当前位置: 曲轴 >> 曲轴发展 >> 发动机的活塞环和活塞销各自起到了什么作用
连杆杆身断面形状多是工字形,这是因为在材料断面积相等条件下,其抗弯能力强,因而在强度和刚度能够保证的前提下,其重量较轻。由于连杆在摆动平面内受到横向惯性力所引起的弯曲应力作用,所以,工字形断面的长轴安排在连杆摆动平面内,以增强杆身的抗弯强度。
并且由于弯曲应力是随离开小头孔中心愈远而愈大,以及为了使从活塞销上传来的力能够均匀地分布在曲柄销上,通常把杆身的断面做成由小头逐渐向大头加大。工字形断面的杆身的拔模斜度通常为7~10°。
在少数单缸汽油机上,常有采用杆身为圆形断面的铝合金连杆,这是因为工艺比较简单的缘故。连杆大头是与曲轴相连接的部分,它是曲柄销的轴承。大头多做成分开式,被分开的部分称为连杆盖,用连杆螺栓(或连杆螺钉)把它紧固在连杆大头上。
大头做成分开式的主要优点是装拆连杆时较方便。有些小型单缸二冲程汽油机,为了在连杆大头孔内安放滚柱轴承,才把连杆大头做成整体式。连杆大头通常要有很大的刚度,使连杆在工作中大头孔不致于失圆,以保证连杆轴承和连杆螺栓能够可靠地工作。由于目前采用了拉削工艺,能够保证齿的节距公差,所以,这种定位方式已获得广泛应用。
V型发动机连杆在V型发动机的左右两列气缸中,一个左缸的连杆与对应的一个右缸的连杆是装在同一个曲柄销上的,按照这两个连杆的相互连接方式,一般可以把V型发动机的连杆分为三种型式。并列连杆两个结构形式相同的连杆(与前述的连杆结构形式一样)一前一后地装在一个连杆轴颈上,其主要优点是:连杆可以通用,因而便于生产和维修;两列气缸的活塞连杯组的运动规律相同,因而其动力性能一样。
所以,并列连杆是V型发动机应用较多的一种。它的主要缺点是:两列气缸中心线沿曲轴轴向要错开一段距离,因而曲轴的长度增加,导致刚性降低,以及机体结构和受力复杂。主副连杆的主要优点是:左右对应的两气缸中心线不要沿曲轴轴向错移,使内燃机的轴向长度缩短。主要缺点是:连杆不能互换,副连杆对主连杆产生附加弯矩,以及左右两列气缸的活塞连杆组的运动规律不一样,因而会造成两列气缸的压缩比和燃烧过程不同。
叉形连杆杆身的工字断面的长轴位置与一般连杆的布置不一样,它是在垂直于摆动平面内,断面靠近大头的部分就成为叉形,这使片式连杆摆动时需要在叉形连杆杆身上挖槽的高度减小些,并且使叉形连杆的强度也得到相应提高。主副连杆与叉片式连杆虽然均有使曲轴长度缩短的作用;但是,由于主副连杆只有一个主连杆大头装在曲柄销上,因此,它对减短曲轴长度的作用更好些。
上面介绍的主副连杆和叉片式连杆常用于缸径较大、缸数较多的V型发动机上(如机车柴油机),或特种用途的V型发动机;并列连杆多用在一般V型发动机(如汽车、拖拉机的V型发动机)。连杆轴瓦在分开式连杆的大头孔内,装有两个分开式轴瓦,称为连杆轴瓦。连杆轴瓦一般是由厚度为1~3毫米的薄钢背与厚度为0.3-0.7mm的减摩合金层所组成。钢背薄有利主轴承向连杆大头导热,可以提高连杆轴承工作可靠性和耐热性。钢背材料为优质低碳钢的轧制钢带,减摩合金层的材料为巴氏合金、铜铝合金、铝基合金等。
活塞环的样式繁多。一般来说,它们是由合金铸铁制成的开口圆环,外型简单。由于发动机的输出功率不断增加,以及润滑条件的复杂性,对活塞环的性能与寿命要求也越来越高。目前常用的活塞环通常是由钢或铸铁合金制成。其中油环的形状复杂,而且往往有不同的剖面结构。各种活塞环采用不同的热处理,并多数采用其它金属镀层。现代汽车上的活塞环可以分成两个不同的类型:气环和油环。
典型的活塞环,设计时应考虑,活塞环要能够减少废气中的有害物质,降低润滑油的消耗量以及提高发动机的寿命。国外某些研究人员认为:将活塞环放在活塞顶部附近的地方,可以减少碳氢化合物的形成。倘若能将活塞环的摩擦减小,那么就可以将节流阀开小,而且得到相同的输出功率。这样一来,一氧化氮的排放也就减少了。
活塞环漏气如果汽缸及活塞处在高温工作条件下,并不产生膨胀、失圆与局部的不均匀变形的话,那么活塞环的设计与制造就不会有任何困难。但是缸体与活塞在工作时是存在膨胀、失圆和不均匀变形的,故而活塞环非得适应这种条件不可。更麻烦的是,活塞要在高的燃烧温度与交变的压力下进行工作。
所以,通常要求活塞环一方面能防止气体泄漏,同时又能控制润滑油的流动。压缩与爆炸时的气缸压力,可以通过多个不同途径作用在活塞环上。由于活塞环的环隙宽度要随着活塞与环的伸缩而变化,高压气体可以通过环隙而泄漏。倘若在制造时使活塞环的环端正好相接而封住环隙,那么在工作时的温升就会使活塞环膨胀而刮坏缸壁。如果为了避免泄漏而将环与槽之间的配合留得过紧,那么它们在膨胀时就有相互“粘住”的危险。当汽缸壁在工作高温下失圆时,高压气体的泄漏就成为一个很严重的问题。
这种失圆可以由于缸体或缸盖设计不当所致,也可以因为冷却不当或者因为缸体附近的几个缸盖螺栓的拧紧力不等而造成。缸体的局部不均匀变形可能同时存在于缸壁上的不同位置上。它们的大小与形状常常是不同的。活塞环的泵油作用在某些情况下,滑油向上通行要比压缩气体通过活塞环泄漏下行来得容易。因此,有可能把发动机做到既具有良好的压气性能,又能发出大量的功率,并且还能够泵送润滑油。
润滑油可以封闭活塞环槽与环之间的过大间隙,并且可以制止高压气体的泄漏。气缸内不断变化的正负压力,或在缸体上多处造成局部不均匀变形如果环槽的壁与环的侧面不平或尺寸不准,这种功能图在环与环槽底部之间一定要有间隙。环的侧面也是如此。通过环背所造成的润滑油漏泄就会大大超过通过环隙的泄漏。
通过以上对于漏泄及润滑油泵送机理的解释,我们可以了解到在汽缸检修时,必须非常仔细地检查零件,以确保换上去的新环没有失圆,而且尺寸准确。其它许多内容在本书其它有关部分中另有叙述。气环安装气环的截面通常为矩形,但在内上角处切有一个斜面。气环表面通常镀铬或喷钼,以使气环有较好的耐磨性能。第二气环通常为带镀层的铸铁环。有时候,活塞环的外表面带有锥度,此时其内斜面有无均可。
活塞环内上角的斜面能使环在槽内扭过一个角度。这样就使环的外下缘压向缸壁的压力比其它部分高,以形成较好的密封。外表面有锥度的活塞环的作用与前述的相同,在这两种情况下,环与缸壁的接触部分的接触压力比一般的都要高,故而密封都较好。带内斜面或具有外锥度的活塞环,在安装时一定要把斜面置于上方。通常在环的上侧打有记号,以便于安装。
第二个活塞环一般是气环。此时它可能在内或外角上带有斜口,也可能在内或外表面上带有锥度。因为,这类活塞环有一个或几个外缘,被用作从缸壁上刮除润滑油,它们也称作刮油环。必须注意,必须为油环从缸壁上刮掉的润滑油设有一个通向活塞内部的通路。为此,须在活塞的下面几个环槽内壁加工出一些孔与槽。
当采用内环或涨圈时,为了使油环正常工作,这些通道必须保持畅通。另一种典型的活塞环配置,应注意,此时一号环以整个表面与缸壁L接触。这样,环的弹力就分布在一个大面积上。二号环也是一种气环,但它与缸壁的接触面较窄,故而它对缸壁的压力就要大一些。因为此时活塞的弹力分布在一个较小的接触面积上。这样安排的结果,可以使顶环对缸壁中受润滑最少并且温度最高的部分的磨损减少。
第二环虽然比顶环的润滑好,但它对缸壁的磨损要比顶环快。第三个活塞环是油环。在两个侧缘之间切出槽孔以使从缸壁上刮下来的滑油可以从中通过。在了解活塞作用过程时,一定要记住活塞环是在环槽中运动的。由于活塞的运动方向不断变换,加之在环与环槽中间留有间隙,活塞环在环槽内将不断地上下运动。在运动时,环和环槽之间有一层油膜垫衬。
与此相仿,如果缸体带有锥度,那么当活塞在一头大一头小的汽缸中运动时,活塞环将要伸缩。与这种情况相似,如果汽缸在某些位置失圆,那么当活塞环贴着缸壁运动的同时,也要在槽内作进出运动。
此外,油环的底部排油槽的边缘应做成圆角。这类油环表面应经过镀铬处理,以减少磨损。通常销轴是钢制,空心,并且其外表面经过表面硬化处理。活塞销用以承受极重的载荷。它在磨损后尺寸不能调整。如果它被磨损,就必须更换。