曲柄连杆机构与配气机构异响的故障诊断和排除
摘要：针对曲柄连杆机构与配气机构在行车中出现的异响现象，本文就其展开了讨论。首先对曲柄连杆机构与配气机构的构造做了一定的了解，认识了它们的分类，并回顾了其发展的历程，知道了可变技术可使内燃机的各项性能在整个使用工况变化范围内得到优化。其次对曲柄连杆机构与配气机构在行车中出现的故障异响现象做了分析，指出其早期损坏的主要原因，以及在维修中应注意的事项。然后根据曲柄连杆机构与配气机构的故障诊断方法，对在行车中出现的常见异响现象做了逐一分析、诊断和排除。最后，列举了目前各主要汽车厂中曲柄连杆机构与配气机构的研发成果，剖析了其结构原理和工作原理，对于针对这类曲柄连杆机构与配气机构在行车中出现的异响现象，在维修中可作参考。 关键词：曲柄连杆机构 配气机构 异响
Fault Diagnosis and Excluding Abnormal Sound Based on
Crank-connecting Rod and the Valve Mechanism
Abstract: Crank and connecting rod mechanism for gas distribution in the abnormal sound traffic phenomena that arise, the paper started a discussion on the. First of all, on the crank connecting rod mechanism with the valve structure to do a certain amount of understanding and awareness of their classification, and recalled the history of its development, know the technology will enable the variable of the performance of internal combustion engine used in the whole change in working conditions optimization framework. Second on the crank-connecting rod mechanism with the valve in the breakdown lane in an analysis of the phenomenon of abnormal sound, pointing out that the main reason for the early damage, as well as maintenance issues needing attention. Then crank linkage with the valve fault diagnosis method.Appear in the traffic of the common abnormal sound made by analysis of the phenomenon, diagnosis and rule out the possibility. Finally, the current list of major automobile plant in the crank-connecting rod mechanism with the valve of the R & D results, analyzes the principles of its structure and working principle for this type of crank-connecting rod mechanism for gas distribution organizations and appeared in the road of abnormal sound phenomena, can be used for reference maintenance.
Keywords: crank linkage valve abnormal sound
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1曲柄连杆机构与配气机构的构造与发展
1.1曲柄连杆机构与配气机构的构造
曲柄连杆机构包括活塞连杆组和曲轴飞轮组。 (1)活塞连杆组包括活塞组、连杆组，
活塞组包括活塞、活塞环、活塞销和弹性卡环等。连杆组主要包括连杆、连杆盖、连杆衬套、连杆轴瓦和连杆螺栓等。
(2)曲轴飞轮组包括曲轴、飞轮、扭转减振器等
飞轮是一个具有很大转动惯量的铸铁圆盘，其作用是将发动机作功行程中曲轴所获得的部分能量贮存起来，用来带动曲柄连杆机构越过上止点和克服非作功行程的阻力，保证曲轴旋转的均匀性，输出发动机功率，并能使发动机克服汽车起步、遇阻等情况下短时间的超负荷。般飞轮外缘装有齿圈。与起动机齿轮喻合以供启动发动机用。
1.2曲柄连杆机构与配气机构的分类
配气机构可从不同角度来分类。按气门的布置分为气门顶置和气门侧置式；按凸轮轴的布置位置分为下置式、中置式和上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式；按每气缸气门数目分，有二气门式和四气门式等。
各式配气机构中，按其功用都可分为气门组和气门传动组两大部分。气门组包括气门及与之相关联的零件，其组成与配气机构的型式基本无关。气门传动组、是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件，其组成视配气机构的形式而有所不同，它的功用是定时驱动气门使其开闭。
进气门和排气门都倒挂在气缸盖上。气门组包括气门、气门导管、气门座、弹簧座、气门弹簧、锁片等零件；气门传动组一般由摇臂、摇臂轴、推杆、挺柱、凸轮轴和正时齿轮组成。
气门顶置式配气机构的工作情况是：当气缸的工作循环需要将气门打开进行换气时，由曲轴通过传动机构驱动凸轮轴旋转，使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉推动摇臂摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，同时使弹簧进一步压缩。当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后，便逐渐减小了对挺柱的推力，气门在弹簧张力的作用下开度逐渐减小，直至最后关闭。压缩和做功行程中，气门在弹簧张力的作用下严密关闭。
气门顶置式配气机构根据凸轮轴的位置有以下三种型式： (1)凸轮轴下置式配气机构；凸轮轴装在曲轴箱内，直接由凸轮轴正时齿轮与曲轴正时齿轮相啮合，由曲轴带动。气门传动组包括上述全部零件，其应用最为广泛。
(2)凸轮轴中置式配气机构：凸轮轴位于气缸体的上部。为了减小气门传动机构的往复运动的质量，对于高转速的发动机，可将凸轮轴的位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而省去推杆。该形式的配气机构因曲轴与凸轮轴的中心线距离较远，一般要在中间加入一个中间齿轮(惰轮)。
(3)凸轮轴上置式配气机构：凸轮轴布置在气缸盖上。凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，没有挺柱和推杆，使往复运动的质量大为减小，对凸轮轴和气门弹簧的要求也最低，因此它适用于高速强化发动机。
桑塔纳轿车发动机上采用；的气门顶置凸轮轴上置式配气机构，与同类上置凸轮轴式配气机构相比有较大不同。它取消了凸轮支座和摇臂等零件，凸轮轴，直接装在由缸盖上平面和五个轴承孔合成的轴承孔内,气门顶置式配气机构由于进、排气通道拐弯少、气流阻力较小，气体进出较通畅，使得进气较充分，同时气门的布置与燃烧室配含绪树紧凑，有利于混合气的形成和燃烧，所以动力性和经济性较好。目前国产汽车发动机都；采用气门
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顶置式配气机构，如CAl091型、东风EQl090E型、上海桑塔纳轿车等。
四行程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两圈，各缸的进、排气门各开启一次，即凸轮轴只转一圈，所以曲轴与凸轮轴的传动比为2：1。
进气门和排气、门都装置在气缸体的一侧。
1.3曲柄连杆机构与配气机构的发展
伴随着社会经济的发展，人类生活水平的提高，我们对生活质量也提出了越来越高的要求。但是事实总是事与愿违，综观历史，我们周围的生活环境是越来越恶化——全球气温变暖，酸雨不断致使植被死亡等，都在一步一步的威胁着我们人类的生存。据统计，90%以上的污染来自汽车的废气排放。所以要改善我们的生活环境，其首要的任务就是降低、限制汽车的废气排放，低污染、低油耗、大功率、大扭矩的发动机也就是我们的追求目标。而配气机构严重的影响着发动机的燃烧特性和排放特性。下面就配气机构的改进发展情况加以论述和展开说明。
发动机配气机构的可变技术是指随着使用工况及要求的变化,或者为了解决矛盾及避免内燃机不正常工作现象的出现,使相关系统的结构或参数作相应的变化,从而使内燃机在各种工况下,综合性能指标能大幅度地提高,而且避免不正常燃烧及超负荷现象的产生。可变技术涉及范围较广,如可变压缩比、可变进气系统、可变配气定时、可变喷油系统、可变增压系统等 。在解决较大转速范围内动力性和经济性的矛盾方面,可变技术显示出独特的优势。近代电子技术的发展,促成了可变技术的迅速推广,使可变技术在车用内燃机上的应用和影响日渐突出。 1.3.1可变进气系统
传统的进气歧管长度不可变，只能在一定的转速范围内有较好的充气效率，具有良好的性能；在运行过程中无法进行调节，其动力性在某些工况下必然要受到限制，使内燃机在两种极端的工况下性能下降，影响发动机的经济性和排放性。长期以来人们发现进气管的长度变化影响内燃机的充气效率ηv。进气管较短时，在高速运行有较好的充气效果；进气管较长时，在低速运行有较好的充气效果。图1.1所示的是一个进气管长度可变的进气控制系统，在内燃机低速运转时，进气控制阀关
图1.1 可变进气管长度控制系统
闭，管道变长，提高了进气流速，加强了惯性进气的作用，从而提高了充气效率ηv。在内燃机高速运转时，进气控制阀打开，管道变短降低了进气阻力，从而提高了充气效率ηv。图1.2所示的为进气管长度无级变化的进气系统示意图，这种系统可以利用动态效应充气，在内燃机的所有转速范
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图1.2 长度无级可变进气系统示意图
1、 可活动的圆筒（空气分配器） 2、固定的壳体 3、进气道4、侧壁 5、圆筒中的空气进口 6、进气道中的空气进口 7、密封垫 8、进气门
围内都能达到最佳的效果。这种进气管长度可变系统的结构简单、费用不大、可靠性高，比较适用于汽车、拖拉机、摩托车等的发动机上。 1.3.2可变配气相位
传统内燃机配气相位在内燃机运转过程中是固定不变的,不能同时兼顾各种转速的要求,也就很难达到真正的最佳配气相位。而采用可变配气相位则可以在内燃机整个工作范围内,提供合适的气门开启、关闭时刻或升程,从而改善内燃机进、排气性能,较好地满足高转速和低转速,大负荷和小负荷时的动力性、经济性以及废气排放的要求。综上所述,可变配气相位改善内燃机性能,主要体现在以下几个方面：
(1) 能兼顾高速及低速不同工况,提高内燃机的动力性和经济性; (2) 改善内冉机怠速及低速时的性能及稳定性; (3) 降低内燃机的排放。
目前有两类可变配气相位机构,一类为可变配气相位,这类方法能提高中、低速转矩,改善低速稳定性,但由于最大气门升程保持不变,所以对燃油经济性改善不大,在此不作详细论述。另一类为在低速和高速时应用不同的凸轮来同时调节配气正时和气门升程,并对高速凸轮和低速凸轮及工况转换点同时进行优化,使内燃机在整个转速范围内获得良好的性能。由于可变配气相位技术的优越性,在美国已有800多项专利产品。可变配气相位(VVT) 典型代表为日本本田车用公司的VTEC系统。VTEC系统结构及工作原理如图1.3。其配气凸轮轴上布置了高、低速两种凸轮,采用特殊设计的摇臂,能够根据内燃机转速高低自动切换凸轮,使摇臂分别被高速或低速凸轮驱动,从而实现了配气正时和气门升程同时调节的目的。凸轮轴上中间为高速凸轮,与中间摇臂相对应,左右各有一个低速凸轮,分别位于第1 和第2摇臂位置。3个摇臂内装有液压活塞A、B和限制活塞。其工作过程为:转速低于6000r/min时,液压活塞不移动,中间摇臂在高速凸轮驱动下,压下空动弹簧,而第1和第2 摇臂则在2个低速凸轮作用下驱动2个气门;转速高于6000r/min时,在压力油作用下,液压活塞A和B移动,中间摇臂与左右摇臂锁在一起在高速凸轮的作用下驱动气门,低速凸轮随凸轮轴空转。
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图1.3 日本本田公司可变配气相位、升程（VETC）机构工作原理图 1.液压活塞B 2.液压活塞A 3.凸轮轴 4.高速凸轮 5.低速凸轮
6.限制活塞 7.第2摇臂 8.中间摇臂 9.第1摇臂
1.3.3 可变进气涡流强度
传统的柴油机进气涡流强度取决于柴油机的转速。对于一个恒定的柴油机进气道而言,随柴油机转速的升高进气涡流增强,反之涡流强度减弱。进气道的设计一般只能保证在某一转速范围内的涡流强度使柴油机性能最佳,而转速改变时,进气涡流就会过强或过弱,不利于柴油机正常工作。图1.4为副气道控制进气涡流强度结构示意图。副气道以一定角度与主气道
图1.4 副气道控制进气涡流强度结构图
1.主气道 2.汽缸盖 4.控制阀 5.控制阀行程传感器 6.电磁阀 7.副气道
相连,形成与主气道反向的进气涡流,通过改变副气道的进气量可以很好地改变整个进气涡流强度。该种控制方法结构简单,涡流强度的改变不会恶化流量系数,因而得到了广泛的应用。
总之，可变技术的应用可使内燃机的各项性能在整个使用工况变化范围内得到优化。如果说,活塞式内燃机经过百余年的研究与发展,在技术上已达到相当高的水平,那么,可变技术就是使其性能进一步取得重大突破的途径之一。因而,可变技术的发展前景十分诱人。可变技术的广泛应用需解决两个关键问题:其一是研制出可改变参数的结构;其二是确保这种结构在工作过程中的可靠性。近代电子技术的发展,使改变结构参数的调控过程更易实施,有些可变技术已在轿车上使用并取得了较好的效果,我国应加大在此方面的投入,优化内燃机设计,使可变技术在内燃机上获得普遍应用,进一步提高内燃机的综合性能。
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