活塞结构设计与工艺设计

摘要内燃机的不断发展，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进和提高的基础上的，尤其是随着发动机强化程度的提高、功率的增大和转速的增加，零部件尤其是直喷式柴油机活塞的工作环境变得更加恶劣了。

活塞的结构直接影响活塞的温度分布和热应力分布，因此就有必要对活塞的结构和性能作出预测和评价。

活塞式内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏。

本设计通过对内燃机铝活塞加工技术的发展、活塞的工作环境以及结构特点的分析，确定了活塞的加工过程以及加工方案。

其中主要包括：活塞顶部设计、活塞头部设计、活塞裙部设计、活塞的结构参数设计、和加工工艺的设计。

关键词：内燃机活塞结构加工AbstractThe continuous development of the internal combustion engine, is built on the basis of the performance and life of the main components continue to improve and enhance, especially with the improvement of the degree of enhancement of the engine, power increases and an increase in speed, parts and components in particular, is a direct injection diesel engine pistonwork environment becomes worse. The structure of the piston directly affect the temperature distribution of the piston and the thermal stress distribution, and therefore it is necessary to predict and evaluate the structure and performance of the piston。

The most critical moving parts of the piston engine under high temperature and pressure to withstand repeated alternating load, which is known as the heart of the internal combustion engine. The design through the development of the internal combustion engine the aluminum piston processing technology, the the piston work environment as well as the analysis of the structural features identified piston processing and processing programs. Which mainly include: design of the top of the piston, piston head design, piston skirt design, structure parameters of the design of the piston, the piston calculation of the maximum explosion pressure and the process design.KEY WORD ：Internal combustion engine Piston structure Machining目录第一章绪言 (1)第二章活塞结构设计 (3)第一节活塞的概述 (3)第二节活塞的基本结构特点 (4)第三节活塞的选型 (5)第四节活塞的主要加工表面及技术要求 (9)第三章活塞工艺设计 (11)第一节活塞加工工艺分析 (11)第二节活塞加工工艺规程的制订 (15)结论 (19)致谢 (20)参考文献 (21)第一章绪言一、活塞的发展趋势活塞是发动机中的重要零件之一，它在工作时承受发动机气缸内高温气体的压力，并通过活塞销、连杆将压力传给曲轴。

因此活塞是在高温、高压和连续变负载下工作的。

发动机活塞的材料为铝合金，它的导热性好、重量轻、惯性力小，并具有较好的切削加工性。

铝活塞的毛坯采用金属模浇铸。

毛坯的精度较高，活塞销孔也能铸出，因此机械加工余量可以相应地减少。

毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行实效处理，以消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力。

随着中国汽车市场的快速发展，我国车用发动机活塞市场也将“水涨船高”。

特别是随着我国中重型汽车“井喷”式发展和国3排放标准的全面实施，未来三年，我国中高档柴油发动机活塞市场将迎来历史性的巨大发张契机。

二、活塞的市场预测未来三年，我国中高档柴油发动机活塞市场存在着几方面的发展机遇：一是长距离运输车辆的快速增长。

随着我国高速公路通车里程的快速增加和高等级公路的大规模建设，将有效拉动长距离运输车辆的快速增长。

目前国外载货汽车市场以300千瓦以上大功率车型为主，而在国内仅有5%的车型为300千瓦以上。

未来一段时间里，我国载货汽车市场的动力水平将快速升级，高速度、大功率、自身质量轻的重型汽车将成为用户的首选。

二是自卸车市场的强劲增长。

我国固定资产投资规模快速增长，大型项目上马带动工程用自卸车销售增长；同时因为受国家治超因素影响较小，自卸车市场空间会有所加大。

三是发展节油型重车成为趋势。

随着我国油价逐步与国际市场接轨以及各国对能源需求的进一步增加，高油价时代已经来临，节油将成为用户购买重型汽车的重要衡量指标。

四是国家新农村建设的强劲拉动。

随着国家加大落实“三农“政策力度，农民收入不断提升，收获机械、拖拉机产品的消费呈现出功率上升的趋势。

因此，在农机配套领域，多缸机逐步占据以傻大黑粗为特点的单缸机市场。

五是国3排放标准全面实施。

进入2007年，我国全面实施国3排放标准，将对中重型汽车的技术提升和老旧产品的淘汰起到促进作用。

六是重型汽车市场的更新换代。

据测算，目前国内重型汽车市场保有量为190万辆，全国货运总量平均每年增长约10%。

根据车辆报废新标准分析，重型汽车报废里程约为60万公里，基本上五年内要报废。

每年更新车辆总量约23万~25万辆，这是拉动重型汽车市场需求上涨的重要因素。

第二章活塞结构设计第一节活塞的概述一、活塞的功用及工作条件活塞是曲柄连杆机构的重要零件煤气主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。

此外，活塞又是燃烧室的组成部分。

活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。

作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。

而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。

由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。

活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。

高温必然会引起活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。

另外，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。

所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。

同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。

活塞运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。

要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。

二、活塞的材料现代内燃机广泛使用铝合金活塞。

铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。

因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。

目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提高热稳定性和高温机械性能。

铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。

为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。

第二节活塞的结构特点一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。

1—顶部 2—头部 3—活塞销孔 4—裙部 5—气环槽 6—油孔 7—油环槽8—销座图2.1活塞一、活塞头部头部是指活塞顶端和环槽部分。

活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。

多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。

活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。

活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。

二、活塞裙部活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。

活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。

三、活塞销座活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。

高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。

[第三节活塞的选型活塞的主要结构如图2.2可根据同类型发动机或统计数据选取。

图2.2 活塞主要结构一、塞高度H活塞高度取决于以下因素：（1）对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关）（2）转速n（3）燃烧室形状及尺寸（4）活塞裙部承压面积应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下，尽量选择较小的活塞高度。

数据范围如下表2.3表2.3 活塞高度H与缸径D之比的范围二、压缩高度H1压缩高度H1决定活塞销的位置。

H1取决于第一道活塞环至顶面的距离h、环带高度H5（H5又决定于活塞环的数目及高度）及上裙高度H4。

在保证气环良好工作的条件下，宜缩短H1，以力求降低整机的高度尺寸。