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柴油机活塞销的形状和安装方式 |
摘要：活塞销的功用是连接活塞和连杆，承受活塞运动时的往复惯性力和气体压力，并传递给连杆。它的中部穿过连杆小头孔，两端则支承在活塞销座孔中。活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏。
一、活塞销结构和原理
1、工作原理
活塞销在传递气体压力时，会分解出使活塞压向汽缸壁的侧向压力，简称侧压力。作功时活塞裙部受到的侧压力较大，该面称为主压力面，压缩时活塞群部的受力面称为次压力面。一般发动机的活塞销座孔轴线与活塞轴线垂直相交，当压缩行程结束、作功行程开始，活塞越过上止点时，活塞从沿着一侧缸壁运动转换到沿着另一侧缸壁运动，此时活塞由次侧压力面受力突然变为主侧压力面受力，活塞对缸壁产生“拍击”（俗称敲缸），增加了发动机的噪声，且破坏油膜，增加磨损，影响发动机的使用寿命。如果将活塞销座孔轴线向主侧压力面偏移1～2mm，因销座偏置，在接近压缩上止点时，由于作用在活塞上的气体压力与连杆推力不同心而产生一个转矩，在转矩的作用下使活塞倾斜，裙部下端提前换向，而活塞在越过上止点后，连杆对活塞产生一个向左的侧压力，在侧压力的作用下，活塞以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），实现换向。
2、活塞销材料及形状
活塞销在高温下承受很大的周期性冲击负荷。活塞销的外圆表面与连杆小头衬套的相对滑动速度不高，但一般润滑条件较差，多为飞溅润滑。因此，要求活塞销有足够的强度和刚度，表面应耐磨，内部应有较好的韧性和较高的抗疲劳强度。为了减少往复惯性力，活塞销的重量要轻。活塞销通常采用优质钢材（20钢）或合金钢制造。其外表面要经过渗碳或氰化处理，然后精磨，以达到很高的表面光洁度和精度。为提高其抗疲劳强度，可将活塞销内外表面同时进行渗碳淬火处理。
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。
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。
直通圆柱形孔和圆锥形孔的活塞销〔图1（a）、（b）〕质量较小；中间或单侧封闭的活塞销〔图1（c）、（d））适用于二冲程发动机，内部有塑料芯的钢套销〔图1（e）〕则可用于要求不高的汽油机，成形销（图1f）用于增压发动机。
3、分类
（1）全浮式结构
所谓全浮式活塞销结构是指在发动机工作时，活塞销在连杆小头及活塞销座中都能自由转动。这种结构简单，活塞销的缓慢转动有利于飞溅来的润滑油分布于摩擦表面，使磨损减轻，沿活塞销长度和圆周上的磨损可以比较均匀。为防止活塞销轴向窜动拉伤气缸壁，活塞销的两端装有活塞销卡环，卡环应装入活塞销座孔的槽内。
（2）半浮式结构
半浮式活塞销结构是在发动机工作时，活塞销和活塞销座孔为间隙配合，而活塞销与连杆小头为过盈配合，活塞销只能在销座孔内浮动，销座孔内无卡环，两端小头不必装连杆衬套，活塞销各部分磨损不均匀。
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图1 柴油发电机活塞销形状图 |
图2 柴油机活塞销类型及其连接方式 |
二、活塞销安装和注意事项
1、安装方式
（1）加热法
由于铝活塞的膨胀系数大，为保证工作时活塞销与销座孔之间的间隙适当，在常温时它们之间有一定的过盈。为了安装方便和不损伤配合表面，通常将活塞放入水或油中加热到一定的温度（约70～90℃），再将活塞销推入座孔中，如图3所示。
（2）压装法
将活塞销放在轴承孔中，然后使用压装工具将活塞销压入孔中，如图4所示。需要注意的是，压装时要均匀施力，避免出现偏斜或变形情况。
2、注意事项
压装完成后，需要对活塞销和轴承孔进行检查，确保其质量达到标准要求。
（1）工具准备：
在进行活塞销压装工艺之前，需要准备好相应的工具，如压装工具、夹具等，以确保工艺的安全性和效率。
（2） 加工质量：
活塞销和轴承孔的加工质量对工艺的成功与否至关重要。在加工过程中，需要严格按照要求进行加工，并进行质量检查，以确保零件尺寸和加工质量符合要求。
（3）均匀施力：
在进行活塞销压装时，需要保证施力均匀，避免出现偏斜或变形情况。如果施力不均匀，可能会导致活塞销和轴承孔的损坏。
（4）安全措施：
在进行活塞销压装工艺时，需要注意安全措施，如佩戴手套、护目镜等。如果操作不当，可能会导致工伤事故的发生。
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图3 活塞销压入活塞销座孔中（加热法） |
图4 柴油机活塞销压入装配法 |
三、活塞销的常见故障
1、故障现象
（1）活塞销的磨损
① 原因
承受较大的交变负荷。
② 后果
柴油发电机活塞销、活塞销座孔及连杆衬套配合处相对磨损；活塞销与活塞销座孔、活塞销与连杆衬套配合间隙增大。产生敲击声（销子响）。
（2）活塞销断裂
① 原因
柴油发电机活塞销质量不好，有裂纹。
② 后果
打坏汽缸体，造成事故。
2、活塞销的检验与修理
（1）活塞销磨损的测量与修复
先用经验法手动检查活塞销的磨损情况。用一只手握住活塞，用另一只手将连杆顺竖直方向上下移动，检查活塞销与活塞的配合是否正常。如稍许感觉到移动量，则应更换活塞及活塞销。当无法确认磨损量是否影响使用，请按下列方法测量：
① 活塞销外径测量
活塞销外径检查的方法应用千分尺测量，如图5所示。测量时要测三个部位：两头和中间。每一部位所测得的任意两相互垂直的直径之差即为该部位的失圆度；三个部位上所测得的最大与最小直径之差即为锥形度；其失圆度及锥形度一般不应大于0.005mm。
② 配合间隙测量
计算出活塞销孔（或连杆小头衬套）与活塞销的配合间隙。如果配合间隙超过规定极限值，应铰削或更换连杆小头衬套，也可成组地更换活塞及活塞销。活塞销孔（或连杆小头衬套）与活塞销的配合间隙允许的极限值为一般为0.03mm。
③ 销孔内径测量
测量活塞销孔内径的方法，测量活塞销孔内径一般用游标卡尺，测量活塞销外径一般使用千分尺。为了测量准确，一般需在纵横两个方向上取点。
当径向磨损大于0.5mm时，必须更换；当径向磨损小于0.5mm时，可采用镀铬或镦粗的方法修复（镦：冲压金属板使其变形，不加热叫冷镦，加热叫热镦）。
（2）活塞销裂纹的检验方法
先将活塞销清洗干净，使用裂纹检测套件（零件号 3375432）或等同工具检查活塞碗、活塞冠或活塞销孔有无裂纹，如图6所示。如有裂纹、表面脱落或锈蚀严重等均应更换。
（3）活塞销与销座孔的修配
① 活塞销除标准尺寸外，还有四级加大修理尺寸：+0.08mm、+0.12mm、+0.020mm、+025mm。
② 选配时应根据销孔磨损以后的内径，选用近似于内径的加大柴油发电机活塞销（一般比销孔的内径大0.025~0.05mm），如选用最大一级的加大柴油发电机活塞销配合时仍感松旷，则应重选活塞。
③ 柴油发电机大修时，因选配的活塞是新的，因此，活塞销应选配标准的，以便给以后的维修留有更换的余地。
④ 新选配的活塞销锥形度和失圆度应不超过0.005mm，表面粗糙度不低于0.32，对多缸柴油发电机而言，各缸的活塞销质量相差不得超过10g。
⑤ 柴油发电机活塞销与销座孔，在常温（15~25℃）下，应有0.025~0.04mm的过盈量。
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图5 活塞销外径检修方法 |
图6 柴油机活塞销孔裂纹检测套件 |
总结：
柴油发电机活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。其工作条件承受大的冲击载荷，其本身又作摆转运动，润滑条件很差。因此，要求活塞销足够的强度和刚度，表面韧性好，耐磨性好，重量轻。活塞销主要由低碳钢和低碳合金钢制成，经渗碳淬火处理以提高硬度，精加工后进行磨光，有较高的尺寸精度和表面光洁度。
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