活塞设计

第1章活塞组的设计

1.1活塞的设计

活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是发动机中工作条件最严酷的组件。并在很高的机械负荷下高速滑动，同时润滑不良，这决定了它们遭受强烈的磨损，并且可能产生滑动表面的拉毛、烧伤等故障。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。

1.1.1活塞的工作条件

1、活塞的热负荷

活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达C

2000。因而活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，而且温度~

C︒

︒2500

分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正是这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用，热负荷是发动机强化的一个主要问题。

2、冲击性的活塞的机械负荷

活塞承受的机械载荷包括

1）周期变化的气体压力，气压力造成的的活塞机械负荷很大，它使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂、第一环岸断裂等。

2）往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。

在机械载荷的作用下，活塞各部位了各种不同的应力：活塞顶部动态弯曲应力；活塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。

3、高速滑动磨损强烈

发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，特别在短连杆内燃机中其侧向力更大。随着活塞在气缸中的高速往复运动，活塞组与气缸表面之间会产生强烈摩擦，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。

4、交变的侧压力

由于活塞上下行程时活塞要改变压力面，因此侧向力是不断变化的，这就造成了活塞在工作时承受交变的载荷，因些产生如下的工作后果：

1）造成侧向拍击，引起机体振动，产生机体表面辐射噪声。

2）由于润滑不良使摩擦磨损较大。

3）使裙部产生变形，垂直销轴方向压扁，销轴方向变长。

4）缸套表面产生振动，容易引起缸套穴蚀。

1.1.2活塞组的设计要求

1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性材料；

2）有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；

3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；

4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；

5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；

6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。

1.1.3 活塞的材料

根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：

（1）热强度高。即在C

~

300高温下仍有足够的机械强度，使零件不致

400

损坏；

（2）导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力；

（3）膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙；

（4）比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；

（5）有良好的减磨性能；

（6）工艺性好，低廉。

灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因密度大和导热性差，无法满足工作要求，逐渐被铝基合金活塞所淘汰。现在只应用于大中型、低速柴油机上。

铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金密度小，约占有灰铸铁的1/3。因此其惯性小，这对高速发动机的发展。另外，铝合金导热性好，其热传导系数比灰铸铁大很多，有利于活塞温度下降，可以使发动机有较高的充气效率，防止润滑油变质，改善活塞环的工作条件。

铝合金作为活塞材料，其力学性能随着合金元素的配比会发生很大变化，因此设计选择使用时要充分掌握各种配比铝合金材料的力学性能，做到经济又满足领土使用要求。综

合分析，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。

1．1图

1.1.4 活塞头部的设计

1、压缩高度的确定

压缩高度1H 是由火力岸高度1h 、环带高度2h 和上裙尺寸3h 构成的，即

1H =1h +2h +3h

为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。

（1）第一环位置

根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓

火力岸高度1h 。为缩小1H ，当然希望1h 尽可能小，但1h 过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般柴油机D h )20.0~10.0(1=，D 为活塞直径，该发动机的活塞标准直径mm D 95=，确定火力岸高度为：

mm h 151=

（2）环带高度

为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b 应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但b 太小，使制造工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高mm b 5.2~5.1=，油环高mm b 5.2~2=。

该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称之为油环。取mm b 5.11=，mm b 5.12=，mm b 5.23=。

环岸的高度c ，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，11)5.2~5.1(b c =，12)2~1(b c =，汽油机接近下限。

则 mm c 31=，

mm c 5.22=

因此，环带高度mm b c b c b h 115.25.25.135.1322112=++++=++++=。

（3）活塞销上面的裙部尺寸

确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度H 1最后决定于活塞销轴线到最低环槽（油环槽）的距离h 1（1-1）。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。

综上所述，可以决定活塞的压缩高度1H 。对于汽油机D H )0.6~0.35(1=，

所以mm H 501=。

则 mm h h H h 241115502113=--=--=。