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使用说明书 |
柴油发电机组活塞连杆组结构和作用 |
导读： 康明斯柴油发电机的活塞连杆组是将活塞承受的气体压力通过连杆传给曲轴，并将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动输出机械能。活塞组由活塞、活塞环、活塞销、活塞销卡簧等组成，它与连杆结合在一起，组成了活塞连杆组。活塞连杆组是柴油机中至关重要的部件之一，它实现了燃气压力到机械能的转化，为发动机的动力输出提供了基础。因此，了解活塞连杆组的组成和工作原理对于理解柴油发动机的工作原理非常重要。
一、活塞连杆组的作用
活塞连杆组的功用是推动柴油机运转，将机械能转化为热能，供给柴油发电机燃料消耗和产生动力。在活塞连杆组的工作过程中，活塞和连杆的运动状态需要精确控制，以确保发动机的正常运转。此外，活塞和连杆的材质、尺寸和重量也会对发动机的性能产生影响。其基本结构和外观如图1、图2所示。具体来说，活塞连杆组的作用如下：
1、 提供动力
活塞连杆组通过曲轴旋转将机械能转化为热能，供给柴油发电机引擎产生动力。
2、 维持曲轴旋转
活塞连杆组将动力传递给曲轴，使曲轴旋转，进而驱动柴油机转动。
3、控制燃烧过程
在燃烧室内，活塞连杆组通过控制燃烧过程，使燃料在缸内燃烧产生能量，进而产生动力。
活塞连杆组是柴油机中至关重要的一组组件，不仅为柴油发电机提供了动力，还维持着柴油发电机正常运行的安全性和稳定性。
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图1 活塞连杆组零件构成 |
图2 活塞连杆组三维立体图 |
二、活塞
活塞的作用是与汽缸、汽缸盖共同组成燃烧室，并通过活塞销和连杆向曲轴传递机械能。它可分为顶部和裙部两部分。
1、活塞顶部
它是燃烧室的组成部分，当柴油发电机工作时，非增压型的直接承受约5800、8800kPa，增压型的约8000、12000kPa的爆发压力和瞬间高温的作用，整个活塞温度分布又极不均匀，并进行不等速的高速直线运行，因此，活塞强度要高、导热性要好、热膨胀系数要小。根据承受压力分成多种形状，如图3、图4所示。
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图3 活塞平顶和凸顶形状 |
图4 活塞凹顶和成型顶形状图 |
2、活塞环槽部
活塞顶部圆周还切有数道环槽，上部的2一3道环槽是安放气环用的，目的是防气漏入曲轴箱，并将活塞吸收的热量经活塞环传给汽缸壁。下部的1、2道环槽是安放刮油环用的，在环槽的底面上装钻有许多径向小孔，使油环从汽缸壁上刮下来的多余润滑油经小孔流回油底壳活塞裙部：环槽以下部分称裙部，它用来引导活塞在汽缸内作直线运动，并把连杆的侧向力传给汽缸壁。
3、活塞裙部
活塞裙部有活塞销孔，供安装活塞销并连接连杆。销孔内设有环槽，供安装弹性卡环以便用来防止活塞销在工作中发生轴向窜动。活塞裙部要求具有足够的承压面积，又要保持与汽缸壁的最佳间隙，间隙过大会使密封性变差和发生敲击现象，过小则易刮伤缸壁甚至发生咬缸现象。活塞顶部设有各种各样的凹坑，其形状是根据燃烧室型式及混合气形成方式而设计的，一方面避免气门与活塞顶部碰撞，另一方面使可燃混合气的形成更有利，燃烧过程更加完善。
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图5 活塞弯曲变形状态 |
图6 活塞挤压变形状态 |
图7 活塞裙部变形状态 |
二、活塞环
活塞环主要作用是保持活塞与汽缸壁之间的密封，将燃料的化学能转变为机械能。传统活塞环安装在发动机气缸套里后，开口的两个端面有一定的闭口间隙，这个间隙虽小，但可以说是一个完全敞开的通道。活塞环是具有弹性的金属开口圆环，按其功用不同可分为气环（又称密封环）和油环（又称刮油环）两种。安装示意图如图8所示。
1、气环
气环的作用是密封活塞与汽缸之间的间隙，防止燃烧室中的高温、高压燃气窜入曲轴箱内，并将活塞所吸收的热量传给汽缸壁及冷却介质。它安装于活塞上部的2、3道环槽内。气环有多种不同的断面形状，分别是矩形环、锥形环、桶面环、扭曲环和梯形环，如图9所示。
2、油环
油环的作用是刮除汽缸上多余的润滑油，防止润滑油窜入燃烧室，并将润滑油油膜沿汽缸壁均匀分布，增强润滑效果。它安装于活塞下部1、2道环槽内。活塞环要承受高速往复运动的摩擦力，使用的材料必须具有良好的耐磨性、耐热性、导热性、弹性和韧性。
活塞环在自由的状态下是比汽缸内径大的开口环，它是在压紧的状态随同活塞装于汽缸内，依靠本身的弹性作用贴紧缸壁，实现其功能。活塞环开口处留有的间隙应适中，如开口过刁、在高温工作环境下因无膨胀余地而会造成咬死现象，而开口过大则会造成漏气。柴油发电机活塞环开口间隙一般为0~4、0~8mm。
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图8 活塞环安装示意图 |
图9 活塞环气环断面形状图 |
三、活塞销
1、工作条件
活塞销通常采用低碳钢或合金钢加工制成空心圆柱形，表面经过渗碳淬火处理增加其强度。安装时活塞销的中部穿过连杆小端孔的衬套，其两端支撑在活塞裙部的销座孔中，并用卡簧进行轴向定位，防止轴向窜动而刮伤汽缸壁。活塞销是将活塞与连杆铰接的中空短销，作用在活塞上的气体力和往复惯性力完全通过活塞销传递给曲轴。活塞销在较高的温度下要承受很大的周期性冲击负载，而且润滑条件较差，所以不但要求活塞销应有足够高的强度和刚度，要求它有耐冲击和良好的表面耐磨性能。活塞销与连杆小端衬套和销座孔为间隙配合，这样工作时可缓慢转动，使磨损均匀，提高其疲劳强度。
2、材质要求
活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。
3、活塞销结构
活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。
四、连杆
连杆是活塞连杆组中最重要的部件之一，它连接着活塞和曲轴，是将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动的关键组成部分。连杆的形状通常是I形或H形，由铸铁或铝合金制成。在柴油机工作时，活塞的上下运动会带动连杆旋转，从而将汽缸内的燃气能转换为曲轴的旋转能，实现柴油机的动力输出。
连杆一般由小头、杆身和大头三部分组成。连杆一般由中碳钢或合金钢弹压而成。连杆小端与活塞销相连，工作时与销之间有相对运动，小头孔中有衬套（青铜）。在连杆的小端和衬套上钻有小孔（油道），用来润滑小端和活塞销。
1、连杆杆身
连杆杆身通常作成工字型断面，以求增加其强度和刚度。在其中间有油润滑油道。
2、连杆大头
连杆大头与曲轴的曲柄销相连，大头一般作剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，接特制的连杆螺栓紧固在连杆的大头上。连杆盖与连杆大头是组合搪孔，为了防止装配错误，在同一侧有配对记号。大头孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦紧密贴合。连杆大头还铣有定位坑，连杆的大端还有油孔。
连杆大头在柴油机上受力大，其大头直径较大，超过气缸的直径，采用斜切口，一般与连杆轴线成30~60℃夹角。
3、连杆螺栓
连杆螺栓是经常受交变应力作用的重要零件，安装时，必须牢固可靠，要符合工厂规定的拧紧力矩，分2~3次拧紧。
总结：
综上所述，活塞连杆组的各个部分在内燃机中起着重要的作用。它们的合理设计和优良性能可以提高发动机的工作效率和可靠性，同时减少摩擦和磨损，延长发动机的使用寿命。因此，在发动机设计和制造过程中，对活塞连杆组的选材和加工工艺要进行仔细考虑，以确保其稳定可靠地工作。
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