第八章活塞组设计介绍课件

第八章活塞组设计介绍2006-3-27内燃机设计第三章第八章活塞组设计介绍2006-3-27内燃机设计第三章12006-3-27内燃机设计第三章第一节活塞设计一、活塞组的工作条件

1、承压：汽油机4～6MPa

柴油机6～9MPa

增压柴油机15MPa2006-3-27内燃机设计第三章第一节活塞设计一、活塞22006-3-27内燃机设计第三章活塞组的工作条件（续）2、高温：活塞最高燃烧温度达2000℃左右，循环平均有效传热温度也在800℃左右。2006-3-27内燃机设计第三章活塞组的工作条件（续）2、32006-3-27内燃机设计第三章活塞组的工作条件（续）3、密封（形成燃烧空间）4、导向（进行往复运动）5、轻巧（降低往复惯性力）2006-3-27内燃机设计第三章活塞组的工作条件（续）3、42006-3-27内燃机设计第三章第二节活塞的结构设计与材料活塞结构尺寸如图所示。中高速内燃机最常用的是整体铸造或锻造的铝合金活塞。关键尺寸有：总高度H

压缩高度H1

裙部长度H2

火力岸高度h

活塞销直径d2006-3-27内燃机设计第三章第二节活塞的结构设计与材52006-3-27内燃机设计第三章活塞的主要尺寸比例尺寸比例汽油机柴油机H1/D0.35～0.600.50～0.80H/D0.60～1.00.90～1.40H2/D0.40～0.800.50～0.90h/D0.04～0.100.12～0.20d/D0.22～0.300.30～0.402006-3-27内燃机设计第三章活塞的主要尺寸比例尺寸比例62006-3-27内燃机设计第三章活塞的结构设计与材料（续）汽油机的机械负荷和热负荷均较低，所以比柴油机活塞更加轻巧。柴油机活塞结构设计的重要参数是单位活塞面积功率。统计资料如下：（kw/cm2）活塞结构≤0.2无冷却整体式铝合金活塞0.2～0.3喷油冷却整体式铝合金活塞>0.3头部设冷却油腔整体式铝合金活塞2006-3-27内燃机设计第三章活塞的结构设计与材料（续）72006-3-27内燃机设计第三章活塞的结构型式与材料（续）缸径较大的柴油机常采用组合活塞：头部：钢或合金铸铁裙部：铝合金螺栓连接新型结构：活塞销铰接的组合活塞。2006-3-27内燃机设计第三章活塞的结构型式与材料（续）82006-3-27内燃机设计第三章新型结构：活塞销铰接的组合活塞。2006-3-27内燃机设计第三章新型结构：活塞销铰接的组合92006-3-27内燃机设计第三章活塞材料活塞材料：应有小的密度、足够的高温强度、高的导热率、低的线胀系数以及良好的摩擦性能（减摩性和耐磨性）。活塞常用铝合金。共晶铝硅合金：含11％～13％硅，工艺性好、成本低、综合性能满意，应用最广泛。过共晶铝硅合金：含17％～19％硅，耐热、耐磨、线胀系数小，但工艺性变差。用于高热负荷的强化柴油机中。2006-3-27内燃机设计第三章活塞材料活塞材料：应有小102006-3-27内燃机设计第三章活塞制造工艺活塞制造工艺：都为铸造。重力铸造→挤压（200Mpa）铸造。2006-3-27内燃机设计第三章活塞制造工艺活塞制造工艺：112006-3-27内燃机设计第三章第三节活塞的传热和耐热设计活塞热流：活塞顶→活塞环→气缸→冷却介质活塞顶→活塞内壁→曲轴箱活塞顶→活塞裙部→气缸→冷却介质2006-3-27内燃机设计第三章第三节活塞的传热和耐热设122006-3-27内燃机设计第三章1、活塞顶活塞顶受热面积要尽量小，但由于组织燃烧的需要往往在活塞顶部设有凹坑。提高活塞顶耐热性的措施：◎阳极氧化处理◎顶面喷涂陶瓷（图11－6a）◎与第一道活塞环槽镶圈连在一起的燃烧室喉口护圈结构（图11－6b）◎整个活塞顶和环区镶入铬钼钢防护层的结构（图11－6c）2006-3-27内燃机设计第三章1、活塞顶活塞顶受热面积132006-3-27内燃机设计第三章活塞顶（续）◎用陶瓷强化铝合金复合材料强化环槽和燃烧室缩口（图11－7）2006-3-27内燃机设计第三章活塞顶（续）◎用陶瓷强化铝142006-3-27内燃机设计第三章2、活塞头部断面汽油机活塞头部壁厚在满足强度条件下尽量要薄。柴油机活塞头部断面为了传热做得相当厚实，从顶部到环带有很大的过渡圆角R（图11－3a）。2006-3-27内燃机设计第三章2、活塞头部断面汽油机活152006-3-27内燃机设计第三章3、火力岸高度一般经过第一道环的热流量最大。h↗→活塞温度↗h↘→第一环温度↗h要适当第一环的温度不应超过240℃。2006-3-27内燃机设计第三章3、火力岸高度一般经过第一162006-3-27内燃机设计第三章4、喷油冷却 >0.2kw/cm2时，应喷油冷却。喷油方式：（1）连杆→连杆小头喷油（2）机体内壁上喷油2006-3-27内燃机设计第三章4、喷油冷却 >0.2kw172006-3-27内燃机设计第三章喷油冷却（续）喷油冷却＋活塞环带钻有4个冷却孔，冷却效果显著。2006-3-27内燃机设计第三章喷油冷却（续）喷油冷却＋活182006-3-27内燃机设计第三章5、冷却油腔 >0.3kw/cm2时，加冷却油腔。2006-3-27内燃机设计第三章5、冷却油腔 >0.3kw192006-3-27内燃机设计第三章冷却油腔（续）最近开发了一种中空环槽镶圈的活塞，活塞冷却效果更好。使第一环槽的温度下降了25℃以上。2006-3-27内燃机设计第三章冷却油腔（续）最近开发了一202006-3-27内燃机设计第三章第四节活塞的传力设计和活塞销活塞销与活塞销座之间、活塞销与连杆小头衬套之间的表面比压是内燃机所有零件中最高的。且相对运动速度低，油膜不易形成。要保证它们可靠的液体润滑，配合副的工作间隙要尽可能小。为了保证热态时的间隙，冷态为过盈配合。2006-3-27内燃机设计第三章第四节活塞的传力设计和活212006-3-27内燃机设计第三章活塞的传力设计和活塞销（续）对气压力负荷很高的柴油机来说，结构上应考虑消除应力集中的措施。如图11－10所示。2006-3-27内燃机设计第三章活塞的传力设计和活塞销（续222006-3-27内燃机设计第三章活塞的传力设计和活塞销（续）活塞销采用空心管状结构，高强度钢、表面淬火、高精度磨光。在强化内燃机中，销座孔中加工卸荷槽（图11－11）。2006-3-27内燃机设计第三章活塞的传力设计和活塞销（续232006-3-27内燃机设计第三章活塞的传力设计和活塞销（续）增压柴油机中，采用斜切的或阶梯形的销座（图11－12）。2006-3-27内燃机设计第三章活塞的传力设计和活塞销（续242006-3-27内燃机设计第三章活塞销2006-3-27内燃机设计第三章活塞销252006-3-27内燃机设计第三章第五节活塞的导向设计导向设计原则：配合间隙要小，间隙变化要小，H2要有足够长度。以滑块的润滑理论来确定裙部尺寸。活塞裙部横断面外形呈椭圆形，长轴与活塞销轴线垂直。（图）裙部铸入钢片，使配合间隙减小。2006-3-27内燃机设计第三章第五节活塞的导向设计导向262006-3-27内燃机设计第三章活塞的导向设计（续）对有的汽油机活塞，在垂直活塞销轴线方向的油环槽底部开绝热槽。2006-3-27内燃机设计第三章活塞的导向设计（续）对有的272006-3-27内燃机设计第三章第六节活塞的密封设计与活塞环设计目标：既要防止气体泄漏，又要润滑刮油。一般要求漏气量≤0.5%机油消耗量不超过燃油消耗量的0.5%1、活塞环的密封作用机理（已在内燃机构造课程中介绍了）2、活塞环的断面形状2006-3-27内燃机设计第三章第六节活塞的密封设计与活282006-3-27内燃机设计第三章活塞的密封设计与活塞环（续）矩形环（图11－18a）（第一环）、桶面环（图11－18b）、锥面环（图11－18c）（第二、三环）、梯形环（图11－18d）（第一环）、扭曲环（图11－18e）（第二、三环）、反扭曲环（图11－18f）。2006-3-27内燃机设计第三章活塞的密封设计与活塞环（续292006-3-27内燃机设计第三章3、活塞环的尺寸参数在保证密封的前提下，环数应越少越好。环数↘H1↘摩擦功↘尺寸参数：

b：轴向高度

t：径向厚度

S0：自由状态开口端距一般来说，b在2～3mm之间，最小极限为1.5mm。D/t=23～25。S0/t=3.5～3.72006-3-27内燃机设计第三章3、活塞环的尺寸参数在保证302006-3-27内燃机设计第三章4、活塞环的径向压力分布（1）均匀分布（图11－19a）（2）梨形分布（图11－19b）2006-3-27内燃机设计第三章4、活塞环的径向压力分布（312006-3-27内燃机设计第三章5、油环设计（1）单体铸铁油环（2）螺旋衬簧油环（3）钢片组合式油环2006-3-27内燃机设计第三章5、油环设计（1）单体铸铁322006-3-27内燃机设计第三章6、活塞环的材料要求活塞环材料耐磨、热稳定性好。一般采用合金铸铁，如铬钼、铬钼铜、钨、铬钼钨、钨钒钛、硼钒钛等。各零件损坏形式2006-3-27内燃机设计第三章6、活塞环的材料要求活塞环332006-3-27内燃机设计第三章顶烧穿原出：①点火过年或爆震；②非正常燃烧；⑦燃烧压力过大2006-3-27内燃机设计第三章顶烧穿原出：①点火过年或爆342006-3-27内燃机设计第三章环区过热烧伤或拉伤原因：１、燃烧温度过高或冷却不足而出现局部热点使金属粘结在缸缸壁上；2、缺油；３、活塞环槽与环的配备间隙过小。2006-3-27内燃机设计第三章环区过热烧伤或拉伤原因：１352006-3-27内燃机设计第三章环岸损坏原因：１、活寒环折断使环岸损坏；２、环与环槽间隙过