2.3 活塞連桿組

活塞連桿組由活塞、活塞環、活塞銷、連桿、連桿軸瓦等組成，見圖2-14。

1-第一道氣環；2-第二道氣環；3-組合油環；4-活塞銷；5-活塞；6-連桿；7-連桿螺栓；8-連桿軸瓦；9-連桿瓦蓋

2.3.1 活塞組

1.活塞（圖2-15）

活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿，驅使曲軸旋轉，活塞頂部還是燃燒室的組成部分。活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作，直接與高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2500K以上，因此，受熱嚴重，而散熱條件又很差，所以活塞工作時溫度很高，頂部高達600～700K，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程壓力最大，汽油機高達3～5MPa，柴油機高達6～9MPa，這就使得活塞產生沖擊，并承受側壓力的作用；活塞在汽缸內以很高的速度（8～12m/s）往復運動，且速度在不斷地變化，這就產生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會產生變形并加速磨損，還會產生附加載荷和熱應力，同時受到燃氣的化學腐蝕作用。

（1）要求

① 要有足夠的剛度和強度，傳力可靠；

② 導熱性能好，要耐高壓、耐高溫、耐磨損；

③ 質量小，重量輕，盡可能地減小往復慣性力。

鋁合金材料基本上滿足上面的要求，因此，活塞一般都采用高強度鋁合金，但在一些低速柴油機上采用高級鑄鐵或耐熱鋼。

活塞主要由活塞頂部、活塞頭部和活塞裙部三部分組成，見圖2-15。

1-活塞頂；2-活塞頭；3-活塞環；4-活塞銷座；5-活塞銷；6-活塞銷鎖環；7-活塞裙；8-加強肋；9-環槽

活塞頂部承受氣體壓力，它是燃燒室的組成部分，其形狀、位置、大小都和燃燒室的具體形式有關，都是為滿足可燃混合氣形成和燃燒的要求，其頂部形狀可分為四大類，即平頂活塞、凸頂活塞、凹頂活塞和成形頂活塞，見圖2-16

平頂活塞頂部是一個平面，結構簡單，制造容易，受熱面積小，頂部應力分布較為均勻，一般用在汽油機上，柴油機很少采用。

凸頂活塞頂部凸起呈球頂形，其頂部強度高，起導向作用，有利于改善換氣過程，二沖程汽油機常采用凸頂活塞。

凹頂活塞頂部呈凹陷形，凹坑的形狀和位置必須有利于可燃混合氣的燃燒，有雙渦流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等。

活塞頭部指第一道活塞環槽到活塞銷孔以上部分。它有數道環槽，見圖2-17，用以安裝活塞環，起密封作用，又稱為防漏部。柴油機壓縮比高，一般有四道環槽，上部三道安裝氣環，下部安裝油環。汽油機一般有三道環槽，其中有兩道氣環槽和一道油環槽，在油環槽底面上鉆有許多徑向小孔，使被油環從汽缸壁上刮下的機油經過這些小孔流回油底殼。第一道環槽工作條件最惡劣，一般應離頂部較遠些。

活塞頂部吸收的熱量主要也是經過防漏部通過活塞環傳給汽缸壁（見圖2-18和圖2-19），再由冷卻水傳出去。總之，活塞頭部的作用除了用來安裝活塞環外，還有密封作用和傳熱作用，與活塞環一起密封汽缸，防止可燃混合氣漏到曲軸箱內，同時還將70%～80%的熱量通過活塞環傳給汽缸壁。

活塞裙部指從油環槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括裝活塞銷的銷座孔。活塞裙部對活塞在汽缸內的往復運動起導向作用，并承受側壓力。裙部的長短取決于側壓力的大小和活塞直徑。所謂側壓力是指在壓縮行程和做功行程中，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向汽缸壁。壓縮行程和做功行程氣體的側壓力方向正好相反，由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力，所以，做功行程中的側壓力也大大高于壓縮行程中的側壓力（圖2-20）。活塞裙部承受側壓力的兩個側面稱為推力面，它們處于與活塞銷軸線相垂直的方向上。

活塞裙部工作時的變形情況見圖2-21。

（2）結構特點

① 預先做成橢圓形，見圖2-22。

為了使裙部兩側承受氣體壓力并與汽缸保持小而安全的間隙，要求活塞在工作時具有正確的圓柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷座孔部分的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外，裙部承受氣體側壓力的作用，導致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大。這樣，如果活塞冷態時裙部為圓形，那么工作時活塞就會變成一個橢圓，使活塞與汽缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在汽缸內卡住，發動機無法正常工作。因此，在加工時預先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向，這樣活塞工作時趨近正圓。

② 預先做成階梯形、錐形，見圖2-23。

活塞沿高度方向的溫度很不均勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。

③ 活塞裙部開槽，見圖2-24。

為了減小活塞裙部的受熱量，通常在裙部開橫向的隔熱槽，為了補償裙部受熱后的變形量，裙部開有縱向的膨脹槽。槽的形狀有“T”形或“Π”形槽。橫槽一般開在最下一道環槽的下面，裙部上邊緣銷座的兩側（也有開在油環槽之中的），以減小頭部熱量向裙部傳遞，故稱為隔熱槽。豎槽會使裙部具有一定的彈性，從而使活塞裝配時與汽缸間具有盡可能小的間隙，而在熱態時又具有補償作用，不致造成活塞在汽缸中卡死，故將豎槽稱為膨脹槽。裙部開豎槽后，會使其開槽的一側剛度變小，在裝配時應使其位于做功行程中承受側壓力較小的一側。柴油機活塞受力大，裙部一般不開槽。

④ 有些活塞為了減輕質量，在裙部開孔或把裙部不受側壓力的兩邊切去一部分，以減小慣性力，減小銷座附近的熱變形量，形成拖板式活塞或短活塞，見圖2-25。拖板式結構裙部彈性好，質量小，活塞與汽缸的配合間隙較小，適用于高速發動機。

⑤ 為了減小鋁合金活塞裙部的熱膨脹量，有些汽油機活塞在活塞裙部或銷座內嵌入鋼片，見圖2-26。恒范鋼片式活塞的結構特點是，由于恒范鋼為含鎳33%～36%的低碳鐵鎳合金，其膨脹系數僅為鋁合金的1/10，而銷座通過恒范鋼片與裙部相連，牽制了裙部的熱膨脹變形量。

⑥ 有的汽油機上，活塞銷孔中心線是偏離活塞中心線平面的，向做功行程中受主側壓力的一方偏移了1～2mm，見圖2-27。這種結構可使活塞在從壓縮行程轉換到做功行程中較為柔和地從壓向汽缸的一面過渡到壓向汽缸的另一面，以減小敲缸的聲音。在安裝時，這種活塞銷偏置的方向不能裝反，否則換向敲擊力會增大，使裙部受損。

2.活塞環

活塞環（圖2-28）具有彈性的開口環，有氣環和油環之分。

氣環的功用是保證汽缸與活塞間的密封性，防止漏氣，并且把活塞頂部吸收的大部分熱量傳給汽缸壁，由冷卻水帶走。其中密封作用是主要的，因為密封是傳熱的前提。如果密封性不好，高溫燃氣將直接從汽缸表面流入曲軸箱。這樣不但由于環面和汽缸壁面貼合不嚴而不能很好散熱，而且由于外圓表面吸收附加熱量而導致活塞和氣環燒壞。油環起布油和刮油的作用，下行時刮除汽缸壁上多余的機油，上行時在汽缸壁上鋪涂一層均勻的油膜。這樣既可以防止機油竄入汽缸燃燒掉，又可以減少活塞、活塞環與汽缸壁的摩擦阻力，此外，油環還能起到封氣的輔助作用。

活塞環在高溫、高壓、高速和潤滑極其困難的條件下工作，尤其是第一道環最為困難，長期以來，活塞環一直是發動機上使用壽命最短的零件。活塞環工作時受到汽缸中高溫高壓燃氣的作用，溫度很高（特別是第一道環溫度可高達600K），活塞環在汽缸內隨活塞一起作高速運動，加上高溫下機油可能變質，使活塞環的潤滑條件變壞，難以保證良好的潤滑，因而磨損嚴重。另外，由于汽缸壁的錐度和橢圓度，活塞環隨活塞往復運動時，沿徑向會產生一張一縮運動，使活塞環受到交變應力而容易折斷。因此，要求活塞環彈性好、強度高、耐磨損。目前廣泛采用的活塞環材料是合金鑄鐵（在優質灰鑄鐵中加入少量銅、鉻、鉬等合金元素），第一道環鍍鉻，其余環一般鍍錫或磷化。

（1）氣環

氣環開有切口，具有彈性，在自由狀態下外徑大于汽缸直徑。

氣環的密封原理見圖2-29。

1）第一密封面的建立：環在自由狀態下，環外徑＞缸徑，裝缸后在其彈力p0作用下與缸壁壓緊，形成第一密封面。

2）第二密封面的建立：活塞環在運動時產生慣性力pj，與缸壁間產生摩擦力F，以及側隙有氣體壓力p1，在這三個力的共同作用下，使環靠在環槽的上側或下側，形成第二密封面。

3）氣環的第二次密封：竄入背隙和側隙的氣體，使環對缸壁和環槽進一步壓緊，加強了第一、二密封面的密封。

1-第一密封面；2-第二密封面

pA-第一密封面的壓緊力；pB-第二密封面的壓緊力；p-汽缸內氣體壓力；p1-環側氣體壓力；p2-背壓力；p0-環的彈力；pj-環的慣性力；F-環與缸壁的摩擦力

氣環的斷面形狀很多，最常見的有矩形環、扭曲環、錐面環、梯形環和桶面環，見圖2-30。

① 矩形環（圖2-30（a））。

矩形環其斷面為矩形，結構簡單，制造方便，易于生產，應用最廣。但是矩形環隨活塞往復運動時，會把汽缸壁面上的機油不斷送入汽缸中。這種現象稱為活塞環的“泵油作用”（圖2-31）。

活塞下行時，由于環與汽缸壁的摩擦阻力及環的慣性，環被壓靠在環槽的上端面上，汽缸壁面上的油被刮入下邊隙和內邊隙；活塞上行時，環又被壓靠在環槽的下端面。結果第一道環背隙里的機油就進入燃燒室，竄入燃燒室的機油，會在燃燒室內形成積炭，造成機油的消耗量增加，另外上竄的機油也可能在環槽內形成積炭，使環在環槽內卡死而失去密封作用，劃傷汽缸壁，甚至使環折斷，可見泵油作用是很有害的，必須設法消除。為了消除或減少有害的泵油作用，除了在氣環的下面裝有油環外，廣泛采用了非矩形斷面的扭曲環。

② 扭曲環（圖2-30（c）、（d））。

扭曲環是在矩形環的內圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分，使斷面呈不對稱形狀，在環的內圓部分切槽或倒角的稱內切環，在環的外圓部分切槽或倒角的稱外切環。裝入汽缸后，由于斷面不對稱，產生不平衡力的作用，使活塞環發生扭曲變形。活塞上行時，扭曲環使殘余油膜上浮，可以減小摩擦，減小磨損。活塞下行時，則有刮油效果，避免機油燒掉。同時，由于扭曲環在環槽中上、下跳動的行程縮短，可以減輕“泵油”的副作用。目前這種環被廣泛地應用于第2道活塞環槽上，安裝時必須注意斷面形狀和方向，內切口朝上，外切口朝下，不能裝反。

③ 錐面環（圖2-30（b））。

錐面環斷面呈錐形，外圓工作面上加工一個很小的錐面（0.5°～1.5°），減小了環與汽缸壁的接觸面，提高了表面接觸壓力，有利于磨合和密封。活塞下行時，便于刮油；活塞上行時，由于錐面的“油楔”作用，能在油膜上“飄浮”過去，減小磨損。這種環安裝時，不能裝反，否則會引起機油上竄。

④ 梯形環（圖2-30（e））。

梯形環斷面呈梯形，工作時，梯形環在壓縮行程和做功行程隨著活塞受側壓力的方向不同而不斷地改變位置，這樣會把沉積在環槽中的積炭擠出去，避免了環被粘在環槽中而折斷，可以延長環的使用壽命。但其主要缺點是加工困難，精度要求高。

⑤ 桶面環（圖2-30（f））。

桶面環的外圓為凸圓弧形，是近年來興起的一種新型結構。當桶面環上下運動時，均能與汽缸壁形成楔形空間，使機油容易進入摩擦面，減小磨損。由于它與汽缸呈圓弧接觸，故對汽缸表面的適應性和對活塞偏擺的適應性均較好，有利于密封，但凸圓弧表面加工較困難。

（2）油環

油環有普通油環和組合油環兩種，見圖2-32。

① 普通油環（圖2-32（a））

普通油環又叫整體式油環。環的外圓柱面中間加工有凹槽，槽中鉆有小孔或開切槽，當活塞向下運動時，將缸壁上多余的機油刮下，通過小孔或切槽流回曲軸箱；當活塞上行時，刮下的機油仍通過回油孔流回曲軸箱。有些普通環還在其外側上邊制有倒角，使環在隨活塞上行時形成油楔，可起均布潤滑油的作用，下行刮油能力強，減少了潤滑油的上竄。

② 組合式油環（圖2-32（b））。

組合油環由上下兩片側軌環與中間的擴脹器組成，側軌環用鍍鉻鋼片制成，擴脹器的周邊比汽缸內圓周略大一些，可使側軌環緊緊壓向汽缸壁。這種油環的接觸壓力高，對汽缸壁面適應性好，而且回油通路大，質量小，刮油效果明顯。圖2-32（b）所示的組合環由三個刮油鋼片和兩個彈性襯環組成，它具有上述組合環的優點。近年來汽車發動機上越來越多地采用了組合式油環。它的缺點主要是制造成本高。

3.活塞銷（圖2-33）

活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，并把活塞承受的氣體壓力傳給連桿。

活塞銷在高溫下周期地承受很大的沖擊載荷，其本身又作擺轉運動，而且處于潤滑條件很差的情況下工作，因此，要求活塞銷具有足夠的強度和剛度，要求表面韌性好，耐磨性好，質量輕。所以活塞銷一般都做成空心圓柱體，采用低碳鋼和低碳合金鋼制成，外表面經滲碳淬火處理以提高硬度，精加工后進行磨光，有較高的尺寸精度和表面光潔度。

活塞銷的內孔有三種形狀：圓柱形；兩段截錐形；兩段截錐與一段圓柱組合形。

圓柱形孔結構簡單，加工容易，但從受力角度分析，中間部分應力最大，兩端較小，所以這種結構質量較大，往復慣性力大；為了減少質量、往復慣性力，活塞銷做成兩段截錐形孔，接近等強度梁，但孔的加工較復雜；組合形孔的結構介于二者之間。

活塞銷與活塞銷座孔及連桿小頭襯套孔的連接配合有兩種方式見圖2-34：“全浮式”安裝和“半浮式”安裝。

“全浮式”安裝，當發動機工作時，活塞銷、連桿小頭和活塞銷座都有相對運動，這樣，活塞銷能在連桿襯套和活塞銷座中自由擺動，使磨損均勻。為了防止全浮式活塞銷軸向竄動刮傷汽缸壁，在活塞銷兩端裝有擋圈，進行軸向定位。由于活塞是鋁材料，而活塞銷采用鋼材料，鋁比鋼熱膨脹量大，為了保證高溫工作時活塞銷與活塞銷座孔為過渡配合。裝配時，先把鋁活塞加熱到一定程度，然后再把活塞銷裝入，這種安裝方式應用較廣泛。

“半浮式”安裝的特點是活塞中部與連桿小頭采用緊固螺栓連接，活塞銷只能在兩端銷座內作自由擺動，而和連桿小頭沒有相對運動。活塞銷不會作軸向竄動，不需要鎖片。這種方式轎車上應用較多。

2.3.2 連桿

連桿（圖2-35）的功用是連接活塞與曲軸。連桿小頭通過活塞銷與活塞相連，連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連，并把活塞承受的氣體壓力傳給曲軸，使得活塞的往復運動轉變成曲軸的旋轉運動。

1-小頭；2-桿身；3-大頭；4、9-裝配記號（朝前）；5-螺母；6-連桿蓋；7-連桿螺栓；8-軸瓦；10-連桿體；11-襯套；12-集油孔

連桿工作時，承受活塞頂部氣體壓力和慣性力的作用，而這些力的大小和方向都是周期性變化的。因此，連桿受到的是壓縮、拉伸和彎曲等交變載荷。這就要求連桿強度高，剛度大，質量輕。連桿一般都采用中碳鋼或合金鋼經模鍛或輥鍛而成，然后經機加工和熱處理。連桿分為三個部分：即連桿小頭、連桿桿身和連桿大頭（包括連桿蓋）。連桿小頭與活塞銷相連。

對全浮式活塞銷，由于工作時小頭孔與活塞銷之間有相對運動，所以常常在連桿小頭孔中壓入減磨的青銅襯套。為了潤滑活塞銷與襯套，在小頭和襯套上銑有油槽或鉆有油孔以收集發動機運轉時飛濺上來的潤滑油并用以潤滑。有的發動機連桿小頭采用壓力潤滑，在連桿桿身內鉆有縱向的壓力油通道。采用半浮式活塞銷是與連桿小頭緊配合的，所以小頭孔內不需要襯套，也不需要潤滑。

連桿桿身通常做成“I”字形斷面，抗彎強度好，質量輕，大圓弧過渡，且上小下大，采用壓力法潤滑的連桿，桿身中部都制有連通大、小頭的油道。

連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連，大頭有整體式和分開式兩種。一般都采用分開式，分開式又分為平分和斜分兩種。

平分分面與連桿桿身軸線垂直（圖2-36），汽油機多采用這種連桿。因為，一般汽油機連桿大頭的橫向尺寸都小于汽缸直徑，可以方便地通過汽缸進行拆裝，故常采用平切口連桿。

斜分分面與連桿桿身軸線成30°～60°夾角（圖2-37）。柴油機多采用這種連桿。因為，柴油機壓縮比大，連桿受力較大，曲軸的連桿軸頸較粗，相應的連桿大頭尺寸往往超過了汽缸直徑，為了使連桿大頭能通過汽缸，便于拆裝，一般都采用斜切口，最常見的是45°夾角。

1-止口；2-定位套筒；3-定位鋸齒

把連桿大頭分開可取下的部分叫做連桿蓋，連桿與連桿蓋配對加工，加工后，在它們同一側打上配對記號，安裝時不得互相調換或變更方向。為此，在結構上采取了定位措施。平切口連桿蓋與連桿的定位多采用連桿螺栓定位，利用連桿螺栓中部精加工的圓柱凸臺或光圓柱部分與經過精加工的螺栓孔來保證。斜切口連桿常用的定位方法有鋸齒定位、圓銷定位、套筒定位和止口定位。

連桿蓋和連桿大頭用連桿螺栓連在一起，連桿螺栓在工作中承受很大的沖擊力，若折斷或松脫，將造成嚴重事故。為此，連桿螺栓都采用優質合金鋼，并精加工和熱處理特制而成。安裝連桿蓋擰緊連桿螺栓螺母時，要用扭力板手分2～3次交替均勻地擰緊到規定的扭矩，擰緊后還應可靠的鎖緊。連桿螺栓損壞后絕不能用其他螺栓來代替。

為了減小摩擦阻力和曲軸連桿軸頸的磨損，連桿大頭孔內裝有瓦片式滑動軸承，簡稱連桿軸瓦，見圖2-38。軸瓦分上、下兩個半片，目前多采用薄壁鋼背軸瓦，在其內表面澆鑄有耐磨合金層。耐磨合金層具有質軟、容易保持油膜、磨合性好、摩擦阻力小、不易磨損等特點。耐磨合金常采用的有巴氏合金、銅鋁合金、高錫鋁合金。連桿軸瓦的背面有很高的光潔度。半個軸瓦在自由狀態下不是半圓形，當它們裝入連桿大頭孔內時，又有過盈，故能均勻地緊貼在大頭孔壁上，具有很好的承受載荷和導熱的能力，并可以提高工作可靠性和延長使用壽命。

1-鋼背；2-油槽；3-定位凸鍵；4-減摩合金

連桿軸瓦上制有定位凸鍵，供安裝時嵌入連桿大頭和連桿蓋的定位槽中，以防軸瓦前后移動或轉動，有的軸瓦上還制有油孔，安裝時應與連桿上相應的油孔對齊。

V型發動機左右兩個汽缸的連桿安裝在同一個曲柄銷上，其結構隨安裝形式的不同而不同。

（1）并列連桿

兩個完全相同的連桿一前一后并列地安裝在同一個曲柄銷上。連桿結構與上述直列式發動機的連桿基本相同，只是大頭寬度稍小一些。并列連桿的優點是前后連桿可以通用，左右兩列汽缸的活塞運動規律相同。缺點是兩列汽缸沿曲軸縱向須相互錯開一段距離，從而增加了曲軸和發動機的長度。

（2）主副連桿（圖2-39（a））

一個主連桿一個副連桿組成主副連桿，副連桿通過銷軸鉸接在主連桿體或主連桿蓋上。一列汽缸裝主連桿，另一列汽缸裝副連桿，主連桿大頭安裝在曲軸的曲柄銷上。主副連桿不能互換，且副連桿對主連桿作用以附加彎矩。兩列汽缸中活塞的運動規律和上止點位置均不相同。采用主副連桿的V型發動機，其兩列汽缸不需要相互錯開，因而也就不會增加發動機的長度。

（3）叉形連桿（圖2-39（b））

叉形連桿指一列汽缸中的連桿大頭為叉形；另一列汽缸中的連桿與普通連桿類似，只是大頭的寬度較小，一般稱其為內連桿。叉形連桿的優點是兩列汽缸中活塞的運動規律相同，兩列汽缸無須錯開。缺點是叉形連桿大頭結構復雜，制造比較困難，維修也不方便，且大頭剛度較差。

1-副連桿；2-主連桿；3-叉形大頭連桿；4-片形大頭連桿；5-銷釘；6-叉形連桿大頭與連桿蓋的緊固螺釘；7-片形大頭軸瓦；8、9-叉形大頭軸瓦；10-片形大頭連桿蓋；11-叉形大頭連桿蓋