山东理工大学：《内燃机设计》课程教学资源（课件讲稿）第二章 曲柄连杆机构 第三节 活塞连杆组

第三节活塞连杆组 第1道气环 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成 2第2道气环 一、活塞 3 组合油环 1、作用：（1)构成燃烧室；.(2)传递动力。 2、要求：(1)活塞质量小：往复惯性力小； 活塞销 (2)热膨胀系数小：冷态装配间隙小，减轻敲缸现象； (3)导热性好：减轻热负荷，第一道环槽不易积碳，活塞 顶不易热裂； . 一5活塞 (4)耐磨：环槽不易磨损，裙部不易磨损； (5)耐高温：高温时机械强度不会下降太多； . 6连杆 (6)足够的刚度和强度：a、销座不会弯曲变形；. 7 连杆螺栓 3、材料与工艺： b、活塞顶不会压碎。. (1)材料：a、共晶铝硅合金（铸铝、锻铝)；. （质量小，导热性好，适用于一般发动机). 8 连杆轴 b、组合式：上半部用钢，下半部用铝合金， 瓦 沉头螺栓连接。. 9连杆盖 1、刚度好，高温强度高；. 仅适用于极少数大 2、热膨胀系数低，配缸间隙小；“功率强化柴油机 3、耐磨（环槽）；. 图2-19活塞连杆组 4、质量居中

第三节 活塞连杆组 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成. 图2-19 活塞连杆组 第1道气环 第2道气环 组合油环 活塞销 活塞 连杆 连杆螺栓 连杆轴 瓦 连杆盖 1、作用：（1）构成燃烧室；. 2、要求：（1）活塞质量小：往复惯性力小；. 3、材料与工艺： a、共晶铝硅合金（铸铝、锻铝）；. （质量小，导热性好，适用于一般发动机）. b、组合式：上半部用钢，下半部用铝合金， 沉头螺栓连接。. 1、刚度好，高温强度高；. 仅适用于极少数大 功率 强化柴油机 一、活塞 （2）传递动力。. （2）热膨胀系数小：冷态装配间隙小，减轻敲缸现象；. （6）足够的刚度和强度： （3）导热性好：减轻热负荷，第一道环槽不易积碳，活塞 顶不易热裂；. （4）耐磨：环槽不易磨损，裙部不易磨损；. （5）耐高温：高温时机械强度不会下降太多；. a、销座不会弯曲变形；. b、活塞顶不会压碎。. （1）材料： 2、热膨胀系数低，配缸间隙小；. 3、耐磨（环槽）；. 4、质量居中

(2)工艺： a、铸造：质量大，加工工序多；. b、锻造：居中； c、模锻：质量小，加工少。. 4、 结构特点：(1)基本结构：由顶部、头部、裙部组成（图2-18所示）。 2 活塞销 活塞销卡环 VVN4NPP7FFJF2711174182F22122* 3 活塞销座 图2一20活塞结构 1一活塞顶部；.2活塞头部；. 3一活塞裙部

（2）工艺： a、铸造：质量大，加工工序多；. 4、结构特点： 图2—20 活塞结构 活塞销座 活塞销 活塞销卡环 b、锻造：居中；. c、模锻：质量小，加工少。. （1）基本结构：由顶部、头部、裙部组成（图2-18所示）。 1—活塞顶部；. 2—活塞头部；. 3—活塞裙部

a、顶部：组成燃烧室，易热裂、压碎，要求加工应光洁，材料应阻热。. 1)平顶：吸热面积小，制造工艺简单（四冲程汽油机）. 2)凸顶： 刚性好、强度高，但吸热面积大，难加工 (二冲程汽油机，凸顶有利于扫气) 3)凹顶：一般适用于车用直喷式柴油机，如O形、四角形燃烧室。 但有的汽油机如桑塔纳2000GSI轿车AJR发动机的活塞顶是凹顶，主要为减少 往复惯性质量，改善混合气形成和燃烧，有时可用来调节发动机的压缩比。 (a)平顶 (b)凹顶 (c)凸顶 图2-20活塞顶形状

a、顶部： １）平顶： （a）平顶. （b）凹顶. （c）凸顶. 图2-20 活塞顶形状 组成燃烧室，易热裂、压碎，要求加工应光洁，材料应阻热。. 但有的汽油机如桑塔纳2000GSI轿车AJR发动机的活塞顶是凹顶，主要为减少 往复惯性质量，改善混合气形成和燃烧，有时可用来调节发动机的压缩比。 吸热面积小，制造工艺简单（四冲程汽油机）. ２）凸顶：刚性好、强度高，但吸热面积大，难加工 （二冲程汽油机，凸顶有利于扫气）. ３）凹顶： 一般适用于车用直喷式柴油机，如形、四角形燃烧室

b、头部：油环槽以上部分。其主要作用是： 1)承受燃气压力，并传给连杆（说明包括活塞销座）；. 2)与活塞环一起实现气缸的密封；，. 3)将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导给气缸体。. 其主要结构特点是： 1)活塞内腔呈流线型，由到活塞顶的最小厚度δ逐渐扩大，并使活塞头部 第一道环槽处于活塞内腔最低位置之上，目的是使活塞顶吸收的热量平 均分摊给各道活塞环，避免第一道活塞环过热；. 2)有的汽油机的活塞在第一道环槽上面，切出一道较环槽窄的隔热槽，隔 断传给第一道活塞环的热流通路，迫使热流方向折转，目的同上； 3)热负荷较高的汽油机活塞一般在第一道 环槽内镶铸耐热材料奥氏体铸铁制造的 护圈，因为第一道环槽温度高，铝合金 材料硬度大幅下降，易磨损，导致燃气 泄漏和窜机油。 4)四冲程汽油机一般2-3道气环，1道油 环，最低一道油环槽内转有许多径向 小孔，气缸壁上多余机油刮下后，经 图2-21活塞环槽护圈 过这些小孔流回油底壳。 (a)一道护圈(b)二道护圈

３）热负荷较高的汽油机活塞一般在第一道 环槽内镶铸耐热材料奥氏体铸铁制造的 护圈，因为第一道环槽温度高，铝合金 材料硬度大幅下降，易磨损，导致燃气 泄漏和窜机油。. 图2-21 活塞环槽护圈 （a）一道护圈（b）二道护圈 ４）四冲程汽油机一般2-3道气环，1道油 环，最低一道油环槽内转有许多径向 小孔，气缸壁上多余机油刮下后，经 过这些小孔流回油底壳。 b、头部：油环槽以上部分。其主要作用是： １）承受燃气压力，并传给连杆（说明包括活塞销座）；. ２）与活塞环一起实现气缸的密封；. ３）将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导给气缸体。. 其主要结构特点是： １）活塞内腔呈流线型，由到活塞顶的最小厚度 逐渐扩大，并使活塞头部 第一道环槽处于活塞内腔最低位置之上，目的是使活塞顶吸收的热量平 均分摊给各道活塞环，避免第一道活塞环过热；. ２）有的汽油机的活塞在第一道环槽上面，切出一道较环槽窄的隔热槽，隔 断传给第一道活塞环的热流通路，迫使热流方向折转，目的同上；

c、裙部：油环槽底面至活塞底端的外圆柱表面。其主要作用是： 1、活塞往复直线运动导向（说明裙部长度不能过短，否则活塞运动时摆头）； 2、承受侧压力（说明裙部应有一定的刚度和承压面积）。 发动机工作时活塞裙部的变形： 1、机械变形：燃气压力作用在活塞顶上，导致销座弯曲变形，裙部挤压变形； 2、热变形：销座附近金属堆积，受热后热膨胀量大。 结论： (a) (2 机械变形和热变 形均使得裙部断面 弯曲变形 挤压变形 变成长轴沿活塞销 方向的椭圆。 (c) C) 销座热变形 T 裙部综合变形 图2-22活塞裙部的椭圆变形

1、活塞往复直线运动导向（说明裙部长度不能过短，否则活塞运动时摆头）；. 2、热变形：销座附近金属堆积，受热后热膨胀量大。. 机械变形和热变 形均使得裙部断面 变成长轴沿活塞销 方向的椭圆。 （ a ） 弯 曲 变 形 （ b ） 挤 压 变 形 （ c ） 销 座 热 变 形 （ d ） 裙 部 综 合 变 图2-22 活塞裙部的椭圆变形 形 c、裙部： 油环槽底面至活塞底端的外圆柱表面。其主要作用是： 2、承受侧压力（说明裙部应有一定的刚度和承压面积）。. 发动机工作时活塞裙部的变形： 1、机械变形：燃气压力作用在活塞顶上，导致销座弯曲变形，裙部挤压变形；. 结论：

冷态敲缸现象： 活塞装配时应留有间隙。 冷态装配间隙若无或过小，则由于 活塞工作时的机械变形和热变形时裙部 直径增大，容易拉伤气缸壁（又称拉 缸)，轻则造成漏气、窜机油，重则活 塞卡死。. 由于冷态装配间隙的存在，. 活塞工作时侧压力方向的交替变化，活 塞越过上止点时，时而是活塞的次推力 面侧贴紧气缸壁（压缩行程时贴紧气缸 壁的一侧)，时而是活塞的主推力面侧 (a)活塞销对中布置 贴紧气缸壁（作功行程时贴紧气缸壁的 一侧)，形成金属敲缸声音，加刷裙部 磨损。显然，发动机冷车时敲缸现象严 重

冷态敲缸现象： （a）活塞销对中布置 冷态装配间隙若无或过小，则由于 活塞工作时的机械变形和热变形时裙部 直径增大，容易拉伤气缸壁（又称拉 缸），轻则造成漏气、窜机油，重则活 塞卡死。. 活塞工作时侧压力方向的交替变化，活 塞越过上止点时，时而是活塞的次推力 面侧贴紧气缸壁（压缩行程时贴紧气缸 壁的一侧），时而是活塞的主推力面侧 贴紧气缸壁（作功行程时贴紧气缸壁的 一侧），形成金属敲缸声音，加剧裙部 磨损。显然，发动机冷车时敲缸现象严 重。 活塞装配时应留有间隙。. 由于冷态装配间隙的存在

减轻冷态敲缸现象的主要结构措施： ()活塞销偏置： 偏向主推力面侧1~2mm: 可使活塞越过上止点之前 就完成推力面侧的换向， 避免峰值压力时刻过渡， 因而可以减轻敲缸现象， 但增加了裙部尖角处的磨 损，常见于汽油机。. (2)减少冷态装配间隙： 通过改进结构措施，制成 反椭圆裙部断面，牵制裙部 工作时的热变形，从而在保 证活塞工作时不拉缸的前提 (b)活塞销负偏置 图2-23 下减小活塞配缸间隙，减轻 活塞销偏置时的工作情况 发动机冷车敲缸现象

偏向主推力面侧1~2mm， 可使活塞越过上止点之前 就完成推力面侧的换向， 避免峰值压力时刻过渡， 因而可以减轻敲缸现象， 但增加了裙部尖角处的磨 损，常见于汽油机。. （b）活塞销负偏置 图2-23 活塞销偏置时的工作情况 减轻冷态敲缸现象的主要结构措施： (1)活塞销偏置： 通过改进结构措施，制成 反椭圆裙部断面，牵制裙部 工作时的热变形，从而在保 证活塞工作时不拉缸的前提 下减小活塞配缸间隙，减轻 发动机冷车敲缸现象。 (2)减少冷态装配间隙：

裙部的结构特点： (1)裙部横断面呈反椭圆形： 活塞裙部加工成短轴沿 活塞销方向，但注意椭圆度 不可过大，否则活塞上下运 动时因棱缘负荷过大易拉伤 气缸壁；. (2)沿高度方向呈上小下大的 (a (b) 圆锥形：上热下冷： 。 (3)裙部次推力面侧 开“T"形槽或“门形 次推力面侧开横向隔热 直槽（油环槽内，兼做泄 油槽)和纵向膨胀补偿斜 槽（避免拉伤气缸壁）； (d) (e)

 次推力面侧开横向隔热 直槽（油环槽内，兼做泄 油槽）和纵向膨胀补偿斜 槽（避免拉伤气缸壁）； （ a ） （ b ） （ c ） （ d ） （ e ） 裙部的结构特点 ： （ 1 ）裙部横断面呈反椭圆形 ：. 活塞裙部加工成短轴沿 活塞销方向，但注意椭圆度 不可过大，否则活塞上下运 动时因棱缘负荷过大易拉伤 气缸壁；. （ 2 ）沿高度方向呈上小下大的 圆锥形 ：上热下冷；. （ 3 ）裙部次推力面侧 开“T”形槽或“ ”形 槽：

(4)销座附近裙部凹陷0.5~1.0mm: 减少此处金属堆积，以减少热变形：. (5)双金属活塞： 销座内侧镶铸热膨胀系数极低的恒范钢片，牵制此处热变形； (6)拖板式裙部： 活塞销座下方挖去大块金属，以减轻往复惯性质量，避免下 止点时活塞裙部下端与曲轴平衡重相碰，并且可使裙部富有弹 性，补偿热变形。 B-B (g) (h) (f) 图2-24活塞裙部的不同形状和结构

活塞销座下方挖去大块金属，以减轻往复惯性质量，避免下 止点时活塞裙部下端与曲轴平衡重相碰，并且可使裙部富有弹 性，补偿热变形。 （f） （g） （h） 图2-24 活塞裙部的不同形状和结构 （4）销座附近裙部凹陷0.5~1.0mm： 减少此处金属堆积，以减少热变形；. 销座内侧镶铸热膨胀系数极低的恒范钢片，牵制此处热变形；. （5）双金属活塞： （6） 拖板式裙部：