公司培训 资料第四章 活塞组设计

零部件设计的基本过程

从活塞组开始，进入零部件的设计。零部件设计的基本程序为：

1．明确零部件总体及其零件的作用，要细到零部件的每一部分。

2．明确零部件所处的工作条件。这个明确除了定性分析外，主要是定量计算。

工作条件包括：（1）机械负荷（力）：明确受哪些力，分析力和力矩的性质（力三要素，是拉、压、扭、弯，），最大力的作用时间（时刻），对零部件工作的影响，计算公式等。机械负荷（力）的确定是零部件设计的重点。

（2）热负荷：最高温度，温度变化范围，热流，温度场，热应力——这关系到零部件受热膨胀，间隙减小，运动受限；高温下零部件强、刚度下降以及热应力下的开裂等问题。（3）摩擦与磨损：高速运转下的运动副的摩擦与磨损——这关系到零部件的可靠性以及机的噪声与振动问题。

（4）零部件的运动形式：是直线、旋转、摆动，是匀速、变速、其规律性等。

3．根据整机性能指标与零部件的工作条件，提出具体设计要求。

4．分析现有典型零部件的形式，确定与本机性能相适应的零部件形式。

5．确定零部件的主要结构参数和基本形状。通常是以样机零部件的结构参数和形状为基础，再结合本机的指标要求加以修改。

6．运用工作条件中的数据和计算公式，进行零部件主要部位的强度与刚度的校核计算。7．按上述初步设计制作样件，装机试验，根据试验数据，进行修改设计，多次反复，直至达到设计要求。

第四章活塞设计

活塞组包括活塞、活塞销及活塞环等作往复运动的组件，它们是发动机中工作条件最严酷的工作组件，且发动机的主要性能，如动力性、经济性、可靠性、耐久性等，与之密切相关，尤其在发动机不断强化（负荷和转速）的条件下，对活塞组的设计也提出了新和高的要求。

第一节活塞的工作条件和设计要求

一．活塞的作用

（1）直接承受（燃烧）气体压力。（2）和汽缸盖组成燃烧室。（3）和汽缸组成工作空间。（4）密封高温高压气体。（5）通过活塞组将热传给汽缸壁。（6）将承受的力通过活塞销传给连杆。

二．活塞组的工作条件

（一）机械负荷

1．燃烧气体压力

（1）大小：在膨胀冲程的上止点附近达到最大值P gmax=最大燃烧压力（由示功图实测）。（2）特性：周期性气体压力的直接作用；受压；数值大；大冲击性。

（3）影响：使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时使活塞销座从内侧纵向开裂，第一道环岸断裂等。

2．高速运动往复惯性力

（1）大小：在上止点时有最大值P j=m j rω2（1+λ）。

（2）特性：周期性的拉压；在整个周期都具有相当数值；其值与转速的平方成正比，受转速影响较大，如转速为8000时，其惯性力是活塞质量3000倍左右。

（3）影响：拉压作用产生疲劳破坏；周期性的拉压作用产生机的振动等。

3．侧压力

（1）大小：缸壁给活塞的反作用力P n，其约在34º左右时有最大值=P•tgα/l•D P——P g+P j；l——活塞裙部长；D——缸径。

（2）特性：是由于连杆摆动，作用在活塞上的力传给连杆，连杆反作用于活塞而产生的。由于作用在活塞上力大小是交变的，Pn也是交变的；且Pn的方向在活塞下行时向左，在上行时向右，即在整个工作周期内力的方向是交变进行。

（3）影响：活塞在Pn力的作用下反复撞击缸壁；增加摩擦力中的正压力——造成薄壁活塞裙部变形与磨损。

4．机械负荷的影响：

（1）机械负荷数值大，且具有冲击性。（2）交变作用，具有疲劳破坏作用。

（3）产生下列应力：（A）活塞顶部动态弯曲应力；（B）销座拉压及弯曲应力；

（C）环岸弯曲及剪切应力；（D）环槽及裙部磨损。

（二）热负荷

1．高温：

（1）大小：工作时，活塞顶受瞬变高温燃气作用，最高温度可达2000 C。

（2）影响：温度升高，（A）材料的机械强度下降；（B）材料抗塑性变形的能力下降；（C）活塞顶超过400 C会产生疲劳热裂现象；（D）使润滑油变稀、变质、碳化，从而造成润滑不良和结焦，使活塞环粘结或使环槽磨损变形。一般第一环槽温度不超过200 C，否则积碳会成倍增加。

2．热应力：

（1）来源：在活塞体整个范围内分布不均匀，各点温度梯度很大。

（2）影响：增加活塞体内的应力——使活塞开裂。

（三）强摩损

活塞在缸内高速上下运动，由于P n的作用及润滑条件极差，磨损及摩损——消耗有用功（活塞组的摩损占机摩损的40%左右）较大。且在不同工况下，活塞具有不同的温度，使活塞的配缸间隙很难做到最佳，如冷态间隙合适，则热态出现拉缸；反之则出现敲缸、变形。

三．活塞组的设计要求

（一）一般设计要求

1．材料热强度好、耐磨、比重小、导热性好、热膨胀系数小。

2．结构散热良好；刚度、强度符合要求；重量轻。

3．气密性好；不同工况与汽缸配合好。

4．受热少，吸热、散热好。

（二）重点设计要求

1．改善活塞顶与第一环的工作条件，防止顶部开裂和环粘结。

2．改善活塞销与销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂。

3．合适裙部外形，以减少热膨胀，提高裙部的承载能力、减少配缸间隙，使之运转平顺，磨损小。

第二节活塞材料与结构设计

一．材料

由于活塞组是往复运动质量的主要部分，加之工作条件恶劣，对于高速机通常采用含硅量为10~13%的有一定强度且质量较轻的共晶铝硅合金作为活塞材料。

二．结构设计

（一）基本结构和作用：分成三部分

1．头部：顶、环带

（1）顶：与缸盖组成燃烧室、承气压。（2）环带：安装活塞环，保证气密。

2．裙部：环带以下部分，起导向和承侧压作用。

3．销座：在裙部中央上方，安装活塞销。

（二）头部设计

1．设计要求：

（1）足够刚度强度，防止开裂与变形。（2）温度

不过高，温差小，防止热变形。

（3）尺寸紧凑，以减轻重量。

2．顶

（1）形状：其取决于燃烧室的要求，二冲程机为

扫气导流，多用球形凸顶；四冲程机为结构简单，

多用平顶。

（2）顶厚δ：由活塞顶刚度、强度及散热条件来确

定。顶厚δ↑——传热面积↑——传热量↑——顶温↓。

满足传热就基本满足刚度、强度，一般

δ=（0.006~0.17）D，热负荷大（如二冲程机）取

上限。但顶厚δ↑——活塞重量增加。

（3）顶过度圆角R：其对降低顶与第一环的温度

影响较大。R↑——可降低顶温，并可将热导向第二、三环，成所谓的热流型（如GL125机）。但R↑——重量增加。

3．头部

（1）火力岸高度H4：重要尺寸。H4↓——活塞高度尺寸↓；活塞从第一环导出热量↑——顶温↓——爆燃↓；二冲程机活塞有效行程↑——希望H4↓。但H4↓——第一环温度↑——环松弛；易结焦粘结。一般H4=（0.07~0.10）D (四冲)；H4=（0.046~0.085）D (二冲) 。（2）环带高H3：取决于环数与各环岸、环槽高。

（A）环数：在保证气密情况下，少用。二冲程机多用二道气环（极少只用一道）；四冲程机用二道气环，一道油环。

（B）各环岸高：取决于在最大气压下有足够强度，不至于断裂破坏。第一环负荷较大，环岸高大，其余较小。

（C）环槽：取决于环高和环槽侧隙高。环槽侧隙↑——环对槽冲击↑；环槽侧隙↓——易粘结。一般环槽侧隙=0.08~0.15mm。为避免环与槽的圆角干涉，环槽背隙=0.5mm。

（3）压缩高度H1：重要尺寸，它决定销座位置，并和机高直接相关，最主要对压缩比有直接影响。因此其精度要求较高。现趋势是要求压缩高度H1小，

H1=（0.45~0.65）D。如雅马哈YBBD H1=0.6D （二冲）；本田GL145 H1=0.45D （四冲）。（4）活塞头部与汽缸间隙Δ：其影响环的功能、对油耗与排放产生影响。

（A）从漏气出发，希望Δ↓；但Δ↓——头部易与缸壁接触损坏。

（B）Δ↑——传热↓——活塞温度↑——环槽内积碳↑——卡环现象↑。

（C）汽缸间隙Δ应>铝活塞与铸铁缸套线膨胀量的差值。

（5）活塞头部外表面开细浅螺旋槽：可存一定积碳，并具退让性。

（三）销座设计

1．工作条件与设计要求

（1）工作条件：（A）承受周期性燃气压力。（B）销座上部的惯性力有冲击性，并形成上下冲击载荷。（C）润滑条件差，难以形成润滑油膜。