汽车发动机活塞组设计

活塞设计 6.1 活塞的材料共晶硅铝合金制造活塞的材料应有小的密度以及良好的摩擦性能(减摩性和耐磨性)。常用材料为铝硅合金，。共晶铝硅合金具有满意的综合性能，工艺性良好，应用最为广泛。过共晶铝硅合金中的初生硅晶体使耐热性、耐磨性改善，膨胀系数减小，但加工工艺性恶化。过共晶铝硅合金广泛用于高热负荷活塞。 6.2 活塞主要尺寸设计15 6.2.1 活塞高度H H=1D 选择H=84mm 6.2.2 压缩高度H H1=0.5D选择H =42mm6.2.3 火力岸高度h h=0.07D=5.965mm 选取h=6mm 6.2.4 环带高度现代四行程发动机一般采用二道气环和一道油环。气环的厚度一般为2.0～3.0mm(《汽车发动机设计》p308)。环岸要求有足够的强度，使其在最大气压下不致被损坏。第一道环的环岸高度b 一般为1.5～2.5c（c 指环槽高度），第二道环的环岸高度b 为1～2c。第一环岸高C1=0.03～0.04D=0.04*84=3.4mm 取4mm 为2.0～3.0mm取2.0mm 为2.0～3.0mm取2.0mm 油环为4.0～6.0mm取4.0mm 则环带高度为16mm6.2.5 活塞顶部厚度δ为0.06~0.10D ＝8mm。6.2.6 活塞侧壁厚度及内部过渡圆角活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取（0.05~0.1）D，取0.1D，厚度则为16 8mm 为改善散热状况，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过度圆角，一般取R=0.05~0.1D 则圆角半径取为8mm 6.2.7 活塞销座间距B=0.35-0.40D 取0.4 则活塞销座间距为34mm 有关活塞的尺寸设计结果：名称数值单位压缩高度取H1 42 mm 环带高度H3 16 mm 火力岸高度H4 mm总高度84 mm mm内圆直径D’66 mm 外圆直径D 82 mm 第一道环的环岸高度b1 mm第二道环的环岸高度b2 mm第一道环槽高度C1 mm第二道环槽高度C2 mm环槽深度mm6.3 活塞裙部及其侧表面形状的设计活塞裙部及其侧表面形状设计的关键，在于保证裙部有足够的贴切合面积和良好的润滑条件，以及保证发动机在不同工况下都具有最小的活塞间隙。6.3.1 裙部椭圆1）、将裙部设计成椭圆。2）、将销座附近的裙部外侧部位设计成凹陷状。裙部椭圆的规律：为了使活塞在正常工作温度下于气缸壁之间保持右比较均匀的间隙，不至于在气缸内卡死或是引起局部磨损，必须在常温下预先把活塞裙部的横断面加工成椭圆形，其长轴垂直于活塞销轴线方向，其矩轴于长轴的差值视发动机的不同而不同，一般为0.08～0.025mm。为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.05～0.1mm。实际取Δ：对活塞下下部和头部取0.1mm；对活塞裙中部取0.08mm 6.3.2 配缸间隙17 为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.05～0.1mm。活塞顶部间隙：0.240mm（活塞销中心平面内）；0.210mm垂直于活塞销中心线平面内活塞裙部间隙：0.09mm （活塞销中心平面内）；0.04mm垂直于活塞销中心线平面内6.4 活塞头的质量计算对活塞进行简化变成可计算体积的几何体，从而计算出其体积和质量。简化图如下。活塞的质量在估算时，将活塞当作薄壁圆筒处理。活塞其中D——为活塞的外径，D=84mm t——为活塞的厚度，t=8mm H——为活塞的高度，H=(0.8~1.0)D=84mm 故可知活塞的质量为m活塞=227.8g 活塞销的设计活塞工作时顶部承受很大的大气压力，这些力通过销座传给活塞销，再传给连杆。因而活塞销座和活塞销的设计必须保证足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。

7.1 活塞销的材料活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢（如20Cr）制造，经表面参碳淬火处理，以提高表面硬度，使中心具有一定的冲击韧性。表面需进行精磨和抛光。7.2 活塞销与销座的结构设计活塞销孔轴线18d=（0.25~0.3）D=0.3D=25.5mm 取25mm d0=(0.6~0.79)d=0.6d=15mm l=(0.8~0.9)D=0.9D=75.6 取76mm 活塞销外径d =15。活塞销长度l=76mm。7.3 活塞销与销座的配合活塞顶所承受的气压力通过活塞销座和活塞销传给连杆。由于结构上的限制，活塞销直径d不可能超过0.4D(表11-1)，活塞销的长度不可能超过0.85D，因此活塞销总的承压面积极为有限，还要在活塞销座与连杆小头衬套之间合理分配。所以，不论在销与销座之间，还是在销与连杆之间，承压面积都很小，表面比压很高。加上活塞销与销座或活塞销与连杆衬套之间相对运动速度很低，液体润滑油膜不易形成。在这种高压低

速条件下，要保证可靠的液体润滑，配合副的工作间隙要尽可能小。经验表明，当活塞销与销座以及活塞销与连杆小头衬套之间的工作状态(热态)间隙在(1~3) 10-4d 时，可以可靠工作。于是，在装配状态(冷态)，销与销座则有(1~3) 10-4d 的过盈，以补偿铝合金活塞销孔在工作时较大的热膨胀。为了稳定地保持极小的间隙而又转动灵活，活塞销外圆、活塞销孔和连杆小头衬套孔都应有极高的加工精度。不但尺寸公差要严格，尤其要保证严格的圆柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圆柱度和表面粗糙度值足够小，则可以按尺寸分组选配的办法保证配合副的理想间隙。7.4 活塞销质量m m=134g7.5 活塞销刚度和强度的校核为保证活塞销和销座的可靠工作，需校核活塞销的弯曲变形，失圆变形，销座上的表面压力和活塞销的应力。240.29 81 =d2/d1=？活塞销的弯曲变形：61.781 4.5(1 104.5 0.00040.0328 19失圆变形：61.781 0.674.7 104.7 10 0.020 0.010.0218 满足要求。作用在销孔上的表面压力：61.71.58 342.6 小于极限值560bar，满足要求。活塞销的纵向弯曲应力：61.70.093 0.093 281 0.670.0685 0.0685 216 在许用应力200到400 N/mm 之间，满足要求。经以上计算可知设计的活塞销满足刚度和强度要求。活塞环设计活塞与活塞环一起防止气缸内的高压气体下窜到曲轴箱，同时把很大一部分活塞顶接收的热量传给气缸壁，起这种作用的活塞环称为气环。此外，还设置专门的油环，在活塞下行时把气缸壁上多余的机油刮回油底壳，以减少上窜机油量。一般要求通过环组的窜气量不超过总进气量的0.5%，机油消耗量不超过燃油消耗量的0.5%。8.1．活塞环的密封机理内燃机活塞组与气缸之间应用带开口的弹性金属环实现往复式密封。由于开口的存在，漏气通路不可能完全消除。为了防止大量漏气，一般采用多个活塞环形成随活塞运动的迷宫式密封。为减小活塞组与气缸之间的漏气通路，活塞环的外周面必须以一定的弹力与气缸壁紧密贴合，形成第一密封面(图11-8)。这样一来，缸内气体不能短路直接通过环周与气缸之间，而是进入环与环槽之间，一方面轴向不平衡力将环向环槽的侧面压紧，形成第二20密封面，同时，作用在环背的气压力造成的径向不平衡力又大大加强了第一密封面。尽管环背气压力有时大大超过环本身弹力降到零，即环周与缸壁之间出现缝隙(一般称为活塞环“漏光”)，第一密封面被破坏，气体就直接从缝隙处短路外泄，任何环背压力和F 都建立不起来。只要在整个环周上还剩下一个哪怕是很小的弹力，被密封气体就会自行帮助密封，而且要密封的气体压力越高，附加的密封力也越大。可以认为，具有这种自适应特性的简单环式密封系统，是往复活塞式内燃机有强大生命力的结构保证之一。必须指出，活塞组的密封作用不仅取决于活塞环，而且与活塞的设计有很大关系。活塞应保证活塞环工作温度不会过高。环带部分与气缸的间隙应尽可能小。环槽应加工精确，且在工作中不发生过大变形。环槽与环之间的间隙要合适。8.2．气环的设计8.2.1 气环的断面形状根据活塞环的密封机理，形状简单、加工方便的矩形(断面)环完全可以满足要求。但这种环磨合性较差，作用在活塞环上的力及其密封面密封性不理想。桶面环(图11-9b)的外周面是直径等于缸径的球面的中段，其特点是能适应活塞的摆动，并且活塞上行和下行时均能在环的外周面上形成润滑油膜，摩擦面不易烧伤。环与气缸接