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摩托车活塞组结构

2015-11-30  来源:摩托车行情 阅读次数:0

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℃-2500℃,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300℃,裙部的工作温度也有150℃-180℃。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。

(a)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“→”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。

(b)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。

(c)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。

(d)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。

(e)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7o 15‘;而活塞环的楔形斜角为7o 30‘(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300℃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。

(2)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。

(3)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。


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