汽车发动机活塞连杆结构与原理

活塞连杆组是发动机中的主要运动机构。其功用是将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞顶上的气体压力转变为曲轴的转矩。活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆盖和连杆轴承等机件组成。如图3-24所示。

一、活塞

1.活塞的功用及工作条件

活塞的主要功用是与汽缸盖和汽缸壁共同组成燃烧室，承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。活塞的工作条件极其恶劣。作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。

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.活塞构造

活塞由顶部、头部和裙部三大部分构成。如图3-25所示。

图3-24　活塞连杆组结构

图3-25　活塞结构

（1）活塞顶部 活塞顶部是燃烧室的组成部分，主要承受气体压力。活塞顶部的形状与燃烧室形状和压缩比大小有关，如图3-26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。采用凹顶和凸顶活塞，可以通过改变活塞顶上凹坑和凸起的尺寸来调节发动机的压缩比。

图3-26　活塞顶部形状

（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，如图3-27所示。在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽，上面的2-3道安装气环，下面的1-2道安装油环。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3-27　活塞头部结构

活塞头部应该足够厚，便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁，使活塞顶部的温度不致过高。在第一道气环槽上方设置一道较窄的隔热槽的作用是隔断由活塞顶传向第一道活塞环的热流，使部分热量由第二、三道活塞环传出，从而可以减轻第一道活塞环的热负荷，改善其工作条件，防止活塞环黏结。

（3）活塞裙部 活塞头部以下的部分为活塞裙部。裙部的作用应该保证活塞在气缸内得到良好的导向，并承受侧压力。气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀的、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。

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发生热变形。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。

现代汽车发动机的活塞均为现代汽车发动机上广泛采用半拖板式裙部或拖板式裙部的活塞。在保证裙部有足够承压面积的条件下，将不承受侧向力一侧的裙部部分地去掉，即为半拖板式裙部；若全部去掉则为拖板式裙部。优点是：① 质量轻，比全裙式活塞轻10%—10%，适应高速发动机减小往复惯性力的需要。② 裙部弹性好，可以减小活塞与气缸的配合间隙。③ 能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。

（4）活塞销座孔 活塞销座孔的作用是安装活塞销，并将气体的压力传给连杆。活塞销座孔位于活塞中部，为厚壁圆筒状结构，通常有加强筋与活塞内壁相连，以提高其刚度。两座孔外端加工有卡环槽，用来安装卡环以限制活塞销的轴向窜动。

活塞销在传递气体压力时，会分解出一使活塞压向气缸壁的侧向压力，简称侧压力。作功时活塞裙部受到的侧压力较大，该面称为主压力面，压缩时活塞裙部的受力面称为次压力面，如图3-28a所示。一般发动机的活塞销座孔轴线与活塞轴线垂直相交，当压缩行程结束、作功行程开始，活塞越过上止点时，活塞由次压力面受力突然转变为主压力面受力，如图3-28b所示，此时活塞对缸壁的“拍击”（俗称敲缸），增加了发动机的噪声。如果将活塞销座孔轴线向主压力面偏移1—2 mm，这时在压缩末端，活塞接近上止点时，气体的压力将使活塞发生倾斜，如图3-28c所示，使裙部下端提前换向，顶部向右摆动而不是平移，从而消减了活塞对气缸的“拍击”。因此偏置活塞销座孔可以使活塞减轻敲缸，减小噪声。解放CA6102型和东风EQ6100-1型发动机活塞均采用活塞销偏置结构。活塞在安装时应注意方向标记，不能装反。

图3-28　活塞受力及活塞销偏置

4.活塞变形规律及采取的相应结构措施

发动机工作时，活塞在热负荷以及气体压力和侧压力作用下，会产生热变形和挤压变形。其变形特征是沿活塞轴线方向呈上大下小的变形，因为活塞的温度上高下低，金属的分布上多下少；活塞裙部沿周向呈椭圆形变形，且长轴沿销座孔轴线方向，因为销座孔处金属堆积较多，在垂直于销座孔轴线方向受到侧压力的挤压。另外，整个活塞的膨胀量大于气缸的膨胀量，会造成活塞与汽缸壁间的配合间隙减小，甚至出现拉缸、卡死等故障。

为了使活塞在正常工作温度下与缸壁间保持比较均匀的配合间隙，常采取以下结构措施。

（1）活塞沿轴线方向制成上大下小的截锥形，以消除活塞在工作时沿轴线方向呈上大下小变形的不利影响，如图3-29所示。

图3-29　活塞结构示意图

（2）活塞裙部沿轴向制成反向的椭圆形，长轴垂直于活塞销座孔轴线方向，以消除裙部沿沿周向呈椭圆形变形的不利影响。

（3）活塞销座孔周边的裙部外表面凹陷0.5—1 mm，或截取一部分，形成拖板式裙部，以减少裙部的热变形量。

（4）裙部开绝热-膨胀槽。在活塞裙部受侧压力较小的一侧，开有T或Π形槽，如图3-30所示。横槽叫绝热槽，可减少头部热量向裙部传导，以减少裙部的膨胀量；竖槽叫膨胀槽，使裙部具有一定的弹性和热态的补偿，从而使冷态下的装配间隙较小。

图3-30　活塞裙部结构

（5）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，如图3-31所示。恒范钢片式活塞的结构特点是，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3-31　双金属活塞结构

一、活塞环

1.活塞环类型

活塞环按用途不同分气环和油环两种。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，并将活塞顶部接受的热传给气缸壁，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的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。

2.活塞环工作条件及材料

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。这不仅加重了环与环槽的磨损，还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。

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。

3.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，如图3-32所示。

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背隙中。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。进入背隙中的高压气体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、背隙和端隙都很小，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%。注意第一道气环的开口处应处在活塞的次压力面。气环密封原理如图3-33所示。

图3-32　气环的结构

图3-33　气环的密封

（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，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°。图3-34所示。

（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3-35所示。

图3-34　气环开口形状

图3-35　气环的断面形状

（1）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，而且在与活塞一起作往复运动时，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，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3-36所示。

图3-36　矩形环的泵油作用(www.xing528.com)

（2）锥面环

环的外圆面为锥角很小的锥面。锥面环与气缸壁为线接触，磨合性好，增大了接触压力和对气缸壁形状的适应能力。当活塞下行时，锥面环能起到向下刮油的作用。当活塞上行时，由于锥面的油楔作用，锥面环能滑越过气缸壁上的油膜而不致将机油带入燃烧室。锥面环传热性差，所以不用作第一道气环。由于锥角很小，一般不易识别，为避免装错，在环的上侧面标有向上的记号。

（3）扭曲环

断面不对称的气环装入气缸后，由于弹性内力的作用使断面发生扭转，故称扭曲环，扭曲环在工作过程中切断了泵油路径从而消除了矩形环的“泵油现象”如图3-37所示。扭曲环在安装时应注意内圆切槽向上，外圆切槽向下，不能装反。

图3-37　扭曲环的工作示意图

（4）梯形环

断面呈梯形，工作时梯形环在压缩行程和作功行程随着活塞受侧压力的方向不同而不断地改变位置，这样会把沉积在环槽中的积炭挤出去，避免了环被粘在环槽中而折断。可以延长环的使用寿命。但是主要缺点是加工困难，精度要求高。

（5）桶面环

桶面环的外圆为凸圆弧形，是近年来兴起的一种新型结构。当桶面环上下运动时。均能与气缸壁形成楔形空间，使机油容易进入摩擦面，减小磨损。由于它与气缸呈圆弧接触，故对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性均较好，有利于密封，但凸圆弧表面加工较困难。

4.油环

类型：分为普通油环和组合式油环，如图3-38所示。

图3-38　油环

（1）普通油环 其结构简单加工容易。一般在环的外圆柱面中间切有一道凹槽，形成上下两道刮油唇；在凹槽底部开有若干回油孔，由上下两道刮油唇刮下的润滑油经回油孔流回油底壳。

（2）组合油环 由两片或三片相互独立的钢制刮片和能产生轴向和径向弹力的弹簧组成。

三、活塞销

1.活塞销的功用及工作条件

活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。

活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷，其本身又作摆转运动，而且处于润滑条件很差的情况下工作，因此，要求活塞销具有足够的强度和刚度，表面韧性好，耐磨性好，重量轻。所以活塞销一般都做成空心圆柱体，采用低碳钢和低碳合金钢制成，外表面经渗碳淬火处理以提高硬度，精加工后进行磨光，有较高的尺寸精度和表面光洁度。

2.活塞销的内孔的形状

活塞内孔的形状有三种：圆柱形、两段截锥与一段圆柱组合、两段截锥形。如图3-39所示。

圆柱形孔结构简单，加工容易，但从受力角度分析，中间部分应力最大，两端较小，所以这种结构质量较大，往复惯性力大；为了减小质量，减小往复惯性力，活塞销做成两段截锥形孔，接近等强度梁，但孔的加工较复杂；组合形孔的结构介于二者之间。

3.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”安装和“半浮式”安装，如图3-40所示。

图3-39　活塞销内孔形状

图3-40　活塞销的安装方式

（1）“全浮式”安装，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。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”安装的特点是活塞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内作自由摆动，而和连杆小头没有相对运动。活塞销不会作轴向窜动，不需要锁片。小轿车上应用较多。

四、连杆

1.连杆的功用

连杆的功用是连接活塞与曲轴。连杆小头通过活塞销与活塞相连，连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使得活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。

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，然后经机加工和热处理。

2.连杆结构

连杆分为三个部分：即连杆小头，连杆杆身和连杆大头（包括连杆盖），如图3-41所示。连杆小头与活塞销相连。

（1）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并用以润滑。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。采用半浮式活塞销是与连杆小头紧配合的，所以小头孔内不需要衬套，也不需要润滑。

（2）连杆杆身通常做成“工”字形断面，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。

（3）连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，大头有整体式和分开式两种。一般都采用分开式，分开式又分为平分和斜分两种。

平分式连杆——分面与连杆杆身轴线垂直，如图3-42所示，汽油机多采用这种连杆。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，故常采用平切口连杆。

图3-41　连杆结构

图3-42　平分式连杆大头及其定位方法

斜分式连杆——分面与连杆杆身轴线成30—60°夹角，如图3-43所示。柴油机多采用这种连杆。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。

图3-43　斜分式连杆大头及其定位方法

把连杆大头分开可取下的部分叫连杆盖，连杆与连杆盖配对加工，加工后，在它们同一侧打上配对记号，安装时不得互相调换或变更方向。为此，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的。斜切口连杆常用的定位方法有锯齿定位、圆销定位、套筒定位和止口定位。

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2—3次交替均匀地拧紧到规定的扭矩，拧紧后还应可靠的锁紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其他螺栓来代替。

3.连杆轴承

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，简称连杆轴承，如图3-44所示。轴承分上、下两个半片，目前多采用薄壁钢背轴承，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。连杆轴承的背面有很高的光洁度。半个轴承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。

图3-44　连杆轴承

连杆轴承上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴承前后移动或转动，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。

4.V型发动机连杆

V型发动机左右两侧对应两个气缸的连杆是装在曲轴的一个连杆轴颈上的其形式主要有：主副式、叉形式。如图3-45所示。

图3-45　V型发动机的连杆形式