在摩托车发动机工作过程中,活塞主要通过活塞销与连杆及曲轴的连接,使活塞作上下直线运动,同时带动曲轴作旋转运动,使发动机能够连续不断地运转,并向外输出动力。也就是说,活塞的主要功能是将发动机燃烧爆发做功得到的热能,转化为机械能。由此可知,活塞是将燃料爆发力向外传递的第1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,当发动机接近满负荷工作时,活塞头部的中心温度可达330~430℃,裙部的工作温度也有150~180℃。高温使活塞材料的机械强度显著降低,又使活塞受热膨胀增大,破坏与气缸之间的配合间隙,使温度分布极不均匀如图1所示,造成热应力;其次,活塞顶部在做功行程时承受高压燃气的冲击,瞬间的高压会使活塞顶部下凹变形,促使裙部外胀,直接导致活塞对气缸壁的侧压力增大,加速活塞和气缸的磨损。
鉴于活塞工作的特殊性,要求活塞具有较高的结构强度和刚度,热膨胀系数小,抗热疲劳强度和刚度好,导热性好,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、质量轻等特点。因此,活塞材料通常采用密度小、导热性好的共晶高硅铝合金铸造。它具有质量小(是铸铁的55%~57%)、导热性(约是铸铁的3倍)好等优点。
活塞种类很多,形态各异,但结构组成基本相同,如图2所示。活塞的制造极为精密,材料要求很高,各处尺寸控制也比较严格。活塞的制造过程是:将圆柱状的铝合金铸锭在专用熔炉加热至450~470℃,通过挤压后进行切断,制成锻造毛坯,毛坯经自由锻造和模锻后进行淬火,再进行时效处理,最后精加工制成成品,如图3所示,经过精密制造出来的活塞,不但相关尺寸能够得到可靠保证,耐磨性和抗腐蚀性也得到了显著提高。
1 活塞的检查方法
认真检查故障活塞,不仅对该活塞在发动机上的实际使用状态有所了解,找出发动机上其他潜在的故障或隐患,还可以在一定范围内有效识别该配件质量的优劣,以及该活塞与所装发动机是否匹配,是否存在故障隐患等。只有在更换活塞过程中仔细对比、规范操作,才能使更换活塞的工作顺利进行,为彻底排除相关故障创造有利条件。
1.1故障活塞的检查
只要摩托车一起动,发动机开始运转,活塞即始终在高温高压的恶劣环境下工作,极易磨损或损坏。活塞磨损的原因很多,故障率较高,在所有零件的更换频率中名列前茅。为切实了解和掌握活塞使用的真实情况,当发动机分解取出气缸后,别急于擦洗活塞,要仔细观察取出气缸后的活塞原始状态。
a)看活塞裙部及侧面的贴合情况,活塞头部和环岸不应有与气缸壁相摩擦形成的亮斑,只允许活塞裙部两贴合面上有均匀的摩擦面;若摩擦面呈灰色,且上、下均宽为贴合良好,如图4所示,说明活塞热膨胀合理,与气缸筒配合间隙适中。
b)若活塞裙部有轻微的摩擦痕迹,如图5所示,说明活塞与气缸不是间隙偏小,就是缺乏润滑,或是有灰尘杂物混入;如是新更换的活塞,还有可能是活塞材料存在缺陷,若是行驶数万公里的旧车,则属于正常的磨损范围,不必大惊小怪。
c)若活塞裙部有明显挤账的亮斑,或与气缸筒有严重擦伤或拉伤痕迹,如图6所示,则可能是活塞材料有问题,或润滑油量严重不足,活塞裙部在热机状态下异常膨胀,与气缸壁相摩擦,导致活塞与气缸的配合间隙相对变小,活塞运行阻力增大,最终导致发动机加速性能变差,严重时还会发生“抱缸“故障。为此,需仔细检查与之配合的气缸实际使用状态,如气缸内壁,如图7所示,故障产生的原因极可能是严重缺乏润滑油,或活塞质量太差。