摩托车活塞组结构

摩托车活塞组结构07-06-2522:19发表于：《角落》 分类：未分类活塞组是发动机运行做功的主要零件之一，在摩托车发动机的各类故障中，活塞组故障占了一定的比例。由于活塞组的工作条件较为恶劣，一旦维护使用不慎，极易产生异常磨损和损坏。为此，本文拟对活塞组件的结构特点和各零件的功能以及检修要点作一探析，供摩托车爱好者和维修服务人员参考。♦活塞的结构特点在摩托车发动机中，活塞是将燃料爆发力向外传递的第一个零件，它首当其冲地承受着燃烧室内高温高压的强烈冲击。发动机燃烧室在点火爆炸的瞬间，燃气温度高达2000°C-2500°C，其爆发压力在50kg/cm2左右，活塞头部受到5000-23000N爆发力的打击和燃气高温的冲击。当发动机接近满负荷工作时，活塞头部的中心温度超过300C，裙部的工作温度也有150C-180C。鉴于活塞工作的特殊性，要求活塞具有较高的结构强度和钢度，能承受高温高压，同时有较高的耐磨性、抗腐蚀性，在高温下膨胀系数小、重量轻等。因此，摩托车发动机上的活塞材料通常采用密度小、导热性能好的高硅铝合金铸造。1、活塞的结构形式活塞由活塞顶、火力岸、环带、销座、裙部、内腔组成。如图1所示。活塞顶活塞顶部与汽缸壁、缸盖一起组成燃烧室，它的形状与燃烧室的结构型式有关。四冲程活塞顶部对应于气门部分常制有凹坑，是为避让气门而设计的，活塞顶面上的“IN”字样和二冲程活塞顶面上的“f”箭头，表示活塞的安装方向应分别朝向进气口和排气口方向。火力岸也称顶岸，指第一道活塞环槽以上的圆柱部位，可缓冲高温高压燃气对活塞环的冲击。为减缓高温燃气带来的热膨胀现象，一般活塞顶岸的直径要比裙部尺寸小约0.2-0.35mm。活塞环带由环岸和环槽组成，是活塞组的主要密封区域。同时由活塞顶部承受的高热量中的大部分，也由此传给活塞环，再传给汽缸壁，经缸体散热片或冷却液散发掉。活塞环槽侧面与活塞中心线的加工要求较高，其环槽底部与活塞环内圆形成了活塞环的背隙，它是保证活塞组封闭及正常工作的重要部位。活塞裙部活塞裙部是指最下面一道环槽至活塞底面的圆柱部分，其作用是为活塞在汽缸中做往复运动时担任导向和承受侧压力。为适应热变形，其活塞的圆柱截面为椭圆形，在活塞塞线方向是锥形，或者是桶形。因热胀冷缩的缘故(如图2所示)，桶的最大直径处在冷态时，应在销孔中心线偏下一点；而热态时，最大直径处会上移到活塞销中心线附近。所以被称为中凸活塞或桶形活塞。人们在试验中发现，长期使用的裙部，自然磨合成桶形，这样的桶形能与汽缸壁有较狭的密封带和有利的油膜楔形，有利于缓冲活塞在汽缸内横向运动中的撞击。为了避免活塞裙部在下行转向时与缸壁产生拍击，有意将活塞销孔偏心制造，也就是活塞销孔中心偏离活塞体中心线向进气侧平行移动约0.5mm的距离。销座它位于裙部中央上方，其作用是用来安装活塞销并承受活塞顶部传来的燃气压力，把它再传给活塞销，继而传给连杆。销孔两端设有卡环槽，用来安装活塞销挡圈(简称卡环)，防止活塞销轴向窜动。因高温高压的影响，活塞各个方向的膨胀量均不相同，尤其是销座部位金属堆积物较多，故将销座处加工成凹形，从而减少销座处的热膨胀量。（f）活塞内腔活塞内腔由金属模浇铸而成，在裙部下端有车出的止口，这是活塞加工的基准，也可用作检测活塞外圆跳动值的基准。发动机工作时，飞溅的润滑油洒入内腔或由连杆大头侧的油孔喷出一股机油冷却活塞。活塞内脏对称部位的铸件壁厚不得大于0.20mm，其活塞重量偏差应在±1.5g以内。对于多缸发动机来说，活塞之间的重量差尤其要均等。2、二冲程活塞二冲程活塞多采用凸面球形，以适应扫气过程的需要。当活塞位于上止点时，裙部必须盖住排气口，因此，其裙部较长且开有窗口缺口，以便于汽缸体构成进气或扫气通道。同时，在活塞环槽内压装有直径1.5-2mm的定位销，以限制活塞环作周向运动，避免活塞环开口转至汽缸体上的气口位置时，拉伤汽缸体内表面或使环本身折断。因二冲程发动机工作的特殊性，参加燃烧的润滑油在高温高压下会变成碳分子堆积在活的环槽内，极易造成活塞环的粘着，使其失去密封作用，严重时还会引起高温燃气下窜等恶性故障。故活塞的第一道环槽，被设计成单面楔形（也有的活塞二道环槽均采用单面楔形），其楔形斜角为7o15‘；而活塞环的楔形斜角为7o30‘（如图3所示），当活塞环做径向运动时，其侧隙时而大进而减小，使残留在环槽内的机油焦渣被磨碎并随废气一起排出，这样就起到了自动清除积碳的作用。为了充分发挥这种清除效果，有的二冲程赛车活塞则采用了双面楔形结构，其楔形斜角通常为15°，它的使用效果比单面楔形要好的多。♦活塞销与卡环活塞将燃气的压力传给活塞销，销将此力传给边连杆。因此，活塞销承受着较大的弯曲力、剪切力和表面挤压力，故要求活塞销有非常好的刚度、强度和表面硬度。活塞销一般做成中空圆柱形，其外表面经渗炭或氮化处理。摩托车发动机中，活塞销与销孔，在冷态下均有约0.002-0.008mm间隙。因此，多数活塞销为全浮式，发动机工作时，活塞销能在销孔内缓慢转动，使销各部分磨损均匀。也有活塞销和销孔是轻压配合或过渡配合的，但与连杆小头孔是间隙配合，被称为半浮式活塞销。二冲程发动机中，活塞销与连杆小头的连接，通常采用滚针轴承或轴套结构。卡环用弹性较好的钢丝绕制而成，有圆形截面，也有矩形截面的，其两端有弯钩或辕孔（如图4所示），以便于拆装。♦活塞环组件在发动机的结构中，活塞环是在高温、高压条件下，唯一做三个方向运动（即轴向运动、径向运动和旋转运动）的零件，同时也是使用条件最为苛刻的零件。因此，对活塞环的材质和加工工艺提出了很高的要求，其主要性能有：1）耐磨性；2）贮油性；3）硬度；4）耐蚀性；5）强韧性；6）弹性；7）耐热性；8）切削性等等。而其中耐磨性和弹性是作为活塞环材料最重要的性能。摩托车发动机用活塞环的材料通常有合金铸铁（主要用于第一道气环），球墨铸铁（主要用于第二道气环），而钢质环主要用于油环。（1）第一道气环因第一道气环承受300r左右的温度，润滑条件又最差，为增加其耐磨性能，常常将一道气环的工作表面进行多孔镀铬处理。多孔镀铬层硬度高，可贮存少量的润滑油，以改善润滑条件。为改善气环的磨合性能，通常将第一道气环的外圆面做成桶面状，其桶面的作用是可与汽缸壁形成很狭窄的密封带。因为整根环的弹力都作用在这个狭带上，不管桶面环在环槽内如何摆，桶面总能与汽缸壁形成密封带，且有利于润滑油膜的形成。由于这种环的接触面呈圆弧状，近似于在缸内磨合的最终，这对于防止拉缸和漏气以及降低机油消耗量均显示出良好的效果。第二道气环为了控制机油上窜，一般都将活塞上第二道气环外圆制成锥面。其锥角约1°30’±15’，只有环的下平面有0.2-0.6mm宽一段是圆柱面。所以，锥面环和汽缸的接触也是很狭窄的一条密封带。锥面环既能在活塞上行时的滑动面上布下油膜，又能在活塞下行时有效地刮去缸壁下端的多余机油。为便于识别安装方向，锥面环的上平面用激光笔刻制有记号或字母；避免装入活塞时方向颠倒而适得其反。应将带有记号的一面朝向活塞顶，不可装反。否则，便成了向汽缸内刮油，增加了机油的消耗量，造成排气冒蓝烟，活塞环及环槽内积碳故障。油环组件摩托车发动机的组合油环由衬环、片环构成，其油环的切向弹力约为13-30N，而同一发动机的气环发向弹力只有5-10N。因此，组合油环的特点不仅在于其接触压力高，而且由于上、下刮牌能够分别动作，即使对于正圆度较差的汽缸来说，也具有良好的顺应性。更重要的是每个环片不仅与汽缸之间的滑动面处保持密封，而且能在环槽的上下两端面之间保持对机油的气密作用，因此封油效果极佳。4、活塞及活塞环磨损的原因散热不良活塞是在高温、高压燃气体的作用下工作的。研究表明，活塞所受热量约70%-80%由活塞环传给缸壁而散发掉的，同时也有活塞裙部散走。如果因润滑不良或冷却效果差，不能及时而不断地把活塞顶的热量散发出去，那么，活塞上部就会严重过热。其结果是，由于活塞的不正常膨胀而被刮伤，由于硬度降低而使活塞早期磨损，由于高温机油变质而引起粘环，或由于活塞顶和活塞销座处强度的降低而损坏等等。侧隙和背隙不适当使用低质燃料，燃烧不正常而产生未燃积碳；因窜油、多余的机油燃烧而产生的积碳或残渣，并逐渐地在活塞环槽内堆积起来(尤其是二冲程机)。当环槽间隙被积碳塞满时，则活塞环的自由运动就受到阻碍，使环受到比背压还高的压力，与缸壁接触，故而产生拉缸。活塞间隙不适当当活塞间隙不适当时，也会发生活塞环拉缸。活塞与缸筒间隙过大，使活塞头部的摆动增加，活塞与缸壁接触面积减小，并在润滑面上引起拉伤或磨料磨损；同时，由于活塞倾斜，活塞环在环槽内间隙增大且与缸壁呈棱缘接触(如图5所示)，使接触压力过高，而引起拉缸。活塞环粘着这是发生机械性的粘接。当环槽间隙过小时，活塞在工作温度下发生变形，活塞环有时会暂时或长时间被嵌入环槽中而固定下来，使活塞失去弹力。这当中，也不排除如磨屑、灰尘以及其它固态胶质限制了活塞环的运动。♦活塞组检测及维修要点当分解发动机取出汽缸体后，先不忙擦洗活塞，因为，从活塞的外表面可以获得活塞实际运行状况的部分信息，以便能更准确地寻找出故障的起源。先看活塞环在活塞组件上的位置，观察第一、二道活塞环是否在同一个方向。因为初始装配时，活塞环的开口一般都相隔120。或180。错开的。若汽缸失圆或热变形失圆的话，活塞环的开口转到同一位置时便不再转动了。对此，可考虑汽缸的椭圆度进行验证。看附着在活塞上的润滑油的具体位置。活塞裙部及环槽有少量的润滑油是正常的，但活塞顶和环岸部位则不允许有。否则，应在排除气门导管油封失效的因素后，重点检查油环组件的密封性能是否下降，以及气缸筒有无明显拉痕失圆等异常现象。看活塞裙部侧面的贴合情况：火力岸和环带的环岸，不应有与汽缸壁相摩擦形成的亮斑。只允许活塞裙部两贴合面上有均匀的摩擦面，若其摩擦面呈灰色且上、下均宽，为贴合良好(如图6所示)，说明活塞的热膨胀合理，与汽缸筒的配合间隙适中。如果摩擦面上有很细微的直纹，而且裙部磨损量也很大，那可能是空滤器滤心失效，有很多灰尘进入，形成磨粒磨损所致。倘若有明显的拉痕，则可能是硬性炭粒、金属碎屑或过热造成的热变形，与缸壁咬合造成活塞裙面金属被撕拉，而呈拉缸现象。对活塞裙部的轻微丝缕面，可用600〜800号的细砂纸沾少量机油，轻轻摩擦进行修整，最后用金相砂纸磨光即可。活塞裙部是一曲线，测量时，应取与活塞销垂直的方向，按各机型活塞规定的离裙部底某一距离之处作为测量点，用外径千分尺检测。将活塞外表清洗干净后，目测顶面上的积碳堆积状况。正常情况下，允许活塞顶及环岸部分有一层薄薄的积碳，且颜色应呈黑色或灰色。倘若积碳堆积过多，擦掉浮碳后仍留有硬质的碳层难以去除，应考虑检查汽油成分里是否含铅量太多，或者润滑油质量太差。另外，活塞回油孔和裙部不允许有积碳存在。否则应检查汽缸的圆度和活塞环在汽缸内的漏光度，找出机油上窜的原因。但活塞顶面上不得有伤痕，这种伤痕可能是气门碰撞造成，或是连杆大头轴承松旷，或是曲轴主轴承配合间隙过大等原因所致。如果活塞顶面有波摺的变形，可能是由于铝合金材料的活塞在350°C以上产生的热蠕变，多数是由于轻微爆震造成局部温度过高和局部的大压力梯度造成。仔细查看活塞环岸，不应有缺裂、崩塌、拉毛或撕裂，环槽的两侧面应完好。对环槽的测量；应先将活塞清洗干净后刮尽积碳，用一段比环槽薄0.05〜0.10mm以上的活塞环(也可用原机上的气环)，量好环的厚度，持塞尺片在环槽周围至少测4个点(如图7所示)，找出最宽部位和最狭的部位，得出比较准确的侧隙值。活塞环和活塞环槽的经验值为:缸径W60mm，水冷机取W0.03mm，风冷机取W0.04mm，使用极限值为0.10mm；缸径W60mm，水冷机取W0.04mm，风冷机取W0.05mm，使用极限值为0.12mm。另外，活塞环与活塞环槽之间最宽处和最狭处大于0.05mm时，说明环槽已严重变形，应更换活塞。拆去卡环，取出活塞销，在活塞销和连杆小头摩擦的三个不同部位测量销的外径：在X、Y方向上测定活塞销孔内径，测定的最大值作为活塞销孔内径，再减去销的外径尺寸，即可得出其配合间隙。若大于该机型的使用极限值，应予更换。拆下活塞后，应观察活塞的内腔及项背面，若呈古铜色，那是燃烧温度过高造成的。另外，活塞侧面从环岸到环带处若存在偏红的颜色，这是高温燃气下窜的表现应及时更换活塞环。活塞组件重新装配时，应检查卡环周围是否有金属余屑堆积，以及卡环槽口是否变形等。经验表明，卡环经反复折装会产生变形。一旦发现弹性变差，最好更换新卡环，可按图8所示方向装配环。另外，活塞销在其销孔与销环槽间的间隙不能过大（一般控制在0.05-1.00mm之间），否则会引起活塞销与卡环产生激烈摩擦，使活塞销孔处的温度急剧升高直至局部熔化，导致卡环窜出销孔槽而损伤活塞与汽缸。（9） 有少部分活塞配件，其活塞销孔留有一定的铰削余量。当更换新活塞时，应先用活塞销试配一下，在确认活塞销孔需铰削后，可按以下工艺流程进行铰削：（a） 根据活塞销孔的实际尺寸，选择合适规格的活络铰刀（注意铰刀的长度应同时铰削两个销孔），以保证两孔的同轴度。将活络铰刀夹在台钳上，调整铰刀，使刀片上端露出活塞销孔，最好用0〜25mm的外径千分尺测量铰刀的最大刃口，以便于控制其铰削量。（b） 铰削时，两只手扶稳活塞均匀轻压施力，按顺时针方向旋转（如图9所示）。当活塞环下方与刀片下端接近平齐时，两手仍按顺时针方向朝着上方同时提起，使活塞从铰刀脱出，避免铰偏或起棱。调换活塞方向，重铰一次。一般每次的铰削量以0.02-0.04mm（指铝合金活塞）为宜。然后，将活络铰刀上的调整螺母旋转60°-90°。为防止铰削量过大，应用活塞销试配，当接近铰削要求时，铰削量要减小。只要用手指能将活塞销推到销孔的1/3,则停止铰削。（c） 对销和孔是过渡配合的活塞，在铰完后，还应进行热装试验：先测量活塞的裙部尺寸，然后将活塞放入机油中加热到100°C-120°C，并保温15min左右，取出活塞迅速将活塞销装入孔中，待零件完全冷却后，再次测量活塞裙部尺寸的变化情况，其活塞裙部的圆度不得大于0.03mm。若超过，均属配合过紧，可再略加铰削。销与孔为过渡配合的，装配时，应将活塞加温到80C左右，再活塞销。（10） 合适的背隙可以防止活塞热膨胀时使气环粘着在环槽中，避免窜气、窜油、抱缸、拉缸、功率下降等故障的发生。在更换新活塞时，需检查活塞环槽与活塞环之间的背隙。检查方法是：将活塞环外圈嵌入活塞的环槽底部，此时，活塞环沉入环槽内的数值即为其背隙。四冲程活塞的正常背隙值应在0.40-0.70mm之间。（11） 为了保证活塞正常地进行往复运动，必须根据不同的汽缸材质、负荷状态、活塞的材料及热稳定性、裙部型线等选择合理的配缸间隙。应仔细查看活塞裙部和汽缸相关部位的摩擦痕迹。如磨损严重需要更换活塞时，应选用原机型的活塞并与汽缸筒重新进行间隙选配。（12） 活塞环的检查项目有：活塞环外表面不允许有裂纹、毛刺、锈蚀和崩缺现象。镀铬活塞不允许有铬瘤