活塞连杆组的修理

任务一　活塞连杆组的修理

任务目标

1．掌握活塞连杆组结构、作用和工作原理;

2．能够正确地按照拆装步骤对活塞连杆组进行拆装;

3．能够正确使用工具对活塞连杆组各部件进行检查，并能根据测量数据对活塞、活塞销和连杆衬套进行选配;

4．掌握对活塞环的“三隙”和漏光度的检验;

5．掌握对连杆轴向间隙和连杆径向间隙的检查。

必备知识

1．活塞连杆组的构造

1)活塞

活塞用来封闭气缸，并与气缸盖、气缸壁共同构成燃烧室，承受气缸中气体压力并通过活塞销和连杆传给曲轴。

桑塔纳轿车AJR型发动机则用Cu－Mg过共晶铝硅合金压铸而成。活塞上设有两道气环、一道油环环槽;活塞顶部是浅球状凹坑，最大弧高为6mm，与气缸盖共同构成燃烧室，活塞壁厚最薄处仅1．7mm，如图2－1所示。

图2－1　AJR型发动机活塞

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活塞的基本结构可分为顶部、头部和裙部三个部分。

活塞的顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。

活塞顶部多采用下列几种形式:

①平顶活塞:结构简单，加工方便，受热面积小，在汽油机上广泛采用。

②凸顶活塞:顶部刚度较大，制造时可减薄顶部的厚度，因而质量较小，但顶部温度较高，主要用于二冲程发动机。

③凹顶活塞:可以通过活塞顶上凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比，且可以改善燃烧室形状，但顶部受热量大，易形成积炭，加工制造比较困难。

活塞的头部是用来承受气体压力，并传给连杆，与活塞环一起实现对气缸的密封，并将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。

活塞的裙部是为活塞在气缸内作往复运动作导向和承受侧压力。

2)活塞环

活塞环按其主要功用可分为气环和油环两类。

气环的功用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中的气体窜入曲轴箱;同时还将活塞头部的热量传给气缸，再由冷却水或空气带走;另外，还起到刮油、布油的辅助作用。

油环的功用是用来将气缸壁上多余的机油刮回油底壳，并在气缸壁上均匀地布油，这样既可以防止机油窜入燃烧室，又可以减小活塞、活塞环与气缸的摩擦力和磨损;此外，油环也兼起密封作用。

活塞环在气缸内应有开口间隙，与活塞环槽间应有侧隙和背隙。侧隙是环高方向上与环槽之间的间隙，背隙是活塞环背面与环槽底部间的间隙。

活塞环是在高温、高压、高速和润滑困难的条件下工作的。根据活塞环的功用与工作条件，要求活塞环的材料应有良好的耐热性、导热性、耐磨性、磨合性、韧性和足够的强度及弹性等。

目前广泛采用的活塞环材料是优质灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁，组合式油环还采用弹簧钢片制造。

桑塔纳轿车活塞环采用了二道气环、一道油环。

第一道气环为球墨铸铁制成的矩形环，厚1．5mm，外镀0．1～0．15mm厚的铬层，两端面经磷化处理，外表面硬度为65HRC。

第二道气环为用标准型不调质灰铸铁K1制造的，厚度为1．75mm的鼻形环。

第三道为油环，时超发动机活塞采用组合式油环，由互相独立的两片刮油钢片和一个弹性良好的钢丝衬簧组成，如图2－2所示。

图2－2　AJR型发动机活塞环

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2．气环的密封原理

活塞环在自由状态下，其外圆直径略大于缸径，所以装入气缸后，气环就产生一定的弹力与缸壁压紧，形成第一密封面。在此条件下，气体不能从环外圆与缸壁之间通过，便窜入侧隙和背隙。在做功与压缩行程时，气体压力一般起主导作用，使活塞环被压紧在环槽下侧面形成第二密封面;一般情况下，排气冲程时第二密封面也在环的下侧，而进气冲程在环的上侧。

此外，窜入活塞环背隙的气体，将产生背压力，使环对缸壁进一步压紧，加强了第一、第二密封面的密封性，称为第二次密封。做功行程时，环的背压力远远大于环的弹力，所以此时第一、第二密封面的密封性的好坏，主要是取决于第二次密封。

3．活塞环的泵油作用

由于侧隙和背隙的存在，当发动机工作时，活塞环便产生了泵油作用。其原理是:活塞下行时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下来的润滑油充入环槽下方;当活塞上行时，环又靠在环槽的下方，同时将机油挤压到环槽上方。如此反复运动，就将缸壁上的机油泵带入燃烧室。

活塞环的泵油作用，一方面对气缸上部的润滑有利，另一方面由于机油窜入燃烧室，会使燃烧室内形成积炭和增加机油消耗，并且还可能在环槽中形成积炭，使环卡死，失去密封作用，甚至折断活塞环。

1)活塞销

活塞销的功用是连接活塞与连杆小头，并将活塞承受的气体作用力传给连杆。

时超发动机活塞的活塞销长54mm，外径为φ20。其材料成分介于国产牌号15～20Cr之间，表面进行碳氮共渗处理，淬火后低温回火，这样既提高表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性，如图2－3所示。

图2－3　AJR型发动机活塞销

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活塞销位置与活塞的换向过程:

活塞销座是活塞通过活塞销与连杆的连接部分，位于活塞裙部的上部，其为一厚壁圆筒结构，用以安装活塞销。其作用是将活塞顶部的气体压力经活塞销传给连杆。为限制活塞销的轴向窜动，大部分活塞在销座孔内接近外端处制备有卡环槽，用以安装卡环，来阻止销的窜动。

销座孔的中心线一般位于活塞中心线的平面内，当活塞越过上止点改变运动方向时，由于侧压力瞬时换向，使活塞与缸壁的接触面突然由一侧平移至另一侧，便产生了活塞对缸壁的“敲击”。因此，将活塞销座轴线向做功行程中受侧压力较大的一面偏移1～2mm。这样，在活塞接近上止点时，作用在活塞销座轴线右侧的气体大于左侧，使活塞倾斜，裙部下端提前先换向，然后活塞越过上止点，侧压力相反时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左移，不是平移，完成换向，而使换向冲击力大为减弱。

2)连杆

(1)组成与功用

连杆组件由杆身、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等部分组成。其功用是将活塞承受的力传给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞往复运动时的惯性力。因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。这就要求连杆在质量尽可能小的条件下有足够的刚度和强度。

(2)连杆的结构

连杆由小头、杆身和大头(包括连杆盖)三部分组成，如图2－4所示。

连杆小头与活塞销相连，工作时小头与活塞销之间有相对转动(全浮式)，因此小头孔中一般有减磨的青铜衬套。为润滑活塞销与衬套，在小头和衬套上钻有集油槽，用来收集发动机运转而被激溅到上面的机油，以便润滑。连杆杆身通常制成“I”形断面，以求在强度和刚度足够的前提下减小质量。

时超发动机的连杆及连杆盖均用CK35中碳钢锻制而成，连杆杆身断面为工字形，连杆小头装有用镀铜锌合金卷制而成的钢背衬套，连杆则用两只M8×1的螺栓将连杆盖固定其上，连杆轴瓦为钢背对开式，如图2－4所示。

图2－4　连杆组件

4．损伤的形式

1)活塞的损伤

在正常使用过程中，活塞的主要损伤形式是活塞环槽、活塞销座孔及活塞裙部的磨损，其中以活塞环槽的磨损最为严重，活塞裙部由于承压面积较大，润滑条件较好，且具有良好的弹性，所以其磨损较轻。除此之外，发动机长期超负荷工作、燃烧不正常、活塞本身存在制造缺陷、活塞环“三隙”过小或润滑不良等特殊情况下，活塞还会出现烧顶、脱顶、环岸断裂及裙部刮伤等损伤。

2)活塞销的损伤

活塞销由于受到尺寸的限制，一般外径较小，因此受到的载荷较大，并且还承受一定的弯矩作用，使活塞销产生磨损和弯曲。主要损伤部位是其与活塞和连杆配合处，其径向磨损后失圆、轴向磨损成台阶形。

3)活塞环的损伤

随着活塞环磨损的加剧，活塞环的弹力渐渐减弱，端隙、侧隙增大，使气缸密封性变差，造成窜机油和漏气，降低了发动机的动力性和经济性。

任务实施

1．考核标准

(续表)

2．相关设备

活塞连杆组的修理所用工具、仪器及设备主要有以下几种:

(1)套筒、扭力扳手、活动扳手、尖嘴钳、手锤。

(2)台虎钳、平台、活塞环钳、锉刀。

(3)厚薄规、外径千分尺、游标卡尺、活塞环漏光检验装置。

(4)时超发动机、机油、清洗剂、油盆、棉布等。

3．注意事项

(1)在进行拆装作业时，必须按正确的顺序和合理的方法进行操作，以免造成人为损坏，拆卸后，各零件应按结构连接关系及材质分类存放。连杆螺栓等重要螺栓应按规定顺序进行拆卸;装配时，应按顺序及力矩进行拧紧。

(2)配合精度要求较高的零件(如活塞、连杆轴承、连杆轴承盖等)拆装时，应核对和做好装配标记，并按顺序进行摆放。

(3)装配之前，应将各零件彻底清洗干净。

(4)对各种量具检测时要轻拿轻放，并按正确的操作方法进行使用，以免损坏量具。进行测量时，读数应仔细，以确定其准确性。

4．实施步骤

1)活塞连杆组的拆装

活塞连杆组的拆卸，如图2－5所示。

①转动曲轴，使要拆卸的活塞连杆组的活塞位于下止点。在活塞顶、连杆大端处和连杆盖上打上缸号标记(从曲轴正时齿形带轮端算起)。

②翻转发动机支架，使发动机缸体下平面垂直于水平方向。

③松掉连杆螺母，取下连杆轴承盖、连杆轴瓦和连杆螺栓，并按顺序放好，螺母拧紧力矩为30N·m+90°。

图2－5　连杆螺栓的拆卸

④用手将连杆向前推，使其与连杆轴颈分离，用手锤木柄轻轻敲出活塞连杆组。如果气缸口磨成台肩或积炭，应先用刮刀刮平，再推出活塞连杆组，如图2－6所示。

图2－6　活塞的拆卸

⑤活塞连杆组取出后，应将连杆轴承盖、连杆轴瓦、螺栓和螺母原样装回。

⑥用活塞环装卸钳拆装气环，组合式油环可用手拆下，如图2－7所示。

图2－7　活塞环的拆卸

⑦将活塞最好加热后用卡簧钳拆下活塞销卡簧，用工具捅出活塞销，如图2－8所示。

图2－8　活塞销的拆卸

⑧将活塞与连杆分离。

⑨活塞连杆组各零件检修完毕后，将其彻底清洗干净，并组装成组合件，以备发动机总装。

2)活塞连杆组的组装

安装顺序与拆卸顺序相反，但以下几个部件安装时有如下注意事项:

(1)安装活塞销

①将活塞置入热水中加热至60℃，然后取出并迅速擦干。

②在活塞销表面涂上机油，用拇指将活塞销推入活塞销座孔中，能够保证在垂直状态时，活塞销不在自重作用下从销座孔中自行滑出，用手晃动活塞销时应无间隙感，这表明活塞销与销座孔配合适宜。

③在活塞销两端装好卡簧，并保证卡簧嵌入环槽中的深度不小于卡簧直径的2/3，卡簧与活塞销两端的间隙为0．10～0．25mm。

(2)安装活塞环(如图2－9所示)

图2－9　活塞环的安装

①安装油环:因是组合式油环，可用手将衬簧装入油环槽，然后再安装上、下刮油片。

②安装气环:用活塞环钳将各道气环自下而上依次装入相应的环槽中，装配过程中应注意气环的方向及位置。

③布置活塞环的开口位置:在活塞环槽中涂以机油，并用手转动活塞环使机油在环槽中均匀分布，然后将活塞环的开口合理错开，时超AJR型发动机为三道活塞环，第一道环的开口应位于侧压力小的一侧且与活塞销的轴线呈45°，三道环的开口应互相错开120°，油环上、下刮油片的开口应错开180°。

(3)活塞的安装

①装配时应注意活塞及连杆上的缸序标记和方向标记，即只有缸号相同的活塞和连杆才能进行组装，而且必须保证其方向正确(活塞上有向前的箭头方向标记，连杆杆身及连杆轴承盖上有凸点标记)，安装时，标记朝向曲轴正时齿形带轮，接触面应涂机油。

②清洁完活塞连杆组后，擦净曲轴连杆轴颈和气缸缸壁，并在活塞环、气缸缸壁、连杆小头衬套、连杆轴颈、轴瓦处均匀抹上一层润滑油。

③将曲轴上面的连杆轴颈转至上止点。

④将活塞连杆组件放进气缸缸体中，应使连杆大头端圆面与连杆轴颈互相垂直，以便连杆大头端圆面能顺利抱住连杆轴颈，否则应转动活塞连杆组作小量调整，如图2－10所示。

图2－10　连杆及其盖的标记

⑤用活塞环箍压紧活塞环后，用手锤上的木柄轻敲活塞顶部，将活塞推入气缸，使连杆大端抱住连杆轴颈，并能听到接触的撞击声。然后一边转动曲轴，一边用木柄敲击活塞顶部，直至其位于下止点的位置，如图2－11所示。

图2－11　活塞的安装

⑥安装前应将连杆轴瓦插入连杆大头中，安装时注意保持连杆轴瓦不要脱落，使轴瓦定位凸键位置正确，瓦背与连杆要贴合，如图2－12所示。

图2－12　连杆轴承盖的安装

⑦安装连杆盖时，要注意连杆盖的记号要与连杆大端记号同侧，按规定力矩拧紧连杆螺栓，如图2－13所示。

⑧最后摇转曲轴几周，应使曲轴转动灵活自如，如图2－14所示。

⑨按照上述步骤，安装其余各缸活塞。

图2－13　连杆轴承盖安装向前标记

图2－14　活塞裙部的测量

3)活塞的检修

(1)检查活塞的外观

用直观检视法检查，活塞出现烧顶、脱顶、环岸断裂、明显刮伤、活塞环槽磨损成梯形时，一般都应更换。

(2)活塞的磨损及选配

首先是活塞环槽的磨损它是活塞工作中的最大磨损，而且以第1道环槽最为严重，以下环槽逐渐减轻。环槽磨损后使活塞环侧隙增大，使气缸漏气和窜油。

其次是活塞裙部磨损，磨损严重时会引起敲缸和机油过量燃烧;测量方法是在与活塞销垂直的方向，离活塞下缘10mm的裙部用千分表测量裙部直径，与标准尺寸的最大偏差为0．04mm。

发动机大修时应根据气缸修理尺寸，选配与气缸同一级的活塞。

如表2－1所示列出了桑塔纳轿车AJR型发动机气缸与活塞的选配尺寸。

表2－1　AJR型发动机气缸与活塞的选配尺寸

(3)活塞环的检修

①端隙(开口间隙)是指活塞环平装在气缸内，开口处两端面间的间隙，如图2－15所示。

检查时，用活塞头部将活塞环平推进气缸，使活塞环上平面离气缸顶15mm，用塞尺检查两端面开口处的间隙。端隙超过使用极限，应更换新环;如过小，应用细平锉修整。锉时，始终要从外环面向里圈锉，环外口应去掉毛刺。

②侧隙(环槽间隙)是指活塞环与活塞环槽上下平面间的间隙，如图2－16所示。

侧隙过小时可将环放在涂有金钢砂和机油的平板玻璃上研磨;侧隙达到磨损极限，应更换新环。

图2－15　活塞端隙的测量

图2－16　活塞侧隙的测量

表2－2　活塞环的端隙和侧隙的数据

如表2－2所示为活塞环的端隙和侧隙的数据。

③背隙(活塞环径向间隙)是指装入气缸内的活塞环背部与活塞环槽底面间的间隙。通常为使测量方便，用槽深与环厚之差来表示。此值一般不大于0．2mm。

背隙过小，可将活塞环槽车放到合适的深度;背隙过大，更换新的活塞环。

④活塞环漏光检验

活塞环漏光检验的目的是检查活塞环与气缸壁的贴合程度。生产中通常是用简易法对活塞环的漏光度进行检验。检验时将被检验的活塞环放于气缸内，并用活塞推平，然后用轻质盖板将活塞环的内圈盖住(盖板外圆不得与气缸壁接触)，在气缸下部放一光源，由上方观察活塞环的漏光程度，如图2－17所示。

漏光检验时，活塞环端口左右30°范围内不应有漏光点;同一根活塞环漏光不得多于2处，每处漏光弧长对应的圆心角

不得超过25°，同一环上漏光总弧长对应的圆心角不得超过45°;漏光处的缝隙应不大于0．03mm。

⑤活塞环因积炭嵌在活塞环槽中不能动时，应将活塞总成浸泡在煤油中，待积炭溶解后再拆卸。

(4)连杆衬套的选配①连杆衬套的选配

发动机在大修时，在更换活塞、活塞销的同时，必须更换连杆衬套，以恢复其正常配合。连杆衬套与连杆小头配合应有0．06～0．10mm过盈量，以保证衬套在工作时不走外圆，分别测量连杆小头内径和连杆衬套外径，其差值就是衬套的过盈量，如图2－18所示。

图2－17　漏光度检查

新连杆衬套的压入可在虎钳上进行，压入前，应检查连杆小头有无毛刺，以免擦伤衬套外圆。压入时，衬套倒角应朝向连杆小头倒角一侧，并将其放正，同时对正衬套的油孔和连杆小头油孔，确保润滑油畅通，如图2－19所示。

图2－18　连杆衬套的测量

图2－19　连杆衬套油孔

②连杆衬套的修配(如图2－20所示)

活塞销与连杆衬套的配合在常温下应有0．005～0．01mm的间隙，接触面积在75%以上。配合间隙过小，可将活塞销插入连杆衬套内配对研磨，研磨时可加入少量机油，将活塞销夹在台虎钳上，沿活塞销轴线方向扳动连杆。如能用大拇指把活塞销推入连杆衬套内，而无间隙感觉，说明两者配合良好。

图2－20　连杆衬套的修配

(5)检查连杆轴向间隙(如图2－21所示)

将曲轴撬向一端，用塞尺塞入第三道主轴承，检查连杆的轴向间隙。连杆的轴向间隙为0．10～0．35mm，磨损极限值为0．40mm。

图2－21　连杆轴向间隙的测量

图2－22　连杆径向间隙测量

(6)检查连杆径向间隙(如图2－22所示)

①拆下连杆轴承盖，清洁连杆轴承和曲轴轴颈。

②将塑料间隙规横放入连杆轴承中，装上连杆轴承盖，并用30N·m拧紧连杆轴承盖螺栓，注意在测量时不要转动曲轴。

③拆下连杆轴承盖，用塑料塞尺测量压扁的塑料间隙规的宽度，即连杆径向间隙值。连杆的径向间隙为0．01～0．05mm，磨损极限值为0．12mm。

任务报告

理论习题

1．活塞连杆组由哪些主要部件组成，各自的作用分别是什么?

2．活塞是由哪几部分组成的?各个部分的作用是什么?

3．活塞环包括哪两种?它们的作用是什么?

4．活塞环有哪三隙?各隙检修方法是什么?

5．连杆由哪些部件组成，其中连杆衬套在选配过程中要注意什么?

6．如何检查连杆的轴向和径向间隙?

实训报告

实训题目:_______________________________________

实验时间:_______________________________________

实训人员姓名:___________________________________

仪器、设备准备:________________________

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实训过程:______________________________

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活塞环的间隙测量记录

实训成果及分析:________________________

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实训体会或实训建议:_____________________

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任务评价

教师签名：____________学生签名：____________

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