汽车构造原理

第3章汽车构造37第3章汽车构造汽车是一个数以万计零件组成的移动机器，已有上百年的发展历史，那么其结构到底如何？各部分有何作用？各总成的工作原理如何？这是很多想了解汽车的人关心的问题。本章主要介绍汽车主要总成及其零部件的作用、组成及工作原理。汽车由发动机、底盘、车身和电气设备四大组成部分，本章对组成汽车的各个部分分别介绍其功用、组成、结构及工作原理等。汽车的组成发动机的工作原理发动机两大机构五大系统的组成与工作原理离合器、变速器等的组成与工作原理车架分类与结构转向系统的组成与工作原理制动系统的组成与工作原理前照灯的组成承载式车身各部名称3.1发动机构造发动机是将热能转化成机械能的机器，它是汽车行驶的动力源。按所用燃料不同，分为汽油机和柴油机。汽油机由两大机构五大系统组成，分别为曲柄连杆机构、配气机构、起动系统、点火系统、燃料供给系统、冷却系统和润滑系统；而柴油机由于其着火方式为压燃，因此柴油机不需要点火系统，所以柴油机由两大机构和四大系统组成。起动系统、点火系统在3.3节汽车电气部分介绍。3.1.1发动机的工作原理1．常用术语图3-1所示为一单缸四冲程汽油发动机，在缸盖上安装有进气门和排气门，火花塞通过螺纹拧到缸盖上，活塞在汽缸里作往复运动，活塞通过活塞销和连杆与曲轴连接，电脑ECU接收各传感器传来的信号，控制喷油器喷油。汽车概论381－ECU；2－空气滤清器；3－节气门；4－喷油器；5－进气门；6－汽缸盖；7－火花塞；8－排气门；9－气门弹簧；10－汽缸体；11－活塞；12－连杆；13－曲轴；14－油底壳；15－油底壳图3-1单缸四冲程汽油发动机描述发动机工作的常用术语如下（见图3-2）。（1）上止点：活塞向上运动到最高位置，即活塞离曲轴回转中心最远处。（2）下止点：活塞向下运动到最低位置，即活塞离曲轴回转中心最近处。（3）活塞行程：上、下两止点间的距离称为活塞行程。（4）燃烧室容积：活塞运行到上止点时，活塞上方的容积称为燃烧室容积。（5）汽缸工作容积：上止点到下止点所让出的空间容积，即上、下两止点间的容积称为汽缸工作容积。（6）发动机排量：发动机所有汽缸工作容积之和称为发动机的排量。对于单缸发动机来说，汽缸工作容积在数值上即为发动机的排量。（7）汽缸总容积：活塞运行到下止点时，活塞上方的容积称为汽缸总容积。即汽缸工作容积与燃烧室容积之和。（8）压缩比：汽缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比。它表示活塞由下止点运动到上止点时，汽缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时汽缸内的气体压力和温度就越高，因而发动机发出的功率就越大，经济性越好。一般车用汽油机的压缩比为8～10，柴油机的压缩比为15～22。（9）曲柄半径：曲轴连杆轴颈与曲轴主轴颈之间的距离称曲柄半径R，显然，S=2R，曲轴每转一周，活塞移动两个行程。（10）发动机的工作循环：在汽缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转化为机械能的一系列连续过程称为发动机的工作循环。（11）二冲程发动机：两个行程完成一个工作循环的发动机称为二冲程发动机，二冲程发动机重量轻，制造成本低，但是其经济性和净化性能较差，通常摩托车和农用机械使用较广泛。第3章汽车构造39（a）上止点（b）下止点（c）燃烧室容积（d）汽缸工作容积（e）曲柄半径（f）压缩比图3-2发动机工作常用术语（12）四冲程发动机：4个行程完成一个工作循环的发动机称为四冲程发动机，汽车上广泛使用四冲程发动机。2．四冲程汽油机工作原理四冲程汽油机是指通过进气、压缩、做功和排气4个行程，将燃料燃烧的热能转化为机械能，下面分别介绍其工作过程。（1）进气行程。如图3-3（a）所示，进气行程是活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，此时，进气门打开，排气门关闭，由于活塞下移，活塞上腔容积增大，形成一定真空度。在真空吸力的作用下，空气与汽油的混合物，经进气道、进气门被吸入汽缸，至活塞运动到下止点时，进气门关闭，停止进气，进气行程结束。（2）压缩行程。如图3-3（b）所示，进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动。此时，进、排气门均关闭，随着活塞上移，活塞上腔容积不断减小，混合气被压缩，至活塞到达上止点时，压缩行程结束。汽缸总容积汽车概论40（3）做功行程。如图3-3（c）所示，压缩行程终了时，火花塞产生电火花，点燃汽缸内的可燃混合气，混合气迅速着火燃烧，产生高温、高压气体，在气体压力的作用下，活塞由上止点向下止点运动，并通过连杆驱动曲轴旋转向外输出做功，至活塞运动到下止点时，做功行程结束。（4）排气行程。如图3-3（d）所示，在做功行程终了时，排气门被打开，活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动。废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作用下，自排气门排出汽缸，至活塞运动到上止点时，排气门关闭，排气行程结束。（a）进气行程（b）压缩行程（c）做功行程（d）排气行程图3-3汽油机的工作原理排气行程结束后，发动机再次进行进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程，完成下一个工作循环，如此周而复始，发动机就自行运转。总之，在发动机的4个行程中，只有做功行程是活塞通过连杆带动曲轴旋转并产生动力，其余3个行程均是曲轴通过连杆带动活塞运动并消耗能量。可见，发动机运转的第一个循环，必须有外力使曲轴旋转完成进气、压缩行程，着火后，完成做功行程，依靠曲轴和飞轮储存的能量可自行完成以后的行程，以后的工作循环发动机无需外力就可自行完成。3．四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机和四冲程汽油机工作原理一样，每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气4个行程组成。但柴油和汽油性质不同，柴油机在可燃混合气的形成、着火方式等方面与汽油机有较大区别。柴油机的进气行程与汽油机的不同，柴油机进入汽缸的不是混合气，而是纯空气。柴油机的压缩行程也是进、排气门均关闭，活塞由下止点向上止点运动，与汽油机的压缩行程不同的是柴油机压缩的是纯空气，且由于柴油机压缩比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高。柴油机的做功行程与汽油机的做功行程有很大不同，压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入汽缸内的高温空气中，迅速汽化并与空气形成可燃混合气。因为此时汽缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约500K），柴油自行着火燃烧，且以后的一段时间内边喷边燃烧，汽缸内的温度、压力急剧升高，推动活塞下行做功。柴油机的排气行程与汽油机基本相同。四冲程汽油机和柴油机的基本原理相似，其共同的特点是：每个工作循环曲轴转两圈，每个行程曲轴转180°，进气行程是进气门打开，排气行程是排气门打开，其余两个行程进、第3章汽车构造41排气门均关闭。两种发动机工作循环的主要不同之处是：①汽油机的汽油和空气在汽缸外混合，进气行程进入汽缸的是可燃混合气；而柴油机进气行程进入汽缸的是纯空气，柴油是在做功行程开始阶段喷入汽缸，在汽缸内与空气混合，即混合气形成方式不同。②汽油机用电火花点燃混合气，而柴油机是用高压将柴油喷入汽缸内，靠高温气体加热自行着火燃烧，即着火方式不同。所以汽油机有点火系统，而柴油机则无点火系统。3.1.2曲柄连杆机构曲柄连杆机构的作用是将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三组成。1．机体组如图3-4所示，机体组主要由汽缸盖、汽缸垫、汽缸体和油底壳等不动件组成。1－汽缸盖罩；2－汽缸盖罩密封垫；3－汽缸体；4－汽缸盖；5－挡油板；6－汽缸垫；7－油底壳图3-4机体组缸体是发动机的基础件，活塞、曲轴、缸盖等发动机零部件都安装在缸体上，缸体通常用铸铁或铝合金制造，汽缸体内引导活塞做往复运动的圆筒就是汽缸，为保证缸体能在高温下正常工作，在缸体内铸有冷却水套，以实现发动机的冷却需要。另外，在缸体上还设有油道，保证发动机有良好的润滑，主轴承座上半部在缸体上，下半部是独立的主轴承盖，用螺栓紧固在缸体的前、后壁和中间支撑隔壁上，曲轴安装在其承孔内。汽缸盖通过螺栓连接在缸体上，在汽缸盖上有冷却水套、燃烧室、进排气门道、气门导管孔和进排气门座、火花塞孔（汽油机）或喷油器座孔。常见的汽油机燃烧室有盆形、楔形和半球形等几种形式。2．活塞连杆组如图3-5所示，活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销和连杆等组成，活塞的功用是与汽车概论42汽缸盖、汽缸壁等共同组成燃烧室，承受气体压力，并将此力传给连杆，以推动曲轴旋转，活塞广泛采用铝合金材料制造，铝合金活塞具有质量小、导热性好等优点，但其膨胀系数较大，为了减少活塞的膨胀量，现代活塞广泛使用双金属材料，即在铸造活塞时加膨胀量较少的合金材料，以减少活塞的热膨胀量。1－第一道气环；2－第二道气环；3－组合式油环；4－卡环；5－活塞销；6－活塞；7－连杆；8－连杆螺栓；9－连杆轴承；10－连杆轴承盖；11－连杆螺母图3-5活塞连杆组活塞环按其功用可分为气环和油环。现代汽车一般有两道气环一道油环，气环安装在活塞的第一和第二道环槽上，油环安装在第三道环槽上。气环的主要作用是密封，按其截面形状气环可分为矩形环、锥形环和扭曲环等数种形式，其中扭曲环在工作时发生扭曲变形，具有矩形环和锥形环的优点，现代汽车上广泛使用扭曲环。活塞环在安装时需要留有侧隙、背隙和端隙3处间隙，以保证活塞环的正常工作。连杆的作用是连接活塞和曲轴，把活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动，并把活塞的动力传给曲轴。连杆由小头、杆身、连杆盖、小头衬套、轴瓦及连杆螺栓等组成。连杆的杆身采用“工”字形断面，有的连杆杆身中心从大头到小头加工有润滑油道，润滑油能从连杆大头经该油道进入小头，以润滑活塞销和衬套。连杆的大头采用分开式，一般用平切头，依靠连杆螺栓等与连杆轴承盖定位。3．曲轴飞轮组曲轴飞轮组如图3-6所示。曲轴的作用是把活塞连杆组传来的气体压力转变为转矩对外输出做功。在曲轴的前端轴上安装有带轮及正时齿形带轮等，主轴颈装在汽缸主轴承座内，用于支撑曲轴，连杆轴颈用于安装连杆，曲轴主轴承采用钢背对开半圆式，在轴承上有减摩合金，以减少曲轴的摩擦与磨损。曲轴的末端凸缘盘上安装有离合器总成，飞轮通过螺栓和离合器盖相连接。飞轮是一转动惯量的圆盘，它与起动齿圈相结合，称为飞轮总成。飞轮本身与离合器压盘一起组成离合器的主动部分。第3章汽车构造431－带轮；2－曲轴正时齿形带轮；3－曲轴链轮；4－曲轴；5－曲轴主轴承（上）；6－飞轮；7－转速传感器信号发生器；8，11－止推片；9－曲轴主轴承（下）；10－曲轴主轴承盖图3-6曲轴飞轮组3.1.3配气机构配气机构的作用是按照发动机各缸工作循环的需要，定时地开启和关闭进、排气门，使混合气进入汽缸，而让燃烧后的废气排出汽缸。1．配气机构的组成如图3-7所示，配气机构由气门驱动组、气门组两组组成。气门驱动组由曲轴正时带轮、中间轴正时带轮、正时齿形带、凸轮轴正时带轮、张紧轮等组成。气门组由气门座、气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座及气门锁片组成。2．配气机构的工作原理参见图3-7，发动机在作进气行程时，要求配气机构将进气门打开，此时曲轴带动曲轴正时带轮转动，通过正时齿形带带动凸轮轴正时带轮转动，凸轮轴正时带轮带动凸轮轴转动。如图3-8所示，当凸轮轴上的凸轮转过基圆部分后，凸轮的凸起部分将驱动液力挺柱下移，克服进气门弹簧的弹力使进气门下移，打开进气通道，混合气通过进气门进入汽缸。随着凸轮的凸起部分的顶点转过液力挺柱以后，凸轮对液力挺柱的推力逐渐减小，进气门在弹簧张力的作用下上移，逐渐关闭进气道，当凸轮转到基圆部分时，凸轮对液力挺柱的推力消失，气门完全关闭时，进气行程结束。3．配气机构主要件结构（1）气门。气门采用耐热合金钢（硅铬合金钢）锻造而成，它由头部和杆部两部分组成。气门头部为喇叭形，其气门密封锥角45°。为提高发动机的充气系数，进气门头部直径比排气门大，气门杆呈圆柱形，为提高其配合精度和耐磨性，杆部表面进行了热处理和磨光。气门杆尾部加工有型槽，用于安装气门锁片。（2）凸轮轴。凸轮轴的前端安装有凸轮轴正时带轮，正时带轮通过半圆键将转矩传给凸轮轴，用螺栓固定正时带轮。在凸轮轴上配置有进气凸轮和排气凸轮，凸轮驱动