发动机活塞的研究

发动机活塞的研究

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一、摘要：

“活塞”一词原为“鞲鞴”（gou bei）,是西方传入的蒸汽机活塞的早期译名，一度广为使用。现英文对照词为piston。活塞是发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。

二、活塞的要求：

发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，又要考虑到发动机的运行平稳及耐用，因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度，导热性好，耐热性高，膨胀系数小（尺寸及形状变化要小），相对密度小（重量轻），耐磨及耐腐蚀，还要成本低。由于要求多而高，有些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项要求的活塞材料。现代发动机的活塞普遍用铝合金制造，因为铝合金材具有密度小，导热性好的突出优点，但同时又有膨胀系数比较大，高温强度比较差的缺点，这些缺点只能通过合理的结构设计以满足使用要求。所以，汽车发动机的质量优劣，不但要看采用的材料，同时也要看设计的合理性。

三、活塞的结构：

一般活塞都是园柱形体，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。

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。

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。

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。

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四、活塞的设计工艺方法：

1、活塞头部设计

活塞头部承受较大载荷，常在气门凹坑、燃烧室喉口边缘、活塞顶内壁与销

座根部联结处产生疲劳裂纹，因而从结构上解决头部裂纹的措施如下：1）合理设计头部形状，降低活塞顶面机械应力；

2）避免加工尖角，采用较大的过渡圆角，消除应力集中；

3）降低活塞热负荷，提高铝合金疲劳极限；

第一道活塞环的位置是确定活塞头部结

构的重要因素之一。为了减少活塞的高

度及重量，希望第一道环能高一些，接

近活塞顶，这样会使第一道环的温度过

高。

为了减小第一道环的温度，可以采

取以下措施：在活塞顶部进行硬模阳极

氧化处理，可以提高活塞顶面耐热性及

硬度，并增加热阻，使顶部降温。

环槽磨损对活塞的使用性能影响极

大，为了延长活塞的使用寿命，要特别

注意提高第一道环槽的耐磨性，其中环

的工艺处理方法也是很重要的。如下是

一种环的处理方法：

①时效往应力处理

活塞环属于薄壁件，除铸造内应力外，在金加工过程中还存在加工应力。而活塞环产品一般对挠曲度要求不大于0.06mm，如不经过期效处理，这一指标靠加工控制是很难达到的，有时即使大大降低加工切屑速度也无法满足要求。

②退火、调质处理

1、退火处理

为确保活塞环铸造毛坯的内在质量，球铁环和多元合金铸铁环多采用单体双片铸造工艺进行生产。毛坯铸态组织

硬度较高，割片加工难度较大，

需对铸态毛坯进行退火处理。

2、调质处理

三条调质炉生产线对割片后球

墨铸铁活塞环和多元合金铸铁

活环进行调质处理，球墨铸铁活

塞环调质工艺为：淬火900℃

980℃×1 3h，油淬；回火：450℃

600℃×1 2h。多元合金铸铁活

塞环调质工艺为：淬火910℃

990℃×1 3h，油淬；回火：500℃

650℃×1 2h。

3、调质后的力学性能

球墨铸铁活塞环调质后的基体组织为：回火索氏体或回火屈氏体。多元合金铸铁活塞环调质的基体组织为：回火索氏体，细小弥散分布硬质相及条块状的游离碳。多元合金铸铁活塞环调质的基体组织为：回火索氏体。

③钢环气体氮化

④离子氮化处理

通过上述工艺氮化处理的普通合金铸铁材料和多元合金材料活塞环氮化层能够很好地满足活塞的要求。

2、活塞的裙部设计.

其作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧压力。因此，长的裙部有利于减小单位面积压力和减小磨损，也不容易引起活塞、缸套的拉伤。但是，从降低活塞高度的角度出发，又希望裙部尽量短。短的裙部不容易和连杆相撞。车辆发动机活塞裙部长度一般取为H2=(0.4~0.8)D (2-12)。

考虑裙部长度时，必须照顾到活塞销孔对于活塞裙部的位置，合理分配上裙部与下裙部的长度，以防活塞工作时发生侧斜，造成局部强烈磨损。

为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持有比较均匀的间隙以免在气缸内卡死或引起局部磨损，必须先在冷态下把活塞加工成其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。为了减少销座附近的热变形量，有的活塞将销座附近的裙部外表面制成下陷0.5~1.0mm。

由于活塞沿轴线方向温度分布和质量分布都不均匀。因此各个断面的热膨胀量是上大下小。铝合金活塞的这种差异尤其显著。为了使铝合金活塞在工作状态下接近一个圆柱形，就必须事先把活塞做成直径上小下大的近似圆锥形。

3、活塞销座设计.

活塞销座的应力分布取决于销座与活塞销两者的变形是否互相适应，如果活塞销刚度较大而销座刚度较小，或者活塞销刚度小而销座刚度大，则两者变形不