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发动机的构造和功能

第2章 发动机主体

2-1 概要
发动机的主要部分发动机主体是使燃料和空气的混合气在燃烧室内燃烧产生的燃烧气的压力转变为旋转运动并产生动力的部分，它由气缸、气缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴、凸轮轴和气门（阀）等装置构成。
图2-1所示的是直列式发动机的一个例子。如图所示，各气缸中有活塞，它与连杆的一端连接。另外，连杆的另一端连接输出轴的曲轴，当活塞往复运动时，曲轴则旋转运动。
安装在气缸上部的气缸盖上设有气门，它依靠与曲轴连动旋转的凸轮轴动作。另外，气缸盖的内部构成燃烧室，由气门开闭。
发动机主体还设有混合气和燃烧废气以及油和冷却水的通路。同时，还有各种辅机和进排气装置等附属装置。

凸轮轴

气缸盖

1．凸轮轴
2．气缸盖
气门

气缸

3．气门
4．气缸
5．气缸体
6．活塞
7．曲轴
连杆
气缸体
8．连杆
活塞

曲轴

图2-1 四冲程直列四缸发动机

2-2 结构和功能
2-2-1 气缸、气缸体
1）气缸
气缸是一个长度约为2倍冲程的、内圆的薄壁圆筒形装置，在保持气密的状态下，活塞在其中往复运动。它是把热能转化为机械能后产生必需动力的装置的主体部分，并与活塞和气缸盖一起形成燃烧室。
在发动机工作时，暴露在20000C以上的燃烧气体下温度极高的气缸壁，由水套内的冷却水或冷却散热片散热，使气缸的温度不会超过规定的温度。
水冷式发动机的气缸有两种。一种是与气缸体整体铸造而成的整体式气缸，另一种是使用与气缸体不同材料制成的气缸套的拼合式。
气缸
图2-4所示的整体式气缸价格便宜，适合批量生产，所以目前大多采用这种形式。它的材料是在FC200或相当于FC250的铸铁上添加改善耐磨性的合金成分（镍、铬和钼等）的材料。
水套

气缸体

1．气缸
2．水套
3．气缸体
机油盘
4．机油盘

图2-4 整体式气缸

如图2-5所示，拼合式有干式气缸套和湿式气缸套两种。干式气缸套是把气缸套压力或浇铸到气缸体的气缸部，气缸套的外周不直接接触冷却水。
气缸套
湿式气缸套是把气缸套插入水套组装而成，由于气缸套的外周直接接触冷却水，所以冷却性能良好。但是，湿式气缸套需要采取冷却水防漏措施，结构复杂，价格较高，所以现在仍是干式的主流。

水套

1．气缸套
2．水套
3．气缸体

气缸体
4．支承物
5．（a）干式气缸套
支承物
6．（b）湿式气缸套

（a）干式气缸套 （b）湿式气缸套
图2-5 拼合式气缸
拼合式气缸大多采用铝合金制的气缸体，气缸套的材料与整体式气缸一样，同为铸铁。另外，为了提高耐磨性而使用时的气缸套，则采用特殊铸铁制成。
另外，为了使混合气的能量在气缸中高效地转化为动力，要避免压缩的混合气和在燃烧室内燃烧过的燃烧废气从与活塞之间泄漏，同时还要求尽量减少活塞滑动时产生的摩擦和磨耗。为此，气缸的内面要进行称为珩磨加工的精密研磨加工。同时，为了减少磨耗，还要进行镀铬。

2）气缸体
构成发动机气缸部分的气缸体是气缸主体的骨骼部分，它的寿命左右发动机主体的寿命。
目前，通常用于汽车的汽油发动机的水冷式的气缸体如图2-7所示，各气缸与曲轴箱部分整体铸造，它支撑着活塞、连杆和曲轴等，同时，它的上部还安装着气缸盖，下部安装着机油盘，正面和侧面安装着辅机等附属装置。同时，还设有冷却水、油和窜漏气体的通路。

油路
气缸

窜漏气体或落油通路

1．气缸
冷却水通路
2．油路
3．窜漏气体或落油通路
4．冷却水通路

油通路
5．油通路
6．冷却水通路
7．曲轴箱

曲轴箱

冷却水通路

图2-7 水冷式气缸体

2-2-2 气缸盖
气缸盖带着保持气密用的密封垫被安装在气缸体上面，与气缸和活塞一起构成燃烧室的一部分，其外部装有混合气点火用的火花塞，四冲程发动机上还装有进气歧管、排气歧管和气门机构等装置。
同时，为了冷却燃烧室的周围，如图2-11所示，在水冷式发动机的燃烧室的外周装有为了给内部通冷却水的水套；在气冷式发动机的燃烧室的外周装有冷却散热片。

气缸盖

冷却
散热
片
气缸盖
1．气缸盖3．气缸 4．上面
5．截面 7．气缸盖
8．冷却散热片 9．气缸

水套

气缸
2．水套
气缸

上面 截面
图2-11 水冷式气缸盖 图2-12 气冷式气缸盖

再者，在四冲程发动机的内部，还装有混合气的进气通路（进气口）、燃烧废气的排气通路（排气口）、油路、落油用的油孔、窜漏气体通路等。为了提高混合气的充气效率和在燃烧室的燃烧效率，进气口的形状要考虑到气流（涡流、旋流），而排气口的形状应是燃烧废气排放效率尽量高的形状。
由于气缸盖在发动机运转时始终处于高温高压的状态下，所以应能经受住热和机械的负荷，而且要求传热性和冷却效果都要好。因此，过去是用铸铁制造的，但最近一般采用铝合金制的。用铝合金制造重量轻，而且冷却效果好，还有不易发生爆震的优点。另外，气门座部分是与气门紧密接触，防止燃烧压力泄漏的部分，嵌上耐磨性和耐热性优良的垫圈。
气缸盖通常为整体铸造，但气冷式二冲程发动机是与气缸分开制造的。

2）气缸垫
图2-29所示的气缸垫安装于气缸体与气缸盖之间，是为了防止燃烧废气、冷却水和油等从装配面泄漏的，它要求具有耐热性、耐压性和适度的压缩性。
油路
气缸垫大致可以分为两类，一类是用压制材料制成的复合密封垫，另一类是用钢板制成的金属密封垫。

冷却水通路
1．油路
2．冷却水通路
3．窜漏气体或落油通路
窜漏气体或落油通路

图2-29 气缸垫
（2）金属密封垫
如图2-32所示，金属密封垫（也称钢气缸垫）的结构是由单层不锈钢钢板（波纹式）或数块不锈钢钢板重叠（叠层式），在密封部形成具有弹簧效果的卷边形状，以提高它的可压缩性。它有良好的耐热性、耐弹力减弱性和机械强度。同时，还要对它进行全面的表面处理（硅酮橡胶系和氟化橡胶系等），以增强密合性，提高密封性能。
在汽油发动机上，金属密封垫用在两轮摩托车上，四轮车很少采用。

1．（a）单层
2．钢丝圈
钢丝圈
3．（b）叠层
（b）叠层
（a）单层

图2-32 金属密封垫

2-2-3 活塞、活塞销和活塞环
1）活塞
活塞的构造如图2-33所示。所图2-34所示，活塞借助于活塞销连接在连杆上，在气缸内进行往复运动，与气缸盖一起在气缸内形成一个容积可以变化的气密室（燃烧室）。

活塞顶

气门口凹槽

排油孔

压缩环槽

活塞裙部

油环槽

活塞销孔

加工成条痕
活塞销座

活塞
活塞环
活塞销

连杆

气缸盖

燃烧室

气缸

曲轴

图2-23 活塞构造例示
图2-34 活塞的装配状态

活塞的功能是通过它的运动，把混合气吸进燃烧室内，并进行压缩，当受到混合气燃烧产生的燃烧废气的高压力时活塞下降，通过连杆使曲轴旋转从而产生动力，并把燃烧废气排出至大气中。
然而，活塞不仅处在高温、高压的燃烧废气中，而且还要在气缸内高速地往复运动。所以，要实现它的功能，在材质和结构方面有下列的要求：
① 耐压、耐热性和强韧性优良。
② 散热快，并且为了防止异常燃烧，要有良好的导热性。
③ 耐磨性优良。
④ 为了防止烧熔等损伤和降低噪音，热膨胀要小。
⑤ 为了减小惯性的影响，重量要轻。

2）活塞销
活塞销连接着活塞和连杆的小端部，把作用于活塞的力传递给连杆，为图2-25所示的中空圆筒形的形状。

图2-45 活塞销

活塞销由于受到燃烧压力和活塞惯性力的反复弯曲荷载，以及它的表面与活塞或连杆小端部受到高表面压力的互相滑动，还有与活塞一起的往复运动，所以要求它具有强韧性、耐磨性和重量轻。因而，它的材料通常采用表面硬化钢或特殊钢，并对其表面进行渗碳淬火（表面硬化钢时）或高频淬火（特殊钢时）的表面硬化处理后，再进行研磨或抛光加工。

3）活塞环
活塞环中有压缩环（气环）和油环，均安装在活塞环槽内，依靠自己的张力使之与气缸密合。
气环的作用是为了保持燃烧室的气密性，防止压缩漏损和漏气，并将活塞的热量传导给气缸壁后散热。油环的作用是把润滑气缸内壁的多余的机油刮下来，形成适当的油膜。在四冲程发动机上通常使用2个气环和1个油环。但是，也有的发动机是气环、油环各1个的双环规格。另外，与四冲程发动机供油方式不同的二冲程发动机不用油环。
活塞环在严酷的高温、高压的润滑条件下滑动，所以它要具有强韧性、热引起的张力减退少、有耐磨性和不磨损气缸等特性。材料一般采用特殊铸铁或碳钢。为了提高耐磨耗性，还要进行镀硬铬和氮化处理等表面处理。另外，有时为了防锈和提高磨合性，还要进行费劳克斯（铁钡氧化物）镀层和磷酸盐被膜防锈等表面处理。
图2-47所示的是活塞环的基本形状和各部分的名称。
宽度
（B尺寸）

槽
自由时

外圆面

使用时

内圆面

开口
间隙
公称直径

厚度（T尺寸）

图2-47 活塞环

（1）气环
气环除了气密作用外，还有刮掉一部分机油的作用。具有代表性的气环的截面状况如图2-48所示，但通常大多采用鼓面形和锥面形。

平面形
鼓面形
锥面形

内锥形
根切形
斜根切形

图2-48 气环

平面形为最基本的形状，气密性和导热性良好。
滑动面呈圆弧状的鼓面形气环的气密性良好，而且与气缸初期磨合时异常磨耗很少，大多用于第一道活塞环（顶环）。
滑动面呈锥状的锥形气环因与气缸是线接触，因而磨合容易，气密性也好，而且刮油作用良好，所以大多用于第二道活塞环。
内圆上面被开成坡口的内锥形气环，因为使用时只需扭转一下，它的下端就能嵌入气缸，所以与锥面形一样，有很好的刮油作用。另外，当排气气压升高时，扭转返回，形成良好的气密性，所以用于头道环或二道环。另外，外圆下面被开成坡口的根切形和斜根切形气环除有与内锥形相同的作用外，它还能防止机油上升，通常用于二道环。
气环的开口形状如图2-49所示，有竖切的平接、斜切的角接和切成阶梯的搭接等，但多为平接。另外，在二冲程发动机中，为了防止气环旋转，通常如图2-50所示那样要用定位销止转。
开口间隙过大，会增大漏气，如果相反过小，又会使气环在高温下膨胀、顶起和碰撞。在这种情况下会发生破损，或者刮伤气缸壁，甚至烧结。

平接

角接

搭接
图2-49 气环的开口形状
截面A-A

定位销

活塞环

图2-50 气环止转

气环的作用在吸气冲程如图2-51（a）所示那样进行，并随着活塞的下降刮下油环刮尺下的机油。这时，未能刮落的少量机油形成油膜，准备用于下一个压缩冲程时的润滑。另外，在吸气冲程中，由于活塞上部的压力低于曲轴箱内压力，所以刮落的机油会如图所示那样从气环下面的间隙旋转到气环的内侧，并从开口间隙上升到气缸上方。因此，如果气环和气缸有磨耗或气环有损坏时会发生机油上升现象，并增大机油消耗量。

积碳
油膜
油膜

机油
机油

（a）吸气冲程
（b）压缩、燃烧冲程
（c）排气冲程

图2-51 气环的作用

在压缩冲程中，由于气缸内的压缩压力作用于气环的上面和内圆面，气环被紧紧地压在气环槽的下面和气缸壁上，而且在膨胀冲程中会因燃烧废气的压力而压得更紧，所以会像图2-51（b）那样产生作用，保持燃烧室的气密。因此，当气缸和气环磨损时，会使开口间隙变大，同时也使按压力降低而不能保持气密，导致窜漏气体增加和输出不足。
在排气冲程中，气环如图2-51（c）那样作用，除去附着在气缸壁上的积碳等，并推向气缸上方，让它们与燃烧废气一起排出。

（2）油环
气缸
活塞
油环有图2-52所示那样的组合式油环和图2-53所示那样的整体式油环，但通常大多使用组合式。

隔套扩张器

1．活塞
2．隔套扩张器

侧轨
3．气缸
4．侧轨

图2-52 组合式油环

切槽型 斜角切槽型
图2-53 整体式气环
组合式油环由刮油的侧轨和保持表面压力的隔套扩张器构成。通过使用隔套扩张器，可以得到较高的表面压力。同时，由于机油排泄部的面积变大，还能防止因碳堆积等原因而发生的刮油不良。所以，组合式的刮油性能要比其它形式的油环要好。
如图2-54所示，油环的作用是在活塞上升时把刮上来的机油通过活塞的排油孔挤到活塞的内侧，而在活塞下降时把刮下来的机油通过油环的排油部和活塞的排油孔挤到活塞的内侧。
隔套扩张器

机油排泄部

排油孔
排油孔

（a）活塞上升时 （b）活塞下降时
图2-54 油环的作用

2-2-4 连杆
连杆的构造如图2-55所示，它连接活塞和曲轴，其功能是把作用于活塞的爆发力传递给曲轴，同时把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。
小端部

轴套
1．轴套
2．机油喷射孔
杆部
3．盖螺栓
机油喷射孔
4．小端部
5．杆部
6．大端部
大端部
7．连杆轴瓦
8．轴瓦盖
连杆轴瓦
盖螺栓

轴瓦盖

图2-55 连杆

由于连杆要反复承受燃烧废气引起的压缩力、活塞惯性产生的拉力和连杆自身惯性产生的弯曲力等荷载，所以它必须具有能够充分经受得住这些荷载的强度和刚性。因此，它的材料采用碳钢、镍铬钢和铬钼钢等特殊钢，采用模锻制造，大大提高了机械强度。同时，为了减轻重量，杆部为工字形截面。

2-2-5 曲轴、飞轮和扭振减消器
1）曲轴
图2-57所示结构的曲轴是为了通过连杆把活塞的往复运动转变为旋转运动，在膨胀冲程中，把活塞得到的力转换成旋转力后产生动力，而在其它冲程则相反，运动活塞进行吸气、压缩和排气。
曲轴臂
曲轴由安装在连杆大端部的曲轴销、曲轴箱的主轴承部支撑曲轴自身的曲柄轴颈、连接它们的曲轴臂和为了消除旋转部分重量平衡而设在曲轴臂部的平衡锤等构成。另外，在它的前端安装有驱动阀动机构（气门机构）的曲轴正时齿轮、水泵和交流发电机等辅机的曲轴皮带轮；在它的后端，设有安装飞轮或驱动盘的法兰。另外，有的还在后端部安装了离合器轴的导向轴承。
平衡锤

曲轴销

1．曲轴臂
2．平衡锤
3．曲轴销
4．曲柄轴颈
曲柄轴颈

图2-57 整体式曲轴
止推板
止推轴瓦
曲轴销

轴颈轴瓦
曲柄轴颈

轴颈轴瓦盖
油路

图2-58 曲轴的油路例示
图2-59 轴颈轴瓦和止推轴瓦
四冲程发动机通常使用图2-57所示的整体式曲轴。其内部如图2-58所示，连接曲柄轴颈和曲柄销的油路由钻头加工而成，把供给曲柄轴颈的一部分机油供应给曲轴销和连杆轴瓦。
主轴承部的轴瓦称为轴颈轴瓦或主轴瓦，如图2-59所示，使用对开嵌入式轴瓦。
另外，在曲颈的一处还设有接受曲轴轴向力的止推轴瓦。止推轴瓦如图2-59所示，有与轴颈轴瓦构成一个整体的止推轴瓦和止推板另外安装的止推轴瓦。

2）飞轮
在膨胀冲程中，飞轮能给曲轴强大的旋转力，但是在其它冲程则相反，是阻止旋转的力发挥作用。因此，在四冲程发动机中，旋转力（转扭）是以曲轴2转为1周期，在二冲程发动机中，以1转为1周期变化的，并伴随着它变化旋转速度。
飞轮用螺栓固定在曲轴后端的法兰上，它的功能是利用其惯性把如此变化的转矩平均化。也就是说，在转矩增大时，将该能量作为惯性能量吸收，抑制旋转速度上升。相反，当转矩减小时，放出吸收的惯性能量，抑制旋转速度下降，以此尽量减少旋转速度的变动，保持连续平稳的运转状态。同时，飞轮还有从曲轴向离合器传递动力的作用。
为了使飞轮旋转时的惯性要大，而自身的重量要轻，它的构造如图2-79所示，呈中心部分的壁薄、外圆部分壁厚的铸铁或钢制成的圆盘状，其外周有用热压配合方法固定上去的齿环。齿环通常采用碳钢制造的正齿轮，它的作用是在发动机起动时与起动机的小齿轮啮合，把起动机的旋转力传递给飞轮。飞轮的后面作为与离合器片的摩擦面使用，同时安装有大部分的离合器部件，与离合器片的摩擦面经过平滑加工。
齿环

（截面）

曲轴

（截面）

离合器片的摩擦面

用于安装离合器的螺栓孔

（A视）

（A视）

图2-79 飞轮

在安装了自动变速器（无级变速）装置的车辆中，因为变矩器起到了飞轮的作用，所以发动机中没有设置飞轮。取而代之，如图2-80所示那样的焊接有齿环的驱动盘被安装在曲轴上。变矩器被螺栓固定在驱动盘上。
齿环

图2-80 驱动盘

3）扭振减消器
减振块（皮带轮部）
由于曲轴受到燃烧压力引起的力和往复运动部分的惯性力产生的周期性变化的旋转力（转矩）的作用，会发生扭转振动。各气缸的转矩变动越大，或者曲轴越长、刚性越小，这种扭振就越大。同时，如果转速接近曲轴的固有振动频率时引起共振，扭振会特别加剧。一旦扭转振动变大，就会使乘车舒适度下降，或者造成曲轴和正时齿轮损坏。因此，在曲轴较长的发动机上，通常如图2-81所示那样，会把吸收、衰减扭转振动的扭振减消器组合到曲轴前端的曲轴皮带轮上去。

弹性橡胶
皮带轮轮毂

曲轴

图2-81 扭振减消器

图中的扭振减消器是用弹性橡胶（经过加硫处理的特殊橡胶把减振块（皮带轮）连接到皮带轮轮毂上的，由弹性橡胶吸收振动。
在曲轴保持一定转速时，减振块与曲轴整体旋转。但是，当曲轴发生扭转振动（相对于旋转方向正的或负的大的加速度）时，由于减振块仍然继续按照一定的速度旋转，所以中间的弹性橡胶就会变形，从而起到衰减的作用。
除此之外，扭振减消器还有利用摩擦盘和螺旋弹簧的张力或者利用硅油的粘性进行衰减扭振的。但是，由于图2-81所示那样利用橡胶的内部摩擦的扭振减消器的体积小、价格低，所以被广泛采用。

2-2-6 发动机轴瓦
如上所述，在发动机上，连杆大端部和曲轴的轴颈部等处都装有轴瓦，这些轴瓦通常大多采用滑动轴瓦（平轴瓦）。下述介绍一下它的特性和种类。
在凸轮轴的轴颈部原来也是装有滑动轴瓦（平轴瓦）的。但是，在最近采用了OHC型的气门传动机构（阀动机构）和铝合金制的气缸盖的汽油发动机上已不安装轴瓦，而是由气缸盖自身承担轴瓦的功能了。
1）轴瓦所要求的特性
连杆轴瓦和曲颈轴瓦（主轴瓦）要通过油膜支撑旋转轴受到的惯性力和爆发力产生的巨大荷载和冲击，同时还要使轴能平滑旋转，防止接触面的磨损，减少输出损失。因此，轴与轴瓦之间为了形成适当油膜的间隙（称为储油膜间隙）是不可缺少的，同时还要具有下列的特性。
① 具有非烧结性。
所谓非烧结性就是指轴瓦与轴发生金属接触时不易烧结的性质，它是决定轴瓦可靠性的特性。
② 密合性和埋藏性良好。
所谓密合性是指即使在装配轴瓦时，与轴的接触稍有不良也能很快与轴磨合的性质。
所谓埋藏性是指即使有异物进入也能埋入轴瓦表面的性质。埋藏性好，就不易损伤轴和轴瓦。
③ 耐蚀性和耐磨性良好。
耐蚀性是指不易被发动机油中的酸等腐蚀的性质。发动机油被窜漏气体等氧化，而使氧化物逐渐增加。当它们附着在轴瓦上时就会发生腐蚀。在高温时，腐蚀更会加剧。
另外，在不易形成油膜的发动机起动时和异物进入时，由于金属接触会产生磨损。发生腐蚀又会加快磨损。
④ 耐疲劳性强。
所谓疲劳性是指即使轴承反复受到荷载也不易改变其机械特性的性质，它是决定轴瓦寿命的特性。对于连杆轴瓦之类的承载巨大负荷，且力的方向又会变化的轴瓦，耐疲劳性尤为重要。

2）轴瓦的构造和要素
连杆轴瓦和轴颈轴瓦通常采用图2-82和图2-83所示形状的对开嵌入式轴瓦。
连杆轴瓦上设有为了向连杆的机油喷射孔加油的油孔。
轴颈轴瓦上有油孔和油槽，它是为了能让压送到气缸体的油路上的油能充足地供应到曲轴和轴瓦之间而设置的。机油通过曲轴的油路，从该油槽供应给曲柄销。这时，为了能够始终得到机油的充足供应，至少要在一侧轴瓦的全周设置油槽，有的甚至在上下两面轴瓦的全周都有油槽。另外，在对开嵌入式轴瓦上还设置了卡爪，用于轴瓦轴方向的固定和止转。这时，为了不使偏离任何一个旋转方向，如图2-83所示，上下两面轴瓦上的卡爪设置为同一方向。

卡爪

轴瓦合金

油孔

2．轴瓦合金
3．轴瓦里衬金属
轴瓦里衬金属
4．油孔

图2-82 连杆轴瓦
轴瓦里衬金属

油孔
轴瓦合金

油槽

卡爪
1．轴瓦里衬金属
2．轴瓦合金
3．油孔
4．油槽
5．卡爪

图2-83 轴颈轴瓦

为了曲轴的定位和承受轴方向上的力，在曲轴曲柄轴颈的一处设置的止推轴瓦有图2-84所示的与轴颈轴瓦构成一个整体的（带有法兰的轴瓦）和图2-85所示形状的作为止推板另外安装的两种。为了能充分的供给，在其轴承部均有油槽。止推板设置在轴瓦外壳的两个侧面。但是，有的发动机只设置的气缸体一侧，有的发动机还设置在轴颈轴瓦盖一侧。
轴瓦里
衬金属

轴瓦里
衬金属
轴瓦合金

轴瓦合金

油槽
油槽

止推轴瓦

油
槽

图2-84 带有法兰的轴瓦 图2-85 止推板

在轴瓦所要求的性质中，耐疲劳性和非烧结性、密合性和埋藏性都是相反的特性，单一的轴瓦材料很难满足这些条件。因此，如图2-82~85所示，它们的结构都是在钢制的里衬内面熔敷轴瓦合金，两者并存。
对开嵌入式轴瓦的特点是合金层薄，内面加工良好，受反复荷载的影响小，尺寸加工精密，有互换性，装配时不需要磨合等加工，以及装配容易等。要使其充分地发挥功能，以下的要素十分重要。
（1）紧压量
所谓紧压量是指轴瓦外圆的尺寸与轴瓦外壳内圆尺寸的差，它是成为轴瓦过盈量的要素。如果紧压量达大，会对轴瓦产生挠曲，给局部加载负荷，是轴瓦早期疲劳和损坏的原因。相反，如果过小，会使轴瓦体与轴瓦的里衬密合不良，是造成导热降低和引起烧结的原因。
紧压量要如图2-86所示那样在把轴瓦组装到轴瓦保持架（轴瓦体）上后，要把给予一定荷载压的越程，设定在10~50μm。
测定载荷

加压盘
固定端

轴瓦体凹部直径

紧压量
基准

测量夹具
轴瓦

图2-86 紧压量及其测量法
（2）壁厚
轴瓦的壁厚通常如图2-87所示，相对于中央部分（上下方向）而言，接合面（水平方向）做得薄一些。其理由如下。

接合面壁厚

中央部壁厚
图2-87

① 轴瓦和轴的装配比较容易。
当装配一组轴瓦时，因为紧压量而互相紧挨着，在对接面附近会向储油膜间隙小的方向变形。当水平方向的壁厚变薄而使内径变大的，这种变形就会与外壳的偏移一起被吸收，使组装比较容易。
② 防止油膜中断，提高润滑作用。
作用于轴瓦上的力上下方向比较大。但是，为了防止冲击产生的爆震声，储油膜间隙还不能过大。因此，把水平方向的内径做大，即使轴瓦荷载过大使上下方向变形也不会失去水平方向的储油膜间隙，这样不仅能防止油膜中断，而且还易于机油的排出，确保机油的循环，提高润滑作用。

（3）张力
所谓轴瓦的张力是指图2-88所示的自由状态的轴瓦的外径尺寸P要做得比轴瓦体的内径尺寸D要大一些。这是为了防止装配轴瓦时因紧压量而向内侧弯曲的需要，也是为了与轴瓦体更好密合的需要。

张力

图2-88 轴瓦的张力
3）轴瓦的种类
发动机用的轴瓦材料目前使用的有如下几种：
（1）白色合金（巴氏合金）
白色合金是锡、铅和锑中加入少量铜的合金，有以锡为主要成分的锡基白色合金和以铅为主要成分的铅基合金。白色合金耐蚀性优良，而且柔软，所以密合性和埋藏性也好。但是，它随着温度的上升，硬度会显著降低，耐疲劳性差，所以容易发生剥落的龟裂。为了防止上述情况，最近采取了减薄合金层的厚度（0.1~0.2mm）以提高疲劳强度的办法。但是它毕竟是有限的，所以还是只能用于轻荷载和中荷载的轴瓦。

（2）铅青铜合金（凯氏合金）
由凯尔美特发明的铅青铜轴瓦合金是在铜中加入20%~40%的铅的合金，现在一般采用连带烧结法烧结在钢制的轴瓦里衬上制成。用这种制造方法制出的铅青铜合金会形成铅网状分布在铜基中的组织，耐疲劳性非常好，现在被广泛地使用于高速、重荷载的发动机上。
铅青铜合金如果合金中的含铅量越多，则耐疲劳性越低，但是密合性和埋藏性会变好。所以，含铅量30%以上的合金是不进行表面处理使用的。
另一方面，铅量少于30%的合金因为密合性和埋藏性差，所以要对表面进行铅和锡或铅和铟的合金镀层（称为叠加）处理，以提高合金的机械强度（耐疲劳性和耐冲击性等），弥补其缺点。如此进行叠加处理的合金被称为三层合金。但是，目前的趋势是高铅量的合金为了提高耐蚀性也进行叠加处理做成三层合金。

（3）铝合金合金
铝合金合金是在铅中加入10%~20%的锡的合金，熔敷到钢制的里衬上使用。它的密合性和埋藏性比白色合金差，但耐蚀性和耐疲劳性优良，容许温度也高。另外，含锡比例高的铝合金合金的耐磨性好，同时它的密合性也比含锡比例低的要好，合金的宽度也可以比其它合金窄20%左右，所以最近使用越来越广泛了。但是，由于热膨胀系数大，所以需要加大储油膜间隙。
另外，为了提高密合性和耐蚀性，也有在铝中加入不足10%的铅的铅合金合金。

2-2-7 阀动机构
阀动机构（气门传动机构）是通过把曲轴的旋转传递给凸轮轴并驱动凸轮轴使之旋转，让各气缸的进气门和排气门在设计好的适当期间里根据点火次序开闭的装置，它由凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂、气门、气门座、气门导管、气门弹簧、凸轮轴正时齿轮、正时链或正时齿带和曲轴正时齿轮等构成，执行燃烧室混合气导入和封闭，以及从燃烧室排出燃烧废气的功能。
根据燃烧室形状和气门配置，阀动机构有倒置气门型、OHV型（顶置气门型）和OHC型（顶置凸轮轴型）等。在这里，介绍一下目前用得较多的阀动机构。

2）OHC型
OHC型如图2-90、91所示，把凸轮轴设置在气缸盖上，没有了推杆装置。它有图2-90或图2-91（a）所示的通过摇臂开闭气门的摇臂式和图2-91（b）所示的把凸轮轴设置在气门上直接开闭气门的直动式两种。凸轮轴一般借助正时链或正时齿带，由曲轴驱动。
在这种类型中，又有SOHC型和DOHC型（称为双凸轮轴）两种。SOHC型如图2-90所示，由1根凸轮轴通过摇臂开闭进气门和排气门；DOHC型如图2-91所示，由进气门用和排气门用2根凸轮轴各自分别开闭气门。
阀动机构（气门传动机构）的惯性质量，与OHV型相比，OHV型要轻，而DOHC型更轻，能进行更高速更稳定的气门开闭，所以提高了高速性能。但是，气缸盖的构造和驱动凸轮轴的机构变得复杂了。
摇臂（交互式）
凸轮轴

气门弹簧

气门导管

进气门

排气门

气门座

图2-90 SOHC型阀动机构

凸轮轴
摇臂（摇臂式）

挺杆

凸轮轴

气门
弹簧
气门
弹簧

气门导管
气门
导管
进气门

排气门
气门座

排气门
气门座

排气门

（a）摇臂式 （b）直动式
图2-91 DOHC型阀动机构
3）凸轮轴驱动装置
四冲程发动机的凸轮轴由曲轴驱动，而且以其1/2的转速旋转。另外，对于曲轴的旋转，必须根据点火次序规定的配气正时（气门开闭定时）开闭气门。如此驱动凸轮轴开闭气门的凸轮轴驱动装置通常设置在气缸体前部，这种方式中有正时齿轮式、正时链式和正时齿带式。但是，由于正时齿轮式不能自由选择凸轮轴的位置和随着使用时间噪音会变大等原因，现在已经几乎不在汽油发动机上使用了。

（1）正时链式
正时链式是把安装在曲轴和凸轮轴前部的正时齿轮（也称为链轮），按图2-92所示那样用正时链连接，将曲轴的旋转传递给凸轮轴。这时，凸轮轴正时齿轮按照曲轴正时齿轮的1/2转速旋转设定齿轮的齿数。正时链采用图2-93那样结构的滚子链或者链条噪音较低的无声链。

凸轮轴
正时齿轮

张紧器
导管

张紧器
张紧器杆
张紧器

正时链

曲轴正时齿轮

链节板

轴套 滚柱 销

（a）滚子链

（a）SOHC型 （b）DOHC型

图2-92 正时链式凸轮轴驱动装置
（b）无声链

图2-93 正时链

这种方式的优点是可以自由选择凸轮轴的位置，而且传动效率也良好。但是，它的缺点是容易因磨耗而发生链条伸长。另外，因发动机的转速变化而使链条弯曲或伸长松弛时，如果在配气正时或点火时刻会发生失常，产生振动和噪音，所以要像图中所示那样在链条的松弛侧设置张紧器，依靠弹簧力和油压始终给链条一个张力加以防止。
这种方式在价格便宜、噪音低的正时齿带式开发出来后就逐渐不用了。但是，由于最近开发出了链条的销部经过渗铬处理而使磨耗（伸长）变小的滚子链，能够缩短发动机的长度，而且还有经久耐用、可靠性高、免维修等优点，所以又再次被使用了。
（2）正时齿带式
图2-95所示的是直列式发动机中具有代表性的设计例子。
这种方式也与正时链一样，因发动机的转速变化而使齿带弯曲或伸长松弛时，如果在配气正时或点火时刻会发生失常，产生振动和噪音，所以要图中所示那样在齿带的松弛侧设置张紧器，给予张力。张紧器有两种方式，一种是图（a）所示那样的用弹簧力给齿带张力后固定的方式，另一种是图（b）所示那样的用油压和弹簧力使齿带的张力始终调整在合适状态的自动调整方式。

凸轮轴正时齿轮

正时齿带

惰滑轮
张紧器
齿带轮

张紧器齿带轮

张紧器弹簧

用于驱动辅
机的正时齿轮

自动调整
式张紧器

曲轴正时齿轮

（a）SOHC型 （b）DOHC型

图2-95 正时齿带或凸轮轴驱动装置

自动调整式张紧器的构造如图2-96所示，在发生因温度变化而引起的齿带伸缩和因发动机转速变化等而引起的齿带张力变动时，它按如下调整齿带的张力。
在齿带的张力增大时，活塞杆和活塞被张紧器齿带轮按下，压力室的油压上升，止回阀球关闭与贮油室的通路。因此，压力室的油就通过活塞和气缸的间隙慢慢流到贮油室一侧，活塞慢慢向图的下方移动。而且，活塞在活塞杆承载的荷载与弹簧力平衡的位置上停止，使齿带张力保持恒定。
相反，在齿带张力减小时，活塞和活塞杆被弹簧推向图的上方，压力室的油压比贮油室的油压低，止回阀球打开，油进入压力室。而且，在齿带张力和弹簧力平衡的位置上，活塞停止运动，把齿带张力设定在恒定值上。
正时齿带式有噪音小、不需要润滑、重量轻和价格便宜等优点。但是，为了保持强度变需要适当的宽度，所以要将发动机加长。还有一个缺点是从耐用性上需要定期（大约每10万公里）更换。同时，它的耐水性和耐油性也比较差，所以还需注意防止水、油和灰尘等附着上去。
油封
卡环
活塞杆

隔膜

活塞

贮油室

气缸
止回阀球

+
压力室（硅油）
弹簧

图2-96 自动调整式张紧器

4）凸轮轴
如图2-98所示的一个例子那样，凸轮轴是在每个气缸上排列了一组用于进气的凸轮和用于排气的凸轮（在有2根凸轮轴的DOHC型中，是用于进气的凸轮或用于排气的凸轮）的轴，OHV型安装在气缸体的侧面，OHC型安装在气缸盖上部，由轴颈部分支撑着。在凸轮轴的内部通常设有油孔，从机油泵压送过来的机油从这个油孔给阀动（气门）系统各润滑部位供油。
另外，在凸轮轴上通常装有驱动分电器的齿轮或联轴节，有的还设有驱动机械式燃油泵的偏心凸轮。
凸轮轴用铸铁或特殊铸铁铸造而成，或者用碳钢或含有镍和铬的特殊钢的铸造件制成。为了提高凸轮和轴颈部的耐磨性，要进行高频淬火等表面硬化处理。凸轮和轴通常制成整体，但也有的是在钢管上烧结接合凸轮而成，以减轻重量。
燃油泵偏心驱动凸轮
分电器驱动齿轮

凸轮
凸轮轴轴颈

凸轮轴正时齿轮

图2-98 凸轮轴
凸轮升度
凸轮
凸轮的形状有圆弧凸轮、切线凸轮、等加速度凸轮等各种各样的形状。在汽油发动机中，多数采用图2-99所示的卵形凸轮。图中凸轮的长径称为凸轮高度，凸轮的长径与短径的差称为凸轮升度（凸轮升程）。

长径
=
凸轮的高度

短径

图2-99 凸轮的形状

5）挺杆、推杆和摇臂
（1） 挺杆
把凸轮轴的旋转运动变为上下运动的挺杆也称为气门提升器，用于OHV型和直动式OHC型的气门传动机构中，如图2-100所示的一个例子那样，呈圆筒形的形状。与凸轮的接触面有的是平面，有的是球面，但通常多数使用的是平面的。另外，为了防止接触面的不均匀磨损，把凸轮中心和挺杆中心进行偏置，在运行中让挺杆旋转。
挺杆的材料采用经过表面硬化处理的特殊铸铁或特殊钢。
挺杆中心

凸轮中心

推杆

凸轮

挺杆

凸轮

气门

（a） OHV型 （b）直动式OHC型

图2-100 挺杆
6）气门
气门的功能是开闭燃烧室，它有把混合气引入燃烧室的进气门和从燃烧室排出燃烧废气的排气门，均为图2-106所示的形状。
气门面

气门杆

气门头

气门杆端头

图2-106 气门的构造

如图2-107所示，气门被插入压进气缸盖上的气门导管里，气门杆上端用对半开的开口销固定在上部弹簧座上。另外，为了防止通往燃烧室的油往下淌，在气门导杆的前端部安装了耐热和耐油性的油封。担当关闭气门任务的气门