汽车发动机活塞、连杆组件讲座

汽车关键零部件发动机活塞、连杆组件一、概述活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成，如以下图所示。活塞活塞、连杆组件二、活塞活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成局部。工作条件：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。1.功用、要求与构造：要求：(1)要有足够的刚度和强度，传力可靠；(2)导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；(3)质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。构造：活塞可分为三局部，活塞顶部、活塞头部和活塞裙部。1〕活塞顶部活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成局部，其形状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求，其顶部形状可分为四大类，平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞。平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用。凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起导向作用，有利于改善换气过程，二冲程汽油机常采用凸顶活塞。凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。2〕活塞头部活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上局部。它有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道环槽安装气环，起密封作用，最下一道环槽安装油环，起润滑作用；汽油机活塞一般有三道环槽，上面两道环槽为气环槽，最下一道环槽为油环槽。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。第一道环槽工作条件最恶劣，一般应离顶部较远些。活塞顶部吸收的热量主要也是经过防漏部通过活塞环传给气缸壁，再由冷却水传出去。总之，活塞头部的作用除了用来安装活塞环外，还有密封作用和传热作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，同时还将(70～80)%的热量通过活塞环传给气缸壁。3〕活塞裙部活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的局部，它包括装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力，所以，作功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力〔见以下图〕。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。2.活塞的变形及采取的相应措施：〔1〕变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。〔2〕变形规律及结构措施

1〕活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙变小。因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁；

2〕活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高低低，壁厚上厚下薄；3〕裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方向。因销座处金属量多而膨胀量大，以及侧压力作用的结果。为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而平安的间隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔局部的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形、锥形。活塞头部形状示意图锥形裙部活塞示意图现代发动机活塞已普遍开展为中凸变椭圆型面，其纵剖面廓形为中凸的指数或幂函数，横截面的廓形大都采用椭圆的2阶近似曲线或椭圆—偏心(正)圆等的组合曲线。设计椭圆形裙部的目的是防止热态时活塞沿销轴方向的过度膨胀，从而卡死在气缸内。中凸活塞各横截面的椭圆度可以相同，也可以是变化的，分为等椭圆度和变椭圆度两种。所谓等椭圆度是椭圆长轴与短轴之差沿活塞裙高度无变化。采用变椭圆度时，活塞椭圆度一般是沿着裙高从底到高，从大到小按线性规律变化。采用渐变椭圆的主要目的是使活塞在受载状态时，上下接触面接近等宽。3.活塞材料：随着发动机向高速度、低能耗方向开展，采用优异的活塞材料尤为重要。目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动的惯性，因此铝合金活塞常应用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金活塞异热性好，工作表而温度低，顶部的积炭也较少。铸铁材料的金属基体以珠光体为宜，其中所含的石墨为片状、点状或球状。发动机活塞用铸铁还应具有晶粒度的稳定性、抗热裂以及抗腐蚀一疲劳损伤的性能。试验说明:具有细小弥散的金属基体和石墨的铸铁，尤其是含有Cr,Ni,Mo,V,Cu等合金元素的合金铸铁，具有较好的综合性能，其中球墨铸铁活塞强度最高。陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度高等优点。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到一定的应用。4.活塞的工艺特点及定位装夹形式：活塞主要外表尺寸及各外表间的相互位置精度要求较高;在加工后还要求保证活塞裙部及顶部的壁厚均匀。上述特点与要求，使得活塞机械加工比较困难，其加工工艺特点主要有以下几方面:1.活塞壁薄，径向刚度差，假设按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削力影响下很容易变形，所以在制订工艺及选择设备时，应同时注意夹压点及装夹方式的选用。2.活塞加工面较多，不仅各加工面尺寸精度要求较高，而且相互位置精度要求也较高，因此在考虑工艺时，应正确选择定位基准面，以减少因定位基准变换而引起的加工误差。同时，选用设备时，尽量选用多刀或多工位加工机床，以减少装夹次数。3.活塞销孔尺寸及形状精度要求很高，粗糙度要求很低，故一般采用镗削加工。4.由于活塞壁薄、刚性差，为防止切削力过大而引起变形，在加工时，进刀量要小，切削速度要高。同时，重要外表(销孔、裙部外圆)的精加工要放在最后进行。活塞的工艺特点决定了其定位装夹形式，其主要定位装夹形式如下表所示：定位装夹方式适用加工范围特点止口定位+销孔夹紧活塞顶面、头部、裙部外圆特征的加工优点:1.由于活塞内腔不加工，因此采用内止口定位可保证各外表面(活塞顶部、头部环岸外圆、裙部外圆)加工后，活塞壁厚均匀；2.定位形式简单可靠，适用范围广；3.便于实现定位基准统一，减小基准变化的误差。缺点:1.止口仅作为基准使用，使活塞加工量变大；2.止口加工精度、位置度要求高，加大了加工难度；3.止口一旦误差变大，影响后序大部分加工的精度，存在批量废品风险。止口定位+顶面(中心孔)夹紧顶面、头部、裙部外圆特征的加工止口+销孔(预)定位+顶面夹紧销孔部位特征的加工头部外圆定位及夹紧环槽、裙部外圆、止口、销孔、内腔特征的加工优点:1.可以实现定位基准与设计基准的统一，如能保证压缩高(销孔中心线到活塞顶部的尺寸)的要求；2.适用于高效率活塞加工自动线的定位装夹。缺点:1.要求毛坯均匀的壁厚，加大了铸造难度；2.不适用于顶部有凸缘的活塞；3.对机床本身有较高的定位精度要求；4.容易引起活塞变形。销孔定位及夹紧销孔部位特征的加工优点:1.易于保证加工特征与销孔的位置精度；缺点:1.对销孔的粗加工精度要求较高；2.只能单孔逐一加工，增加了装夹次数。由于采用止口(及其辅助)定位配合以销孔或活塞顶面(中心孔)的装夹方式简单可靠、应用范围广、可实现定位基准的统一，同时能保证活塞的各种位置精度，目前国内外活塞行业的加工广泛采用这种定位方式。绝大多数的柴油机活塞顶部都有各种形状的凹坑，称为燃烧室。局部活塞还具有气门坑及其开口等结构。因此，顶部加工特征一般包括:顶面、燃烧室、气门坑、气门坑开口等。如以下图所示。1〕活塞顶部加工特征活塞顶面粗糙度一般为μm，与止口的平行度一般为0.015mm，在加工中一般需要粗、精两次加工来完成，粗加工余量一般为1mm，精加工余量一般为0.4mm。从活塞销孔中心线到活塞顶面的距离称为压缩高，该距离影响发动机的压缩比，在精加工顶面时需要保证该尺寸。燃烧室一般为回转体形状，其素线由方向、半径不同的圆弧与直线圆滑连接而成，燃烧室精加工需要保证燃烧室的粗糙度一般为Ra3.2μm。活塞毛坯一般情况下铸造有燃烧室凹坑，需要粗、精两次加工完成，燃烧室的粗加工与精加工余量与顶面根本相同。也有个别活塞铸造成平顶，此时的燃烧室需要粗、半精、精加工三次加工才能完成，因此在进行工艺分析时需要判断是否铸造有凹坑。而气门坑及其开口由于余量较小一般一次加工至成品尺寸。根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而气门坑及其开口一般采用铣削加工。2〕活塞头部加工特征铁环槽为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。基于这一原因，该环槽一般两槽侧具有一定的斜度，以便于与密封环更好地接触，防止高压燃气串到裙部。铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求，其基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有“粘性〞加工特征，加工一般至少需要粗加工、精加工两次加工完成，粗加工加工出铁环及环槽形状并为精加工留出0.3～O.5mm余量。铝环槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加工余量比较大、容易加工变形，因此一般至少分为粗、精两次加工来完成，粗加工加工出形状，给精加工留下0.1～0.2mm的余量。由于加工铸铁环槽时产生较大的切削力和热量，容易引起铝环槽的形状误差和变形，因此需要把铝环槽的加工放在铁环槽精加工之后进行。3〕活塞裙部加工特征4〕活塞销座孔加工特征表：某典型活塞原加工工艺流程及工序时间表工序工序内容设备数量设备型号工序时间(S)备注工序时间利用率1粗车头部外圆1BHC-4604866.672粗车止口1BHC-1112331.943粗车外圆及顶面1BHC-61505272.224精车止口1BHC-1123142.065粗镗销孔1BHT-1046双工位31.946粗精车铁环槽、倒角1BHC-2072100.007粗精车铝环槽1BHC-50A4359.728半精车外圆1BHC-1132636.119半精镗销孔1BHT-2044双工位30.5610车卡簧槽、外倒角1BHC-1152636.1111车销孔内倒角1BHC-1151216.6712粗车燃烧室1BHC-61254866.6713精车燃烧室1BHC-61254258.3314精车外圆2BHC-249263.8915精镗销孔1BHT-304866.6716精车顶面1BHC-1143244.445.关键工序加工与装备：目前，国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用设备组成机加工生产线，因此，专用设备就成为活塞切削加工的关键设备，其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。1〕活塞异型外圆加工趋向于无靠模数控化非圆截面零件的切削加工一直受到人们的关注，先后推出了多种加工工艺方法。从成形机理分析，可将现有的非圆截面零件加工工艺方法分为机械运动合成法、靠模仿形法以及数控加工成形法几种类型机械运动合成法是通过对工件多个方向切削运动的合成，形成非圆零件截面。根据运动合成的机构不同，又有套车法、偏心法、周转轮系法等非圆截面零件的车削方法。1〕机械运动合成法(1)套车法套车法是一种专门针对椭圆截面零件车削加工的工艺方法。该方法的成形原理如以下图所示，车刀的回转轴线相对于工件轴线摆动一个口交角，车刀绕自身轴线高速回转以形成主切削运动，这样通过调整刀盘的直径d和摆动角口的大小，便可加工出满足长短径要求的椭圆截面来，可获得较高的加工效率与加工精度。套车法成形原理2)偏心法偏心法成形的刀具运动驱动机构如以下图所示，它是个曲柄滑块机构，连杆的两端分别与偏心轮和刀架联接，相对于机床主轴按传动比i进行转动，通过调节偏心距的大小获取所需的刀具切削运动轨迹。偏心轮驱动机构原理图当工件随主轴回转时，刀具的运动轨迹方程为：式中：e—偏心距；θ—偏心轮角位移；，l—连杆的长度；n—主轴的转速；i—主轴与偏心轮之间的传动比；t—时间。加工后所得到的工件截面向径R(θ1)为式中：r0—为非圆零件基圆半径；θ1—主轴角位移。3〕周转轮系法周转轮系加工非圆截面方法的成形原理如以下图所示，设轮4装在轮H上，其轴心偏心为e，它一方面绕轴O2以ωH角速度公转，另一方面又在轮5的作用下以角速度ω4绕自身中心O1旋转。当工件与轮4同轴旋转时，通过调节O1轴的偏心距e以及角速度ωH、ω4便可加工出所需的非圆截面零件。周转轮系加工非圆截面方法的成形原理从而可见，上述几种机械运动合成法非圆截面零件加工工艺方法，可以获得较高的生产效率和加工精度。然而，这些加工成形方法均需要专用的机床机构，进给运动形式是由这些运动机构来保证，加工设备的制造本钱高；柔性较差，一种机构只能加工一类非圆截面零件，难以满足多品种小批量生产的需要。4〕靠模仿形法靠模仿形法是利用靠模来控制车刀与工件的相对运动，以形成所需的非圆截面零件外表形状，如图1-6所示。靠模仿形法与机械运动合成车削法相比，用靠模仿形实现非圆截面零件的成形加工具有以下特点：1)适应的加工范围较广。对于不同的非圆截面零件，只需更换靠模便可进行车削加工，因此靠模仿形法能完成多种非圆截面零件的车削加工。2)可实现大进给量的切削，具有较高的加工效率。3)适合于非圆截面零件的粗、精加工。由于此类加工方法需要凸轮靠模来控制刀具的切削运动，其机械结构复杂，因而也存在如下的缺乏：1)响应速度低，不适合于非圆截面零件的高速切削。2)机械结构环节较多，各环节的制造与装配误差及其刚性均影响到非圆截面零件的车削加工精度。3)更换零件类型需要重新进行靠模的设计，而靠模的生产准备周期较长，不利于产品的更新。4)难以用靠模法难以加工出复杂的非圆截面零件。5〕数控加工成形法在我国，对非圆截面零件的研究也取得了较大进展，并且研制出相应的数控NC设备。由上述可见，数控机床的问世解决了传统工艺难以解决的复杂零件加工问题，它通过自动化加工手段，改变了传统工艺制造周期长、生产效率低的局面。同时，数控柔性化加工设备能够满足多品种、小批量生产的自动化，大大提高了对市场的响应能力。a)非圆截面车削进给运动轨迹非圆截面零件车削加工如右以下图所示，工件的横截面形状确定了刀具的径向进给运动。加工过程中，车刀刀尖距工件回转中心的距离x(t)必须满足以下公式时，才能加工出所需的非圆截面形状。非圆车削加工3)高刚性和高精度的机床结构在切削加工过程中，机床本身的运动精度、几何精度以及机械系统的刚性都将直接或间接地影响非圆截面零件的加工质量。要获得较高的零件加工精度，首先需要保证机床本身的精度和系统刚性。凸变椭圆数控车床STC3675数控活塞外圆车床1.概述连杆是内燃机中重要的传动零件之一，其作用是连接活塞与曲轴，将作用在活塞上的力传给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，对外输出做功。连杆小端工作时作往复运动，大端作旋转运动，杆身作复杂的平面运动，因此连杆的受力情况十分复杂。三、连杆2.构造与要求连杆部件由连杆体，连杆盖和螺栓、螺母等组成，如右图所示。

在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体交变压力和惯性力的作用，连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的重量，以减小惯性力。连杆自身的横截面为工字形，从大头到小头尺寸逐渐变小。(1)小头衬套底孔的精度为7级公差等级，外表粗糙度值不大于Ra1.6μm。小头衬套孔相当于6级公差等级，外表粗糙度值不大于Ra0.8μm，常按孔径用分组互换法与活塞销分组装配，孔的圆柱度在直径公差的一半以内。(2)在大头孔中直接浇铸巴氏合金者，大头底孔为9级公差等级，采用厚壁轴瓦者，大头底孔为8级公差等级；采用薄壁轴瓦者，大头底孔那么为6级公差等级，其圆柱度在直径公差的2／3以内，外表粗糙度值为Ra0.8μm。(3)大、小头孔轴线的平行度误差会使活塞在气缸中倾斜，造成气缸壁磨损不均匀，并使曲柄销产生边缘磨损，所以平行度的允差较严，一般规定为不大于0.03／100mm。大、小头孔轴线的扭曲度对不均匀磨损的影响较小，一般规定扭曲度不大于0.06／100mm。大、小头孔轴心距的允差影响发动机的压缩比，其允差为±0.03～±0.05mm。(4)大头孔两端面对大头孔轴线的垂直度一般规定不大于0.1／100mm。端面外表粗糙度值一般为Ra0.8μm。(5)两螺栓孔轴线对大头接合面的垂直度应不大于0.15／100mm。大头接合面对连杆螺栓导孔或螺纹孔中心线的垂直度应不大于0.10／100mm，否那么会使连杆螺栓的受力情况恶化，以致连杆盖与体结合不好，轴瓦与曲轴销产生不均匀磨损。(6)连杆总成的重量与整台发动机上的一组连杆的重量差，应符合产品图纸的规定。某些高速汽油机对连杆大头重量和小头重量也分别加以规定。连杆是内燃机中承受负荷最严重的零件之一，工作时同时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力和它本身摆动时所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化。在长期使用中，连杆会因活塞的剧烈推力和曲轴的高速运转等因素，出现弯曲和扭曲现象。连杆一旦出现弯曲和扭曲，除了会使活塞拉缸外，还会致使活塞、气缸、.曲轴等机件出现不正常的磨损，并很容易引起疲劳破坏而断裂，导致发动机故障，直接关系到使用人的平安，造成极严重的后果。3.工况与受力可采用ANSYS有限元分析软件对连杆进行强度与动态特性分析。连杆的有限元模型大头端受压工况下的约束和载荷大头端受压工况下的应力分布云图大头端受压工况下的变形云图小头端受压工况下的变形云图小头端受压工况下的应力分布云图连杆的一阶振型（XOY平面内一弯振动）连杆的二阶振型（XOZ平面内一弯振动）连杆的三阶振型〔在YOZ平面内二弯振动〕连杆的四阶振型（在XOZ平面内二弯振动）连杆的五阶振型(弯扭振动)连杆的六阶振型(弯扭振动)4.特点与工艺连杆材料一般采用45号钢(精选含碳量为0.42％～0.47％)或40Cr钢等，并经调质处理以提高强度和抗冲击能力，一般采用模锻。近年来，我国有些工厂也逐渐用球墨铸铁制造连杆。连杆由连杆体、连杆盖和螺栓、螺母等组成。连杆小头孔中压入青铜衬套，大头孔内装有轴瓦。连杆体与连杆盖必须牢固结合、准确定位，一般是用精制螺栓或定位套定位，国外常用齿形凸肩定位。有些连杆在大、小头的外侧面有定位用的工艺凸台，便于基准的统一。连杆的主要加工面是大、小头孔，大、小头端面，大头接合面及连杆螺栓孔等。(1)应符合“基准统“一〞原那么，尽量防止基准的更换，以减少定位误差。(2)工件夹紧点要选择在刚性较好的部位。(3)设计工艺用定位凸台，作为辅助基准。例如，为了保持大、小头的两端面粗加工时对称分布于工字形中间平面，有时在连杆毛坯预先锻出几个位于大、小头分模面的横筋台，作为粗基准。又如为了使大、小头孔轴线位于杆身的对称