曲柄连杆机构的常见故障分析（共6篇）
毕业综合技能训练工作报告
曲柄连杆机构的常见故障分析
论文撰写人 徐超 系 部 车辆工程系 班 级 12级312131班 学 号 31213110 指导教师 马志民
发任务书日期 2014年 11月 25日
摘 要
曲柄连杆机构是发动机将热能转换为机械能的主要机构，是发动机的心脏。发动机运转中,曲柄连杆机构的活塞、活塞环、活塞销、连杆、曲轴和机体受到巨大的冲击力,易产生变形、裂纹或断裂,造成发动机不能启动、异响等。如果该机构发生故障，将使发动机工作状况变坏，动力性下降，机油及燃油消耗量增大。因此，曲柄连杆机构出现故障一定要及时排除。论文对曲柄连杆机构的功用和组成进行阐述，重点描述了机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组等主要机件的具体作用，并分析了曲柄连杆机构在拆卸、装配过程的各种注意事项，进一步研究了曲柄连杆机构故障的现象、产生原因及故障检修方法，并结合具体的故障实例对不同型号汽车进行故障诊断分析与故障排除，实现理论与实践相结合，加深曲柄连杆机构的故障诊断认识。
关键词：曲柄连杆机构 故障现象 故障原因 故障检修
目 录
前 言.......................................................................1 1 曲柄连杆机构的功用和组成...................................................3 1.1曲柄连杆机构的功用.....................................................3 1.2曲柄连杆机构的组成.....................................................3 1.2.1机体组.............................................................3 1.2.2活塞连杆组.........................................................4 1.2.3曲轴飞轮组.........................................................5 2 曲柄连杆机构的拆卸与装配...................................................6 2.1曲柄连杆机构的拆卸.....................................................6 2.1.1分解发动机机体组总成...............................................6 2.1.2活塞连杆组的拆卸...................................................6 2.1.3曲轴飞轮组的拆卸...................................................7 2.2曲柄连杆机构的装配.....................................................7 2.2.1安装曲轴与飞轮.....................................................7 2.2.2安装活塞连杆组件...................................................7 2.2.3气缸体曲轴箱组安装.................................................8 3 曲柄连杆机构的常见故障分析.................................................8 3.1机体组常见故障分析.....................................................8 3.2活塞连杆组常见故障分析................................................11 3.3曲柄连杆机构的故障实例分析............................................12 3.3.1故障实例一........................................................12 3.3.2故障实例二........................................................12 结 论......................................................................13 致 谢......................................................................14 参考文献....................................................................15
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前 言
在汽车的发动机发展史中，曲柄连杆机构始终是发动机的基础，随着科学技术的不断发展，发动机使用的日益广泛，对发动机曲柄连杆机构的要求也就越来越高。发动机的曲柄连杆机构的工况是相对比较恶劣的，它要承受高温，高压，高速以及化学腐蚀作用。曲柄连杆机构的综合性能直接决定了发动机的性能。
由于曲柄连杆机构是发动机的基础，有着其他机构不可代替的作用和特点。在做功行程中，利用燃烧气体所带来的压力推动活塞向下运动，经活塞销，连杆使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动产生转矩，为汽车提供动力和驱动发动机其他结构正常工作。在进气，压缩，排气行程是依靠曲轴，飞轮的转动惯性和其他缸的动力并经连杆和活塞销一起向上推动活塞进行上下的往复运动，为下一次做功创造条件。与此同时，气缸盖与封闭气缸顶部，与活塞顶部，汽缸壁形成了燃烧室。另外，气缸内的水套和油套也是冷却系统和润滑系统的组成部分。气缸体作为发动机的装配基础零部件，不仅影响发动机的使用，还影响其他机件的工况。因此做好对曲柄连杆机构的维护与保养对延长其使用寿命，改善发动机的动力性和经济性有至关重要的作用。
论文首先明确了曲柄连杆机构的功用，并重点分析了曲柄连杆机构的组成部分，即机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分，分别对机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组各部分包涵的具体机件进行详细论述，指出不同
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机件的具体位置与重要作用。其次由于曲柄连杆机构拆卸、装配过程的好坏，直接影响发动机的输出功率，论文重点研究曲柄连杆机构在拆卸和装配过程中需要注意的各项事宜，最后基于故障特性对曲柄连杆机构的故障现象、产生原因及故障检修方法进行深入研究，并进一步结合企业实践对不同车型的故障进行分析，指出故障现象，提出故障诊断意见及具体的故障排除方法，为曲柄连杆机构故障分析提供实践依据。
包头职业技术学院2012届毕业论文 曲柄连杆机构的功用和组成
1.1曲柄连杆机构的功用
曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。在作功冲程，它将燃料燃烧产生的热能活塞往复运动、曲轴旋转运动而转变为机械能，对外输出动力；在其他冲程，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。1.2曲柄连杆机构的组成
曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。（1）机体组：气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳、（2）活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆（3）曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡轴 1.2.1机体组
机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。
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（1）气缸体
气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，是发动机中最重要的一个部件。气缸体有水冷式缸体和风冷式气缸体。气缸体有直列、V形和水平对置三种形式
（2）气缸盖
气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，与活塞顶部和气缸壁一起构成燃烧室
气缸盖与气缸体之间装有气缸衬垫，其作用是保证气缸盖与气缸体间的密封，防止燃烧室漏气、水套漏水
（3）油底壳
油底壳的主要作用是储存机油并封闭曲轴箱。1.2.2活塞连杆组
活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成。（1）活塞
活塞的作用是与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室，并承受气缸中气体压力，通过活塞销将作用力传给连杆，以推动曲轴旋转
（2）活塞环
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活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，其主要作用是密封作用，导热功能，控油功能，支撑功能。工作条件是处于高温，高压，高速，极难润滑。活塞分为两种：压缩环和机油环。压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体。机油环则用来刮除气缸上多余的机油，是具有弹性的开口环，分为气环和油环，平均寿命在6万公里左右。
（3）连杆
连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。1.2.3曲轴飞轮组
曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和一些附件组成。（1）曲轴
曲轴是发动机最重要的机件之一。其作用是将活塞连杆组传来的气体作用力转变成曲轴的旋转力矩对外输出，并驱动发动机的配气机构及其他辅助装置工作。
（2）飞轮
飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，外缘上压有一个齿圈，与起动机的驱动齿轮啮合，供起动机发动机时使用。飞轮上通常还刻有第一缸点火正时记号，以便校准点火时刻。
包头职业技术学院2012届毕业论文 曲柄连杆机构的拆卸与装配
2.1曲柄连杆机构的拆卸
按发动机附件、气缸盖、油底壳、活塞连杆组和曲轴飞轮组的顺序，进行发动机解体。
2.1.1分解发动机机体组总成
首先拆下发电机，旋松撑紧壁紧固螺栓、调整螺母紧固螺栓，拧动调整螺母，使发电机靠近发动机侧，取下V 型皮带，从发动机前端卸下发电机与发动机的联接螺栓，取下发电机。然后取下进气歧管和排气歧管。之后拆卸正时皮带、拆卸分电器、水泵、气缸盖，在拆下气缸座时，应先卸下气门室罩盖，按由四周向中心顺序旋松缸盖螺栓，以防缸盖变形。拆下缸盖螺栓，用橡皮锤锤松缸盖，取下缸盖。最后拆卸机油泵、活塞和曲轴。当取下正时齿轮、曲轴前后的油封端盖，旋松并取下曲轴主轴承盖，抬出曲轴，取出上轴瓦止推轴承。不要跌落轴瓦，将轴承盖按顺序摆放好。2.1.2活塞连杆组的拆卸
首先用活塞环拆卸专业工具依次拆下活塞环。然后用尖嘴钳取出活塞销卡簧，用拇指压出活塞销，或用专用冲头将其冲出，取出连杆轴承。最后要按相反顺序复装活塞连杆组，对活塞做好标记，以免装错。
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2.1.3曲轴飞轮组的拆卸
首先按对角顺序旋松飞轮固定螺栓，取下螺栓，用手锤沿四周轻轻敲击飞轮，待松动后取下飞轮。拧松并取下曲轴油封端盖紧固螺栓，用手锤轻轻敲击油封端盖，待松动后取下油封端盖。拆卸主轴承盖及止推轴承，抬出曲轴。安装时按相反顺序逐步进行。在新油封唇部涂润滑脂，然后用专用油封安装工具和锤子敲入油封，直至其端面与油封边缘齐平。2.2曲柄连杆机构的装配 2.2.1安装曲轴与飞轮
首先将清洗干净的气缸体倒置于安装支架上，正确安放好各道主轴承瓦和止推垫片，注意将有油槽的一片轴瓦装在缸体轴承座孔中。然后将曲轴放入缸体轴承座中，依标记号合上各道主轴承盖，按规定转矩依次拧紧各轴承盖螺栓；安装止推片后应轴向撬动曲轴检查其轴向间隙；每紧固一道主轴承盖后应转动曲轴数周，检查其径向间隙，轴承过紧间隙不合要求时应查明原因，及时予以排除。安装曲轴前、后端油封凸缘、凸缘衬垫及油封等。将飞轮安装于曲轴后端轴凸缘盘上，安装时注意原定位标记，然后紧固螺母。螺母紧固时应对角交叉进行，并按扭紧力矩拧紧。最后将曲轴前端正时齿轮、挡油片等装上。2.2.2安装活塞连杆组件
将活塞销和连杆小头孔内（已装好铜套）涂上一层薄机油，然后将活塞
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放入90℃以上热水内加热，取出活塞，迅速用专用工具将销压入销座和连杆小头孔内，使连杆活塞连接。如果有活塞销卡环，用尖嘴钳将其装上。（安装时应注意活塞与连杆的安装标记）用活塞环装卸钳依次装上活塞油环和各道密封环，安装时注意扭曲环方向不可装反。将各道环端隙按一定角度钳开（三道气环按120°钳开，第一道环的端隙应避开活塞销座及侧压力较大一侧）。用活塞环箍将活塞环箍紧，用木锤手柄轻敲活塞顶部，使其进入气缸，推至连杆大端与曲轴连杆轴颈连接。装上连杆盖，按规定扭矩拧紧连杆螺栓螺母。
2.2.3气缸体曲轴箱组安装
放倒发动机，装上油底壳衬垫及油底壳。拧紧油底壳螺栓时应由中间向两端交叉进行。竖直发动机，安装气缸垫和气缸盖。缸盖螺栓应由中间向两端交叉均匀分2～3 次拧至规定力矩。安装凸轮轴及摇臂机构，安装气缸盖罩等。将所拆其它非曲柄连杆机构部件安装到发动机上。最后检查有无遗漏未装部件，检查整理好工具。曲柄连杆机构的常见故障分析
3.1机体组常见故障分析
（1）对于汽缸壁，早期异常磨损，活塞，活塞环外圆面及气缸壁内表面有明显的轴向划痕，进气道内存在明显油泥故障属于密封不良或者行驶路况恶劣，大量灰尘进入燃烧室导致的。
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故障现象：气缸压力不足
故障原因：活塞环过度使用，使密封性变差，活塞与气缸磨损较大，使活塞在气缸内摇摆，影响活塞环与汽缸壁的良好贴合密封；气门与气门导管间隙过小，使气门上下运动受阻，导致气门密封不严。另外还有一些人工因素：测试气缸压力时，操作不当，没有良好的密封。
故障检修：用气缸压力表测量之前，应使发动机处于正常温度下，冷却液温度在正常范围之内。节气门全开，也就是油门踏板踩到底，拆卸掉火花塞，将选好口径的压力表拧进火花塞孔中，利用起动机带动曲轴运动，读出气缸压力表的数值，一般情况下，若在正常值范围内，压力表的指针一般会弹起三下，最终不动。
故障现象：气缸体与气缸盖的损伤。
故障原因：汽车维修后，维修师傅的螺栓拧紧力矩过大。
故障检修：气缸盖螺栓的拆装一般是对称的，拆的时候是两段向中间松开，装配的时候是中间向两段对称拧紧。故障现象：气缸垫烧坏
故障原因：气缸垫烧坏就失去密封作用，产生窜气，漏气现象，最常见的就是烧机油
故障检修：缸体与气缸盖接合面不平，需要加以铲刮修理
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（2）对于活塞环断裂，同时活塞顶部积碳过多，并有烧灼现象，为发动机长时间高速，超负荷使用，造成活塞环与燃油燃烧产生的高速，高爆发冲击频率发生共振和碎裂。
（3）活塞环偏向磨损，其他部位属于正常磨损，发动机功率下降等现象，请检查连杆是否弯曲，曲轴间隙是否过大等。
机械故障主要发生在曲柄连杆机构和配气机构，大部分以异响的形式表现出来。
故障现象：当发动机转速发生变化时，有闷闷的声音。发动机的转速升高，声音变大
故障原因：主轴瓦异响
故障检修：①利用单缸断火法进行试验，响声没有变化，然后进行相邻两缸的断火试验，如果在某两缸断火后，声音明显降低，就由此判断这两缸之间的主轴瓦发出异响。②将机油放尽，然后拆下油底壳进行检查，若在机油中或者油底壳底部检查有轴承合金层碎屑，则说明轴承合金脱落，同时更换新的主轴瓦。检查主轴承盖螺栓是否松动，如有松动，应拧紧。检查主轴瓦径向和轴向间隙，如果过大，应该更换新主轴瓦。故障现象：涡轮增压器两端渗油，曲轴箱强制通风系统通风不畅。故障原因：曲轴箱强制通风系统出现通风不畅，则曲轴箱的油气压力过高，则涡轮增压器里的机油回油不畅，长时间的话，机油沉积在涡轮增压
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中间体，长时间就会使涡轮增压器两端渗油。
故障检修：①检查PCV系统中的空气滤清器是否存在堵塞。②检查气缸盖和机体之间的气缸垫是否存在漏气处。3.2活塞连杆组常见故障分析
（1）故障现象：气缸套与活塞受到机械刮伤，甚至活塞被卡至气缸内，发动机突然熄火，曲轴不能转动。活塞的密封性过低，可燃气窜入活塞裙部进行燃烧，将活塞壁上的油膜燃烧，出现干摩擦。活塞的活塞销卡环脱落也可造成拉缸现象。故障原因：拉缸
故障检修：如果轻微拉伤，可用细纱布打磨气缸和活塞表面再用，如果严重拉伤，需要镗缸或者更换气缸套与活塞，活塞环。
（2）故障现象：活塞和气缸壁的接触面由一侧导向另一侧，发出撞击声音。
故障原因：气缸敲缸
故障检修：将润滑油从火花塞孔中滴入，过一会，用手摇动曲轴，使润滑油进入活塞和气缸中，再将各个火花塞装上，进行着车，若声音明显减小，过一会，声音又增大，则说明是活塞的配缸间隙问题，建议更换活塞或者活塞环，必要时应膛气缸。
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3.3曲柄连杆机构的故障实例分析 3.3.1故障实例一 车型：奥迪A6L2.4轿车
故障现象：汽车行驶37626KM。发动机发出异响.响声越来越大，异响较快。
检查方法：断火后，检查各缸情况，对某缸断火异响减弱，异响听似活塞敲缸，分解发动机发现气缸拉伤，活塞顶烧灼，群部拉伤。
故障原因：该车行驶途中，加注劣质燃油，汽车辛烷值过低，并且高速行驶，发动机负荷大，温度过高，气缸内产生爆燃。车主不懂的爆燃的危害，所以造成活塞烧顶拉缸。
排除方法：镗磨气缸，更换加大活塞，发动机装复后工作正常.3.3.2故障实例二 车型：宝马530I轿车
故障现象：发动机冷启动困难，启动后抖动严重，发动机温度升高后怠速运转稳定。
故障诊断：（1）检查发动机冷却液温度传感器及其线路正常（2）检查燃油系统压力，在标准范围之内
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（3）检查气缸压力。第一二缸压力低于标准值，拆检气缸垫。排除方法：修模汽缸垫，更换气缸垫，故障排除，发动机工作正常。
结 论
曲柄连杆机构是发动机的重要组成部分，其性能的好坏直接影响了发动机的使用效率。本文是结合曲柄连杆机构的常用故障分析，通过理论研究和社会实践完成的，主要内容及结论如下：
1.研究总结了曲柄连杆机构的功用和主要组成部分，并对主要机件的特点及作用进行了简要的分析。
2.重点研究了曲柄连杆机构在拆卸、装配过程中各种注意事项以及具体的操作事宜。
3.对机体组、活塞连杆组的常见故障进行深入研究，指出故障现象，并对故障进行诊断分析，进一步有针对性地提出故障检修与排除方法。
4.结合企业实践，针对不同车型的故障问题进行分析，厘清故障现象，提出故障诊断方案以及故障排放方法，达到理论与实践相结合的目的。
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致 谢
在本文完成之际，首先我对马志民老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢。在毕业设计这段时间，马老师以渊博的知识，宽厚的胸怀，无私的敬业精神以及严谨的治学态度和开拓进取精神激励我，言传身教培养我独立思考，深入探究，解决实际问题的能力，使我受益匪浅。本文研究过程中，马老师提供了关键的技术指导，指明了研究方向。老师平日里工作繁忙，但在我做毕业设计的过程中，特别在开题方面和其他方面的撰写和修改给了我悉心的指导。特此向马老师表示衷心的感谢和敬意。
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参考文献
[1]崔选盟.汽车故障诊断技术.北京：人民交通出版社，2009。[2]沈树盛.汽车维修企业管理.北京：人民交通出版社，2005。[3]王明亮.汽车维护与检验.上海：同济出版社，2010。
在更换活塞环时若因一时无备件, 有人便用大一级的活塞环来代替标准环。但加大活塞环装后开口间隙很小甚至无间隙, 于是便用锉削加大活塞环开口的办法来装配。由于大一级的活塞环外圆直径加大了0.25 mm, 锉削后活塞环不能与缸套很好地贴合, 并使活塞环对缸套的压力增大, 易导致发动机拉缸、窜气和烧机油等故障。因此, 在选配活塞环时, 一定要按照缸套的修理尺寸选择同级尺寸组的活塞环, 以保证活塞环与缸套有良好的配合。
2 连杆衬套铰偏后, 校正连杆来调整
连杆衬套压装并铰削后, 有时因手工铰削不当, 出现连杆衬套中心线与连杆大端孔中心线平行度超差的情况。有人为图省事, 便通过扭曲连杆来保证两中心线的平行, 这样因连杆产生扭曲变形, 导致曲柄连杆机构的不正常磨损。因此, 当连杆衬套不慎铰偏时, 应更换衬套, 重新铰削, 切不可扭转连杆来调整。
3 轴承与座孔配合不紧时, 锉削座孔分解面
当因烧瓦抱轴等原因造成轴承在座孔内蠕动, 或新轴承瓦片安装高度不足时, 轴承与座孔配合不紧。有人采用锉削轴承座或轴承盖切口分解面的办法, 来恢复轴承与座孔的配合紧度。这样会破坏轴承座孔的圆度和圆柱度, 导致轴承变形, 造成轴承与轴颈的早期磨损损坏;同时易使锉削后的分解面歪斜, 造成曲柄连杆机构有关零件的偏磨;另外, 还可能导致轴承盖紧固螺栓旋不紧, 或旋紧后歪斜现象, 造成连杆螺栓折断, 引起捣缸事故。
因此, 当轴承与座孔配合不紧时, 应查找原因, 若是因座孔磨损、变形引起, 应镗削轴承座孔, 铣削座孔切口分解面;或在座孔内圆表面镀铬、镀锌、金属喷涂, 并加工至标准尺寸。若是因轴承安装高度不足、弹性下降引起, 轴承盖结合面有调整垫片的, 应抽减调整垫片;无调整垫片的, 应更换并重新选配新轴承。选配时将轴承装入座孔, 并按规定扭矩旋紧轴承盖紧固螺栓, 然后拆下轴承盖, 检查瓦片凸出座孔分解面的高度 (即轴承安装高度) , 一般为0.05～0.10 mm。
4 活塞与连杆不垂直时, 弯扭连杆来纠正
关键词：汽缸套；活塞环；连杆
中图分类号：S232.8文献标识码：A文章编号：1674-0432（2012）-02-0123-1
1 正确检修
1.1 汽缸套的检修
汽缸套的磨损原因主要是，工作表面使用后，从上至下磨损成锥形。在汽缸套的横截面，则磨成不规则椭圆形。主要原因是由于活塞和活塞环的不断磨擦，加上高温气体的腐蚀，空气中灰尘与润滑油中的杂质的渗入，活塞侧压力的作用和加工装配质量低，都会加速汽缸套的磨损，直到配合间隙超过允许值。
技术检查包括，除观察汽缸套工作表面是否光亮外，还需用量缸表测量，检查其磨损量、锥度和椭圆度。测量时，一般在垂直于汽缸壁的3个不同典型截面内进行。第一截面在活塞位于上止点时，一道气环所对应的位置，是磨损量最大的位置。第二截面在汽缸套中部。第三截面在活塞位于下止点时，最下一道环对应的位置。
在每一截面测两个方位，一是平行于曲轴方向的直径。通过测量结果，计算出最大磨损量、锥度和椭圆度。
汽缸间隙，活塞群部和汽缸壁之间的间隙称汽缸间隙。此间隙过大或过小都会影响活塞的正常运行。测量汽缸间隙通常用量缸表和外径千分尺分别测出汽缸和活塞裙部的直径，然后计算出间隙。也可以将活塞倒放入汽缸内用厚薄规测量，此时活塞不装活塞环位于上止点，插入或拉出厚薄规感到有阻力，即为合格。
1.2 活塞环的检修
活塞环开口间隙，将活塞环平放入汽缸中，开口处两端面间的间隙称开口间隙。其作用是保证活塞环受热后有膨胀的余地，以免卡死。此间隙过大会产生漏气，过小则会加剧活塞环和缸套的磨损，严重时受热膨胀产生卡死。
活塞环边间隙，活塞环与环槽平面间的间隙称边间隙。它的作用是保证活塞环能在环槽内自由活动。此间隙过大会把机油泵入燃烧室形成积碳，此间隙过小，活塞环易卡死在环槽中，失去环的作用。
1.3 活塞和连杆的的检修及组装
连杆的检修，连杆易出现弯曲和扭曲，即连杆大、小端孔的中心线不平行或不在同一平面内。一般弯曲度在0.06mm，扭曲度在0.12mm，超出时应校正。
活塞销和连杆衬套的配合，为了保证活塞销和连杆小端的正常滑动，活塞销与连杆衬套必须具有一定的间隙。
1.4 连杆瓦和连杆轴颈的检修
柴油机使用一段时间后，轴颈和轴瓦都会产生磨损，其配合表面会出现划痕或锥度和椭圆，在机油不足或油路堵塞时会产生烧瓦、抱轴等现象，破坏了原配合间隙。
连杆轴瓦的刮配，更换新轴瓦时，用手工刮削的方法达到相应的配合间隙。具体方法是，将曲轴放在支架上或和飞轮连接在一起再把曲轴立起，选配好相应尺寸的轴瓦，按要求装好拧紧连杆螺栓，以感到转动连杆稍有阻力为止，然后转动连杆数圈，松开螺栓，取下轴瓦，检查轴瓦表面接触痕迹，用三角刮刀将痕迹刮去。按上述过程重复数次，直到接触印痕达75%以上，且分布均匀，同时配合间隙合适，即为乱配合格。
1.5 主轴颈和主轴瓦的检修
主轴颈和主轴瓦的磨损与连杆轴颈和连杆轴瓦的磨损情况相同，应同时进行检修。
1.6 曲轴轴向间隙的检查和调整
曲轴是依靠两端主轴承的端面作为轴向定位的。为了使曲轴在工作时受热膨胀留有余地，曲轴在轴向必须有一点移动量，即轴向间隙。一般在0.10-0.30毫米，间隙的大小靠增减主轴承盖与汽缸体之间的垫片来调整。
2 常见故障与排除方法
（1） 缸套、活塞、活塞环磨损过快，汽缸中吸入不清洁的空气，空气中的杂质加速了缸套、活塞、活塞环等零件的磨损，破坏了它们之间的配合间隙。造成启动时压缩无力，启动困难。柴油机工作时排气冒蓝烟、黑烟、严重时有敲击声。应更换缸套、活塞、活塞环，并查出进入不清洁空气的原因，予以排除。
（2） 烧缸垫，由于汽缸盖、汽缸体接触面不平或缸盖螺母松动，拧紧力矩不够等，造成漏气，高温气体经过缸垫，引起烧蚀。应查明烧缸垫的原因，予以排除，然后换上新缸垫，按技术要求装好。此外还应定期检查缸盖螺母。
（3） 拉缸，缸套与活塞裙部配合间隙过小，活塞受热膨胀后与缸套卡死或摩擦。活塞销卡簧折断或脱落，活塞环或活塞环槽间壁损坏，损坏碎片刮伤缸套或活塞表面。积碳大块脱落，进入缸套与活塞表面引起刮伤。柴油机严重缺水，活塞顶局部融化，融化物进入缸套与活塞之间，将两表面拉出纵向沟痕，以上现象都称拉缸，应更换损坏的零件，并保证正确的汽缸间隙。
（4）烧瓦抱轴，轴承间隙过小，机油不能足够进入轴承内，达不到良好润滑。再一个是轴承间隙过大，机油不能存留在轴承内，也达不到良好润滑。润滑不良使轴瓦温度急剧上升，使减磨合金层融化，引起烧瓦。严重时轴颈与轴瓦抱死，使曲轴停转，即抱轴，应磨轴换瓦，并保证要求的轴承间隙。
作者简介：吴亚清（1962-），女，中专,就职于东丰县农机校，从事教师工作。
一、教学内容分析
机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配机体。本次课的内容对汽车专业的学生在今后的学习和实践动手操作中起着重要的作用，只有掌握了发动机机体各组件的结构、作用和工作过程，才能继续深入学习与发动机有关的后续知识。二、三维目标：
知识与技能：
1、掌握曲柄连杆机构的组成和作用；
2、掌握机体组的组成和作用；
3、掌握机体的结构形式主要有哪些。过程与方法：
通过本次机体组这节课的学习，同学们将了解机体组各组成部件的结构形式及作用。由于同学们刚开始接触发动机，对发动机各个组成部件的相关知识还较生疏，所以，在讲解机体组这部分内容的时候以多媒体的方式来进行教学，通过课件上的图片或者视频的展示，以加强学生对发动机机体组知识的理解。
情感态度与价值观：
通过任务驱动和教师的引导，让学生自主探究学习和小组协作学习，在完成一个个具体的任务过程中机体组的组成和各零部件的作用，从而培养学生独立分析问题、解决问题的能力、举一反三的能力。
三、教学重难点
1、教学重点：曲柄连杆机构的组成和作用；
机体组的组成和作用；
机体组各零部件的作用。
2、教学难点：汽缸体的结构形式；
机体内各种结构形式的燃烧室结构。
四、教学方法：讲授法、讨论法、多媒体演示法
五、课时安排： 1课时
六、教学过程：
复习旧课：回顾发动机总体构造内容，用提问的方式检验学生的掌握程度。设计意图：1）通过提问，可以让同学们集中注意力；
2）通过提问，让学生回顾发动机总体构造知识，将有利于学生对发动机机体组这部分内容的学习。
引入新课：在本课教学开始，利用上个环节的提问内容来引出本次课将学的内容，并提醒学生本次课内容的重点。
一、观看曲柄连杆机构相关视频
学生带着问题观看相关视频，问题如下：
1、发动机曲柄连杆机构有哪几部分组成？
2、发动机曲柄连杆机构的作用是什么呢？
二、小组讨论： 引导学生通过观看视频回答问题。曲柄连杆机构的作用及组成：
机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成；
曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力
三、观看机体组的相关视频
学生带着问题观看相关视频，问题如下：
1、机体组由哪几部分组成？
2、机体组的作用是什么呢？
四、小组讨论：
引导学生通过观看视频回答问题。机体组的作用及组成：
机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。
机体组组成部分：气缸体、气缸垫、气缸盖、油底壳、汽缸套 【教师提问】机体组的每部分零部件有什么作用呢？
设计意图：通过提问，可以让同学们集中注意力，激发下面的学习兴趣，引出下面课程的继续开展。
五、机体组零部件
以多媒体课件PPT、专业教科书为媒体，讲解机体组各部件的结构和作用。讲解的同时，可通过播放关于机体组的视频，帮助学生理解机体组各部件的结构
1、气缸体
（1）分为以下三种形式：（1）一般式；（2）龙门式；（3）隧道式 ；
（2）气缸的排列形式：单列式、V形、对置式；
2、气缸套
（1）干式气缸套；（2）湿式气缸套 气缸套视频讲解。
3、油底壳
4、气缸盖
（1）气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，与活塞顶部和气缸壁一起构成燃烧室。（2）汽缸盖的结构；
5、汽缸垫
气缸垫装在气缸盖和气缸体之间，其功用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气，漏水和漏油。板书设计：
一、曲柄连杆机构：
1、发动机曲柄连杆机构有哪几部分组成？
2、发动机曲柄连杆机构的作用是什么呢？
二、机体组
1、机体组由哪几部分组成？
2、机体组的作用是什么呢？
三、机体组零部件
1、气缸体
2、气缸套
3、油底壳
4、气缸盖
5、汽缸垫
课堂总结：
1、曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力；由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。
2、机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。
机体组组成部分：气缸体、气缸垫、气缸盖、油底壳、汽缸套 作业布置：
1、发动机曲柄连杆机构的组成和作用？
2、发动机机体组的作用和组成？
3、汽缸体的机构形式有哪几种？
柴油机的动力学研究主要集中于研究力的传递,这是柴油机的基本理论研究〔1〕。曲轴是柴油机中最重要、承载最复杂的零件之一。曲轴在工作过程中,受到周期性变化的激励力作用,有可能在柴油机工作转速范围内发生强烈的共振,使得动应力急剧增大,在曲轴的内部产生疲劳裂纹而导致曲轴过早的出现弯曲疲劳和扭转疲劳破坏,因此研究其受力的变化及影响有重要意义〔2〕。
1 曲柄连杆机构建模
本文首先在UG软件的CAD模块建立了柴油机的曲柄连杆机构和简化机体的三维实体模型,并导入ADAMS中进行装配,装配体如图1所示。
在ADAMS /View中缸内气体压力的添加是通过AKISPL函数实现,与以往直接添加转动副并赋予固定转速的方法不同,该模型参考转速的调节参考调速器原理,通过step函数把起驱动作用的缸内气体压力乘以一个系数,转速过快时乘以一个小于1的系数,转速过低时乘以一个大于1的系数。该函数形式为step( n - N) ,- a,b,a,c) ,以1号缸为例,本文所用的气体压力函数为
step( ( WM( biaozhun) * 180 / π - 4500) , - 300,1. 05,300,0. 8) * ( AKISPL( MOD( ABS
( AY( biaozhun,a1) ) * RTOD,720) ,0SPLINE_ 1,0) * S)
通过上述方法调节曲轴转速,可以排除附加力矩的影响,更接近曲轴运行的真实情况。根据各缸上止点对应的曲轴转角和发火次序插值出对应的燃气爆发压力值,并沿气缸轴向施加于活塞顶部,对柴油机曲轴系进行仿真〔3〕。曲柄连杆机构在运转稳定时各缸气体压力曲线如图2所示。
图3是曲轴转速与1号缸缸内气体压力对比图,从图中可以看出,起始阶段转速逐渐上升,由于气体力函数的自我调节作用,缸内压力略有下降,随着转速的稳定,缸内气压最大压力也不再改变,最终曲轴角速度稳定在额定转速4500deg /sec。
2 仿真分析
曲轴上的转矩包括内部激励转矩、总阻力矩和外阻力矩,内部激励转矩主要是往复惯性力转矩和气体压力转矩,两者的合力由连杆传递到曲柄销上,曲柄连杆机构结构示意图如图4所示。
2. 1 往复惯性力转矩分析
在曲柄连杆机构中,某一点的惯性力大小等于这一点的质量和加速度的乘积。本文把连杆质量看成两部分: 一部分质量在连杆小头,用m1表示,剩余的那一部分在连杆大头,用m2表示,总质量为m,连杆小头质量的计算公式:
往复惯性力计算公式为: pj= mja( 4. 2. 6)
式中: mj———连杆及活塞在竖直方向做往复运动的总质量,且
mp———活塞组质量
在一个周期内往复惯性力的仿真图如图5所示,从中可以看出在一个周期内,往复惯性力波动两次,并且方向与加速度的方向相反,一个周期内往复惯性力的方向发生四次变化,并且在上止点附近往复惯性力的绝对值最大,分析其原因主要有两个,一是在做功冲程的上止点前后缸内气体压力大,活塞和连杆小头加速度大,所以往复惯性力比较大; 二是因为在下止点前后加速度方向与缸内气体压力方向相反,往复运动物体的加速度减小,造成往复惯性力减小。上止点附近做物体的加速度与气体压力方向相同,所以产生的往复惯性力相对较大。
单缸体中做往复运动的活塞和连杆质量用表示,那么它们的往复惯性力作用在曲轴上转矩为:
图6为1号缸的往复惯性力作用在曲轴上的惯性力转矩,从图中可以看到在曲轴运转的一个周期内,往复惯性力是随着曲轴的转动而不断变化的,其中方向和大小都会随之改变。活塞位于上、下止点时,转矩的大小为零。曲轴每转动一周,往复惯性力方向变化四次。
每个缸作用在曲轴上的往复惯性力转矩之和就是总往复惯性力转矩,从图7中可以看出在一个周期内,有6个一样的波峰,每个波峰形状类似正弦函数。这是因为按照发火顺序6个缸的相位差为120°,由于忽略了摩擦力的影响,且各缸气体压力曲线一样,所以在多刚体模型中可以认为各缸产生的往复惯性力转矩除了相位不同以外其它一样。在对各缸往复惯性力作用在曲轴上的转矩进行合成时,在任何时候都有两个活塞的位置相同,并且合成的转矩变化周期是120°。所以出现6个波峰。
2. 2 气缸压力转矩分析
气体作用在活塞上面的力FP为:
式中: pg是气缸内气体压强; p' 为活塞背面压强; d是活塞的直径。
根据力的合成原理可以得到气缸压力传递到曲柄销后所形成的转矩计算公式是:
根据三角函数变换:
以及几何变换:
所以柴油机单缸气体压力作用转矩Ticy为:
总气体压力转矩Tcy为每缸气体压力转矩Ticy之和。
图8为1号缸气体压力作用在曲轴的转矩与往复惯性力转矩对比,由图可知: 在曲轴转角的一个周期内,气体压力转矩最大值出现在最大爆炸压力之后。往复惯性力转矩可能与曲轴转动方向相同,也可能与曲轴转动方向相反,所以往复惯性力转矩即可能是动力矩也可能是阻力矩。
图9是每个缸因气体压力而产生的转矩,进行具体的分析可得,在一个运动周期,转矩也会有相应的规律性变化,出现了6个峰值和峰谷。
2. 3 内部激励转矩分析
对柴油机的缸内气体压力转矩和往复惯性力转矩进行合成得到图10,从图中可以看出,内部激励转矩与往复惯性力及缸内气体压力转矩的变化规律相似。内部激励转矩在柴油机运转的一个周期都出现了6个周期性变化,每两个大的波峰之间有一个小波峰,结合往复惯性力转矩图和气缸压力转矩图可知两者的波峰有相位差,所以对其转矩进行合成时出现了大小波峰的现象,其中小波峰的出现主要是往复惯性力转矩作用的结果。
3 曲轴瞬时转速分析
柴油机的运行方式决定了其转速具有不均匀性,即使在额定功率下稳定运行,曲轴上输出的转矩也是波动的,这将引起瞬时转速的变化,并且使柴油机和相连的机构发生振动。研究曲轴转矩和瞬时转速的变化,寻找降低柴油机振动的方法具有十分现实的意义,转矩的不均匀度和瞬时转速的变化也是柴油机动力学特性的一项重要指标〔4〕。
3. 1 曲轴瞬时转速仿真
对建立的多刚体模型进行仿真分析,得到曲轴自由端的瞬时转速波动图,如图11所示,曲轴在稳定工作状 态下的转 速为4500deg /sec ( 750r/min) ,在柴油机工作一个周期内转动了两周,最大转速为4517deg /sec,最小值为4483deg /sec。根据4. 2. 节的动力学仿真分析可知,瞬时转速波动图中出现6个大波峰和6个小波峰分别是缸内气体压力转矩和惯性力转矩共同作用的结果,波动趋势与内部激励转矩波动趋势一致。
3. 2 转矩与转速的关系
曲柄连杆机构包括两种运动: 旋转运动和往复运动,所以整个机构的转动惯量是变化的,转动惯量的变化必然引起瞬时转速的变化。曲柄连杆机构的转矩一方面来自气体压力产生的转矩,一方面来自惯性转矩,包括往复惯性转矩和离心惯性转矩。本文从理论上推导瞬时转速的算法,并从转矩方面入手研究瞬时转速波动的影响因素。
动力学原理〔5〕认为,作用于物体上面的力矩和力决定了该物体的动力学特性。作用在柴油机活塞上的气体压力产生的力矩通过连杆传递给曲轴,这与活塞、连杆等部件产生的切向惯性力矩共同构成了柴油机的内部激励力矩。外部载荷的外阻力矩跟内部零件的摩擦及传动机构做功消耗的内阻力矩总成了总阻力矩,其中摩擦力及传动机构做功消耗在此不计。柴油机平稳运转时,总阻力矩和内部激励力矩达要互相平衡。
所以:
由式上面公式可知,当柴油机曲轴转动惯量I和平均转速是定值的时候,曲轴瞬时转速是由作用在曲轴上力矩的平衡决定的,所以在分析曲轴瞬时转速波动的影响因素时,就要从曲轴所受力矩着手。
3. 3 内部激励转矩对瞬时转速波动的影响
已知运动方程:
公式中: TL表示总阻力转矩,单位N·m,Tt为缸内气体压力和往复惯性力作用在曲轴上的切向力矩,也就是内部激励转矩,单位是N·m,R为曲柄半径,单位m。
当柴油机在额定工况下稳定运转时总阻力矩变化不大,往复惯性力与气缸压力作用在曲柄上的转矩与瞬时转速变化成正比。缸内的气体输出转矩与惯性力转矩有一定的负相关关系,也就是一个在不断上升变大时,另一个就会不断降低减小。通过调节两者之间的大小关系能够减小瞬时转速的波峰数值,增加波谷数值。当曲轴转速越高时,往复惯性力也就越大,对瞬时转速波动的影响也会越大,最终使得柴油机在转速较高的时候,气缸压力对瞬时转速波动的敏感度降低。
从瞬时转速仿真计算可知,柴油机转速越高,往复惯性力越大,气缸压力增加不大,随着转速的增加,往复惯性力对转速的波动影响会变大,可能会使瞬时转速现往复惯性力和缸内气体压力分别作用产生的双波峰。根据图11曲轴瞬时转速的波动图可以看出在750rad /min时,瞬时转速出现了明显的双波峰现象,这正是往复惯性力与缸内气体压力转矩共同作用的结果。
4 结论与展望
通过对往复惯性力和气体压力转矩进行仿真与分析,证明了两者对曲轴瞬时转速的变化趋势有密切关系。为了降低瞬时转速的波动变化设计今后在内燃机设计时,有必要对内部激励转矩进行优化仿真,得到稳定性更好地产品。
摘要：利用ADAMS软件对柴油机曲柄连杆机构进行动力学仿真,通过对各气缸添加气体压力使曲轴匀速转动,并且对各气缸往复惯性力转矩和气体压力转矩进行合成,分析了转矩的变化特点。最后把曲轴上所受的转矩与瞬时转速变化进行对比说明内部激励转矩与瞬时转速的波动有密切联系。
关于曲柄连杆机构的功能及组成是学生们必须了解、熟悉的内容, 首先学生应该清楚曲柄连杆机构的功能, 曲柄连杆机构的功能原理是将活塞推动气体产生活塞力, 然后活塞力作用在阀门上, 导致曲柄的力矩变化, 致使曲柄连杆形成力矩, 将活塞力转化为曲柄连杆力矩, 最终曲柄连杆机构形成能量的转移, 这就是曲柄连杆机构的功能。学生们在了解曲柄连杆机构的功能之前, 应该了解能量守恒原理, 能量守恒原理的主要在于, 能量既不能凭空产生, 也不能凭空消失, 它能通过某种形式不断转化。而曲柄连杆机构的功能也是遵循了能量守恒原理。曲柄连杆机构的组成是学生们学习曲柄连杆机构的功能的重要内容, 两者互相联系。曲柄连杆机构的组成主要分为三大块, 一是机体组, 其组成为气缸体、气缸盖罩、气缸衬垫、气缸盖、油底壳以及主轴承盖, 机体组是汽车发动机的支架。二是活塞连杆组, 活塞组连杆组是能量转移的介体。三是曲轴飞轮组, 是汽车发动机的能量输出体。
二、让学生熟悉气缸体的结构形式及特点
熟悉气缸体的结构形式及特点, 让学生对于汽车发动机的曲柄连杆机构的认识更加深刻。汽车发动机气缸体主要用铸铁及铝合金制成, 由于气缸体的特殊功能, 气缸体在工作中会产生大量的热能, 而铸铁及铝合金具有耐高温作用, 是汽车发动机气缸体主要材料。气缸体因为其构造特点, 它的作用是全面的, 首先它是主体骨架, 是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。同时它又对运动机件起到支撑作用, 让所有附件在其构造上得到安装, 让活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。
气缸体的主要结构形式有三种, 既V形、W式、直列式, 其特殊的结构特点与其不同形式的功能息息相关。V形气缸, 顾名思义它成V字形, 是主要气缸类型的一种, 首先V字形的V角不应大于180度, 把相邻的两个气缸布置在一起, 构成一个稳固的整体, 从结构上也能反应出V形气缸主要分为两个部分, 左气缸和右气缸。W式气缸同理V形, 是将V形在进行小角度分离, 从而形状类似V形的W式。直列式气缸一般简称L形, 以L3为例, 就是3个气缸排列。总之V形、W式、直列式的气缸各有特点, 主要针对不同条件下的发动机而设计。
三、让学生掌握曲柄连杆机构磨损检查与修理
气缸体检查是汽车发动机的曲柄连杆机构一体化教学的重点, 要让学生了解气缸磨损的规律, 气缸磨损的规律通常有两个方面, 分为气缸的轴向摩擦及径向摩擦, 两种摩擦本质上没有区别, 但是在形式上, 存在着不同的摩擦效果, 气缸体的轴向摩擦, 主要是线性摩擦, 产生下小下大的锥形, 因为口部摩擦比较大, 所以在第一道活塞环止处摩损较大, 口部磨损痕迹越明显。气缸的径向摩擦存在着不规律性, 主要体现在摩擦的不均匀分布, 气缸的径向摩擦在气缸上呈现椭圆形状, 因为摩损次数及规律的不规则性, 导致径向摩损的垂直处摩擦力较大。从两者的分析比较来看, 气缸的磨损规律既存在着简单性, 也存在着复杂性, 通过对其分析规律, 对于学生掌握气缸体磨损检查具有重要意义。在气缸体检查教学之前, 让学生们充分了解气缸摩损的两种规律。气缸磨损检查主要用量缸表、外径千分尺两种工具。通过测量气缸直径, 从上中下不同尺寸及两个磨损方向, 对不同的六个部位进行测量检查, 计算气缸的最大磨损量、圆柱度、圆度。
气缸体磨损修理是学生必须掌握的一种技能, 也是汽车发动机的曲柄连杆机构一体化教学的难点。对于气缸体磨损修理, 首先要检查汽缸的磨损量、圆度或圆柱度, 分析它们的误差是否超过极限值, 缸壁上有是否严重的刮伤、沟槽和麻点, 如有以上问题, 应进行搪缸和磨缸或更换新缸套。如果因为汽车发动机的长期过热引起的平面变形, 影响到了与气缸盖的气密性, 应该对其进行摩削加工, 总的加工厚度不应该超过0.3mm.
总结
汽车发动机的曲柄连杆机构一体化教学一直是汽车领域教学的重点, 发动机是汽车的心脏, 曲柄连杆机构是发动机的主体, 如何提高对汽车发动机的曲柄连杆机构认识及学习能力, 是汽车发动机的曲柄连杆机构一体化教学的探究主要方向, 本文也正是围绕这个重点展开的深入探究, 目的是提高我国汽车发动机的曲柄连杆机构一体化教学的能力。
参考文献
[1]赵丕欢.柴油机平衡分析及平衡机构优化设计[D].中北大学, 2009.
[2]刘翾.479Q型发动机曲柄连杆机构的疲劳寿命分析[D].河北工业大学, 2009.
【曲柄连杆机构的常见故障分析】推荐阅读：
连杆加工夹具设计说明书05-29
