第六章 活塞组设计

第六章活塞组设计1 机械负荷以缸径100的高速柴油机为例 若爆发压力为80bar时 活塞承受的最大压力约为6吨 最大往复惯性力约为1吨 一 活塞组工作条件 2 热负荷现代发动机的缸内瞬时高温可达2000 2500 为保证活塞工作可靠 通常应限制各部位温度 活塞顶温度 中大缸径中速柴油机铸铁活塞 400 450 中大缸径中速柴油机铝合金活塞 400 高速机铝合金活塞 300 350 第一环槽温度 200 225 润滑油结焦温度 销座温度限制在 170 200 左右 二 活塞组设计要求1 选用热强度好 耐疲劳 高温屈服点高 耐磨 密度小 热膨胀系数小 导热性好 工艺良好的材料 2 活塞有合理的形状和壁厚 使散热良好 强度刚度符合要求 尽量减轻质量 避免应力集中 3 在不增加活塞组的摩擦损失的情况下 保证燃烧室密封性好 窜气 窜油少 在降低机油耗条件下 保证滑动面上有足够的润滑油 4 不同工况下能保持活塞与缸套的最佳配合 减轻活塞敲击和缸套振动 6 1活塞设计1 活塞顶2 顶岸3 环带4 裙部5 加强筋6 第一环岸7 活塞销座 1 活塞环侧隙 2 活塞环背隙活塞各部位名称 一 活塞头部设计 1 顶岸高度h1 对于非冷却活塞 整个活塞环传热占活塞总吸热量70 80 左右 其中第一环传热占活塞总吸热量的25 30 占大部分 活塞本身占10 20 机油10 左右 因此顶岸高度h1应保证活塞在上止点时第一环位于水套的冷却水腔位置 2 环带高度h2 由环的数量 环高 环槽肩高决定 加强第一环槽的措施 1 降低热负荷 减少热流量 活塞顶喷涂绝热陶瓷 设置隔热槽等 改善传热 活塞内腔采用大圆角 适当减小活塞头部与缸孔间间隙 为此有时要在头部加工细槽以防结焦 拉缸 加强冷却 喷油冷却等 2 提高耐磨性和强度 采用纤维增强金属 Fiber ReinforcedMetal FRM 复合材料活塞 第一环槽镶耐磨镶圈等措施 3 上裙高度h3 应使环槽位置尽量处于活塞销座外径的上方 以避免开有环槽而削弱销座强度 同时也避免在壁厚不均匀区开设环槽 引起环槽不均匀变形 影响环的正常工作 二 活塞裙部设计1 裙部高度H2由两部分构成h3 h4 裙部高度需考虑以下因素 1 活塞侧压力对裙部比压的要求 2 裙部尺寸分配对活塞工作的影响 活塞的摆动 磨损 3 总体布置的要求 活塞在下止点时油环是否脱落出气缸孔 曲轴平衡块是否与裙部相碰 连杆在最大摆角时是否与裙部相碰等 2 裙部形状 可以看出 为保证使用性能 活塞应头部小 裙部大 裙部应设计成桶形型面 且其截面应为椭圆形 平行于活塞销座方向为椭圆短轴 为保证活塞与气缸间的间隙在发动机的各种工况下都比较理想 通常还需采取如下措施控制裙部膨胀 在活塞承压面侧油环环槽处开横向绝热槽 减少来自活塞顶部的传热 镶铸热膨胀系数小的材料以减小销座处的热膨胀 尤其是垂直于销轴方向的膨胀 三 活塞销座 活塞销座设计应注意减小销座的尖峰负荷和应力集中 常用措施有 1 减小活塞销的弹性变形 增加其刚性 采用斜形销座结构 2 采用弹性销座结构 采用双斜加强筋结构 3 销孔的形状 孔口倒角或倒圆 适当加大销与销孔的配合间隙 或采用由外向内逐步扩大的锥孔以适应弯曲变形时保持良好配合间隙的要求 一 气体的密封 6 2活塞的密封与活塞环 气环的径向弹力 0 1 0 2MPa油环径向弹力 单体环0 15 0 3MPa带波形板式衬簧0 6 0 8MPa带螺旋衬簧 0 8MPa 二 活塞环的作用与设计要求1 活塞环的作用 保证活塞与气缸壁间的有效密封 冷却散热 非冷却活塞经活塞环散热量占活塞全部吸收热量的60 70 导向 刮油 布油2 活塞环设计要求 密封性好保证活塞与气缸壁间的有效密封 磨合性好磨合时间短 磨合期磨损量尽可能小 对机油有较好的控制调节能力 有良好的抗磨 减摩性能有较强的抗熔着磨损能力和抗结焦能力 有效防止拉缸 摩擦损失小 三 气环结构1 气环断面形状 矩形环早期内燃机使用 工艺简单 但磨合性能差 活塞晃动时会向上泵油 使机油耗上升 并造成燃烧室积碳 现在汽油机上用的矩形环为开槽环 如图a所示 有的大功率柴油机上用的矩形环则采用了喷钼 镶铜等措施改善磨合性能 如图b c所示 用于第一道环 在高强载度发动机上很少应用 桶面环上下行都能形成润滑油膜 润滑良好 磨损减少 在短活塞发动机上对活塞摇晃的适应性好 无棱缘负荷 与气缸接触面小 对缸套适应性好 密封性提高 磨合性好 强载度大的发动机普遍采用 作为第一道环 梯形环两侧面成15 顶角 工作时间隙变化 有利于机油更新 抗胶粘能力特别好 用于高热负荷发动机 高强载发动机采用时也把侧面做成桶面 用于第一道气环 半梯形环 单面梯形环 木契形环 上侧面加工成7 的斜面 工作时产生正扭曲 可改善磨合性能 降低机油耗L形环扭曲较大 主要用于二冲程汽油机 环向上移使狭隙容积减小 可改善排放 活塞顶至环的热流出路短 能使活塞的温度下降 环弹力较小 主要利用燃气背压密封 摩擦损失小 锥面环锥面锥度在30 1 30 之间 克服了矩形环磨合期长的缺点 活塞上行时容易形成油膜 活塞下行时能起刮油作用 锥角过大会降低二次密封效果 影响密封 且串油严重 一般用于第二 三道环 在有的汽油机上用于第一道环时表面镀铬 正扭曲环在断面的上内侧或下外侧切口使断面形状不对称 使用时产生碟状的正扭曲 最大扭转角一般不超过1 磨合性好 密封性改善 下行时刮油能力好 下外侧切成鼻形 刮油能力更好 一般用做第二 三道气环 桶面正扭曲环也可以用作第一道环 反扭曲环在断面的上外侧或下内侧倒角 使断面不对称 使用时产生盖形反扭曲 扭转角在15 60 左右 锥面锥角在1 以上 一般在5 10 之间 优点同正扭曲环 但防串油能力差 一般用于油环上面的那道气环 注 凡是断面形状不对称的环 都有方向性 装配时都不能装反 2 气环的切口 3 气环参数选择 径向厚度t 影响径向平均压力 环的应力 一般为 1 22 1 30 D 自由开口尺寸S0 影响安装应力 工作应力的相对大小 一般S0 2 5 3 5 t 安装时的开口间隙为8t 工作时开口间隙S 应保证活塞环 缸套在工作状态下受热膨胀时不发生干涉 室温下S 1 200 1 250 D 环高h 在确保密封 散热的情况下尽量小 可以较好适应气缸不均匀磨损与变形 克服棱缘磨损 活塞环的惯性力小 可减轻对环槽的冲击 以及环在环槽内悬浮状态下的漏气 减小径向力 减小与气缸的接触面积 降低摩擦损失 改善磨合性能 一般h 1 30 1 60 D 径向压力分布 有高点环 均压环 低点环三种 如图所示 均压环使用过程中磨损后 环周压力分布会发生变化 在开口两侧约30 范围内呈现压力降低 漏光现象 影响密封性 为此高速内燃机应采用压力分布呈梨形的高点环 二冲程内燃机采用不定位活塞环时 为避免环端弹入气口使环折断均用压力分布呈苹果形的低点环 某些强化四冲程柴油机为克服环开口处压力过高所造成的拉缸问题 也用低点环 四 油环结构 1 普通单体油环 2 加衬簧的油环 与单体式油环相比 借助弹簧的弹力来提高径向压力 提