活塞组设计

第四章 活塞组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。

活塞组是工作条件最差的零件。

是内燃机的易损件。

§4－1 活塞组的工和情况与设计要求在内燃机中，活塞组是工作强度最大的组件之一。

其工况为 1、承受很大的机械负荷在内燃机工作中，活塞组承受的机械负荷包括气体压力、惯性力及由此产生的侧压力。

内燃机：汽油机MPa P g 6~3max =，柴油机MPa P g 9~6max =，增压柴油机MPa P g 15~13max =。

由于内燃机n 不断提高，活塞的往复运动速度也日益增大，特别是专用内燃机活塞平均速度达9~13m/s 。

由于α很大，活塞的往复运动中会产生很大的惯性力。

上述的机械负荷不仅数值很大，而且还带有很大的冲击性。

在内燃机的速燃期，其压力升高率ϕd dP /可达)/(8.0~6.0︒mPa 。

这对曲柄连杆机构，具有很大的冲击作用。

由于机械负荷的作用，活塞各部值产生了各种不同的应力；活塞顶部有动态弯曲应力；销座承受抗压及弯曲；环岸承受弯曲及剪切应力。

此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。

2、活塞受很高的热负荷在内燃机工作过程中，活塞顶直接与燃气接触，燃气最高温度一般达到2000℃左右。

除来自燃气的热量外，活塞还接受一部分摩擦生成的热。

活塞向气缸壁的散热条件非常不利，因气缸壁很热，还有一层机油把活塞与缸壁隔开，这便使活塞的工作温度达到很高的程度。

活塞上的温度分布：上高下低、活塞顶随半径降低，温度升高，在中心，温度最高。

活塞温度的增高，使其材料机械强度降低，抗弹性变形和抗塑性变形的能力降低；由于受热不均匀，还会引起活塞的变形并产生很大的热应力。

这在柴油机机中尤为严重。

因为燃料的喷注使燃烧室容积中的温度分布不均匀，而直接受到燃烧火焰作用的地方就容易引起局部过热。

局部过热往往使活塞顶烧坏。

铝合金活塞温度超过200℃时，强度便急剧下降，如果超过380℃~400℃，则工作可靠性就不能保证。

除了强度因素外，活塞环的润滑条件也是限制活塞热负荷增长的因素。

一般当第一环区的温度低于200ºC 时，即使在连续运转的情况下，也不曾发现机油炭化；超过200ºC 后，则温度每增加10ºC ，炭化的趋势就成倍增加。

超过240ºC 或250ºC 时，即使转速时间很短，也会发现大量积炭或甚至第一环被粘结，粘结了的活塞将不能紧紧地密封气缸，而且由于缺少润滑导致磨损增加。

经研究指出，第一环槽温度不应高于225ºC 。

活塞的热负荷取决与结构、材料及使用因素。

影响活塞温度分布最主要的结构因素有：活塞直径、活塞顶厚度及环带部分的壁厚。

最主要的因素有：活塞单位面积输出功率与用机油冷却时的机油温度。

此外，还有许多影响活塞工作温度的因素，例如：燃烧室设计、燃烧效率、气门开启重迭度、喷油（或点火）定时、过量空气系数、气缸盖和气缸体的冷却等。

3、强烈的磨损内燃机在工作中所产生的侧压力是较大的，特别是短连杆内燃机的侧压力更大。

随着活塞在气缸中高速往复运动，在活塞组与气缸内表面之间产生了强烈的磨损。

此处润滑条件差，磨损情况比较严重。

由于活塞组长期高机械负荷、高热负荷和强烈磨损的情况下工作，常见故障是：①第一环岸断裂，严重时甚至整圈脱落；②环槽、销座、机裙部分磨损；③销座内侧上部出现裂纹，以及燃烧空边缘处被烧蚀。

根据活塞组的工作情况，在进行活塞组设计时就尽量满足以下几方面的要求：（1）在保证足够强度与刚度的条约下具有最小的重量；（2）具有良好的密封性；（3）受热少又便于散热；（4）最小的磨损；上述要求是相互制约的，必须根据具体设计对象妥善地处理。

§4－2 活塞结构设计一、基本结构和类型活塞的基本结构，根据所起作用不同，可分成以下几个部分：（1）活塞头部包括活塞顶，顶岸（火力岸）及活塞环带。

活塞顶与气缸盖、气缸壁组成燃烧室，承受气体压力，接受高温气体的作用。

活塞环带又称密封部，是销座以上安装活塞环的部位，其作用是保证工作容积的密封性。

安装活塞的沟槽，环槽下支承环的部分称为环岸。

（2）活塞裙部环带以下的部分，起导向作用力。

（3）活塞销座位于裙部中央上方，销座中安装活塞销。

活塞通过销座将气体作用力及惯性力经由活塞传递给连杆。

活塞的主要尺寸如下：1．活塞高度HH与环岸高度、环带的高度及裙部分的高度有关。

上述这些数决定后，H也就确定了。

总的原则是尽可能选择较小的H值，这样可以减小往复运动质量，并降低内燃机的高度。

2．压缩高度H1H1确定了活塞销的位置，H1与顶岸的高、环带高度及上裙部高度有关。

在保证气环的工作条件下，尽量减小H1值，这样可使内燃机的高度降低.压缩高度在制造时保证很高的精度,这是由于压缩高度的精度对压缩比有直接的影响。

3．顶岸高度h1h1确定第一环的位置，由于第一环最靠近燃烧室，热负荷很高，h1值应保证。

第一环工作温度不超过允许极限（180~220℃）的条件下尽可能小些。

4．环带的高度h2环带高度h2取决于环数、环高及环岸高度。

环岸高度主要根据机械强度确定。

第一环岸由于气体压力较大而工作温度也高，其高度往往可稍大于其它环岸。

根据不同的使用范围和强度程度的不同，内燃机结构型式很多。

1．从材料上分有铝合金活塞、铸铁活塞（铸铁和环墨铸铁）和组合活塞（铜顶铝裙或铸铁顶铝裙）；2．从结构上分有整体活塞和组合活塞；3．从冷却方式分有不冷却活塞、喷油冷却活塞和具有内冷油腔的活塞；4．从压缩比是否可变分有不变压缩比和可变压缩比活塞。

二、活塞材料与成型工艺根据活塞工作情况。

活塞的材料应满足下列要求：(1)材料密度小，以减小活塞的往复惯性力；(2)导热系数大，以降低活塞顶的温度；(3)线膨胀系数小，以减小活塞的变形；(4)在高温下材料能保持足够的强度；(5)具有良好的减摩性、耐磨性和耐腐蚀性；(6)工艺性好。

要找出一种完全满足上述要求的材料是困难的，实际上只能根据内燃机的用途，选用能满足最主要要求的材料。

常用的活塞材料有两大类：铸铁和铝合金。

铸铁的机械机性能，耐磨性，工艺性以及经济性都相当不错，但它密度大，导热性差。

铝合金密度小（约为铸铁的1/3），导热系数大（为铸铁2－3倍），摩擦系数低。

这些优点可使内燃机转速增高，活塞温度降低，活塞与气缸壁之间的摩擦损失小。

铝合金又分为铝铜合金、铝硅合金两种。

铝铜合金（Y合金）的热强度，延伸率、导热率较好、锻造性好。

缺点：线膨胀系数大、耐磨性差、密度稍大（被铝硅取代）。

铝硅合金（LO－Ex合金）根据含硅量的不同分为亚共晶（含Si 8~15%）、共晶（含Si 11~13%）、过共晶（含Si 16~26%）三种。

随含硅量的增加，铝合金的高温强度、密度、导热率及线膨胀系数均下降。

而硬度，耐磨性下升。

成型工艺：铝合金活塞可分成铸造和锻造两类，另一种较新的成形方法是挤压铸造，这种成形方法兼有铸和锻的特点。

三、活塞头部活塞头部包括顶部与环带部两部分。

活塞顶的形状，对于四冲程内燃机主要取决于燃烧室形式；对于二冲程内燃机则要考虑换气的需要。

为了改善活塞的散热状况，过去曾利用活塞下面加筋的方法，并认为加筋可以提高活塞顶的刚度。

实践证明筋条对顶部温度的降低作用不大，而在锻压时筋条根部容易主生裂纹，由于应力集中还会主生疲劳裂纹。

因此，目前活塞顶的内部大多数不加筋条，而作成光滑的内顶。

活塞顶的厚度δ是根据强度、刚度及散热条件来确定的。

由于δ值越大，顶部热应力也越大，因此在满足强度要求的条件下，尽量使δ值取得小些。

对于直径较小的活塞若能满足散热要求，一般也能满足强度要求。

活塞顶厚度随活塞材料不同而有较大的差别。

铝活塞的δ值：汽油机为（0.06~0.10）D,柴油机为(0.1~0.2)D。

铸铁活塞的δ值约为（0.06~0.08）D。

D为气缸直径。

对于带有燃烧室的活塞顶部，由于其温度最大值发生在燃烧室的边缘，常在燃烧室边缘处主生疲劳裂纹。

因此在某些高热负荷的柴油机上，在燃烧室边缘处采用耐热钢。

据测定，对于非增压柴油机来说，活塞组吸入的热量约占供入内燃机总热量的2~4%，这部分热量的散发主要通过环带部（约占60~75%）和裙部（约占据0~30%），仅有很少部分（约占5~10%）通过环带活塞内腔由飞溅的机油带走。

由环带部吸入的热量大多数是由第一环传出的，这使第一环槽的热负荷过高，强度降低，并使机油炭化，造成积炭，使槽严重磨损。

为了使第一环槽能正常地工作而不至过早地损坏，除了适当地选择顶岸高度外，还可以采取如下一些措施：(1)保证活塞在上止点时，第一环的位置处于冷却水中(2)将第一道环安排在活塞顶厚度以下。

(3)在第一环槽开隔热槽。

(4)减小顶岸与缸套之间的间隔隙。

(5)在铝合金活塞环槽处加镶块。

(6)在活塞顶部采用等离子喷镀陶瓷。

(7)在活塞顶部进行硬模阳极氧化处理。

取决于气环的数目以及各环槽和环岸的宽度。

活塞环带的高度h2活塞环数取决于密封的要求，一般汽油机采用两道气环：柴油机为三道气环、一道油环；转速低的柴油机采用3~4道气环、1~2道油环。

提高活塞环槽加工质量和正确选择与环槽的侧隙△对于环槽和环的可靠性及耐久性十分重要。

环与环槽的侧隙过大，会加剧环对环槽的冲击。

侧隙过小使环易于粘结在环槽中而失去密封作用。

在热负荷和机械负荷都很高的柴油机中，为了保证活塞环有较高的抗粘结性，常把第一环侧隙增大到0.1～0.2mm。

其余环的侧隙约为0.04～0.13mm。

四、活塞销座活塞销座承受周期变化的气体作用力和活塞销座以上部分的往复惯性力的作用。

转动角度小，润滑条件差。

为减少销孔内侧的应力集中，所以在设计时活塞销应有较大的刚度。

可采取的措施：(1)在销座与顶部连接处设置加强筋；(2)将销孔内缘加工成圆角或倒棱；(3)将销孔中心相对销座向下偏心3~4mm。

五、活塞裙部活塞裙部起导向作用，裙部将侧作用力传给气缸壁。

裙部是在侧压力作用下在气缸中高速滑动，因此磨损比较严重。

在裙部的横断面通常作成椭圆形， 六、活塞与气缸壁之间的间隙活塞与气缸壁的间隙大小影响机油的消耗量、噪声、漏气量、活塞与气缸套的磨损以及活塞的冷却。

七、活塞的冷却与组合活塞常用的冷却方式大致可分成两大类：自由喷射冷却和具有内冷油腔的强制冷却。

振荡冷却可认为居于二者之间。

自由喷射冷却是比较简单的。

它对冷却活塞顶很有效果，而对环带的冷却较差。

振荡冷却是介于自由喷射冷却与内冷却油腔之间的一种冷却方式。

八、可变压缩比活塞为了限制最高气体压力，有时采用可变压缩比的活塞来保证零件的可靠工作。

这种活塞是由内、外两层组成，通过其间的液压变化使二者上、下相对移动，从而能在内燃机运转中随负荷大小自动改变压缩比。

§4－3 活塞计算活塞计算一般只计算第一环岸的湿度，裙部及销座的单位压力。