2．2 活塞连杆组
曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。其作用包括两个转变：
（1）将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。
（2）将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动汽车车轮转动。
曲柄连杆机构主要包括活塞连杆组和曲轴飞轮组。
如图2－10所示，活塞连杆组主要由活塞2、活塞环7、8和9、活塞销10和连杆3等机件组成。
2．2．1 活塞
活塞的主要作用是承受气缸中可燃混合气燃烧产生的压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。此外，活塞还与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。
由于活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞受周期性变化的气体压力和惯性力的作用，且散热及润滑条件差，因此要求活塞具有：
（1）足够的强度和刚度，特别是活塞环槽区域要求有较大的强度，以免活塞环被击碎。
（2）较小的质量，以保持较小的惯性力。
（3）耐热的活塞顶及弹性的活塞裙。
（4）良好的导热性和合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙。
（5）活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数。
汽车发动机活塞最常用的材料是铝硅合金。除母体金属铝外，其合金成分的质量分数的比例是：硅11%～14%，铜、镍、镁各1%，低于1%的铁、钛和锌。其中硅的成分越多，则热膨胀系数越小，磨损也越小，但制造工艺性较差。富康轿车的活塞材料为共晶硅铝合金，上海桑塔纳轿车发动机活塞则采用Si－Cu－Mg过共晶铝硅合金材料制造；汽车柴油机的活塞需承受高热、高机械负荷，故也采用合金铸铁和耐热钢制造活塞。
图2－10 活塞连杆组
1－连杆组 2－活塞 3－连杆 4－连杆盖 5－连杆衬套 6－连杆螺钉 7－第一道气环8－第二、三道气环 9－油环 10－活塞销 11－活塞销卡环 12－连杆轴瓦 13－定位套筒
整个活塞可分为顶部1、环槽部2和裙部3共三个部分（图2－11）。
图2－11 活塞结构
1－顶部 2－环槽部 3－裙部 4－环岸 5－环槽
6－销座 7－加强筋 8－卡环槽 9－泄油孔及泄油槽
活塞顶为第一道环槽上表面至活塞顶部分，是燃烧室的组成部分，常制成不同的形状，活塞顶的形状与选用的燃烧室形状有关。汽油机活塞顶多采用平顶〔图2－12（a）〕，这种结构燃烧室结构紧凑，散热面积小，并且制造工艺简单。
有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧而采用凹顶活塞〔图2－12（b）〕；
图2－12 活塞顶的形状
凸顶活塞常用于二冲程汽油机〔图2－12（c）〕；柴油机活塞顶常制成各种凹坑。
由活塞顶至最下面一道活塞环槽之间的部分称为活塞，其作用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆，防止漏气，将热量通过活塞环传给气缸壁。活塞切有若干环槽，用以安装气环和油环。
活塞环槽以下的所有部分称为活塞裙部。其作用是引导活塞在气缸中作往复运动和承受侧压力。裙部的形状应该保证活塞在气缸内得到良好的导向，气缸与活塞之间在任何情况下都应保持均匀、适宜的间隙。间隙过大，活塞敲缸；间隙过小，活塞可能被气缸卡住。此外，裙部应有足够的实际承压面积，以承受侧向力。活塞裙部承受膨胀侧向力的一面称为主推力面，承受压缩侧向力的一面称为次推力面。
发动机工作时，活塞因缸内气体压力和侧向力的作用发生机械变形，且活塞受热膨胀时还将发生热变形。这两种变形的结果是使活塞裙部在活塞销孔轴线方向的尺寸增大，活塞在气体压力的作用下会产生弯曲变形〔图2－13（a）〕；活塞在侧压力的作用下还会产生挤压变形〔图2－13（b）〕。因此，为使活塞工作时裙部接近正圆形与气缸相适应，在制造时应将活塞裙部的横断面加工成椭圆形，并使其长轴与活塞销孔轴线垂直〔图2－13（c）〕。现代汽车发动机的活塞均为椭圆形。
为使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持合理的密封和运动间隙，制造活塞时通常采取下列结构措施：
（1）沿活塞裙部高度方向上制成近似的圆锥形，以补偿活塞裙部热膨胀量上大下小的作用，保证活塞在工作状态（热态）下整体形状接近一个圆柱形。例如国产135系列柴油机活塞裙部的锥度为0．12〔图2－14（a）〕；
（2）将活塞裙部制成椭圆〔2－14（b）〕，椭圆的长轴在垂直于销座孔轴线的方向。将销座外面在铸造时凹陷0．5～1mm，或截去一小部分。
（3）活塞裙部开绝热槽和膨胀槽〔图2－14（c）〕。绝热槽可减少活塞头的热量向裙部扩散；膨胀槽可使裙部具有一定的弹性，使冷态下的装配间隙尽量减小，而热态时因膨胀槽首先变窄的补偿作用使活塞不致在气缸中“卡死”。绝热槽若开在油环槽中时，还可兼作机油的回油孔。
图2－13 活塞裙部的变形
图2－14 活塞裙部的不同形状和结构
（4）采用双金属活塞，即在活塞裙部或销座内铸入或嵌入膨胀系数低的钢片，以减少活塞裙部的膨胀量。一种方法是在活塞裙部销座内铸进膨胀系数低的恒范钢片〔如图2－14（d）〕，恒范钢片是含镍33%～36%的低碳合金钢，其膨胀系数仅为铝合金的10%左右，活塞销座通过恒范钢片与裙部相连，故销座的膨胀对裙部无直接影响；而另一种方法将低碳钢片贴在销座铝层内侧〔图2－14（e）〕，不仅起到抑制作用，且利用双金属效应可减少裙部侧压力方向上的膨胀量。由于双金属效应对膨胀的控制作用与温度有关，故称之为热膨胀自动调节式活塞。
在活塞裙部表面涂以保护层，可以改善铝合金活塞的磨合性，主要有铅保护层、锡保护层、石墨保护层、磷化保护层等。一般汽油机的铸铝活塞裙部外表面镀锡，柴油机的铸铝活塞裙部外表面磷化。
活塞销座孔的中心线一般位于活塞中心线的平面内。但有些高速发动机，将活塞销座中心线向在做功行程承受侧压力的一侧偏移e＝1～2mm（图2－15），目的是为了减轻活塞在越过上止点时因侧压力瞬时换向而产生“敲缸”现象，减少噪声，从而改善发动机工作的平顺性。
图2－15 活塞销偏置与活塞的换向
2．2．2 活塞环
活塞环分为气环和油环两种（图2－16）。
图2－16 活塞环
气环的主要作用是密封和传导热量；密封气缸中的高温、高压燃气，防止其窜入曲轴箱；同时它还将活塞头的大部分热量传导给气缸壁，再由冷却系带走这部分热量。
油环的作用是在气缸壁上涂布一层均匀的油膜，既可防止机油窜入燃烧室，又可减小活塞及活塞环与气缸壁的磨损，并起到密封的辅助作用。
活塞环在高温、高压、高速及润滑条件极差的条件下工作，因而是发动机所有零件中工作寿命最短的（特别是第一道气环）。
活塞环的材料多采用合金铸铁或球墨铸铁。在活塞环的表面应涂以保护层，如经磷酸盐处理或镀锌、喷钼等，能改善活塞环的滑动性能和耐磨性能。对于承受压力最大的第一道气环的工作表面常镀上多孔性铬。多孔性铬层硬度高，能贮存少量的润滑油，可以改善润滑条件，延长活塞环的使用寿命。但这种活塞环不能用于同样镀了硬铬的气缸内，否则会破坏其耐磨性。例如，上海桑塔纳轿车的活塞装有两道气环。第一道气环采用球墨铸铁，外圆表面镀了0．1mm厚的铬，两端面都进行了磷化处理，第二道气环采用灰铸铁材料，而气缸内壁无镀铬层。
气环在自由状态下的外圆直径略大于气缸直径，随活塞装入气缸后便产生弹力而紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，使气体不能从活塞环外圆表面与缸壁之间通过，因而当少量气体窜入环槽内，形成背压力作用在活塞环的背面，加强了第一密封面的密封作用。同时，将活塞环向下压紧环槽下端面，形成第二密封面，使其密封性能显著提高（图2－17）。气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口。一般将2～3道气环的切口相互错开形成“迷宫式”封气装置，用以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。
图2－17 气环的密封原理图
图 2－18 气环的切口形状
F1—环的自身弹力；F2—背压力
活塞装入气缸后，活塞环切口处两端的距离称为活塞环的切口间隙A（也称活塞环的端隙）（图2－18）。若该间隙过大，则漏气量大，使发动机的功率减小；该间隙若过小，则可能因受热膨胀而造成活塞环的卡死和断裂。该间隙一般为0．25～0．80mm。因第一道气环的受热温度最高，则切口间隙也最大。常见的切口形式有直角形、阶梯形、斜口形、带防转销钉槽形等几种。其中直角形切口结构简单且易于加工，阶梯形切口密封性较好，但工艺性差，斜口形的密封和工艺性介于前二者之间，带防转销钉槽形切口的活塞环主要用于窗口配气的二冲程发动机。
气环常见的断面形状有以下几种：
（1）矩形环〔图2－19（a）〕。结构简单、制造方便、散热性好、漏光的废品率较低；但有泵油作用（泵油作用如图2－20所示），能将机油逐级由下向上泵入气缸中燃烧掉，在燃烧室内形成积炭并增加机油消耗量。另外，矩形环的磨合性、刮油性、密封性欠佳，因此，其应用越来越少。
（2）锥面环〔图2－19（b）〕。与缸壁为线接触，有利于密封和磨合，该环在活塞下行时有刮油作用，上行时能和气缸壁形成楔形油膜以改善润滑；但其传热性差，不宜做第一道气环使用。
图2－19 气环的断面形状
（3）扭曲环〔图2－19（c，d）〕。除具有锥面环的优点外，还能减小泵油作用、减轻磨损、提高散热能力，目前在发动机上得到广泛的应用。安装扭曲环时，应将内圆切槽向上，外圆切槽向下，不能装反。
（4）梯形环〔图2－19（e）〕。主要优点是能使沉积在环槽中的结焦被挤出，避免了活塞环被粘结在环槽中而折断；同时其密封作用强，使用寿命长，但上、下两端面的精磨工艺较复杂。梯形环主要用于热负荷较高的柴油发动机上。
（5）桶面环〔图2－19（f）〕。在活塞的上、下行程都可形成楔形油膜而改善润滑，对活塞在气缸内摆动的适应性好，接触面积小，有利于密封；但凸圆弧表面的加工较困难。桶面环多用于强化柴油发动机的第一道气环。
无论活塞上行或下行，油环都能将气缸壁上多余的润滑油刮下来，经活塞上的回油孔流回油底壳（图2－21）。
图2－20 矩形断面活塞环的泵油作用
图2－21 油环的刮油作用
目前汽车发动机常用的油环有两种：
（1）普通油环〔图2－22（a）〕。其断面与矩形气环相似。为增强刮油效果，在其外圆端面上切有环形槽，槽底开有若干回油用的小孔或狭缝。普通油环因结构简单、造价低，在早期发动机上应用较多。但其比压低，尤其是磨损后其比压下降更快、刮油效果差、寿命较短。因此，目前在轿车发动机上已应用较少。
图2－22 组合油环
1一刮油钢片 2—轴向衬环 3—径向衬环
（2）组油环合〔图2－22（b）〕。由互相独立的上、下刮油钢片1和产生径向、轴向弹力作用的衬环3、2组成。优点是质量小，刮油能力强，对缸套变形的适应性好，回油通路大。因此，组合油环的应用日益增多；缺点是制造成本高。一汽奥迪100、天津夏利、广州标致等轿车发动机上都用组合油环。
活塞环的材料多采用耐磨合金铸铁，少数采用球墨铸铁。对不断强化的轿车汽油发动机，有的采用钢制镀铬环。
2．2．3 活塞销
活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，将活塞所承受的气体压力传给连杆。
活塞销在高温下，承受极大的周期性冲击载荷，润滑条件差。因此要求活塞销具有足够的强度、刚度和耐磨性，且质量要小。活塞销的形状一般制造成空心圆柱体（图2－23）。
活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，高负荷发动机的活塞销则采用渗氮钢材料制造。通常先经表面渗碳或渗氮提高活塞销的表面硬度，使其心部具有一定的冲击韧性，然后进行精磨和研磨加工。
直通圆柱形孔和圆锥形孔的活塞销〔图2－23（a）、（b）〕质量较小；中间或单侧封闭的活塞销〔图2－23（c）、（d）〕适用于二冲程发动机；内部有塑料芯的钢套销〔图2－23（e）〕则可用于要求不高的汽油机；成形销（图2－23f）用于增压发动机。
图2－23 活塞销形状
在汽车发动机中连杆小头与活塞销的连接方式有两种，即“全浮式”〔图2－24（a）〕和“半浮式”〔图2－24（b）〕。
图2－24 活塞销的连接方式
1—连杆衬套 2—活塞销 3—连杆 4—活塞销卡环 5—螺栓衬环
全浮式活塞销工作时，在连杆小头孔和活塞销孔中转动，可以保证活塞销沿圆周磨损均匀。为防止活塞销两端刮伤气缸壁，在活塞销孔外侧装置活塞销卡环。
半浮式活塞销是用螺栓将活塞销夹紧在连杆小头孔内，这时活塞销只在活塞销孔内转动，在连杆小头孔内不转动。连杆小头孔内不装衬套，活塞销孔中也不装活塞销挡圈。所以半浮式活塞销可以降低发动机噪声并消除了活塞销挡圈可能引起的事故。
2．2．4 连杆
连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，推动曲轴转动，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆在工作中要承受活塞销传来的气体作用力、活塞连杆组往复运动的惯性力和连杆大头绕曲轴旋转产生的旋转惯性力的作用。上述这些作用力都是交变载荷，而连杆本身又是一个较长的杆件，因此要求连杆要有足够的强度和刚度，质量要尽量小。
连杆（图2－25）可分为连杆小头2、杆身3和连杆大头5三部分。
图2－25 连杆组件
1—连杆衬套 2—连杆小头 3—杆身 4—连杆螺栓 5—连杆大头
6—连杆轴瓦 7—连杆盖 8—轴瓦上的凸键 9—凹槽
连杆小头用来安装活塞销以连接活塞，在全浮式连接的连杆小头孔内压装有减磨功能的青铜衬套或铁基粉末冶金衬套。在连杆小头和衬套上一般加工有积存飞溅润滑油的油槽或油孔，起到润滑衬套和活塞销的作用。有的发动机连杆小头采用压力润滑，因此在连杆杆身内钻有纵向的压力油通道。
连杆一般采用45、40Cr等中碳钢（如上海桑塔纳轿车发动机的连杆）或中碳合金钢（如二汽富康轿车发动机的连杆）经模锻或辊锻制成，也有少数用球墨铸铁制成。为提高疲劳强度，连杆常进行表面喷丸处理。对于小型发动机的连杆，则常用高强度铝合金制造。
为保证连杆在质量尽可能小的情况下提高其抗弯刚度，连杆杆身多采用“工”字型断面。
连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连接。为便于安装，通常将连杆大头做成剖分式的，上半部与杆身为一体，下半部是连杆盖，二者通过连杆螺栓装配成一体。连杆大头孔表面的粗糙度值要求较小，以便于连杆大头与连杆轴承紧密贴合。有的连杆大头连同轴承钻有小油孔，从中喷出压力机油加强对凸轮轴和缸壁的润滑。
连杆大头的切口按剖分面的方向分为平切口和斜切口两种型式。连杆大头沿着与杆身轴线垂直的方向切开，称为平切口连杆，多适用于汽油机。有些柴油发动机的连杆大头尺寸较大，为使连杆大头在摆动时能通过气缸，在维修拆装时能将其从气缸中抽出，可将连杆大头沿与连杆杆身轴线成30°～60°（常用45°）的方向切开，即为斜切口连杆。
图2－26 斜切口连杆大头的定位方式
1—止口 2—定位套筒 3—定位锯齿
平切口连杆的切口面多数为平面，由杆身与连杆盖分别加工而成。由于现代技术与工艺的进步，连杆锻成整体毛坯，再用冷胀的方法将杆身与连杆盖分开。这样的切口面不再是平面，而是不规则的犬牙交错的表面，可提高杆身与连杆盖的定位精度。一汽捷达轿车五气门发动机便采用此种结构。斜切口连杆在往复惯性力作用下受拉时，在切口方向作用有较大的横向力，因此要有定位装置以使螺栓免受附加的切应力。定位方式见图2－26。
连杆大头的两部分用连杆螺栓紧固在一起。由于连杆螺栓承受交变的冲击性载荷，通常采用挠性螺栓，用优质合金钢（40Cr、35CrMo等）锻制或冷镦成形后加工。为保证工作可靠，常采用开口销、双螺母、自锁螺母等锁止装置，并按规定力矩紧固。
连杆轴承装配在连杆大头孔内，与连杆轴颈（曲柄销）及连杆大头孔配合工作。现代汽车发动机用的连杆轴承是剖分成两半的滑动轴承，由钢背和减磨合金层组成（图2－27）。钢背由厚1～3mm的低碳钢带制成，既有足够的强度以承受近乎冲击性的载荷，又有一定的刚度以便与轴承孔良好地贴合。减磨层由0．3～0．7mm厚的减磨合金制成，减磨合金具有保持油膜、减少摩擦阻力和加速磨合的作用。目前汽车发动机的轴承减磨合金主要有：
图2－27 连杆轴承
1—钢背 2—油槽 3—定位凸键 4—减磨合金层
（1）巴氏合金：减磨性好，但机械强度低、耐热性较差，常用于负荷不大的汽油机。
（2）铜铅合金：承载能力大、机械强度高、耐疲劳性高、耐热性较好，但减磨性能差。为此，常在其表面镀一层厚度为0．02～0．03mm的铟或锡提高其性能，适用于高强化的柴油发动机。
（3）高锡铝合金：各方面性能都好，广泛用于各类汽油机和柴油机上。
连杆轴承的背面应有很小的表面粗糙度值（加工精度高）。在自由状态下，轴承的曲率半径和周长都略大于连杆大头孔的曲率半径和周长，装配后能使其与连杆大头孔壁过盈配合，承受载荷和散热能力好。
在两个轴承的剖分面上，分别制有定位凸键3，以防止连杆轴承在工作中发生转动或轴向移动；在其内表面还加工有油槽2用以贮油，保证可靠的润滑。
V型发动机连杆的结构通常有三种：
（1）并列连杆式〔图2－28（a）〕，相对应的左右两个气缸的连杆，沿曲轴的长度方向一前一后装配在一个曲柄销（曲轴上的连枉轴颈）上。连杆可以通用，两列气缸的活塞连杆组的运动规律相同；但曲轴的长度增加。
图2－28 V型发动机连杆示意图
（2）主副连杆式〔图2－28（b）〕，一列气缸的连杆为主连杆，连杆大头直接装配在连杆轴颈的全长上。另一列气缸的连杆为副连杆，副连杆分别与对应的主连杆铰接传动。不增加发动机的轴向长度；但主副连杆不能互换，两列气缸的活塞连杆组的运动规律不同。
（3）叉形连杆式〔图2－28（c）〕，左右两列对应气缸的两个连杆中，一个连杆的大头制成叉形，跨于另一个连杆的厚度较小的片形大头两端。两列气缸中的活塞连杆组的运动规律相同；但叉形连杆的制造工艺复杂，且连杆大头的刚度较低。
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