活塞连杆组

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆等主要机件组成。

Ø       活塞

1、功用、工作条件与要求

活塞的功用是与气缸盖等共同组成燃烧室、承受气缸内气体压力并通过活塞销和连杆传给曲轴。

活塞是在频繁变化的瞬时高温、高压、高速及液体润滑和散热均困难的条件下工作的：

1）气体压力与温度：燃烧过程气体瞬时压力最高可达5Mpa左右，有的柴油机甚至可达10Mpa，使数万乃至十几万牛顿的力，突然作用到活塞顶上，高速时每秒发生20-40次。与此同时，瞬时温度最高可达2000K以上的炽热气体覆盖于活塞顶，而散热条件却很差——虽然活塞顶的热量由冷混合气体和机油带走一部分，但主要是通过气缸壁间接传给冷却水或散热片，致使活塞承受很高的热负荷。

2）速度：活塞运动速度的大小和方向在不断地变化，产生的惯性力可造成很大的机械负荷。另外，活塞的平均速度在12m/s左右，瞬时速度要高得多，因而它和缸壁的摩擦是个不可忽视的问题。

鉴于其作用和恶劣的工作条件，对活塞的要求是：

A、          要有足够的强度和刚度；

B、          质量要尽量小，以保持最小的惯性力；

C、          导热性要好，有充分的散热能力；

D、          要有足够的耐热性；

E、          活塞与气缸壁间应有较小的摩擦系数；

F、          温度变化时，尺寸和形状变化要小；

G、          和气缸壁间要保持最小的间隙。

2、材料

现代汽车发动机的活塞普遍采用铝合金。这是由于铝合金具有密度小，导热性能好的突出优点，有利于提高发动机的功率（密度小则质量及惯性小，发动机允许的转速较高；导热性能好，则活塞顶面中央温度不致太高，充气效率高）。铝合金的突出缺点是膨胀系数大，高温强度性差，但采用合理的结构，能满足使用要求。

活塞用的铝合金中，使用较广泛的是硅铝合金，因其有较小的膨胀系数和密度，耐磨性也较好。少数机械负荷和热负荷较大的柴油机活塞采用了高温强度和导热性能好的铜镍镁铝合金，它的膨胀系数和密度都大于硅铝合金，而且价格也较贵。

由于不同成分的铝合金其膨胀系数和密度均不相同,所以使用时不同厂家的活塞不可混装，也不能照搬同样的装配间隙。

近年车用柴油机活塞开始研究使用灰铸铁，以发挥灰铸铁的优势（成本低，耐热性好，膨胀系数小，能减小装配间隙）。新设计的灰铸铁活塞重量甚至比铝合金还轻。

3、组成

根据其作用，活塞可分为顶部、环槽部、裙部和活塞销座四部分，其中顶部和环槽部也通称为头部。

1）顶部——活塞顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。为了提高刚度和强度，并加强其散热能力，背面多有加强筋。顶部形状多有平顶、凹顶和凸顶，凹顶活塞主要是高压缩比发动机为了防止气门碰撞，也可用凹孔的深度来调整压缩比。

2）环槽部——活塞的环槽部切有若干环槽，用以安装活塞环，它是活塞的防漏部分。两环槽之间成为环岸。

环槽的形状与活塞环断面形状相对应，通常为矩形或梯形。靠顶部的环槽装压缩环（气环），一般为2-3道；下面的环槽装油环为1-2道。油环槽的槽底圆周上制有若干贯通的泄油孔或泄油槽，以便油环从缸壁上刮下多余润滑油经此流回油底壳。

3）裙部——活塞的裙部是用来给活塞的运动导向和承受侧压力的，因而裙部有一定的长度，以保证可靠的导向；又有足够的面积，以防止活塞对气缸壁的单位面积压力过大，破坏润滑油膜，加大磨损。

4）活塞销座——活塞销座是活塞通过活塞销与连杆的连接部分，位于活塞裙部的上部，为厚壁圆筒结构，用以安装活塞销。活塞所承受的气体压力、惯性力，都是通过销座传给活塞销的。为限制活塞销的轴向窜动，大部分活塞在活塞销孔座内接近外端面处有卡环槽，用以安装卡护环，两卡环槽之间的距离大于活塞销的长度，使卡环在活塞销端面之间留有足够的间隙，以防冷却过程中，活塞的收缩大于活塞销的收缩而将卡环顶出。

销座孔有很高的加工精度，并且经分组与活塞销选配，以达到高精度的配合。

4、活塞的变形及其相应的结构措施

为了保证活塞的正常工作，活塞各部与气缸壁之间必须保持一定的间隙，其中起导向作用的裙部这一间隙尤为严格，若间隙过小，将会因活塞膨胀而出现拉缸，卡死等故障。然而发动机在工作时，活塞裙部与气缸壁间的间隙是变化的，这主要是由于活塞的变形引起的。

1）活塞变形的原因及规律：活塞工作时变形的主要原因是热膨胀，其次是侧压力。另外，气体的正压力也会引起活塞顶部弯曲变形，但变形情况较复杂而且较小，故予以忽略。活塞变形的规律及具体原因是：

A、整个活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀，使活塞与气缸的配合间隙变小。这是由于活塞的温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁；

B、活塞头部的膨胀大于裙部，而且各部分都是自上而下膨胀量由大而小。这是由于温度上高下底，且活塞的壁厚上厚下薄。

C、裙部圆周方向近似椭圆形变化，长轴在沿销座孔轴线方向。这是由于销座处金属多而膨胀量大和侧压力的结果。

2）结构措施：为了使活塞各部分，特别是裙部，在各种工作情况下与缸壁的配合间隙都尽可能保持在一定范围内，不同的活塞在结构上采取了与变形相适应或控制尽可能小的变形等一些措施。主要有：

A、活塞头部的直径呈上小下大的阶梯形或截锥形，且头部直径小于裙部，直径一般差0.5-0.9mm。

B、活塞裙部呈上小下大的截锥形。在垂直于销座孔轴线方向上，裙部下端与上端的直径称为活塞裙部的锥度，也笼统称为活塞的锥度。

C、活塞裙部沿圆周方向近似椭圆形，成为椭圆活塞。椭圆的长轴在垂直于销座孔轴线的方向，即侧压力面方向。一般椭圆活塞是裙部下端长轴最大，它与同一横截面短轴的直径差称为活塞裙部的椭圆度，也笼统称为活塞的椭圆度。

以上三项结构措施，是与活塞的热变形及侧压力变形相适应，使活塞在工作温度下变成接近于正圆柱形，从而获得均匀的配合间隙。

D、活塞裙部沿销座外端面在铸造时凹陷0.5-1mm，使销座两端有充分的膨胀余地，不会与缸壁接触。

E、裙部开有绝热——膨胀槽。在裙部受侧压力较小的面，开有“T”形或“∏”槽。其中横槽叫绝热槽，它开在头部最下一道油环槽中或裙部上边沿，其作用是减少头部热量向裙部传导，从而减少裙部的热膨胀；另外，它还可增强油环槽的回油能力。竖槽叫膨胀槽，其作用是使裙部具有一定的弹性和热态时起补偿作用，使活塞在装配间隙较小的情况下热膨胀时，不致卡缸。

为了防止由于应力集中造成开槽沿槽端延伸破裂，凡未开通的槽的端部均钻有圆孔。

活塞裙部开槽削弱了其强度和刚度，只适用于负荷不大的汽油机，且是开在侧压力较小的一侧即次推力面。柴油机活塞由于受力较大，裙部不开槽，其装配间隙比汽油机要大一些。

F、双金属活塞，即在铝合金活塞裙部或销座孔内嵌铸入钢片，以减小活塞裙部的膨胀量。这是目前国内外所广泛采用的一种措施。

3）偏置销座

一般发动机活塞的销座轴线与活塞的中心线垂直相交，，当活塞在上止点改变运动方向时，由于侧压力瞬时换向，使活塞与缸壁的接触面突然由一侧平面移至另一侧，便产生活塞对气缸壁的“拍击”（俗称活塞敲缸），增加了发动机的噪音。因此，某些高速发动机，将活塞销座朝向承受膨胀做功侧压力一面偏移1-2mm。这样，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右边，使活塞倾斜，裙部下端提前先换向，然后在活塞越过上止点，侧压力反向时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转向（不是平移），完成转向。可见偏置活塞销座使活塞换向延长了时间且分为两步，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；第二步虽然气体压力大，但它是个渐变过程。为此使换向冲击大为减弱。

5、活塞的安装方向和顶面标记

由于某些活塞裙部膨胀槽的位置和顶部形状不对称或偏置销座等原因，使活塞安装时有一定的方向。为了防止错装，这种活塞顶面上一般都有方向标记。

Ø       活塞环

1、概述

1）活塞环的分类与功用：按照公用活塞环可分为气环和油环两类

A、气环也叫压缩环，用来密封活塞与气缸壁的间隙，防止气缸内的气体窜入曲轴箱，以及将活塞头部的热量传给气缸壁为活塞散热。另外还可起到刮油、布油等辅助作用，一般发动机每个活塞装有2-3道气环。

B、油环，用来将气缸壁上过量的润滑油刮回油底壳去，防止进入燃烧室，以及为气缸壁均匀布油。另为也起密封作用，一般发动机有1-2道油环。

近年来随着发动机转速的提高，活塞环的数目日趋减少，新发动机多为两道气环一道油环。这样不仅减小了摩擦损失，还降低了活塞的高度，从而降低了发动机的高度。

2）工作条件

活塞环是在高温、高压、高速和润滑困难的条件下工作的。它的运动情况很复杂，不仅和缸壁间有相对高速的滑动摩擦，还有与环槽侧面的上下撞击，以及由于环的径向张缩而产生的与环槽侧面相对的摩擦。因此，活塞环的磨损是发动机中磨损最快的零件之一。另外，高温热负荷不仅使环的耐磨性下降，而且往往是弹性力下降的主要原因。上述恶劣条件对第一道气环来说最严重，因而其弹力下降和磨损的速度最快。

3）材料与表明处理

根据活塞环的功用与工作条件，要求环的材料应具有好的耐热性、导热性、耐磨性、磨合性、任性和足够的弹性等。一般活塞环多用优质灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁制造。

因为活塞环槽侧面的磨损往往是活塞早期磨损的主要原因，其外表面多进行镀铬处理。这样使气缸、活塞特别是活塞环的寿命大大提高。

4）间隙

发动机工作时，活塞和活塞环都会发生膨胀。因此，活塞在气缸内应有开口间隙，与环槽间应有侧隙和背隙。

2、气环

1）气环的密封原理，气环可能漏气的通道有三条：环面与气缸壁间；环与环槽的侧面间；开口间隙处。

A、第一密封的建立，活塞环在自由状态下，其外圆直径略大于缸径，所以装入气缸后，环就产生一定的弹力与缸壁压紧，形成第一密封；

B、第二密封的建立，由于活塞头部与缸壁间有间隙，活塞环还有侧隙和背隙，气缸内未被密封的气体不能通过第一密封面下窜，便窜入侧隙和背隙。在做功和压缩冲程，对密封的要求高，此时气体压力一般起主导作用，使活塞环压在环槽的下侧，形成第二密封面。

C、气环的第二次密封，窜入活塞环背隙和侧隙的气体，产生背压力和侧压力，使环对气缸壁和槽侧进一步压紧，显著增加了第一、二密封面的密封。此即为环的第二次密封。做功冲程时，环的背压力远大于环的弹力，所以此时第一密封面的密封，主要是靠第二次密封。但是如果环的弹性不好或接触面贴合不良，而在环面与缸壁间出现缝隙，此缝隙就要首先漏窜气体，且其单位压力大于单位背压力，就将削弱或形不成第二次密封。因此，靠活塞环的弹力产生的密封，是第一次和第二次密封的前提。

不难看出，两个密封面的密封，都必须在其密封面有良好贴合的情况下才能实现。因此，环与环槽侧面都必须加工平整，并且粗糙度应较低。然而对于环面来说，新环形状复杂，难以与缸壁相顺应，因而环面一般车有细微纹路，以及镀锡等表面处理，以加速磨合。

有了两个密封面的密封，理论上就只有开口处是唯一漏气通道。由于开口很小，并相互按一定位置错开，形成迷宫式封气路线，气体通过各道环口后，压力显著下降，其漏气量在现代高速发动机上是很微小的，一般仅为进气量的0.2-1%，密封是成功的。这也是往复活塞式发动机至今仍有巨大生命力的原因之一 。

2）活塞环的泵油作用及危害

由于侧隙和背隙的存在，当发动机工作时，活塞环便产生了泵油作用。其过程是：当活塞带动活塞环下行（进气冲程）时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下来的润滑油充入环槽下方；当活塞又带动活塞环上行（压缩冲程）时，环又靠压在环槽的上方。如此反复运动，就将润滑油泵向活塞顶。

活塞环的泵油作用，一方面对润滑困难的气缸上部是有利的，另一方面随发动机转速的日益提高，泵油作用加剧；不仅增加了润滑油的消耗，且可能使燃烧室内积炭增多，甚至在环槽内形成积炭，挤压活塞环而失去密封性。另外还加剧了气缸的磨损。

3、油环

无论活塞上行或下行，油环都能将气缸壁上多余的润滑油刮下来经由活塞上的回油孔流回油底壳。目前油环有两种结构形式。

1）整体式

整体式油环没有背压力，为了提高对缸壁的压力，并增加刮油次数，在其外圆上切有环形槽 ，槽底开有若干回油用的小孔或窄槽。

某些发动机将油环减薄，在其背后加装弹性衬簧。这样既保证了对缸壁的压力，又有较好的柔性，改善了对缸壁贴合的适用性。此外，也显著减小了环面的磨损对弹力下降的影响，从而延长了使用寿命。

2）组合式

组合式油环由起刮油作用的钢片（也叫刮油片）和产生径向、轴向弹力作用衬簧组成。

组合式油环的钢片表面都是镀铬的，否则容易产生粘附磨损。

由于组合式油环没有侧隙，因而环不能在槽内浮起，从而关闭了润滑油经背隙和侧隙窜油的通道。在加上其弹力大，回油能力强，以及因上下刮片可分别动作而适用性强（特别是对有锥形和失圆的气缸更为有利）等，使刮油效果显著优于整体式。

Ø       活塞销

1、功用与工作条件

活塞销用来连接活塞和连杆，并把活塞所受的力传给连杆。

活塞销是在承受大小和方向都不断变化的冲击载荷下工作的。同时，由于是作低速摆转运动，油膜不易建立，使润滑条件较差。

2、结构与材料

活塞销基本结构位一厚壁管装体。也有的按等强度要求做成等强度结构。

活塞销的材料一般为低炭钢或低炭合金钢，如20、20Cr、30MnV等，再经表面渗炭或氰化处理。这样既有较高的表面硬度，耐磨性好，刚度、强度高，由于软的芯部，耐冲击性好。

3、活塞销的连结方式

1）全浮式——全浮式连接就是发动机在正常工作温度下，活塞销在连杆小头及活塞销座内都有合适的配合间隙而能自由转动。这是目前绝大多数发动机采用的连接方式。

全浮式连接，活塞销工作时可做缓慢的无规则转动，使其磨损较均匀，寿命较长。

由于铝的膨胀系数大于钢，且销座温度高于活塞销，为了在工作温度下保持正常间隙，销与销座孔在冷态时配合间隙极小，为过渡配合，这样高的配合精度除活塞销本身须有很高的加工精度和低的表面粗糙度外，是用分组选配法与销座孔相配合的。

由于销与销座孔在冷态下配合较紧，为了防止损伤销座孔，活塞销与活塞装配时，应将铝活塞放在热水或热油中加热，使销座孔胀大，然后迅速将销装入。

2）半浮式——半浮式连接就是销与销座孔和连杆小头处，一处固定，一处浮动。其中大多数采用活塞销与连杆小头固定的方式。

Ø       连杆

1、组成与功用

连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，习惯上常把整个连杆组成作连杆。

连杆组的功用是连接活塞和曲轴，把活塞的往复运动变为曲轴旋转运动，并把活塞的动力传给曲轴。