兰装院汽车发动机构造与维修讲义07活塞及活塞环、连杆组

《汽车发动机构造与维修》讲义任务七活塞及活塞环、连杆组完成本学习任务后，你应当能：1.能够描述活塞连杆组的组成部分；2.能够描述气平衡轴的作用和结构；3.能够描述活塞的检查。习任务机体组主要由机体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。机体组是构成发动机的主要骨架，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主要零部件和件。一、连杆组组成部分活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承等组成，如图7-17所示。图7-1活塞连杆组1.活塞活塞是作为一个整体通过锻造或铸造成型后加工而成的。通常把活塞分为三个部分，即活塞顶部、活塞头部和活塞裙部，如图7-2所示。（1）工作条件及要求活塞在高温、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，由于受热严重，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，特别是做功行程压力最大，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。所以，要求活塞要有足够的刚度和强度；良好的导热性，耐高压、耐高温、耐磨损；重量轻，尽可能减小往复惯性力。由于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。图7-2活塞（2）活塞顶部活塞顶部是燃烧室的底部，承受气体压力，其形状、位置和大小与燃烧室的具体形式有关。要满足可燃混合气形成和燃烧的不同要求，活塞顶部形状有平顶、凸顶和凹顶等，如图7-3所示。平顶形凹顶形凸顶形图7-3活塞顶部平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用。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U形凹坑等。在气门升程大的发动机中，为使活塞不与气门发生干涉，常将活塞顶部作一个凹陷的部分。由于凹陷太大不利于可燃混合气的流通，从燃烧室的整体考虑应尽量避免出现这种结构。凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起气流导向作用，有利于改善换气过程和提高压缩比，常用于二冲程汽油机。（3）活塞头部和活塞环槽活塞头部是活塞环的安装部位，常指第一道活塞环槽到活塞销孔以上的部分，又称防漏部。活塞头部具有密封和传热的作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气泄漏到曲轴箱内，同时将部分热量通过活塞环传递到气缸壁。为减少活塞头部向裙部的传热，常采用一定的结构措施，如把油环槽内的回油孔设计成相对较长的环槽，具有隔热的作用。现代内燃机活塞一般有三道槽(上面两道安装气环，下面一道安装油环)，在油环槽底面上钻有许多径向小孔，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差，一般应离顶部较远些。为减少第一环槽的磨损，需要对其进行耐磨处理或镶嵌铸铁耐磨圈等。（4）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，包括装活塞销的销座孔，如图2-18所示。为了减轻活塞的质量，高速发动机常将活塞销孔的位置设计得较为靠上。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。活塞裙部的长短取决于侧压力和活塞直径。为减小裙部摩擦，有些活塞在裙部涂有石墨层，如图7-4所示。为减小活塞质量，应当尽量缩短活塞裙部的长度，但活塞在往复运动过程中，如果受力不均匀会造成活塞以活塞销为中心的摆动。为了最大限度地防止这种现象，现代活塞常把与活塞销孔平行的侧面(两侧的推力面)下端的长度加长，即拖板式活塞(图7-5)。图7-4活塞裙部石墨层图7-5拖板式活塞为防止活塞卡住，需要在活塞与气缸壁间留出一定间隙。然而，间隙过大，冷车时活塞会敲击气缸壁，甚至漏气或窜机油。因此，必须设法使活塞各部位与气缸壁之间有大小合适的间隙。可采取的措施主要有：①活塞裙部采用椭圆结构。气缸为圆柱形，为使裙部两侧承受压力并与气缸保持小且安全的间隙，活塞在工作时也应保持圆柱形。然而，由于活塞裙部的厚度不均匀，在受热时活塞销座孔部分膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大；同时裙部承受侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量大，如图7-6所示。如果活塞冷态时裙部为圆形，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，发动机无法正常工作。因此，将活塞裙部做成椭圆形，长轴方向与销座孔轴线垂直(图7-7)。图7-6活塞裙部变形图7-7活塞裙部椭圆结构②活塞采用锥形结构。发动机工作时，沿活塞轴线方向的温度上高下低，热膨胀量上大下小，而活塞在气体压力作用下产生一定的弯曲变形，使下部直径变大，如图7-8所示。为了使活塞工作时上下直径趋于相等，预先把活塞制成锥形或桶形(图7-9)。③活塞采用双金属组合。为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些传统汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。有些柴油发动机的活塞头部和裙部采用不同的材料，头部由于温度高、热负荷大等，而采用铸铁或锻钢；裙部相对温度低、热负荷小，采用铝合金，如图7-10所示。图7-8活塞受压变形图7-9锥形活塞结构图7-10双金属活塞④裙部开绝热—膨胀槽。活塞裙部上行导向面上开有一膨胀槽，当活塞受热膨胀时该槽就成为伸缩的余地，如图7-11所示。裙部受力面上的膨胀槽有半开口与全开口之分，半开口膨胀槽的椭圆度为0.25～0.28mm，全开口膨胀槽的椭圆度为0.12～0.16mm。图7-11开槽活塞（5）活塞销偏置在压缩行程和做功行程中，作用在活塞顶部气体压力的水平分力(侧压力)使活塞压向气缸壁；压缩行程和做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，做功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力。活塞在发动机运行的过程中会敲击缸壁。因此，必须解决这个问题。有些汽油机把活塞销孔中心线进行偏置。活塞销孔中心线向做功行程侧压力方向偏移一定距离，如图7-12所示，e为偏置距离。活塞所承受的气体作用力与活塞销支承力不在一条线上，产生一旋转力矩M，可使活塞在从压缩行程到做功行程中较为柔和地从压向气缸的一面过渡到另一面，以减小敲缸声。安装时，活塞销偏置的方向必须安装正确，否则敲击力增大，使裙部受损。图7-12活塞销是否偏置对工作过程的影响（6）活塞的冷却强化发动机活塞的热负荷大，需要加强对活塞的冷却。因此某些发动机在曲轴箱内设置一个喷嘴把润滑油喷到活塞下部。也有一些发动机在连杆小头打孔，使润滑油流经曲柄销、连杆中心油道和活塞销后喷到活塞下部，对活塞进行冷却。2.活塞环活塞环是具有弹性的开口环，分为气环和油环，如图7-13所示。气环保证气缸壁与活塞间的密封，防止高温燃气漏入曲轴箱，并把从活塞顶部吸收的热量传给气缸壁，防止活塞过热。油环在气缸壁上涂上一层均匀的润滑油，并把飞溅到气缸壁上的多余润滑油刮除掉，既可防止机油窜入燃烧室，同时使气缸壁上润滑油膜均匀分布，改善活塞组的润滑条件。油环还能起到密封的辅助作用。（1）工作条件及要求活塞环在高温、高压、高速和润滑困难的条件下工作，特别是第一道环。活塞环工作时受到气缸中高温高压燃气的作用，第一道环温度可高达600K。活塞环在气缸内随活塞一起高速运动，由于高温下机油可能变质，润滑条件差，难以保证良好的润滑，因此磨损严重。同时，由于气缸壁的形状误差，活塞环随活塞往复运动时，受到交变应力而易折断。因此，要求活塞环弹性好、强度高、耐磨损。活塞环采用的材料有耐热不锈钢、优质碳素钢、球墨铸铁、合金铸铁等。图7-13活塞环（2）气环气环在自由状态下外径大于气缸直径，用专用工具将它与活塞一起装入气缸后，外表面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，活塞环与环槽端面形成第二密封面，作用在环背的气体压力也大大加强了第一密封面的密封作用。气环密封效果一般与气环数量有关，漏气的唯一通道是活塞环的开口间隙，多道活塞环的开口相互错开，形成迷宫似的漏气通道。由于侧隙、径向间隙和端隙都比较小，流动阻力大，压力迅速下降，最后漏入曲轴箱的气体很少(图7-14)。气环的开口形状将直接影响漏气量，开口形状有直开口、梯形开口、斜切口等。气环的断面形状很多，常见的有矩形环、扭曲环、锥面环、梯形环和桶面环等(图7-15)。图7-14气环密封原理①矩形环。矩形环的断面为矩形，结构简单，制造方便，易于生产，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现象(图7-16)。图7-15各活塞环断面图7-16气环泵油现象原理活塞下行时，气环由于与气缸壁的摩擦阻力及惯性被压靠在环槽的上端面上，气缸壁面上的机油被刮入下边隙和内边隙；活塞上行时，气环又被压靠在环槽的下端面。第一道环背隙里的机油会进入燃烧室，窜入燃烧室的机油在燃烧室内形成积炭，造成机油的消耗量增加，同时上窜的机油还可能在环槽内形成积炭，使气环在环槽内卡死而失去密封作用，严重时可能会导致气缸壁被划伤和折断。现在，广泛采用非矩形断面的扭曲环来消除或减少有害的泵油作用。②扭曲环。扭曲环是在矩形环的内圆上边缘或外圆下边缘切去一部分，使断面呈不对称形状。在环的内圆部分切槽或倒角的称为内切环，在环的外圆部分切槽或倒角的称为外切环。扭曲环装入气缸后，由于断面不对称，产生不平衡力的作用，使活塞环发生扭曲变形。活塞上行时，扭曲环在残余油膜上浮动，可以减小摩擦；活塞下行时扭曲环向下刮油，可以避免机油烧掉。同时由于扭曲环在环槽中上、下跳动的行程缩短，可以减轻“泵油”的副作用。因此，扭曲环广泛地应用于第二道活塞环槽上。安装时必须注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，如图7-17所示。图7-17扭曲环工作示意图③锥面环。锥面环断面呈锥形，外圆工作面上加工有一个很小的锥面，减小了环与气缸壁的接触面积，提高了表面接触压力，利于磨合和密封。活塞下行时，便于刮油；活塞上行时，由于锥面的“油楔”作用，能在油膜上“飘浮”过去，减小磨损，但不能装反，否则会引起机油上窜。④梯形环。梯形环断面呈梯形，工作时梯形环在压缩行程和做功行程随着活塞受侧压力的方向不同而不断地改变位置。这样会把沉积在环槽中的积炭挤出去，避免了环被粘在环槽中而折断，可以延长环的使用寿命，经常应用在第一道环上。⑤桶面环。桶面环的外圆为凸圆弧形，当桶面环上下运动时均能与气缸壁形成楔形空间，使机油容易进入摩擦面，减小磨损。由于它与气缸呈圆弧接触，对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性较好，有利于密封。（3）油环油环（图7-18）的作用是储存一部分机油对活塞与缸壁之间进行润滑并刮除缸壁上多余的机油，防止机油进入燃烧室。油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式三种类型。①槽孔式油环。因为油环的内圆面基本上没有气体力的作用，所以槽孔式油环(图7-19)的刮油能力主要靠油环自身的弹力。为了减小环与气缸壁的接触面积，增大接触压力，在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。图7-18油环图7-19槽孔式油环断面形状②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(图7-20)。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。③钢带组合油环。一般情况下，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，既可以增强刮油能力，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。图7-20槽孔撑簧式油环断面形状3.活塞销活塞销连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传递给连杆。（1）工作条件及要求活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆。活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏。（2）活塞销的结构活塞销的内孔有圆柱形、两段截锥与一段圆柱组合形、两段截锥形等多种形状(图7-21)。图7-21活塞销形状活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。（3）活塞销的安装活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有“全浮式”和“半浮式”。对于全浮式，活塞销与活塞销座孔和连杆衬套都采用间隙配合，发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，活塞销能在连杆衬套和活塞销座中自由摆动，磨损均匀(图7-22)。为了防止“全浮式”活塞销轴向窜动刮伤气缸壁，需要在活塞销两端装设锁片(或称卡环)，进行轴向定位。“半浮式”连接活塞销与连杆小头采用过盈配合，装配时先把铝活塞加热到一定程度，然后再把活塞销装入，或者把活塞销冷却后进行安装。图7-22活塞销全浮式安装要在活塞销两端装设锁片(或称卡环)，进行轴向定位。“半浮式”连接活塞销与连杆小头采用过盈配合，装配时先把铝活塞加热到一定程度，然后再把活塞销装入，或者把活塞销冷却后进行安装。4.连杆组（1）连杆功用及工作条件连杆组连接活塞与曲轴，功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆小头与活塞销连接，同活塞一起作往复运动；连杆大头与曲柄销连接，同曲轴一起作旋转运动，因此在发动机工作时连杆作复杂的平面运动。连杆组主要受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷。最大压缩载荷出现在做功行程上止点附近，最大拉伸载荷出现在进气行程上止点附近。在压缩载荷和连杆组作平面运动时产生的横向惯性力的共同作用下，连杆体可能发生弯曲变形。（2）连杆结构连杆由连杆小头、连杆杆身和连杆大头三部分组成(图7-23)。图7-23连杆结构①连杆小头。连杆小头的结构形状取决于活塞销的尺寸及其与连杆小头的连接方式。在发动机做功行程中，连杆小头受力最大，燃烧爆发压力通过活塞、活塞销传到连杆小头下部，如图7-24所示。连杆小头的下部应力大，而连杆小头的上部在整个工作过程中的受力相对要小，活塞销座孔的上部受力比销座孔的下部受力大。因此，为减少连杆和活塞在做功行程中的应力，现代发动机连杆小头常做成楔形，还可以减小连杆小头的质量。在汽车发动机中，连杆小头与活塞销的连接方式有两种，即全浮式和半浮式，如图7-25所示。全浮式活塞销工作时，在连杆小头孔和活塞销孔中转动，可以保证活塞销沿圆周磨损均匀。为防止活塞销两端刮伤气缸壁，在活塞销孔外侧装置活塞销挡圈。半浮式活塞销是用螺栓将活塞销夹紧在连杆小头孔内，这时活塞销只在活塞销孔内转动，在小头孔内不转动。小头孔不装衬套，销孔中也不装活塞销挡圈。连杆小头孔与全浮式活塞销之间有相对运动，常在连杆小头孔压入减磨的青铜衬套；为了润滑活塞销与衬套，在小头和衬套上铣油槽或钻油孔以收集发动机运转时飞溅上来的润滑油并用以润滑，如图7-26所示。有的发动机在连杆杆身钻有纵向油道，对连杆小头进行压力润滑。图7-24活塞与连杆小头压力分配图7-25连杆小头与活塞销的连接图7-26连杆小头结构②连杆杆身。连杆杆身通常做成“工”字形断面，刚度大，质量小，适于模锻，采用大圆弧过渡。采用压力润滑的连杆，杆身中部设有连通大头和小头的油道；有些发动机还在连杆小头加工喷油孔对活塞进行冷却，如图7-27所示。③连杆大头。连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，一般采用分开式，通过螺栓进行连接和紧固，以便在拆卸发动机时能从气缸上端取出。切面有平分或斜分两种方式(图7-28)。图7-27连杆杆身结构图7-28连杆大头切分形式平切的切面与杆身轴线垂直，汽油机多采用这种方式。一般汽油机连杆大头的横向尺寸小于气缸直径，可以方便地通过气缸进行拆装。斜切的切面与杆身轴线成一定角度，柴油机多采用这种方式。柴油机压缩比大，受力较大曲轴的连杆轴颈粗，加上紧固螺栓的空间，连杆大头尺寸往往大于气缸直径。为了使连杆大头能通过气缸便于拆装，一般采用斜切口。连杆与连杆盖配对加工，加工后在同一侧打上配对标记，安装时不得调换或变更方向，在结构上需采取定位措施。平切口连杆盖与连杆的定位可采用连杆螺栓定位，利用连杆螺栓中部精加工的圆柱凸台或光圆柱部分与经过精加工的螺栓孔来保证；斜切口连杆常用的定位方法有止口定位、套筒定位、锯齿定位和定位销定位等，如图7-29所示。图7-29连杆大头定位④V形发动机连杆。V形发动机左右两个气缸的连杆安装在同一个曲柄销上，其结构随安装形式的不同而不同。主要有三种形式：主副连杆，就是一个主连杆、一个副连杆组成主副连杆，副连杆通过销轴铰接在主连杆体或主连杆盖上；两个完全相同的连杆一前一后并列地安装在同一个曲柄销上的并列连杆；叉形连杆，即一列气缸中的连杆大头为叉形，另一列气缸中的连杆与普通连杆类似，只是大头的宽度较小，一般称其为内连杆，如图7-30所示。（3）连杆螺栓连杆螺栓是使剖分的连杆大头的轴承与杆身固接的螺栓。在每副轴承上，一般用两个连杆螺栓固紧，这种螺栓的型式不一，如图7-31所示。在其头部常加工有定位平面或凸块，以便安装时与轴承支承面嵌配，防止在上紧螺母时连杆螺栓随着转动。位于轴承各剖分面处的螺栓杆身直径较大，以便装配时可与螺栓孔配合定位；其余螺栓杆身部分的直径则较螺栓孔的直径小，长度也较长，以便承受弯曲和冲击载荷时可减轻螺纹部分的载荷。螺纹部分常采用较高精度的细牙螺纹。图7-30V形发动机连杆图7-31连杆螺栓防止螺纹连接自行松脱，连杆螺栓常设有防松装置，一般为开口销、防松垫圈以及螺纹表面镀铜等。连杆螺栓经常承受交变载荷，易于引起疲劳破坏而断裂，将会造成极其严重后果。因此，它常采用优质合金钢或优质碳钢制造，并经调质热处理。在安装时，要交叉、逐步地按规定的预紧力上紧，不能过大或过小，以免工作中造成连杆螺栓断裂等事故。（4）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(图2-50)，即连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片，多采用薄壁钢背轴瓦，内表面浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软、易保持油膜、磨合性好、摩擦阻力小和不易磨损等优点。耐磨合金常采用的材料有巴氏合金、铜铝合金和高锡铝合金。连杆轴瓦的背面具有很小的粗糙度。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有过盈配合，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，延长使用寿命。连杆轴瓦上装有定位凸键，安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，防止轴瓦前后移动或转动。有的轴瓦上还设有油孔，与连杆上相应的油孔对齐。二、平衡轴的作用和结构现代汽车发动机特别重视乘坐的舒适性和振动噪声，须将引起发动机振动和噪声的不平衡力和不平衡力矩降低到最小。曲轴的平衡重只能平衡旋转惯性力和力矩，而往复惯性力及其力矩的平衡需采用专门的平衡机构。曲柄连杆机构往复惯性力的分析相对较复杂，常分解为多阶往复惯性力之和。一阶往复惯性力与曲轴转角的余弦成正比，二阶往复惯性力与二倍曲轴转角的余弦成正比。对于常用的直列四缸机来说，采用平面曲轴，其一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩都平衡，但二阶往复惯性力不平衡(图7-32)。四缸发动机为了平衡二阶往复惯性力，需采用双轴平衡机构(图7-33)。两平衡轴(BalancingShaft)与曲轴平行且与气缸中心线等距，旋转方向相反，转速为曲轴转速的2倍。平衡轴上装有质量相同的平衡重，其旋转惯性力与垂直于气缸中心线方向的分力相互抵消。在平行于气缸中心线方向的分力合成为与二阶往复惯性力大小相等、方向相反的平衡力，从而大大降低发动机的振动和噪声。图7-32直列四缸一、二阶往复惯