《汽车发动机构造与维修》讲义任务七 活塞及活塞环、连杆组完成本学习任务后，你应当能：1. 能够描述活塞连杆组的组成部分；2. 能够描述气平衡轴的作用和结构；3. 能够描述活塞的检查学 习 任 务 机体组主要由机体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成机体组是构成发动机的主要骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内外安装着发动机的主要零部件和件一、连杆组组成部分 活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承等组成，如图7-17所示图7-1 活塞连杆组1.活塞活塞是作为一个整体通过锻造或铸造成型后加工而成的通常把活塞分为三个部分，即活塞顶部、活塞头部和活塞裙部，如图7-2所示1）工作条件及要求活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，由于受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。
活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用所以，要求活塞要有足够的刚度和强度；良好的导热性，耐高压、耐高温、耐磨损；重量轻，尽可能减小往复惯性力由于铝合金材料基本上满足上面的要求，因此，活塞一般都采用高强度铝合金图7-2 活塞（2）活塞顶部活塞顶部是燃烧室的底部，承受气体压力，其形状、位置和大小与燃烧室的具体形式有关要满足可燃混合气形成和燃烧的不同要求，活塞顶部形状有平顶、凸顶和凹顶等，如图7-3所示 平顶形 凹顶形 凸顶形图7-3 活塞顶部平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有U形凹坑等在气门升程大的发动机中，为使活塞不与气门发生干涉，常将活塞顶部作一个凹陷的部分由于凹陷太大不利于可燃混合气的流通，从燃烧室的整体考虑应尽量避免出现这种结构凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起气流导向作用，有利于改善换气过程和提高压缩比，常用于二冲程汽油机。
3）活塞头部和活塞环槽活塞头部是活塞环的安装部位，常指第一道活塞环槽到活塞销孔以上的部分，又称防漏部活塞头部具有密封和传热的作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气泄漏到曲轴箱内，同时将部分热量通过活塞环传递到气缸壁为减少活塞头部向裙部的传热，常采用一定的结构措施，如把油环槽内的回油孔设计成相对较长的环槽，具有隔热的作用现代内燃机活塞一般有三道槽(上面两道安装气环，下面一道安装油环)，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的机油经过这些小孔流回油底壳第一道环槽工作条件差，一般应离顶部较远些为减少第一环槽的磨损，需要对其进行耐磨处理或镶嵌铸铁耐磨圈等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，包括装活塞销的销座孔，如图2-18所示为了减轻活塞的质量，高速发动机常将活塞销孔的位置设计得较为靠上活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力活塞裙部的长短取决于侧压力和活塞直径 为减小裙部摩擦，有些活塞在裙部涂有石墨层，如图7-4所示为减小活塞质量，应当尽量缩短活塞裙部的长度，但活塞在往复运动过程中，如果受力不均匀会造成活塞以活塞销为中心的摆动。
为了最大限度地防止这种现象，现代活塞常把与活塞销孔平行的侧面(两侧的推力面)下端的长度加长，即拖板式活塞(图7-5) 图7-4 活塞裙部石墨层 图7-5 拖板式活塞为防止活塞卡住，需要在活塞与气缸壁间留出一定间隙然而，间隙过大，冷车时活塞会敲击气缸壁，甚至漏气或窜机油因此，必须设法使活塞各部位与气缸壁之间有大小合适的间隙可采取的措施主要有：①活塞裙部采用椭圆结构气缸为圆柱形，为使裙部两侧承受压力并与气缸保持小且安全的间隙，活塞在工作时也应保持圆柱形然而，由于活塞裙部的厚度不均匀，在受热时活塞销座孔部分膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大；同时裙部承受侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量大，如图7-6所示如果活塞冷态时裙部为圆形，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，发动机无法正常工作因此，将活塞裙部做成椭圆形，长轴方向与销座孔轴线垂直(图7-7) 图7-6 活塞裙部变形 图7-7活塞裙部椭圆结构②活塞采用锥形结构发动机工作时，沿活塞轴线方向的温度上高下低，热膨胀量上大下小，而活塞在气体压力作用下产生一定的弯曲变形，使下部直径变大，如图7-8所示。
为了使活塞工作时上下直径趋于相等，预先把活塞制成锥形或桶形(图7-9)③活塞采用双金属组合为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些传统汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片有些柴油发动机的活塞头部和裙部采用不同的材料，头部由于温度高、热负荷大等，而采用铸铁或锻钢；裙部相对温度低、热负荷小，采用铝合金，如图7-10所示图7-8 活塞受压变形 图7-9锥形活塞结构 图7-10 双金属活塞④裙部开绝热—膨胀槽活塞裙部上行导向面上开有一膨胀槽，当活塞受热膨胀时该槽就成为伸缩的余地，如图7-11所示裙部受力面上的膨胀槽有半开口与全开口之分，半开口膨胀槽的椭圆度为0.25～0.28mm，全开口膨胀槽的椭圆度为0.12～0.16mm图7-11 开槽活塞（5）活塞销偏置在压缩行程和做功行程中，作用在活塞顶部气体压力的水平分力(侧压力)使活塞压向气缸壁；压缩行程和做功行程气体的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力，做功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力活塞在发动机运行的过程中会敲击缸壁因此，必须解决这个问题有些汽油机把活塞销孔中心线进行偏置活塞销孔中心线向做功行程侧压力方向偏移一定距离，如图7-12所示，e为偏置距离。
活塞所承受的气体作用力与活塞销支承力不在一条线上，产生一旋转力矩M，可使活塞在从压缩行程到做功行程中较为柔和地从压向气缸的一面过渡到另一面，以减小敲缸声安装时，活塞销偏置的方向必须安装正确，否则敲击力增大，使裙部受损图7-12 活塞销是否偏置对工作过程的影响（6）活塞的冷却强化发动机活塞的热负荷大，需要加强对活塞的冷却因此某些发动机在曲轴箱内设置一个喷嘴把润滑油喷到活塞下部也有一些发动机在连杆小头打孔，使润滑油流经曲柄销、连杆中心油道和活塞销后喷到活塞下部，对活塞进行冷却2.活塞环活塞环是具有弹性的开口环，分为气环和油环，如图7-13所示 气环保证气缸壁与活塞间的密封，防止高温燃气漏入曲轴箱，并把从活塞顶部吸收的热量传给气缸壁，防止活塞过热油环在气缸壁上涂上一层均匀的润滑油，并把飞溅到气缸壁上的多余润滑油刮除掉，既可防止机油窜入燃烧室，同时使气缸壁上润滑油膜均匀分布，改善活塞组的润滑条件油环还能起到密封的辅助作用1）工作条件及要求活塞环在高温、高压、高速和润滑困难的条件下工作，特别是第一道环活塞环工作时受到气缸中高温高压燃气的作用，第一道环温度可高达600K活塞环在气缸内随活塞一起高速运动，由于高温下机油可能变质，润滑条件差，难以保证良好的润滑，因此磨损严重。
同时，由于气缸壁的形状误差，活塞环随活塞往复运动时，受到交变应力而易折断因此，要求活塞环弹性好、强度高、耐磨损活塞环采用的材料有耐热不锈钢、优质碳素钢、球墨铸铁、合金铸铁等图7-13 活塞环（2）气环气环在自由状态下外径大于气缸直径，用专用工具将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，活塞环与环槽端面形成第二密封面，作用在环背的气体压力也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，漏气的唯一通道是活塞环的开口间隙，多道活塞环的开口相互错开，形成迷宫似的漏气通道由于侧隙、径向间隙和端隙都比较小，流动阻力大，压力迅速下降，最后漏入曲轴箱的气体很少(图7-14)气环的开口形状将直接影响漏气量，开口形状有直开口、梯形开口、斜切口等气环的断面形状很多，常见的有矩形环、扭曲环、锥面环、梯形环和桶面环等(图7-15)图7-14 气环密封原理①矩形环矩形环的断面为矩形，结构简单，制造方便，易于生产，但是矩形环随活塞往复运动时，会把气缸壁面上的机油不断送入气缸中，这种现象称为气环的泵油现象(图7-16)图7-15 各活塞环断面 图7-16 气环泵油现象原理活塞下行时，气环由于与气缸壁的摩擦阻力及惯性被压靠在环槽的上端面上，气缸壁面上的机油被刮入下边隙和内边隙；活塞上行时，气环又被压靠在环槽的下端面。
第一道环背隙里的机油会进入燃烧室，窜入燃烧室的机油在燃烧室内形成积炭，造成机油的消耗量增加，同时上窜的机油还可能在环槽内形成积炭，使气环在环槽内卡死而失去密封作用，严重时可能会导致气缸壁被划伤和折断现在，广泛采用非矩形断面的扭曲环来消除或减少有害的泵油作用②扭曲环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为内切环，在环的外圆部分切槽或倒角的称为外切环扭曲环装入气缸后，由于断面不对称，产生不平衡力的作用，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动，可以减小摩擦；活塞下行时扭曲环向下刮油，可以避免机油烧掉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”的副作用因此，扭曲环广泛地应用于第二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，如图7-17所示图7-17 扭曲环工作示意图③锥面环锥面环断面呈锥形，外圆工作面上加工有一个很小的锥面，减小了环与气缸壁的接触面积，提高了表面接触压力，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，但不能装反，否则会引起机油上窜。
④梯形环梯形环断面呈梯形，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，经常应用在第一道环上⑤桶面环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，对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性较好，有利于密封3）油环油环（图7-18）的作用是储存一部分机油对活塞与缸壁之间进行润滑并刮除缸壁上多余的机油，防止机油进入燃烧室油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式三种类型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(图7-19)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，成本低图7-18 油环图7-19 槽孔。