活塞连杆组

活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销及连杆等组成。

活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。 工作条件：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。

(1) 要有足够的刚度和强度，传力可靠

(2) 导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损

(3) 质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力

铝合金材料基本上满足上面的要求，因此，活塞一般都采用高强度铝合金，但在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。

活塞可分为三部分，活塞顶部、活塞头部和活塞裙部。

1、活塞顶部

活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成部分，其形状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求。

汽油机活塞的顶部形状有：

（1） 平顶：受热面积小，广泛采用。

（2） 凸顶：与半球形燃烧室配用。

（3） 凹顶：高压缩比发动机为了防止碰撞气门，也可用凹坑的深度来调整压缩比。

平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用。

凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起导向作用，有利于改善换气过程，二行程汽油机常采用凸顶活塞。

凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。

2、活塞头部

活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上部分。它有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道安装气环，下部安装油环。汽油机一般有三道环槽，其中有两道气环槽和一道油环槽，在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。第一道环槽工作条件最恶劣，一般应离顶部较远些。

活塞顶部吸收的热量主要也是经过防漏部通过活塞环传给气缸壁，再由冷却水传出去。总之，活塞头部的作用除了用来安装活塞环外，还有密封作用和传热作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，同时还将(70～80)%的热量通过活塞环传给气缸壁。

3、活塞裙部

活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力，所以，作功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。

(1）预先做成椭圆形

为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。

这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。

 (2）活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形、锥形。

(3）为了减小活塞裙部的受热量，通常在裙部开横向的隔热槽，为了补偿裙部受热后的变形量，裙部开有纵向的膨胀槽。槽的形状有"T"形或"Π"形槽。横槽一般开在最下一道环槽的下面，裙部上边缘销座的两侧(也有开在油环槽之中的)，以减小头部热量向裙部传递，故称为隔热槽。竖槽会使裙部具有一定的弹性，从而使活塞装配时与气缸间具有尽可能小的间隙，而在热态时又具有补偿作用，不致造成活塞在气缸中卡死，故将竖槽称为膨胀槽。裙部开竖槽后，会使其开槽的一侧刚度变小，在装配时应使其位于作功行程中承受侧压力较小的一侧。柴油机活塞受力大，裙部一般不开槽。

（4）有些活塞为了减轻重量，在裙部开孔或把裙部不受侧压力的两边切去一部分，以减小惯性力，减小销座附近的热变形量，形成拖板式活塞或短活塞，拖板式结构裙部弹性好，质量小，活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速发动机。

（5）为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。恒范钢片式活塞的结构特点是，由于恒范钢为含镍33%～36%的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的1/10，而销座通过恒范钢片与裙部相连，牵制了裙部的热膨胀变形量。

（6）有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的，向作功行程中受主侧压力的一方偏移了1～2mm。这种结构可使活塞在从压缩行程到作功行程中较为柔和地从压向气缸的一面过渡到压向气缸的另一面，以减小敲缸的声音。在安装时，这种活塞销偏置的方向不能装反，否则换向敲击力会增大，使裙部受损。

活塞变形及采取的相应措施

1、变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。

2、变形规律

（1） 活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙变小。因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁；

（2） 活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低，壁厚上厚下薄；

（3） 裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方向。因销座处金属量多而膨胀量大，以及侧压力作用的结果。

3、 结构措施

（1） 活塞纵断面制成上小下大的截锥形。 

（2） 活塞横断面制成椭圆形，长轴垂直于销座孔轴线方向，即侧压力方向。

（3） 销座处凹陷0.5mm～1.0mm。

（4） 裙部开绝热—膨胀槽（“T”形或形槽），其中横槽叫绝槽，竖槽叫膨胀槽。

（5） 采用双金属活塞：即在活塞裙部或销座内嵌铸入钢片，以减少裙部的膨胀量。

·恒范钢片式：活塞销座通过恒范钢片与裙部相连，而恒范钢片（含镍33%～36%）的膨胀系数仅为铝合金的十分之一。这样，使裙部膨胀量大为减少。

·自动调节式：膨胀系数小的低碳钢片贴在销座铝层的内侧，依靠钢片的牵制作用，及钢片与铝壳之间的双金属效应来减小裙部侧压力方向的膨胀量。 

·筒形钢片式：浇铸时，将钢筒夹在铝合金中，冷凝时钢筒内外侧的铝合金分别产生“收缩缝隙”和拉应力。工作时因要先消除“收缩缝隙”和拉应力而膨胀量减小。 

1、作用：（1）密封：防止气缸内的气体窜入油底壳；

（2） 传热：将活塞头部的热量传给气缸壁；

（3） 辅助刮油、布油。 

2、活塞环的间隙

（1） 端隙Δ1：又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙。一般为0.25mm～0.50mm；

（2） 侧隙Δ2：又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道环因温度高，一般为0.04mm～0.10mm；其它气环一般为0.03mm～0.07mm。油环一般侧隙较小，一般为0.025mm～0.07mm；

（3） 背隙Δ3：是活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部的间隙。一般为0.5mm～1mm。 

3、气环的密封原理

（1） 第一密封面的建立：环在自由状态下，环外径＞缸径，装缸后在其弹力P0作用下与缸壁压紧，形成第一密封面。

（2） 第二密封面的建立：活塞环在运动时产生惯性力Pj，与缸壁间产生摩擦力F，以及侧隙有气体压力P1，在这三个力的共同作用下，使环靠在环槽的上侧或下侧，形成第二密封面。

（3） 气环的第二次密封：窜入背隙和侧隙的气体，使环对缸壁和环槽进一步压紧，加强了第一、二密封面的密封。 

4、活塞环的泵油作用及危害

原因

（1）存在侧隙和背隙；

（2） 环运动时在环槽中靠上靠下。

现象：当活塞带着环下行（进气行程）时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下的润滑油充入环槽下方；当活塞又带着环上行（压缩行程）时，环又靠在环槽的下方，同时将油挤压到环槽上，如此反复，就将润滑油泵到活塞顶。 

危害

（1）增加了润滑油的消耗；

（2） 火花塞沾油不跳火；

（3） 燃烧室积炭增多，燃烧性能变坏；

（4） 环槽内形成积炭，挤压活塞环而失去密封性；

（5） 加剧了气缸的磨损。

措施

（1）采用扭曲环；

（2） 采用组合式油环；

（3） 油环下设减压腔

5、气环的断面形状

（1） 矩形环：结构简单，与缸壁接触面积大，散热好，但易泵油。

（2） 锥形环

特点：与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。

安装注意：(锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记）；锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上。 

a)矩形环；b)锥形环；c)内切口扭曲环；d)外切口扭曲环；e)梯形环；f)桶形环 

（3） 扭曲环：将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。 

1）扭曲原理：当活塞环装入气缸后，环受到压缩产生弯曲变形，断面中性层以外产生拉应力、中性层以外产生压应力，矩形环由于中性层内外断面不对称，使F和F不在同一平面内，从而形成力偶M，在力偶的作用下，活塞环发生微量的扭曲变形。

a)矩形环；b)扭曲环 

2）特点：具有锥形环的特点；

减小了泵油作用；

作功行程环不再扭曲，两个密封面达到完全接触，利于散热。

3） 安装：内上切扭曲环装入第一道环槽，外下切扭曲环装入第二、三道环槽。

（4） 桶形环：其特点为

1） 环的外圆面为凸圆弧形；

2） 环面与缸壁圆弧接触，避免了棱角负荷；

3） 环上下运动时，均能形成楔形油膜。

（5） 梯形环：当活塞在侧压力作用下左、右换向时，环的侧隙和背隙将不断变化，使胶状油焦不断从环槽中被挤出。梯形环用于热负荷较大的柴油机的第一道环。 

（二） 油环

1、作用：刮油。即将气缸壁上多余的润滑油刮下来。

2、类型

（1） 整体式：其外圆上切有环形槽，槽底开有回油用的小孔或窄槽。 

（2） 组合式：由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬簧组成。其特点为

1） 密封好：第一密封面，靠径向力，因衬簧长大于刮片长而产生径向力。

第二密封面，靠轴向力，因衬簧和钢片总厚度大于环槽高而产生轴向力。

2） 无侧隙，无窜油。

3） 刮油能力强：因钢片薄，对缸壁比压大。

4） 上下片可分别动作，适应性好。

5） 回油能力强。

（一） 作用：连接活塞和连杆，并传递活塞的力给连杆。

（二） 结构：用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体。

（三） 连接方式

1. 全浮式

（1） 定义：在发动机正常工作温度下，活塞销在连杆小头孔和活塞销座孔中都能转动。

（2） 装配：1）销与销座孔在冷态时为过渡配合，采用分组选配法。

2） 热装合：将活塞放入热水或热油中加热后，迅速将销装入。

2.半浮式

（1） 定义：销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一处浮动。（一般固定连杆小头）

（2） 装配：加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈配合。

（一） 功用：将活塞的力传给曲轴，变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。

（二） 组成：连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。

（三） 构造

1. 小头：用来安装活塞销，以连接活塞。

2. 杆身：常做成“工”字形断面。

3. 大头：与曲轴的连杆轴颈相连。大头一般做成分开式，即连杆体大头和连杆盖。

（1） 切口形式：有平切口和斜切口两种。

（2） 定位方式

 ①连杆螺栓定位：靠连杆螺栓的光圆柱部分与螺栓孔的配合来定位。其定位精度较差，用于切口连杆。

 ②锯齿形定位：依靠接合面的齿形定位。

 ③套或销定位：依靠套或销与连杆体（或盖）的孔紧配合定位。

 ④止口定位 

（3） 喷油孔：有的连杆的大头面对气缸主承压面的一侧，钻一喷油孔（1mm～1.5mm），以润滑气缸主承压面。

（四） 连杆的安装

1、不能破坏连杆杆身与盖的配对及装合方向，在二在者的同一侧打有配对标记。

2、不能装反，也不能乱缸，在杆身上有方向标记，大头侧面有缸号标记。

（五） 连杆轴承（俗称小瓦）

1、作用：保护连杆轴颈及连杆大头孔。

2、组成：由钢背和减磨层组成。钢背由1mm～3mm的低碳钢制成。减磨层为0.3mm～0.7mm的减磨合金，层质较软能保护轴颈。 

3、减磨层材料

（1） 白合金（巴氏合金）：减磨性能好，但机械强度低，且耐热性差。常用于负荷不大的汽油机。

（2） 铜铅合金：机械强度高，承载能力大，耐热性好。多用于高负荷的柴油机。但其减磨性能差。

（3） 铝基合金：有铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金三种。

1）铝锑镁合金和低锡铝合金：机械性能好，负载能力强，但其减磨性能差。

主要用于柴油机。

2） 高锡铝合金：具有较好的机械性能和减磨性能，广泛应用于柴油机和汽油机。

4、 轴瓦的自由弹势

（1）定义：轴瓦在自由状态下的曲率半径略大于座孔半径，其直径之差称为自由弹势或张开量。

（2） 配合过盈：因轴瓦外径周长较座孔周长稍大，连杆螺栓紧固后，便产生一定的配合过盈量。靠合适的过盈量保证轴瓦在工作时不转、不移、不振，并可使轴瓦与座孔紧密贴合，以利散热。