一、情境描述
一辆北京现代悦动轿车，车主反映此车动力不足，发动机内部发出撞击异响，随着发动机转速增高而增大，怀疑是活塞连杆出现故障。
二、相关知识
活塞连杆组将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴的对外输出转矩，以驱动汽车车轮转动。它是发动机的传动件，即把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力。活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆及连杆轴瓦等组成，如图2.22所示。
（一）活塞
1.功用
承受气体压力，并通过活塞销传给连杆，驱使曲轴旋转。此外，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。
活塞
图2.22 活塞连杆组
1—气环；2—油环；3—活塞销；4—活塞；5—连杆；6—连杆螺栓；7—连杆轴瓦；8—连杆盖
2.活塞材料
现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞，只在极少数汽车发动机上采用铸铁或耐热钢活塞。
3.组成部分
活塞主要由顶部、头部和裙部等三部分组成，如图2.23所示。
图2.23 活塞
（1）活塞顶部：与气缸盖、气缸构成燃烧室，承受气体压力。汽油机活塞顶部的形状与燃烧室形状和压缩比大小有关，分为平顶活塞、凸顶活塞和凹顶活塞，如图2.24所示。大多数汽油机采用平顶活塞，其优点是受热面积小、加工简单。若采用凹顶活塞，则可以通过改变活塞顶上凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比。
图2.24 活塞顶部
（a）平顶活塞；（b）凸顶活塞；（c）凹顶活塞
（2）活塞头部。由活塞顶至油环槽下端面之间的部分称为活塞头部。在活塞头部加工有用来安装气环与油环的气环槽和油环槽，如图2.25所示。在油环槽底部还加工有回油孔或横向切槽，油环从气缸壁上刮下来的多余机油经回油孔或横向切槽流回油底壳。
图2.25 活塞头部
（3）活塞裙部。活塞头部以下的部分为活塞裙部。裙部的形状应该保证活塞在气缸内得到良好的导向，且气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀、适宜的间隙。间隙过大，活塞敲缸；间隙过小，活塞可能被气缸卡住。此外，裙部应有足够的实际承压面积，以承受侧向力。活塞裙部承受膨胀侧向力的一面称主推力面，承受压缩侧向力的一面称次推力面。
发动机工作时，活塞在气体力和侧向力的作用下发生机械变形，而活塞受热膨胀时还会发生热变形，如图2.26所示。这两种变形的结果都是使活塞裙部在活塞销孔轴线方向的尺寸增大。因此，为使活塞工作时裙部接近正圆形与气缸相适应，在制造时应将活塞裙部的横断面加工成椭圆形，并使其长轴与活塞销孔轴线垂直。
图2.26 活塞的裙部变形
（a）销座热膨胀；（b）挤压变形；（c）弯曲变形；（d）裙部变形
活塞裙部变形
4．活塞的冷却
高强化发动机尤其是活塞顶上有燃烧室凹坑的柴油机，为了减轻活塞顶部和头部的热负荷而采用机油冷却活塞。图2.27所示为采用机油冷却活塞的方式。
（1）自由喷射冷却法。从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的喷油器向活塞顶内壁喷射机油，如图2.27（a）所示。
（2）振荡冷却法。从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内壁的环形油槽中，由于活塞的运动使机油在槽中产生振荡而冷却活塞，如图2.27（b）所示。
（3）强制冷却法。在活塞头部铸出冷却油道或铸冷却油管，使机油在其中强制流动以冷却活塞。强制冷却法广为增压发动机所采用，如图2.27（c）所示。
图2.27 活塞冷却
（a）自由喷射冷却法；（b）振荡冷却法；（c）强制冷却法
（二）活塞环
活塞环分气环和油环两种，如图2.28所示。气环的主要功用是密封和传热，保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接收的热传给气缸壁，避免活塞过热。油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用，并在润滑不良的条件下在气缸内高速滑动。由于气缸壁面的形状误差，使活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向移动，这不仅加剧了环与环槽的磨损，而且还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。
图2.28 活塞环
活塞环
根据活塞环的功用及工作条件，制造活塞环的材料应具有良好的耐磨性、导热性、耐热性、冲击韧性、弹性和足够的机械强度。目前广泛应用的活塞环材料有优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和钢带等。第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理。多孔性铬层硬度高，并能储存少量机油，可以改善润滑，以减轻磨损；钼的熔点高，也具有多孔性，因此喷钼同样可以提高活塞环的耐磨性。
1.气环
（1）气环的密封原理：活塞环在自由状态下不是正圆形，其外廓尺寸比气缸直径大。当活塞环装入气缸后，在其自身的弹力作用下，环的外圆面与气缸壁贴紧形成第一密封面，气缸内的高压气体不可能通过第一密封面泄漏。高压气体可能通过活塞顶岸与气缸壁之间的间隙进入活塞环的侧隙和径向间隙中。进入侧隙中的高压气体使环的下侧面与环槽的下侧面贴紧形成第二密封面，高压气体也不可能通过第二密封面泄漏，进入径向间隙中的高压气体只能使环的外圆面与气缸壁更加贴紧。这时漏气的唯一通道就是活塞环的开口端隙。如果几道活塞环的开口相互错开，那么就形成了迷宫式漏气通道。由于侧隙、径向间隙和端隙都很小，气体在通道内的流动阻力很大，致使气体压力p迅速下降，最后漏入曲轴箱内的气体就很少了，一般仅为进气量的0.2%～1.0%，如图2.29所示。
图2.29 气环的密封原理
（2）气环开口形状：开口形状对漏气量有一定影响，直开口工艺性好，但密封性差；阶梯形开口密封性好，但工艺性差；斜开口的密封性和工艺性介于前两种开口之间，斜角一般为30˚或45˚。如图2.30所示。
图2.30 气环的开口形式
（a）直开口；（b）阶梯形开口；（c）斜开口
（3）气环的断面形状：气环的断面形状多种多样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不同断面形状的气环组合，可以得到最好的密封效果和使用性能。常见的气环断面形状如图2.31所示。
图2.31 气环的断面形状
（a）矩形环；（b）锥面环；（c），（d）上侧面内切正扭曲环；（e）下侧面内切正扭曲环；（f）上侧面内切反扭曲环；（g）梯形环；（h）楔形环；（i）桶面环；（j）开槽环；（k），（l）顶岸环
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。但磨合性差，而且与活塞一起做往复运动时，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，会产生“泵油作用”，使机油消耗量增加、活塞顶及燃烧室壁面积炭，如图2.32所示。
图2.32 矩形环的泵油作用
矩形环的泵油作用
2.油环
油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式3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，所以槽孔式油环的刮油能力主要靠油环自身的弹力，如图2.33所示。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，并在集油槽底加工有回油孔，由上下刮油唇刮下来的机油经集油槽底的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2.33 槽孔式油环的端面形状
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，如图2.34所示。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。
图2.34 槽孔撑簧式油环
（a）板形撑簧油环；（b）螺旋撑簧油环；（c）轨形撑簧油环
3）钢带组合式油环
钢带组合式油环由上、下刮片和轨形撑簧组合而成，如图2.35所示。撑簧不仅使刮片与气缸壁贴紧，而且还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。但钢带组合式油环需用优质钢制造，成本高。
图2.35 钢带组合式油环
（三）活塞销
1．活塞销的功用及工作条件
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将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，则可能使活塞销座损坏，如图2.36所示。
图2.36 活塞销结构
（a）圆柱形内孔；（b）截锥形内孔；（c）组合形内孔
2．活塞销的材料及结构
活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20钢、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，但锥孔加工较困难。
3.活塞销的连接方式
活塞销的连接方式包括全浮式连接（常用）和半浮式连接，如图2.37所示。
图2.37 活塞销的连接方式
（a）全浮式；（b）半浮式
1）全浮式
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，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气缸壁，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，故装配时先把铝活塞加热到一定程度，然后再把活塞销装入，这种安装方式应用较广泛。
2）半浮式
活塞中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，活塞销只能在销座内做自由摆动，而与连杆小头没有相对运动。活塞销不会做轴向窜动，不需要锁片，在小轿车上应用较多。
（四）连杆组
连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件，如图2.38所示。习惯上常常把连杆体、连杆盖和连杆螺栓合起来称作连杆，有时也称连杆体为连杆。
图2.38 连杆组
1．连杆组的功用及工作条件
连杆组的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，同活塞一起做往复运动；连杆大头与曲柄销连接，同曲轴一起做旋转运动，因此在发动机工作时连杆做复杂的平面运动。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做平面运动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．连杆组的材料
连杆体和连杆盖由优质中碳钢或中碳合金钢，如45钢、40Cr、42CrMo或40MnB等模锻或辊锻而成。连杆螺栓通常用优质合金钢40Cr或35CrMo制造，一般均经喷丸处理以提高连杆组零件的强度。纤维增强铝合金连杆以其质量轻、综合性能好而备受关注。在相同强度和刚度的情况下，纤维增强铝合金连杆比用传统材料制造的连杆要轻30%。
3．连杆的构造
连杆由小头、杆身和大头构成，如图2.39所示。
图2.39 连杆
1—小头；2—杆身；3—大头
连杆
1）连杆小头
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，如图2.40所示。
图2.40 连杆小头的形式(www.xing528.com)
（a）全浮式连杆小头；（b）楔形连杆小头；（c）半浮式连杆小头
2）连杆杆身
杆身断面为工字形，刚度大、质量轻，适于模锻，如图2.41所示。工字形断面的y-y轴在连杆运动平面内。有的连杆在杆身内加工有油道，用来润滑小头衬套或冷却活塞。如果是后者，则须在小头顶部加工出喷油孔。
图2.41 连杆杆身断面
3）连杆大头
连杆大头除具有足够的刚度外，其外形尺寸小、质量轻，拆卸发动机时能从气缸上端取出。连杆大头是剖分式的，连杆盖用螺栓或螺柱紧固，为使接合面在任何转速下都能紧密结合，连杆螺栓的拧紧力矩必须足够大，如图2.42所示。
图2.42 连杆大头
（五）连杆轴承
汽车发动机滑动轴承有连杆衬套、连杆轴承、主轴承和曲轴止推轴承等。
1．连杆轴承和主轴承
连杆轴承与主轴承均承受交变载荷和高速摩擦，因此轴承材料必须具有足够的抗疲劳强度，而且摩擦要小、耐磨损和耐腐蚀，如图2.43所示。
图2.43 轴承
连杆轴承和主轴承均由上、下两片轴瓦对合而成。每一片轴瓦都是由钢背和减摩合金层或钢背、减摩合金层和软镀层构成的，前者称为二层结构轴瓦，后者称为三层结构轴瓦。钢背是轴瓦的基体，由1～3mm厚的低碳钢板制造，以保证有较高的机械强度。在钢背上浇铸减摩合金层，其材料主要有白合金、铜基合金和铝基合金。白合金也叫巴氏合金，应用较多的锡基白合金减摩性好，但疲劳强度低，耐热性差，当温度超过100℃时硬度和强度均明显下降，因此常用于负荷不大的汽油机。铜铅合金的突出优点是承载能力大，抗疲劳强度高，耐热性好，但磨合性能和耐腐蚀性差。为了改善其磨合性和耐腐蚀性，通常在铜铅合金表面电镀一层软金属而成为三层结构轴瓦，多用于高强化的柴油机。铝基合金包括铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金。含锡20%以上的高锡铝合金轴瓦因为有较好的承载能力、抗疲劳强度和减摩性能而被广泛用于汽油机和柴油机。软镀层是指在减摩合金层上电镀一层锡或锡铅合金，其主要作用是改善轴瓦的磨合性能，并作为减摩合金层的保护层。
轴瓦在自由状态时，两个结合面外端的距离比轴承孔的直径大，其差值称为轴瓦的张开量。在装配时，轴瓦的圆周过盈变成径向过盈，对轴承孔产生径向压力，使轴瓦紧密贴合在轴承孔内，以保证其良好的承载和导热能力，提高轴瓦工作的可靠性及延长其使用寿命。
2．曲轴止推轴承
汽车行驶时由于踩踏离合器而对曲轴施加轴向推力，使曲轴发生轴向窜动。过大的轴向窜动将影响活塞连杆组的正常工作及破坏正确的配气定时和柴油机的喷油定时。为了保证曲轴轴向的正确定位，需装设止推轴承，而且只能在一处设置止推轴承，以保证曲轴受热膨胀时能自由伸长。曲轴止推轴承有翻边轴瓦、半圆环止推片和止推轴承环3种形式。
（1）翻边轴瓦（见图2.44）是将轴瓦两侧翻边作为止推面，在止推面上浇铸减摩合金。轴瓦的止推面与曲轴止推面之间留有0.06～0.25mm的间隙，从而限制了曲轴的轴向窜动量。
图2.44 翻边轴瓦
（2）半圆环止推片（见图2.45）一般为四片，上、下各两片，分别安装在机体和主轴承盖上的浅槽中，用定位舌或定位销定位，以防止其转动。装配时，需将有减摩合金层的止推面朝向曲轴的止推面，不能装反。
图2.45 半圆环止推片
（3）止推轴承环为两片止推圆环，分别安装在第一主轴承盖的两侧。
三、任务实施
（一）任务实施环境
现场设备、工量具等准备，见表2.16。
表2.16 现场设备、工量具等准备
（二）任务实施步骤
1.活塞连杆组的拆卸
（1）M/T：拆卸飞轮。
（2）A/T：拆卸驱动盘。
（3）将发动机安装到发动机的机架上以便分离。
（4）拆卸正时皮带（参考正时系统）。
（5）拆卸气缸盖（参考气缸盖总成）。
（6）拆卸油量标尺总成（A），如图2.46所示。
图2.46 拆卸油量标尺总成
（7）拆卸爆震传感器。
（8）拆卸油压传感器（A），如图2.47所示。
图2.47 拆卸油压传感器
（9）拆卸水泵。
（10）拆卸油底壳。
（11）拆卸机油滤网，拧下2个螺栓（C），拆卸集滤器（A）和衬垫（B），如图2.48所示。
图2.48 拆卸机油滤网
（12）拆卸连杆盖，检查油膜间隙。
（13）拆卸活塞和连杆总成。使用缸口铰刀，刮除气缸顶部所有的积炭。由气缸底部向气缸顶部推出活塞、连杆总成和上轴承。
（14）拆卸前壳。
（15）拆卸后油封壳，拧下5个螺栓（B），拆卸后油封壳（A），如图2.49所示。
图2.49 拆卸后油封壳
（16）拆卸曲轴轴承盖并检查润滑间隙。
（17）将曲轴（A）从发动机中提出来，注意不要损坏轴颈，如图2.50所示。
图2.50 取出曲轴
（18）拆卸活塞环。使用活塞环拆卸钳，拆卸两个压缩环，用手拆卸两侧共轨和油圈。
（19）从活塞分离连杆。
2.活塞连杆组的安装
（1）安装活塞和连杆。使用液压安装，活塞前标记和连杆前标记必须面向发动机的正时皮带侧。
（2）安装活塞环。用手安装油环扩张器和两个侧轨。在代码标记面向上时，使用活塞环拆装钳安装两个气环。活塞环开口端应按图2.51所示安装。
图2.51 活塞环开口端示意图
（3）安装连杆轴承。对齐轴承凸块与连杆或连杆盖导槽，将轴承（A）安装到连杆和连杆盖（B）内。
（4）安装主轴承。对齐气缸体凸块导槽和轴承凸块，推入5个上轴承（A）；对齐主轴承盖的凸块导槽与轴承凸块，并推入5个下轴承。
（5）安装止推轴承。油槽朝外状态，将两个止推轴承（A）安装到气缸体的3号轴颈位置。
（6）将曲轴置于气缸体上。
（7）把主轴承盖置于气缸体上。
（8）安装主轴承盖螺栓。在轴承盖螺栓的螺纹上和底部涂抹一层薄发动机油。按图2.52所示安装并均匀地拧紧10个轴承盖螺栓（A）。检查曲轴是否平滑转动。
图2.52 轴承盖螺栓拧紧顺序
（9）安装活塞和连杆总成。拆卸连杆盖，并把橡胶软管插到连杆螺栓上，应越过螺纹端。安装环压缩器，检查轴承是否固定在适当位置，然后将活塞放在气缸内，用锤子的木制把手进行敲打。卡环压缩器突然释放后停止，推动活塞至适当位置之前检查连杆与轴颈是否对齐。在螺栓的螺纹上涂抹发动机机油，安装连杆盖与轴承并拧紧螺母。
（10）使用5个螺栓（B）安装新衬垫和后油封壳（A）。
（11）安装后油封，如图2.53所示。在新油封唇上涂抹一层发动机机油，使用SST（09231-21000）和锤子轻敲油封，直到油封表面与后油封护圈边缘齐平。
图2.53 安装后油封
（12）安装前壳。
（13）安装油集滤器。使用两个螺栓（C）安装新衬垫（A）和集滤器（B）。
（14）安装油底壳。使用剃刀刀锋和衬垫刮刀，从衬垫表面去除所有旧的包装材料。在接合表面边缘之间居中的胎圈上涂抹液态密封胶。使用19个螺栓安装油底壳，分几次均匀拧紧。
（15）安装水泵。
（16）安装机油压力传感器。涂黏合剂至2～3个螺纹，安装机油压力传感器（A）。
（17）安装爆震传感器。
（18）安装油标尺总成。在油标尺上安装新O形环，在O形环上涂发动机机油，用螺栓安装油标尺总成（A）。
（19）安装气缸盖。
（20）安装正时皮带。
（21）拆卸发动机工作台。
（22）A/T：安装驱动板。
四、拓展知识
1.拉缸
拉缸是汽车发动机的常见故障之一。所谓“拉缸”是指气缸内壁被拉出很深的沟纹，活塞、活塞环与气缸壁摩擦副丧失密封性，从而导致气缸压缩压力降低，动力性丧失；可燃混合气下窜使曲轴箱压力增大，严重时会引起曲轴箱爆炸；润滑油上窜到气缸内引起烧机油现象；排气管冒烟严重；发动机噪声异常；发动机不能正常工作甚至熄火。
汽车发动机拉缸故障的主要原因如下：
（1）发动机冷却系统因泄漏、缺水，未能及时补充而造成发动机过热；
（2）活塞环断裂，刮伤缸壁；
（3）活塞销卡圈脱落，刮伤缸壁；
（4）活塞环因积炭卡死在环槽内，丧失密封作用；
（5）活塞销外出，刮伤缸壁；
（6）气缸内进入异物；
（7）活塞与缸壁配合间隙过小；
（8）活塞销装配过紧，引起活塞变形；
（9）活塞热变形严重或烧蚀熔化；
（10）发动机长时间高速或超负荷运转等。
2.爆缸
爆缸是由于发动机温度过高，活塞膨胀而卡在了气缸中，造成发动机报废，严重时由于压力过大而活塞又无法活动，会喷出浓浓火焰，如图2.54所示。
图2.54 发动机爆缸
引发原因：
（1）发动机的散热效果不良，使得发动机的工作温度超过原先设计所能够承受的最高温度；
（2）发动机机油的品质差或是循环不良造成润滑不足；
（3）发动机的进、排气系统以及点火正时的调整不准确；
（4）发动机的工作负荷过高。
五、任务总结
要求掌握活塞、连杆的结构特点及作用，活塞、连杆的常见损伤形式，并能够对活塞连杆组的拆装进行规范操作。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
