康明斯动力设备（深圳）有限公司

一、活塞连杆总成的作用

      柴油发电机的活塞连杆总成用来将燃烧过程中获得的动力传递给曲轴，其三维立体图如1图所示。在该总成上有若干个零件。活塞连杆总成由如下零件组成（如图2所示）：气环、油环、活塞、活塞销和锁止环、连杆、轴承（衬套）、螺栓、轴承盖、螺母。当该轴承置于缸体内时，发动机工作过程中往复运动被传递给曲轴转换成旋转运动。

      活塞连杆组的主要功用是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。在发动机中，活塞在气缸内做往复运动，而曲轴则是以旋转的方式工作。因此，为了将活塞的运动转化为曲轴的运动，需要使用活塞连杆组。活塞连杆组由活塞、连杆和曲轴组成，通过连杆将活塞与曲轴连接起来，从而实现将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。

      活塞连杆组还具有平衡作用。在发动机工作时，活塞的往复运动会产生惯性力，这会对发动机的平衡性产生影响。为了解决这个问题，活塞连杆组采用了对称结构，使得活塞在往复运动时产生的惯性力能够相互抵消，从而保证发动机的平衡性。

      活塞连杆组还具有传递动力的作用。在发动机工作时，活塞的往复运动会产生压缩和爆发力，这些力量需要通过活塞连杆组传递到曲轴上，从而驱动发动机的工作。因此，活塞连杆组的设计和制造质量对发动机的性能和寿命有着重要的影响。

二、活塞功能、要求与工作条件

1、活塞的功能

      活塞与汽缸、汽缸盖组成工作室，并通过活塞销和连杆向曲轴传递机械能。

2、活塞的工作条件与结构

① 活塞工作时，顶部要承受很高的爆发压力。因此，要求活塞应具有足够的强度。

② 活塞承受高温燃气的作用。发动机工作时瞬时产生的高温燃气，其顶部最高温度可达300℃～400℃，整个活塞的温度分布又极不均匀，易产生热应力及疲劳热裂现象。当环槽温度超过220℃时，就会使润滑油变质或炭化，造成活塞环粘结，失去弹性，使活塞迅速磨损以至破裂。

③ 活塞的往复惯性力与转速的平方成正比。活塞在强烈的热负荷和机械负荷作用下，势必引起活塞的热变形和受力变形。

3、对活塞的要求

      必须将活塞总成设计成具有能够在恶劣条件下工作的性能。活塞顶部产生的温度非常高，该热量导致应力和膨胀问题。活塞每分钟上下移动多次，这就产生了高压和应力。为了解决这些情况，大多数活塞都是由铝制成的。铝制活塞比较轻。不过，某些大型发动机，尤其是某些柴油机可能会使用铸铁活塞。这种情况，转速就比较低。

4、活塞膨胀过程

      当燃烧发生在活塞顶部时，某些热量通过活塞体向下传递，这就使活塞膨胀。如果膨胀过大，活塞就可能将汽缸磨损坏。为了补偿膨胀，老式活塞就有一分开式的裙部，如图3所示。当活塞裙部膨胀，开槽就靠紧而不增加尺寸。用于老式发动机的T形槽是另一种控制膨胀的方式。对于这种情况，T形槽阻止热量从头部到裙部的传递，也使膨胀发生在开槽内部。

      某些发动机采用钢环。钢环与铝环的膨胀量不一样。钢环具有调节膨胀或将膨胀量降低至最小的优点。

      凸轮形活塞也用来调节发动机的膨胀量，如图4所示。活塞的基体呈凸轮形或鸡蛋形。随着运转过程中活塞受热，就会变圆。设计此种活塞的目的是使最大膨胀量发生在尺寸B上，而尺寸A仍保持不变。

三、活塞的组成及构造

      活塞由活塞顶、活塞上部（也称防漏部）、活塞裙等部分组成，如图2所示。活塞是一空的铝筒，它的顶部是封闭的，底部是敞开的。它装配在发动机汽缸或缸套内，能够在缸径中交替上下移动。活塞是活塞环的支架。图5、图6所示为活塞的共用零件，包括如下：

（1）环岸：

      顶环上部的活塞部分或者环槽之间的部分。环岸将活塞环限制并支撑在各自的环槽内。

（2）导热槽：

      在某些活塞顶部开的窄槽，用来减少传到顶环槽的热量。在发动机运转过程中，该槽充满了碳，从而减少了传到顶环的热量。导热槽也可设计成活塞上的开槽。

（3）活塞头：

      活塞顶面，在该表面上燃烧气体产生压力。活塞头可以是平的、凹的、凸的或不规则形状的。

（4）活塞销：

      连杆上端和活塞之间的连接部件。这些连接可以有以下几种形式：在活塞上固定，在连杆上浮动；在连杆上固定，在活塞上浮动；在连杆和活塞上全都浮动。第3种形式需要用锁止环将活塞销固定在位。某些活塞销和连杆通过过盈配合连在一起。过盈配合也称作压力配合，是一种连杆外径和活塞销内径相互干扰的配合。也就是说外径比内径小，这样两个零件在装配过程中就必须通过压力结合在一起。

（5）裙部：

      活塞销孔上方第一个环槽和活塞底部之间的活塞部分。裙部形成了与缸壁接触的支撑区域，并与活塞销成90°。

（6）止推面：

      承载活塞载荷的活塞裙部部分。

（7）气环凹槽：

      在活塞周圈上开的凹槽，用来保持气环。

（8）油环凹槽：

     在活塞周圈上开的凹槽，油环凹槽通常要比气环凹槽宽。在油环的底部通常开有孔或槽以使润滑油落回曲轴箱。

（9）活塞销衬套：

      装配在活塞销和活塞之间的衬套。它作为支撑材料大多用在铸铁活塞上。该衬套也可位于连杆总成的小端，通常由铜制成。

四、活塞部件的形状

1、活塞顶

      活塞头部形状根据发动机的不同而有所不同。头部形状用来产生扰流并改变压缩比，通常，小型、低成本的发动机都使用平顶。这种头部接近某些发动机的气门，而发动机要求活塞上必须有为气门留出的凹部区域。另一种类型的头部称作凸顶，用来增加压缩比。盘形的头部也能改变压缩比。图7表示了不同种类型的活塞头部设计。当然还可以采用其他类型的活塞头部，但仅做某些特殊用途。

      活塞顶部承受高温燃气的压力需要有足够的强度。活塞顶常制成各种形状以满足燃烧要求。为防止活塞由于热膨胀而卡死在汽缸中，所以活塞的直径必须小于汽缸直径，以形成必不可少的膨胀间隙。为了减少活塞顶的热量过多的向头部传递，有的活塞在第一道气环槽的上部制有隔热槽。

2、活塞上部

      活塞上部是用来安装活塞环的。上面的2～3道环槽安装气环，下面的1～2道环槽安装油环，油环槽的底面钻有许多小孔，以便刮油环从缸壁上刮下的润滑油经小孔流回油底壳。活塞头部的散热问题是应着重解决的问题。为了降低第一道活塞环的温度，有些柴油发电机活塞的第一道气环上面还有一道绝热槽（有些称避热槽），如图8（a）所示。

3、活塞裙（也称导向部）

     活塞头的下部叫活塞裙，主要是引导活塞在汽缸内作直线运动，并把连杆的侧向力传给汽缸壁，所以应有足够的承压面积。

      活塞裙的上部有活塞销孔，活塞销装在销孔内，为增强活塞销孔的强度，在销孔的内端沿孔的周围制有加强筋，以形成销座。

      自20世纪70年代以来，使发动机变得尽可能小而且动力还要强劲已越来越重要。要达到这个目的的一种方法就是使活塞连杆的高度保持最小，这可以通过缩短连杆来实现。可采用拖鞋式裙部，去掉活塞裙部部分使曲轴上的平衡重碰不到活塞。这种设计就意味着曲轴中心和活塞顶部之间能有较小的距离。由于缸径和冲程仍保持原样，所以发动机的输出功率不受影响。

4、裙部最终加工面

      裙部表面有些粗糙，裙部上加工有小凹槽以使润滑油在凹槽内传递，如图8（b）所示，这有助于活塞裙部在汽缸中上下移动时得到润滑。不过，如果发动机过热，润滑油就会变薄，从而可能导致活塞过度磨损。某些活塞的裙部上具有浸硅表面，浸硅（硅颗粒嵌入到活塞的外表面内）有助于减少裙部与缸壁之间的摩擦。

五、活塞销的作用和安装

1、活塞销作用

      活塞销是用来连接活塞和连杆的，并把活塞所承受的力传给连杆，外形如图9所示。装配后，它的两端支承在活塞销座孔中，中部穿过连杆小头孔与连接杆小头衬套配合工作。 

2、活塞销工作条件

      活塞销在高温下承受很大的周期性冲击负荷，而且润滑条件较差，因此要求强度高而且表面耐磨。为了减小往复惯性力，还要求质量轻。所以活塞销采用优质低碳合金钢，制成空心管状，经渗碳淬火提高表面硬度，最后进行研磨。

3、活塞销安装方法

     活塞销安装的方法有固定和浮式两种。现代大多数柴油发电机都采用浮式活塞销，这种活塞销既可在销座内转动，又可在连杆小头内转动，所以浮式活塞销具有磨损均匀、构造简单、安装方便、使用寿命较长的特点。

（1）为了防止销子的轴向移动，在活塞销座两端的凹槽中放有卡环，进行轴向定位。多数柴油发电机的活塞销都采用激溅润滑。

（2）由于活塞销孔的膨胀系数大于活塞销，所以安装活塞销时，应先将活塞放在温度为70℃～90℃的水或油中加热，然后把销子压入销孔内。

（3）活塞销是用来将活塞连接到连杆上。活塞销可以是压进去的，也可以是全浮式的。如果采用压力配合的活塞销，它是压进连杆内的，在活塞内是自由浮动的。如果采用全浮式活塞，需用两个活塞销锁环将活塞保持在位。