D.第四节——活塞连杆组

活塞连杆组的结构,活塞组：活塞、活塞环（气环、油环）、活塞销、卡环等。连杆组：连杆、连杆盖、连杆轴瓦、连杆螺钉等。,活塞,1、作用1）承受力、传力给活塞销。2）组成燃烧室。2、工作条件（非常恶劣）三高：高温（热膨胀）、高压（变形）、高速（惯性力）两难：冷却困难、润滑困难一腐蚀：受到酸性物质的腐蚀,要求（1）要有足够的耐热性，导热性好，有充分的散热能力，热膨胀系数要小，减小受热时的变形；（2）有足够的强度和刚度；（3）活塞的质量尽量小，以减小惯性力。活塞与气缸壁间应有较小的摩擦系数，即耐磨性好，防止在运动中大量磨损。,材料常用：铸铝合金（高硅铝合金、铝铜合金）强化发动机：高级铸铁、耐热钢（主要为了提高其强度）新型：金属陶瓷【有组合式的（陶瓷用于活塞顶部），也有整体式的】总之，对于转速较高的发动机来说，活塞材料多选择质量较轻的铝合金；而对于低速机，现在多用灰铸铁。,4、加工制造方法1）铸造2）锻造3）液态模锻5、结构1）顶部：汽油机：二冲程机多用凸顶活塞，其它汽油机多用平顶。柴油机：有平顶、凹顶、形、碗形、盆型、花瓣形等。,活塞的基本结构,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，其顶部形状可分为四大类，平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞。,二冲程发动机多用凸顶,汽油机多采用平顶、有些采用凹顶,柴油机多采用各种各样的凹坑,平顶,凹顶,凸顶,凹坑,活塞顶部的形状应综合考虑其吸热面积、制造、加工工艺。活塞顶部的加工应力求光洁，在有的发动机上，为了减轻活塞顶部的热负荷，在活塞顶部喷镀陶瓷。镀层厚0.20.3mm，能起到耐高温、防腐蚀、减少吸热的作用。,活塞头部,主要结构,环槽,气环,油环,隔热槽(有时)使部分热流转向二、三环环槽护圈（耐热合金钢）,热负荷较高发动机采用,头部作用：密封、传热、传力,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头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(7080)%的热量通过活塞环传给气缸壁。,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。,活塞裙部的分类,（1）全裙式：裙部为一薄壁圆筒。（2）半拖板式：将非承压面的裙部去掉一部分，以减少质量和防碰曲轴平衡重。（3）拖板式：将非承压面的裙部全部去掉。,活塞的变形及采取的相应措施,在活塞横断面内的变形A）沿活塞销的方向，金属量较多,所以在其受热膨胀后，此处的膨胀量就最大。B）在受到气缸内气体燃烧后产生的气压力的作用后，使活塞顶部在销座跨度内发生弯曲变形。C）气缸壁对活塞的侧压力作用，引起活塞变形也沿活塞销的轴线方向。,热膨胀,侧压力,气体压力,在活塞纵断面内的变形,（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。,结构措施,活塞纵断面制成上小下大的截锥形。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,销座处凹陷0.5mm1.0mm。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。,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。1）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（汽油机）：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（柴油机）：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。,活塞销座：用以安装活塞销，其作用是支承活塞销，将活塞顶部气体作用力经过活塞销传给连杆。在销座孔两端有卡环槽，用以安装卡环。,活塞销偏移布置,1.定义：活塞销座朝向承受作功侧压力的一面偏移1mm2mm。2.作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击噪声。3.原理：因销座偏置，在接近上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边，使活塞倾斜，裙部下端提前换向。而活塞在越过上止点，侧压力反向时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向。可见偏置销座使活塞换向分成了两步，第一步是在气体压力较小时进行，且裙部弹性好，有缓冲作用；第二步虽气体压力大，但它是个渐变过程。为此，两步过渡使换向冲击力大为减弱。,如果活塞销对中布置，则当活塞越过上止点时侧压力的作用方向改变，会使活塞敲击气缸壁面发出噪声。如果将其偏移，则可使活塞较平稳地从压向气缸的一面过度到另一面，减轻敲缸和噪声，但加剧了裙部尖角处的磨损。,裙部的表面处理汽油机：常用镀锡方法柴油机：一般是磷化，还有的涂石墨。活塞在气缸内的安装注意事项1）按照活塞顶部的指定标记安装（注意喷油方向、气门方向）2）同台发动机的活塞质量差不能超过10g，并与相同尺寸公差的缸盖配合。3）开纵向槽的活塞面尽量安装在不受侧压力（主、次推力面）的一面，以免活塞在运动时划伤气缸壁。,活塞环,活塞环是具有弹性的开口环，有气环和油环之分，装于活塞头部环槽中，自由状态下外径尺寸比气缸内径大，在张力作用下与气缸壁紧密接触。材料为优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁或钢带按照用途分为：气环和油环。汽油机：气环23道；油环数1道。柴油机：气环34道；油环数12道。柴油机气环数多于汽油机的原因：1）柴油机压缩比大于汽油机；2）柴油机转速低于汽油机；3）柴油机的配缸间隙大于汽油机。,气环,1、作用1）与活塞一起密封高温高压的燃气下窜入曲轴箱。（主要）2）将活塞头部的热量传给气缸壁。3）辅助油环控制气缸壁上的润滑油。2、工作条件恶劣：活塞环（气环）是发动机零件中工作寿命最短的。总的说：高温、高压、高速、润滑困难、磨损严重等。3、材料多用合金铸铁、钢片、粉末冶金、金属陶瓷等。对于强化发动机：则用球墨铸铁，以加强环的强度和冲击韧性。,气环开口形状,气环开口的形状和装入气缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响。切口间隙过大，则漏气严重，间隙过小，活塞环受热膨胀后有可能卡死或折断。切口间隙值：一般为0.250.8mm，第一道气环的温度高，因而其切口间隙大。,气环的断面形状,气环的断面形状多种多样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不同断面形状的气环组合，得到较好的密封效果。,气环断面形状：,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。,气环的断面形状多种多样，其中矩形环结构简单，传热面积大，制造方便，应用最广。但是矩形环随活塞往复运动时，会把气缸壁面上的机油不断送入气缸中。这种现象称为“气环的泵油作用”。,（4）矩形气环的泵油作用及危害,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,油环,1、作用1）刮掉缸壁上多余的机油，并且均匀分布缸壁上的机油。2）辅助密封。油环起布油和刮油的作用，下行时刮除气缸壁上多余的机油，上行时在气缸壁上铺涂一层均匀的油膜。这样既可以防止机油窜入气缸燃烧掉，又可以减少活塞、活塞环与气缸壁的摩擦阻力，此外油环还能起到封气的辅助作用。油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式三种类型。,槽孔式油环,环的外圆面上加工出环形集油槽，形成上下两道刮油唇，在集油槽底加工有回油孔。由上下刮油唇刮下来的机油经回油孔和活塞上的回油孔流回油底壳。这种油环结构简单，加工容易，成本低。,槽孔撑簧式油环,在槽孔式油环的内圆面加装撑簧即为槽孔撑簧式油环。一般作为油环撑簧的有螺旋弹簧、板形弹簧和轨形弹簧三种。这种油环由于增大了环与气缸壁的接触压力，而使环的刮油能力和耐久性有所提高。,钢带组合油环,其结构形式很多，图示的钢带组合油环由上、下刮片和轨形撑簧组合而成。撑簧不仅使刮片与气缸壁贴紧，而且还使刮片与环槽侧面贴紧。这种组合油环的优点是接触压力大，既可增强刮油能力，又能防止上窜机油。另外，上下刮片能单独动作，因此对气缸失圆和活塞变形的适应能力强。但钢带组合油环需用优质钢制造，成本高。,活塞销,活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷，其本身又作摆转运动，而且处于润滑条件很差的情况下工作，因此，要求活塞销具有足够的强度和刚度，表面韧性好，耐磨性好，重量轻。所以活塞销一般都做成空心圆柱体，采用低碳钢和低碳合金钢制成，外表面经渗碳淬火处理以提高硬度，精加工后进行磨光，有较高的尺寸精度和表面光洁度。活塞销的内孔有三种形状：圆柱形、两段截锥与一段圆柱组合、两段截锥形。圆柱形孔结构简单，加工容易，但从受力角度分析，中间部分应力最大，两端较小，所以这种结构质量较大，往复惯性力大；为了减小质量，减小往复惯性力，活塞销做成两段截锥形孔，接近等强度梁，但孔的加工较复杂；组合形孔的结构介于二者之间。,一、功用：连接或爱与连杆。将活塞承受的力传给连杆。二、工作条件：、承受燃烧压力产生的交变冲击力。、与活塞销座及连杆的配合面承压面积不大，相对运动速度低，不容易形成油膜，润滑条件差，容易磨损。三、要求：、需要很高的强度，故加工方法采用：用优质低碳钢或低碳合金钢。、需要良好的韧性，故表面渗碳淬火。、需要耐磨性，故保证表面硬而耐磨。、要求重量轻、内部韧性高、耐冲击。,与连杆的连接方式,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。,连杆,连杆的功用是连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。连杆承受压缩、拉伸弯曲等交变载荷，一般用优质中碳钢或中碳合金钢锻制。,连杆的结构,连杆组包括：连杆，连杆盖，连杆螺栓，连杆轴瓦，小端衬套。连杆本身又分为：连杆小端，连杆杆身和连杆大端三部分。润滑：发动机运转时的飞溅润滑或压力润滑（在杆身内钻有油道）杆身做成工字型是为了减轻重量,连杆大头的切口,连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，有整体式（与分段式曲轴组合）和分开式两种，一般都采用分开式。切口的形式有平切口和斜切口两种。汽油机多采用平切口连杆，结合面与连杆杆身轴线垂直，柴油机多采用斜切口连杆，结合面与连杆杆身轴线成3060夹角。,定位方式,平剖：利用连杆螺栓光杆部分的精确加工与连杆螺栓孔的精确配合来定位。斜剖：1)止口定位2）套筒定位3）锯齿定位,连杆轴瓦,为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。轴瓦（俗称小瓦）分上、下两个半片，目前多采用薄壁钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。,连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。连杆轴瓦耐磨合金层具有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨损等特点。耐磨合金常采用的有巴氏合金，铜铝合金，高锡铝合金。连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。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