活塞连杆组结构特征分析

活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆螺栓、连杆轴承、连杆轴承盖等运动部件组成，如图1-13所示。

1.活塞结构特征分析

活塞的主要作用是承受气缸中高温高压气体产生的膨胀压力，并将此压力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转，同时，活塞顶部还与气缸盖、气缸壁组成燃烧室。

由于活塞顶部直接与高温且具有一定腐蚀性的燃气相接触，并受到高速运动、周期变化的气体压力和惯性力作用，加之润滑条件、散热条件都差，因此活塞的工作条件是极为恶劣的，对于活塞的制造以及工艺，也提出了如下要求。

1）制造必须有较高的精度，以保证活塞与气缸壁之间有较小的摩擦系数。

2）材料必须有较小的质量，以降低惯性。

3）有足够的强度和刚度，特别是活塞环槽区内要有较大的强度，防止活塞环损坏。

4）活塞顶部耐热、裙部有一定弹性。

5）良好的导热性能及合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙。

6）一定的耐磨性能，以防止周期性运动带来的过度磨损。

汽车发动机活塞常用铝硅合金材料，采用铸造、锻造、液态模锻等方法制造。活塞的基本构造可分为顶部、头部和裙部三部分，如图1-14所示。

图1-13 JV型发动机活塞连杆组分解图

1—第一道气环 2—第二道气环 3—组合油环 4—活塞销 5—活塞 6—连杆 7—连杆螺栓 8—连杆

轴承9—连杆轴承盖

图1-14 活塞的基本结构

a）全剖 b）部分剖 1—活塞顶部 2—活塞头部 3—活塞环 4—活塞销座 5—活塞销 6—活塞销锁环 7—活塞裙部 8—加强筋 9—环槽

（1）活塞顶部结构特征分析 活塞顶部的形状与选用的燃烧室形式有关。活塞顶部的形状主要有平顶、凸顶和凹顶三种，如图1-15所示。汽油机活塞顶部多采用平顶（图1-15a），其

图1-15 活塞顶的形状

a）平顶 b）凹顶 c）凸顶

优点是吸热面积小，制造工艺简单，燃烧室结构紧凑。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1-15b），凹坑的大小还可以用来调节发动机的压缩比。凸顶活塞（图1-15c）主要用于二冲程汽油机。

（2）活塞头部结构特征分析 活塞头部是最下端活塞环槽以上至活塞顶以下的部分。其主要作用如下。

①承受气体压力，并传给连杆。

②与活塞环一起实现气缸的密封。

③将活塞顶部所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。头部切有若干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道用于安装气环，下面一道用于安装油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，被油环从气缸壁上刮下来的多余机油经过这些小孔流回油底壳。

活塞头部一般做得较厚，以便于热量从活塞顶部经活塞环传给气缸的冷却壁面上，从而防止活塞顶部的温度过高。

有的发动机活塞在第一道环槽上面切出比环槽窄的隔热槽，其作用是隔断从活塞顶部流下来的部分热流通路，迫使热流方向转折，把原来应由第一道活塞环散走的热量，分散给第二道、第三道环，以消除第一道环过热后产生积炭和卡死在环槽中的可能性。

（3）活塞裙部结构特征分析 裙部是指活塞环槽以下的所有部分，其作用是为活塞在气缸内做往复运动时导向和承受侧压力。

图1-16 活塞裙部的椭圆变形

a）弯曲变形 b）销座热膨胀变形 c）挤压变形 d）裙部综合变形

活塞工作时，燃烧气体的压力均匀作用在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活塞裙部的销座处，由此而产生的变形使裙部直径沿活塞销座轴线方向增大（图1-16a）。侧压力的作用也使活塞裙部直径在同一方向上增大（图1-16b）。此外，活塞销座附近的金属堆积受热后膨胀量大，致使裙部在受热变形时，在沿活塞销座轴线方向的直径增量大于其他方向。如图1-16c所示，活塞工作时产生的机械变形和热变形，使其裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆（图1-16d）。鉴于上述情况，为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持比较均匀的间隙，以免在气缸内卡死或引起局部磨损，必须预先在冷态下把活塞制成裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。为了减少活塞销座附近处的热变形量，有的活塞将活塞销座附近的裙部外表面制成下陷0.5～1.0mm。活塞裙部形状可以做成变椭圆桶形，即在活塞裙部的不同部位其椭圆度不同，椭圆度由下而上逐渐增大，即活塞裙部横截面越往上越扁，裙部纵向截面呈桶形，其轮廓线为一抛物线，故亦称抛物线形活塞裙部。图1-17所示为活塞裙部的不同形状和结构。

图1-17 活塞裙部的不同形状和结构

a）锥形裙部活塞 b）椭圆形裙部活塞 c）恒范钢片式活塞 d）热膨胀自动调节式活塞

（4）活塞销座结构特征分析 活塞销座的作用是将活塞顶部的气体作用力经活塞销传给连杆。活塞销座通常有肋片与活塞内壁相连，以提高其刚度。

活塞销座孔内有的设有安放弹性卡环的卡环槽。卡环用来防止活塞销在工作中发生轴向窜动。

活塞销座孔的中心线一般位于活塞中心线的平面内。但也有些高速汽油机的活塞销孔中心线偏离活塞中心线平面，如图1-18a所示。图中活塞销座轴线向在做功行程中受侧向力的一面偏移了1～2mm，这是因为，如果活塞销对中布置，则当活塞越过上止点时侧压力的作用方向改变，会使活塞敲击气缸壁面发出噪声，而如果把活塞销偏移布置（图1-18b），则可使活塞较平稳地从压向气缸的一面过渡到另一面，而且过渡时刻早于达到最高燃烧压力的时刻，可以减轻活塞“敲缸”，减小噪声，改善发动机工作的平顺性。

2.活塞环结构特征分析

活塞环主要可以分为气环和油环两种。

气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中气体大量漏入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却液或空气带走；油环的作用是刮去气缸壁上多余的机油，并在气缸壁面涂上一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的摩擦阻力和磨损。此外，油环也起到密封的辅助作用。

图1-18 活塞销偏置及其流程

a）活塞销偏移布置 b）活塞销偏移布置流程

活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用，温度较高（尤其是第一环，温度可达600K）。活塞环在气缸内做高速运动，加上高温下部分机油出现变质，使环的润滑条件变坏，难以保证液体润滑，因此磨损严重。

活塞环在发动机运转过程中与高温气体接触将发生热膨胀现象，而周期性的往复运动又使其出现径向伸缩变形。因此，为了保证正常的工作，活塞环在气缸内应该具有以下间隙，如图1-19所示。

1）端隙又称开口间隙，是指活塞环在冷态下装入气缸后，该环在上止点时，环的两端头之间的间隙，一般为0.25～0.50mm。

2）侧隙又称边隙，指活塞环装入活塞后，其侧面与活塞环槽之间的间隙。第一道环因工作温度高，间隙较大，一般为0.04～0.10mm；其他环一般为0.03～0.07mm。油环侧隙比气环小。

3）背隙是指活塞环装入气缸后，活塞环内圆柱面与活塞环槽底部间的间隙，一般为0.50～1.00mm。油环背隙较气环大，有利于增大存油间隙，便于减压泄油。

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。其原因是：活塞下行时，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，如图1-20a所示；当活塞上行时，环又靠在环槽的下方，同时将机油挤压到环槽上方，如图1-20b所示。如此反复运动，就将缸壁上的机油泵入燃烧室。

由于活塞环的泵油作用，使机油窜入燃烧室，会使燃烧室内形成积炭和增加机油消耗，并且还可能在环槽（尤其是第一道气环槽）中形成积炭，使环卡死，失去密封作用，甚至折断活塞环。

图1-19 活塞环的间隙

1—活塞环处于工作状态时的形状 2—活塞环处于自由状态时的形状 3—工作面 4—内表面 5—活塞 6—活塞环 7—气缸 Δ1—开口间隙 Δ2—侧隙 Δ3—背隙 d—活塞环内径 B—活塞环宽度

活塞环有一个切口，且在自由状态下不是圆环形，其外形尺寸比气缸的内径大些，因此，它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴在气缸壁上。活塞环在燃气压力作用下，压紧在环槽的下端面上（图1-21），于是燃气便绕流到环的背面，并发生膨胀，其压力下降。同时，燃气压力对环背的作用力使环更紧地贴在气缸壁上。压力已有所降低的燃气，从第一道气环的切口漏到第二道气环的上平面时，又把这道气环压贴在第二环槽的下端面上，于是，燃气又绕流到这个环的背面，再发生膨胀，其压力又进一步降低。如此继续进行下去，从最后一道气环漏出来的燃气，其压力和流速已经大大减小，因而泄漏的燃气量也就很少了。因此，为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”封气装置，就足以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。

图1-20 活塞环的泵油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

图1-21 活塞环密封流程

1—第一密封面 2—第二密封面 3—背压力F2 4—活塞环自身弹力F1

气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口，因此，切口的形状和装入气缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响，切口间隙过大，则漏气严重，使发动机功率减小；间隙过小，活塞环受热膨胀后就有可能卡死或折断。切口间隙值一般为0.25～0.8mm。第一道气环的温度最高，因而其切口间隙值最大。气环的切口形状如图1-22所示。直角形切口工艺性好（图1-22a）；阶梯形切口的密封性好，但工艺性较差（图1-22b）；图1-22c所示为斜切口，斜角一般为30°或45°，其密封作用和工艺性均介于前两种之间，但其锐角部位在套装入活塞时容易折损；图1-22d所示为二冲程发动机活塞环的带防转销钉槽的切口。压配在活塞环槽中的销钉，是用来防止活塞环在工作中绕活塞中心线转动的。

图1-22 气环的切口形状(www.xing528.com)

a）直角形 b）阶梯形 c）斜口形 d）带防转销钉槽形

气环断面形状主要有以下几种：

1）矩形环（图1-23a）的优点是结构简单，制造方便，散热性好，废品率低；缺点主要是有泵油作用，容易造成机油消耗量过大并有可能形成燃烧室积炭，另外，矩形环的刮油性、磨合性及密封性较差。现代汽车基本不采用。

2）锥面环（图1-23b）的优点是与气缸壁的接触为线接触，密封和磨合性能较好，刮油作用明显，容易形成油膜以改善润滑；缺点是传热性能较差。锥面环主要应用在除第一道环的其他环。

3）扭曲环（图1-23c、d）是现代汽车发动机广泛应用的一种活塞环。这主要是因为扭曲环除具有锥面环的优点之外，还能减小泵油作用，减轻磨损、提高散热性能。安装扭曲环时应特别注意：内圆切槽向上，外圆切槽向下，不能装反。

4）梯形环（图1-23e）的主要优点是能把沉积在环槽中的结焦挤出，从而避免了活塞环被粘结而出现折断。同时其密封性能优越，使用寿命长。缺点主要是上下两端面的精磨工艺较复杂。梯形环在热负荷较大的柴油发动机上使用较多。

5）桶面环（图1-23f）的优点是活塞的上下行程都可以形成楔形油膜改善润滑，对活塞在气缸内摆动的适应性好，接触面积小，有利于密封；缺点是凸圆弧面加工困难，多用于强化柴油发动机的第一道环。

图1-23 气环的断面形状

a）矩形环 b）锥面环 c）正扭曲内切环 d）反扭曲锥面环 e）梯形环 f）桶面环

油环可以分为普通油环和组合油环两种，如图1-24所示。

1）普通油环如图1-24a所示，又叫整体式油环。环的外圆柱面中间加工有凹槽，槽中钻有小孔或开切槽，当活塞向下运动时，将缸壁上多余的机油刮下，通过小孔或切槽流回曲轴箱；当活塞上行时，刮下的机油仍通过回油孔流回曲轴箱。有些普通环还在其外侧上边制有倒角，使环在随活塞上行时形成油膜，可起均分布润滑油的作用，下行刮油能力强，减少了润滑油的上窜。这种类型的油环的优点是结构简单、造价低，早期发动机上使用较多；但其强度低，易磨损，磨损后刮油效果不理想、寿命较短。现代汽车发动机基本上不采用。

2）如图1-24b所示，组合油环一般由上刮片、衬环、下刮片三层组成。优点是质量小、刮油能力强、对缸套变形适应性好、回油通路大等。正因为如此，尽管组合油环造价相对较高，在现代汽车上仍旧得到了广泛的应用。

无论活塞上行或下行，油环都能将气缸壁上多余的机油刮下来经活塞上的回油孔流回油底壳。油环的刮油作用如图1-25所示。

图1-24 油环

a）整体式油环 b）组合式油环

3.活塞销结构特征分析

活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件较差（一般靠飞溅润滑），因而要求有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量尽可能小。为此，活塞销通常制成空心圆柱体。

活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制造，先经表面渗碳处理，以提高表面硬度，并保证心部具有一定的冲击韧性；然后进行精磨和抛光。

如图1-26所示，活塞销的形状主要有圆柱形和锥形（图1-26a、b），质量较小；中间或单侧封闭的活塞销如图1-26c、d所示，适用于二冲程发动机；内部有塑胶芯的钢套销（图1-26e），用于要求不高的汽油机；成形销（图1-26f），用于增压发动机。

活塞销按照其与活塞销座和连杆小头的连接方式可以分为全浮式和半浮式两种，如图1-27所示。

（1）全浮式结构特征分析 在发动机正常工作温度时，活塞销能在连杆衬套和活塞销座孔中自由转动，因而增大了实际接触面积，减小了磨损且使磨损均匀，所以被广泛采用，如图1-27a所示。装配时，应先将活塞在温度为70～90℃的水或油中加热，然后将销装入。为防止活塞销因轴向窜动而刮伤气缸壁，在活塞销座两端用卡环加以轴向定位。

（2）半浮式结构特征分析 半浮式连接就是销与座孔或连杆小头两处，一处固定，一处浮动。其中大多数采用活塞销与连杆小头的固定方式，如图1-27b所示。

图1-25 油环的刮油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

图1-26 活塞销形状

a）圆柱形 b）端部呈锥形扩展 c）中间封闭式 d）单侧封闭式 e）内有塑料芯的钢套销 f）成形销

图1-27 活塞销的连接方式

a）全浮式 b）半浮式

4.连杆结构特征分析

连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并把活塞的上下往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆工作时，承受活塞顶部气体压力和惯性力的作用，而这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。这就要求连杆强度高、刚度大、重量轻。连杆一般都采用中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成，然后进行机加工和热处理。

如图1-28所示，连杆的结构主要包括连杆小头、连杆大头（包括连杆盖）、杆身三部分。

对全浮式活塞销，由于工作时小头孔与活塞销之间有相对运动，所以常常在连杆小头孔中压入减磨的青铜衬套。为了润滑活塞销与衬套，在小头和衬套上铣有油槽或钻有油孔以收集发动机运转时飞溅上来的润滑油用以润滑。有的发动机连杆小头采用压力润滑，在连杆杆身内钻有纵向的压力油通道。半浮式活塞销是与连杆小头过盈配合的，所以小头孔内不需要衬套，也不需要润滑。

连杆杆身通常做成“I”字形断面，其抗弯强度好、重量轻，大圆弧过渡，且上小下大，采用压力法润滑的连杆，杆身中部都制有连通大、小头的油道。

连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。连杆大头的切口形式可以分为平切口和斜切口两种。

图1-28 连杆组件

1—连杆大头 2—连杆轴承 3—止推凸肩 4—衬套 5—连杆小头 6—杆身 7—连杆螺栓 8—连杆盖

1）平切口式连杆：切分面与连杆杆身轴线垂直，是汽油机普遍采用的一种形式。这是因为一般汽油机连杆大头的横向尺寸都小于气缸直径，可以方便地通过气缸进行拆装。

2）斜切口式连杆：切分面与连杆杆身轴线成30°～60°夹角，是柴油机上使用较多的一种形式。这是因为，柴油机压缩比大，受力较大，曲轴的连杆轴颈较粗，相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径，为了使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般都采用斜切口，最常见的是45°夹角。

为了便于安装，连杆大头一般做成剖分式，被分开的部分称为连杆盖，用连杆螺栓紧固在连杆大头上。连杆大头与连杆盖是组合加工的，为防止配对错误，在同一侧刻有配对记号，如图1-29所示。

连杆与连杆盖在结构上采取了定位措施。平切口连杆盖与连杆的定位多采用连杆螺栓定位，利用连杆螺栓中部精加工的圆柱凸台或光圆柱部分与经过精加工的螺栓孔来保证定位准确。斜切口连杆常用的定位方法有止口定位、套筒定位和锯齿定位，如图1-30所示。

连杆螺栓：连杆盖和连杆大头用连杆螺栓连在一起，连杆螺栓在工作中承受很大的冲击力，若折断或松脱，将造成严重事故。为此，连杆螺栓都采用优质合金钢，并经精加工和热处理特制而成。安装连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力扳手分1～3次交替均匀地拧紧到规定的力矩，拧紧后还应可靠地锁紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其他螺栓来代替。

连杆轴瓦：为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片，目前多采用钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。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。连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。

如图1-31所示，连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。

V型发动机连杆的结构形式一般有三种，如图1-32所示，分别为并列式连杆、主副式连杆和叉形连杆。

（1）并列式连杆结构特征（图1-32a）连杆可通用，其相对应的左右两个气缸的连杆，沿曲轴的长度方向一前一后装配在一个曲柄销（连杆轴颈）上。特点是两列气缸的活塞连杆组的运动规律相同，曲轴的长度有一定量的增加。

图1-29 连杆大头与连杆盖的配对记号

图1-30 斜切口连杆大头的定位方式

a）止口定位 b）套筒定位 c）锯齿定位

图1-31 连杆轴承

1—钢背 2—油槽 3—定位凸键 4—减磨合金层

图1-32　V型发动机连杆示意图

a）并列连杆式 b）主副连杆式 c）叉形连杆式

（2）主副式连杆结构特征（图1-32b）两连杆不能通用，其一列气缸的连杆为主连杆，连杆大头直接装配在曲轴曲柄销的全长上。另一列气缸的连杆为副连杆，副连杆分别与对应的主连杆铰接传动。特点是主副连杆不能互换，两列气缸的活塞连杆组的运动规律不同，曲轴的轴向长度不增加。

（3）叉形连杆结构特征（图1-32c）左右两列对应气缸的连杆的大头制成叉形，跨于另一个厚度较小的片状大头的连杆两端。特点是两列气缸中的活塞连杆组的运动规律相同，但制造工艺复杂，且两个连杆的大头刚度都较低。