发动机活塞与气缸的配缸间隙

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发动机活塞气缸的配缸间隙是极为重要的技术参数。不同车型的发动机,特别是现代强化发动机,由于其各自的结构,材质及其他各种技术参数不同,活塞与气缸的配缸间隙也不尽相同。

不论何种发动机,其合理的配缸间隙都是同制造厂家根据发动机的特点材质,设计经验并经多次试验而确定的随车的使用说明己和维修手册,是指导使用和维修的大纲。在未能吃透发动机结构特点和使用机理之前,不可随意减小配缸间隙,相反,对于使用后的发动机,考虑到发动机缸体等零部件的变形及其他因素,在大修镗磨气缸时,对于发动机制造厂家提供的维修数据,(配缸间隙)还应选取上偏差,以免由于未能纠正发动机零部件的变形因素引起的位置精度的偏差,导致不易发现的偏缸等故障。

发动机活塞与气缸的配缸间隙

发动机活塞与气缸的配缸间隙

1 发动机结构,材质等不同,配缸间隙亦不同。

发动机活塞与气缸必须有一定的配缸间隙,首先是由于活塞与气缸是发动机中最重要的摩擦副之一,如缸套与活塞及环组间的摩擦力小,发动机的摩擦功耗也小,反之,将造成相当大的功耗;而且活塞与气缸的摩擦表面保持一定的间隙,是考虑活塞裙部的热变形、弹性变形及气缸壁与活塞裙部接触之间的载荷和速度等的影响,以保证活塞裙部有足够的润滑油膜,否则,将导致缸套一活塞环组的急剧磨损。

其次,由于车用发动机活塞是由铝合金制造的,铝合金的膨胀系数稍小一些,但与铸铁相比还是有较大的区别,尽管目前大多采用的硅铝合金相对其他铝合金的膨胀系数稍小一些,但与铸铁相比还是有较大的区别。如果配缸间隙太大,会引起“敲缸”密封不良(漏气、窜油)、动力下降;太小,则会使活塞裙部没有膨胀的余地,接触压力超过活塞和气缸之间的油膜所能承受的挤压强度(一般4.9MPa-9.8MPa)润滑油膜将被破坏,引起粘着磨损(拉缸)故障,不同材料的活塞其配缸间隙亦不相同(表 1)。

表 1 不同材料活塞的配缸间隙
活塞材料 配缸间隙/mm
Y合金 0.001 6D
Lo Ex合金 0.001 4D
过共晶合金 0.001 1D

注:表中D为气缸直径/mm。

此外,还由于活塞的特殊结构,不同的发动机也有不同的配缸间隙,如桑塔纳的活塞材料为ALSi共晶(Al12SiCuNiMg)并通过磷变质处理。以防止出现偏析和粗大晶粒。桑塔纳活塞内壁靠活塞销座孔处,铸入膨胀系数很小的钢圈或钢片,以阻止裙部的热膨胀,并在活塞裙部加工有环形槽,以便贮存润滑油,用以改善活塞与气缸的磨合并减少摩擦损耗。由于桑塔纳活塞的特殊结构,从而保证了桑塔纳发动机活塞与气缸间隙较小(0.019mm-0.039mm)而不发生拉缸。但其维修数据—配缸间隙为0.025mm-0.045mm。

根据减小配缸间的间隙的计算公式计算。桑塔纳轿车JV 1.8发动机配缸间隙的正确值为0.024mm-0.028mm。虽然该值尚在桑塔纳轿车发动机维修手册提供的修理数据中、下偏差范围内,但公差范围实在太小(仅为0.004mm),对多数维修厂来说,加工难度很大。

应当指出的是,目前我国的不少车型是从国外引进开发的,国内不少厂家在开发生产进口车型的活塞时,没有条件在活塞上镶整体防胀钢圈而将其取消(国外大部分活塞都镶有整体防胀钢圈或钢片),并相应对整体结构和相应尺寸作合理修正,同时将其配缸间的间隙相应加大(如原苏联的拉达2105发动机)以此来满足原设计要求。

2 配缸间隙对整机装配尺寸和质量的影响

发动机是由许多的零部件的组成的,其所有尺寸构成尺寸链,某一零件尺寸的变动,将会影响整机的装配尺寸的装配质量。
如长安机器厂生产的462Q型发动机,为获得较高的配缸精度,保证发动机的缸孔与活塞裙部有良好的贴合面,装配时把活塞与缸孔分组装配,以保证活塞与气缸的配合间隙均在0.04mm-0.05mm的范围内,如表 2所示。

如按照公式计算,其最小的配缸间隙仅为0.0186mm-0.0217mm。按此配缸间隙算出镗磨气缸直径与制造厂分组中缸孔的最小极限尺寸62.005mm相差0.025mm左右;与最大极限尺寸62.02mm相差0.04mm左右。众所周知,活塞环在标准的缸孔内的开口间隙为0.15mm-0.30mm。这样镗磨缸孔相对小了0.025mm-0.04mm,相应圆周亦小了0.0785-0.126mm,如果碰上开口间隙为下偏差的活塞环装配进缸孔内,其开口间隙最小的仅为0.024mm-0.0715mm(远小于0.15mm-0.30mm开口间隙的要求)发动机工作后,势必引起活塞环卡死在活塞环槽中,导致活塞环密封失效,烧机油,“熄火滞缸”,严重的发生拉缸故障。须知目前的氮化钢质环,由于其硬质层硬度高达HV 1000-HV 1200,须修整开口间隙达到标准要求时,用一般的锉刀难以锉得动,只有用金钢锉或水磨砂纸滴上机油,细心修磨,并且要观察活塞环在缸筒中圆周贴合情况,是否漏光等,否则,必然会出现上述故障。而且,由于活塞环是根据标准气缸缸径制造的,其开口间隙,弹力、漏光度等诸多参数的变化,导致活塞环使用性能指标下降,甚至失效。

更重要的是,462Q型发动机的活塞材质、结构与桑塔纳有很大的不同,该活塞的膨胀系数大,必须留有较大的配缸间隙(维修尺寸为0.04mm-0.06mm)。

目前 ,国内汽配市场的状况还不规范。汽配零件的材质、尺寸等难尽人意,维修厂汽车零配件的进货渠道又不如制造厂可靠。有不少人购买的活塞直径偏小,镗磨气缸又是根据活塞编号对应进行镗磨的,在未能吃透其内在品质(包括化学成份等)贸然采取减小配缸间隙的作法并非恰当(对于内镶有防胀钢片的或钢圈的特殊结构的活塞,实际上是减小配缸间的公差;对一般的共晶硅铝合金的活塞 ,则误差较大,易产生拉缸的严重的后果)。所以对材料不详的活塞,装配时必须将活塞加热到80-100°C的状态下进行,否则,在实际使用中可能会出现没有间隙的情况。

3 配缸间隙对发动机形位精度的影响

由于发动机的使用后会引起零件的扭曲变形以及装配质量的影响,如果减小配缸间隙将更直接影响其形位精度。

随着现代发动机的强化,采用新材料、新工艺新结构,提高了制造水平和装配质量,大大延长了车用发动机的使用寿命,如进口柴油车发动机的大修间隔里程达50万km以上,汽油机大修间隔里程也达30万km以上。但经过大修的发动机,尽管装用原厂同一品牌纯正零部件,发动机的使用寿命也大为缩短,一般不超过20万km,仅为原车的20%-30%。究其原因,是使用后的气缸体、曲轴、连杆等的弯曲、偏缸等难以校正的恢复到原有精度,气缸镗磨质量难达到原厂的加工精度要求;磨合质量差或受条件限制无磨合设备;装配质量难达制造厂的水平(包括清洁度,各紧固件的拧紧力矩)等。

在多年的实践中,我们根据发动机的使用的技术状况、年限(可估算其变形量)以及季节气温不同,较新发动机,在夏季时配缸间隙取小一些(下偏差);冬季时取大一些(上偏差)。并且在装配时,严格按照厂家提供的维修数据,检测活塞环的开口间隙和侧隙,避免发动机工作后,由于活塞环开口间隙和侧隙过小,导致端口顶死或活塞环卡死在环槽中,引起擦伤,“拉缸”等恶性故障发生。微型车、轿车的发动机经过这样维修后,活塞环的使用寿命大大延长了,多在8万km-10万km以上。应当指出,发动机的技术状况和整体质量不仅取决于发动机的结构参数、零件的材质及加工精度,而且还取决于装配质量等。而装配间隙是保证装配质量的重要因素之一,其中包括活塞和缸孔的装配间隙,直接影响着发动机的性能、质量及寿命,在未能吃透其结构特点、使用机理之前,切不可随意减小或变更发动机活塞与气缸间隙。不少修车同行,因受所谓“W工程之间隙配合”及“间隙越小越好”等错误观念的影响,随意减少配缸间隙,轻则导致“熄火滞死”,重则造成“拉缸”严重故障,不仅费工费时,而且损坏汽车零部件。

为恢复发动机的技术状态和性能,应透彻了解其构造特点并熟悉其使用机理,遵循汽车制造厂推荐的维修程序,技术数据进行维护和修理。

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