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活塞组的设计

1.1活塞的设计

活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是发动机中工作条件最严酷的组件。并在很高的机械负荷下高速滑动，同时润滑不良，这决定了它们遭受强烈的磨损，并且可能产生滑动表面的拉毛、烧伤等故障。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。

1.1.1活塞的工作条件

1、活塞的热负荷

活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达。因而活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，而且温度分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正是这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用，热负荷是发动机强化的一个主要问题。

2、冲击性的活塞的机械负荷

活塞承受的机械载荷包括

1）周期变化的气体压力，气压力造成的的活塞机械负荷很大，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、第一环岸断裂等。

2）往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。

在机械载荷的作用下，活塞各部位了各种不同的应力：活塞顶部动态弯曲应力；活塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。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，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。

3、高速滑动磨损强烈

发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，特别在短连杆内燃机中其侧向力更大。随着活塞在气缸中的高速往复运动，活塞组与气缸表面之间会产生强烈摩擦，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。

4、交变的侧压力

由于活塞上下行程时活塞要改变压力面，因此侧向力是不断变化的，这就造成了活塞在工作时承受交变的载荷，因些产生如下的工作后果：

造成侧向拍击，引起机体振动，产生机体表面辐射噪声。

由于润滑不良使摩擦磨损较大。

使裙部产生变形，垂直销轴方向压扁，销轴方向变长。

缸套表面产生振动，容易引起缸套穴蚀。

1.1.2活塞组的设计要求

1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性材料；

2）有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；

3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；

4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；

5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；

6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。

1.1.3活塞的材料

根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：

（1）热强度高。即在高温下仍有足够的机械强度，使零件不致损坏；

（2）导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力；

（3）膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙；

（4）比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；

（5）有良好的减磨性能；

（6）工艺性好，低廉。

灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因密度大和导热性差，无法满足工作要求，逐渐被铝基合金活塞所淘汰。现在只应用于大中型、低速柴油机上。

铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金密度小，约占有灰铸铁的1/3。因此其惯性小，这对高速发动机的发展。另外，铝合金导热性好，其热传导系数比灰铸铁大很多，有利于活塞温度下降，可以使发动机有较高的充气效率，防止润滑油变质，改善活塞环的工作条件。

铝合金作为活塞材料，其力学性能随着合金元素的配比会发生很大变化，因此设计选择

使用时要充分掌握各种配比铝合金材料的力学性能，做到经济又满足领土使用要求。综合分析，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。

1．1图

1.1.4活塞头部的设计

1、压缩高度的确定

压缩高度是由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸构成的，即

=++

为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。

（1）第一环位置

根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度。为缩小，当然希望尽可能小，但过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般柴油机，为活塞直径，该发动机的活塞标准直径，确定火力岸高度为：

（2）环带高度

为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但太小，使制造工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高，油环高。

该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称