发动机构造与维修：活塞连杆组成及材料，图示与说明

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等机件组成，如图2.15所示。

图2.15　活塞连杆组

1—气环；2—油环；3—卡簧；4—活塞；5—活塞销；6—连杆衬套；7—连杆； 8—连杆螺栓；9—连杆轴瓦；10—连杆盖；11—连杆螺母

（一）活塞

1．活塞的功用

活塞的主要功用是承受气缸中可燃混合气燃烧产生的压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。此外，活塞与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。

2．活塞的工作环境

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，因此，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。

活塞的工作条件要求活塞具有足够的强度和刚度，良好的导热性和耐磨性，质量小，以保持最小的惯性，热膨胀系数小和活塞与气缸壁间较小的摩擦系数等。

3．活塞的材料

汽油发动机目前广泛采用的活塞材料是铝合金，如奥迪A6轿车等。铝合金活塞具有质量小（为同样结构的铸铁活塞的50%～80%），导热性好（约为铸铁的3倍）优点。缺点是热膨胀系数较大，在温度升高时，强度和硬度下降较快。为了克服这些缺陷，一般要在结构设计，机械加工或热处理上采取各种措施予以弥补。

柴油发动机的活塞材料通常有灰铸铁和耐热钢，其特点是成本低、耐热性好、膨胀系数小。

4．活塞的基本结构

（1）活塞由顶部、头部和裙部三部分组成，如图2.16所示。

图2.16　活塞基本结构图

1）活塞顶部的作用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆；活塞顶部也是燃烧室的组成部分，因而常做成不同的形状，其形状与选用的燃烧室形状有关。汽油机活塞顶部较多采用平顶活塞[图2.17（a）]，其优点是结构简単、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀。有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧而采用凹顶活塞[图2.17（c）]，凹坑的形状、位置必须有利于可燃混合气的燃烧；凹坑的大小还可以用来调节发动机的压缩比。二冲程汽油机通常采用凸顶活塞[图2.17（b）]。柴油机的活塞顶部为适应混合气的形成或燃烧要求，顶部常常设计成各种凹坑形状。

图2.17　活塞顶部形状

2）活塞头部是由活塞顶部至最下面活塞环槽之间的部分；与活塞环一起实现气缸的密封，防止漏气；将活塞顶部所吸收的热量通过活塞环传到气缸壁上。头部切有若干道用以安装活塞环的环槽。汽油机一般有2～3道环槽，上面1～2道环糟用以安装气环，下面一道用以安装油环。在油环糟底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下的多余机油，得以经由小孔流回油底売。

3）活塞裙部是指活塞环槽以下的所有部分，包括销座孔。其作用是引导活塞在气缸中做往复运动和承受气缸壁传给活塞的侧压力，并将头部传下来的气体压力通过活塞销座、活塞销传给连杆。

（2）为使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持合理的密封和运动问隙，制造活塞时通常采取下列结构措施：

1）预先做成阶梯形、锥形。活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形或锥形（图2.18）。例如国产135系列柴油机活塞裙部的锥度为0.12°。

图2.18　阶梯形、锥形活塞结构

图2.19　椭圆形活塞结构

2）先做成椭圆形。将活塞裙部截面制成椭圆形，椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向，如图2.19所示。将活塞的销座外端面在铸造时凹陷0.5～1.0mm，或截去一小部分。这样活塞工作时由于受力及温度影响，裙部趋近正圆。

3）活塞裙部开绝热槽和膨胀槽。绝热槽可减少活塞头部的热量向裙部扩散，绝热槽为横向切开；膨胀糟可使裙部具有一定弹性，使冷态下的装配间隙尽量减小，如图2.20所示。而在热态时，因膨胀槽首先变窄的补偿作用使活塞不致在气缸中“卡死”。绝热槽若开在油环槽中时，还可兼做机油的回油槽。

图2.20　活塞裙部开绝热槽和膨胀槽结构

4）采用双金属活塞。为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。恒范钢片式活塞的结构特点就是这样的，如图2.21所示。由于恒范钢为含镍33%～36 %的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的1/10，而销座通过恒范钢片与裙部相连，牵制了裙部的热膨胀变形量。

图2.21　恒范钢片式活塞结构

（二）活塞环

1．活塞环作用

活塞环按作用不同分为气环和油环两种（图2.22），两者配合使用。气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封性，防止气缸中的气体漏入曲轴箱，同时把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，再由冷却水或空气将其带走。另外，还起到刮油、布油的辅助作用。油环的作用是刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上涂覆一层均匀的油膜，这样既可防止机油窜入气缸燃烧，又可减小活塞、活塞环与气缸壁的磨损和摩擦阻力。此外，油环也起到密封气体的辅助作用。

图2.22　活塞环

2．活塞环材料

（1）气环材料。气环一般由耐热性很好的铸铁制成。由于该材料很脆，所以容易断裂，拆装时要特别注意。为了提高抗断性，某些高质量的气环外侧镀有钻层或钼层。由于镀钻层或钼层能够降低活塞环与缸壁的磨损，从而大大延长了气环的寿命。某些发动机使用韧性铁作为气环的材料，这种材料强度大，抗断裂性好，但成本高。

（2）油环材料。普通油环一般用耐磨合金铸铁制造。奥迪A6轿车ANQ发动机采用组合式油环，其合金钢片采用表面镀铬工艺，以减小磨损，提高使用寿命。

3．活塞环结构

由于气环和油环的作用不同，因此其结构也不相同。

（1）气环。气环为一个带有切口的弹簧片状圆环。在自由状态下气环外径大于气缸直径。当气环装入气缸后，产生弹力使气环紧压在气缸壁上，其切口处具有一定的端隙，气环开口形状见表2.3。气环密封效果一般与气环数量有关，汽油机气环一般为2道，柴油机气环一般为3道。随着发动机转速的不断提局，活塞环的数量在不断减少。

表2-3　气环开口形状

气环断面形状：气环常按断面形状来命名，常见的有矩形环、锥面环、内切口扭曲环、梯形环和相面环等，气环的断面形状如图2.23所示。

1）矩形气环的泵油作用及危害。矩形环断面为矩形，形状简单，加工方便，与气缸壁接触面积大，有利于活塞散热。由于活塞环侧隙和背隙的存在，在与活塞一起做往复运动时，活塞环在环槽内上下窜动，把气缸壁上的机油不断地挤入燃烧室中，产生“泵油作用”，使机油消耗量增加，活塞顶及燃烧室壁面积炭。因此，其应用越来越少。

图2.23　气环的断面形状

（a）矩形环；（b）锥面环；（c）、（d）上側面内切正扭曲环，（e）下側面内切正扭曲环；（f）下侧 面内切反扭曲环；（g）梯形环；（h）楔形环；（i）桶面环；（j）开槽环；（k）、（1）顶岸环

2）气环泵油原理。当活塞带动活塞环下行时，在惯性力与摩擦力作用下，活塞环紧贴在活塞环槽上端面，于是从缸壁上刮下的机油便充满侧隙和背隙处，如图2.24（a）所示；当活塞带动活塞环上行时，活塞环又紧贴在活塞环槽下端面，将机油挤到环槽上方，如图2.24（b）所示。如此反复进行，像油泵将机油不断压入燃烧室，这种现象称泵油作用。

图2.24　矩形气环的泵油原理

气环的泵油作用对润滑困难的气缸上部有利，但也应对其进行控制。如果机油窜入气缸燃烧，一方面使机油损耗增加，另一方面使火花塞积碳，不能跳火，造成活塞环积碳卡死在环槽内失去弹性，破坏密封，甚至折断或划伤缸壁等。

消除或减小泵油作用的措施：除在气环下部安装油环外，广泛采用非矩形断面气环，如扭曲环。

（2）油环。

1）油环的结构。油环按结构分整体式和组合式两种结构，如图2.25所示。整体式油环其外圆柱面中部切有一道凹槽，凹槽底部开有若干回油用的小孔或窄槽，有的在其背面加装弹性衬垫，既可保证对气缸壁的弹力，又可有较好的柔性，延长使用寿命。组合式油环由上、下刮片和衬簧组成，其接触比压力大，刮油能力强，泄油通路大，惯性质量小，刮油效果好，但制造成本高。

图2.25　油环结构图

2）油环的刮油原理。在气环以下的环槽中装1～2根油环，当活塞向下运动时[图2.26（a）]，油环外圆如刀口一样便将缸壁上多余的润滑油刮下，使之经环槽底的狭缝或小孔流回曲轴箱，限制机油窜入燃烧室。活塞向上运动时[图2.26（b）]，油环刮下的机油经环槽底回油孔流回曲轴箱。

（3）活塞环的间隙。活塞环在安裝时，应留有端隙、侧隙和背隙，结构图如图2.27所示。

图2.26　油环的刮油原理

图2.27　活塞环的间隙类型

d—活塞环内径；B一活塞环宽度；Δ1—开口间隙；Δ2—侧隙；Δ3—背隙

1）端瞭Δ1　又称为开口间隙，是活塞环装入气缸后该环在上止点时环的两端头的间隙或活塞环在标准环规内两端头的问隙。一般为0.25～0.50mm。

2）侧隙Δ2　又称边隙，是指活塞环装入活塞后，其侧面与活塞环槽之问的间隙。第一环因工作温度高，一般为0.04～0.10mm。油环的侧隙较小，一般为0.025～0.07mm。

3）背隙Δ3　是活塞及活塞环装入气缸后，活塞环内圆柱面与活塞环槽底部间的间隙，一般为0.5～1mm，油环的背隙较气环大，目的是增大存油间隙，以利于减压泄油。

（三）活塞销

1．活塞销的作用

活塞销的作用是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。

活塞销工作时承受很大的周期性冲击载荷，且温度和润滑油条件差，因而要求活塞销要有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量轻等特点。

活塞销一般采用低碳钢或低碳合金钢，经表面渗碳淬火后再精磨加工。

2．活塞销的结构

活塞销外表面为圆柱形，内孔形状有圆柱形、两段截锥形以及两段截锥与一段圆柱的组合形，如图2.28所示。

图2.28　活塞销的结构

3．活塞销连接

活塞销的连接形式有两种：全浮式和半浮式，如图2.29所示。

图2.29　活塞销连接方式

全浮式连接是指发动机工作时，活塞销能在连杆衬套和活塞销座中自由摆动。这种连接方式増大了实际接触面积，减少了磨损且使磨损均匀，被广泛采用。为防止工作时活塞销从销孔滑出，必须用卡簧将其固定在销座孔内。

半浮式连接是指活塞销中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，活塞销只能在两端销座孔内做自由摆动。这种方式不需要卡簧，也不需要连杆衬套。由于各配合件之间磨损不均匀，多用于小轿车上。

（四）连杆

1．连杆的作用

连杆的作用是连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。

2．连杆的结构

连杆的基本结构可分为连杆小头、杆身和连杆大头三部分，连杆轴瓦与连杆大头配合，如图2.29所示。连杆一般用优质中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成，然后经过机械加工和热处理。

（1）连杆小头。连杆小头孔内装有减磨的连杆衬套，一般为青铜衬套或铁基粉末冶金衬套。连杆衬套和活塞销之间存在运动，必须润滑。

（2）杆身。连杆杆身通常做成“工”字截面，如图2.30所示的A-A截面，以求在满足强度和刚度的前提下尽量减轻其质量。

（3）连杆大头。连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连接，为了便于安装，通常做成剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，借助连杆螺栓固定在连杆大头上。连杆盖与连杆大头是组合镗孔而成，为了防止装配时配对错误，在同一侧刻有配对记号。

连杆大头割分面形式有平切口和斜切口两种形式，如图2.31所示。连杆盖与连杆大头通过连杆螺栓连接，按照规定的拧紧力矩并按一定顺序分2～3次均匀拧紧，同时还要有锁紧装置。

图2.30　连杆结构

图2.31　连杆大头切口形式

（4）连杆轴瓦。连杆轴瓦包括连杆上瓦和连杆下瓦，安装在连杆和曲轴的连接部位，起耐磨、连接、支撑、传动作用。连杆上瓦的内圆柱面上沿周向设置有油槽，所述油槽对应的圆心角为80～120°，油槽部的连杆瓦壁上设置有过油孔。通过在连杆瓦上设置具有合理弧长的油槽，从而保证了在发动机工作过程中，机油可以在最恰当的时机和时间段向活塞供油，保证活塞冷却良好，避免气缸磨损损坏；同时其合理的油槽弧长，可保证具有最佳的机油供油量，既能保证可靠冷却，还能避免机油浪费和过多机油对发动机工作的负面影响；同时连杆瓦上设置的定位凸起，使连杆瓦能装配在合理的位置，以使连杆瓦油槽部位避开重负荷受力区，保证工作时连杆瓦磨损小。连杆轴瓦结构如图2.32所示。

（5）连杆轴瓦内表面浇铸有耐磨合金层，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。

图2.32　连杆轴瓦结构

1—油槽；3—定位凸起；4—减磨合金