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1、内燃机构造与设计,10 活 塞 组 件,10.1 概述,1.活塞组件组成：包括活塞、活塞销、活塞环、卡环 2.运动方式：作上下变速往复运动 3.作用：与气缸组成封闭的燃烧室，保证发动机工质的可靠密封 4.工作特点：工作温度高，机械负荷大，高速滑动，润滑不良，磨损严重等，影响发动机的工作可靠性与使用耐久性。 5.活塞组件设计的目的：提高活塞组零件的工作可靠性和耐久性。,10.1 概述,6.活塞组件的工作条件 机械负荷：气体作用力、往复惯性力、侧压力 热负荷：高温燃气 磨损：润滑不良，高速滑动,7.活塞组件主要设计要求 足够的强度和刚度 质量小 温度水平低 气缸密封良好 良好的润滑油膜 减小配缸间
2、隙 较高的耐磨性和抗拉毛性 考虑传力、传热、导向、密封、轻重和减摩耐磨六个方面。,10.1 概述,柴油机的活塞热负荷比汽油机的活塞热负荷高，原因： 对流换热强，工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流脉动。 热辐射大，柴油机中不均匀混合气燃烧形成碳粒，使其火焰的热辐射能力大大超过汽油机。 柴油机中燃料喷射不均匀，使温度分布不均匀，因燃油喷射、雾化都在燃烧室内。 通常柴油机中的活塞上都有凹坑，使受热面积增大，热负荷增加。,10.2 活塞的结构型式与材料,10.2.1结构型式及主要尺寸比例 结构型式 整体铸造的铝合金活塞（柴油机活塞）汽车发动机常用,10.2 活塞的结构型式与材料,整体锻
3、造的铝合金活塞（汽油机活塞）汽车发动机常用,整体铸铁活塞某些二冲程车用发动机,10.2 活塞的结构型式与材料,钢顶铝裙的组合活塞高强化发动机,活节活塞高强化发动机,10.2 活塞的结构型式与材料,主要尺寸符号 总高度H 压缩高度H1 裙部高度H3 顶板厚度 火力岸高度h 第一道环岸高度c1 活塞销偏置距e 活塞销直径d1 销座间距B,活塞销中心线以下的裙部高度H2,10.2 活塞的结构型式与材料,10.2 活塞的结构型式与材料,10.2.2活塞的材料 对活塞材料的要求： 热强度高，在高温下有足够的机械性能 导热性好，吸热性差 膨胀系数小 比重小 良好的减摩性能，耐磨，耐蚀 工艺性好，价廉,活塞
4、的材料： 铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁 特点：耐热性、耐蚀性好，膨胀系数小，热强度高，成本低，工艺性好，比重大，导热性差 应用：大型中、低速柴油机，高增压柴油机，热负荷较高的二冲程柴油机。 耐热钢 强度高，用作组合活塞的顶部，用于强化的柴油机中。,10.2 活塞的结构型式与材料,铝合金：铝铜合金、共晶铝硅合金、过共晶铝硅合金 特点：比重小，惯性小，导热性好，温度场均匀，热应力小，高温时强度、硬度下降较快，使结构设计复杂，成本高。 无论是铸造铝合金活塞还是锻造铝合金活塞，在成形之后都必须进行热处理，以提高其强度并保证其尺寸的稳定性。常用的热处理工艺是淬火加人工时效。,10.3 活塞的传热结构
5、与导向结构,10.3.1 活塞的传热结构 当活塞无油冷时，由燃气传入活塞的热量大部分经活塞环传给缸筒再传给冷却水或空气，小部分经裙部传给缸筒，经活塞内壁面传给曲轴箱油雾。 活塞传热结构的设计目标，一是要降低活塞的热负荷程度，即降低其最高温度和各处温差，二是要提高其热负荷承受能力。 降低活塞的热负荷采取的结构措施有： 1、尽可能减少顶部受热表面并避免凸起和尖角，从这个角度看来柴油机的直喷燃烧室不宜有缩囗。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,2、将顶板和环区厚度加大并采用大过渡圆角，以减少由顶面向环区传热的热阻，这种热流型设计可降低活塞顶部的温度和热应力。 3、选取适当的火力岸高度，使第一道环的
6、上止点位置不高于缸体水套的上缘。 4、裙部和活塞销座部分应有足够刚度，保证各环槽侧面不变形扭曲，使活塞环能紧贴环槽侧面，这即是封气封油所需要的，也是传热所需要的。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,图10-11活塞顶部壁厚及形状对顶部温度的影响,10.3 活塞的传热结构与导向结构,5、对热负荷很大的柴油机可采取油冷措施来降低活塞的热负荷，最简单的油冷措施是向活塞内壁喷油冷却，可以经连杆中的油道从连杆小头顶端的油孔喷油（为此连杆轴瓦中间要开一道油槽）。也可通过固定在机体上的喷嘴喷油，也可以在活塞顶部设环形油腔，强制送油冷却。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,6、为了提高活塞承受热负荷的能力
7、,有些铝合金活塞顶面采用硬质阳极氧化处理，形成厚0.075-0.1mm的硬质层。这种氧化层的热强度高，有助于防止顶部热裂。有些直喷式柴油机的活塞在燃烧室缩口处铸入铸铁护圈，以提高该局部的热强度。这种护圈通常 采用膨胀系数与铝合金接近的高镍奥氏体铸 铁。此外，有的铝合金活塞采用整个活塞顶 和环区镶入铬钼钢薄层的结构，有的顶面喷 涂陶瓷，有的铸入陶瓷燃烧室镶块。这些措 施的共同特点是可以减少通过活塞的热流量， 从而降低铝合金本体的温度水平和各处温差。 至于高强化发动机用的铸铁活塞和以铸铁 (或耐磨钢)为顶部的组合活塞或活节活塞， 由于铸铁导热率低，必须油冷。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,1
8、0.3 活塞的传热结构与导向结构,10.3.2 活塞的导向结构 活塞的导向作用靠裙部来完成。 一个好的导向设计应能使活塞配缸间隙小，而且在发动机变工况范围内配缸间隙的变化也要小，这样才能最大限度地减轻活塞对缸壁的撞击。另一方面，导向面又是摩擦面，应该既减摩又耐磨。配缸间隙取多大，要以不发生拉毛为限。因此，要想减少配缸间隙至少需要两个条件: 1、发动机工作状态，裙部形状应接近于圆柱形; 2、裙部的热膨胀量要小。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,10.3.2.1 裙部形状分析 为使裙部形状在工作状态接近于圆柱形,就要考虑裙部在工作状态的变形情况，反过来决定活塞裙部的冷态形状。 活塞裙部工作变形
9、的总趋势是沿活塞销孔方向伸长，其原因是： 在侧向力的作用下有将裙部压扁而在销孔方向伸长的趋势， 在燃气压力作用下活塞顶产生的弯曲变形，也使裙部在销座方向上有向外扩长的趋势， 活塞头部温度较高，要向四周膨胀，而销座部分与头部的连接刚度远大于裙部其它部位与头部的连接刚度，因此头部带着销座一起产生较大的膨胀，这也使沿销孔方向的伸长大于与其垂直的方向。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,上述三种原因引起的销孔方向的伸长是一致的，而且均随着发动机负荷的加大而加大。因此，活塞裙部横截面的冷态形状应该设计成一个椭圆形，椭圆的长轴在垂直于销孔的方向，短轴在销孔方向，其椭圆度(椭圆长轴与短轴之差)的大小应能使
10、活塞裙部横截面在发动机满负荷工作下变成圆形。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,活塞工作温度沿活塞轴线方向变化较大，火力岸上端温度最高，裙部下端温度最低，火力岸上端的直径膨胀量最大，而裙部下端的直径膨胀量最小。因此，为了使额定功率工况的活塞形状近似于圆柱形，就必需使冷机时火力岸的直径最小，同时裙部上端的直径也应小于其下端。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,常用的活塞裙部母线为图(d)，活塞裙部叫椭圆桶形或椭圆腰鼓形。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,曲线1表示活塞母线的冷态形状，曲线1至横坐标轴的距离就是活塞与缸筒的冷态半径间隙。曲线2至横坐标轴的距离就是活塞的半径热膨胀量。由曲线1
11、减去曲线2而得出的曲线3就是活塞母线的热形状。曲线4表示气缸孔母线的热态位置，它与横坐标轴之间的距离就是气缸孔的半径伸缩量，因此，曲线3和4之间的距离就表示活塞和缸筒的热态半径间隙。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,设计时使裙部中段70%左右的热态形状接近于圆柱形，同时与气缸孔的热态间隙合适，而两端略向内缩。裙部两端内缩是为了活塞向上或向下运动时均能形成承载油膜，减轻摩擦与磨损，同时由于这种活塞裙部与气缸孔的间隙小而两头内缩，减轻了活塞对缸壁的撞击。 活塞裙部热态的径向变形沿裙高也不一样，裙部的椭圆度原则上也应沿裙部高度有所变化。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,活塞各部位与气缸孔之间
12、的间隙是不同的，一般把气缸直径与活塞裙部直径最大尺寸(在垂直于活塞销轴线方向的裙部中间或下端附近)之差称为“配缸间隙”或“名义装配间隙”。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,10.3.2.2 裙部膨胀量的控制 发动机工况不同时活塞的热状态不同，按额定功率工况确定的活塞配缸间隙到了低速低负荷工况就变大了。为了减小噪声和保持良好密封，宜使裙部膨胀量随工况的变化尽可能小些，也就是说要使裙部的形状随温度的变化尽可能小些。为此，最常用的办法是在活塞中铸入钢片。 常用的结构有以下三种： 镶恒范钢片的活塞图10-23(a) 这种活塞是把两片或四片低膨胀钢片（含镍的低碳钢）垂直于销孔铸入活塞销座中。这种活塞
13、的配缸间隙小，工作平稳，但成本高，用于小轿车汽油机。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,自动调节活塞图10-23(b)，这种活塞把低碳钢片镶在铝合金的内侧，利用双金属效应产生的弯曲来减小垂直于销孔方向上的膨胀量。这种弯曲随温度的提高而增大，故称为自动调节活塞。这种活塞也可减小配缸间隙，成本低，用于部分汽油机。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,镶筒形钢片活塞在浇铸活塞时能使钢筒内产生压缩应力，铝外壳中产生拉伸应力，即铝合金外壳的实际收缩量远小于其自由收缩量，而裙部内壳在浇铸后的冷却过程中能够自由地向内收缩，使铝内壳外壁与钢筒内壁之间形成收缩缝隙。当发动机工作时，在不同的活塞温度水平下， 将
14、不同程度地减 小收缩缝隙和外 壳与钢筒中的残 余应力，所以活 塞的热膨胀量远 小于铝合金的自 由膨胀量。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,在一些老式汽油机或负荷不高的汽油机中，活塞裙部开有纵向切槽，并与油环槽底的横向切槽相连成T字形或字形。其中横向切槽起隔热作用，可减少传到裙部的热量以降低裙部温度和热膨胀量，并兼作泄油通路。纵向切槽则起弹性补偿作用，可在冷态间隙较小的情况下减少高负荷工况拉缸的危险性。但横槽不利于降低环区的热负荷，T形或形槽削弱了裙部的刚度和强度。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,10.3.2.2 活塞的拉毛及其预防 当活塞和缸壁之间有小片金属接触时，由于摩擦产生的高温
15、使小片金属熔接，而相对运动又将熔接处剪断，结果摩擦面就会变得粗糙并出现拉痕这就是活塞的拉毛。 产生拉毛的可能原因当活塞环密封失效引起漏气增多，活塞过热，油膜破坏时就会拉毛;活塞裙部设计不当也会拉毛。实际上通过观察裙部拉毛的位置可以分析并纠正裙部设计不当之处。如椭圆度过大或配缸间隙过小，都会在活塞相应位置表面产生拉毛面。,10.3 活塞的传热结构与导向结构,在发动机磨合阶段缸壁表面和裙部表面会有较多的局部金属接触，因此即使裙部设计正确磨合初期也可能拉毛。为减少磨合初期拉毛的可能性，通常对裙部进行表面处理。最简单的办法是在裙部表面镀一层锡。由于锡层较软和对铸铁缸筒的摩擦系数较小，在活塞和缸壁的各局
16、部金属接触点上锡首先熔化而在活塞与缸筒之间起着某种润滑作用，同时填充表面微观不平处，减少了局部接触载荷和摩擦力，改善了磨合。裙部镀铅也有类似效果，只是铅的熔点略高于锡，宜用于热负荷高的活塞。近年来有些厂家在活塞裙部喷涂石墨或二硫化钼，这二者都是较好的固体润滑剂，因而也能改善磨合，减少拉毛可能性和降低摩擦系数。,10.4 活塞的传力结构与活塞销,10.4.1 活塞销的刚度和尺寸 10.4.1.1活塞销刚度的重要性和尺寸选择 加在活塞上的气体作用力Pg和活塞的惯性力Pjh都要通过活塞销座传给活塞销，再由活塞销传给连杆。因此活塞销以及由活塞顶连到活塞销座的活塞传力结构中都产生交变应力和变形。 设计要求:1、活塞销和销座部分有足够强度，不发生疲劳断裂; 2、销座和销的轴承条件比压不超过轴承材料的容许限度; 3、销座部分的变形不能导致环槽侧面的变形扭曲，以免影响环的密封和传热功能。 要满足这些要求，关键在于活塞销的刚度要好。,10.4 活塞的传力结构与活塞销,正值向下的（Pg+Pjh）作用在活塞组件上时，活塞销产生如图所示的
