第八章 活塞组设计.ppt

1、2006-3-27,内燃机设计第三章,第八章 活塞组设计,第一节 活塞设计 第二节 活塞结构设计与材料 第三节活塞的传热和耐热设计 第四节 活塞的传力设计和活塞销 第五节 活塞的导向设计 第六节 活塞的密封设计与活塞环,2006-3-27,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 46MPa 柴油机 69MPa 增压柴油机 15MPa,2006-3-27,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）,3、密封（形成燃烧空间）

2、 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,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d,2006-3-27,内燃机设计第三章,活塞的主要尺寸比例,2006-3-27,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：,2006-3-27,内燃机设计第三章,活塞的结构型式与材料（续）,缸径较大

3、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,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1113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1719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,活塞制造工艺,活塞制造工艺：都为铸造。重力铸

4、造挤压（200Mpa）铸造。,2006-3-27,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,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116a） 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116b） 整个活塞顶和环区镶入铬钼钢防护层的结构（图116c）,2006-3-27,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117）

5、,2006-3-27,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113a）。,2006-3-27,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,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,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。,20

6、06-3-27,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,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,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,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

7、，结构上应考虑消除应力集中的措施。如图1110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）,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1111）。,2006-3-27,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1112）。,2006-3-27,内燃机设计第三章,活塞销,2006-3-27,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

8、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,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,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,活塞的密封设计与活塞环（续）,矩形环（图1118a）（第一环） 、桶面环（图1118b）、锥面环（图1118c）（第二、三环） 、梯形环

9、（图1118d）（第一环） 、扭曲环（图1118e）（第二、三环） 、反扭曲环（图1118f）。,2006-3-27,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23mm之间，最小极限为1.5mm。D/t=2325。S0/t=3.53.7,2006-3-27,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1119a） （2）梨形分布（图1119b）,2006-3-27,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,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,顶烧穿,原出：点火过年或爆震；非正常燃烧；燃烧压力过大,2006-3-27,内燃机设计第三章,环区过热烧伤或拉伤,原因：、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； 、活塞环槽与环的配备间隙过小。,2006-3-27,内燃机设计第三章,环岸损坏