汽车发动机活塞连杆组原理

活塞连杆组件如图2-15所示，由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承和连杆螺栓等组成。

1.活塞

（1）活塞的功用 活塞是承受气缸中的气体压力，并通过活塞销将此力传给连杆驱动曲轴旋转，活塞顶部还与气缸盖、气缸壁一起组成燃烧室。

（2）活塞的工作特点 活塞直接与高温气体接触，散热条件差，工作时顶部高温达600～700K，且温度分布很不均匀，容易破坏活塞与其相关零件的配合。温度过高，间隙过小，容易造成活塞拉缸；间隙过大，又会导致压缩不良，功率下降，油耗上升。

活塞顶部承受气体压力很大。在做功行程，汽油机的活塞瞬时承受的最大压力值达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，增压发动机可达14～16MPa，并承受侧压力的作用，加速活塞表面的磨损，也容易引起活塞变形。

活塞在气缸内以很高的速度（10～14m/s）往复变速运动，产生很大的惯性力，使活塞受到周期性交变拉伸、压缩和弯曲载荷。

鉴于活塞上述工作特点，要求活塞有足够的刚度和强度，传力可靠，导热性能好，耐高压、高温，耐磨损，质量小，尽可能地减小往复惯性力。因此，汽车发动机的活塞目前一般都采用高强度铝合金，只在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。活塞结构也作了精巧设计。

图2-15 活塞连杆组件

1—活塞 2—活塞环 3—活塞销 4—连杆 5—连杆螺栓 6—连杆盖 7—连杆轴承

（3）活塞的结构 活塞由顶部、头部、槽部和裙部四部分组成，如图2-16所示。

1）活塞顶部。它是燃烧室的组成部分，其形状、位置和大小都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求，其顶部有平顶、凸顶和凹顶三种。

平顶活塞顶部是一个平面，如图2-17a所示。其结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用。

凸顶活塞的顶部凸起，如图2-17b所示，起导向作用，有利于改善换气过程。二行程汽油机常采用凸顶活塞。

凹顶活塞顶部呈凹陷形，有各种形状，如图2-18所示。凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的形成和燃烧。凹坑的大小还可以用来调节发动机的压缩比。

图2-16 活塞的结构

图2-17 活塞顶部形状

a）平顶活塞 b）凸顶活塞

图2-18 凹顶活塞凹坑形状

有些活塞顶打有各种记号，如图2-19所示。用以显示活塞及活塞销的安装和选配要求，应严格按要求进行。

活塞顶常进行硬质阳极氧化处理，以形成高硬度的耐热层，增大热阻，减少活塞顶部的吸热量。

2）活塞头部。活塞第一道气环槽以上的部分，用来承受气体压力和传递热量。有的活塞在头部还加工有隔热槽，如图2-20所示，起隔热作用，将活塞顶的热量分流，把原来由第一活塞环承担的热量传给第二、第三环。

为了加强活塞头部强度，有的铝合金活塞头部铸入纤维增强合金环，如图2-21所示。

图2-19 活塞顶标志

图2-20 活塞隔热槽

图2-21 活塞头部合金环和槽部泄油槽

3）活塞槽部。也称防漏部，是指活塞环槽部分，用以安装活塞环，起密封、传热等作用，一般有2～3道气环槽和1道油环槽，在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。

为了增强环槽的强度和耐磨性，通常在第一、二道环槽处镶嵌保护圈，如图2-22所示。

4）活塞裙部。活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受气体侧压力。

为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁保持比较均匀的间隙，以免在气缸内卡死或加大局部磨损，必须在冷态下预先把活塞裙部加工成特定的形状。

①预先将活塞裙部加工成椭圆形，如图2-23a所示。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。另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴的变形量大于其他方向。为了使裙部在工作时具有正确的圆柱形，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状，椭圆的长轴方向与活塞销座垂直，短轴方向沿活塞销座方向。

图2-22 活塞环槽保护圈

图2-23 活塞裙部结构

a）裙部椭圆 b）锥形 c）阶梯形 d）桶形

②预先将活塞裙部做成锥形、阶梯形或桶形。活塞的温度是上部高、下部低，造成膨胀量上部大、下部小。工作时为了使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锥形（图2-23b）、阶梯形（图2-23c）或桶形（图2-23d）。桶形活塞在任何工作状态下都能得到良好润滑，但加工难度大。

③拖鞋式裙部如图2-24所示。在现代高速汽车发动机上，广泛采用半拖鞋式或拖鞋式裙部。把裙部不受侧压力的两边部分地去掉，即为半拖鞋式裙部，若全部去掉则为拖鞋式裙部，以减小惯性力，减小活塞销座附近的热变形量，称拖鞋式活塞。该结构裙部弹性好，质量小，活塞与气缸的配合间隙较小，能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。

④预先在活塞裙部开槽，如图2-24所示。在裙部开横向的隔热槽，可以减小活塞裙部的受热量；在裙部开纵向的膨胀槽，可以补偿裙部受热后的变形量。槽的形状有“T”形或“Π”形。裙部开纵向膨胀槽后，会使其开槽的一侧刚度变小，在装配时应使其位于做功行程中承受侧压力较小的一侧。通常柴油机活塞受力大，裙部一般不开槽。

⑤裙部铸恒范钢片，如图2-25所示。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铸入热膨胀系数低的恒范钢片。恒范钢为低碳铁镍合金，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。

⑥自动热补偿活塞。若将图2-25中的恒范钢片改为普通碳素钢片铸入，则由于两种金属的热膨胀系数不同，当温度升高时双金属壁发生弯曲，而钢片两端的距离基本不变，从而限制了裙部的热膨胀量。因为这种控制热膨胀的作用随温度升高而增大，所以称这种活塞为自动热补偿活塞。

⑦镶筒形钢片活塞如图2-26所示，在浇注这种活塞时，钢筒夹在铝合金中间，在铝合金冷凝时，由于铝合金的收缩比钢大得多，于是在钢筒与内侧铝合金层之间形成收缩缝隙，而钢筒外侧的铝合金层包紧在钢筒上，使钢筒产生压应力。当发动机工作时，随着活塞温度的升高，首先要消除钢筒与内侧铝合金层之间的收缩缝隙和钢筒与外侧铝合金层的残余应力，然后才向外侧膨胀，结果使整个活塞裙部的热膨胀量相应减小。

图2-24 拖鞋式裙部

图2-25 裙部铸恒范钢片

图2-26 镶筒形钢片的活塞

为了提高裙部摩擦和磨合性能，有的还在活塞裙部表面喷镀石墨、锡或二氧化钼。

（4）活塞的冷却 为了减轻活塞顶部和头部的热负荷，一般采取机油冷却，常见的方法有：

1）喷射冷却。从连杆小头上的喷油孔或从安装在气缸体上的喷油器喷射机油到活塞内表面，如图2-27a、b所示。

2）振荡冷却。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油槽中产生振荡而冷却活塞，如图2-27c所示。

3）强制冷却。在活塞头部铸出冷却油道或铸入冷却油管，使机油在其中强制流动以冷却活塞，如图2-27d、e所示。强制冷却法被增压发动机广泛采用。

图2-27 活塞冷却

a）、b）喷射冷却 c）振荡冷却 d）、e）强制冷却

（5）活塞销孔偏置结构 如图2-28所示，有些高速汽油机的活塞销孔中心线偏离活塞中心线平面，向做功行程中受侧压力的一方偏移了1～2mm。这种结构可使活塞在压缩行程到做功行程较为柔和地从压向气缸的一面过渡到压向气缸的另一面，以减小敲缸的声音。在安装时要注意，活塞销偏置的方向不能装反，否则敲击力会增大，使裙部受损。

2.活塞环

活塞环是具有弹性的开口环，有气环和油环之分。一般一个活塞有2～3道气环和一道油环，如图2-29所示。

图2-28 活塞销孔偏置结构

e—偏移量

图2-29 活塞环

（1）气环

1）气环的作用。气环的作用是保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并且把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，由冷却液带走。

2）气环基本结构。气环基本结构如图2-30所示。

3）气环工作原理。气环开有切口，具有弹性，在自由状态下外径大于气缸内径，它与活塞一起装入气缸后，外表面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，如图2-31所示。被封闭的气体不能通过环周与气缸之间，便进入了环与环槽的空隙，一方面把环压到环槽端面形成第二密封面，另一方面，作用在环背的气体压力又大大加强了第一密封面的密封作用。气环密封效果一般与气环数量有关，汽油机一般采用2道气环，柴油机一般采用3道气环。

图2-30 活塞环各部分名称

图2-31 气环密封原理

4）气环种类。按气环的断面形状分类，常见的有矩形环、扭曲环、锥面环、梯形环、桶面环、开槽环和顶岸环等，如图2-32所示。

图2-32 活塞环截面种类

a）矩形环 b）锥面环 c）、d）上内切正扭曲环 e）下外切正扭曲环 f）下内切反扭曲环 g）梯形环 h）楔形环 i）桶面环 j）开槽环 k）、l）顶岸环

①矩形环如图2-32a所示。其断面为矩形，结构简单，制造方便，易于生产，应用最广。但矩形环随活塞往复运动时，会把气缸壁上的机油不断送入气缸中，如图2-33所示。这种现象称为“气环的泵油作用”。这是因为活塞下行时，由于环与气缸壁的摩擦阻力及环的惯性，环被压靠在环槽的上端面上，气缸壁上的机油被刮入下边隙和内边隙。活塞上行时，环又被压靠在环槽的下端面，结果第一道环背隙里的机油就进入燃烧室，燃烧后形成蓝烟冒出，造成机油消耗量增加。还会在燃烧室内形成积炭，造成气缸、活塞、活塞环磨损加剧，甚至使活塞环在环槽内卡死失效。也会使火花塞积炭，不能正常点火。可见泵油作用是很有害的，必须设法消除。除了在气环的下面装有油环外，广泛采用了非矩形断面的扭曲环。

②锥面环如图2-32b所示。其断面呈锥形，外圆工作面上加工成一个很小的锥面（0.5°～1.5°），减小了环与气缸壁的接触面，提高了表面接触压力，有利于磨合和密封。活塞下行时，便于刮油；活塞上行时，由于锥面的“油楔”作用，能在油膜上“飘浮”过去，减小磨损。(www.xing528.com)

锥面环安装时，不能装反，否则会引起机油上窜。由于锥面环锥角很小，不易分辨，所以在环的上侧面作有标记，如图2-34所示。常见的标志有“0”、“00”、“T1”、“T2”、“R”、“R1”、“R2”、“S”、“2.5”等。一般“R”代表厂标，字母后的“1”、“2”表示安装位置为第一道、第二道活塞环；“S”代表标准环，“2.5”代表修理尺寸为+0.25mm的活塞环。

③扭曲环如图2-32c、d、e、f所示。扭曲环是在矩形环的内圆上边缘或外圆下边缘切去一部分，使断面呈不对称形状，在环的内圆部分切槽或倒角的称内切环，在环的外圆部分切槽或倒角的称外切环。装入气缸后，由于断面不对称，外侧作用力合力F₁（如图2-35b所示）与内侧作用力合力F₂之间有一力臂e，产生了扭曲力矩，使活塞环发生扭曲变形。活塞上行时，扭曲环在残余油膜上“浮过”，可以减小摩擦和磨损。活塞下行时，则有刮油效果，避免机油上窜。同时，由于扭曲环在环槽中上、下跳动的行程缩短，可以减轻“泵油”的副作用。目前被广泛应用于第2道活塞环槽上，安装时必须注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，不能装反。

若将内圆面的上边缘或外圆面的下边缘切除一部分，整个气环将扭曲成碟子形，则称这种环为正扭曲环，如图2-32c、d、e所示；若将内圆面的下边切除一部分，气环将扭曲成盖子形，则称其为反扭曲环，如图2-32 f所示。在环面上切去部分金属称为切台。

图2-33 矩形环泵油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

图2-34 活塞环安装标记

图2-35 扭曲环作用原理

a）矩形环 b）扭曲环

④梯形环如图2-32g所示。其断面呈梯形，工作时，梯形环在压缩行程和做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。缺点是加工困难，精度要求高。楔形环也有梯形环的清除积炭作用，而且因为截面不对称，装入气缸后还会发生扭曲，兼有扭曲环的作用。

⑤桶面环如图2-32i所示。桶面环的外圆为凸圆弧形。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。

⑥开槽环如图2-32j所示。在外圆面上加工出环形槽，在槽内填充能吸附机油的多孔性氧化铁，有利于润滑、磨合和密封。

⑦顶岸环如图2-32k、l所示，断面为“L”形。因为顶岸环距活塞顶面近，如图2-36所示，做功行程时，燃气压力能迅速作用于环的上侧面和内侧面，使环的下面与环槽的下面、外侧面与气缸壁面贴紧，有利于密封，还可以减少汽车尾气HC的排放量。

按气环的开口形状分，主要有直开口、斜开口和阶梯开口等，如图2-37所示。直开口加工容易，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2-36 顶岸环特点

图2-37 活塞环开口形状

a）直开口 b）阶梯开口 c）斜开口

活塞环在高温、高压、高速和润滑极其困难的条件下工作，一直是发动机上使用寿命最短的零件。目前广泛采用合金铸铁铸造，第一道气环外圆面镀铬以提高耐磨性，其余气环一般镀锡或磷化。

（2）油环

1）油环的作用。油环起布油和刮油作用，下行时刮除气缸壁上多余的机油，上行时在气缸壁上铺涂一层均匀的油膜。这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减少活塞、活塞环与气缸壁的摩擦阻力，还能起到封气的辅助作用。

2）油环的种类和结构。油环有槽孔式、槽孔撑簧式和组合式三种。

①槽孔式油环又叫整体式油环。环的外圆柱面中间加工有凹槽，形成上下两道刮油唇，槽中钻有小孔或开切槽，断面形状如图2-38所示。

图2-38 槽孔式油环

②槽孔撑簧式油环。在槽孔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、板弹簧和轨形弹簧三种，如图2-39所示。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2-39 槽孔撑簧式油环

③组合式油环。其结构形式多样，如图2-40所示，一般由上下数片刮油钢片1与中间的扩胀器组成。扩胀器有轨形撑环2、撑簧4、轴向衬环5和径向衬环6等多种形式，它们使刮油钢片紧紧压向气缸壁和活塞环槽。刮油钢片1表面镀铬，很薄，对气缸的比压力大，刮油效果好。而且数片刮油钢片彼此独立，对气缸失圆和活塞变形适应性好，回油通路大，重量轻。近年来汽车发动机上越来越多地采用了组合式油环。缺点主要是制造成本高。

图2-40 组合油环

a）轨形撑油环 b）撑簧油环 c）多撑簧油环 1—上刮片 2—轨形撑环 3—下刮片 4—撑簧 5—轴向衬环 6—径向衬环

3.活塞销

活塞销的作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。

活塞销的结构形式 活塞销的内孔有三种形状：圆柱形、组合形（两段截锥与一段圆柱组合）和两段截锥形，如图2-41所示。

活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有全浮式和半浮式两种方式，如图2-42所示。

图2-41 活塞销

a）活塞销 b）圆柱形内孔 c）组合形内孔 d）两段截锥形内孔

图2-42 活塞销的连接方式

a）全浮式 b）半浮式 1—连杆小头 2—连杆衬套 3—活塞销 4—活塞销座 5—卡环

“全浮式”是指发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，使磨损均匀。为了防止活塞销轴向窜动刮伤气缸壁，在活塞销两端装有卡环5，进行轴向定位。由于铝活塞热膨胀量比钢大，为了保证高温工作时活塞销与活塞销座孔有正常间隙（0.01～0.02mm），在冷态时为过渡配合，装配时，应先把铝活塞加热到一定程度，再把活塞销装入。

“半浮式”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，所以不需要连杆衬套。活塞销不会作轴向窜动，不需要卡环，小乘用车上应用较多。

4.连杆

（1）连杆的功用 其功用是连接活塞与曲轴，将活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。

（2）连杆的结构 连杆由连杆小头2、连杆杆身3和连杆大头5等部分组成，如图2-43所示。

图2-43 连杆的结构

1—连杆衬套 2—连杆小头 3—连杆杆身 4—连杆螺栓 5—连杆大头 6—连杆轴瓦 7—连杆盖 8—连杆轴瓦凸键 9—凹槽

连杆小头与活塞销相连。对全浮式活塞销，由于工作时连杆小头孔与活塞销之间有相对运动，所以在连杆小头孔中压入减磨的青铜连杆衬套1。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。

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。采用压力润滑的连杆，杆身中部制有连通大、小头的油道。

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，如图2-44所示。

平分——分面与连杆杆身轴线垂直，如图2-44a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。

斜分——分面与连杆杆身轴线成30°～60°夹角，如图2-44b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。斜切口的连杆盖安装时应注意方向。

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。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，如图2-45所示。

图2-44 连杆大头

a）平分式 b）斜分式 1—连杆装配标志 2—机油喷孔 3—连杆盖装配标志

图2-45 斜切口连杆定位方法

a）锯齿定位 b）圆销定位 c）套筒定位 d）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，并经精加工和热处理特制而成，

损坏后绝不能用其他螺栓来代替。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力矩，拧紧后还应可靠地锁紧。

连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，如图2-46所示，简称连杆轴承。

轴瓦分上、下两个半片。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。

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。

图2-46 连杆轴承

1—定位凸键 2—减磨合金层 3—钢背 4—油槽

轴瓦材料目前多采用1～3mm的薄壁钢背，在其内表面浇铸有减磨合金层。减磨合金层具有质软，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白合金（巴氏合金）、铜基合金和铝基合金。

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，称为叉形连杆，它有如下三种形式：

1）并列式如图2-47a所示。相对应的左右两缸连杆并列安装在同一连杆轴颈上。

2）主副式如图2-47b所示。一列气缸为主连杆，直接安装在连杆轴颈上，另一列连杆为副连杆，铰接在主连杆大头（或连杆盖）上的两个凸耳之间。

3）叉式如图2-47 c所示。左右对应的两列气缸连杆中，一个连杆大头做成叉形，跨于另一个连杆厚度较小的大头两端。

图2-47 叉形连杆

a）并列式 b）主副式 c）叉式