第2章 曲柄连杆系统零部件的热处理

2.1概述

2.1.1工作条件与作用

曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统，是发动机实现工作循环、完成能量转换的主要运动部分。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；将气体的压力变为曲轴的转矩；将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。

在汽车发动机中，曲轴和连杆是重要的关键部件，该机构由三部分组成:机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。机体组包括气缸体、气缸盖衬垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳、曲轴箱、气缸套等；活塞连杆组包括活塞、活塞环、活塞销、连杆等；曲轴飞轮组包括曲轴、飞轮、曲轴扭转减振器、平衡轴等。

曲轴连杆机构的工作条件比较恶劣，即处于高温、高压和高速以及化学腐蚀状态，在发动机工作时，温度高（2000℃)，压力大（5～9MPa)，气门开启频率为3000～6000r/min，活塞运动速度为100～200m/s，可燃混合气和燃烧废气接触机件（如气缸、气缸盖、活塞等)造成化学腐蚀。该机构在高压下作变速运动，受力十分复杂，其中有气体的作用力、质量的惯性力、摩擦力以及外界的阻力等。

1.机体组 机体组主要由气缸体、气缸盖衬垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳、曲轴箱、气缸套等部件组成。它构成汽车发动机的骨架，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。

（1)气缸盖 气缸盖用来封闭气缸，并与活塞顶面构成燃烧室。

（2)气缸盖衬垫 气缸盖衬垫安装在气缸盖和气缸体之间，用来密封气缸，防止漏气、漏水。

（3)气缸体 气缸体的作用是支撑发动机所有的运动件和各种附件。气缸体内设置有冷却水道和润滑油道，保证对高温状态下工作和高速运动的零件进行可靠的冷却和润滑。气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，它引导活塞作往复运动，气缸体下部的空间为上曲轴箱，用来安装曲轴。

（4)气缸套 气缸的耐磨性要求很高，为了提高气缸内圆表面的耐磨性，常在气缸体内镶入气缸套，便于磨损后更换。

（5)油底壳 油底壳是曲轴箱的下半部分，用以储存发动机润滑油。油底壳中、后部较深，当发动机纵向倾斜时，机油泵能不间断地吸到润滑油。油底壳内部焊有挡板，可以减少汽车行驶时润滑油的激烈振荡。油底壳底部有带磁性的放油螺塞，可以吸附润滑油中的铁屑，减少发动机磨损。

2.活塞连杆组

它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，以此来驱动汽车运动。该类机构由活塞、活塞环、活塞销和连杆等组成。

（1)活塞 构成燃烧室的一个部分，塞壁有圆孔，可穿入活塞销，连杆通过活塞销和活塞相连。其作用是将混合气燃烧所产生的爆炸力通过活塞销传给连杆，来推动曲轴的曲柄，使曲轴旋转。活塞的工作条件很苛刻，顶部和高温燃气接触，承受带冲击性的高压和因高速往复运动带来的惯性力，整个活塞各部分受到拉、压、弯的综合力和力矩作用，且受热也不均匀。因此要求活塞的质量小，热膨胀量小，传热性好，耐磨。用铝合金制的活塞兼备以上性能，因此铝合金是当前汽车活塞选用的材料。

（2)活塞环 活塞环分气环和油环两种，前者防止燃烧混合气窜入曲轴箱；后者开有斜口，富有弹性，套在活塞上时，有向外张紧贴在气缸筒壁的特性。如果密封状态被破坏，出现漏气现象，发动机就会丧失部分动力，燃料和机油损耗增加，活塞和燃烧室的表面出现严重积炭，并造成环境污染。

（3)活塞销 它是活塞与连杆小头的连接件，其作用是将活塞受力传给连杆。由于在高温条件下要承受周期性的冲击力，而且润滑条件又差，所以要求它有足够的刚度、强度和耐磨性。活塞销一般用低碳钢制成，表面渗碳，再加以珩磨与抛光。活塞销装入活塞销孔和连杆小头孔内时是浮动的，为了防止活塞销沿主轴方向窜动，在活塞销孔内将卡环嵌在销座凹槽内予以限位。

（4)连杆 它以上端的小头连接活塞销，以下端的大头连接曲轴，可将活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。连杆一般采用中碳钢或合金钢材料经锻造、机械加工和热处理而制成。因为连杆工作时受到压缩、拉伸和弯曲周期性变化的力，所以要求它质量尽可能小，有足够的刚度和强度，如果刚度不够会造成大头孔失圆，轴瓦润滑不良而烧毁；杆身弯曲会造成气缸漏气、窜油等现象。

3.曲轴飞轮组

它由曲轴和飞轮以及其他具有不同作用的零件和附件等组成。其中飞轮为一个转动惯量很大的圆盘，其作用是将在做功过程中传给曲轴的一部分功储存起来，用以在其他行驶中克服阻力，带动曲轴连杆机构越过上、下止点，保证曲轴旋转角速度和输出转矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载。通常应减小飞轮的质量，其大部分质量集中在轮缘，用灰铸铁制造。当轮缘的线速度超过50m/s时，应采用球墨铸铁或铸钢制造。

曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、正时齿轮、带轮及曲轴扭转减振器等组成。

（1)曲轴 要求曲轴耐冲击、耐磨，一般都用中碳钢或中碳合金钢锻造而成，也有采用球墨铸铁铸造的曲轴。

由于曲轴要在高速下旋转，所以它需要不间断地用机油对摩擦表面加以润滑，因此在曲轴的主轴颈、连杆轴颈的曲轴本体内都钻有油道，以便机油能通过这些油道，润滑这些部位。

曲轴的作用是:在做功行程中，把活塞连杆组传来的气体压力（推力)转变为旋转的扭矩对外输出，经汽车传动系统驱动车辆行驶；利用曲轴和飞轮的旋转惯性，经连杆带动活塞上下运动，完成排气、进气、压缩等辅助行程，为下一次做功行程做准备。

（2)飞轮 它主要有储存发动机动能的作用，在做功行程中储存能量，用以完成另外三个行程；将动力传给离合器，使发动机运转平稳；克服曲轴连杆组运动的阻力；克服短时间的过载，保证发动机输出的转矩和转速均匀。此外它还是摩擦式离合器的驱动件，因此它也需要和曲轴一起进行平衡。

飞轮安装在曲轴的后端，其材质为灰铸铁或球墨铸铁、铸钢，这是一个转起来惯性很大的圆盘，其边缘宽而厚。

2.1.2零件的主要热处理方法与特点

曲柄连杆机构包括的零件较多，为确保其满足正常的服役需要，并具有较长的使用寿命，需要进行合理的选材与热处理，以满足其工作需要。从材料的选用到热处理方式，除了考虑材料化学成分外，还要考虑组织状态、冶金质量、加工工艺等，选择材料应遵循三条基本原则:满足零件的使用性能要求，具有较好的工艺性能，具有较好的经济性。

根据零件的服役条件与失效方式，结合选择的材料，应提出合理的热处理要求，即选用经济的热处理方法，获得要求的使用性能。根据零件的服役条件，零件热处理的主要工艺如下:

1)退火处理包括完全退火、不完全退火、去应力退火、再结晶退火等，以满足不同零件的加工或工作需要。

2)正火处理包括高温正火、中温正火，其作用与目的是有差异的，要进行具体分析与判断，合理选择。

3)淬火＋回火处理中的回火包括低温回火、中温回火与高温回火（调质处理)等，钢铁材料分别获得了回火马氏体＋碳化物、回火托氏体＋碳化物、回火索氏体＋碳化物，具有不同的组织与性能。

4)化学热处理包括渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等，是用于改变零件表面性能的重要方法，零件可获得高的硬度、良好的耐磨性、耐蚀性等，可用来代替价格较高的高合金材料。

5)表面淬火包括感应淬火、火焰淬火、电解液淬火、激光淬火等，达到零件表面硬化的目的，环境洁净、节能效果显著，是汽车零件热处理的发展方向。

6)表面处理包括表面镀铬、镀锌、喷钼、磷化、发蓝处理等，可提高零件的耐磨性、耐蚀性等，延长零件的使用寿命。