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(fā)電機的關(guān)鍵部位，活塞連桿組主要由活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、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(fā)電機活塞的往復運動(dòng)轉變?yōu)榍S的旋轉運動(dòng)，同時(shí)將作用于活塞上的力轉變?yōu)榍S對外輸出的扭矩，保證柴油發(fā)電機正常動(dòng)力輸出?？得魉构驹诒疚闹性敿氷U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(guān)系是柴油機修理工必須掌握的基礎知識，因此，可通過(guò)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(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿，以推動(dòng)曲軸旋轉（結構如圖1所示）。因此在已有條件下，通過(guò)真實(shí)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(yè)的首選課題，柴油機嚴酷的內部溫度環(huán)境和負荷條件使得傳統的設計實(shí)驗很難取得令人滿(mǎn)意的效果，為確保設計目標的實(shí)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(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行運動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)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(dòng)的情況下，活塞和連桿的運動(dòng)規律以及曲柄連桿機構的運動(dòng)包絡(luò )。仿真結果的分析表明，仿真結果與發(fā)動(dòng)機的實(shí)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(yōu)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(fā)動(dòng)機向高速發(fā)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(fā)動(dòng)機的振動(dòng)，并使連桿組、曲軸組零件特別是軸承負荷加重，導致發(fā)動(dòng)機耐久性下降。為適應機械負荷，設計活塞時(shí)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(jiǎn)便、輕巧，截面變化處的過(guò)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(diǎn)

      一般活塞都是圓柱形體，根據不同發(fā)動(dòng)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(xiāo)座三個(gè)部分。

① 活塞頭部

      活塞頭部是指活塞頂端和環(huán)槽部分?；钊敹送耆Q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(fā)動(dòng)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?；钊陌疾鄯Q(chēng)為環(huán)槽，用于安裝活塞環(huán)?；钊h(huán)的作用是密封，防止漏氣和防止機油進(jìn)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(dòng)中垂直的姿態(tài)，也就是活塞的導向部分?；钊共康男螤顦O有講究，尤其是轎車(chē)一類(lèi)的輕型乘用車(chē)，設計者從發(fā)動(dòng)機的結構和性能出發(fā)，常在活塞裙部上動(dòng)腦筋，以盡量使發(fā)動(dòng)機結構緊湊運行平穩。

③ 活塞銷(xiāo)座

     活塞銷(xiāo)座是活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發(fā)動(dòng)機活塞銷(xiāo)座的特別之處在于銷(xiāo)座孔不一定與活塞在同一中心線(xiàn)平面上，可向一側偏移一點(diǎn)點(diǎn)，即向做功行程時(shí)活塞接觸缸壁的一側偏移，這樣當活塞到上止點(diǎn)變換方向后活塞敲擊缸壁的程度會(huì )減少，從而減少了發(fā)動(dòng)機噪聲。在整個(gè)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(huán)，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(fā)動(dòng)機中最容易磨損的零件。

④ 活塞環(huán)

      活塞環(huán)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(fā)動(dòng)機運轉時(shí)活塞會(huì )受熱膨脹，因此活塞環(huán)有開(kāi)口間隙，安裝時(shí)為了保持密封性，要將各活塞環(huán)的開(kāi)口間隙位置錯開(kāi)。一個(gè)活塞往往有三至四個(gè)活塞環(huán)，它們按照作用的不同，分為氣環(huán)和油環(huán)兩大類(lèi)。氣環(huán)裝在活塞頭部上端的環(huán)槽內，用來(lái)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(huán)的作用是防止潤滑油竄入燃燒室，將氣缸壁上過(guò)量的潤滑油刮回到油底殼，它安裝在氣環(huán)的下方環(huán)槽內。只要保證密封功能的要求，活塞環(huán)數目少比數目多好，活塞環(huán)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(fā)動(dòng)機的高度，目前高速汽油發(fā)動(dòng)機一般是兩道氣環(huán)和一道油環(huán)[4]。

（3）活塞的潤滑

       活塞在側壓力作用下，在氣缸內高速滑動(dòng)(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(fā)動(dòng)機全部摩擦損失的40％），磨損嚴重，易使活塞和活塞環(huán)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(wèn)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(dòng)面上有足夠的潤滑油。

      當進(jìn)行活塞的結構設計時(shí)，應著(zhù)重解決的問(wèn)題是：

① 改善活塞頂及第一環(huán)的工作條件，防止頂部熱裂和環(huán)粘結、卡死和過(guò)度磨損；

② 改善活塞銷(xiāo)和銷(xiāo)座的實(shí)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(yōu)點(diǎn)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(cháng)度的確定

       連桿長(cháng)度是設計時(shí)應慎重選擇的一個(gè)結構參數，它一般用連桿比來(lái)表示，即。連桿長(cháng)度越短，即越大，可降低發(fā)動(dòng)機的高度，減輕活塞件重量和整機重量，能很好的適應發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機的結構緊湊，最合適的連桿長(cháng)度應該是，在保證連桿及相關(guān)機件在運動(dòng)時(shí)不與其他機件相碰的情況下，選取最小的連桿長(cháng)度。

（3）連桿小頭的設計

      小頭采用薄壁圓環(huán)型結構，它的形狀簡(jiǎn)單，制造方便，材料能充分利用，受力時(shí)應力分布較均勻。小頭到桿身的過(guò)渡采用單圓弧過(guò)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(xiāo)相配合，所以其公稱(chēng)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(xiāo)間隔B和銷(xiāo)座與連桿小頭的端面間隙。在確定小頭的寬度時(shí)候，應使小頭與活塞銷(xiāo)座之間每側都留約1～2mm的間隙，用來(lái)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(xiāo)之間相互壓緊的單位面積壓力不超過(guò)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(xiāo)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(shí)，有可能發(fā)生不穩定彎曲，此外當連桿作高速擺動(dòng)運動(dòng)時(shí)還要承受本身的橫向慣性力的彎曲作用。實(shí)驗證明，彎曲應力實(shí)際上不大?？珊雎?。

      連桿桿身采用工字型截面，工字型截面的長(cháng)軸位于連桿的擺動(dòng)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(guò)薄和圓角半徑過(guò)小都是不利的。因為這種連桿鍛造時(shí)變形比較大，就有可能產(chǎn)生鍛造裂紋的危險，特別時(shí)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(shí)磨具磨損也較大。具有邊緣厚并倒圓的工字型截面時(shí)比較有利的。

      工字型截面的長(cháng)軸y-y處于連桿的擺動(dòng)平面內，使桿身截面對垂直與連桿擺動(dòng)平面的x軸的慣性矩Jx大與對位于擺動(dòng)平面的y軸的慣性矩Jy，一般Jx=(2～3)Jy，這樣符合桿身實(shí)際受力情況，并有利于桿身向大、小頭過(guò)渡。連桿桿身的最大應力一般發(fā)生在桿身與大、小頭圓角過(guò)渡處，最大壓應力發(fā)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(lián)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(dòng)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(chǎn)生的離心力會(huì )使連桿軸徑、主軸承負荷增大，摩擦加劇，有時(shí)還為此還不得不增大平衡重，給曲軸設計帶來(lái)困難，因此在設計連桿大頭時(shí)，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(wù)。

      大頭的結構與尺寸基本上決定與曲柄銷(xiāo)直徑、長(cháng)度和連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。所謂的大頭設計，實(shí)際上是確定連桿大頭在擺動(dòng)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(fā)電機連桿襯套與連桿小端孔間為過(guò)盈配合，安裝時(shí)應使用專(zhuān)用胎具在壓力機上完成。連桿襯套有些是成品，裝入后無(wú)需加工，而有些是半成品，裝復后需要用專(zhuān)用鉸刀進(jìn)行加工（圖3）。

（1）根據活塞銷(xiāo)直徑，選用合適的活絡(luò )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(guò)多或過(guò)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(shí)，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(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)連桿。當襯套下平面與刀口下方平齊時(shí)，停止轉動(dòng)，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(xiāo)孔，使間隙等于標準值。在鉸削過(guò)程中，應隨時(shí)用活塞銷(xiāo)試配，防止鉸大。每次的鉸削量不宜過(guò)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(xiāo)輕松推入襯套1/3～1/2部位時(shí)，應停止鉸削。再將活塞銷(xiāo)壓入襯套，并夾在臺虎鉗上來(lái)回轉動(dòng)連桿進(jìn)行研磨2min左右，然后取出活塞銷(xiāo)，根據接觸面積的大小，適當進(jìn)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(shù)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(xiāo)和連桿的小頭孔上涂上稀油，將柴油發(fā)電機活塞放入70～80℃的熱水中加熱（有些機型無(wú)需加熱）數分鐘后，迅速將活塞銷(xiāo)裝入活塞及連桿的銷(xiāo)孔中，然后裝上活塞銷(xiāo)卡環(huán)。

注意：連接活塞和連桿時(shí)，應保證兩者的朝前標記均指向柴油發(fā)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(huán)鉗安裝一側的卡環(huán)。

（3）在活塞銷(xiāo)上涂足夠的機油，將它推入活塞和連桿小頭。

（4）用卡環(huán)鉗裝上活塞銷(xiāo)卡環(huán)。

 

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(huán)的安裝

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

      如圖8所示，使用活塞環(huán)安裝鉗將柴油發(fā)電機各道活塞環(huán)裝入環(huán)槽中。環(huán)裝入后應在環(huán)槽內轉動(dòng)靈活、無(wú)卡滯現象。

（1）用活塞環(huán)鉗安裝活塞環(huán)，安裝油環(huán)時(shí)使環(huán)和襯簧的開(kāi)口相對180°方向。

（2）安裝活塞環(huán)時(shí)，使標記N面朝上。

注意：各活塞環(huán)的形狀是不同的，不要裝錯、當安裝油環(huán)襯簧時(shí)，確保沒(méi)有間隙。

（3）在活塞環(huán)、環(huán)槽和活塞側面上涂足夠的機油。

（4）每個(gè)環(huán)槽的端隙需錯開(kāi)一定角度，三個(gè)氣環(huán)錯開(kāi)120°，第一個(gè)環(huán)的端隙應避開(kāi)活塞銷(xiāo)座和側壓力高的一側。

 

圖7 活塞環(huán)氣環(huán)密封面示意圖

圖8 活塞環(huán)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(fā)電機1、6缸（六缸機）開(kāi)始，裝配在下止點(diǎn)進(jìn)行。每盤(pán)轉一次曲軸完成兩個(gè)氣缸裝配。具體操作如下（以柴油發(fā)電機1缸裝配為例）

（1）盤(pán)轉曲軸至1缸下止點(diǎn)，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(huán)、連桿瓦、活塞銷(xiāo)和氣缸壁。

（3）整體式油環(huán)開(kāi)口與兩氣環(huán)開(kāi)口互錯120°，同時(shí)，不要使開(kāi)口處于活塞銷(xiāo)附近；組合式油環(huán)，三道環(huán)的四個(gè)開(kāi)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(zhuān)用的活塞環(huán)壓縮器將活塞環(huán)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(huán)開(kāi)口布置圖

圖10 活塞環(huán)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(huì )損壞活塞環(huán)和缸套。  如果活塞不能順利進(jìn)入，則拆下活塞并檢查活塞環(huán)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(dòng)連桿大端，能感到微動(dòng)為宜，如果完全感覺(jué)不到間隙，則應查明原因。  同步兩缸安裝完畢后，應盤(pán)轉曲軸檢查阻力大小。如果阻力過(guò)大則應查明原因。  所有缸安裝完成后，應將曲軸盤(pán)轉到1缸上止點(diǎn)。

 

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(fā)動(dòng)機裝配過(guò)程中的重要環(huán)節，正確的安裝可以保證發(fā)動(dòng)機的正常工作。在安裝過(guò)程中，需要進(jìn)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(xiāo)并擰緊螺母。同時(shí)需要注意遵循相關(guān)的注意事項，以確保安裝過(guò)程的順利進(jìn)行。只有正確安裝活塞連桿組，才能保證發(fā)動(dòng)機的正常運轉。

 

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