2.3 活塞连杆组
所示。
2.3.1 活塞组
活塞组包括：活塞、活塞环、活塞销等。
2.3.1.1活塞
活塞是发动机的重要传力机构，活塞与缸盖、气缸形成密闭的容器，保证工作过程的顺利进行，同时将燃气压力通过连杆把力传给曲轴输出。在工作过程中，活塞承受周期性变化的气体压力和惯性载荷，并在气缸中作高速往复运动，将力传给连杆，同时承受交变的侧压力。
发动机工作时，燃气温度高达 2000 ℃以上，活塞顶部接触燃气，因高温使材料机械性能降低，甚至产生高温蠕变。当顶部温度超过 370~400 ℃时，还会产生热裂现象。第一道环槽温度超过 200~220 ℃，就会造成活塞环粘结。进气时，活塞又受到冷的新气冲刷，造成温度不均，引起大的热应力和活塞变形。活塞工作温度高且作往复变速运动，润滑又困难，所以极易磨损。
根据活塞的工作条件，对活塞的要求是：
有足够的刚度、强度和耐热性，以承受燃气的高温高压；
加工精度要求高，保证密封又不增加磨损；
尽量降低重量，以减少惯性载荷；
润滑性和耐磨性良好，以提高寿命。
铝合金材料基本上满足上面的要求，因此，活塞一般都采用高强度铝合金，但在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。
所示。
(1) 活塞顶部
活塞顶部形成燃烧室的底部，主要有平顶、凹顶和凸顶等几种型式，具体形状取决于燃烧室的要求。
)所示，其优点是加工简单，而且减少顶部
与燃气的接触面积，从而使应力分布均匀。
现代高压缩比、多气门发动机，为满足燃烧室的要求也有略微凸起或凹下的形状，以及
所示。
柴油机活塞顶部由于燃烧系统的不同，形状有较大的差异。非直喷式的涡流室式或预燃室式燃烧室的活塞顶部基本为平顶或微浅凹坑，而直喷式燃烧室为了混合气形成的需要，一般均有较复杂的形状( 图 2-3-3d 、 e 、 f )。
活塞顶部的厚度通常是从中间向四周逐渐增厚，以保证足够的刚度和散热要求。在没有特殊冷却装置的情况下，顶部的热量通过活塞环和裙部，经缸筒将热散到冷却介质。对增压强化发动机来说，为降低顶部温度负荷，有专门的油道冷却活塞顶部，如图 2-3-4 所示。它通过机油循环冷却活塞。
(2) 活塞头部
活塞头部是活塞环槽以上的部分。其主要作用有三： 1 )承受压力并传给连杆； 2 )与活塞环一起实现气缸的密封； 3 )将活塞顶吸收的热量通过活塞环传导到气缸壁上。头部切有若干道用以安装活塞环的环槽。汽油机一般有 2~3 道环槽，上面 1~2 道用以安装气环，下面一道用以安装油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，被油环从气缸壁上刮下来的多余机油，经这些小孔流回油底壳。
(3)活塞裙部
自油环槽下端面起至活塞底面的部分，称为活塞裙部，其作用是为活塞在气缸内做往复运动导向和承受侧压力。
1) 裙部长度和类型
活塞裙部较长时，导向性能好，裙部比压小，并有利于减少活塞在气缸内的侧偏。但裙部较长时也有一些缺点：活塞高度、重量、发动机高度的值都比较大。所以通常在保证允许的比压下，取最小长度，现代发动机活塞裙部有 3 种类型，如图2-3-5 所示。
短行程的轿车发动机多采用拖板式或半拖板式。一些载重车汽油机或柴油机常采用全裙式，有的还在裙部下端装有活塞环。
2) 裙部膨胀变形控制
裙部工作时受垂直气体压力 P 及侧压力 N 的作用，因此裙部沿活塞销方向变形增大，
使活塞在缸内工作时不致卡住，采用了如下一些措施：
椭圆锥裙裙部断面制成椭圆形，椭圆的长轴在垂直活塞销的方向，即在连杆摆动平面内或承受侧压力导向平面内，椭圆的短轴在活塞销的方向。裙部轴向呈锥形，上小下大。这
样活塞工作过程中，受力受热膨胀变形时，形成圆柱形，不致在气缸内卡住。
在活塞裙部销座处铸入膨胀系数小的恒范钢片所示。限制活塞裙部的
变形，使变形量减小。当镶片在销座内表面时，可控制变形向着销座方向发展。活塞裙部沿销座外端面在铸造时 0.5mm~1mm 或深陷为特殊形销座，使销座两端处有充分的膨胀余地。
裙部开有绝热－膨胀槽在裙部受侧向力较小的面，开有“ T ”形或
“Π”形槽。其中横槽叫绝热槽，其作用是减少头部热量向裙部传导，从而减少裙部的热膨胀。竖槽叫膨胀槽，其作用是使裙部具有一定的弹性和热态起补偿作用，使活塞在装配较小的情况下热膨胀时不致卡缸。
(4)经过变形的活塞
为了提高活塞的工作性能，有些发动机采用经过变形了的活塞。
1) 偏心活塞
偏心活塞是指活塞销中心偏离活塞销轴线的活塞。从发动机前面看，偏
向左面或侧压力大的一面，其主要目的是减少活塞在气缸内的敲击。这种偏心活塞的偏心量不易观察出来，一般都有标记，安装时方向不能搞错，否则换向敲击力会增大，使裙部受损。
2) 桶形活塞
由于活塞上部受热较强，活塞侧面的形状，通常制成锥形、梯形或锥形和柱形组合，也有较复杂的变
椭圆形(即椭圆度随活塞高度而变化)。图2-3-10 显示了几种不同的活塞侧面形状，现代汽车上的活塞有的还使用一种裙部中部隆起的桶形裙部，如图 2-3-10 Ⅵ所示，它不仅考虑了温度等因素引起的变形，而且还考虑到油楔的形成，从而减小摩擦，延长寿命。
2.3.1.2 活塞环
，气环的作用是保证活塞和气缸壁间的
密封，防止气缸中的高温、高压燃气大量窜入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却水或空气带走。气环所起的密封和导热的两大作用中，密封作用是主要的，因为密封是导热的前提，如果气环密封性能不好，高温燃气直接从气环外圆表面漏入曲轴箱，此时不但由于气环和气缸贴合不严而不能很好地散热，相反地气环外圆表面还接受附加的热量，最后将导致活塞和气环烧坏。通常每个活塞装有 2 ～ 3 道气环。
油环用来刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上铺涂一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和摩擦阻力。此外，油环也
起到封气的辅助作用。通常每个活塞 1 ～ 2 道油环。
活塞环是在高温、高压、高速和润滑恶劣的条件下工作的，它的运动情况很复杂，不仅与缸壁间有相对高速的滑动摩擦，而且与环槽侧面上下撞击，因此活塞环的磨损是发动机中磨损最快的零件之一。这要求活塞环的材料应具有好的耐磨性、导热性、耐热性、磨合性、冲击韧性和足够的弹性等。一般多选用优质灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁制造，有的还采用米·表面镀鉻或喷钼，以减少磨损。
发动机工作时，活塞、活塞环都会发生热膨胀。活塞环既要相对于气缸上下运动，活塞
发动机冷磨合
2-3-12 。端隙Δ 1 又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙，一般在 0.25～0.50mm之间。侧隙Δ 2 又称边隙是环高方向与环槽之间的间隙。第一道环一般为0.04～0.10mm，其它气环为0.03～0.07mm，油环较小，一般为0.025～0.07mm。背隙是活塞及活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部间的间隙，一般为0.5～1mm。为了测量方便，维修中以环的厚度与环槽的深度差来表示。
气环
1) 气环的密封原理气环可能漏气的通道有三条：环面与气缸壁间；环与环槽的侧
第一密封面的建立活塞环在自由状态下，其外圆直径略大于缸径，所以装入气缸后，环就产生一定的弹力与缸壁压紧，形成了第一密封面。
第二密封面的建立由于活塞头部与缸壁间有间隙，活塞环还有侧隙和背隙，气缸内未被密封的气体不能通过第一密封面下窜，便窜入侧隙和背隙，把环压到环槽端面形成第二密封面。
气环的第二次密封窜入活塞环背隙和侧隙的气体，产生背压力和侧压力，使环对缸壁和环槽进一步压紧，显著加强了第一、第二密封面的密封。此即为气环的第二次密封。
有了两个密封面的密封，理论上只有开口处是唯一的漏气通道。因此安装时相互按一定位置错开，形成迷宫式封气路线（图2-3-14），其漏气量在高速发动机上是很微小的，一般仅为进气量的 0.2 ％～ 1.0 ％。这也是往复活塞式发动机至今有巨大生命力的原因之一。
2) 活塞的泵油作用及危害由于侧隙和背隙的存在，当发动机工作时，活塞环便产生了泵油作用。环在气压力、惯性力、摩擦力的作用下，反复地靠在环的上、下沿，其过程
是：当活塞带着活塞环下行（进气行程）时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下来的润滑
）；当活塞又带动活塞环上行（压缩行程）时，环又靠
），如此反复运动，就将润
滑油泵到活塞顶。
活塞环的泵油作用，一方面对润滑困难的气缸都是有利的，另一方面随着发动机转速的日益提高，泵油作用加剧，不仅增加了润滑油的消耗，而且可能使火花塞因沾油而不能产生电火花，并使燃烧室内积炭增多，甚至环槽内形成积炭，挤压活塞环而失去密封性。另外还加剧了气缸等件的磨损。
为此，多在结构上采取如下措施：即尽量减小环的质量，气环采取特殊断面形状，油环下设减压腔，气环下面的油环加衬簧或用组合式油环等方式。
3) 气环的断面形状为了提高压强和密封，加速磨合，减小泵油和改善润滑（布油和刮油），除合理选择材料及加工工艺外，在构造上出现了许多不同断面形状的气环，常见
矩形环结构简单，制造方便，且与缸壁接触面积大，有利于活塞头部的散热。
锥形环其锥角一般为 30 ′～ 60 ′，这种活塞环只能按图示方向安装（环上多有标记）。由于它与缸壁是线接触，单位压力大，有利于密封和磨合。随着磨合里程的增加，接触也逐渐增大，最后便成为普通的矩形环了。另外，这种环在活塞下行时有刮油作用，上行时有布油作用，并且可形成楔形油膜而改善润滑。
锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上由于锥角很小不易识别，为避免装错，在环端上侧面标有记号（向上或 TOP ）等。
扭曲环将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。为了减少开口处的漏气量，外圆下方切口的环，在离开口 3mm~5mm 内仍保持原矩形断面。
当活塞环装入气缸后，由于断面不对称，产生不平衡力的作用，使活塞环发生扭曲变形。扭曲后的环面与锥形环相似，线接触，有利于密封和走合；能刮油、布油和形成楔形油膜。减少了环在环槽内的上下移动量，从而减小了泵油作用，并减小了冲击力，使磨损减轻。作功行程作用于环上侧及背面的燃烧压力足以使环不再扭曲，两个密封面达到完整接触，既有利于散热，也使单位压力不致过大。目前被广泛地应用于第 2 道活塞环槽上，安装时必须注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，不能装反。
梯形环某些热负荷较大的柴油机，第一道环容易因结胶而粘结在环槽内失去作用，因