氣機構由于擺臂驅動氣門的配氣機構比搖臂驅動式剛度更好，更有利于高速發動機，因此在轎車發動機上的應用比較廣泛。如CA488SH680Q、克萊斯勒A45奔馳QM61奔馳M115等發動機均為單上置凸輪軸(SOHC)擺臂驅動式配氣機構；而本田B20A、尼桑VH45DE、三菱3G8富士EJ20等發動機都是雙上置凸輪軸(DOHC)擺臂驅動式配氣機構。、凸輪軸上置式配氣機構在這種形式的配氣機構中，凸輪通過吊杯形機械挺柱驅動氣門；或通過吊杯形液力挺柱驅動氣門。與上述各種形式的配氣機構相比，直接驅動式配氣機構的剛度最大，驅動氣門的能量損失最小。因此，在高度強化的轎車發動機上得到廣泛的應用。如奧迪、捷達、桑塔納、馬自達歐寶V奔弛320E，、。第二節 配氣定時及氣門間隙一、配氣定時（配氣相位）以曲軸轉角表示的進、排氣門開閉時刻及其開啟的持續時間稱作配氣定時。進氣門在進氣行程上止點之前開啟謂之早開。從進氣門開到上止點曲軸所轉過的角度稱作進氣提前角，記作 α。進氣門在進氣行程下止點之后關閉謂之晚關。從進氣行程下止點到進氣門關閉曲軸轉過的角度稱作進氣遲后角，記作 β。整個進氣過程持續的時間或進氣持續角為180176。+ α＋β曲軸轉角。一般 α＝0176。～30176。、β＝30176。～80176。曲軸轉角。排氣門在作功行程結束之前，即在作功行程下止點之前開啟，謂之排氣門早開。從排氣門開啟到下止點曲軸轉過的角度稱作排氣提前角，記作 γ。排氣門在排氣行程結束之后，即在排氣行程上止點之后關閉，謂之排氣門晚關。從上止點到排氣門關閉曲軸轉過的角度稱作排氣遲后角，記作 δ。整個排氣過程持續時間或排氣持續角為180176。＋ γ ＋ δ 曲軸轉角。一般 γ＝40176。～80176。、δ＝0176。～30176。曲軸轉角。由于進氣門早開和排氣門晚關，致使活塞在上止點附近出現進、排氣門同時開啟的現象，稱其為氣門重疊。重疊期間的曲軸轉角稱為氣門重疊角，它等于進氣提前角與排氣遲后角之和，即 α＋δ。二、可變配氣定時機構采用可變配氣定時機構可以改善發動機的性能。發動機轉速不同，要求不同的配氣定時。這是因為：當發動機轉速改變時，由于進氣流速和強制排氣時期的廢氣流速也隨之改變，因此在氣門晚關期間利用氣流慣性增加進氣和促進排氣的效果將會不同。例如，當發動機在低速運轉時，氣流慣性小，若此時配氣定時保持不變，則部分進氣將被活塞推出氣缸，使進氣量減少，氣缸內殘余廢氣將會增多。當發動機在高速運轉時，氣流慣性大，若此時增大進氣遲后角和氣門重疊角，則會增加進氣量和減少殘余廢氣量，使發動機的換氣過程臻于完善。總之，四沖程發動機的配氣定時應該是進氣遲后角和氣門重疊角隨發動機轉速的升高而加大。如果氣門升程也能隨發動機轉速的升高而加大，則將更有利于獲得良好的發動機高速性能。三、氣門間隙發動機在冷態下，當氣門處于關閉狀態時，氣門與傳動件之間的間隙稱為氣門間隙。發動機工作時，氣門及其傳動件，如挺柱、推桿等都將因為受熱膨脹而伸長。如果氣門與其傳動件之間，在冷態時不預留間隙，則在熱態下由于氣門及其傳動件膨脹伸長而頂開氣門，破壞氣門與氣門座之間的密封，造成氣缸漏氣，從而使發動機功率下降，起動困難，甚至不能正常工作。為此，在裝配發動機時，在氣門與其傳動件之間需預留適當的間隙，即氣門間隙。氣門間隙既不能過大，也不能過小。間隙過小，不能完全消除上述弊病；間隙過大，在氣門與氣門座以及各傳動件之間將產生撞擊和響聲。最適當的氣門間隙由發動機制造廠根據試驗確定。第三節 氣門組一、氣門氣門的工作條件非常惡劣。首先，氣門直接與高溫燃氣接觸，受熱嚴重，而散熱困難，因此氣門溫度很高。其次，氣門承受氣體力和氣門彈簧力的作用，以及由于配氣機構運動件的慣性力使氣門落座時受到沖擊。第三，氣門在潤滑條件很差的情況下以極高的速度啟閉并在氣門導管內作高速往復運動。此外，氣門由于與高溫燃氣中有腐蝕性的氣體接觸而受到腐蝕。進氣門一般用中碳合金鋼制造，如鉻鋼、鉻鉬鋼和鎳鉻鋼等。排氣門則采用耐熱合金鋼制造，如硅鉻鋼、硅鉻鉬鋼、硅鉻錳鋼等。汽車發動機的進、排氣門均為菌形氣門，由氣門頭部和氣門桿兩部分構成。氣門頂面有平頂、凹頂和凸頂等形狀。目前應用最多的是平頂氣門，其結構簡單，制造方便，受熱面積小，進、排氣門都可采用。
氣門與氣門座或氣門座圈之間靠錐面密封。氣門錐面與氣門頂面之間的夾角稱為氣門錐角。進、排氣門的氣門錐角一般均為45176。，只有少數發動機的進氣門錐角為30176。氣門頭部接受的熱量一部分經氣門座圈傳給氣缸蓋；另一部分則通過氣門桿和氣門導管也傳給氣缸蓋，最終都被氣缸蓋水套中的冷卻液帶走。為了增強傳熱，氣門與氣門座圈的密封錐面必須嚴密貼合。為此，二者要配對研磨，研磨之后不能互換。

氣門桿有較高的加工精度和較低的粗糙度，與氣門導管保持較小的配合間隙，以減小磨損，并起到良好的導向和散熱作用。氣門尾端的形狀決定于上氣門彈簧座的固定方式。采用剖分成兩半且外表面為錐面的氣門鎖夾來固定上氣門彈簧座，結構簡單，工作可靠，拆裝方便，因此得到了廣泛的應用。氣門鎖夾內表面有多種形狀，相應地氣門尾端也有各種