第三节 活塞连杆组

1、第三节 活塞连杆组第三节 活塞连杆组 活塞活塞活活塞塞环环活塞销活塞销连杆连杆组组曲轴曲轴 飞轮飞轮组组 活塞 活塞环 活塞销 连杆组活塞、连杆、活塞环、活塞销和连杆等组成。一、活 塞 1. 活塞功用 （1）承受气缸中的燃气压力 （2）将燃气作用力通过活塞销和连杆传给曲轴，推动曲轴旋转 （3）参与组成燃烧室2. 活塞工作条件燃气最燃气最高温度高温度2500K以上以上活塞顶部活塞顶部温度高达温度高达600700K机械强度机械强度显著下降显著下降热膨胀量热膨胀量增大增大（1）直接与高温燃气接触）直接与高温燃气接触（2）承受燃气冲击性高压力(作功行程)瞬瞬时时最最大大压压力力汽油机汽油机35MPa导

2、致活塞导致活塞侧压力大侧压力大引起活塞引起活塞变形变形柴油机柴油机69MPa加速活塞加速活塞表面磨损表面磨损（3）活塞在气缸中高速运动曲柄连曲柄连杆机构杆机构各零件各零件和轴承和轴承承受承受附附加载荷加载荷产生很大产生很大惯性力惯性力平均速度平均速度可达可达1014m/s（4）活塞受力特点气压力气压力周期性周期性变化变化活塞受到活塞受到 交变的交变的拉伸、压缩拉伸、压缩或弯曲载荷或弯曲载荷活塞内部活塞内部 产生产生热应力热应力惯性力惯性力活塞各部温度活塞各部温度极不均匀极不均匀3. 活塞材料及要求 （1）对活塞的要求 足够的强度和刚度，合理的形状和壁厚 活塞质量小、比重小 受热面小，散热好 热

3、膨胀系数小，导热性好 耐磨（2）活塞材料常用常用铝合金铝合金高级铸铁高级铸铁 或耐热钢或耐热钢个别汽车柴油机个别汽车柴油机质量小质量小导热性好导热性好约为铸铁约为铸铁 5070约为铸铁约为铸铁3倍倍优优点点缺缺点点热膨胀系数大热膨胀系数大高温强度硬度下降快高温强度硬度下降快（3）铝活塞成型方法铸造铸造液态液态模锻模锻兼顾锻造与铸造的特点兼顾锻造与铸造的特点高温强度下降较小、成本低高温强度下降较小、成本低易出现气孔、缩松等铸造缺陷易出现气孔、缩松等铸造缺陷强度比铸造高、导热性也较好强度比铸造高、导热性也较好制造成本高制造成本高锻造锻造适用于强化发动机适用于强化发动机消除铸造缺陷和提高毛坯质量消除

4、铸造缺陷和提高毛坯质量4. 活塞构造活塞活塞顶部顶部活塞活塞头部头部活塞活塞裙部裙部（1）活塞顶部（燃烧室组成部分） 汽油机汽油机多采用多采用平顶平顶、有些采用、有些采用凹顶凹顶二冲程汽油机二冲程汽油机多用多用凸顶凸顶柴油机柴油机多采用各种各样的多采用各种各样的凹坑凹坑凸凸顶顶凹凹坑坑平平顶顶凹凹顶顶 汽油机活塞顶部形状平顶平顶 吸热面积吸热面积小、制造小、制造工艺简单工艺简单 凹顶凹顶 改善混合改善混合气形成和气形成和燃烧、调燃烧、调节压缩比节压缩比二冲程汽油机活塞顶部形状凸顶凸顶横流扫气横流扫气回流扫气回流扫气柴油机活塞顶部形状凹坑凹坑形状、位置形状、位置和大小必须和大小必须与与柴油机混柴

5、油机混合气形成合气形成 或与或与燃烧室燃烧室要求要求相适应相适应（2）活塞头部（活塞环槽以上部位）承受气承受气体压力体压力将将热量通热量通过活塞环传过活塞环传给气缸壁给气缸壁与与活塞环活塞环实现实现 气缸密封气缸密封主主要要作作用用环槽环槽环槽护圈环槽护圈可保护和加可保护和加强铝合金活强铝合金活塞环槽塞环槽隔热槽隔热槽(有时有时) 使部分热流转使部分热流转向二、三环向二、三环主主要要结结构构气环气环油环油环热负荷较高发动机采用热负荷较高发动机采用（3）活塞裙部（活塞环槽以下部位） 功用功用椭圆椭圆变形变形为为活塞导向和承受侧压力活塞导向和承受侧压力燃气压力使燃气压力使裙部弯曲变形裙部弯曲变形侧

6、压力使销座侧压力使销座轴线方向增大轴线方向增大热变形使销座热变形使销座轴线方向增大轴线方向增大形形状状和和结结构构裙部椭圆形裙部椭圆形销座附近裙销座附近裙部外表面下陷部外表面下陷销座中镶铸销座中镶铸恒范钢片恒范钢片镶铸筒形钢片镶铸筒形钢片减少销座减少销座 附近热变形附近热变形长轴垂直销座轴线长轴垂直销座轴线牵制裙部热膨胀牵制裙部热膨胀镶复式钢片镶复式钢片柴油机铸铝活塞裙部柴油机铸铝活塞裙部膨胀量很小且均匀膨胀量很小且均匀绝热槽和膨胀槽绝热槽和膨胀槽前者隔热前者隔热 后者弹性后者弹性活塞裙部椭圆形冷态下把冷态下把活塞加工活塞加工成裙部断成裙部断面为长轴面为长轴垂直于活垂直于活塞销方向塞销方向的椭

7、圆形的椭圆形活塞销座附近裙部外表面下陷为减少为减少活塞销活塞销座附近座附近处的热处的热变形量变形量活塞裙部开绝热槽和膨胀槽绝热槽绝热槽 可减可减少活塞头部热少活塞头部热量向裙部扩散量向裙部扩散 膨胀槽膨胀槽 可使可使裙部具有一定裙部具有一定弹性，若开在弹性，若开在油环槽中可兼油环槽中可兼作油孔作油孔活塞裙部铸有恒范钢片恒范钢片恒范钢片含镍含镍33%36% 线膨胀系线膨胀系数约为铸数约为铸铝合金的铝合金的1/10活塞裙部镶铸筒形钢片筒形筒形钢片钢片形状形状活塞裙部镶复式钢片弓形钢片弓形钢片2 2个个在裙部上方受膨胀在裙部上方受膨胀侧压力的那一面镶侧压力的那一面镶入较短的弓形钢片入较短的弓形钢片

8、筒形钢片筒形钢片2 2个个在销座位置铸入裙部在销座位置铸入裙部圆周形状的筒形钢片圆周形状的筒形钢片 活塞销座轴线布置活塞越过上止点时活塞越过上止点时侧压力方向改变会侧压力方向改变会产生产生“敲缸敲缸”噪声噪声可可减轻活塞减轻活塞“敲缸敲缸”噪噪声，但会引起裙部两端声，但会引起裙部两端尖角的磨损或变形增大尖角的磨损或变形增大主主推推力力面面活塞销偏移布置活塞销偏移布置(偏移活塞轴线偏移活塞轴线12mm)活塞销对中布置活塞销对中布置活塞裙部表面处理功用功用改善铝合金活塞的磨合性改善铝合金活塞的磨合性铸铝铸铝活塞活塞汽油机汽油机 裙部外表面镀锡裙部外表面镀锡柴油机柴油机 裙部外表面磷化裙部外表面磷化

9、锻铝锻铝活塞活塞裙部外表面涂石墨裙部外表面涂石墨拖鞋式（拖板式）裙部不仅重量轻，而且具有较大弹性，可使配合间不仅重量轻，而且具有较大弹性，可使配合间隙减小很多。对短行程的高速汽油机更为重要隙减小很多。对短行程的高速汽油机更为重要（3）油冷活塞（高强化柴油机）喷油冷却喷油冷却连杆小头连杆小头喷油冷却喷油冷却压力油管压力油管喷油冷却喷油冷却振荡冷却振荡冷却冷却腔或蛇冷却腔或蛇形管喷油冷形管喷油冷却却强制冷却强制冷却二、活 塞 环 1. 活塞环功用 气环气环 刮油刮油均匀油膜均匀油膜辅助密封辅助密封 油环油环密封密封 导热导热 2. 活塞环工作条件与材料 （1）工作条件工作条件高温高温 高压高压 高

10、速高速及润滑条件极差及润滑条件极差磨损严重磨损严重 发动机零发动机零件中工作寿命最短件中工作寿命最短（2）活塞环材料活塞环材料优质灰铸铁优质灰铸铁合金铸铁合金铸铁球墨铸铁球墨铸铁钢带钢带第一道气环常第一道气环常镀铬镀铬或或喷钼喷钼提高提高耐磨性耐磨性改善改善润滑性润滑性其它气环其它气环磷化磷化或或镀锡镀锡改善改善磨合性磨合性耐磨性耐磨性 3. 气环结构与工作 （1）气环密封原理气环密封原理F1 环环自自身弹力身弹力F1F2F3气缸气缸活塞活塞活塞环活塞环第一第一 密封面密封面第二第二 密封面密封面F2 燃气燃气背压力背压力F3 燃气燃气正压力正压力 （2）气环开口形状直开口直开口工艺性好工艺性

11、好 密封效果差密封效果差阶梯开口阶梯开口斜开口斜开口密封性好密封性好 工艺性较差工艺性较差工艺性密封工艺性密封性介于之间性介于之间 （3）气环断面形状矩形环矩形环锥面环锥面环扭曲环扭曲环反扭曲锥面环反扭曲锥面环梯形环梯形环桶面环桶面环 矩形环l工艺性和导工艺性和导热效果较好热效果较好 但产生但产生泵油泵油作用作用气缸气缸活塞活塞 扭曲环正扭曲环正扭曲环 扭曲成碟扭曲成碟子形子形反扭曲环反扭曲环 扭曲成盖扭曲成盖子形子形内圆上边内圆上边缘切槽缘切槽外圆下边外圆下边缘切槽缘切槽内圆下边内圆下边缘切槽缘切槽扭曲环工作示意进气、压进气、压缩和排气缩和排气行程：行程：环环扭曲，消扭曲，消除泵油现除泵油现

12、象，减轻象，减轻磨损。磨损。作功行作功行程：程：燃燃气压力气压力作用使作用使环不再环不再扭曲，扭曲，与矩形与矩形环相同环相同 锥面环若扭曲环的外圆面为锥若扭曲环的外圆面为锥面则为面则为扭曲锥面环扭曲锥面环，（正反扭曲锥面环）（正反扭曲锥面环） 活塞下行活塞下行时时 能能刮油刮油活塞上行活塞上行时时 锥面油锥面油楔作用浮起，楔作用浮起，减少磨减少磨损，不泵油损，不泵油环的外圆面为锥面，环的外圆面为锥面，理论上为理论上为线接触线接触。 梯形环作功行程中，作功行程中，燃气径向压燃气径向压力力加强了环的密封加强了环的密封 侧向力换向活塞左右摆动侧向力换向活塞左右摆动时，梯形环的时，梯形环的侧隙侧隙发生

13、变发生变化化，将环槽中的胶质挤出，将环槽中的胶质挤出断面为断面为梯形，抗粘结性好梯形，抗粘结性好，避免环被粘结而折断避免环被粘结而折断缺点缺点 上下面精磨工艺复杂上下面精磨工艺复杂 侧隙侧隙侧隙侧隙燃气径向压力燃气径向压力 桶面环其其密封性、磨合性密封性、磨合性、对气对气缸表面的缸表面的适应性适应性都比较好都比较好 桶面环上下运动时桶面环上下运动时 均能形均能形成成楔形油膜楔形油膜，将环浮起，将环浮起，减轻环与气缸壁的磨损减轻环与气缸壁的磨损外圆面为外圆面为外凸圆弧形外凸圆弧形缺点缺点凸圆弧表面加工困难凸圆弧表面加工困难 4. 油环结构与工作 （1）油环刮油原理油环刮油原理 活活塞塞下下行行

14、活活塞塞上上行行气缸气缸活塞活塞气环气环油环油环 （2）油环类型与结构普通普通油环油环组合组合油环油环回油孔回油孔上上刮刮油唇油唇下下刮刮油油唇唇上上刮片刮片下刮片下刮片撑簧撑簧槽孔式槽孔式油环油环槽孔撑簧槽孔撑簧式油环式油环刮油刮油能力强能力强回油通路大回油通路大对对气缸变形气缸变形的适应性好的适应性好 槽孔式油环圆孔型圆孔型弯片型弯片型渠型渠型长孔型长孔型刮油靠刮油靠油环自油环自身弹力身弹力外外圆面加圆面加工环形集工环形集油槽油槽结构简单结构简单加工容易加工容易成本低成本低 槽孔撑簧式油环板形板形撑撑簧油环簧油环轨形撑轨形撑簧油环簧油环螺旋撑螺旋撑簧油环簧油环槽孔式槽孔式油环油环内内圆面圆

15、面加加装装撑簧撑簧增大增大接接触压力触压力提高提高刮刮油能力油能力耐久性耐久性 钢带组合油环接触压力大接触压力大上刮片上刮片下刮片下刮片轨形轨形撑簧撑簧气缸气缸活塞活塞刮油能力强刮油能力强防防机油上窜机油上窜上下刮片能单上下刮片能单独动作独动作 对气缸活塞变对气缸活塞变形适应能力强形适应能力强优质钢成本高优质钢成本高三、活 塞 销（了解） 1. 活塞销功用 连接活塞和连接活塞和连杆连杆将活塞承受的将活塞承受的力传给连杆力传给连杆活塞销活塞销连杆衬套连杆衬套卡环卡环 2. 活塞销工作条件 高温下承受高温下承受很大很大周期性周期性冲击载荷冲击载荷润滑条件差润滑条件差足够的足够的刚度、强刚度、强度和

16、耐磨性度和耐磨性质量尽可能小质量尽可能小销和销孔适当的销和销孔适当的配合间隙配合间隙和良好和良好表面质量表面质量3.活塞销材料和结构 材料材料 结构结构(内孔内孔形状形状)低碳钢或低碳合低碳钢或低碳合金钢金钢外表面渗碳淬硬，外表面渗碳淬硬，再精磨和抛光再精磨和抛光圆柱形圆柱形组合形组合形既提高表面既提高表面硬硬度和耐磨性度和耐磨性 又又保证较保证较高强度高强度和冲击韧性和冲击韧性两段截锥形两段截锥形四、连 杆 组 连杆衬套连杆衬套连杆体连杆体连杆螺栓连杆螺栓连杆轴承连杆轴承上轴瓦上轴瓦连杆轴承连杆轴承下轴瓦下轴瓦连杆盖连杆盖螺母螺母连杆衬套连杆衬套连杆体连杆体连杆轴承连杆轴承上轴瓦上轴瓦连杆轴

17、承连杆轴承下轴瓦下轴瓦连杆盖连杆盖连杆连杆螺栓螺栓集油孔集油孔喷油孔喷油孔1. 连杆组功用活活塞塞曲曲轴轴往复往复运动运动旋转旋转运动运动连连杆杆力力 2. 连杆组工作条件与材料 （1）工作条件工作条件复杂的平面运动复杂的平面运动受受压缩、拉伸和压缩、拉伸和弯曲等交变载荷弯曲等交变载荷（2）材料材料具有足够抗疲劳具有足够抗疲劳强度和结构刚度强度和结构刚度质量应尽可能小质量应尽可能小连杆体连杆体连杆盖连杆盖连杆螺栓连杆螺栓优质中碳钢或优质中碳钢或中碳合金钢中碳合金钢优质合金钢优质合金钢如如45、42CrMo 40Cr 、40MnB如如40Cr、35CrMo 3. 连杆构造 小头小头杆身杆身大头大

18、头小头小头杆身杆身大头大头集油孔集油孔喷油孔喷油孔纵向纵向油道油道 （1）连杆小头与与活塞销连接方式活塞销连接方式全浮式全浮式卡环卡环连杆衬套连杆衬套工作时活塞销微量转动工作时活塞销微量转动活塞销磨损均匀活塞销磨损均匀卡环防活塞销刮伤缸壁卡环防活塞销刮伤缸壁小头压入减摩青铜衬套小头压入减摩青铜衬套加工有集油孔或喷油孔加工有集油孔或喷油孔 半浮式小头与销小头与销紧配合紧配合活塞销在销座孔内转动，在小头孔内不转动活塞销在销座孔内转动，在小头孔内不转动小头孔不装衬套，销孔中也不装卡环小头孔不装衬套，销孔中也不装卡环降低发动机噪声，消除卡环可能引起的事故降低发动机噪声，消除卡环可能引起的事故小头紧小头

19、紧固螺栓固螺栓 连杆小头结构形状 全浮式全浮式 连杆小头连杆小头 楔形全浮式楔形全浮式连杆小头连杆小头 半浮式半浮式 连杆小头连杆小头AA顶部凸起顶部凸起A 调整连杆质量或改变连杆重心调整连杆质量或改变连杆重心 （2）连杆杆身杆身断面杆身断面工字形工字形刚度大刚度大 质量轻质量轻 适于模锻适于模锻 （3）连杆大头剖分形式剖分形式 (连杆大头剖分，用连杆螺栓紧固连杆大头剖分，用连杆螺栓紧固) )平切口平切口斜切口斜切口结合面与连杆轴线垂直结合面与连杆轴线垂直刚度大刚度大 变形小变形小 成本低成本低汽油机采用平切口汽油机采用平切口结合面与连杆轴线成结合面与连杆轴线成3060夹角夹角连杆体能从缸体上端取出连杆体能从缸体上端取出多用于柴油机多用于柴油机 定位方式 （防止连杆盖横向移动）平切口平切口连杆连杆斜切口斜切口连杆连杆连杆螺栓承受连杆螺栓承受较大剪切力易较大剪切力易疲劳破坏疲劳破坏应采用能承应采用能承受横向力的受横向力的定位方法定位方法利用利用连杆螺栓连杆螺栓上上一段精密加工一段精密加工圆圆柱面柱面与精密加工与精密加