机车内燃机活塞销润滑系统防漏检测及防漏检测装置的设计学士学位论文

摘要本文主要提供了一个国内液压行业的发展状况，内燃机活塞销孔的结构的现状，活塞销孔的破坏形式，机车内燃机活塞销润滑系统防漏检测及防漏检测装置的设计，销孔结构设计的有关知识等，在此基础上，提出了销孔表面应力分布的新理论和曲面销孔结构设计的相关内容，对验证销孔结构设计，防漏检测合理性、可行性的试验方法进行了描述。本论文的主要内容如下：分析机车内燃机活塞销润滑系统的工作情况，结构特点，润滑回路系统的工作原理，分析说明了销孔配合间隙的确定方法。探讨机车内燃机活塞销润滑回路的密封原理，并对检测装置拟定总体布置方案，并对方案进行可行性分析和论证和方案进行总体设计和零部件设计。分析总结活塞销孔的失效形式，并对不同失效形式分析了原因。收集整理有关液压元件的样本和资料，了解国内液压行业的发展状况，根据活塞销润滑原理拟定检测装置液压系统原理图关键字：活塞、活塞销、活塞销孔、密封、润滑，液压系统AbstractThethesisstatescurrentstatusofpinbornconstructdesignofinternalcombustionenginepiston,breakageformofpistonpinbore,andtheconcernedknowledgeofconstructdesignofpinbore,etc.Itisbasedontheaboveknowledge,bringforwardanewtheorythatisstressdistributiononpinboresurfaceandcalculationmethodofcurvedfaceofpinboreconfiguration,usingfiniteelementanalysismethodtocalculatemechanicaldeformationofpinbore,pistontemperaturefieldandthermaldeformationofpinbore,anditalsodepictstheverificationmethodofrationalityofpinboreconstruct.Takingdesignofpistonconfigurationforexample,itanalyzesandcalculatestheconstructvalueofeachpartoncurvedfaceunderdifferentpinboreconfigurationdesigns:(1)Pinboretheoreticdiameter,(2)Equationofoutercurvedfaceofpinbore,(3)Equationofinnercurvedfaceofpinbore,(4)Stressdistributiononpinboresurface,(5)fatiguesafetyfactorofeachpartofpiston,etc.Accordingtotheanalysisresults,defineaoptimizedpinboresurfacedesign,whichwillguidepistonpinboredesigninfuture.Themaincontentofthethesisisasfollows:Summarizeessencerulesofpistonpinbossconfigurationandpinboresurfacedesign,includinghorizontalandverticalprofilerulesofpinbore,analyzeandspecifythedefinitionmethodofpinborefittingclearance.Analyzepistonforcereceiptedandmechanical&thermaldeformationofpinbore,ascertaincalculationmethodofmechanicalformation,thermaldeformationandintegrateddeformationofpinbore.Analyzeandsummarizedifferentdesignsofpinbore,andmakecomparisonsofdifferentdesignondecreasingmaximumvalueeffectofpinboresurfacestress.Bringforwardnewtheoryofstressdistributiononpinboresurface,presentacalculationmethodofpinborecurvedfaceconfiguration,usingthetheorytodesignpistonhavepassedstabilitytestinenginetest,andithasbeeninthestageofmassproductionnow,thetheorycausedfurthereffectiveguideonpistonpinboredesigninfuture.Simulationanalysiscalculationandenginetesthaveverifiedreasonablepinboresurfacedesignthatcanassuretheexcellentfittingconditionbetweenpistonpinboreandpininworkingprocess,thesetwodeformationareconsistent.KeyWord:Piston;PistonPinBore;DesignforCurve-ShapedPinBore;Pistonskirt;Pistonpin第1章绪论1.1内燃机活塞销孔结构可靠性研究背景对制作企业而言，机电产品具有足够的工作可靠性意味着客观的经济效益和竞争力方面的优势及企业能够长期顺利发展的坚强后盾。国际上，每年因产品结构设计不合理的原因而造成大量电机产品在有效寿命期内报废，甚至造成严重恶性事故；在中国，由于综合经济能力的原因，疲劳耐久性和可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在，严重影响了国内制造产品的国际竞争力。内燃机作为一种热能道理机械，它通过曲柄连杆机构的旋转运动，讲化学能转化为机械能，在这个运动副当中，活塞的可靠性至关重要，活塞是发动机的首要动源零件，发动机燃烧系统瞬间爆发并释放的热能首先通过活塞转化为机械能，即通过活塞的往复非匀速直线运动，传递到连杆和曲轴转化为旋转运动，从而使发动机输出扭矩和功率。活塞直接面对风的季节的爆发压力，承受交变的热负荷和机械负荷，对于高性能柴油机活塞来讲，交变频率一般在16-50Hz.尤其随着发动机强化程度的提高，功率的增大和转速的增加，活塞工作环境变得更加恶劣了。内燃机国工作时，各零件之间存在着多种运动形式，而且有的大运动组件之中还包含着微小的运动，在曲柄连杆机构中，活塞和缸套之间的往复运动过程中，就同时存在着活塞销和销孔之间的旋转运动，但是存在着很大的作用力，这样，在相互接触之间就会产生接触应力和切向运动阻力摩擦力，因而会造成摩擦损失，严重时，会在摩擦力的作用下造成零件的损坏。一般情况下，内燃机的机械效率为75-90%，有10-15%的功率消耗在摩擦损失上，摩擦力导致内燃机的有效效率的下降，零件的文都升高，材料机械性能下降等;摩擦好使各相互配合的零件材料机体表面磨损，造成接触不良，间隙增大，产生振动和噪音，降低了使用寿命，摩擦对内燃机的影响是不可低估的。发动机的爆发压力越来越大，目前，国外先进的增压柴油机最高爆发压力已达25MPa以上，国内的制造的增压柴油机最高爆发压力也已达18MPa以上，并且向更大的趋势发展。活塞在汽缸内工作时，活塞顶面承受顺势高温燃气作用，最高燃气温度可达2000-2500℃。活塞销和销孔之间既然有相互运动且存在相互作用力，就一点存在摩擦力。这种摩擦力，虽然对内燃机的有效效率没有多大的影响，但是，如果活塞销孔处的文都过高（活塞销孔温度超过180℃如何分析、设计活塞销孔结构，是活塞销在高温、高压、搞频次的往复运动中保持良好的承载能力和工作状态，最大限度的保证活塞的耐高温性能和热稳定性能，最大限度的提高活塞的可靠性，是活塞的关键。近年来，随着柴油机想高排放、大马力方向发展，活塞的可靠性已成为发动机整机可靠性的关键环节，而确保活塞工作可靠的关键又在于活塞销孔的工作可靠性，因此，活塞销润滑系统防漏检测已成为工作者必须要考虑的问题，如何防漏必须引起人们的重视。1.2提高活塞销孔结构可靠性研究的必要性随着世界各国对环境保护和节约能源的要求，柴油机向高强度化、搞排放、搞可靠性的方向发展，柴油机的功率越来越大，目前，常见的增压柴油机爆发压力为15MPa左右，升功率为30MPa/L左右，并且向更大的方向发展；哦周先进的柴油机爆发压力已达25MPa，升功率已超过60KW/L，这样，活塞的可靠性就日益突出，已成为影响整机可靠性的主要因素之一。柴油机活塞承受的热负荷、机械负荷带有显著的冲击性，无论是在起动、停机以及其它突变工况下，对应柴油机工作过程就会出现仍有爆发燃烧这一瞬间，此时活塞处于突发性极强的受热状态和快速导热的过程，由于热能传播的速度有限，使活塞头部的文都保持在320℃以上，活塞销孔处的温度也一直保持在180销孔处的应力分布还取决于销孔和活塞销两者之间的变形是否能相适应。由于燃气压力的作用，活塞要产生我去变形，相应的销孔处也要产生变形。如果活塞销刚度较大而销孔处刚度较小，或者相反，则两者变形不能相适应，结果引起一、销孔上侧边缘等处产生严重的应力集中，使销孔开裂。因此销孔设计与活塞销应统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减小我去变形；要求销孔能承受高的压力，而且有一定的弹性，使之适应活塞销的变形。活塞销孔处的失效形式往往是热负荷、机械负荷共同作用的结果，要分析设计出合理的、可靠的活塞销孔的结构，这两方面的因素要做和考虑。活塞销孔的疲劳破坏所造成的后果是非常严重的，仅从其直接经济效益来看，活塞的价格在整台发动机所占的比例仅为2%左右，如果活塞销孔出现疲劳损坏，轻者造成发动机缸内运动副损坏，严重时将导致整台发动机报废，仅发动机方面直接损失就达数万元。若考虑到发动机的使用数量及间接损失，则后果不堪设想。考虑到对柴油机搞排放，大功率发展的需要，发动机行业正面临着前所未有的越来越严峻的考验。随着柴油机的适用范围越来越广，使柴油机要适应的工作环境变得更加复杂、工况更加恶劣。因此要提高活塞的工作可靠性，非常有必要进行活塞销孔结构的研究与分析，通过合理地额销孔结构设计，与活塞销合理的配合尺寸设计，对活塞运动密封性进行论证分析，及对活塞销润滑系统进行设计和防漏检测装置的设计分析等，来降低各类活塞销孔的各类失效形式。1.3我国液压行业发展现状液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。

近年来，我国液压气动密封行业坚持技术进步，加快新产品开发，取得良好成效，涌现出一批各具特色的高新技术产品。北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀(拥有专利)、宁波华液公司的电液比例压力流量阀(已申请专利)，均为机电一体化的高新技术产品，并已投入批量生产，取得了较好的经济效益。北京华德液压集团公司的恒功率变量柱塞泵，填补了国内大排量柱塞泵的空白，适用于冶金、锻压、矿山等大型成套设备的配套。天津特精液压股份有限公司的三种齿轮泵，具有结构新颖、体积小、耐高压、噪声低、性能指标先进等特点。榆次液压件有限公司的高性能组合齿轮泵，可广泛用于工程、冶金、矿山机械等领域。另外，还有广东广液公司的高压高性能叶片泵、宁波永华公司的超高压软管总成、无锡气动技术研究所有限公司为各种自控设备配套的WPI新型气缸系列都是很有特色的新产品。

液压传动产品在国民经济和国防建设中的地位和作用十分重要。它的发展决定了机电产品性能的提高。它不仅能最大限度满足机电产品实现功能多样化的必要条件，也是完成重大工程项目、重大技术装备的基本保证，更是机电产品和重大工程项目和装备可靠性的保证。所以说液压传动产品的发展是实现生产过程自动化、尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。

现在世界各国都重视发展基础产品。近年来，国外液压技术由于广泛应用了高新技术成果，使基础产品在水平、品种及扩展应用领域方面都有很大提高和发展。我国液压产品有一定生产能力和技术水平的生产科研体系。尤其是近十年来基础产品工业得到国家支持，装备水平有所提高，目前已能生产品种规格齐全的产品，已能为汽车、工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金矿山、发电设备、石油化工、铁路、船舶、港口、轻工、电子、医药以及国防工业提供品种基本齐全的产品。通过科研攻关和产学研结合，在液压伺服比例系统和元件等成果已用于生产。在产品CAD和CAT等方面已取得可喜的进展，并得到广泛应用。并且在国内建立了不少独资、合资企业，在提高我国行业技术水平的同时，为主机提供了急需的高性能和高水平产品，填补了国内空白。1.4本课题主要研究工作由于活塞销孔的结构受与之配合会腮腺和连杆小头的现状影响，销孔作外形结构的变化不可能有太大的改变，要提高销孔的承载能力，只能从活塞销孔表面的设计进行研究，对活塞销防漏检测也要从这方面考虑，防漏检测装置的设计也要考虑这方面的影响和局限性。主要针对如何通过改变活塞孔表面结构设计来降低作用在活塞销孔上的应力峰值和活塞销之间的摩擦力，从而改善活塞销孔的工作状况，提高活塞销孔的工作状况，提高活塞的可靠性进行研究与探讨。本论文从一下几个方面进行了研究：对目前的活塞销孔相关设计，销孔的结构、销孔的失效形式进行归纳，分析总结其规律性。研究分析活塞销孔的受力和变形情况：活塞变形主要是因为活塞各部位的厚度不同，各部位的温度分布不均，在燃气压力及活塞往复惯性力、侧推力等机械负荷的作用下产生。通过分析预测活塞销孔表面承受的热负荷和机械负荷以及变形情况，为活塞的结构设计提供依据，为分析研究活塞润滑系统做铺垫，有利于设计活塞销润滑系统防漏监测装置的设计及其可行性论证分析。选定活塞销孔的外形结构，设计不同的销孔表面形状，利用活塞销孔疲劳实验，研究不同的结构设计对销孔承载能力的影响。对影响活塞销孔不买你压力分布和改善销孔可靠性的结构参数进行分析，在次基础上，提出更为准确的、负荷现代化活塞销孔在工作状态下的变形理论，为防漏检测装置的设计作准备。因此，通过本课题的俄研究，借助各种根据的分析和论证，同时通过各种试验台和液压装置，研究活塞销润滑回路系统的规律，对研究作理论指导。1.5本章小结本章主要对国内液压行业发展的背景，对活塞销孔的研究背景，活塞销孔产生疲劳破坏的危害性，活塞销孔的结构研究的必要性，认为对内燃机活塞销润滑是不可缺少的，并对理论工作的论述做出初步的准备。1、针对活塞疲劳寿命问题的严重性，描述了活塞的工作环境、活塞销孔的基本结构和目前的产品现状，初步说明了活塞销孔产生疲劳裂纹的可能性及对活塞销润滑以及对润滑系统防漏检测的必要性。2、对国内液压行业和活塞销孔的研究现状进行了简述和比较。3、对本文主要研究母的进行了细化，为下一步工作开展大下了基础。第2章活塞活塞简介图2-1活塞的受力简图活塞，是在气缸中作往复运动\o"词条\“往复运动\”不存在，点击可创建"的圆柱状零件，也可以看成是“活动的塞子”。它的主要作用是承受燃烧气体的压力，通过活塞销\o"活塞销"把作用力传给连杆驱动曲轴旋转。此外，它的顶部还和缸盖、缸筒共同组成燃烧室。在进气、压缩、排气行程中，它还起到吸气、压缩气体和排除废气的作用。

工作条件

活塞的工作条件十分恶劣。活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。它要承受高温（最高达2500℃以上）、高压（大气压力的40～60倍）、高速（12～20m/s）、周期性冲击及化学腐蚀。例如一个直径90mm的活塞，大约要承受3吨的压力，可见活塞确实是重担在肩。为了减轻重量和惯性力，活塞一般用铝合金铸造，有些赛车的活塞采用锻造，结实耐用。活塞结构一般活塞都是圆柱形体，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。活塞结构头部是指活塞顶端和环槽部分,如下图活塞顶部图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\o"词条\“缸内喷注\”不存在，点击可创建"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\o"词条\“环槽\”不存在，点击可创建"，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。活塞的机械负荷活塞组在工作中受周期性变化的气压力直接作用，一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值PP=F(p-1)=D(p-1)10（牛顿）式中F——活塞投影面积(厘米)；D——气缸直径(毫米)；p——气缸内工质的最高燃烧压力(巴)，可由实测发动机示功图得出。柴油机为60——90巴。直径为95毫米p＝7.5MPa的柴油机活塞顶上就作用着高达62000牛顿的气压力。可见活塞的机械负荷很大，它使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一道环岸断裂等等。有时与它相配合的活塞销也会因此而卡死或断裂。目前发动机向高速发展．活塞组的最大惯性力一般已达活塞本身重量的1000——2000倍(汽油机)和300——600倍(柴油机)。周期性变化的惯性力引起发动机的振动，并使连杆组、曲轴组零件特别是轴承负荷加重，导致发动机耐久性下降。为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简便、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中采用强度低比重小的材料。压缩高度的确定活塞压缩高度H(下图)由火力岸高度h、环带高度h和上裙尺寸三部分组成的。活塞环的数目、环的位置和轴向高度、环与环之间的环岸高度等都直接影响尺寸H活塞的设计尺寸活塞裙部

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。活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多，为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙，不致在销孔附近卡住，在设计时把裙部做成长轴位于垂直销铀方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆形（图a,b）。典型活塞裙部椭圆形状裙部的椭圆变形

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活塞结构解剖图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。活塞可分为三个部分：①顶部大多采用平顶，也有的根据燃烧室形状的需要，采用凹顶或凸顶。②头部切有几道装活塞环的槽，用以安装活塞环，实现气缸的密封。③裙部引导活塞在气缸筒内运动，并把热量和侧向力传给缸壁，安装活塞销，用以连接连杆。

随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格，活塞已发展成为集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的导向性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放。为满足以上的功能要求，通常将活塞的外圆设计成异型外圆(中凸变椭圆)，即垂直于活塞轴线的横剖面为椭圆或修正椭圆，且椭圆度沿轴线方向按一定的规律变化(如图1所示)，椭圆度精度达0.005mm；活塞纵剖面的外轮廓为高次函数的拟合曲线，轮廓精度为0.005～0.01mm；为提高活塞的承载能力，以提高发动机的升功率，通常将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或正应力曲面型(异型销孔),销孔尺寸精度达IT4级，轮廓精度为0.003mm。

活塞作为典型的汽车关键零部件，在切削加工方面具有很强的工艺特点。目前，国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用设备组成机加工生产线，因此，专用设备就成为活塞切削加工的关键设备，其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。第3章典型活塞销孔结构特点和失效形式3.1活塞销孔相关知识活塞销孔是活塞的一部分，要分析活塞销孔的结构特点和失效形式，首先需要对活塞的有关知识进行说明。3.1.1承受很大的机械负荷活塞组承受的机械负荷包括燃气压力Pz,往复惯性力Pj及侧作用力Pn.目前，汽油机最高爆发压力Pz约为3-7.5MPa，非增压柴油机约为6-9MPa,而增压柴油机约为13-18MPa,更高的已达到25MPa以上。上述机械负荷不仅数值很大，且还带有很大的冲击性。由于年机械负荷的作用，会塞各部位产生如下应力：顶部的动态弯曲应力；销孔承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪切压力，此外，在环槽、裙部、销孔等部位由于应力的存在，还有较大磨损。承受很高的热负荷活塞顶直接受到高温燃气（一般达到2000℃左右）周期性加热。由于活塞中热流，使得温度分布不均匀。图2-1（a）为平顶的活塞的典型温度分布，图2-1（b）从中看出，平顶活塞的做噶温度在顶部中心，带燃烧室的活塞在燃烧室边缘。活塞温度过高将产生如下不良影响：活塞的热应力与热变形过大；温度超过300℃第一道环槽温度超过240℃活塞温度是内燃机转速、负荷、燃烧过程和冷却介质等的函数，见表2-1.热负荷过高的活塞，必须采取冷却措施，将活塞的热量迅速传出，使温度降到能容许的范围内。活塞内的热流及散热比例建表2-2所列。磨损严重工作过程中活塞组的工作表面都会产生摩擦，由于润滑条件较差，故各部位的磨损严重。磨损的形式有：磨蚀性磨损、磨料磨损和机械磨损等。由于活塞组长期处于搞机械负荷、搞热负荷和剧烈磨损的情况下工作，活塞经常出现的故障有：第一环岸断裂，严重时甚至整圈脱落；环槽、销座和裙部的严重磨损；销孔表面磨损拉毛、销孔内侧上出现裂纹以及燃烧室边缘被烧蚀，活塞外圆表面磨损、拉伤等。3．1.2对活塞的设计要求在保证活塞强度、刚度及散热良好的前提下减小总高度，减轻活塞重量。和活塞环、缸套配合，保证密封良好并尽量减小摩擦损失。减小活塞顶吸收的热量，并良好冷却，讲活塞吸收的热量迅速到处，使活塞各部位的温度不超过下列极限数值：活塞顶360第一道环槽260活塞顶内表面250振荡冷却油腔内220活塞销孔180保证导向部分润滑可靠，同时防止润滑油上窜，尽量降低润滑油消耗量。活塞环槽与活塞环、销孔与活塞销应具有良好的耐磨性，特别是第一道环槽。活塞裙部与气缸壁之间的接触面积要尽可能大，要有良好抗拉性能。活塞与气缸的配合间隙小，以减小对气缸的撞击和噪声，以及是变工况适应性好。易于制造，成本低，经济性好。3.1.3对活塞材料的要求从活塞的工作条件可看出，为了保证内燃机的良好运行，对活塞合金材料有如下要求。密度小由于活塞工作时是不断的往复运动，为使惯性力尽可能小，这就要求活塞材料密度要小。铝的密度约为铸铁的1/3，因此铝就成为活塞用合金的基本材料。热膨胀系数小为降低活塞配缸间隙，活塞合金的热膨胀系数要尽可能接近铸铁汽缸。因为只有这样，才能保证发动机在所有工作温度范围呢你有个良好的配缸间隙，铸铁的热膨胀系数较铝的热膨胀系数小，通过天津爱适当的合金元素，特别是硅，可将活塞合金材料的热膨胀系数降到更低。好的耐磨性活塞环是封闭高压燃气和提供润滑油而设置的，在工作时会对活塞的环槽造成磨损。因此，环槽区的耐磨性比裙部和销孔要重要得多。因为大多数活塞是环槽区的磨损限制了活塞的使用寿命，故合金的耐磨性是重要的。好的机械性能活塞在燃气爆发压力及其往复惯性力的联合作用下，使活塞承受高温交变负荷和热疲劳，尤其是活塞顶、销孔和环槽区的工作条件更为恶劣，因此需要采取一系列的强化措施，提高货代材料的综合机械性能。好的热导性既要考虑到活塞的机械强度，又要照顾到活塞的尺寸稳定性，这就要求货代材料的导热性能非常好。活塞用铝合金的导热性是铸铁的三倍，这样，高的导热能力可将高热负荷区的热量很快传递给冷却油及气缸和连杆曲轴等，因此使得熔点600℃的铝合金能在与峰值温度高达2000℃的高温燃气（平均温度约好的加工性能活塞是精密零件，对尺寸精度和表面粗糙度的要求都很高，但是活塞铝合金为具有好的耐磨性而必须制成在相对软的基本材料中含有硬合金相，这种特定组织结构对道具磨损严重，因此必须采取技术措施，如通过冶炼方面的措施，使硬合金相变得尽可能细而均匀，因而使其硬度相对均匀，便于机械加工。活塞的材料型号根据活塞对材料的要求，不同的国家有不同的活塞材料标准，但总的来说，活塞用铝合金在发展过程中主要形成了如下四类：共晶Al-Si合金，过共晶Al-Si合金，Al-Cu-Si合金和Al-Cu-Ni-Mg合金。在这四类合金中，运用最广泛的是Al-Si合金，由于活塞毛坯成型方式简单，广泛用于汽油机和柴油机活塞上；其次是过共晶Al-Si合金，主要使用在摩托车活塞上。就具体型号来讲，目前国外最常见的是德国MAHLE公司的Mahle124,Mahel142和Mahel174;德国KS公司的KS1275和KS1295.国内应用最多的是国家标准材料牌号ZL109G。上冻滨州渤海活塞股份有限公司经多年的研究，形成了自己的BH系列铝合金材料标准，目前使用最多的是BH122A,BH135,BH139,BH112等。活塞材料跟随着内燃机的发展也在发展，随着柴油机向着高排放、大马力方向发展，为了保证发动机的可靠性，近年来，陶瓷活塞，铸铁活塞，锻钢活塞等特殊材料活塞的应用越来越广泛，国外，像康明斯公司、卡特匹勒公司使用的岗顶铝裙铰边式活塞、我i系柴油机DL柴油机新开发使用的锻钢活塞=、上海柴油机厂新开发的薄壁铸铁活塞等。三、活塞销材料及结构活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。活塞销检验国标1.金相检验。JB/T8118.2-19992.探伤检验。JB/T8118.3-19992.2活塞销孔的结构特点活塞销孔和活塞销组成一对摩擦副，他将活塞顶部的燃气压力通过销孔传给活塞销，然后通过活塞销再传给两岸和曲轴，输出动力。活塞销孔与活塞销必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。销孔的表面应力分布取决于销孔和活塞销两者的变形是否相适应，如果活塞销刚度大而销孔处刚度小，或者相反，则两者变形不能互相适应，结果引起销孔上册边缘等处产生严重的应力集中，使销孔开裂。游戏，销孔设计与活塞销应统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减小弯曲变形；要求销孔能承受高的压力，而且有一定的弹性，使之适应活塞销的变形。活塞销是装在活塞裙部的圆柱形销子，它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，把活塞承受的气体作用力传给连杆。为了减轻重量，活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。活塞销的功用及工作条件一般国内使用的活塞销孔内会有台阶或者凹槽，还有一种是实心活塞销。国外使用的活塞销内孔是直的。活塞销的内孔形状：活塞销的内孔形状主要有圆柱形，两段截锥形，以及两段截锥形和一段圆柱的组合形。活塞销的功用及工作条件：活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏。附图：活塞销示意图2.2.1典型活塞销孔外形结构材料活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。活塞销检验国标 1.金相检验。JB/T8118.2-19992.探伤检验。JB/T8118.3-1999为使作用在活塞顶部的气体压力传递至销孔上，而又尽可能不引起活塞变形，所以在活塞顶部与销孔之间要设置加强筋，典型的销孔座结构如图2-2所示。1、单筋销孔座（见图2-2（a））：销孔座与活塞顶部用单筋连接，由于筋在中央，因此销孔座弹性较差，易在销孔内侧边缘A点出现应力集中。2、弹性销孔座（见图2-2（b））：销孔与活塞顶部用双筋相连接，并在销孔上方可任意设计深浅不同的凹坑，使销孔具有较好的弹性，能降低销孔A点处的应力集中。这种销孔外形结构目前在铸铝活塞中应用较广，主要用在非增压柴油机活塞和汽油机活塞上。3、刚性销孔座（见图2-2（c））:这种加宽的销孔传力情况好，活塞变形小，铸造和锻造工艺性均较好。但是销孔座刚性大，难以适应活塞销的变形，易在销孔A点处产生应力集中，需要采取措施降低高峰应力，铸造活塞内腔较小的活塞多采用这种结构。斜面销孔座与阶梯销孔座（见图2-2（d）、（e））：这种销孔座能增加连杆小头支撑面的长度，降低活塞销与连杆小头村套的比压；支撑面延轴向长度有重叠，减小了活塞销的弯曲变形；缩短销孔座上部间距，降低销孔座根部与顶部过度圆角处的应力。这种结构是提高活塞销孔承载能力的有效办法，一般可使销孔承载能力提高15%-20%，所以普遍应用在强化柴油机上。镶村套销孔座（见图2-2（f））:销孔压入锻铝或青铜套，使得在不提高活塞销直径的情况下，能提高销孔的承载能力。这种结构主要用在二冲程柴油机及高速强化四冲程柴油机上。2．2.3典型活塞销孔表面结构汽油机活塞销孔表面结构汽油机的爆发压力相对于柴油机来说较低，一般在3-7.5MPa之间，因此作用在活塞销孔处的压力不上很大，而且从汽油机活塞销孔的失效形式统计来看，销孔开裂的机率很小，主要失效形式是销孔表面拉毛、拉伤，因此汽油机活塞销孔表面设计主要在于改善表面的润滑状况。常用的销孔表面的润滑结构如图2-3所示，图（a）.(b).(c)为油孔润滑，主要用于四冲程内燃机：图（d）是销孔两侧增设油槽，图（e）是在销孔中设计许多油槽，以储存润滑油加强润滑，主要用于二冲程内燃机。活塞销孔表面结构对于柴油机活塞，当和其相互配合的活塞销、连杆小头的尺寸已确定时，由于受结构的限制，活塞销孔座的结构可变化的余地不大。当发动机爆发压力确定时，作用在活塞销孔上的压力值已确定。对于高增压柴油机，销孔处的应力值已超过了65MPa以上，为了防止活塞销开裂，就只能通过改善销孔表面的结构设计来均匀分布压力，使作用在活塞销孔表面各处的压力基本一样，避免在局部出现应力集中而导致活塞销孔开裂。从理论上说，活塞工作时，由于顶部燃气压力的作用，活塞和活塞销都要发生弯曲变形，变形的规律如图2-4所示。为了降低销孔内侧上缘的比压，防止该处应力集中而疲劳破坏，同时为了增加销孔处的储油，加强润滑。目前，常采用了多种多样的非圆柱形销孔表面设计，又称之为异型销孔。其特征是把销孔设计为椭圆形销孔、卸载荷销孔或喇叭形销孔，这些不同结构形状的销孔设计，在减小销孔表面压力集中方面都有很好的作用，与普通直销孔相比，减小幅度约为10%-30%，如图2-5所示。1、椭圆形销孔，其椭圆值一般为0.015-0.04mm，为销孔提供变形条件，可降低应力集中约为10%。2、卸载荷销孔，又称离隙销孔，其设计思想和椭圆形销孔基本相同。3、喇叭形销孔，又称锥形销孔，是降低应力集中最有效的办法，可降低应力集中约为30%，锥度值一般取0.005-0.03mm，具体数值根据发动机的燃气压力下活塞的变形和活塞的变形及有利于销孔的磨损来确定。活塞销的连接形式半浮式活塞销半浮式活塞销：活塞销与活塞销座和连杆小头之间只有一者可以自由旋转另一者相互固定的连接形式。半浮式”安装的特点是活塞中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，活塞销只能在两端销座内作自由摆动，而和连杆小头没有相对运动。活塞销不会作轴向窜动，不需要锁片。小轿车上应用较多。全浮式活塞销全浮式活塞销：活塞销与活塞销座和连杆小头之间都可以自由旋转的连接形式。全浮式”安装，当发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，这样，活塞销能在连杆衬套和活塞销座中自由摆动，使磨损均匀。为了防止全浮式活塞销轴向窜动刮伤气缸壁，在活塞销两端装有档圈，进行轴向定位。由于活塞是铝活塞，而活塞销采用钢材料，铝比钢热膨胀量大。为了保证高温工作时活塞销与活塞销座孔为过渡配合。装配时，先把铝活塞加热到一定程度，然后再把活塞销装入，这种安装方式应用较广泛。2.3失效形式活塞顶部所承受的气体压力通过活塞销孔和活塞销传给连杆，由于结构上的限制，活塞销直径不可能超过活塞直径的40%。活塞销的承压面积还要在活塞销孔和连杆小头村套之间合理分配，结果不论在活塞销孔和活塞销之间，还是活塞销与连杆之间，承压面积都极为有限，表面上的比压是内燃机所有零件中最高的。加上活塞销与活塞销孔或活塞销与连杆小头村套之间的相对运动速度很低，液体润滑的油膜不易形成，容易在活塞销孔表面产生干摩擦，造成损坏。活塞销孔的失效形式主要有：1、销孔表面拉伤，主要由于活塞销与销孔表面之间的润滑油膜破坏，首先在销孔表面的加工刀纹的波峰处产生，继而开展到整个销孔表面，如图2-6所示。这种失效形式主要发生在活塞的初期磨损阶段；2，销孔开裂，主要是由于作用在活塞销孔处的机械应力过撒，超过了活塞材料的抗拉强度及屈服疲劳强度所致。随着发动机的运转，先在销孔上方出现微裂纹，进而扩展到整个销孔以及活塞，如图2-7所示。3、销孔破碎，是销孔开裂更深层次的失效。主要是由于作用在活塞销孔处的机械应力过撒，超过了活塞材料的抗拉强度及屈服疲劳强度，同时过大的机械应力也破坏了活塞销孔表面的润滑油膜，活塞销孔表面闲被拉毛，失效继续扩展，直到活塞销与销孔之间咬死，再在顶部压力的作用下，销孔开裂并发展到整个销孔座破碎。需核实活塞销孔失效中最严重的一种，也是危害最大的，严重时活塞销子失去控制，轴向窜出打碎缸套以致缸体，导致整个发动机报废，如图2-8所示。销孔内、外侧烧熔，并且一直延伸到活塞燃烧室。这是搞增压内冷却油腔活塞一个典型的失效形式（如图2-9（a）.(b)），主要原因是作用在活塞销孔上应力过大，而同时活塞销孔表面结果的设计不合理，应力不能平均分布到整个销孔表面，局部出现应力集中。在活塞的整个工作过程中，应力集中部位首先产生微裂纹，随着时间的推移，裂纹逐步扩展至整个销孔表面，并向上扩展到内冷却油腔，这样，活塞的整体强度下降了，强大的燃烧爆发压力击穿活塞冷却油腔和燃烧室之间的厚度，燃气下窜，冷却油腔失去冷却效果，高温燃气甚至内冷却油腔中的机油参与燃烧，熔化裂纹部位的铝合金，并一直延伸到活塞销孔表面。活塞销发出异响的判断和处理发动机在使用中有的会出现活塞销异响的故障。如果活塞销异响严重会损坏活塞销衬套，加大连杆轴瓦和曲轴连杆轴颈的磨损，磨损到最严重时，会拉断活塞销或连杆顶部，打坏气缸体，千万不能等闲视之。活塞销异响故障的现象是：(1)异响的部位在气缸的上部，声音就象两个钢球相撞而发出的“特特”声。(2)发动机温度升高以后，响声一般没有太大的变化，个别的有时还会更明显些，这是和活塞敲缸异响的一个主要区别。发生活塞销异响以后，可以采用以下办法来进行判断：(1)逐缸进行断油试验，断油以后，声音明显的减弱或消失，恢复供油以后，会更加明显。故障严重到一定程度时，会出现连续的连贯双响，断油以后，声音不但不减弱或消失，而且会加剧。(2)进行发动机抖动油门试验。急速的抖动油门时，异响相当明显，声响的周期随着发动机转速的变化而变化。发生活塞销异响的主要原因有以下几方面：(1)活塞销和连杆衬套磨损过甚，配合严重松旷。其主要原因是由于润滑不佳而造成的。WD615系列发动机连杆上没有油孔，活塞销和衬套的润滑是靠润滑油喷嘴向上喷油通过连杆小头的集油槽进行的，如果机油压力太低，喷射情况不好，会造成活塞销及连杆衬套的润滑不良，且由于喷射不好，活塞冷却不佳，也会加剧活塞销及连杆衬套的磨损。如果机油变质、变稀也会造成磨损加剧。所以，一定要注意机油的质量，最好是按周期换油、更换机油滤清器，每天出车前坚持检查油位和油的质量。(2)连杆衬套在修理中，尺寸定位掌握不准，衬套和连杆的配合不好，也会出现活塞销异响。在维修中一定要按标准安装，使连杆衬套能在一定的压力下压入。出现活塞销异响以后，可以视其轻重而采取不同的处理措施：(1)如果活塞销异响轻微，可以继续行驶;但如果有修理条件，最好予以更换。(2)若活塞销异响严重时(在高速、正常温度下运转，声音十分明显)，应立即修理更换。(3)更换活塞销和连杆衬套要严格按标准进行，间隙配合要正确。故障原因1)对于全浮式活塞销与销座来说(见图)，当发动机处于正常工作温度时，活塞销在销座内应有合适的配合间隙并且能自由转动。当配合间隙过大时，不可避免地产生活塞销与其座孔的撞击声，这种响声与活塞销与连杆小头衬套松旷时，所产生的撞击响相似，表现在怠速时最明显，在发动机完成一个工作循环中出现两次。用断缸方法就能检查出哪个缸活塞销座或连杆衬套的松旷响。

2)有的发动机活塞销两端与卡环相撞击，同样也发出销的碰击响。

3)发动机冷态起动不响，热起后则响。这是因为活塞的膨胀大于活塞销所致。转速越快越响，温度越高越响。

4)用螺钉旋具使火花塞断火，响声减弱或消失，螺钉旋具拿开的瞬间，会出现一声“嗒”的响声。

2．故障检修

活塞销与销座孔出现松旷，比较严重时应引起重视并修理。修理时可采用扩大活塞销座孔和连杆衬套之后，更换加大的活塞销方法，也可用磨削活塞销后再镀铬或镀铁的方法，恢复活塞销原几何形状与尺寸。

活塞销直径的加大尺寸，应根据活塞销座孔及连杆小头衬套的磨损情况来决定。活塞销与销座孔的配合，活塞销应能用手掌力量从原来试配的一端推入座孔1／2~2／3，且接触面积在75％以上，分布均匀，轻重一致。2．4本章小结本章主要对活塞及其销孔相关知识进行了描述。1、对活塞的工作条件、胡塞材料、进行了归纳总结分析。2、对活塞销孔的有关知识进行了描述，主要描述了典型的销孔座结构、销孔表面结构的设计使用现状。3、对活塞销孔的典型失效形式进行了描述，并简单分析了失效的原因。第4章影响活塞销孔粗糙度的因素分析随着发动机性能的不断提高，活塞结构的随之变化，对活塞销孔精度随之提高。原来金刚镗床采用合金刀镗削销孔，然后再滚压销孔；虽然销孔表面的粗糙度能达到图纸要求，但由于滚压销孔破坏了销孔的形状精度要求，其圆度一般在0.003~0.005mm，达不到图纸要求。为了解决这一技术问题，国内普遍采用金刚石镗刀（天然金刚石镗刀每把1200元、人造金刚石镗刀每把300元）一次镗孔成型，为了节约资金，我公司现在精镗销孔基本上采用人造金刚石镗刀镗削销孔，活塞销孔的圆度小于0.003mm、表面粗糙度Ra≤0.4。

采用人造金刚石镗刀镗削销孔，虽然活塞销孔的圆度小于0.003，但销孔的粗糙度有时达不到图纸要求。经过设计、试验发现，影响精镗销孔粗糙度的因素主要有以下几个方面：

1.镗杆的设计制作

由于精镗销孔是高速切削加工，轻微的振动直接影响活塞销孔的表面粗糙度。因此镗杆的设计制作时，要求镗杆与主轴的同轴度小于0.01mm，且整个镗杆各部外圆都要进行磨削加工。这样就保证了镗杆在高速转动中保持平衡、减少振动，消除了镗杆本身的影响因素，刀孔的位置直接影响刀具装卡后刀具的加工角度，因此在镗杆设计时，要求刀孔中心经过镗杆中心或刀孔中心偏离镗杆中心一定距离，且刀孔中心垂直于镗杆轴线，保证刀具装卡后刀具的加工角度；并给定相应各部的形位公差，减少因镗杆替换引起销孔加工表面粗糙度的变化。销孔加工的镗杆一般悬臂较长，因此镗杆必须进行稳定强化热处理，这样可以提高镗杆的强度、刚性，减少镗杆的受力变形，提高活塞销孔表面粗糙度水平。

2.镗刀的设计制作

由于人造金刚石硬度高，加工难度大，经过多次设计试验，选择刀具的主要技术参数为：刀尖圆孤R0.5~R1，刀具前角为2.5°，刀具后角采用双后角，分别为8°、15°，刀具韧带0.2mm，刀具前后刀面粗糙度Ra0.1μm，在30倍放大镜下观察，刀刃无缺口裂纹。通过加工活塞销孔后，测定销孔圆度小于0.003mm，表面粗糙度小于Ra0.4。近几年，通过使用相同设备，相同的机械加工工艺参数，对50把人造金刚石镗刀的使用情况，进行追踪统计，结果如下（见表1）：

表1

销孔表面0.1~0.20.2~0.30.3~0.40.4~0.50.5~0.6

粗糙度Ra

数量（把）8171942

平均使用寿命

（只/把）8000~12000

从表格可看出：虽然刀具的使用情况较好，基本上满足我公司的使用要求，但刀具的制作仍存在着人、机、料等因素影响。试验发现如果刀尖圆弧太小，在加工过程中，刀尖易崩刃且销孔表面粗糙度数值较大；刀尖圆弧过大，在加工过程中阻力较大，造成加工后活塞销孔的圆镀、粗糙度超差。刀具无韧带，刀具后角起不到修光作用，销孔的粗糙度也不理想。

3.镗刀与镗杆的装配

我们在试制过程中，按同一图纸同时制作了两个镗杆，使用第一个镗杆，装夹人造金刚石镗刀镗削销孔，经测定销孔的粗糙度在Ra0.4~0.55之间；而使用第二个镗杆装夹同一把人造金铡石刀镗削销孔，其工艺参数不变镗削销孔，经测定销孔的粗糙度在Ra0.28~0.4之间。同样，使用同一个镗杆分别装夹两把人造金刚石刀，工艺参数保持不变，镗削后活塞销孔的表面粗糙度相差Ra0.05~0.15。这说明虽然按图纸设计制造，但由于制造误差而引起装配误差，同样会影响活塞销孔加工的表面粗糙度。试验总结认为：镗杆和刀尖在装配后保证刀尖与镗杆轴线在同一水平面内或刀尖稍高0~0.1mm，这样可以保证镗削活塞销孔的精度和表面粗糙度。刀尖过高相对增加了刀具的加工后角，起不到刀具的修光作用；刀尖低于镗杆中心，相对减少了刀具的加工后角，使后刀面与销孔接触面增大，受力相应增大，在加工过程中引起振动，造成加工后活塞销孔的圆度、表面粗糙度超差，且刀尖易崩刃。4.销孔镗床的精度及主轴转速

在使用过程中，我们发现机床的精度，直接影响了活塞销孔加工后销孔的精度和表面粗糙度。如堵塞进、出主轴油孔的油路或进、出口油路不畅，导致销孔加工后销孔的精度和表面粗糙度超差；进给工作台由于导轨润滑不好，引起工作台轻微爬行或导轨内进入铝屑而影响加工活塞销孔的表面粗糙度。

我公司使用的销孔镗床基本上是JJ6静压镗床和S1-269静压镗床，采用人造金刚石镗刀镗削销孔，销孔的圆度小于0.003mm，JJ6销孔镗床的主轴转速为3500转/分，S1-269销孔镗床的主轴转速为2500转/分，我们采用相同的刀具和加工工艺参数分别对JJ6和S1—269进行镗削销孔试验，测试活塞销孔的表面粗糙度，分别为Ra0.16~0.4和Ra0.3~0.5，这就证明加工同一种活塞，机床主轴的转速越高，销孔的表面粗糙度值就越小，反之亦然。

5.镗床加工的进给速度

以6110活塞试验为例：采用相同的主轴转速和加工余量，以不同的进给速度镗削销孔，对活塞销孔表面粗糙度进行测试统计如下（见表2）：

表2

进给时间304050607080100

（秒/只）

销孔表面粗糙度0.38~0.500.30~0.400.26~0.340.22~0.320.19~0.280.18~0.280.16~0.27

Ra

由此可见，机床加工的进给速度，直接影响着镗削销孔的表面粗糙度。机床加工的进给速度越小，镗削销孔的表面粗糙度越小，当进给速度小到一定程度时，镗削销孔的表面粗糙度基本上变化不大。

6.切削加工余量

以6110活塞试验为例：采用相同的主轴转速和进给速度，使用人造金刚石镗刀以不同的切削加工余量镗削销孔，对活塞销孔表面粗糙度进行测试统计如下（见表3）：

表3

切削加工余量

0.10~0.12

0.08~0.10

0.06~0.08

0.04~0.06

≤0.04

（mm）

销孔表面粗糙度0.37~0.50

0.32~0.45

0.26~0.40

0.22~0.34

0.38~0.56

Ra

这说明采用合适的切削加工余量镗削销孔，可以获得较理想的表面粗糙度；切削加工余量过大，切削力越大，相应的销孔表面粗糙度越大；切削加工余量过小，切削力虽然减小了，但第一把刀镗削后的刀痕，第二把刀就镗削不起来，相应的销孔表面粗糙度反而越大。

7.活塞本身硬度的影响

以6110活塞试验为例：采用相同的主轴转速和加工工艺参数，使用人造金刚石镗刀对不同硬度范围内的活塞镗削销孔，对活塞销孔表面粗糙度进行测试统计如下（见表4）：

表4

活塞硬度95~100100~110110~120120~130

（HB）

销孔表面0.38~0.500.32~0.400.26~0.360.26~0.34

粗糙度Ra

由于活塞热处理后，活塞本身硬度的不均匀性，使镗削销孔后，活塞销孔表面粗糙度存在一定差别；在活塞硬度要求范围内，活塞硬度越高，销孔表面粗糙度越小；当活塞硬度小于100HB时，销孔表面粗糙度较大。

综上所述，对活塞销孔精度及表面粗糙度的影响，是一个综合性的因素；如果加工活塞销孔，精度和表面粗糙度出现异常，应从以上几个方面分析研究，排除故障，生产出质优价廉的产品。第5章活塞销偏置的作用为了减轻在上止点活塞换向时对气缸的“拍击”，某些高速发动机将活塞销座向承受膨胀侧压力的一面偏移一个距离e。这样活塞可以在上止点前提早换向，尤其是当压缩行程终了时，活塞换向时刻可以预先“爆发”，改善了发动机的工作平顺性。由于活塞在压缩冲程和做功冲程，活塞受力都是向下的，也就是被气缸内的气压往下顶。但是在这两个冲程当中，连杆顶活塞的方向是刚好相反的。也就是说，活塞受到连杆的水平分力方向相反。假如活塞的销孔是在几何中心，那么活塞将会因为受到连杆不同方向的水平分力而左右摇晃，产生敲缸。但改为使用偏置销孔，由于活塞顶受气缸内气体压力作用于活塞顶的几何中心，与连杆的作用力（因为活塞销偏移）形成一对力矩，使活塞自动地靠在气缸壁的一边，而不会两边晃，也就消除了敲缸的机会。简言之：活塞销孔轴线通常与活塞轴线垂直相交。这时，当压缩行程结束、作功行程开始，活塞越过上止点时，侧向力方向改变，活塞由次推力面贴紧气缸壁突然转变为主推力面贴紧气缸壁，活塞与气缸发生“拍击”，产生噪声，且有损活塞的耐久性。在许多高速发动机中，活塞销孔轴线朝主推力面一侧偏离活塞轴线1～2mm。压缩压力将使活塞在接近上止点时发生倾斜，活塞在越过上止点时，将逐渐地由次推力面转变为由主推力面贴紧气缸壁，从而消减了活塞对气缸的拍击。销座的轴线与活塞中心线垂直相交的活塞，当活塞由上止点换向时，侧压力瞬时换向，使活塞与缸壁之间的接触面突然由一侧平移至另一侧，便产生敲缸声。

在高速发动机上，多将活塞销座朝向作功侧压力大的面偏移1～2mm。这样，活塞接近上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边时，使活塞向外倾斜，裙部下端首先换向与缸壁接触，头部再与缸壁接触，实现两步换向。两步换向可减小对气缸的敲击。

活塞环活塞环是内燃机关键零件之一，活塞环工作的好坏直接影响发动机性能。按其功用不同，活塞环可分为气环与油环两类。气环的主要作用是与活塞一起密封气缸工作腔。在实现密封的条件下，环的另一作用是将活塞头部热量导出。因为活塞环一旦密封失效，大量高温燃气从活塞与气缸间的缝隙中窜出，不但活塞从顶面接受的热量不能借助活塞环传给气缸壁，而且活塞外圆表面和活塞环的全部表面还被燃气强烈加热，最后可能导致活塞和活塞环烧坏。所以对气环的根本要求就是保证密封。油环的主要作用是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并避免多余的润滑油窜入燃烧室，造成积炭和增大润滑油消耗量。6.1活塞环的工作情况6.1．1活塞环运动状况活塞环在气缸内工作，有上下往复运动，而且速度也不断变化，同时活塞环与环槽有一定间隙。因而还有沿环槽作旋转运动和震动等。6.1.2活塞环工作环境活塞环处在高温、高压燃气下工作，其润滑条件极差，甚至产生干摩擦情况。所以活塞环材料，必须有良好的抗磨能力，这就要求材料的金相组织有适当数量和大小且均匀分布的石墨，起贮油作用，润滑摩擦面。当然，单纯依靠材料本身是远远不够的，于是采取了各种不同的表面处理，如镀铬、喷钼、氮化等工艺来强化耐磨性。6.1.3活塞环受力情况活塞环工作时，气缸壁强迫活塞环闭合，受着压应力，而活塞环本身外圆受涨应力，内圆受压应力。活塞环在高温、高压下运动，又承受着极苛刻的摩擦力，且这摩擦力还在反复变化着。6.1.3活塞环的密封作用Pr—径向不平衡力Pa—轴向不平衡力气环要有良好的密封作用，首先应以一定弹力P与气缸壁压紧，形成所谓第一密封面(图4—1)，使气体不易通过环周与气缸之间，而钻入环与环槽间的空间。由三个气环组成的迷宫式通道(图8—56)将使气缸中压力为p的燃气在经过节流后，压力迅速下降，正常情况下，其比例大致是：p＝0．86p,p＝0．20p，p＝0．076p使正常漏气量只有吸气量的o．2—1％。这就是环式密封系统所以能成功地应用，并使往复活塞式发动机具有强大生命力的重要因素之一。环端开口的形状以最简单的直角形状(见图)最合理。因为即使采用较复杂的形状如阶梯形(图b)，斜口(图c)但环背漏气通路仍不变，只要端隙相同，关键性的最小自由漏气通路面积就完全相同。a)直角口b)阶梯形c)斜口d)、e)带防转销钉槽6.2活塞环的不正常工作—颤振活塞环在环槽内的运动十分复杂，至今尚未研究得很清楚，一般认为其基本运动有：（1）上、下运动活塞环随同活塞的上升、下降，在环槽内作上、上运动。这个运动决定于气压力、摩擦力及其惯性。（2）径向运动由于加工、磨损、紧固、温差等引起的气缸锥度和椭圆度，使活塞环在上下运动时，必然同时在环槽内作一张——缩的径向运动。它是引起环槽磨损的主要原因。（3）回转运动它与发动机的转速、气缸的喇叭状磨损、变形等密切关连。回转运动对防止环的偏磨、局部过热或卡死是有利的，但它也可能引起各环开口的重叠，使工作过程恶化。除上述基本运动外，活塞环还存在不规则的铀向和径向振动，以及扭曲振动，它们使漏气量加大，磨损加剧，并造成断环。为提高活塞环的抗颤振性，可采取以下措施：（1）使用开口部分有较高径向压力的高点环；（2）减小环宽b，以减轻环本身重量，减少惯性力；（3）增大环厚t，以增加环的刚度和弹力p。（4）增加环的轴向不平衡，气压力(下图)环的扭曲和压力分布a)不扭曲，P900牛顿b)反扭曲，P=0c)正扭曲，P1800牛顿故本次设计采用扭曲环等办法来解决颤振现象；6.3活塞环的材料1、活塞环材料品种繁多、性能各异。选择活塞环的材料要考虑其使用条件、性能要求和环别等因素。一般说内燃机活塞环材料应满足下列要求；（1）在高温下具有足够高的机械强度；（2）耐磨且摩擦系数小；（3）不易产生粘着，容易磨合；（4）加工方便，价格便宜。这样，就要求活塞环材料应具有一定的强度、硬度、弹性、耐磨性（包括贮油性）、耐蚀性、热稳定性和工艺性等。目前，活塞环材料主要是铸铁，随着发动机的强化，出现了从灰铸铁过渡到可锻铸铁和球墨铸铁以及钢材的趋向。常用的材料和性能见表下。 活塞环常用材料及性能材料硬度弹性模量㎏/mm2许用应力（㎏）推荐使用范围工作应力安装应力灰铸铁合金铸铁亚共晶铸铁球墨铸铁碳钢马氏体不锈钢奥氏体不锈钢HRB95~106HRB98~108HRB98~108HRB100~110HR30N68~72HRC38~44HR30N59~6795000950001100015500200002000020000252528 4050许用剪应力200㎏/许用剪应力200㎏/mm250505580100100压缩环油环压缩环油环压缩环油环ISTISTOIL刮片环IST钢带衬环活塞环的材料主要是灰铸铁、合金铸铁和球墨铸铁，其材料的成份和性能：（1）灰铸铁：其化学成份按活塞环尺寸大小、铸造方法而变化。含C:3.5-3.75%Si：2.2-2.75%Mn：0.6-0.8%P：0.3-0.8%S：小于0.10%。含少量铬、钼或钒等合金元素，其性能、抗弯强度30㎏/㎝2以上，硬度HRB94-107，弹性系数8000-11000㎏/mm2弹力衰减率（300℃×（2）合金铸铁：为了改进铸铁的基体组织，在铁水中另加铬、钛、钨、钒、铜、镍等元素即为合金铸铁。其硬度比灰铸铁高、耐热性好、弹力衰退小等优点。（3）球墨铸铁：是将超共晶组织铁水，经镁、铈或钙处理而制成，主要优点是抗弯强度高达80-120㎏/mm2，比普通铸铁高一倍以上。弹性系数高达15000-17000㎏/mm2，受冲击不易破环。活塞环材料之所以以铸铁为主，主要是因铸铁中含有石墨是优良的固体润滑剂，当活塞环处于临界摩擦或干摩擦的状态下，铸铁材料就显示出其优越的自身润滑性能。如摩擦或润滑问题，能充分解决的话，钢材也可以用来制造活塞环，近年来还发展半可锻铸铁材料。2、环的一般技术要求1化学成分与金相活塞环广泛使用各种牌号的铸铁。材质是活塞环机械性能与使用寿命的基础，因此在规定范围内合理调整材料成分比例、严格控制造型与浇铸工艺来确保活塞环具有符合设计要求的最佳金相组织。2热处理采用适当的热处理方法，以调整活塞环的金相组织及消除加工应力。3刚度活塞环是一个刚度差的弹性零件，加工时必须合理安排工艺流程、注意装夹方法，以保证加工时工件具有足够的刚度，达到尺寸、形状与粗糙度要求。4保护端面活塞环两个端面是重要的工艺基准面，也是零件工作面，有较高的平度与粗糙要求。在加工流程中应注意清洁、保护端面、防止碰伤。5型线设计为保证活塞环具有合理的缸壁压力分布，采用恰当形状曲线凸轮，仿形制造模具及加工外圆面是十分重要的。6消除应力为保证形状精度要求，加工中应采取合理的刀具角度与切削量，以减少加工残留应力，并采用热处理方法消除应力。7性能与寿命各种表面处理与处理前后的加工成为提高活塞环性能与寿命的重要工艺手段。8加工设备与检测手段由于活塞环形状结构的复杂性与多样化，尺寸精度又有较高的要求，同时生产批量一般较大，最好采用工序集中的高效率、高精度的自动与半自动专用设备以及检测手段。3活塞环对材料性能的要求（1）强度抗弯强度是活塞环受力折断时的计算应力，它是衡量强度高低的一个参数。活塞环在安装和工作中，均受着弯曲应力，如抗弯强度达不到一定的值，则易于折断。为适应发动机强化的发展，为了减少活塞环与缸壁摩擦所损耗的功率，在设计时，往往要求活塞环高度尽可能薄，但同时又要保证活塞环有足够的弹力，这就对材料提出更高的抗弯强度要求；同时，为防止折断，对材料的坚韧性亦也一定要求，所以采用抗弯强度比灰铸铁、大得多的球墨铸铁、半可锻铸铁、蠕墨铸铁等材料有发展趋势。）种类抗弯强度MPa单体铸造活塞环392～450筒体铸造活塞环480～520可锻、半可锻铸铁环600～950球墨铸铁环900～1300（2）硬度活塞环材料的硬度在一定程度上反映了材料的耐磨性。活塞环工作时，它与气缸壁摩擦面之间不可避免地会有夹杂物，尽管输入的油和空气均经过滤清，这些夹杂物仍然起着研磨剂的作用，形成磨料磨损。故需硬度高、抗磨料磨损能力强的材料，但硬度过高，不仅加工困难而且易于拉缸。同时，与其相匹配的气缸套，对硬度也提出了限制。因此，JB/T51105—1999规定了硬度允许范围和同一片环的硬度差值。种类硬度同一片环上的硬度差合金铸铁环环直径≤150环直径＞15098～108HRB94～105HRB≤3HRB可锻、半可锻铸铁环及球墨铸铁环98—110HRB按产品图样规定钢环经淬火、回火处理的环冷轧材料环不锈钢环400～580HV≥367HV或按产品图案规定按产品图样规定≤40HV（3）弹性众所周知，活塞环之所以能在气缸内能起密封作用，首先是由于活塞环具有一定的弹力，然后在燃气的高压作用下，进一步向缸壁涨紧，并随着压力的增加而增加。而活塞环弹力的获得及其大小，除活塞环的几何形体和残留应力外，活塞环材料本身所具有的弹性是十分重要的。衡量材料的弹性，通常以弹性模量表现。弹性模量指在环实物试验基础上，通过计算得到的表征应力与应变关系的参数。24πr2E=───────㎏/mm2mh1α1³φ式中：m—活塞环自由开口尺寸h1—环高α1—径向厚度φ—活塞环减弱系数矩形断面φ=1有斜棱、车槽等减弱的环φ＜111─2r—活塞环径向平均半径（D-t）M—活塞环闭合时的弯矩（㎏—cm）从E可以看出，在活塞环的几何形状（尺寸）一定以后，其闭合时的弯矩M越大，E值越高，弹性越好，反之则弹性差。活塞环材料的弹性，直接关系到活塞环的残余变形。材料弹性好，活塞环的残余变形就少，从实践检验可以知道某些材料如合金球墨铸铁环、合金蠕墨铸铁环几乎没有残余变形，而合金灰铸铁环的残余变形是显而易见的。典型的弹性模量：合金铸铁环：单体铸造环 95GPa筒体铸铁环 115GPa可锻、半可锻铸铁环 150～160GPa球墨铸铁环 160GPa 各种铸铁环的弹性模量均在 相应材料典型模量±15GPa以内钢环 200GPa（4）耐磨性（包括贮油性）研究活塞环材料的耐磨性，必须首先分析活塞环在气缸内工作时的运动状况、受力情况和工作环境等。（5）耐蚀性燃油中含有硫成分，燃烧后生成SO2和SO3，它们与H2O作用形成酸，对活塞环有腐蚀性作用，特别对金属显微结构呈多元相的交界面，更易受到磨蚀。因此要求活塞环材料有一定的抗磨蚀能力。在金属材料中，铸铁类比钢类的抗腐蚀能力要强一些，在非金属材料中，如塑料类，耐蚀性能力更强。（6）热稳定性热稳定性指将环装入环规内，在规定温度下，保持一定时间后，其弹力消失率。活塞环是处于高温气体下工作，如材料热稳定性差，那么很快就会衰退，密封作用降低，产生漏油窜气。热稳定性应符合表规定。种类切向弹力的最大消失率，%整体环合金铸铁（包括碳化物铸铁）12可锻铸铁、球墨铸铁、钢8撑簧油环非耐热钢25耐热钢12钢带组合油环非耐热钢30耐热钢15(7)表面处理性为了提高活塞环耐磨性，必须对其进行各种不同的表面处理，如镀铬、喷钼、氮化、激光表面等。（见表）而各种不同的表面处理，对活塞环材质的化学成分、金相组织结构有不同的要求。如表面镀铬，对活塞环材料的Si含量应在2.8%以下，石墨应以细小且分布均匀为宜，其量也不能过多，否则将会严重影响其结合强度；又如激光表面淬火，要求活塞环材料有较高的含碳量；氮化、喷涂等均有不同要求。活塞环镀层镀层环磨损抗咬合性气缸磨损注解电镀铬喷铬喷钼喷碳化钨氧化铁磷化镀铜极好很好一般极好一般一般差很好很好很好好很好磨合中抗咬合性很好磨合中抗咬合性极好很好一般一般好好—很好应用最广对气缸磨损性能变化大随着温度升高和时间延长