汽车发动机中的活塞和连杆有啥作业？

来源：华体会登入页面    发布时间：2024-07-21 07:54:53

  发动机活塞有如下作用：把爆发力通过连杆传给曲轴；作为连杆小头的导向元件；作为活塞环的支承物，活塞环用于密封活塞与气缸套的间隙；活塞是在十分恶劣的条件下工作的，因此，必须十分精密地加工和安装。它必须有足够的强度以承受爆发力。另外，活塞在曲轴每转一圈要改变一次运动方向，而在方向变化时又希望有较轻的重量，使惯性力减少。

  活塞必须能承受燃烧的高温以及摩擦产生的热，能在气缸内自由滑动。否则，发动机就会过热并可能“卡死”。相反，若配合间隙过大，则会出现活塞摇震敲击。VCR活塞（可变压缩比活塞）对于柴油机，需要有较高的起动压力和较低的工作压力。

  目前，国外已经研制出一种VCR活塞，它易于起动，怠速性能较高，单位体积排量下输出功率增加。如果与普通活塞在相同排量、相同结构的情况下作比较，在加载试验中，普通活塞发动机制动功率为550马力，而VCR活塞发动机制动功率为1475马力。

  可变压缩比的其它零件还包括连杆，它通过连杆轴承内油道滑块传递机油到内活塞。内活塞是个铝制成的模锻件，含有阀和液压油封圈，它与连杆靠活塞销连接。外活塞包含燃烧室和油环。内外活塞总成的运动受活塞卡环限制，它用机械档块阻止活塞超过上止点。当发动机功率和燃烧室压力增加时，上室的油压也增高。

  当压力超过回油阀弹簧压力时，就有一部分润滑油流回曲轴箱内，同时外活塞向下运动。这个运动增加了外活塞与燃烧室的间隙体积。因此，将减少压缩比。这一过程一直持续到外活塞接触内活塞，使压缩比恒定。活塞材料铸铁或钢曾广泛地用来作为活塞材料，它具备极高的强度，能承受高压，具有高于气缸套内工作时候的温度的熔点，可以和铸铁缸体以相同的比例膨胀，在适当的润滑条件下，磨损很小。

  问题是，它的重量太大，在高速的情况下十分不利。现代汽车上，一般会用铝合金作为活塞材料，它比铸铁活塞轻，易于铸造和加工，在气缸套内摩擦不大。在高温下，铝合金比铸铁缸体的热膨胀要快，熔点低。但是，从材料结构方面来看，铝活塞已发展到优点大大超过缺点的地步。

  因此，它几乎广泛地应用于所有的汽车发动机上。重量轻，往复运动零件的惯性力就较小，可以很快加速。惯性力小还减轻高速时的轴承载荷以及对气缸壁的侧向冲击。活塞顶部由于铝的导热性好而冷却快，因此它能够适用于高压缩比的发动机。早期的铝活塞噪音大，因为装配间隙大。当发动机温度未达到正常的时候，就会产生撞击。

  后来由于采用了活塞裙结构、特殊合金以及钢撑杆等，这一难题已经基本解决。铝活塞比铸铁活塞的热传导性能要高，可以很快地把热从燃烧室传走。但是铝活塞熔点较低，当活塞环粘着或破坏活塞环岸和顶面边缘时，活塞就会变形和熔化，或者被热气冲击而脱落，活塞顶部过热造成的破坏猛烈和连续的爆燃（在燃烧室内混合气体在过短的时间内燃烧和爆炸），是造成活塞顶部破坏的原因之一。

  在活塞顶部过热的情况下，铝会变软，从而使活塞环槽变形。为了尽最大可能避免这种情况，通常在铝活塞中添加别的金属成份，以提高强度。特殊的热处理也能大大的提升强度。加入铝中的金属通常有钢、镁、镍和硅等。活塞结构活塞顶或“冠”是承受爆发力的顶面，它可以是平的、凹的、凸的或者别的形状。这些形状，有助于产生涡流，或控制燃烧，在一些结构中，第一环上有一圈很窄的环槽，是隔热槽，它可使传到第一环的热量减少。

  活塞环有两种基本类型：“气环”和“油环”。两者都有不同的结构及形式。活塞上面的环是用来防止因漏气而压力下降的。下面的环是用来控制气缸壁上润滑油的数量的。下面的环槽底部常常开有小孔和长孔，以便从环后面将油排出。环槽之间的活塞部分是活塞环岸，它为活塞提供了一个支座的侧面。活塞的一个主要部分是裙部，它形成与气缸套接触的面积，承受侧压力。

  在活塞某个相对的两侧有冲击发生，冲击严重的一侧是在作功冲程中与向下的曲拐相反的一侧，而冲击轻的一侧是压缩冲程与向上的曲拐相反的一侧，活塞在其内部设有加强筋，以尽可能地提高其强度，活塞销座是活塞销的轴承座，但它不能位于活塞正中的地方。它偏离中心位置最大不超过1.5~1.6毫米，以减少侧向力冲击气缸壁。有些结构中，活塞裙部沿冲击侧向下延长，形成“滑块”活塞。

  这一结构使被冲击侧的气缸壁有较大的面积与活塞相接触。有些活塞的活塞销孔的周围部分被切削掉，或者在其他某些地方削掉一些金属，,以防在活塞过热时膨胀卡死。活塞设计金属活塞裙部常开有不同的切槽，这些切槽位于不受冲击的一侧，以增加活塞裙部的适应性。这些切槽将使起动时温度较低的活塞配合紧密，当运动生热后能膨胀而不产生破坏。合金钢撑杆铸在活塞内，以控制铝活塞膨胀，并保持恒定的间隙。

  有些活塞通常是骨架式的，活塞销孔周围的区域与气缸套通常没有接触。还有一些常称为“钢束”型的活塞，在这类活塞中，将一个钢环铸在铝活塞销孔的上方以控制膨胀，在活塞冷却时，活塞裙部是失圆的（长轴为垂直于活塞销的方向，即所对的侧面为冲击面）；在工作升温时，活塞膨胀，基本变圆。

  活塞在第一环以上的部分常常是这样。即使在整个活塞不是锥形的情况下，上面的环岸直径也都要小于裙部，裙部不需要太大的间隙。大型发动机的活塞顶部在高温下可能变软，对此，一些制造厂采用铁环嵌在第一环上或整个布环域上，活塞顶部表面常设计成不一样的形状，使混合气体产生涡流，以获得高效率燃烧，这对柴油机是很重要的。“墨西哥帽”式结构的活塞。

  该活塞顶部形状是阿利斯·卡尔末柴油机上的活塞的一大特点。这种结构中的喷油嘴在气缸和活塞上方居中布置，喷出的柴油将洒在活塞顶部和活塞边缘，而不是喷在较冷的气缸壁上。这种结构要求燃油与较多的空气混合，以提高燃烧效率。应用于默谢台斯一本茨柴油机的活塞。它的特点是很象开式燃烧室。喷油嘴斜置以产生涡流。另一种是在活塞内形成球形燃烧室，在球内燃烧。

  国外这种活塞被认为属于M系统，油被喷入到球形燃烧室内。除了在一般场合应用外，它还大范围的应用于多燃油发动机上。十字头活塞为了更好的提高活塞寿命和提高承载能力，在柴油机中采用了十字头活塞，这种活塞分为两节，一节是冠部，另一节是裙部。这两节是分离的两个零件，每个部分都有自己的作用，不受无关的机械或热载荷的作用。在该结构里，活塞冠部与裙部可以相互独立地绕同一个活塞销转动。

  这样，燃烧和压缩的力可与侧向冲击力分离。因为两部分分离，由连杆位置变化所产生的侧向冲击力就不可能影响活塞冠。这样，活塞环的磨损将减少，热载荷仅限于活塞冠。在活塞销内将用压力润滑，在活塞销轴承套表面可镀有铅锌合金层。同时，活塞冠下的空室将用油来冷却，以便使冠部冷却。空室内的压力管，将使油面保持在某一要求高度。

  发动机连杆连杆用来将活塞承受的气体力传给曲轴，并使活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。连杆在工作时承受着三方面的作用力，即作用在活塞上的气体力，活塞组和连杆小头的往复运动惯性力，以及连杆本身绕活塞销作变速摆动时的横向惯性力（在连杆摆动平面内），这些力的大小和方向都是周期性改变的。小型单缸汽油机的连杆，为了减轻重量，而又有可靠的强度和刚度，也采用铝合金模锻毛坯制造。

  近年来，我国也采用稀土镁球墨铸铁制造高速柴油机的连杆，效果良好，使制造费用大幅度减少，并且节约了钢材，但连杆外观尺寸比用模锻的钢毛坯制造的大些。连杆主要由小头、杆身和大头三部分所组成，连杆小头通常为短圆管形，但也有些为了与特殊形状的活塞销座相配合，加工成一些特殊形状。连杆小头一般会用半径较大的圆弧与杆身圆滑衔接，以减小过渡处的应力集中。

  在连杆小头孔内通常压配一个耐磨的薄壁衬套，为了润滑衬套与全浮式活塞销的配合表面，在小头和衬套上钻孔或铣槽，这样，可以收集飞溅下来的油雾。为了使有些柴油机的连杆小头衬套与活塞销的摩擦面的润滑更加可靠起见，在杆身内钻一个油道，使从曲轴的曲柄销油孔流出来的润滑油，经过此油道而进入小头衬套。

  如果在这样的连杆小头顶上，再钻一个孔的话，就可以引出小头衬套中的润滑油来冷却活塞顶的底部。有些用曲轴箱进行回流扫气的小型单缸二冲程汽油机，由于连杆小头孔的润滑条件本来就很差，再加上作用在活塞上的气体力又总是把整个活塞组压在小头孔的下侧，因此，多在小头孔内安装滚针轴承，以减少小头孔的不均匀磨损。