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H

H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H

1

H

1确定了活塞销的位置，H

1

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H

1

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h

1

h

1确定第一环的位置，由于第一环最靠近燃烧室，热负荷很高，h

1

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h

2

环带高度h

2

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，