发动机活塞的设计讲解

2、材料要求 活塞需要一定的强度和硬度 ，共晶铝活塞常温下抗拉强度不小 于196Mpa，300℃温度抗拉强度83Mpa ，硬度：90～130HBS
3、活塞的材料种类
铝合金 、铸铁、钢 4、铝活塞的成形方法 锻造、铸造和液态模锻 （三）、活塞的基本构造和满足的要求 1、基本构造：顶部、头部和裙部三部分 2、设计要求：低摩擦、低重量、低排放、低噪声、抗磨损、高 寿命 3、试验要求：开裂试验、拉缸试验、可靠性试验、高温疲劳试 验、体积稳定性试验等
三、活塞的失效形式 活塞常见的失效形式：顶部裂纹和烧顶、拉伤、环槽的过度磨损 和环槽的断裂、销座出现裂纹 四、活塞的冷却方式 喷射冷却、振荡冷却和循环冷却
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3、活塞环岸的设计 A、工艺性设计 活塞环岸必须有适当的倒角，否则环岸与缸壁出现毛刺时，就 可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因。
B、尺寸设计 C1=(1.5～2.5)b1 C2＝（1～2)b1 如372发动机C1为3.1，C2为2.25，目前一般状况，大多数汽油发 动机b1=b2，一般是1.2mm,但目前高水平的企业，b2可以做成 1.0mm
4、裙部形状设计要求 A、裙部纵向截面呈桶形，其轮廓线为一抛物线，故亦称抛物线形 裙部。这种裙部不仅适应活塞的温度分布。而且裙部与承受侧压 力的一边的缸壁之间容易形成双向“油楔”，活塞无论向上或向 下运动时，都能保证裙部有良好的润滑及较高的承载能力。 B、裙部纵向形线为中凸形，凸点偏下方，对于汽油发动机来说， 最大配缸间隙不超过0.1%*D。 裙部横向为变修正椭圆设计，椭圆度自上而下逐渐减小，修 正系数一般为－ 0.10。椭圆公式：△R=G/4×[(1-cos2α)＋β(1cos4α)]，一般活塞头部椭圆度0.05～0.1，中部取0.4～0.8
发动机活塞的设计
一、活塞的工作条件和基本要求
（一)、工作条件 1、活塞的机械负荷 P=πD2(Pz－1)x10-1/4 (N) 往复惯性应力：Pjmax=Grω 2（1＋λ ） （N） 2、活塞的热负荷 A、传导产生的热负荷：在内燃机工作过程中，活塞顶直接 与燃气接触，燃气的最高温度一般达到2000℃左右。 B、能量转换：活塞与缸孔摩擦生成的热。 （二）、基本要求 1、结构要求 合适的壁厚和合理的形状，保证足够的强度和刚度前提下， 结构简单、轻巧，截面变化要圆滑，减少应力集中，采用强 度好、比重小的材料，头部和裙部采用适当的处理方式。
3、减压腔的设计 把油环紧邻气环间的环岸设计成直径小于1mm左右，形成“减压腔”， 使刮下的机油减压并形成泄油分配腔，降低机油消耗。如372发动机图 中71尺寸
4、活塞环槽增强方法 活塞环槽的磨损常常是限制活塞使用寿命的一个重要因素，为了保护 和加强活塞环槽，可在铝合金活塞环槽部位注入由耐热合金钢制造的环 槽护圈。
4、顶部最小厚度： 汽油机δ＝（0.06～0.1）D， 柴油机δ＝（0.1～0.2）D 为了提高活塞顶部的刚度和强度，增大散热面积，常常增 加各种形状的肋条（在活塞背面增加方格形、横形和直肋条）
5、顶部的处理方式： 阳极氧化、喷镀陶瓷、重熔淬火
（二）、活塞头部的设计 1、活塞头部的作用 ①承受气体压力，并传给连杆；②与活塞环一起实现气缸的密封； ③将活塞顶部所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。 2、活塞头部的结构形式 整体式、装配式、焊接式
（三）、活塞头部的环槽和环岸的设计 1、环槽断面和环高的配合间隙 A、侧隙： （第一道环0.05～0.1，第二、三道环0.03～0.07） 372第一、二道环与活塞的侧隙是0.03～0.06，油环是0.02～0.19， 477发动机第一道环是0.04～0.08，二道环0.025～0.07 B、背隙 活塞环的背隙比较大，避免环和环槽底部干涉，一般来说， 气环背隙是0.5mm左右，油环相对大一点。 372活塞环的背隙，第一道环0.9～1.175，第二道气环 0.65～0.925， 油环0.3～0.665，477第一道气环背隙是0.25～0.55 2、环槽底面的设计 环槽底部的形状对于环和环槽工作的可靠性和耐久性十分重要， 若环槽底部的过渡圆角小，就会形成应力集中，产生疲劳裂纹。若 圆角过大，妨碍活塞环自由缩进槽底，槽底圆角半径取0.2～0.5mm。 在油环槽底面上钻有许多径向小孔，是被油环从气缸壁上刮下来 的多余机油，得以经过这些小孔流回油底壳
（4）、 尺寸尽可能紧凑
火力岸的高度： A、一般汽油机（0.06～0.08）D，柴油机（0.15～0.25）D，一般确 保第一道环的工作温度不超过225为原则，否则机油碳化，产生积碳 ，容易造成机油变质，积碳与活塞环一起，造成拉缸。 B、活塞在上止点时，缸体水套腔的高度不得低于第一道气环所处的 高度。
二、活塞的几何设计
（一）、活塞顶部设计： 1、顶部形状
活塞顶部的形状与选用取决于燃烧室的形状、进排气门和压缩 比有关。一般来说，非缸内直喷汽油机活塞大部分选取平顶活塞
2、顶部热量分布方式
3、设计要点
减轻活塞组的热负荷和应力集中，力求受热面积最小、加工最 简单，表面光洁，无尖角和应力集中现象出现。
3、设计要求 （1）、 保证有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大的变形 （2）、保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力 ，为活塞环 正常工作提供良好的条件，避免顶部疲劳开裂。 （3）、头部不与缸壁直接接触，否则会产生粘结磨损，形成拉缸， 活塞头部一般是几段阶梯扁圆柱面，也可以是连续的锥面
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5、头部到环岸的设计 活塞头部传来的热量主要靠活塞环与缸壁接触带走，因此，为了 减轻第一环槽的热负荷，活塞顶到环岸的设计应按照热流路线设计， 即活塞顶部厚度应从中间向四周逐渐加大，内腔过渡圆角应足够大， 使活塞顶吸收的热量顺利地被导致第二、三环，减轻第一环的热负 荷，降低第一环的最高温度 。
6、隔热槽的添置 发动机活塞在第一道环槽上面切出较环槽窄的隔热槽，其作用是 隔断从活塞顶部流下来的部分热流通路，迫使热流方向转折，把原 来应由第一道活塞环散走的热量，分散给第二、第三环，以消除第 一环过热后产生积碳和卡死在环槽中的可能性。
（四）、活塞裙部功能及设计要求： 1、裙部功能：与气缸直接接触、高速滑动、承受侧压力 2、裙部受力情况分析
3、设计要求设计要求：良好的导向、足够的实际承压面积、形成足 够厚的润滑油膜、满足不同工况下与气缸间有合适的间隙。裙部长 度影响活塞运行中摩擦损失、噪声和耐磨性，太短，单位面积压力 超过许用值，活塞运动时倾斜角度大，磨损加剧，噪声大。
5、裙部表面处理和加工要求 A、表面处理方式： 在我们国内常见的处理方式是：磷化、镀锡、印刷石墨，在国 外还用了许多先进的处理方式
B、表面加工要求 裙部一般加工对粗糙度和表面波纹进行控制
6、裙部的膨胀控制 横向隔热槽和纵向补偿槽、椭圆裙、镶钢片
为了减少铝活塞裙部的热膨胀量，有的汽油机活塞在活塞销座中 镶有热膨胀系数低的“恒范钢片”（含镍33%～36%，线膨胀系数 约为铸铝合金的1/10）以牵制裙部的热膨胀