任务四 活塞的选配
教学目标
知识目标
1.能描述活塞的功用，了解活塞的工作条件。
2.能熟知活塞的结构特点。
3.能认知各类型活塞的构造。
技能目标
1.能合理使用量具测量活塞。
2.能对活塞的损伤进行分析。
3.能参照维修手册完成活塞的选配。
知识链接
一、活塞的功用和工作条件
1.活塞的功用
活塞是活塞连杆组的零件之一，活塞是在气缸中做往复运动的圆柱零件，也可以看成是“活动的塞子”。
其功用是与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室，承受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。
2.活塞的工作条件
（1）气体压力大。活塞顶部在做功行程时，承受着带有高压气体的冲击力。对于汽油机活塞，瞬时的压力值可达5 MPa。对于柴油机活塞，其最大值可达10 MPa，增压时则更高，高速时每秒钟做功行程为20～40次，高压导致活塞的侧压力大，加速活塞外表面的磨损，也容易引起活塞的变形。
（2）温度高。由于活塞顶部直接与高温气体接触，燃气的最高温度可达2 500 ℃以上，而活塞的散热条件极差，因此，活塞的温度很高，可达600～700 ℃。高温一方面使活塞材料的机械强度显著下降，另一方面会使活塞的热膨胀量增大，容易破坏与其相关零件的配合。
（3）高速运动。一般汽车用汽油机转速为4 000～6 000 r/min，活塞的平均速度为8～12 m/s，其瞬间速度会更高。
（4）受力复杂。活塞运动速度的大小和方向在不断地变化，故可引起较大的惯性、离心力和摩擦力，它将使曲柄连杆机构的各零件和轴承承受附加载荷。
二、活塞的结构
1.活塞的类型
活塞应采用具有足够强度和刚度、质量轻、导热好、耐热强以及摩擦系数小的材料，按照制作材料可以分为铝合金活塞、灰铸铁活塞和铜镍镁铝合活塞三种。
（1）铝合金活塞，优点是质量小（质量为铸铁活塞的50%～70%）、导热好（约为铸铁的3倍）；缺点是热胀系数大、温度升高、强度和硬度下降快。汽车发动机目前广泛采用的活塞材料是铝合金。
（2）灰铸铁活塞。近年来柴油机活塞又启用灰铸铁材料，以发挥铸铁的优势（成本低、耐热性好，且膨胀系数小，能减少装配间隙）。新设计的灰铸铁活塞的质量比铝合金的还轻，比如薄顶、楔形单销座。它只在侧压力的方向保留裙部，再加上喷机油冷却等。
（3）铜镍镁铝合金活塞。少数机械负荷和热负荷较大的柴油机活塞采用了高强度和耐热性较好的铜镍镁铝合金，它的膨胀系数和密度都大于硅铝合金。
2.活塞的结构
如图1-4-1所示，活塞的基本结构可分为顶部、头部、裙部三个部分。
（1）活塞顶部
活塞顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。为了提高刚度和强度并加强散热能力，背面多有加强筋。活塞顶面上也有加工避阀凹坑、安装方向标记和尺寸标识。
根据燃烧室的不同和要求，活塞顶部制成各种不同的形状，如图1-4-2所示。
① 平顶活塞。结构简单，且受热面积小，温度低，在汽油机上被广泛采用。
② 凸顶活塞。顶部刚度最大，制造时可减轻顶部的厚度，因而质量轻但顶部温度较高，主要适用于二冲程发动机。
③ 凹顶活塞。一是可以防止活塞碰气门，二是可用凹坑的深度来调整压缩比。目前许多高速发动机多采用此类活塞。
（2）活塞头部
活塞头部是活塞油环槽以上的部分，制作较厚，主要用于安装活塞环，并与活塞环一起密封气缸，同时还能将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。
① 环槽。活塞头部切有若干道用于安装活塞环的环槽。汽油机活塞头部一般有3～4道环槽，上面2～3道用于安装气环，下面那道用以安装油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使得被油环从气缸壁上刮下的多余的机油经过这些小孔流回油底壳。
② 隔热槽。有的活塞在第一道环槽上面，切出一道较环槽窄得隔热槽，其作用是隔断从活塞顶部流下来的部分热流，把原来应由第一道环散走的热量分散给第二、第三道环，以消除第一环过热后产生积碳和卡死在环槽上的可能性。
③ 环槽护圈。有的活塞在环槽部位镶有用耐热材料制造的环槽护圈，其目的是提高活塞的使用寿命。
（3）活塞裙部
从油环槽下端面到活塞最下端，包括销座孔的部分称为活塞裙部，是用来为活塞导向和承受侧压力的。裙部要有一定的长度，以保证可靠的导向；又要有足够的面积，以防止活塞对气缸壁的单位面积压力过大，破坏机油膜、加大磨损。
根据活塞裙部结构分为全裙式和拖板式两种，如图1-4-3所示。
① 全裙式。裙部的基本形状为一薄壁圆筒，完整的称为全裙式。
② 拖板式。有些高速发动机趋于大缸径短行程，并且发动机的高度降低，为了避免活塞与曲轴平衡重块相碰，也为了减少质量，在保证有足够承压面积的情况下，在活塞不受作用力的两侧，即沿销座孔轴线方向的裙部去掉—部分，形成半拖板式裙部，或者全部去掉，形成拖板式裙部。
有些发动机活塞裙部有精加工的条纹，以改善润滑性能。带条纹的区域还涂有合成树脂以减轻摩擦，如图1-4-4所示，其目的是延长使用寿命和让活塞和气缸的间隙更小一些。
图1-4-3 活塞裙部类型
（4）活塞销座
活塞销座是活塞通过活塞销与连杆的连接部分，销座孔有很高的加工精度，位于活塞裙部的上部，为厚壁圆筒结构，用以安装活塞销。活塞所承受的气体压力、惯性，通过销座传给活塞销，并且分组与活塞销选配，以达到高精度的配合。
3.活塞的变形
（1）活塞纵向变形。活塞在工作时，温度上高下低，且活塞头部壁厚是上厚下薄，使活塞头部的膨胀量大于裙部，自上而下膨胀由大到小，如图1-4-5所示。
（2）活塞径向变形。由于活塞销座处金属多，膨胀量大，又由于侧压力作用，导致活塞裙部圆周向近似椭圆形变化，长轴沿着销座孔轴线方向。
（3）活塞配缸间隙变小。由于活塞的温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁，整个活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使活塞与气缸的配合间隙变小。
4.活塞的结构措施
为使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持合理的密封和运动间隙，制造活塞时通常采取下列结构措施：
（1）预先做成阶梯形、锥形。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阶梯形或锥形，如图1-4-6所示。
图1-4-5 活塞的变形示意图
1.活塞销凸台；2.活塞裙部
图1-4-6 阶梯形、锥形活塞
（2）预先做成椭圆形。由于销座处金属多，受膨胀量和侧压力的影响，活塞的裙部圆周向近似椭圆形变化，长轴沿着销座孔轴线方向。所以在活塞制作时，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。
（3）活塞裙部开槽。如图1-4-7所示，活塞裙部有的开有绝热—膨胀槽，在裙部受侧压力较小的面，开有T型或Ⅱ型槽。其中横槽叫绝热槽，它开在头部最下一道油环槽中或裙部上边沿，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；竖槽称为膨胀槽，其作用是使裙部具有一定的弹性和热态时能起补偿作用，使活塞在装配间隙较小的情况下热膨胀时不致卡缸。
为了防止由于应力集中造成开槽沿槽端延伸破裂，开槽的端部均钻有圆孔。活塞裙部开槽削弱了其强度和刚度，只适用负荷不大的汽油机。(https://www.daowen.com)
图1-4-7 活塞绝热—膨胀槽
1.绝热槽；2.膨胀槽；3.圆孔
（4）双金属活塞。为了减少铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。这是目前国内外所广泛采用的一种措施。
双金属活塞由于结构和作用原理不同，可分为恒范钢片式、自动调节式和筒形钢片式等几种。
① 恒范钢片式。如图1-4-8（a）所示为恒范钢片式活塞。恒范钢的膨胀系数约为铝合金的十分之一，活塞销座通过恒范钢片与裙部相连，这样，销座的膨胀对裙部不直接产生影响。此外，裙部在膨胀时，侧压力受恒范钢片的牵制，膨胀量大为减小。
② 自动调节式。如图1-4-8（b）所示为自动调节式活塞。较小膨胀系数的低碳钢片贴在钢座铝层的内侧，它不仅依靠钢片的牵制作用，更主要的是利用钢片与铝壳之间的双金屑效应来减小裙部侧压力方向的膨胀量。
图1-4-8 双金属活塞示意图
1.低碳钢片；2.铝；3.冷态；4.热态；5.有效膨胀量；6.钢片；7.恒范铜片
（a）镶有恒范钢片活塞（b）自动调节式活塞
技能实训一 活塞的耗损检验
活塞是易损零件，价格比较便宜且配件供应充分，在汽车维修中一般不对活塞进行修理，但要分析损伤原因，查明故障，予以排除，再按要求进行选配。
step 1 拆卸活塞
将活塞从待检修的发动机上拆卸下来。
（1）放掉被检发动机总成的冷却液和机油
① 准备容器，打开冷却液储液罐盖（注意：防止烫伤），打开放水开关或冷却系统水泵回水管接头，将冷却液放到容器中（注意：废旧冷却液按环保要求进行处理）。
② 准备容器，打开加机油口盖，松开油底壳放油螺塞，将机油放到容器中，按环保要求进行处理。
（2）拆解发动机
① 拆卸气缸盖。
② 拆卸油底壳。
③ 拆卸曲轴。
④ 拆卸活塞连杆组。
⑤ 拆卸活塞。
step 2 清洗活塞
用清洗剂将活塞清洗干净，吹干。
step 3 活塞损伤检验
（1）活塞在正常的使用过程中的磨损
正常使用过程中，活塞主要以磨损为主。活塞磨损主要有活塞环槽的磨损、活塞裙部的磨损、活塞销座孔的磨损。
① 活塞环槽的磨损。主要是环槽下平面磨损，第一道磨损最为严重，各环槽由上而下逐渐减轻。活塞环槽磨损的主要原因是燃烧气体的压力作用及活塞高速往复运动，使活塞环对环槽的冲击增大。环槽的磨损将引起活塞环与环槽的侧隙增大，增大活塞环的泵油作用，导致气缸漏气和窜润滑油，密封性变差。
② 活塞的裙部磨损。磨损一般较小，通常是在承受做功承压力一侧发生磨损相对较大。裙部的磨损致使活塞与气缸间的配合间隙变大，当此间隙过大时，发动机工作会出现敲缸异响，并出现严重的窜油和密封性能下降现象。
③ 活塞销座孔的磨损。主要在上下方向上磨损较大，而水平方向磨损较小，形成椭圆形磨损。其原因是气体压力和往复惯性的作用使销冲击座孔。活塞销座孔磨损导致活塞销与座孔的配合松动，在工作中容易产生异响。
（2）活塞非正常耗损
主要表现为破损、刮伤、顶部烧蚀和脱顶。活塞产生非正常的耗损是进行更换的条件。
① 活塞的破损。活塞拆出后，如发现活塞顶部有异常，出现明显的凹陷甚至破裂，应及时查明原因，并予以排除。活塞破损的主要原因是产生撞击，造成撞击损坏一般是气门间隙过小、配气相位失准、气门弹簧折断、气门座圈破碎、正时带断裂等原因，或在维修过程中气缸内掉入了异物。
② 活塞的刮伤。一般有明显的痕迹，出现在活塞裙部，表现为纵向沟槽或划痕。活塞刮伤的主要原因是由于活塞与气缸壁的配合间隙过小、润滑不足、气缸内壁不清洁，有较多的机械杂质进入摩擦表面而引起的损伤。
③ 活塞顶部烧蚀。呈现在活塞的顶部，轻者顶部有疏松状的麻坑，重者有局部烧熔现象，出现金属流失、表面塌陷或缺损。活塞顶部烧蚀的主要原因是由于发动机长期超负荷工作或产生了爆燃，导致温度过高的结果。
（3）活塞检验
活塞检验主要进行活塞环槽磨损检验和活塞裙部磨损的检验，而活塞的非正常耗损主要进行外观检验。
活塞裙部磨损的检验。活塞裙部磨损一般用外径千分尺进行检验。如图1-4-9所示，在活塞销垂直的方向，用外径千分尺测量活塞的裙部直径（注意是活塞长轴方向），测得的数值与标准尺寸数值进行比较，最大偏差不得超过0.04 mm。超过规定值时，在发动机大修时应更换。
技能实训二 活塞的选配
在发动机大修时，一般是对发动机气缸进行修理，而活塞以易损件形式，采取选配的方式，更换新活塞。新活塞选配要根据气缸的磨损程度计算确定的修理级别进行选配。
step 1 确定气缸的修理级别
根据气缸的磨损程度，按气缸磨损检验方法，测量气缸的圆度和圆柱度误差，以及气缸的磨损量，按前述的公式计算确定气缸的修理级别。
step 2 根据气缸选活塞
（1）选用与气缸标准尺寸或修理尺寸等级相同的活塞，同一台发动机应选用同一型号的同组活塞。同组活塞直径差应不大于0.02～0.05 mm。活塞销座孔的分组涂色标记应相同。
（2）活塞成套选配，同一台发动机要选用同一厂牌的活塞，以保证其材料和性能的一致性（主要是保证热膨胀系数相同）。
（3）在活塞选配时，要参照维修手册进行。
step 3 测量配缸间隙
（1）按新选配的活塞尺寸，预留间隙进行气缸的修理。
（2）将新选配的活塞和气缸清洗干净。
（3）将活塞顶部向下深入相应气缸，利用塞尺测量活塞与气缸之间的配缸间隙。
（注意：塞尺的位置必须放在垂直活塞销方向，活塞裙部的位置）。当拉动塞尺有轻微摩擦感觉时，塞尺的厚度就是该缸的配缸间隙。此间隙值与维修手册要求值应相符，如间隙过大，重新选配活塞；如间隙过小，需继续进行气缸的搪磨，直至间隙合适。
学后测试
1.说出活塞的作用。
2.以一具体活塞为例，说出活塞的结构组成和结构特点。
3.说明活塞的变形特点及采取的结构措施。
4.小组完成从发动机上拆卸下需检修的活塞。
5.独立完成使用过的活塞的磨损检验。
6.分析活塞非正常耗损的典型零件。
7.利用量具正确测量活塞尺寸。
8.完成活塞配缸间隙的检验，并根据维修手册对测量结果进判断。
9.按要求进行活塞的选配。