发动机活塞的研究.doc

发动机活塞的研究作者：班级：一、摘要：“活塞”一词原为“鞲鞴”（gou bei）,是西方传入的蒸汽机活塞的早期译名，一度广为使用。现英文对照词为piston。活塞是发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。二、活塞的要求：发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，又要考虑到发动机的运行平稳及耐用，因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度，导热性好，耐热性高，膨胀系数小（尺寸及形状变化要小），相对密度小（重量轻），耐磨及耐腐蚀，还要成本低。由于要求多而高，有些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项要求的活塞材料。现代发动机的活塞普遍用铝合金制造，因为铝合金材具有密度小，导热性好的突出优点，但同时又有膨胀系数比较大，高温强度比较差的缺点，这些缺点只能通过合理的结构设计以满足使用要求。所以，汽车发动机的质量优劣，不但要看采用的材料，同时也要看设计的合理性。三、活塞的结构： 一般活塞都是园柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。 活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。 活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。 。四、活塞的设计工艺方法：1、活塞头部设计活塞头部承受较大载荷，常在气门凹坑、燃烧室喉口边缘、活塞顶内壁与销座根部联结处产生疲劳裂纹，因而从结构上解决头部裂纹的措施如下：1） 合理设计头部形状，降低活塞顶面机械应力；2） 避免加工尖角，采用较大的过渡圆角，消除应力集中；3） 降低活塞热负荷，提高铝合金疲劳极限；第一道活塞环的位置是确定活塞头部结构的重要因素之一。为了减少活塞的高度及重量，希望第一道环能高一些，接近活塞顶，这样会使第一道环的温度过高。为了减小第一道环的温度，可以采取以下措施：在活塞顶部进行硬模阳极氧化处理，可以提高活塞顶面耐热性及硬度，并增加热阻，使顶部降温。环槽磨损对活塞的使用性能影响极大，为了延长活塞的使用寿命，要特别注意提高第一道环槽的耐磨性，其中环的工艺处理方法也是很重要的。如下是一种环的处理方法：时效往应力处理活塞环属于薄壁件，除铸造内应力外，在金加工过程中还存在加工应力。而活塞环产品一般对挠曲度要求不大于0.06mm，如不经过期效处理，这一指标靠加工控制是很难达到的，有时即使大大降低加工切屑速度也无法满足要求。退火、调质处理1、退火处理为确保活塞环铸造毛坯的内在质量，球铁环和多元合金铸铁环多采用单体双片铸造工艺进行生产。毛坯铸态组织硬度较高，割片加工难度较大，需对铸态毛坯进行退火处理。2、调质处理三条调质炉生产线对割片后球墨铸铁活塞环和多元合金铸铁活环进行调质处理，球墨铸铁活塞环调质工艺为：淬火900 9801 3h，油淬；回火：450 6001 2h。多元合金铸铁活塞环调质工艺为：淬火910 9901 3h，油淬；回火：500 6501 2h。3、调质后的力学性能球墨铸铁活塞环调质后的基体组织为：回火索氏体或回火屈氏体。多元合金铸铁活塞环调质的基体组织为：回火索氏体，细小弥散分布硬质相及条块状的游离碳。多元合金铸铁活塞环调质的基体组织为：回火索氏体。钢环气体氮化离子氮化处理通过上述工艺氮化处理的普通合金铸铁材料和多元合金材料活塞环氮化层能够很好地满足活塞的要求。2、活塞的裙部设计.其作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧压力。因此，长的裙部有利于减小单位面积压力和减小磨损，也不容易引起活塞、缸套的拉伤。但是，从降低活塞高度的角度出发，又希望裙部尽量短。短的裙部不容易和连杆相撞。车辆发动机活塞裙部长度一般取为H2=(0.40.8)D (2-12)。考虑裙部长度时，必须照顾到活塞销孔对于活塞裙部的位置，合理分配上裙部与下裙部的长度，以防活塞工作时发生侧斜，造成局部强烈磨损。为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持有比较均匀的间隙以免在气缸内卡死或引起局部磨损，必须先在冷态下把活塞加工成其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。为了减少销座附近的热变形量，有的活塞将销座附近的裙部外表面制成下陷0.51.0mm。由于活塞沿轴线方向温度分布和质量分布都不均匀。因此各个断面的热膨胀量是上大下小。铝合金活塞的这种差异尤其显著。为了使铝合金活塞在工作状态下接近一个圆柱形，就必须事先把活塞做成直径上小下大的近似圆锥形。3、 活塞销座设计.活塞销座的应力分布取决于销座与活塞销两者的变形是否互相适应，如果活塞销刚度较大而销座刚度较小，或者活塞销刚度小而销座刚度大，则两者变形不能互相适应，结果引起销座内孔上侧边缘等处产生严重的应力集中，致使销座裂开。因此，活塞销座的设计应与活塞销统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减少活塞销的弯曲变形，而活塞销座能承受很高的压力，又要具有一定的弹性，使之适应活塞销的变形。一般来说销座外圆直径取d=(0.320.42)D (3-16)，内径d0=(0.250.60)d (3-17)。为了加强活塞顶和环岸的强度采用锻铝活塞时，销座刚性就较好，又因锻铝材料具有蠕变特性，韧性和强度都较高，能够弥补刚性大给销座上缘带来的过大应力，不易在销座上出现裂纹。而为了提高铝活塞销座抗裂能力可采取以下措施：1） 将销孔内缘加工成圆角、倒角或销座设计成弹性结构，以减少销孔内边缘的应力集中。2） 提高活塞的刚度，减小活塞销的变形。如加大活塞销的外径或缩小活塞销座的间距，以减小活塞销的弯曲变形；或减小活塞销内孔直径，以减小活塞销的椭圆变形。3） 选用韧性较好的共晶铝硅合金作为活塞材料。4） 适当加大活塞销与销座的配合间隙，要求冷态时就有间隙，但要防止间隙过大使噪声过分增高。其中活塞销的工艺处理可为如下：渗碳层深度应为过共析层加共析层再加1/2过渡层。活塞销的外圆表面、内孔表面渗碳层深度应符合表1的规定。表1活塞销壁厚 mm外圆表面渗碳层深度 mm内孔表面渗碳层深度 mm内外圆表面渗碳层深度 之和占壁厚的比例 %1.530.250.0540340.3035460.400.10680.501.200.40338100.601.20100.801.70注：内孔表面不渗碳时，外圆表面渗碳层深度由产品图样规定。以硬化层深度要求的活塞销 硬化层深度系指活塞销外圆表面到内部规定硬度值处的垂直距离。对优质碳素结构钢，界限硬度值为550HV；对合金结构钢，界限硬度值为500HV。硬化层深度应符合表2规定。表2活塞销壁厚 mm外圆表面硬化层深度 mm内孔表面硬化层深度 mm内外圆表面硬化层深度 之和占壁厚的比例 %1.530.250.1040350.30355100.601.500.601.7010200.801.700.801.90201.02.0 硬度 渗碳活塞销外圆表面硬度应为58-64HRC，有体积稳定性要求时，其外圆表面硬度为5664HRC。同一活塞销上硬度差应小于或等于3个单位。活塞销心部硬度应符合表3规定。表3活塞销壁厚 mm心部硬度 HRC20钢15Cr、20Cr20Mn21.5-103824-4624-4810-18-20-40注：采用其他合金结构钢制造的活塞销，其心部硬度可按产品图样规定。金相组织 活塞销金相组织应符合 JB/T 8118.2-1999 的规定，JB/T 8118.2-1999 规定之外的其他合金结构钢制造的活塞销，其金相组织可按产品图样规定。4、活塞与缸套的配合间隙 活塞与气缸壁的间隙大小影响机油的消耗量、噪音、漏气量、活塞与气缸套的磨损以及活塞的冷却。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，该间隙在整个活塞高度上一致，以增加活塞寿命；确定间隙时，还要考虑气缸直径及活塞材料，使之既不因间隙过大而产生敲击，又不因间隙过小而卡住活塞。五、汽车活塞的材质选取及发展趋势： 1、AI-Cu-Ni-Mg系合金 该系合金于1920年开始就在英国得到应用。其典型合金代号有LMl4(英)、SAE39(美)、AC5A(日)。该类合金的优点是良好的高温强度、导热性、延伸率及耐磨性；但因其线膨胀系数和密度较大，铸造性能差且含有较多贵重金属价格较贵而被淘汰。 2、AI-Cu-Si系合金 这类合金的优点是：由于含有一定量的硅，铸造性能较好，切削加工性能也有所改善；在常温和高温下均有较好的机械、物理性能。在70年代之前，该类合金曾是前苏联等国应用最广泛的一种材料，我国的解放牌CAl0A、CAl0B、CAl0C型汽车活塞也采用此合金。3、AI-Si合金 由于Al-Si合金线胀系数小、比重小，耐磨性好，铸造性能好等一系列优点而成为应用于现代发动机活塞制造最广泛的材料。这类合金按含Si量的高低可分为共(亚)晶型和过共晶型两大类。 4、共晶(亚共晶)型Al-Si合金 国内外轻、中型汽车汽、柴油发动机以及轿车发动机活塞大多采用了共晶(亚共晶)型Al-Si合金。具有代表性的共晶(亚共晶)型AI-Si合金活塞材料的牌号及化学成分见表1。该类合金含Si量一般在85-13，为了提高合金的室温及高温性能在其中加入了Cu、Mg、Mn、Ni等合金元素进行多元合金化。表2所列为共晶(亚共晶)型Al-Si合金活塞材料常温和高温性能。 5、现在在汽车发动机上应用最广泛的Al-Si活塞材料为ZLl09G(Mahlel24、AC8A)，国外著名发动机制造厂(如Cummins、Renault等)和国内玉柴、锡柴等发动机制造厂均采用该材料制造的活塞。 6、美国航空航天局(NASA)马歇尔空间飞行中心(MSFC)两位美籍华人科学家发明了一种名为MS-FC-388高强度铝合金，用于制造EvinrudeE-TECTM外置发动机活塞，取得了十分令人满意效果与经济效益。国内外汽车发动机