发动机活塞的设计概要

发动机活塞的设计一、活塞的工作条件和基本要求（一)、工作条件1、活塞的机械负荷P=πD2(Pz－1)x10-1/4(N)往复惯性应力：Pjmax=Grω2（1＋λ）（N）2、活塞的热负荷A、传导产生的热负荷：在内燃机工作过程中，活塞顶直接与燃气接触，燃气的最高温度一般达到2000℃左右。B、能量转换：活塞与缸孔摩擦生成的热。（二）、基本要求1、结构要求合适的壁厚和合理的形状，保证足够的强度和刚度前提下，结构简单、轻巧，截面变化要圆滑，减少应力集中，采用强度好、比重小的材料，头部和裙部采用适当的处理方式。2、材料要求活塞需要一定的强度和硬度，共晶铝活塞常温下抗拉强度不小于196Mpa，300℃温度抗拉强度83Mpa，硬度：90～130HBS3、活塞的材料种类铝合金、铸铁、钢4、铝活塞的成形方法锻造、铸造和液态模锻（三）、活塞的基本构造和满足的要求1、基本构造：顶部、头部和裙部三部分2、设计要求：低摩擦、低重量、低排放、低噪声、抗磨损、高寿命3、试验要求：开裂试验、拉缸试验、可靠性试验、高温疲劳试验、体积稳定性试验等二、活塞的几何设计（一）、活塞顶部设计：1、顶部形状活塞顶部的形状与选用取决于燃烧室的形状、进排气门和压缩比有关。一般来说，非缸内直喷汽油机活塞大部分选取平顶活塞2、顶部热量分布方式3、设计要点减轻活塞组的热负荷和应力集中，力求受热面积最小、加工最简单，表面光洁，无尖角和应力集中现象出现。4、顶部最小厚度：汽油机δ＝（0.06～0.1）D，柴油机δ＝（0.1～0.2）D为了提高活塞顶部的刚度和强度，增大散热面积，常常增加各种形状的肋条（在活塞背面增加方格形、横形和直肋条）5、顶部的处理方式：阳极氧化、喷镀陶瓷、重熔淬火（二）、活塞头部的设计1、活塞头部的作用①承受气体压力，并传给连杆；②与活塞环一起实现气缸的密封；③将活塞顶部所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。2、活塞头部的结构形式整体式、装配式、焊接式3、设计要求（1）、保证有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大的变形（2）、保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环正常工作提供良好的条件，避免顶部疲劳开裂。（3）、头部不与缸壁直接接触，否则会产生粘结磨损，形成拉缸，活塞头部一般是几段阶梯扁圆柱面，也可以是连续的锥面（4）、尺寸尽可能紧凑火力岸的高度：A、一般汽油机（0.06～0.08）D，柴油机（0.15～0.25）D，一般确保第一道环的工作温度不超过225为原则，否则机油碳化，产生积碳，容易造成机油变质，积碳与活塞环一起，造成拉缸。B、活塞在上止点时，缸体水套腔的高度不得低于第一道气环所处的高度。5、头部到环岸的设计活塞头部传来的热量主要靠活塞环与缸壁接触带走，因此，为了减轻第一环槽的热负荷，活塞顶到环岸的设计应按照热流路线设计，即活塞顶部厚度应从中间向四周逐渐加大，内腔过渡圆角应足够大，使活塞顶吸收的热量顺利地被导致第二、三环，减轻第一环的热负荷，降低第一环的最高温度。6、隔热槽的添置发动机活塞在第一道环槽上面切出较环槽窄的隔热槽，其作用是隔断从活塞顶部流下来的部分热流通路，迫使热流方向转折，把原来应由第一道活塞环散走的热量，分散给第二、第三环，以消除第一环过热后产生积碳和卡死在环槽中的可能性。（三）、活塞头部的环槽和环岸的设计1、环槽断面和环高的配合间隙A、侧隙：（第一道环0.05～0.1，第二、三道环0.03～0.07）372第一、二道环与活塞的侧隙是0.03～0.06，油环是0.02～0.19，477发动机第一道环是0.04～0.08，二道环0.025～0.07B、背隙活塞环的背隙比较大，避免环和环槽底部干涉，一般来说，气环背隙是0.5mm左右，油环相对大一点。372活塞环的背隙，第一道环0.9～1.175，第二道气环0.65～0.925，油环0.3～0.665，477第一道气环背隙是0.25～0.552、环槽底面的设计环槽底部的形状对于环和环槽工作的可靠性和耐久性十分重要，若环槽底部的过渡圆角小，就会形成应力集中，产生疲劳裂纹。若圆角过大，妨碍活塞环自由缩进槽底，槽底圆角半径取0.2～0.5mm。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，是被油环从气缸壁上刮下来的多余机油，得以经过这些小孔流回油底壳3、活塞环岸的设计A、工艺性设计活塞环岸必须有适当的倒角，否则环岸与缸壁出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因。B、尺寸设计C1=(1.5～2.5)b1C2＝（1～2)b1如372发动机C1为3.1，C2为2.25，目前一般状况，大多数汽油发动机b1=b2，一般是1.2mm,但目前高水平的企业，b2可以做成1.0mm3、减压腔的设计把油环紧邻气环间的环岸设计成直径小于1mm左右，形成“减压腔”，使刮下的机油减压并形成泄油分配腔，降低机油消耗。如372发动机图中71尺寸4、活塞环槽增强方法活塞环槽的磨损常常是限制活塞使用寿命的一个重要因素，为了保护和加强活塞环槽，可在铝合金活塞环槽部位注入由耐热合金钢制造的环槽护圈。（四）、活塞裙部功能及设计要求：1、裙部功能：与气缸直接接触、高速滑动、承受侧压力2、裙部受力情况分析3、设计要求设计要求：良好的导向、足够的实际承压面积、形成足够厚的润滑油膜、满足不同工况下与气缸间有合适的间隙。裙部长度影响活塞运行中摩擦损失、噪声和耐磨性，太短，单位面积压力超过许用值，活塞运动时倾斜角度大，磨损加剧，噪声大。4、裙部形状设计要求A、裙部纵向截面呈桶形，其轮廓线为一抛物线，故亦称抛物线形裙部。这种裙部不仅适应活塞的温度分布。而且裙部与承受侧压力的一边的缸壁之间容易形成双向“油楔”，活塞无论向上或向下运动时，都能保证裙部有良好的润滑及较高的承载能力。B、裙部纵向形线为中凸形，凸点偏下方，对于汽油发动机来说，最大配缸间隙不超过0.1%*D。裙部横向为变修正椭圆设计，椭圆度自上而下逐渐减小，修正系数一般为－0.10。椭圆公式：△R=G/4×[(1-cos2α)＋β(1-cos4α)]，一般活塞头部椭圆度0.05～0.1，中部取0.4～0.85、裙部表面处理和加工要求A、表面处理方式：在我们国内常见的处理方式是：磷化、镀锡、印刷石墨，在国外还用了许多先进的处理方式B、表面加工要求裙部一般加工对粗糙度和表面波纹进行控制6、裙部的膨胀控制横向隔热槽和纵向补偿槽、椭圆裙、镶钢片为了减少铝活塞裙部的热膨胀量，有的汽油机活塞在活塞销座中镶有热膨胀系数低的“恒范钢片”（含镍33%～36%，线膨胀系数约为铸铝合金的1/10）以牵制裙部的热膨胀三、活塞的失效形式活塞常见的失效形式：顶部裂纹和烧顶、拉伤、环槽的过度磨损和环槽的断裂、销座出现裂纹四、活塞的冷却方式喷射冷却、振荡冷却和循环冷却谢谢大家