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活塞连杆组的正确安装及方向标记 |
引言：活塞连杆组是柴油发电机的关键部位，活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连枉及连杆轴瓦等组成。活塞连杆组的作用主要是将柴油发电机活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的扭矩，保证柴油发电机正常动力输出。康明斯公司在本文中详细阐明了活塞连杆组的作用与设计要求，以及部分零件的计算公式。因为活塞连杆组的结构与装配连接关系是柴油机修理工必须掌握的基础知识，因此，可通过本文中所述，从而掌握活塞连杆组的装配与调整的方法。
一、活塞连杆组作用与要求
活塞连杆组功用是承受气缸中的气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转（结构如图1所示）。因此在已有条件下，通过真实有效地计算分析，得出有益的解决方案成为目前柴油机行业的首选课题，柴油机严酷的内部温度环境和负荷条件使得传统的设计实验很难取得令人满意的效果，为确保设计目标的实现。UG建立了曲柄连杆机构各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用G软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后利用利用G软件的机构分析模块，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟，研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基本一致，文章介绍的仿真方法为曲柄连杆机构的选型、优化设计提供了一种新思路。
1、活塞组的工作条件和设计要求
（1）活塞的机械负荷
目前发动机向高速发展．活塞组的最大惯性力一般已达柴油机活塞本身重量的300~600倍。周期性变化的惯性力引起发动机的振动，并使连杆组、曲轴组零件特别是轴承负荷加重，导致发动机耐久性下降。为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简便、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中采用强度低比重小的材料。
（2）活塞组的作用与特点
一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分。
① 活塞头部
活塞头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。
② 活塞裙部
活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。活塞裙部的形状极有讲究，尤其是轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。
③ 活塞销座
活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向做功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。在整个活塞组与气缸的配合中，活塞组中真正与气缸壁接触的是活塞环，它填补了活塞与气缸壁间的空隙，以封闭燃烧室，因此它也是发动机中最容易磨损的零件。
④ 活塞环
活塞环一般由铸铁做成，有一定弹性，截面有多种形状，表面有涂层以增加磨合性能。当发动机运转时活塞会受热膨胀，因此活塞环有开口间隙，安装时为了保持密封性，要将各活塞环的开口间隙位置错开。一个活塞往往有三至四个活塞环，它们按照作用的不同，分为气环和油环两大类。气环装在活塞头部上端的环槽内，用来防止漏气，将活塞头部的热量传递到气缸壁，疏散活塞的热量。油环的作用是防止润滑油窜入燃烧室，将气缸壁上过量的润滑油刮回到油底壳，它安装在气环的下方环槽内。只要保证密封功能的要求，活塞环数目少比数目多好，活塞环数目少既保持了最小的摩擦面积，减少功率损耗，又缩短了活塞的高度，相应也就降低了发动机的高度，目前高速汽油发动机一般是两道气环和一道油环[4]。
（3）活塞的润滑
活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动(活塞平均速度已高达12米／秒)，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大(活塞组的摩擦损失约占发动机全部摩擦损失的40％），磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。由于活塞在不同工况下具有非常不同的温度，所以在不同工况下始终保持最佳的配合间隙成为十分复杂的问题。
活塞是在高负荷、高温、高速、润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求：
① 要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性的材料；
② 有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；
③ 保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；
④ 在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；
⑤ 减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；
⑥ 在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。
当进行活塞的结构设计时，应着重解决的问题是：
① 改善活塞顶及第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结、卡死和过度磨损；
② 改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂；
③ 确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减小配缸间隙，改善磨损并使运转平顺。
2、连杆组零件选择和设计要求
连杆组通常由小头、大头、杆身、轴瓦和螺栓等部件组成，其零件构成如图2所示。
（1）连杆的材料
一般设计连杆的材料采用39Cr5中碳Cr合金钢，这种采用优点是成本较低，对应力集中不是很敏感，所以模锻后非配合表面就不太可能引起连杆杆身断裂的危险。
（2）连杆长度的确定
连杆长度是设计时应慎重选择的一个结构参数，它一般用连杆比来表示，即。连杆长度越短，即越大，可降低发动机的高度，减轻活塞件重量和整机重量，能很好的适应发动机的高转速。但的增大使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸套相碰的可能性。所以为使发动机的结构紧凑，最合适的连杆长度应该是，在保证连杆及相关机件在运动时不与其他机件相碰的情况下，选取最小的连杆长度。
（3）连杆小头的设计
小头采用薄壁圆环型结构，它的形状简单，制造方便，材料能充分利用，受力时应力分布较均匀。小头到杆身的过渡采用单圆弧过渡。
小头的主要尺寸为小头内径d1，小头外径d2，小头宽度b1，衬套内径的d。由于衬套内径d要和活塞销相配合，所以其公称直径是24mm。
小头外径d2的选取范围一般是d2=（1.2～1.4）d1，取d2=1.3d1=35mm。
小头宽度b1取决于活塞销间隔B和销座与连杆小头的端面间隙。在确定小头的宽度时候，应使小头与活塞销座之间每侧都留约1～2mm的间隙，用来弥补机体、曲轴、活塞和连杆等零件在轴向尺寸上可能出现的制造误差和由于热膨胀所引起的轴向相对位置的变化。应该尽量使小头具有足够的承压面积，以便使小头孔与活塞销之间相互压紧的单位面积压力不超过许用值。一般小头宽度b1的范围是b1=（0.9～1.2）d，取b1=0.98d=24mm，这样小头宽度和销座之间每侧的间隙为1mm。
（4）连杆杆身的设计
连杆杆身在膨胀行程中承受作用在活塞上的气体压力的压缩作用，在吸气行程中承受往复惯性力的拉伸作用，当连杆受压时，有可能发生不稳定弯曲，此外当连杆作高速摆动运动时还要承受本身的横向惯性力的弯曲作用。实验证明，弯曲应力实际上不大。可忽略。
连杆杆身采用工字型截面，工字型截面的长轴位于连杆的摆动平面内。因为工字型截面对材料利用的最为合理，所以应用的也很广。从锻造工艺方面看，工字型截面两臂过薄和圆角半径过小都是不利的。因为这种连杆锻造时变形比较大，就有可能产生锻造裂纹的危险，特别时在工字型截面两臂边缘上更易出现裂纹。此外，锻造这种连杆时磨具磨损也较大。具有边缘厚并倒圆的工字型截面时比较有利的。
工字型截面的长轴y-y处于连杆的摆动平面内，使杆身截面对垂直与连杆摆动平面的x轴的惯性矩Jx大与对位于摆动平面的y轴的惯性矩Jy，一般Jx=(2～3)Jy，这样符合杆身实际受力情况，并有利于杆身向大、小头过渡。连杆杆身的最大应力一般发生在杆身与大、小头圆角过渡处，最大压应力发生在杆身中部。
考虑上面所述，综合考虑，确定出下列尺寸：
其中截面宽B=20mm；t=8mm。
截面的高H=（1.2～1.8）B，取H=1.25B=25mm。
（5）连杆大头的设计
连杆大头联结连杆和曲轴，要求有足够的强度和刚度，否则将影响薄壁轴瓦和连杆螺栓，甚至整机工作可靠性。为了便于维修，对于像本设计的高速柴油机，连杆必须能从气缸中取出，故要求大头在摆动平面内的总宽必须小于气缸直径，大头的外型尺寸又决定了凸轮轴位置和曲轴箱形状，大头的重量产生的离心力会使连杆轴径、主轴承负荷增大，摩擦加剧，有时还为此还不得不增大平衡重，给曲轴设计带来困难，因此在设计连杆大头时，应在保证强度、刚度的条件下，尺寸尽量小，重量尽量轻。合理确定大头的结构尺寸和形状，就是大头设计的任务。
大头的结构与尺寸基本上决定与曲柄销直径、长度和连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径。所谓的大头设计，实际上是确定连杆大头在摆动平面内某些主要尺寸，连杆大头的剖分形式和定位方式以及大头盖的结构设计。
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图1 活塞连杆组矢量图 |
图2 连杆组成结构图 |
二、活塞连杆组的安装步骤与要求
1、连杆衬套的安装
柴油发电机连杆衬套与连杆小端孔间为过盈配合，安装时应使用专用胎具在压力机上完成。连杆衬套有些是成品，装入后无需加工，而有些是半成品，装复后需要用专用铰刀进行加工（图3）。
（1）根据活塞销直径，选用合适的活络铰刀，将连杆衬套拆装器座放在台式压床上（如图4所示），放上连杆并拧紧固定螺栓。
（2）将套管、新衬套和套管放到定位棒上，一手将连杆大头托平，另一手把住连杆小头并向下轻压，使铰刀的刀口露出衬套端面3～5mm为宜。若刀口露出过多或过少，拧紧并调整连杆衬套拆装器螺母。
（3）将连杆的油孔和衬套的油孔对准，用台式压床安装衬套。
（5）铰削时，一手把持连杆小头向下轻压，另一手将连杆大头端平，并均匀用力按顺时针方向转动连杆。当衬套下平面与刀口下方平齐时，停止转动，用力向下压连杆小头，使连杆衬套脱出铰刀，以免铰出棱坎。在铰刀直径不变的情况下，将连杆调转方向，重铰一次。
（6）装上新衬套后，用磨床加工销孔，使间隙等于标准值。在铰削过程中，应随时用活塞销试配，防止铰大。每次的铰削量不宜过大，一般使铰刀的调整螺母旋转60°～90°为宜。
（7）当铰削到用拇指能将活塞销轻松推入衬套1/3～1/2部位时，应停止铰削。再将活塞销压入衬套，并夹在台虎钳上来回转动连杆进行研磨2min左右，然后取出活塞销，根据接触面积的大小，适当进行修铰或研磨。如此反复，直到接触面积和配合间隙均符合技术要求为止。
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图3 连杆衬套铰削示意图 |
图4 连杆衬套的拆卸 |
2、活塞与连杆间的连接
如图5所示，在活塞销和连杆的小头孔上涂上稀油，将柴油发电机活塞放入70～80℃的热水中加热（有些机型无需加热）数分钟后，迅速将活塞销装入活塞及连杆的销孔中，然后装上活塞销卡环。
注意：连接活塞和连杆时，应保证两者的朝前标记均指向柴油发电机前部。
（1）安装连杆，使活塞顶前部标记（如图6所示）和连杆上的锻造标记（凸起）朝相同的方向。
（2）用卡环钳安装一侧的卡环。
（3）在活塞销上涂足够的机油，将它推入活塞和连杆小头。
（4）用卡环钳装上活塞销卡环。
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图5 活塞与连杆上的朝前标记 |
图6 活塞顶部朝向标记 |
3、活塞环的安装
活塞环有气环和油环两种。气环的作用主要是密封和传热（如图7所示），油环起到刮油和布油的作用。它们都是由优质灰铸铁或合金铸铁制成，第一道环往往镀铬，以提高其耐磨性。最下一道活塞环槽以上部位，一般有3～4道环槽。它承受气压力并传给连杆，与活塞环一起实现对汽缸密封，传热给汽缸壁。
如图8所示，使用活塞环安装钳将柴油发电机各道活塞环装入环槽中。环装入后应在环槽内转动灵活、无卡滞现象。
（1）用活塞环钳安装活塞环，安装油环时使环和衬簧的开口相对180°方向。
（2）安装活塞环时，使标记N面朝上。
注意：各活塞环的形状是不同的，不要装错、当安装油环衬簧时，确保没有间隙。
（3）在活塞环、环槽和活塞侧面上涂足够的机油。
（4）每个环槽的端隙需错开一定角度，三个气环错开120°，第一个环的端隙应避开活塞销座和侧压力高的一侧。
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图7 活塞环气环密封面示意图 |
图8 活塞环安装工具示意图
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4、活塞连杆组的装配
活塞连杆组（结构如图1和图2所示）装配一般从柴油发电机1、6缸（六缸机）开始，装配在下止点进行。每盘转一次曲轴完成两个气缸装配。具体操作如下（以柴油发电机1缸装配为例）
（1）盘转曲轴至1缸下止点，用抹布擦拭连杆轴颈、气缸壁。
（2）在连杆大端和连杆大端盖上装好连杆瓦，然后用机油润滑活塞裙部、活塞环、连杆瓦、活塞销和气缸壁。
（3）整体式油环开口与两气环开口互错120°，同时，不要使开口处于活塞销附近；组合式油环，三道环的四个开口四等分均分圆周，如图9所示。
（4）将活塞连杆组按正确的方向放入气缸，然后使用专用的活塞环压缩器将活塞环压缩，最后用木锤把将其轻轻推入缸内，如图10所示。
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图9 活塞环开口布置图 |
图10 活塞环连杆组装入气缸步骤图 |
注意： 不得使用金属冲头将活塞敲入缸套内。否则会损坏活塞环和缸套。 如果活塞不能顺利进入，则拆下活塞并检查活塞环是否断裂或损坏。
（5）装复连杆大端盖。将连杆和大端盖上印的相同字码同侧安装（图11），然后按规定交替拧紧连杆螺栓至规定力矩。
注意： 连杆装复后，用手轴向推动连杆大端，能感到微动为宜，如果完全感觉不到间隙，则应查明原因。 同步两缸安装完毕后，应盘转曲轴检查阻力大小。如果阻力过大则应查明原因。 所有缸安装完成后，应将曲轴盘转到1缸上止点。
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图11 连杆大头相同字码同侧安装 |
图12 柴油机连杆螺栓拧紧示意图 |
总结：
活塞连杆组的安装是发动机装配过程中的重要环节，正确的安装可以保证发动机的正常工作。在安装过程中，需要进行准备工作，包括检查零件的完好性、清洁工作台和准备工具。安装步骤主要包括将活塞与连杆配对、插入活塞销并拧紧螺母。同时需要注意遵循相关的注意事项，以确保安装过程的顺利进行。只有正确安装活塞连杆组，才能保证发动机的正常运转。
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