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1、活塞产品知识ALBAMA2009-2-20活塞工作原理和作用n原理：原理： 四冲程发动机包括：进气-压缩-燃烧-排气这四个过程，而在这些过程中，活塞顶部气压的不断地循环改变，从而导致活塞的上下来回运动。这样内燃机燃料的热能就转化成为活塞的上下运动的动能，而活塞就是充当这种转化的介质。 作用：作用： 1.组成燃烧室，承受燃气作用力，并把它传给连杆。 2.密封气缸，防止燃气泄漏及润滑油窜入燃烧室。 3.将热量传给气缸壁。 4.将连杆的侧压力传给气缸壁（图）2009-2-20构造：构造：q活塞顶部 Piston Roofq活塞头部 Piston Headq活塞裙部 Skirt活塞的结构设计 Pist
2、on2009-2-20活塞顶部 Piston Roof活塞顶部平面：活塞顶部平面：气门凹坑 valve relief（图）主要是为气门提供足够空间，使进排气顺畅，同时节省空间。（图）2009-2-20活塞顶部 Piston Roof 平顶活塞顶部(Flat head)是一个平面，结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用。图2009-2-20活塞顶部 Piston Roof凹顶活塞顶部(Cup head)呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。 多用于柴油机。2009-2-20活塞顶部 Piston
3、 Roof球形顶（Home head）凸起呈球顶形，其顶部强度高，起导向作用，有利于改善换气过程，二行程汽油机（摩托车）常采用圆顶活塞。 凸顶活塞(Hump head） 异型顶异型顶（Contour head）2009-2-20活塞头部 Piston Headq活塞头部指活塞第一道油环槽(groove）下侧边至顶面的部分。它有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。 q 柴油机压缩比比汽油机压缩比高（具体），一般有四道环槽，上部三道安装气环(Compression ring)，下部安装油环。 2009-2-20活塞头部的作用 Functionsq安装活塞环安装活塞环 q密封作用密封
4、作用 ：与活塞环一起：与活塞环一起密封气缸，密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内防止可燃混合气漏到曲轴箱内 q传热作用传热作用：将将(7080)%的热量通的热量通过活塞环传给气缸壁过活塞环传给气缸壁 2009-2-20活塞头部 Piston Headn设计要点是（加顶部的） 1.具有足够的机械强度和刚度。 2.保证工作温度不过高，温差少。 3.尺寸尽可能紧凑，以减少活塞的重量。（图）2009-2-20活塞头部结构 汽油机一般有三道环槽，q第一道环槽工作条件最恶劣，一般离顶部较远些。其中有两道气环槽和一道油环槽，q在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳
5、。2009-2-20活塞头部第一道环槽设计n环槽磨损对活塞的使用性能影响极大（列出），为了延长活塞的寿命，要特别注意提高第一环槽的耐磨性。 镶耐磨圈镶耐磨圈就是在第一道环槽处（有时包括第二环槽）铸入一个耐磨奥氏体高镍铸铁圈（图）耐磨原理 粘结率85%上n为了解决解决活塞头部裂纹。1.在燃烧室喉口注入耐热护圈（图p27）2.在第一环槽上方车隔热槽，使部分热负荷分流。（图）2009-2-20活塞裙部 Skirtq裙部为 活塞从第一道油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括装活塞销的销座孔(pin hole)；q活塞销座孔加工精度很高？，制作较厚；q卡环 (Circlip)：有些没有销座孔近外端面处
6、有卡环槽，限制活塞销轴向窜动2009-2-20裙部形状(1)预先做成预先做成椭圆形椭圆形 Oval Shapeq如果活塞冷态时裙部为椭圆形，由于如果活塞冷态时裙部为椭圆形，由于热胀冷缩作用，工作时活塞厚端膨胀热胀冷缩作用，工作时活塞厚端膨胀较多，薄端较少，就会有椭圆形变成较多，薄端较少，就会有椭圆形变成一个圆，使活塞与气缸之间圆周间隙一个圆，使活塞与气缸之间圆周间隙相等，发动机就正常工作了。相等，发动机就正常工作了。q椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。正圆。 q裙部的椭圆度一般为裙部的椭圆度一般
7、为0.3-0.5mm 0.3-0.5mm 2009-2-20裙部 Skirt(2)锥形，阶梯形锥形，阶梯形活塞活塞 Taper & Ladder Shape 活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形而做成等，即为圆柱形而做成. . 2009-2-20裙部 Skirt (3)（3）裙部开槽（用于汽油机）裙部开槽（用于汽油机）q横向隔热槽横向隔热槽(Horizontal Slot)：减小活塞
8、裙部的受热量；：减小活塞裙部的受热量；q纵向膨胀槽纵向膨胀槽(Vertical Slot)：补偿裙部受热后的变形量。：补偿裙部受热后的变形量。q纵槽圆孔：防止槽端延伸破裂纵槽圆孔：防止槽端延伸破裂 槽的形状有槽的形状有“T”形或形或“”形槽等形槽等 2009-2-20裙部 Skirt (4) （4 4）裙部开孔）裙部开孔 ，裙部不受侧力部分切除裙部不受侧力部分切除 q减轻重量减轻重量 q减小惯性力减小惯性力 q减小销座附近的热变形量减小销座附近的热变形量(5) (5) 裙部外表面下陷：裙部外表面下陷： 配合间隙配合间隙 拖板式拖板式（Slipper）结构裙部弹性好，质量小，结构裙部弹性好，质量
9、小，活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速汽油活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速汽油发动机。发动机。 2009-2-20活塞表面处理技术n1.裙部镀锡（提高活塞与缸套的磨合性方法厚度）照片n2.裙部涂石墨（有印刷和喷涂两种。初期磨合中减少磨损及拉缸的危险）n3.裙部涂二硫化钼（MOS2）（改善磨合，减少拉缸）n4.电镀硬铁（有效解决冷起动及提高寿命）n5.活塞顶面阳极氧化（提高顶部的耐热性）n6.顶部喷涂陶瓷（与活塞顶面阳极氧化相同，隔热降温效果更好）n7.顶部镀铬（耐热，减少吸热） （图）2009-2-20常用术语n环岸：指活塞环槽二侧外圆表面。图片n火力岸：指活塞顶面至第一道环槽上侧边的一
10、部分外圆表面。n头部：指活塞第一道油环槽下侧边至顶面的一部分。n裙部：指活塞第一道油环槽下侧边至活塞底面面的一部分。n压缩高：指活塞顶面到销孔中心的距离。n配缸间隙：冷态下活塞裙部最大外圆直径与缸套内径的配合间隙n趾口：裙部底面内腔凹台，是用于加工测量定位的。2009-2-20活塞材料及成形工艺 Material & Foundingq材料：铝合金材料：铝合金 Aluminium Alloy; （高级铸铁；高级铸铁； 耐热钢）耐热钢） 密度小；热膨胀系数小；耐磨性好；易散热；好加工等密度小；热膨胀系数小；耐磨性好；易散热；好加工等符合各符合各种特性的材料种特性的材料q成形方法：成形方法：（1
11、1）铸造）铸造(Casting)：强度下降小，成本低；容易出现气孔、缩强度下降小，成本低；容易出现气孔、缩松；松；（2 2）锻造）锻造(Forging)：强度高，导热性好，成本高，用于强化发强度高，导热性好，成本高，用于强化发动机；动机；（3 3）液态模锻：兼有前两者特点，切削少，利用率高，消除铸）液态模锻：兼有前两者特点，切削少，利用率高，消除铸造缺陷，提高毛坯质量造缺陷，提高毛坯质量2009-2-20活塞工作条件 Working Conditions & Requirements活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。 q受热严重，散热条件
12、很差，工作时温度很高，顶部高达受热严重，散热条件很差，工作时温度很高，顶部高达600700K，温度分布很不均匀；，温度分布很不均匀；q顶部承受气体压力很大，作功行程压力最大，汽油机高达顶部承受气体压力很大，作功行程压力最大，汽油机高达3 35MPa5MPa，柴油机高达，柴油机高达6 69MPa9MPa；q高速高速(8(812m/s)12m/s)往复运动，且速度在不断地变化；往复运动，且速度在不断地变化；q产生变形并加速磨损，同时受到燃气的化学腐蚀作用。产生变形并加速磨损，同时受到燃气的化学腐蚀作用。活塞性能要求活塞性能要求q要有足够的刚度和强度，传力可靠；要有足够的刚度和强度，传力可靠； q导
13、热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；q质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。 2009-2-20活塞工艺 Technology (1)镶恒范钢片镶恒范钢片 Invar Insert q减小铝合金活塞裙部的热膨减小铝合金活塞裙部的热膨胀量胀量q恒范钢为含镍恒范钢为含镍33%33%36%36%的低的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的为铝合金的1/101/10镶铸筒形钢片（柴油机）镶铸筒形钢片（柴油机）镶复式钢片镶复式钢片2009-2-20活塞工艺 Technology (2)镶防胀钢圈镶防胀钢圈 Pist
14、on Insertq 特点：膨胀系数低，减少热膨胀特点：膨胀系数低，减少热膨胀; 降低磨损，延长寿命。降低磨损，延长寿命。q材料（膨胀系数与铝合金相近）：材料（膨胀系数与铝合金相近）： 镍奥氏体铸铁镍奥氏体铸铁 高锰奥氏铸铁高锰奥氏铸铁 一道钢圈 Top ring insert二道钢圈 Top & 2nd ring insert耐热钢圈 Heat resistant insert2009-2-20活塞工艺 Technology (3)冷油道冷油道 Oil Cooling Gallery 第一环槽的环形冷却油道使环槽第一环槽的环形冷却油道使环槽温度下降了温度下降了50左右左右。工艺：工艺：q用工
15、业盐作模，成功率不高用工业盐作模，成功率不高q冷油道与钢圈一起铸造，工艺难冷油道与钢圈一起铸造，工艺难油冷活塞 q 振荡冷却q 喷油冷却2009-2-20活塞试验考核方法性能试验n机油消耗量测试 n活塞漏气试验n活塞防拉缸试验可靠性试验全速全负荷和超速超负荷可靠性试验热冲击试验2009-2-20活塞技术标准和检验方法n技术标准在国内有两种： 1）国标：GB114882内燃机铝活塞技术条件和GB350883内燃机铸造活塞晶相检验标准 2）工业部部标：JB3931_85 汽车，摩托车铸造铝活塞技术条件和JB393285汽车，摩托车铸造铝活塞晶相表准标准包括：1.材料常温抗拉强度（经热处理后） 2.活塞硬度3.活塞直径尺寸的热稳定性4.活塞的晶相组织5.铸造表面缺陷6.加工表面缺陷7.加工表面粗糙度8.活塞裙部圆周壁厚差应符合一定地标准2009-2-202009-2-20
