汽车构造中的活塞连杆组及其重要功用

活塞连杆组和曲轴飞轮组是曲柄连杆机构的重要组件。曲柄连杆机构的功用就是要将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。曲柄连杆机构组成——活塞组、连杆组、曲轴飞轮组如图2-20所示。曲柄连杆机构的工作条件——气体压力、惯性力、离心力、摩擦力、汽车行驶中产生的冲击力。

图2-20 曲柄连杆机构组件

2.4.3.1 活塞组

1.活塞

1）功用：承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。与气缸盖、气缸体组成燃烧室。

2）工作环境：

①高温、散热条件差。

②顶部工作温度高达600～700K，且分布不均匀。

③线速度高达10m/s，承受很大的惯性力。活塞顶部承受的压力最高可达3～5MPa使之变形，破坏配合。

3）材料：铝合金——质量小，约为铸铁活塞的50%～70%，导热性好，约为铸铁的3倍，热膨胀系数大。

4）活塞结构（图2-21）。

顶部：构成燃烧室，承受气体压力。

头部：安装活塞环，制作较厚。

裙部：导向，传力，承受侧压力，销座孔处有加强筋。

①活塞顶部（图2-22）。

图2-21 活塞基本结构

图2-22 典型顶部形状各异的活塞

功用：是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。

②活塞头部（图2-23）。

位置：活塞顶与油环槽下端面之间的部分。有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。

图2-23 活塞头部结构

③头部环槽的作用：安装活塞环，与活塞环一起密封气缸；防止可燃混合气漏到曲轴箱内；将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。

④活塞裙部（图2-24a）。

图2-24 活塞裙部结构及工作受力简况

位置：油环槽下端面至活塞最下端的部分。

作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力，防止破坏油膜。

所谓侧压力是指在压缩行程和做功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。压缩行程和做功行程的气体侧压力方向相反，如图2-24b所示。

⑤活塞裙部结构特点（措施）。

变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力，其变形状况如图2-25所示。变形规律：因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁，活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配合间隙变小；因温度上高下低，壁厚上厚下薄，活塞自上而下膨胀量由大而小；因销座处金属量多而膨胀量大以及在侧压力的作用下裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方向。

图2-25 活塞裙部工作时热压变形简图

为减少活塞裙部工作时所产生的热压变形对发动机工作性能的影响，活塞裙部在制造时就预先做成椭圆形，其目的是为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但由于：ⓐ活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向；ⓑ裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。活塞裙部制造与工作时形状比较如图2-26所示。

图2-26 活塞裙部制造与工作时形状比较

预先做成阶梯形、锥形（图2-27a）：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、锥形。

图2-27 为减少热变形对发动机性能影响的各种机构的活塞

活塞裙部开槽（图2-27b）：横向开绝热槽减少裙部受热，有的兼作油环回油孔。

拖板式活塞或短活塞（图2-27c）：有些活塞为了减轻重量，在裙部开孔或把裙部不受侧压力的两边切去一部分，以减小惯性力，减小销座附近的热变形量，形成拖板式活塞或短活塞。拖板式结构裙部弹性好，质量小，活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速发动机。

双金属活塞（图2-27d）：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：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。膨胀系数小的恒范钢片贴在销座铝层的内侧，依靠钢片的牵制作用及钢片与铝壳之间的双金属效应来减小裙部侧压力方向的膨胀量。

活塞销偏置（图2-27e）：在安装活塞销时，使活塞销向做功行程中受主侧压力的一方偏移1～2mm，活塞销孔中心线偏离活塞中心线平面，以减小换向时的敲击声，且使裙部减小磨损。原理：因销座偏置，在接近上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边，使活塞倾斜，裙部下端提前换向。而活塞在越过上止点，侧压力反向时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向。可见偏置销座使活塞换向分成了两步，第一步是在气体压力较小时进行，且裙部弹性好，有缓冲作用；第二步虽气体压力大，但它是个渐变过程。为此，两步过渡使换向冲击力大为减弱。

2.活塞环（图2-28）

（1）活塞环简介

1）结构分类：是具有弹性的开口环，分为气环和油环。

2）工作条件：高温、高压、高速、极难润滑。

3）材料：合金铸铁或球墨铸铁，有时表面涂有保护层。柴油机的压缩比高，一般有四道环槽，上部三道安装气环，下部安装油环。汽油机一般有三道环槽，其中有两道气环槽和一道油环槽。

图2-28 活塞环

（2）活塞环的间隙（图2-29）

图2-29 活塞环的间隙

1）端隙Δ₁：又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙。一般为0.25～0.50mm；端隙过小，活塞环易卡死，从而加速缸壁的磨损，甚至使环折断或刮伤缸壁；端隙过大，易漏气和上窜机油。

2）侧隙Δ₂：又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道为0.04～0.10mm；其他气环为0.03～0.07mm。油环一般侧隙较小，为0.025～0.07mm；侧隙过小，活塞环会因受热膨胀而卡死在环槽中，使环失去弹性，不起密封与刮油作用；侧隙过大，密封性不好，环与环槽撞击严重而加速磨损，对于气环还会加剧“泵油作用”。

3）背隙Δ₃：又称径向间隙，是活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部的间隙，一般为0.5～1mm。

（3）气环断面形状

1）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°。

2）气环的断面形状：气环的断面形状多种多样，如图2-30所示，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下。

图2-30 气环的开口及各类气环断面形状(www.xing528.com)

①矩形环（图2-31a）：结构简单，与缸壁接触面积大，散热好，但易泵油。

②锥面环（图2-31b）：

a）特点：与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。

b）安装注意：锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记），安装时不能装反，否则会引起机油上窜。锥面环传热性差，常装到第二、三道环槽上。

③桶面环（图2-31c）：环的外圆面为凸圆弧形；特点：a）环面与缸壁圆弧接触避免了棱角负荷；b）环上下运动时，均能形成楔形油膜。

④梯形环（图2-31d）：当活塞在侧压力作用下左、右换向时，环的侧隙和背隙将不断变化，使胶状油焦不断从环槽中被挤出。梯形环用于热负荷较大的柴油机第一道环。

⑤扭曲环（图2-310e、f）：将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。

图2-31 各类断面形状的气环安装示意图

扭曲原理：当活塞环装入气缸后，环受到压缩产生弯曲变形，断面中性层以外产生拉应力，中性层以内产生压应力，矩形环由于中性层内外断面不对称，使F₁和F₂不在同一平面内，从而形成力偶M，在力偶的作用下，活塞环发生微量的扭曲变形，如图2-32所示为扭曲环工况简图。

图2-32 扭曲环工况简图

a）特点：具有锥形环的特点，减小了泵油作用，做功行程环不再扭曲，两个密封面达到完全接触，利于散热。

b）安装：内上切扭曲环装入第一道环槽，外下切扭曲环装入第二、三道环槽。注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，不能装反。

（4）油环（图2-33）

图2-33 油环结构简图

1）油环类型：油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式3种类型。

2）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。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，在集油槽底加工有回油孔。由上下刮油唇刮下来的机油经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。

3）槽孔撑簧式油环（图2-34a）。在槽孔式油环的内圆面加装撑簧即为槽孔撑簧式油环。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。

4）钢带组合油环（图2-34b）。其结构形式很多，钢带组合油环由上、下刮片和轨形撑簧组合而成。撑簧不仅使刮片与气缸壁贴紧，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，又能防止机油上窜。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。但钢带组合油环需用优质钢制造，成本高。

图2-34 组合式油环简图

3.活塞销

（1）作用 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。

（2）材料与工艺 优质低碳钢或低碳合金钢，渗碳淬火精磨。

（3）工作条件 活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷，在润滑条件很差的情况下工作，其本身又作摆转运动。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厚壁管状体。

（4）构造 活塞销的内孔形状有圆柱形（图2-35b）、两段截锥形（图2-35d）、两段截锥与一段圆柱的组合形（图2-35c）三种。

图2-35 各种内孔形状活塞销

（5）装配形式（图2-36）

图2-36 活塞销装配形式

1）全浮式。

①定义：在正常发动机温度下活塞销在连杆小头孔和活塞销座孔中都能转动，磨损均匀。

②装配：冷装时采用分组选配法，销与销座孔为过渡配合，热装时将活塞放入热水或热油中加热后，迅速将活塞销装入。

2）半浮式。

①定义：活塞销中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，销座孔处浮动，活塞销只能在两端销座内作自由摆动，多用于小轿车。

②装配：加热连杆小头后将销装入，冷态时为过盈配合。

2.4.3.2 连杆组

1.连杆

1）作用：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）材料：大多采用中碳钢或中碳合金钢锻造，少数采用球墨铸铁。

3）组成：

①小头：安装活塞销，连接活塞（全浮式有油沟）。

②杆身：常做成“工”字形断面。

③大头：与曲轴的连杆轴颈相连。大头一般做成分开式，即连杆体大头和连杆盖。

连杆大头切口形式：有平切口（图2-37a）（汽油机）和斜切口（图2-37b）（柴油机）两种，斜切口（30°～60°，一般45°）

图2-37 连杆结构及装配简图

4）连杆大头的定位方式。

①连杆螺栓定位：靠连杆螺栓的光圆柱部分与螺栓孔的配合来定位，连杆大头的定位连接方式如图2-38所示。其定位精度较差，用于切口连杆。

②锯齿形定位：依靠接合面的齿形定位。

③套筒或销定位：依靠套筒或销与连杆体（或大头盖）孔的紧配合定位。

④止口定位：如图2-38左图所示。

2.连杆轴瓦

连杆轴瓦结构简图如图2-39所示。

图2-38 连杆大头的定位连接方式

图2-39 连杆轴瓦结构简图

1—钢背 2—油槽 3—定位凸键 4—减摩合金