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1、 重庆工学院毕业论文 活塞组设计5 活塞组设计5.1 活塞组的工作条件和设计要求活塞组零件工作情况的共同特点是工作温度高，并在很高的机械负荷下高速滑动，同时润滑不良，这决定了它们遭受强烈的磨损，并且可能产生滑动表面的拉毛、烧伤等故障。活塞顶吸收的热量约占燃料总发热量的2%4%。经活塞环传给气缸壁的热量占70%80%，经活塞本身传给气缸壁的热量占10%20%，而传给曲轴箱空气和机油的仅占10%左右，铝合金活塞的温度应保证某些部位不超过下列数值：活塞顶：3150C；第一环槽：1802200C；活塞顶内表面：2500C；活塞销座：1800C。对活塞组的设计提出了如下的要求：1）选用300400 0C
2、温度下仍有足够机械强度、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减摩性和工艺性的材料。摩托车发动机活塞的材料通常采用优质铝合金铸造或锻造；2）设计合理的形状和壁厚，尽量减轻重量，缓和应力集中，使散热良好，强度、刚度符合要求，并有控制裙部膨胀的措施；3）在不增加活塞组摩擦损失的条件下，保证燃烧室气密性好，窜气、窜油量不超过规定要求，且能保证滑动面上有足够的润滑油；4）设计合理的活塞裙部型线和配缸间隙，使在各种工矿下都能保持活塞与气缸的最佳配合，减轻活塞敲击和缸套振动引起穴蚀的倾向。5.2 活塞的设计图5-1 四行程汽油机活塞各部分的尺寸比例活塞的基本结构可以分成四部分：顶部、头部、裙部和销
3、座。四冲程摩托车发动机的活塞顶多用平顶。为了防止活塞顶在上止点时与气门头部相碰，往往在顶面上与气门对应部分有凹坑。依靠设计和制造技术，现代内燃机普遍采用三环短活塞。图5-1表示出了汽油机平顶活塞的各部分。5.2.1 活塞头部的设计活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此，其设计要点为：尽可能改善活塞顶和第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结，以及环槽过度磨损。5.2.1.1 压缩高度的确定活塞压缩高度H1（图5-1）是由火岸高度h、环带高度h3和上裙尺寸三部分组成的，活塞环的数目、环的位置和轴向高度、环与环之间的环岸高
4、度等都直接影响尺寸H1 。1、第一环位置根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即火岸高度h（图5-1）。为缩小H1，当然希望h尽可能小，但h过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。由内燃机设计表8-1可知，一般汽油机的火岸高度h =（0.060.08）D =3.244.32 mm，取h=4mm 。2、环岸高度为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但b太小，会使制造工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高b1=1.21.5 mm ，油环高b2=22.5mm 。因而取气环高b1=1.5
5、mm ，油环高b2=2 mm 。环岸的高度c（图5-1），应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。实践证明，环岸高度一般第一环大，其它较小。据统计表明，c1 = （1.52.5） b1 = 2.253.25 mm,c2=（12）b1 = 1.53 mm 。由于汽油机接近下限，因而取c1=3,c2=2。3、活塞环数活塞环数目对活塞头部的高度H1有很大影响。目前，高速汽油机一般采用2道气环和1道油环。4、活塞销上面的裙部高度确定好活塞头部环的布置以后，高度H1最后决定于活塞销轴线到最低环槽的距离（图5-1）。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽若有较大变形就会使油环卡住而失效。所以
6、在一般设计中，都要求最低环槽位于变形不均匀的销座外径以外，即R1+e，由内燃机设计表8-1查得R1+e=1.41.5，在此，取=13，活塞销上面的裙部长度对于活塞裙部在气缸内的良好导向也有很大的影响。综上所述，由内燃机设计表8-1可知，高速汽油机活塞的压缩高度H1=（0.450.6）D=24.3032.40，取H1=30。由于这一尺寸的变化直接影响发动机的压缩比，所以要保证严格的公差，一般规定为H10.05。5.2.1.2 环带断面图5-2 机油减压腔的设计图5-3 环与环槽的最佳匹配该发动机采用三道环，可采取图4-2和图4-3的措施优化活塞和活塞环的结构，以使燃气密封性好、机油消耗少和环的滑
7、动面上有足够的润滑油。图5-2左边结构虽然能降低机油消耗，但这样将使窜气量较大；而采用右边结构，第二环岸的上边缘为尖角，保证了气密封，其下边缘内凹形成机油减压与分配腔，机油控制良好。因此选用右边结构。 环岸表面往里凹进去，第一环下面的间隙就扩大，从而使活塞环切口上的漏气分布较好，并易于流散。第二环槽的下边缘形状对窜气影响不小，必须采用尖角结构。5.2.1.3 活塞环槽的设计活塞环槽设计包括环槽断面形状设计和选择活塞环与环槽的配合间隙。环槽底部设计圆角R=0.20.5。圆角尺寸既要保证圆角处不产生过大的应力集中，又要保证活塞环在环槽中有径向运动的空间，因此，取R=0.5。环槽必须有适当的倒角，一
8、般为（0.20.5）450=9022.50。倒角过小，当环岸出现毛刺时有可能卡住活塞环，引起漏气量增加；倒角过大会使活塞环漏气量加大。因而取为150。 环槽的形位精度也会影响发动机的漏气量。环槽上下平面Ra 0.63m。第一环槽下平面的平面度在全部圆周上不大于0.007，其他环槽平面的平面度在全部圆周上不大于0.01。环槽平面对裙部轴线的圆跳动不大于0.05。底径表面对裙部轴线的圆跳度不大于0.15。环槽的侧隙过大，会加剧对环槽的冲击，加剧环槽的磨损，影响活塞的可靠性及寿命。侧隙过大还将引起发动机漏气量增加。侧隙过大，环槽内油泥将积存引起活塞环粘着烧坏。由摩托车发动机设计表4-3可知风冷发动机
9、的第一道环的侧隙为0.04mm，第二道环和油环的侧隙取为0.03mm。5.2.2 活塞裙部的设计活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。活塞裙与气缸直接接触并高速滑动，同时承受由于连杆摆动所产生的侧压力PN。活塞裙部的设计要求有：保证活塞在缸内得到良好的导向；具有足够的承压面；能形成楔形润滑油膜；与缸孔的间隙适当，既不过大引起活塞敲击噪声，也不过小造成咬缸。5.2.2.1 裙部的尺寸和销孔的位置由内燃机设计表8-1可知，H2=（0.450.55）D=24.3029.70，H2/H3=0.650.8。取H2=25，则H3=31.2538.46。取H3=35。对于高速汽油机，活塞销与活塞
10、裙轴线不相交，而是向承受膨胀侧压力的一面（称为主推力面，相对的一面称为次推力面）偏移12。这是因为，若活塞销中心布置，即销轴线与活塞轴线相交，则在活塞越过上止点，侧压力作用方向改变时，活塞从次推力面贴紧气缸壁的一面突然整个地横扫过来变到主推力面贴紧气缸壁的另一面，与气缸发生“拍击”产生噪音，有损活塞耐久性。因为冲击时刻正好作用着最高燃烧压力，这就加重了危害性。因此采用把活塞销偏心布置，这样能使瞬时的过渡变成分步的过渡，并使过渡时刻先于达到最高燃烧压力的时刻，从而改善了发动机的工作平顺性。5.2.2.2 裙部的膨胀控制图5-4 活塞裙部在各种负荷下的变形简图活塞裙部在机械负荷PN 、气体负荷PZ
11、和热负荷作用下的变形如图5-4所示，三种变形都以活塞销轴线为长轴形成椭圆。为了防止变形卡缸，除活塞在销孔两端附近铸出凹陷面之外，还需采取下述三种控制裙部膨胀的措施。1）开绝热槽在活塞裙部上端，或者最下面一道油环槽底加工出横槽，以减少从活塞头部传到裙部的热量，降低裙部的温度。这样的绝热槽均开在销座的左右两边，对于从活塞顶到活塞销的传力影响不大，一般它还兼作油环的泄油通道。与此同时还在活塞裙部的次推力面上加工出纵向（带不大斜度）直槽，使裙部有一定的弹性，且直槽与上述横槽成T形或成倒U形。2）采用椭圆裙活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多，为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙，不致在销孔附近卡住。因而
12、，在设计时常把裙部设计成长轴位于垂直销轴方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆形。为了得到较好的使用效果，可采用不对称椭圆的裙部。这样在主推力面上的椭圆度较小，活塞与缸壁接触面积较大，侧压力产生的弯矩也较小，因而能承受较大的负荷。且在裙部推力面与销座平面相接转角处的总直径增大了，这个关键部位就不容易拉毛，从而使工作可靠性得以提高。3）镶钢片活塞镶铸热膨胀系数比铝合金小的材料，可以阻碍裙部热膨胀。在汽油机上常用恒范钢片活塞和自动调节活塞。恒范钢片活塞由于结构复杂、成本高，常用于强化汽油机，因而选用如图4-6所示的自动调节活塞。4）合理选择活塞裙部型面为使活塞润滑良好，改善头部向缸套的传热，以及运行平静
13、，其配缸间隙应根据温度场和机械变形情况，在推力面上大下小，且在销轴方向的间隙大些。所以，本设计中采用桶形型面，且在横截面上成椭圆形。这是因为桶形型面与缸壁形成双向楔形油膜，能使裙部具有较高的承载能力和润滑良好。此外，活塞运动中倾斜时，可避免尖角负荷，从而减轻活塞对缸壁的冲击。5.2.3 活塞其余部分的尺寸设计根据经验可知，图5-1中所示的其余尺寸设计如下：销座间距: Di=（0.30.4）D=16.2021.60，取Di =20；加工基准直径: Ds=0.92D=49.68；顶部厚度: Th =0.075D=4.05；裙部销孔中心壁厚: Tp=0.035D=1.89；裙部最小壁厚: Tn=0.
14、03D=1.62；部头内圆弧半径: R=1.4D=75.60；连接圆弧半径: R1=0.1D= 5.40，R2=0.07D= 3.78，R3=0.12D = 6.48,R4=0.05D= 2.70；环区壁厚（销孔垂向）: d=0.12D= 6.48 ；环区壁厚（销孔方向）: dp=0.15D=8.10。5.3 活塞的工艺分析5.3.1 活塞材料的选取国内活塞材料应用较多的是共晶铝合金和过共晶铝合金。铝合金的化学成分对材料的性能有很大的影响。硅使材料的线膨胀系数下降，耐磨性、硬度、刚度和疲劳强度提高。但是过共晶铝合金中，由于硅的含量大，已超过共晶点，合金的熔点不断提高，使得铸造流动性变差，另外含
15、硅量增大使合金容易产生偏析，粗大的初生硅使毛坯又硬又脆，强度低，机械加工困难。因此，本设计中选用共晶铝合金。5.3.2 活塞的毛坯活塞的毛坯设计是提高活塞质量的重要环节。优良的活塞除了需要选择合适的材料外，铸造及热处理也是设计中的重要内容。摩托车发动机活塞毛坯生产的通用方法是金属型铸造。金属模应采用下抽芯模具，以达到加强活塞销座的目的。活塞毛坯铸造工艺中应注意以下问题：1）合金材料的质量，合金熔化中Si、Cu、Ni等元素成分的调整。2）变质处理及变质剂的选用。3）精炼温度与除气处理。变质处理是在合金熔炼过程中加入变质剂，从而提高材料使用性能。变质处理有钠变质、磷变质等方法。铝合金具有强烈的吸气性能，熔炼过程中，铝与炉气作用，使铝强烈地氧化，结果生成大量的三氧化二铝及其他杂质。在熔炼过程中，精炼工序是为了除去气体核杂质，保证铝
