活塞连杆组拆装与调整

2.2 活塞连杆组拆装与调整 淮安信息职业技术学院 汽车工程系 2012年 2月 主要内容： 1.活塞 2.活塞环 3.活塞销 4.连杆组 认识活塞连杆组 1、活塞连杆组的组成 活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆、 连杆轴承、连杆螺栓、连杆衬套等组成。 2、活塞连杆组的功用 （ 1）将燃料燃烧的热能转化为机械能。 （ 2）将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。 （ 3）将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的 转矩。 一、活塞 1、活塞的功用 （ 1）与气缸、气缸盖组成燃烧室。 （ 2）承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲 轴旋转。 2、活塞的工作条件 高温、高压、高速、散热条件差、惯性力大。 3、对活塞的要求 （ 1）刚度和强度应足够大，传力可靠。 （ 2）导热性能好，耐高压、高温、磨损。 （ 3）质量较小，尽可能减少往复惯性力。 4、活塞的材料 （ 1）铝合金 质量小，强度大，导热性好。 （ 2）灰铸铁 承压能力强。少数高强度柴油 机采用。 注意点： 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。 5、活塞的结构 （ 1）活塞顶部 位置 第一道活塞环槽以上部分。 功用 燃烧室的组成部分，承受气体压力。 汽油机活塞顶部的形状 柴油机活塞顶部的形状 （ 2）活塞头部（防漏部） 位置 第一道活塞环槽与活塞销孔之间的部分， 即活塞环槽部分。 功用 承受气体压力，安装活塞环，传热。 活塞头部 （ 3）活塞裙部 位置 油环环槽以下部分。 功用 导向，承受侧压力。 活塞裙部 活塞裙部的类型 6、活塞的变形 变形原因 热膨胀、侧压力和气体压力。 变形规律： （ 1） 活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配 缸间隙变小。因活塞温度高于气缸壁，且铝合金 的膨胀系数大于铸铁。 （ 2） 活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上 高下低，壁厚上厚下薄。 （ 3） 裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔 轴线方向。因销座处金属量多而膨胀量大，以及 侧压力作用的结果。 活塞的变形 活塞裙部的变形 为补偿或限制活塞的变形，可采用如下工艺措施： （ 1）活塞裙部椭圆形 （ 2）“上小下大”活塞 （ 3）活塞销座处凹陷 （ 4）双金属活塞 在活塞裙部或销座内嵌铸入钢片，以减少裙 部的膨胀量。 在活塞销座处镶铸恒范钢片的活塞称恒范活塞。 由于恒范活塞在销座处只靠恒范钢片与活塞裙相 连且恒范钢的热膨胀系数只有铝合金的 1/10左右， 因此当温度升高时，在恒范钢片的牵制下，裙部 在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小。 若将普通碳素钢片铸在销座处的铝合金层内侧形 成双金属壁，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。 1）恒范钢片式 活塞销座通过恒范钢片与裙部相连，而恒范钢片（含 镍 33% 36%）的膨胀系数仅为铝合金的十分之一。这样， 使裙部膨胀量大为减少。 2）自动调节式 膨胀系数小的低碳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。 3）筒形钢片式 浇铸时，将钢筒夹在铝合金中，冷凝时钢筒内外侧的 铝合金分别产生“收缩缝隙”和拉应力。工作时因要先消 除“收缩缝隙”和拉应力而膨胀量减小。 镶筒形钢片活塞 镶嵌纤维增强合金圆环的铝活塞 （ 5）开槽活塞 裙部开绝热 -膨胀槽（“ T” 形或形槽），其中横槽叫 绝槽，竖槽叫膨胀槽。 （ 6）拖板活塞 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 。 7、活塞的冷却 （ 1）自由喷射冷却法 从连杆小头上的喷油孔 或从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射机 油。 （ 2）振荡冷却法 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 使机油在槽中产生振荡而冷却活塞。 （ 3）强制冷却法 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。强制冷却法广为增压发动机所采用。 活塞的冷却 8、活塞的表面处理 （ 1）活塞顶进行硬模阳极氧化处理 （ 2）活塞裙部镀锡或镀锌 （ 3）在活塞裙部涂覆石墨 二、活塞环 1、活塞环的类型 油环 气环 2、活塞环的功用 （ 1）气环的功用 密封，传热。 （ 2）油环的功用 布油润滑，辅助密封。 3、活塞环的工作条件 高温、高压、高速、润滑条件极差。 活塞环的平均寿命 6万公里。 4、对活塞环的要求 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。 5、活塞环材料 目前广泛应用的活塞环材料有优质灰铸铁、 球墨铸铁、合金铸铁和钢带等。 （一）气环 1、气环的功用 （ 1）密封：防止气缸内的气体窜入油底壳。 （ 2）传热：将活塞头部的热量传给气缸壁。 （ 3）辅助刮油、布油。 2、活塞环的间隙 1-气缸； 2-活塞环； 3-活塞； 1-开口间隙； 2-侧隙； 3-背隙 活塞环的三个间隙： （ 1）端隙 1 又称开口间隙， 是活塞环装入气缸后开口处的间隙。 一般为 0.25mm-0.50mm； （ 2）侧隙 2 又称边隙，是环 高方向上与环槽之间的间隙。第一 道环因温度高，一般为 0.04mm- 0.10mm；其它气环一般为 0.03mm- 0.07mm。油环一般侧隙较小，一般 为 0.025mm-0.07mm； （ 3）背隙 3 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 0.5mm-1mm。 3、气环的密封原理 活塞环密封面的形成： （ 1）第一密封面的建立 活塞环在自由状态下， 活塞环外径气缸直径，活塞环装入后在其弹力 P0作用下与气缸壁压紧，形成第一密封面。 （ 2）第二密封面的建立 活塞环在运动时产生 惯性力 Pj，与缸壁间产生摩擦力 F，以及侧隙有气 体压力 P1，在这三个力的共同作用下，使环靠在 环槽的上侧或下侧，形成第二密封面。 （ 3）气环的第二次密封 窜入背隙和侧隙的气 体，使活塞环对气缸壁和活塞环槽进一步压紧， 加强了第一、二密封面的密封。 气环的密封原理 4、气环的气环开口形状 （ 1）直开口 工艺性好，但密封性差。 （ 2）阶梯形开口 密封性好，工艺性差。 （ 3）斜开口 密封性和工艺性介于前两种开口 之间，斜角一般为 30 或 45 。 5、气环的断面形状 （ 1）矩形环 特点：结构简单，散热好，磨合性差，但易产生 “ 泵油 ” 作用。 应用：应用最广。 （ 2）锥形环 特点：密封性好，磨合性好，上行有 “ 布油 ” 作用，下行 有 “ 刮油 ” 作用，传热性差。 应用：锥面环传热性差，所以不用作第一道气环，常装到 第二、三道环槽上。 安装：安装时锥角应朝下。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 特点：具有锥形环的特点，减小了泵油作用，作功行程散 热良好。 应用安装：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。 扭曲环工作示意图 （ 4）梯形环 特点：抗粘结性好。 应用：多用于热负荷较大柴油机的第一道气环。 （ 5）桶面环 特点：密封性好，磨合性好，“刮油”效果好。 （ 6）开槽环 开槽环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 顶岸环断面为“ L” 形。因为顶岸环距活塞顶 面近，作功行程时，燃气压力能迅速作用于环的 上侧面和内圆面，使环的下侧面与环槽的下侧面、 外圆面与气缸壁面贴紧，有利于密封 。 各种断面形状气环的优缺点分析 形状 特点 示意图 矩形环 结构简单、制造方便、易于生产、应用面广；但有 泵油作用 扭曲环 断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲，减小泵油作用，减轻磨损 锥面环 减少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；可形成油膜改善润滑，但导热 性差，不适用第一道环 梯形环 可将沉积在环中的结焦挤出，避免环折断，且密封性较好；但加工困难，精度要求高 桶面环 上下均可形成油膜，且对活塞的摆动适应性好，接触面小，利于密封，但外圆为凸圆弧形，加工困难 6、气环的泵油作用 气环的泵油原理 气环的泵 油作用是 有害的 活塞环的 “ 泵油 ” 危害： （ 1）增加了润滑油的消耗。 （ 2）火花塞沾油不跳火。 （ 3）燃烧室积炭增多，燃烧性能变坏。 （ 4）环槽内形成积炭，挤压活塞环而失去密封性。 （ 5）加剧了气缸的磨损。 措施： （ 1）采用扭曲环。 （ 2）采用组合式油环。 （ 3）油环下设减压腔。 （二）油环 1、油环的功用 （ 1）布油润滑：将机油均匀地刮配到气缸壁上 （ 2）刮油：将多余的机油刮下，回流到油底壳。 （ 3）辅助密封：辅助密封气体。 各种结构的油环 2、油环的种类 结构简单，易加 工，成本低 与气缸壁接触压力高， 适应性好，刮油效果强， 但成本高 （ 1） 整体式油环 又称普通油环，其外圆上切有环形槽，槽底 开有回油用的小孔或窄槽。 特点：结构简单，安装方便，刮油能力较差，密 封性较差。 应用：应用逐渐减少，将被组合式油环逐步取代。 （ 2）组合式油环 由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬簧 组成。 特点： 1）密封好。 2）无侧隙，无窜油。 3）刮油能力强。 4）适应性好。 5）回油能力强。 应用：应用广泛。 1-钢片； 2-衬簧； 3-径向衬簧； 4-轴向衬簧； 5-活塞 3、油环的结构型式 槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式 3种 4、油环的断面形状 常见的油环断面形状有切槽断面、倒角断面、组 合断面、螺旋衬簧断面几种形式。 5、油环的刮油作用 油环的刮油作 用是有利的。 三、活塞销 1、活塞销功用 连接活塞和连杆，把活塞所受的力传给连杆。 2、活塞销工作条件 （ 1）承受大小和方向都不断变化的冲击性载荷。 （ 2）润滑条件差。 （ 3）工作温度高。 3、对活塞销的要求 强度高、刚度大、韧性强、耐磨性高、重量轻。 4、活塞销材料 低碳钢或低合金钢，表面渗碳或渗氮处理。 5、活塞销结构 厚壁空心圆柱体 活塞销的内孔形状 6、活塞销连接方式 活塞销连接方式比较： （ 1）全浮式 发动机在正常工作温度下工作时，活塞销与活塞销 座孔、活塞销与连杆小头都是间隙配合，活塞销处于“浮动”状态， 可以自由转动。 注意点： 为防止活塞销轴向窜动，活塞销用卡环进行轴向定位。 装配方法： 活塞销与销座孔在冷态时为过渡配合，采用分组选配法。 采用热装法装配，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 发动机在正常工作温度下工作时，活塞销固定在连 杆小头中或活塞销固定在活塞销座孔中（一般固定连杆小头），活塞 销一处固定，一处浮动，处于“半浮动”状态。 注意点： 活塞销不需要轴向定位。 装配方法： 加热连杆小头后，将活塞销装入，冷态时为过盈配合。 7、活塞销偏置 四、连杆组 连杆与活塞销、活塞间的连接关系 1、连杆组的功用 （ 1）将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。 （ 2）将活塞承受的力传给曲轴。 2、连杆组的工作条件 承受复杂的交变应力。 3、对连杆组的要求 足够的强度、刚度和韧性，质量尽量要小。 4、连杆组的组成 由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等 组成。 （一）连杆体与连杆盖 1、组成构造 2、连杆的材料 合金调质钢、锻造镁合金、稀土镁球铁。 3、连杆的结构特点 （ 1）连杆小头的结构特点 短圆筒形，内 压减摩的连杆小头衬套。 （ 2）连杆杆身结构特点 连杆杆身做成 “ 工 ” 字形断面。 （ 3）连杆大头的结构特点 连杆大头一般做成剖分式，连杆体与连杆盖组合 镗孔，内装连杆轴承。 4、连杆体与连杆盖剖分面形式 （ 1）平切口 多数发动机采用。 （ 2）斜切口 部分柴油机或少数强化汽油机。 5、连杆体与连杆盖的定位方式 （ 1）平切口连杆大头定位方式 精加工连杆螺栓定位。 （ 2）斜切口连杆大头定位方式 6、连杆体与连杆盖的安装要求 （ 1）配对加工，配对安装。 （ 2）不可装反。 （ 3）不同气缸，不可错乱。 7、 V形发动机连杆结构 （二）连杆螺栓 1、连杆螺栓的工作条件和要求 工作时连杆螺栓承受交变载荷，因此在结 构上应尽量增大连杆螺栓的弹性，而在加 工方面要精细加工过渡圆角，消除应力集 中，以提高其抗疲劳强度。 2、连杆螺栓的材料 优质合金钢，连杆螺栓用优质合金钢制造， 如 40Cr、 35CrMo等。经调质后滚压螺纹，表面进 行防锈处理。 3、连杆螺栓的装配要求 分 2-3次均匀地拧紧，最后拧紧至规定扭矩。 4、连杆螺栓的防松措施 防松胶、自锁螺母、防松铁丝、自锁螺栓、双螺母、 螺纹表面镀铜、开口销等。 （三）连杆轴承（俗称“小瓦”） 1、连杆轴承的功用 使连杆轴颈与连杆 大头间保持良好的配合，减小摩擦，加速磨合。 2、连杆轴承的工作条件 （ 1）承受交变载荷。 （ 2）高速摩擦。 （ 3）低速大负荷时润滑条件差。 （ 4）润滑油易变质。 3、连杆轴承的组成构造 连杆轴承一般采用滑动轴承，部分采用滚动轴承。 连杆轴承一般由瓦座和轴瓦两部分组成。 （ 1）瓦座 由轴承座和轴承盖组成。 （ 2）轴瓦 由 1-3mm的低碳钢背和 0.30.7mm的减摩合金 层组成。 翻边连杆轴瓦 4、对钢背的要求 （ 1）足够的强度和刚度。 （ 2）一定的弹性。 5、对减摩合金层的要求 （ 1）足够的疲劳强度。 （ 2）良好的减摩性能。 （ 3）良好的耐蚀性。 （ 4）足够的结合强度。 6、常用的减摩合金材料 滑动轴承合金 （ 1）巴氏合金 常用于符合不大的汽油机。 （ 2）铜基合金 多用于高负荷的柴油机。 （ 3）铝基合金 主要用于柴油机。 （ 4）高锡铝合金 广泛应用于汽油机和柴油机。 7、连杆轴承的结构特点 （ 1）钢背表面粗糙度较低。 （ 2）轴瓦内表面表面粗糙度较低。 （ 3）轴瓦有定位唇与瓦座定位槽定位。 （ 4）轴瓦在自由状态下有一定的自由弹势。 （ 5）轴瓦与瓦座配合过盈。