汽车结构认识与拆装：活塞连杆组（第3版）

能力标准

学完本任务，你应获得以下能力：

①能根据相关技术规定，制订发动机活塞连杆组的拆装方案。

②能正确规范实施活塞连杆组的拆卸和装配。

③能正确识别活塞连杆组主要零部件。

④能正确描述活塞连杆组主要部件作用及结构特点。

任务描述

请以下列任务为指导，完成相关知识的学习和实施练习：

①实施某型号发动机活塞连杆组的拆装练习。

②识别所拆卸活塞连杆组的部件。

相关知识

活塞连杆组是将燃烧过程中获得的动力传递给曲轴，以驱动汽车车轮转动及带动其他附属装置。活塞连杆组主要包括活塞、活塞环、活塞销、连杆及连杆轴等，如图3.36所示。

图3.36　活塞连杆组主要部件

活塞总成

（1）活塞

活塞承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。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。

活塞一般采用铝合金材料铸造或锻造而成，其基本结构可分为活塞顶部、活塞头部和活塞裙部3个部分，如图3.37所示。

1）活塞顶部

活塞顶部是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。为适合发动机的不同要求，活塞顶部主要分为平顶、凸顶和凹顶等形式，如图3.38所示。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（如直喷式柴油机和新型的缸内喷射汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最低程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。

图3.37　活塞的结构

图3.38　活塞顶部形状

活塞顶部标有一定的记号，如箭头、三角、实心圆点、“A”或数字等字符，分别表示不同的意思。如图3.39所示为丰田5A发动机活塞头部标记，其中前（凹坑）标记朝向发动机前方，标记1、2或3表示活塞标准尺寸级别。

2）活塞头部

活塞头部是指第一道活塞环槽到活塞小孔以上的部分，它有数道环槽，用来安装活塞环，起密封作用。汽油机一般有3道活塞环，其中上部两道为气环，下部为油环。油环槽底部上钻有许多径向小孔，使从汽缸壁上刮下来的机油经过这些孔流回油底壳。

图3.39　活塞顶上的标记

活塞顶部吸收的热量主要通过活塞环传给汽缸壁，再由冷却水传出去。活塞头部的作用除了用来安装活塞环外，还有密封和传热的作用。

3）活塞裙部

活塞裙部是从油环槽下端面起至活塞最下端的部分。它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分，同时还承受侧压力，防止油膜破坏。裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。

（2）活塞环

活塞环是具有弹性的开口环，可分为气环和油环。

1）功用

活塞环的功用体现为密封、调节机油（控油）、导热（传热）及导向（支承）4个作用。

①密封。密封指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，将气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务。

②调节机油（控油）。将汽缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使汽缸壁上布有薄薄的油膜，保证汽缸和活塞及环的正常润滑，这是油环的主要任务。在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜的作用。

③导热。通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。资料表明，活塞顶所受的热量中有70%～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的。

④支承。活塞环将活塞保持在汽缸中，防止活塞与汽缸壁直接接触，保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。

一般汽油发动机的活塞采用两道气环、一道油环，而柴油发动机则采用三道气环、一道油环。

2）工作条件及材料

活塞在高温、高压、高速及润滑条件极差的条件下工作，同时由于它的运动情况复杂，不仅与汽缸壁有相对高速的滑动摩擦，而且与环槽侧面上下撞击，因此，活塞环磨损严重，是发动机零件中工作寿命最短的部件之一。

一般活塞环多用优质灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁制造，其中第一道活塞在其外表面采用镀铬来减缓磨损，其他的环多采用镀锡、磷化或硫化处理来提高磨合性。

3）气环

气环为带有切口的弹性片状圆环（见图3.40），在自由状态下，气环的外径略大于汽缸的直径。当气环装入汽缸后，产生弹力使环紧压在汽缸壁上，形成第一密封面，被密封的气体不能通过环周与汽缸之间进入，只能通过环与环槽间的空隙，一方面将环压入环槽断面形成第二密封面，另一方面作用在环背的气体压力又大大加强了第一密封面的密封作用。

图3.40　气环结构及间隙

图3.41　气环断面形状

为了提高密封性，加速磨合，减少泵油和改善润滑，不同发动机上装有的气环断面形状各异。气环的断面形状很多，常见的有矩形环、锥面环、梯形环及桶面环，如图3.41所示。

断面为矩形的气环形状简单，加工方便，与汽缸壁接触面积大，有利于活塞头部的散热，但缺点是会产生“泵油”作用，即矩形环随活塞往复运动时，会将汽缸壁面上的机油不断送入汽缸内。

为了消除和减少有害的“泵油”作用，除了在气环的下面装有油环外，广泛采用了非矩形断面的环。

4）油环

油环按结构分为整体式和组合式两种。整体式油环如图3.42所示，一般用于负荷较大的发动机上，其外圆柱中部切有一道凹槽，凹槽底部开有若干个回油孔或回油槽，有的在其背面加装弹性衬垫，既保证对汽缸壁的弹力，又具有较好的柔性，延长使用寿命。发动机工作时，利用上下刮油唇将汽缸壁上的多余润滑油刮下，并通过回油孔或回油槽流回曲轴箱。多数轿车发动机采用组合式油环如图3.43所示，它由上下刮片和一个衬簧组成，刮油片很薄，刮油作用强，对防止润滑油窜入燃烧室有利。

图3.42　整体式油环

图3.43　组合式油环

（3）活塞销

1）功用

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。

2）材料和结构

活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。

活塞销的结构基本上是一个厚壁空心圆柱，如图3.44所示。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，因此，接近于等强度梁，但锥孔加工较难。

图3.44　活塞销的结构

图3.45　活塞销连接方式

3）连接方式

活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有两种方式：全浮式连接和半浮式连接，如图3.45所示。

全浮式连接是当发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，这样，活塞销能在连杆衬套和活塞销座中自由摆动，使磨损均匀。为了防止全浮式活塞销轴向窜动刮伤汽缸壁，在活塞销两端装有挡圈，进行轴向定位。由于活塞是铝活塞，而活塞销采用钢材料，铝比钢热膨胀量大。为了保证高温工作时活塞销与活塞销座孔为过渡配合，装配时，先将铝活塞加热到一定程度，然后将活塞销装入，这种安装方式应用较广泛。

半浮式连接是在发动机工作时，活塞销和活塞销座孔为间隙配合，而活塞销与连杆小头为过盈配合，活塞销只能在销座孔内浮动，销座孔内无卡环，两端小头不必装连杆衬套，活塞销各部分磨损不均匀。

连杆总成

连杆是活塞与曲轴的连接部件，其功用是将活塞承受的力传给曲轴，从而使活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。连杆组由连杆体、连杆盖、连杆轴瓦及连杆螺栓等组成。

（1）连杆工作条件及材料

连杆主要承受压缩、拉伸和弯曲等交变载荷，因此，要求连杆有足够的强度和刚度。强度不足会导致连杆杆身、大头盖及连杆螺栓断裂，造成严重事故。刚度不足则会造成大头失圆破坏润滑，连杆螺栓承受附加载荷。杆身弯曲会造成活塞和汽缸偏磨、活塞环漏气与窜油等。为了增强其强度和刚度，应采用合理的结构设计，同时应选用强度高而轻的材料以及合理工艺。连杆材料一般选用优质中碳45结构钢，并采用正火或调质等热处理。

（2）连杆结构

连杆由连杆小头、杆身和连杆大头（包括连杆盖）等组成，如图3.46所示。

1）连杆小头

连杆小头与活塞销相连。小头一般为整体圆环或椭圆环外形，内圆孔中压装连杆衬套作为减摩轴承。连杆小头下半部支承面往往较上半部大，即支承面呈阶梯形。为了润滑活塞销与连杆衬套这对摩擦副，在小头及衬套上加工出集油孔或油槽，收集发动机运转时飞溅上来的润滑油进行润滑。

图3.46　连杆结构

2）杆身

连杆杆身为连接小头与大头之间的一段杆体。大、小头座孔中心线间的距离称连杆长度。为尽量减轻质量及增大抗弯能力，杆身采用工字形截面，并使工字截面的长轴置于摆动平面内。连杆大、小头与杆身相接处用大圆弧光滑过渡来减小应力。杆身中央或稍偏位置处钻有深长油孔，以供应连杆衬套及活塞销座的润滑用油。

3）连杆大头及大头盖

连杆大头与曲轴连接，为便于装拆，连杆大头孔为剖分式，由连杆大头与大头盖即连杆盖组合成大头圆孔，孔安装连杆轴瓦，用连杆螺栓使盖和连杆大头紧固。连杆大头剖分的形式有平切口式和斜切口式，如图3.47所示。连杆螺栓与螺栓孔配合起定位作用，防止装配时连杆盖与连杆错位。

图3.47　连杆大头连接形式

4）连杆轴瓦

连杆轴瓦俗称“小瓦”，承受气体力及活塞、连杆组往复运动惯性力合力的循环交变载荷，工作负荷大。连杆轴瓦普遍采用承载能力较高的锡铝合金瓦、铜铅合金瓦或铅青铜3种合金瓦。连杆轴瓦的上半瓦为工作瓦，内表面一般不开油槽，有的仅在瓦口处设过渡油槽及出油孔。下半瓦为非工作瓦，其内表面开油槽及出油孔，以将部分机油引入连杆盖油槽内。连杆轴瓦具有一定的弹胀量、紧余量和削薄量。为了防止工作中连杆轴瓦发生转动或轴向移动，在上下两半轴瓦的剖分面上分别冲压出高于钢背面的两个定位凸键，如图3.48所示，装配时凸键分别嵌入连杆大头和连杆盖上的相应凹槽内。

图3.48　连杆轴瓦

（3）“V”形发动机连杆

“V”形发动机左右两列汽缸共用一根曲轴，在同一连杆轴颈上连接着两组连杆。“V”形发动机连杆组的布置形式有并列连杆式、主副连杆式和叉形连杆式3种形式，如图3.49所示。

1）并列式连杆

左右两列汽缸的连杆组结构相同，且左右相邻汽缸的连杆组并排地安装在同一连杆轴颈上，并使左右相邻汽缸的中心错开一定距离。

图3.49　“V”形发动机连杆形式

2）叉片式连杆

安装在同一连杆轴颈上，左右缸的连杆组不相同，其中，有叉形开档的连杆大头者称为叉式连杆，另一较薄的连杆大头的称为片式连杆。

3）主副式连杆

安装在同一连杆轴颈上两缸的连杆组不同，一列汽缸的连杆组连接于另一列汽缸连杆组的大头上，前者称为副连杆，后者称为主连杆。主连杆与连杆轴颈相连，副连杆通过副连杆销借主连杆的大头与连杆轴颈相连。主连杆的大头刚度较大，在同样的条件下，主连杆轴瓦的宽度也小于并列式连杆瓦的总宽度，同时左右相邻汽缸中心一致，这利于使机体和曲轴长度缩短，提高曲轴刚度。但是，主副连杆结构复杂；左右两活塞-连杆组的运动规律不同，活塞行程也不相同；两种连杆组受力不同，副连杆传力到主连杆大头，使主连杆及主缸活塞的侧表面受附加力。

任务实施

实施要求

☞任务目标与要求

①小组成员分工协作，利用汽车维修手册（丰田5A发动机维修手册）及实训资料，依据任务工作单制订工作计划，并通过小组自评或互评检查工作计划。

②完成指定发动机活塞连杆组的拆装，能认识并说出所拆部件的名称。

③清楚拆装方法、要求及相关技术参数。

☞注意事项

在任务实施过程中，严格遵守相关实验实训制度和规范的要求，注意职场健康与安全需求，做好废料的处理，并保持工作场所的整洁。

实施步骤

☞准备工作

①小组接受工作任务，准备发动机（丰田5A系带翻转架型）、拆装工具、维修手册等配套器材，清理场地，做好实施准备工作。

②组长带领组内成员阅读任务工作单，查阅相关手册或指导书，合理分工，制订任务计划，并检查计划有效性。

☞实施步骤

①合理选择工具，并正确使用各类工具完成丰田5A发动机活塞连杆组的拆装任务。拆装过程中，请参考维修手册，严格按照相关技术标准和要求完成拆装任务。

②清洁工具，整理工位，废弃物分类放置。工具清洁后放回原位。现场恢复到作业前整洁。

（1）活塞连杆组总成的拆卸

①清洁发动机缸体。用抹布和钢丝刷清洁发动机缸体，用压缩空气吹净。

②翻转发动机，选用梅花扳手转动曲轴，将准备拆卸的连杆对应的活塞转到下止点。

③选用扭力扳手拆卸连杆螺母。

④使用塑料榔头，轻轻敲击连杆螺栓，取下连杆轴承盖，并将下轴承（轴瓦）装入连杆盖内。

⑤用一段短软管套在连杆螺栓上（见图3.50），防止损伤曲轴。用塑料或木质工具从汽缸体上面推出活塞、连杆总成及上轴承，并按顺序摆放，如图3.51所示。

注意：取出活塞连杆组时不要硬撬、硬敲，以免损伤汽缸。取出活塞连杆组后，应将连杆轴承盖、螺栓螺母按原位装回，并注意检查各缸活塞序号及向前指示标记，如果没有，必须做好记号。

图3.50　活塞连杆总成拆卸

图3.51　活塞连杆总成顺序摆放

（2）活塞组拆卸

①用活塞环扩张器拆下活塞环，并整齐放置活塞环，如图3.52所示。

图3.52　活塞环拆卸

注意：拆下活塞环时，注意观察活塞环上的标记，“TOP”朝向活塞顶。

②热状态下拆下活塞销和活塞，并整齐放置在工作台上。

注意：活塞和活塞销是配套的，所以需按正确顺序摆放活塞、活塞销、活塞环和轴承。

③彻底清洗活塞连杆组所有部件，用压缩空气吹净。

（3）检查曲柄销和轴承

检查曲柄销和轴承有无麻点和划痕或损伤，必要时需更换。

（4）安装带活塞销分总成

①将活塞销和销孔涂上机油。

②对正活塞和连杆的朝前标记（见图3.53），用拇指推入活塞销，再使用专用工具压入活塞销。

图3.53　活塞及连杆朝前标记

图3.54　各活塞环开口布置

（5）安装活塞环组

①用手安装油环弹簧和两个刮油环。

②使用活塞环扩张器安装两个气环，2号气环标记朝上。

③按如图3.54所示布置活塞环端口。注意：不要对齐活塞环端口。

（6）清洁发动机缸体

用抹布清洁发动机缸体，用压缩空气吹净，并涂上适量的机油维护和保养发动机。

（7）安装连杆轴承

对准轴承凸起和连杆或连杆盖的凹槽，将轴承安装到连杆和连杆盖中，如图3.55所示。

（8）安装连杆总成

①用软管套在连杆螺栓上，防止损伤曲轴。

②使用活塞收紧器，按正确位置将活塞和连杆总成推入各自的汽缸，活塞的标记朝前。

③匹配连杆盖和连杆的号码，安装连杆盖，标记朝前，如图3.56所示。

图3.55　连杆轴承安装

图3.56　连杆总成安装

（9）连杆盖螺栓加力

①在连杆盖螺母下方涂上一层薄机油，分几次交替拧紧螺母，扭矩为29 N·m，如图3.57（a）所示。

②用油漆在螺母和连杆螺栓上做标记，如图3.57（b）所示将螺母拧紧90°。

③检查曲轴能灵活转动。

图3.57　连杆盖螺栓加力

☞评估总结

①回答指导教师提问，并接受指导教师相关考核。

②对本次任务完成过程及效果进行自我评价和小组互评，填写任务工作单。

③清洁工作场所，清点归还相关工具设备，完成本次任务。

任务工作单