活塞连杆组

  活塞连杆组由活塞、连杆、活塞环、活塞销和连杆等组成。

图2—6  活塞连杆组

一、 活塞
（一） 功用
1. 与气缸盖气缸壁等共同组成燃烧室；
2. 承受气体压力，并将此力传给连杆，以推动曲轴旋转。
（二） 材料：汽车发动机活塞广泛采用铝合金。其特点为
1. 质量小（约为铸铁活塞的50%～70%）；
2. 导热性好（约为铸铁的三倍）；
3. 热膨胀系数大。
（三） 组成（图2—16）
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。

图2-16  活塞的组成

1. 顶部：是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。
汽油机活塞的顶部形状有：（图2—17）

图2-17  活塞顶部形状

（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。
2. 环槽部：用以安装活塞环。
3. 裙部：为活塞运动导向和承受侧压力。其型式有
（1） 全裙式：裙部为一薄壁圆筒。（摄像）
（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。（图2—18）

图2-18 半拖板式 活塞

（3） 拖板式：将非承压面的裙部全部去掉。（图2—19）

图2-19  拖板式活塞

4. 活塞销座：用以安装活塞销。在销座孔两端有卡环槽，用以安装卡环。
（四） 活塞的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。（图2—20）

图2-20  活塞裙部的变形

3. 结构措施
（1） 活塞纵断面制成上小下大的截锥形。

图2-21  活塞头部形状示意图 

图2-22  锥形裙部活塞示意图

（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。（图2—23）

图2-23  椭圆活塞示意图

（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。（图2—24）

图2-24  开槽活塞

（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。
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。（图2—25）

图2-25  恒范钢片活塞

2） 自动调节式：（图2—26）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。

图2-26  自动调节式活塞

3） 筒形钢片式：浇铸时，将钢筒夹在铝合金中（图2—27），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。

图2-27  镶筒形钢片活塞

（五） 偏置销座（图2—32）
1. 定义：活塞销座朝向承受作功侧压力的一面（图示左侧）偏移1mm～2mm。
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。

图2-32  销座位置与活塞的换向过程

二、 活塞环
（一） 气环
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。

图2-36  活塞环的结构 

2. 活塞环的间隙（图2—37）
（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。

图2-37  活塞环的间隙
1-气缸；2-活塞环；3-活塞；△1-开口间隙；△2-侧隙；△3-背隙

3. 气环的密封原理（图2—38）
（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。

图2-38  气环的密封原理
1-第一密封面；2-第二密封面；PA-第一密封面的压紧力；PB-第二密封面的压紧力；
P-气缸内气体压力；P1-环侧气体压力；P2-背压力；
P0-环的弹力；Pj-环的惯性力；F-环与缸壁的摩擦力

4. 活塞环的泵油作用及危害（图2—41）
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。

图2-41  活塞环的泵油作用

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（图2—34）。

图2-34  活塞减压腔

5. 气环的断面形状（图2—43）
（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
1）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。
2） 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。

图2-43  气环的断面形状
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。

图2-44  扭曲环的作用原理
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：（图2—45）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。

图2-45  梯形环工作情况
1-气缸壁；2-活塞；3-扭曲环

（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：（图2—36b）其外圆上切有环形槽，槽底开有回油用的小孔或窄槽。

图2-36  整体式油环
1-槽；2-回油孔

（2） 组合式：（图2—49）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。

图2-46  组合式油环
1-钢片；2-衬簧；3-径向衬簧；4-轴向衬簧；5-活塞 

三、 活塞销
（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。（图2—50）

图2-50  活塞销 

（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。

四、连杆
（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。（图2—51）

图2-51  连杆组
1-小头；2-杆身；3-大头；4、9-装配记号（朝前）；5-螺母；6-连杆盖；7-连杆螺栓；
8-轴瓦；10-连杆体；11-衬套；12-集油孔

（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（图2—53）
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

图2-53  斜切口连杆大头及其定位方式 

（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。

图2-54  连杆轴瓦 

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。