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活塞组第一节 活塞组的工作情况与设计要求工作情况：1、承受很大的机械负荷机械负荷包括：气体压力、惯性力和侧作用力。近代内燃机中，汽油机的最大气体作用力约为36Mpa，非增压柴油机值约为69Mpa，增压内燃机值则为1315Mpa。车用内燃机活塞平均速度可高达913m/s。在内燃机的速燃期，其压力升高率可达0.60.8Mpa/()。由于机械负荷的作用，活塞各部位产生了各种不同的应力：活塞顶部有动态弯曲应力；销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲和剪切应力。此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。2、承受很高的热负荷在内燃机工作过程中，燃气最高温度可达2000左右。活塞还承受一些摩擦生成的热。活塞向气缸壁的散热条件非常不利。活塞温度状况相关联因素：内燃机类型、功率大小、燃烧系统、活塞的机构形式及所采用的材料等。平顶活塞的最高温度在顶部中心，带有燃烧室的活塞最高温度则沿着燃烧室边缘分布。活塞顶至裙部有很大的温度梯度。由于受热不均匀，还会引起活塞的变形并产生很大的热应力。铝合金活塞温度超过200时，强度急剧下降，如果超过380400时，则工作可靠性不能保证。一般当第一环区的温度低于200时，即使在连续运转的情况下，也不曾发现机油炭化；超过200时，则温度每增加10，炭化的趋势成倍增加；超过240或250时，即使运转时间很短，也会出现大量积炭或甚至第一道环被粘结。经研究指出，第一环槽温度不应高于225。 活塞的热负荷取决于结构、材料及使用因素。影响活塞温度分布最主要的结构因素有：活塞直径、活塞顶厚度及环带部分的壁厚。最主要的使用因素有：活塞单位面积的输出功率与用机油冷却时的机油温度。此外，还有：燃烧室设计、燃烧效率、气门开启重叠角、喷油正时、过量空气系数、气缸盖和气缸体的冷却情况等。3、强烈的磨损活塞组经常出现的故障有：第一段环岸断裂，严重时甚至整圈脱落；环槽、销座及裙部的磨损；销座内上侧出现裂纹及燃烧室边缘处被烧蚀。活塞组设计要求：1.保证足够强度与刚度的条件下具有最小的重量；2.具有良好的密封性；3.受热少又便有散热；4.最小的磨损。第二节 活塞结构设计1、基本结构及类型1.活塞高度 顶岸高度、环岸高度、裙部高度之和；尽可能小，遮掩可以减小往复运动质量并降低内燃机的高度。2.压缩高度 压缩高度决定了活塞销的位置，是顶岸高度、环岸高度、上裙高度之和。在保证气环有较好的工作条件下，应该尽量缩短压缩高度的值，利于高度降低。压缩高度在制造时必须保证很高的精度，对压缩比有直接的影响。3.顶岸高度 顶岸高度确定了第一道环的位置。顶岸高度应在保证第一环工作工作温度不超过允许极限（180220）。的4.环带高度 环岸高度取决于活塞环数、环高及环岸高度。环岸高度主要根据机械强度来确定。第一环岸由于气体压力较大而工作温度又高，其高度可稍大于其他环岸。活塞材料：铝合金、铸铁（一般铸铁和球墨铸铁）、组合活塞（钢顶铝裙或铁顶铝裙）。活塞结构：整体活塞、组合活塞。冷却方式的不同：不冷却、喷油冷却、具有内冷油腔的活塞。压缩比：不变压缩比、可变压缩比。活塞主要尺寸名称符号相对结构参数值柴油机汽油机活塞高度0.81.30.91.1压缩高度0.50.80.450.6裙部高度0.40.8顶岸高度0.10.20.060.08上裙部高0.30.4下裙部高0.60.70.650.8销孔直径0.30.380.250.3第一环岸高0.040.080.030.04其他环岸高0.0250.0450.0250.03销座间距离0.350.420.350.402、活塞材料与成型工艺根据活塞的工作情况，活塞的材料应满足如下要求1. 材料密度小，以减小活塞的往复惯性力2. 导热系数大，以减低活塞顶的温度3. 线膨胀系数小，以减小活塞的变形4. 在高温下材料能保持足够的强度5. 具有良好的减磨性、耐磨性和耐蚀性6. 公益性好铝合金活塞的主要优点是密度小，导热系数大，摩擦系数低。这可使内燃机转速增高，活塞温度降低，活塞和气缸之间的摩擦减小。铝合金活塞可分为铝铜合金和铝硅合金（主导地位）。我国目前以共晶铝硅合金为活塞的主要材料。按毛胚加工方法，铝合金活塞可分为铸造和锻造两种。锻造活塞的性能要优于铸造活塞，但活塞结构不能复杂。铸造活塞可以按最佳方案进行设计，结构可复杂。二冲程柴油机由于热负荷的原因仍然多采用铸铁活塞。3、活塞头部活塞头部包括顶部和环带部两部分。活塞顶部的形状主要取决于燃烧室的形式，活塞顶的内部大多数不加筋条。活塞顶的厚度是根据强度、刚度及散热条件来确定的，由于值越大，顶部热应力也越大，因此在满足强度要求的条件下，尽量使值取得小些。铝活塞的值：汽油机0.060.10D，柴油机为0.10.2D。铸铁活塞的值约为0.060.08D。在某些高热负荷的柴油机上，在燃烧室边缘处采用耐热钢。对于非增压柴油机来说，活塞组吸收的热量约占供入内燃机总热量的24%，这部分热量的散发主要通过环带部（6075%）和裙部（2030%），仅有少部分（510%）通过活塞内腔由飞溅的机油带走。第一道环的热负荷高，强度降低，机油炭化，造成积碳，并使环槽严重磨损。应对措施有：1. 保证活塞在上止点时，第一环的位置处于冷却水套之中。2. 将第一道环安排在活塞顶厚度一下3. 在第一环槽之上开一个槽（隔热槽），目的在于改变活塞顶到第一环槽之间的热流形式，减低第一环槽的温度，缺点在于活塞温度过高时，槽内容易积碳，失去隔热作用。4. 减小顶岸与缸套之间的间隙，减小气流流往第一环槽的流通面积，降低第一环槽处的温度。5. 在铝活塞环槽处加镶块。6. 在活塞顶部采用等离子喷镀陶瓷，可起到耐高温、防腐蚀和减小吸热的作用。7. 在活塞顶部进行硬模阳极氧化处理，可提高活塞顶面耐热性及其硬度，并增加热阻，使顶部降温。活塞环带的高度取决于气环和油环的数目以及各环槽和环岸的高度。活塞环数取决于密封的要求，与内燃机的气体压力和转速有关。漏气量随着气体压力和气缸直径的增大而增加，随内燃机转速的提高而减少，因此高速内燃机的环数比低速内燃机少，汽油机比柴油机少。环岸的高度主要取决于机械强度。提高活塞环槽的加工质量和正确选择环与环槽的侧隙对于环槽与环的可靠性与耐久性十分重要。过大会加剧冲击，过小易粘结而失去密封作用。在热负荷和机械负荷都很高的柴油机中，为保证有较好的抗粘结性，第一道环侧隙增大到0.10.2mm，其余环的侧隙约为0.040.13mm。活塞环与环槽的背隙一般较大，以免与槽底圆角干涉，可取0.5mm。4、活塞销座活塞销座与活塞销是一对摩擦副。活塞销座承受周期变化的气体作用力与活塞销座以上部分的往复惯性力的作用，这些力都带有冲击性；活塞销由于连杆小头的制约，其转动角度很小，很难形成油膜，所以润滑条件较差。在膨胀冲程中，活塞顶上作用着气体作用力，活塞同样受到活塞销的反作用力，从而导致活塞变形，在活塞销孔内侧处产生很大的楞缘负荷，导致销座开裂。具体措施有：1. 在销座与顶部连接处设置加强筋，这可提高销座的刚度。双筋比单筋情况要好。2. 将销座内缘加工成圆角或倒棱，或将销座内侧上部加工出一个弹性凹槽。这些措施都能减轻销座的楞缘负荷。3. 将销孔中心相对销座外圆向下偏心34mm，使销座的厚度上面比下面大些，以加强销座承压能力。4. 此外，可缩小销座间距，以减小活塞销的弯曲。销孔外圆直径一般取=1.41.6.5、活塞裙部活塞裙部起导向作用，裙部将侧作用力传给气缸壁，磨损比较严重。在裙部设计时必须尽量满足以下的要求：具有足够的承压面积，以减小比压，保证形成油膜；保证裙部在工作时具有正确的圆柱形状，并保持与气缸之间的最小间隙；正确安排销孔位置，防止活塞在气缸内倾斜。6、活塞与气缸壁之间的间隙活塞与气缸壁之间的间隙大小影响到机油的消耗量、噪声、漏气量、活塞与气缸壁的磨损和活塞的冷却。选定的间隙应使活塞在热状态下与气缸壁具有最小的间隙，过大会发生敲缸，过小则会抱死。7、活塞的冷却与组合活塞一般认为，当活塞单位面积功率达到0.24时，活塞必须采取专门的冷却方式。冷却方式可分为两大类：自由喷射冷却与具有内冷油腔的强制冷却。通常可根据活塞需要带走的热量和所要求的温度降低值来确定冷却方式和机油流量。当活塞单位面积功率进一步达到0.44时，或缸径较大采用自由喷射冷却已不能满足要求时，就必须采用具有内冷油腔的强制冷却了。内冷油腔成型方法有：铜管腐蚀法、可溶性盐芯法（广泛使用）和电子焊接法等。对于高速柴油机来说，振荡冷却的效果要比其他方式好。必须指出，冷却活塞成本高，而且降低内燃机有用功，只有在非冷却不足以保证工作可靠性时才采用，而且必须冷却适度。8、可变压缩比活塞第三节 活塞计算以经验设计计算活塞时，一般只计算第一环岸的强度、裙部及销座的单位压力。1、第一环岸第一环岸主要计算在最大气体爆发压力时的剪切与弯曲强度。当活塞顶承受最大的气体压力时，通过第一道环作用在第一环岸上面的气体作用力可取为，环岸下面的气体压力可取为。一般情况下，可取环槽深，则。为环岸厚度。此时槽岸根部所受弯矩为：其抗弯端面系数为： 此时环岸根部弯曲应力为： 环岸根部的剪切应力为： 根据第三强度理论，其合成应力为： 该合成应力不应超过许用应力。许用应力的大小与活塞材料有关，一般范围是：铝合金3040；铸铁6080；钢100150。2、活塞裙部比压活塞裙部比压对活塞和气缸的寿命有很大影响，一般用下式计算，即： 式中是最大侧作用力，由动力计算得出，近似可取大气压力的8%12%，单位为。 一般内燃机活塞裙部比压的值为0.51.5；强化内燃机、锻铝活塞裙部值可达2.3、活塞销座比压活塞销座比压按下式计算，即： 式中最大气体作用力，活塞与活塞环最大往复惯性力，活塞单边支撑活塞销的长度的许用值：一般内燃机为1535；强化内燃机为4060。第四节 活塞销1、结构与尺寸活塞销上作用着很大的气体作用力和往复惯性力，这些载荷的大小和方向都呈周期性变化，并带有冲击性。而且活塞销与销座之间摆动角度很小，难以达到完全的液体润滑，这使它磨损较大。活塞销设计时应注意满足如下的要求：1.在保证足够的强度和刚度的情况下具有最小的质量；2.外表面耐磨，而内表面冲击韧性好；3.足够的承压面积。目前一般取活塞销外径；内外径之比；活塞销长度一般取。2、材料与强化工艺选用优质渗碳钢加以适当的热处理便可满足要求。一般活塞销材料为20、15CrA或20Mn2钢；在强化内燃机上，可采用强化钢。活塞销外表面应渗碳淬火或表面感应淬火。壁厚小于等于5mm时，淬火深度约为0.81.2mm；壁厚大于5mm时，淬火深度约为1.01.7mm。为了提高活塞销的疲劳强度，充分发挥材料的强度潜力，可采用冷挤压成形法、双面渗碳、氰化或氮化。3、活塞销与销座的配合 目前大多数内燃机都采用浮式活塞销。对其配合精度要求比较高，间隙过大会引起附加冲击，破坏油膜，产生噪声；间隙过小将导致摩擦表面咬死。4、活塞销的计算1.活塞销表面比压对于浮式活塞销而言，连杆小头部分的活塞销表面单位压力为： 活塞销座表面单位压力为： 式中k考虑活塞销质量的系数，k=0.680.812.活塞销的弯曲应力试验证明：在销座部分，销表面的压力大致呈三角形规律分布；在销与连杆小头接触部分，压力分布可认为相当于均匀负荷。这时活塞销中央部分所受的弯矩最大，为： 弯曲应力为： 式中。因为，上式可简化为： 一般内燃机活塞销弯曲应力的许用值为100250Mpa；军用内燃机为230500Mpa。3.活塞销的剪应力最大剪应力作用在销座和连杆小头之间的截面上，发生在中性轴所在的直径上，其值为： 式中Q切力，单位MN.活塞销半圆截面对直径的静面矩，单位。横截面惯性矩，单位为最大应力点所在截面的宽度，单位为m。代入整理后得： Mpa活塞销最大剪应力的许用值：汽车拖拉机内燃机为60250Mpa。4.活塞销的最大变形与变形后的应力由于压力作用，活塞销压扁失圆，水平直径增大。活塞销的最大变形发生在水平直径受力最大的地方。利用能力法的莫尔积分，可求得活塞销直径的增大量为：mm式中活塞销的平均半径，单位m；J惯性矩，单位E活塞销的弹性模量，对于钢材E=2.02.3Mpa。代入上式并简化可得： mm实际应用时再乘以修正喜事：则得： mm现代内燃机活塞销的最大变形量不应超过0.020.05mm。活塞销变形后的最大拉应力发生在中央端面上，内表面上部拉应力最大： Mpa最大压应力发生在内表内水平位置处，其值为： Mpa现代内燃机活塞销变形后的最大应力不应超过300500Mpa。第五节 活塞环1、活塞环的工作情况和设计要求根据所起作用不同，活塞环可以分为两类：一类是气环，它主要是密封气体，并传导热量；另一类是油环，它主要是控制机油。活塞环在环槽中的运动情况是非常复杂的：由于运动方向的频繁改变和与环槽的间隙导致环的轴线振动；由于气缸的锥度和失圆使环产生频繁的收缩和伸张，导致环的径向振动；由于上面的振动，使环产生绕气缸中心线的回转运动；，由于环槽积碳或活塞倾斜等原因，使环在环槽中产生扭曲。活塞环的磨损有摩擦磨损、腐蚀磨损和磨料磨损三种。对强化内燃机来讲，最多最有伤害的磨损是由溶着磨损引起的。所谓溶着磨损，也就是我们通常所说的拉缸，即在活塞环和气缸工作表面上沿着活塞运动方向所出现的以两个滑动表面形成局部熔焊为特征的严重损坏。溶着磨损最根本的原因是润滑不足和摩擦热超过摩擦材料的熔点引起的。在活塞环设计时，应尽量满足一下要求：具有足够的强度；应有一定的弹力；必须有很好的耐磨、耐蚀性；良好的热稳定性和足够的抗结焦能力。2、密封机理活塞环起密封作用的基本原理是从自由状态收缩到工作状态时产生了弹力，此弹力使环压向气缸工作面，形成第一道密封面。当内燃机工作时，高压气体窜入活塞和气缸之间的间隙，此气体将环压向环槽的下表面，形成第二道密封面，同时进入环背的气体更加强了第一密封面的密封作用。活塞环的弹力愈大，密封作用愈好，但过大会增大活塞环与气缸之间的摩擦磨损。一般设计时取活塞环的弹力为0.10.15Mpa。3、活塞环的结构活塞环的结构主要是指它的切口和断面的形式。1.切口形式 活塞环的切口基本有三种形式：直切口（高速）、斜切口（中速）和撘切口（低速大功率）。从防漏性能看，以撘切口最好，直切口最差，但按加工方便讲却恰恰相反。切口处的间隙为0.150.90mm，此处漏气量很小，约为吸气量的0.21%，应尽量避免对切口端部进行倒棱。2.活塞环的端面形状矩形环结构简单，制造方便，但在高速内燃机中刮油效果不好，这是由于活塞的热膨胀和头部的摆动，环与缸壁形成倒楔形，反而向上刮油，增大了机油耗量。锥形环是将环的工作表面形成不大的锥度（约为1），下端做成高度不到1mm的圆柱形。这种环装入气缸后与缸壁的接触面为一即窄的环带，增大了环对环壁的接触压力，加速了活塞环与气缸壁的磨合过程。这种锥形环不宜用作第一道环。必须注意锥形环不要倒装，否则会引起向上刮油而形成窜油现象。锥形环不宜加工。扭曲环即在环的内圆或外圆切去一部分，利用环的不对称性，使环在装入气缸后会产生一定的扭曲，此扭曲角约为1。在热负荷较高的内燃机中，第一、二环槽的温度较高，机油容易变质形成胶状物，使活塞环在环槽中失去活动性，这会使密封失效。梯形环可以有效得防止这种现象的发生。梯形环一般用作强化内燃机的第一道环。桶面环的外圆表面做成凸缘弧形，工作时圆弧接触。这种活塞环对活塞偏摆适应性好，当环槽变形时不易形成楞缘负荷；抗拉缸性好；环表面的上、下两面都呈楔形，容易形成液体润滑，因而磨损小。同眠突出部分约为（0.0010.002）h，h为环高。为了保证油环的密封作用，并控制机油的消耗，在油环的设计上应从两方面来解决：一是提高油环对缸壁的接触压力，加强刮油能力；二是提高油环的回油能力。为了提高油环对气缸壁的接触压力，一般采取两个措施：减小油环表面与气缸壁的接触面积和在油环背后加弹性衬簧。油环的弹力约为0.150.30Mpa，加衬簧后可达1Mpa。为了使回油畅通，油环中要开泄油槽或泄油孔，活塞的相应部位也要钻许多孔。4、活塞环的主要尺寸活塞环的主要尺寸为环的高度、环的径向厚度。目前的趋势是减少环数和减小环的高度。减小环的高度可以减小摩擦磨损；可使环适应气缸的不均匀磨损和变形，避免表面接触应力集中，提高耐溶着磨损的能力，减小往复运动质量；提高环的密封性能等。活塞环径向厚度与活塞环对气缸壁的压力有关。厚度增大，活塞环对气缸壁的压力增大，但