新聞主題	活塞連桿組的正確安裝及方向標記

 

引言：活塞連桿組是柴油發電機的關鍵部位，活塞連桿組主要由活塞、活塞環、活塞銷、連枉及連桿軸瓦等組成。活塞連桿組的作用主要是將柴油發電機活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，同時將作用于活塞上的力轉變為曲軸對外輸出的扭矩，保證柴油發電機正常動力輸出。康明斯公司在本文中詳細闡明了活塞連桿組的作用與設計要求，以及部分零件的計算公式。因為活塞連桿組的結構與裝配連接關系是柴油機修理工必須掌握的基礎知識，因此，可通過本文中所述，從而掌握活塞連桿組的裝配與調整的方法。

 

一、活塞連桿組作用與要求

 

      活塞連桿組功用是承受氣缸中的氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉（結構如圖1所示）。因此在已有條件下，通過真實有效地計算分析，得出有益的解決方案成為目前柴油機行業的首選課題，柴油機嚴酷的內部溫度環境和負荷條件使得傳統的設計實驗很難取得令人滿意的效果，為確保設計目標的實現。UG建立了曲柄連桿機構各零部件的幾何模型，在此工作的基礎上，利用G軟件的裝配功能，將曲柄連桿機構的各組成零件裝配成活塞組件、連桿組件和曲軸組件，然后利用利用G軟件的機構分析模塊，建立曲柄連桿機構的多剛體動力學模型，進行運動學分析和動力學分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉動的情況下，活塞和連桿的運動規律以及曲柄連桿機構的運動包絡。仿真結果的分析表明，仿真結果與發動機的實際工作狀況基本一致，文章介紹的仿真方法為曲柄連桿機構的選型、優化設計提供了一種新思路。

1、活塞組的工作條件和設計要求

（1）活塞的機械負荷

      目前發動機向高速發展．活塞組的最大慣性力一般已達柴油機活塞本身重量的300~600倍。周期性變化的慣性力引起發動機的振動，并使連桿組、曲軸組零件特別是軸承負荷加重，導致發動機耐久性下降。為適應機械負荷，設計活塞時要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強度、剛度前提下，結構要盡量簡便、輕巧，截面變化處的過渡要圓滑，以減少應力集中采用強度低比重小的材料。

（2）活塞組的作用與特點

      一般活塞都是圓柱形體，根據不同發動機的工作條件和要求，活塞本身的構造有各種各樣，一般將活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分。

① 活塞頭部

      活塞頭部是指活塞頂端和環槽部分。活塞頂端完全取決于燃燒室的要求，頂端采用平頂或接近平頂設計有利于活塞減少與高溫氣體的接觸面積，使應力分布均勻。多數汽油機采用平頂活塞，有些發動機（例如直噴式柴油機和新型的缸內噴注汽油機）為了混合氣形成的需要，提高燃燒效率，將爆燃減少到最小程度，需要活塞頂端具有較復雜的形狀，設有一定深度的凹坑作為燃燒室的一部分。活塞的凹槽稱為環槽，用于安裝活塞環。活塞環的作用是密封，防止漏氣和防止機油進入燃燒室。

② 活塞裙部

      活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是盡量保持活塞在往復運動中垂直的姿態，也就是活塞的導向部分。活塞裙部的形狀極有講究，尤其是轎車一類的輕型乘用車，設計者從發動機的結構和性能出發，常在活塞裙部上動腦筋，以盡量使發動機結構緊湊運行平穩。

③ 活塞銷座

     活塞銷座是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發動機活塞銷座的特別之處在于銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向一側偏移一點點，即向做功行程時活塞接觸缸壁的一側偏移，這樣當活塞到上止點變換方向后活塞敲擊缸壁的程度會減少，從而減少了發動機噪聲。在整個活塞組與氣缸的配合中，活塞組中真正與氣缸壁接觸的是活塞環，它填補了活塞與氣缸壁間的空隙，以封閉燃燒室，因此它也是發動機中最容易磨損的零件。

④ 活塞環

      活塞環一般由鑄鐵做成，有一定彈性，截面有多種形狀，表面有涂層以增加磨合性能。當發動機運轉時活塞會受熱膨脹，因此活塞環有開口間隙，安裝時為了保持密封性，要將各活塞環的開口間隙位置錯開。一個活塞往往有三至四個活塞環，它們按照作用的不同，分為氣環和油環兩大類。氣環裝在活塞頭部上端的環槽內，用來防止漏氣，將活塞頭部的熱量傳遞到氣缸壁，疏散活塞的熱量。油環的作用是防止潤滑油竄入燃燒室，將氣缸壁上過量的潤滑油刮回到油底殼，它安裝在氣環的下方環槽內。只要保證密封功能的要求，活塞環數目少比數目多好，活塞環數目少既保持了最小的摩擦面積，減少功率損耗，又縮短了活塞的高度，相應也就降低了發動機的高度，目前高速汽油發動機一般是兩道氣環和一道油環[4]。

（3）活塞的潤滑

       活塞在側壓力作用下，在氣缸內高速滑動(活塞平均速度已高達12米／秒)，而缸壁一般均靠飛濺潤滑，因此潤滑條件差，摩擦損失大(活塞組的摩擦損失約占發動機全部摩擦損失的40％），磨損嚴重，易使活塞和活塞環磨損失效。由于活塞在不同工況下具有非常不同的溫度，所以在不同工況下始終保持最佳的配合間隙成為十分復雜的問題。

      活塞是在高負荷、高溫、高速、潤滑不良的條件下工作的，對它的設計要求：

① 要選用熱強度好、耐磨、比重小、熱膨脹系數小、導熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料；

② 有合理的形狀和壁厚。使散熱良好，強度、剛度符合要求，盡量減輕重量，避免應力集中；

③ 保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失；

④ 在不同工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合；

⑤ 減少活塞從燃氣吸收的熱量，而已吸收的熱量則能順利地散走；

⑥ 在較低的機油耗條件下，保證滑動面上有足夠的潤滑油。

      當進行活塞的結構設計時，應著重解決的問題是：

① 改善活塞頂及第一環的工作條件，防止頂部熱裂和環粘結、卡死和過度磨損；

② 改善活塞銷和銷座的實際承載能力，減少磨損，防止破裂；

③ 確定合適的裙部外形和熱膨脹控制措施，提高裙部承載能力和減小配缸間隙，改善磨損并使運轉平順。

2、連桿組零件選擇和設計要求

      連桿組通常由小頭、大頭、桿身、軸瓦和螺栓等部件組成，其零件構成如圖2所示。

（1）連桿的材料

      一般設計連桿的材料采用39Cr5中碳Cr合金鋼，這種采用優點是成本較低，對應力集中不是很敏感，所以模鍛后非配合表面就不太可能引起連桿桿身斷裂的危險。

（2）連桿長度的確定

       連桿長度是設計時應慎重選擇的一個結構參數，它一般用連桿比來表示，即。連桿長度越短，即越大，可降低發動機的高度，減輕活塞件重量和整機重量，能很好的適應發動機的高轉速。但的增大使二級往復慣性力及氣缸側壓力增大，并增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸套相碰的可能性。所以為使發動機的結構緊湊，最合適的連桿長度應該是，在保證連桿及相關機件在運動時不與其他機件相碰的情況下，選取最小的連桿長度。

（3）連桿小頭的設計

      小頭采用薄壁圓環型結構，它的形狀簡單，制造方便，材料能充分利用，受力時應力分布較均勻。小頭到桿身的過渡采用單圓弧過渡。

      小頭的主要尺寸為小頭內徑d1，小頭外徑d2，小頭寬度b1，襯套內徑的d。由于襯套內徑d要和活塞銷相配合，所以其公稱直徑是24mm。

      小頭外徑d2的選取范圍一般是d2=（1.2～1.4）d1，取d2=1.3d1=35mm。

      小頭寬度b1取決于活塞銷間隔B和銷座與連桿小頭的端面間隙。在確定小頭的寬度時候，應使小頭與活塞銷座之間每側都留約1～2mm的間隙，用來彌補機體、曲軸、活塞和連桿等零件在軸向尺寸上可能出現的制造誤差和由于熱膨脹所引起的軸向相對位置的變化。應該盡量使小頭具有足夠的承壓面積，以便使小頭孔與活塞銷之間相互壓緊的單位面積壓力不超過許用值。一般小頭寬度b1的范圍是b1=（0.9～1.2）d，取b1=0.98d=24mm，這樣小頭寬度和銷座之間每側的間隙為1mm。

（4）連桿桿身的設計

      連桿桿身在膨脹行程中承受作用在活塞上的氣體壓力的壓縮作用，在吸氣行程中承受往復慣性力的拉伸作用，當連桿受壓時，有可能發生不穩定彎曲，此外當連桿作高速擺動運動時還要承受本身的橫向慣性力的彎曲作用。實驗證明，彎曲應力實際上不大。可忽略。

      連桿桿身采用工字型截面，工字型截面的長軸位于連桿的擺動平面內。因為工字型截面對材料利用的最為合理，所以應用的也很廣。從鍛造工藝方面看，工字型截面兩臂過薄和圓角半徑過小都是不利的。因為這種連桿鍛造時變形比較大，就有可能產生鍛造裂紋的危險，特別時在工字型截面兩臂邊緣上更易出現裂紋。此外，鍛造這種連桿時磨具磨損也較大。具有邊緣厚并倒圓的工字型截面時比較有利的。

      工字型截面的長軸y-y處于連桿的擺動平面內，使桿身截面對垂直與連桿擺動平面的x軸的慣性矩Jx大與對位于擺動平面的y軸的慣性矩Jy，一般Jx=(2～3)Jy，這樣符合桿身實際受力情況，并有利于桿身向大、小頭過渡。連桿桿身的最大應力一般發生在桿身與大、小頭圓角過渡處，最大壓應力發生在桿身中部。

      考慮上面所述，綜合考慮，確定出下列尺寸：

其中截面寬B=20mm；t=8mm。

截面的高H=（1.2～1.8）B，取H=1.25B=25mm。

（5）連桿大頭的設計

      連桿大頭聯結連桿和曲軸，要求有足夠的強度和剛度，否則將影響薄壁軸瓦和連桿螺栓，甚至整機工作可靠性。為了便于維修，對于像本設計的高速柴油機，連桿必須能從氣缸中取出，故要求大頭在擺動平面內的總寬必須小于氣缸直徑，大頭的外型尺寸又決定了凸輪軸位置和曲軸箱形狀，大頭的重量產生的離心力會使連桿軸徑、主軸承負荷增大，摩擦加劇，有時還為此還不得不增大平衡重，給曲軸設計帶來困難，因此在設計連桿大頭時，應在保證強度、剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。合理確定大頭的結構尺寸和形狀，就是大頭設計的任務。

      大頭的結構與尺寸基本上決定與曲柄銷直徑、長度和連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。所謂的大頭設計，實際上是確定連桿大頭在擺動平面內某些主要尺寸，連桿大頭的剖分形式和定位方式以及大頭蓋的結構設計。

圖1  活塞連桿組矢量圖

圖2  連桿組成結構圖

 

二、活塞連桿組的安裝步驟與要求 

 

1、連桿襯套的安裝

      柴油發電機連桿襯套與連桿小端孔間為過盈配合，安裝時應使用專用胎具在壓力機上完成。連桿襯套有些是成品，裝入后無需加工，而有些是半成品，裝復后需要用專用鉸刀進行加工（圖3）。

（1）根據活塞銷直徑，選用合適的活絡鉸刀，將連桿襯套拆裝器座放在臺式壓床上（如圖4所示），放上連桿并擰緊固定螺栓。

（2）將套管、新襯套和套管放到定位棒上，一手將連桿大頭托平，另一手把住連桿小頭并向下輕壓，使鉸刀的刀口露出襯套端面3～5mm為宜。若刀口露出過多或過少，擰緊并調整連桿襯套拆裝器螺母。

（3）將連桿的油孔和襯套的油孔對準，用臺式壓床安裝襯套。

（5）鉸削時，一手把持連桿小頭向下輕壓，另一手將連桿大頭端平，并均勻用力按順時針方向轉動連桿。當襯套下平面與刀口下方平齊時，停止轉動，用力向下壓連桿小頭，使連桿襯套脫出鉸刀，以免鉸出棱坎。在鉸刀直徑不變的情況下，將連桿調轉方向，重鉸一次。

（6）裝上新襯套后，用磨床加工銷孔，使間隙等于標準值。在鉸削過程中，應隨時用活塞銷試配，防止鉸大。每次的鉸削量不宜過大，一般使鉸刀的調整螺母旋轉60°～90°為宜。

（7）當鉸削到用拇指能將活塞銷輕松推入襯套1/3～1/2部位時，應停止鉸削。再將活塞銷壓入襯套，并夾在臺虎鉗上來回轉動連桿進行研磨2min左右，然后取出活塞銷，根據接觸面積的大小，適當進行修鉸或研磨。如此反復，直到接觸面積和配合間隙均符合技術要求為止。

 

圖3  連桿襯套鉸削示意圖

圖4  連桿襯套的拆卸

 

2、活塞與連桿間的連接

      如圖5所示，在活塞銷和連桿的小頭孔上涂上稀油，將柴油發電機活塞放入70～80℃的熱水中加熱（有些機型無需加熱）數分鐘后，迅速將活塞銷裝入活塞及連桿的銷孔中，然后裝上活塞銷卡環。

注意：連接活塞和連桿時，應保證兩者的朝前標記均指向柴油發電機前部。

（1）安裝連桿，使活塞頂前部標記（如圖6所示）和連桿上的鍛造標記（凸起）朝相同的方向。

（2）用卡環鉗安裝一側的卡環。

（3）在活塞銷上涂足夠的機油，將它推入活塞和連桿小頭。

（4）用卡環鉗裝上活塞銷卡環。

 

圖5 活塞與連桿上的朝前標記

圖6 活塞頂部朝向標記

 

3、活塞環的安裝

      活塞環有氣環和油環兩種。氣環的作用主要是密封和傳熱（如圖7所示），油環起到刮油和布油的作用。它們都是由優質灰鑄鐵或合金鑄鐵制成，第一道環往往鍍鉻，以提高其耐磨性。最下一道活塞環槽以上部位，一般有3～4道環槽。它承受氣壓力并傳給連桿，與活塞環一起實現對汽缸密封，傳熱給汽缸壁。

      如圖8所示，使用活塞環安裝鉗將柴油發電機各道活塞環裝入環槽中。環裝入后應在環槽內轉動靈活、無卡滯現象。

（1）用活塞環鉗安裝活塞環，安裝油環時使環和襯簧的開口相對180°方向。

（2）安裝活塞環時，使標記N面朝上。

注意：各活塞環的形狀是不同的，不要裝錯、當安裝油環襯簧時，確保沒有間隙。

（3）在活塞環、環槽和活塞側面上涂足夠的機油。

（4）每個環槽的端隙需錯開一定角度，三個氣環錯開120°，第一個環的端隙應避開活塞銷座和側壓力高的一側。

 

圖7 活塞環氣環密封面示意圖

圖8 活塞環安裝工具示意圖

 

4、活塞連桿組的裝配

      活塞連桿組（結構如圖1和圖2所示）裝配一般從柴油發電機1、6缸（六缸機）開始，裝配在下止點進行。每盤轉一次曲軸完成兩個氣缸裝配。具體操作如下（以柴油發電機1缸裝配為例）

（1）盤轉曲軸至1缸下止點，用抹布擦拭連桿軸頸、氣缸壁。

（2）在連桿大端和連桿大端蓋上裝好連桿瓦，然后用機油潤滑活塞裙部、活塞環、連桿瓦、活塞銷和氣缸壁。

（3）整體式油環開口與兩氣環開口互錯120°，同時，不要使開口處于活塞銷附近；組合式油環，三道環的四個開口四等分均分圓周，如圖9所示。

（4）將活塞連桿組按正確的方向放入氣缸，然后使用專用的活塞環壓縮器將活塞環壓縮，最后用木錘把將其輕輕推入缸內，如圖10所示。

 

圖9 活塞環開口布置圖

圖10 活塞環連桿組裝入氣缸步驟圖

 

注意：  不得使用金屬沖頭將活塞敲入缸套內。否則會損壞活塞環和缸套。  如果活塞不能順利進入，則拆下活塞并檢查活塞環是否斷裂或損壞。

（5）裝復連桿大端蓋。將連桿和大端蓋上印的相同字碼同側安裝（圖11），然后按規定交替擰緊連桿螺栓至規定力矩。

 注意：  連桿裝復后，用手軸向推動連桿大端，能感到微動為宜，如果完全感覺不到間隙，則應查明原因。  同步兩缸安裝完畢后，應盤轉曲軸檢查阻力大小。如果阻力過大則應查明原因。  所有缸安裝完成后，應將曲軸盤轉到1缸上止點。

 

圖11  連桿大頭相同字碼同側安裝

圖12  柴油機連桿螺栓擰緊示意圖

 

總結：

      活塞連桿組的安裝是發動機裝配過程中的重要環節，正確的安裝可以保證發動機的正常工作。在安裝過程中，需要進行準備工作，包括檢查零件的完好性、清潔工作臺和準備工具。安裝步驟主要包括將活塞與連桿配對、插入活塞銷并擰緊螺母。同時需要注意遵循相關的注意事項，以確保安裝過程的順利進行。只有正確安裝活塞連桿組，才能保證發動機的正常運轉。

 

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