活塞组由活塞、活塞销和活塞环等组成。其作用是承受混合气燃烧后产生的压力,并将此压力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。 活塞： 活塞分为活塞顶部、活塞头部、活塞裙部三部分,如图3-2所示。 1.活塞顶部活塞顶部的类型通常有平顶、凸顶和凹顶三种,如图3-3所示。平顶活塞吸热面积小,制造工艺简单,广泛应用于汽油发动机;凸顶活塞的强度和刚度较高,可以增大压缩比,但吸热面积大,在二冲程发动机上应用较多;凹顶活塞上加工或铸造的凹槽主要用来配合压缩比,其另一个作用是当正时带断裂时保持活塞与气门之间有足够的距离,避免相互撞击(如果没有凹槽,有些发动机在正时带断裂时,活塞就会在上止点附近撞击气门,造成不必要的损失)。
活塞顶部一般都刻有识别标记(图3-4),用以显示活塞装配方向、活塞质量及活塞尺寸等。维修更换活塞时应严格按照标记要求进行。
2.活塞头部最下面一道活塞环槽以上的部分称为活塞头部,其作用有三个:一是承受气体压力,并将压力通过活塞销座、活塞销传给连杆;二是与活塞环一起实现气缸的密封;三是将活塞顶部吸收的热量通过活塞环传到气缸壁。
活寒头部一般有两道气环槽和一道油环槽。气环槽一般具有同样的宽度,油环槽比气环槽宽度大,且槽底加工有回油孔,方便油环刮下的润滑油流回油底壳。
3.活塞裙部活塞裙部主要指油环槽以下的部分,其作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧向压力。活塞裙部要有一定的长度和足够的面积,以保证可靠的导向。活塞裙部的销孔用于安装活塞销。
活塞销：
活塞销用来连接活塞与连杆,分为全浮式和半浮式两种类型,如图3-5所示。
1.全浮式活塞销全浮式活塞销与连杆小头和活塞销座之间都能够相对运动,可以保证连接部件的摩擦面磨损均匀。为了防止全浮式活塞销轴向窜动刮伤气缸壁,在活塞销两端装有定位卡环。
2.半浮式活塞销半浮式活塞销只能在活塞销座孔内转动,活塞销与连杆小头为过盈配合,在连杆小头内不能转动。为了减小质量,活塞销一般是空心的。
3.活塞销偏置通常汽油发动机的活塞销孔中心线偏离活塞中心线,即向作功行程侧向受力面偏移了1~2mm。活塞销偏置可使活塞在从压缩行程到作功行程转换的过程中,减小对气缸壁的敲击和噪声。安装时,应注意活塞销偏置的方向不能装反,否则换向敲击力会增大,使活塞裙部受损。活塞销偏置如图3-6所示。
活塞环：
活塞环的作用如下:密封燃烧室,防止高压气体从活塞处泄漏;刮除气缸壁上多余的润滑油,并在气缸壁涂抹一层均匀的油膜;将活塞的热量传递到气缸壁上,并通过冷却系统进行散热。活塞环分为气环和油环两种类型,气环一般有两道,位于活塞上部,油环位于气环之下,如图3-7所示。
1.气环气环用来封闭燃烧室,防止混合气通过活塞与气缸壁间的缝隙进入曲轴箱。气环一般都标有标记来指示安装方向,安装时必须将有标记的一面朝向活塞顶部。为了避免可燃混合气从活塞环的开口间隙漏出去,在装配时应将各道气环的开口方向互相错开定的角度。由于活塞环在自由状态下不是正圆形,其外廓尺寸比气缸直径大,当活塞环装入气缸后,在其自身的弹力作用下环的外圆面与气缸壁紧贴,从而形成垂直密封面。
如图3-8所示,当活塞向下运动时,活塞环紧贴活塞环槽上端面,形成水平密封面;同理,活塞向上运动时也能形成水平密封面。由于采用多道活塞环,且环的开口相互错开,形成迷宫式漏气通道,所以气体在通道内的流动阻力很大,气体压力迅速下降,最后漏入曲轴箱内的气体就非常少了,一般仅为进气量的0.2%-1.0%(1)活塞环侧隙、背隙和端隙为了防止活塞环受热膨胀卡死在气缸内,活塞环设计有三种间隙,即侧隙、背隙和端隙。活塞环与环槽端面之间的间隙称为侧隙,活塞环宽度与环槽深度的差值称为背隙,活塞环在上止点时环的开口间隙为端隙,如图3-9所示。
活塞环对三隙的要求非常高,如果三隙过大,会导致密封性变差;如果三隙过小,活塞环受热膨胀可能会在环槽内形成卡滞,导致发动机故障(2)活塞环截面形状气环的截面对于气缸的密封和润滑影响很大,不同的发动机对气环密封性的要求也不同,其气环的截面也有差异。气环根据其截面形状分为矩形环、锥面环、扭曲环、梯形环和桶面环,这几种气环的截面如图3-10所示。
1)矩形环矩形环的剖面是矩形,其几何形状简单,在正常工作条件下具有足够的密封性,便于加工,曾被中、小功率柴油发动机广泛采用。随着发动机的日益强化,活塞热负荷增加,热变形增大,活塞摇摆加剧,矩形环在工作中失去与气缸壁的良好贴合,其上缘与气缸壁接触,而下缘离开气缸壁,因而起不到刮油作用,反而向上泵油,增大了润滑油消耗,因此使矩形环的使用受到限制。
2)锥面环锥面环一般用于中间环,锥面环的外圆呈锥形,锥度一般为0.5°~1.5°。锥面环外圆面上加工有一个很小的斜角,这种结构减小了环与气缸壁的接触面积,从而提高了表面接触压力,有利于磨合和密封。安装锥面环时,斜面角不能倒装,否则会导致严重的窜油。3)扭曲环扭曲环包括正扭曲环和反扭曲环,如图3-11所示。正扭曲环是在矩形环的内圆上边缘或外圆下边缘切口,而反扭曲环是在矩形环的内圆下边缘或外圆上边缘倒角。扭曲环装入气缸后,由于环的弹性内力不对称作用而产生明显的断面倾斜,从而使环的边缘与槽的上、下端面接触,提高了表面接触应力,减弱活塞环在环槽内上下窜动而造成的泵油作用,同时增强了密封性。扭曲环常用于第二道气环,安装时必须注意环的断面形状和方向,不能装反。
4)梯形环梯形环的两侧面是倾斜的。梯形环随着活塞上下运动时,在活塞侧压力的作用下,环的侧隙发生变化,能将环槽中的胶状油焦挤出,防止积炭生成。
5)桶面环桶面环的表面形状多呈凸圆弧形。当桶面环上下运动时,均能与气缸壁形成楔形空间使机油容易进入摩擦面,从而使磨损大为降低。桶面环与气缸是圆弧接触,接触面积小,所以对气缸表面和活塞摆动的适应性较好,密封性提高。桶面环的缺点是凸圆弧表面加工较困难。桶面环较多应用于高负荷柴油发动机的第一道环。
2.油环油环安装在气环之下,用来刮落附着在气缸壁上的润滑油,防止润滑油进入燃烧室。油环刮落的润滑油流回油底壳或者用来润滑活塞销(图3-12)。
汽油发动机通常使用组合油环,组合油环由上、下两个刮片和中间的衬环组成,如图3-13所示。衬环具有弹性和张力,其外围直径比气缸的内圆直径略大一些,可将刮片紧紧压向气缸壁。这种油环质量小,回油通路大,刮油效果明显。
