發(fā)動機活塞設計

1、發(fā)動機活塞的設計一、活塞的工作條件和基本要求一、活塞的工作條件和基本要求（一)、工作條件 1、活塞的機械負荷 P=D2(Pz1)x10-1/4 (N) 往復慣性應力：Pjmax=Gr2（1） （N） 2、活塞的熱負荷 A、傳導產(chǎn)生的熱負荷：在內(nèi)燃機工作過程中，活塞頂直接與燃氣接觸，燃氣的最高溫度一般達到2000左右。B、能量轉換：活塞與缸孔摩擦生成的熱。 （二）、基本要求1、結構要求 合適的壁厚和合理的形狀，保證足夠的強度和剛度前提下，結構簡單、輕巧，截面變化要圓滑，減少應力集中，采用強度好、比重小的材料，頭部和裙部采用適當?shù)奶幚矸绞健?2、材料要求活塞需要一定的強度和硬度 ，共晶鋁活塞常溫下

2、抗拉強度不小于196Mpa，300溫度抗拉強度83Mpa ，硬度：90130HBS 3、活塞的材料種類鋁合金 、鑄鐵、鋼 4、鋁活塞的成形方法鍛造、鑄造和液態(tài)模鍛 （三）、活塞的基本構造和滿足的要求1、基本構造：頂部、頭部和裙部三部分 2、設計要求：低摩擦、低重量、低排放、低噪聲、抗磨損、高壽命 3、試驗要求：開裂試驗、拉缸試驗、可靠性試驗、高溫疲勞試驗、體積穩(wěn)定性試驗等二、活塞的幾何設計二、活塞的幾何設計（一）、活塞頂部設計：1、頂部形狀 活塞頂部的形狀與選用取決于燃燒室的形狀、進排氣門和壓縮比有關。一般來說，非缸內(nèi)直噴汽油機活塞大部分選取平頂活塞2、頂部熱量分布方式3、設計要點 減輕活塞組

3、的熱負荷和應力集中，力求受熱面積最小、加工最簡單，表面光潔，無尖角和應力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。 4、頂部最小厚度：汽油機（0.060.1）D， 柴油機（0.10.2）D 為了提高活塞頂部的剛度和強度，增大散熱面積，常常增加各種形狀的肋條（在活塞背面增加方格形、橫形和直肋條）5、頂部的處理方式：陽極氧化、噴鍍陶瓷、重熔淬火 （二）、活塞頭部的設計1、活塞頭部的作用承受氣體壓力，并傳給連桿；與活塞環(huán)一起實現(xiàn)氣缸的密封；將活塞頂部所吸收的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁。2、活塞頭部的結構形式整體式、裝配式、焊接式 3、設計要求（1）、 保證有足夠的機械強度與剛度，以免開裂和產(chǎn)生過大的變形（2）、保證溫度不過高，溫

4、差小，防止產(chǎn)生過大的熱變形和熱應力，為活塞環(huán) 正常工作提供良好的條件，避免頂部疲勞開裂。（3）、頭部不與缸壁直接接觸，否則會產(chǎn)生粘結磨損，形成拉缸，活塞頭部一般是幾段階梯扁圓柱面，也可以是連續(xù)的錐面 （4）、 尺寸盡可能緊湊火力岸的高度：A、一般汽油機（0.060.08）D，柴油機（0.150.25）D，一般確保第一道環(huán)的工作溫度不超過225為原則，否則機油碳化，產(chǎn)生積碳，容易造成機油變質(zhì)，積碳與活塞環(huán)一起，造成拉缸。B、活塞在上止點時，缸體水套腔的高度不得低于第一道氣環(huán)所處的高度。 5、頭部到環(huán)岸的設計 活塞頭部傳來的熱量主要靠活塞環(huán)與缸壁接觸帶走，因此，為了減輕第一環(huán)槽的熱負荷，活塞頂?shù)江h(huán)

5、岸的設計應按照熱流路線設計，即活塞頂部厚度應從中間向四周逐漸加大，內(nèi)腔過渡圓角應足夠大，使活塞頂吸收的熱量順利地被導致第二、三環(huán)，減輕第一環(huán)的熱負荷，降低第一環(huán)的最高溫度 。 6、隔熱槽的添置 發(fā)動機活塞在第一道環(huán)槽上面切出較環(huán)槽窄的隔熱槽，其作用是隔斷從活塞頂部流下來的部分熱流通路，迫使熱流方向轉折，把原來應由第一道活塞環(huán)散走的熱量，分散給第二、第三環(huán)，以消除第一環(huán)過熱后產(chǎn)生積碳和卡死在環(huán)槽中的可能性。 （三）、活塞頭部的環(huán)槽和環(huán)岸的設計1、環(huán)槽斷面和環(huán)高的配合間隙 A、側隙： （第一道環(huán)0.050.1，第二、三道環(huán)0.030.07） 372第一、二道環(huán)與活塞的側隙是0.030.06，油環(huán)是

6、0.020.19，477發(fā)動機第一道環(huán)是0.040.08，二道環(huán)0.0250.07B、背隙 活塞環(huán)的背隙比較大，避免環(huán)和環(huán)槽底部干涉，一般來說，氣環(huán)背隙是0.5mm左右，油環(huán)相對大一點。372活塞環(huán)的背隙，第一道環(huán)0.91.175，第二道氣環(huán) 0.650.925，油環(huán)0.30.665，477第一道氣環(huán)背隙是0.250.55 2、環(huán)槽底面的設計 環(huán)槽底部的形狀對于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性和耐久性十分重要，若環(huán)槽底部的過渡圓角小，就會形成應力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。若圓角過大，妨礙活塞環(huán)自由縮進槽底，槽底圓角半徑取0.20.5mm。 在油環(huán)槽底面上鉆有許多徑向小孔，是被油環(huán)從氣缸壁上刮下來的多余機油，得以

7、經(jīng)過這些小孔流回油底殼 3、活塞環(huán)岸的設計A、工藝性設計 活塞環(huán)岸必須有適當?shù)牡菇?，否則環(huán)岸與缸壁出現(xiàn)毛刺時，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴重漏氣和過熱的原因。 B、尺寸設計C1=(1.52.5)b1 C2（12)b1 如372發(fā)動機C1為3.1，C2為2.25，目前一般狀況，大多數(shù)汽油發(fā)動機b1=b2，一般是1.2mm,但目前高水平的企業(yè)，b2可以做成1.0mm3、減壓腔的設計 把油環(huán)緊鄰氣環(huán)間的環(huán)岸設計成直徑小于1mm左右，形成“減壓腔”，使刮下的機油減壓并形成泄油分配腔，降低機油消耗。如372發(fā)動機圖中71尺寸4、活塞環(huán)槽增強方法 活塞環(huán)槽的磨損常常是限制活塞使用壽命的一個重要因素，為了保護

8、和加強活塞環(huán)槽，可在鋁合金活塞環(huán)槽部位注入由耐熱合金鋼制造的環(huán)槽護圈。 （四）、活塞裙部功能及設計要求：1、裙部功能：與氣缸直接接觸、高速滑動、承受側壓力 2、裙部受力情況分析3、設計要求設計要求：良好的導向、足夠的實際承壓面積、形成足夠厚的潤滑油膜、滿足不同工況下與氣缸間有合適的間隙。裙部長度影響活塞運行中摩擦損失、噪聲和耐磨性，太短，單位面積壓力超過許用值，活塞運動時傾斜角度大，磨損加劇，噪聲大。 4、裙部形狀設計要求A、裙部縱向截面呈桶形，其輪廓線為一拋物線，故亦稱拋物線形裙部。這種裙部不僅適應活塞的溫度分布。而且裙部與承受側壓力的一邊的缸壁之間容易形成雙向“油楔”，活塞無論向上或向下運

9、動時，都能保證裙部有良好的潤滑及較高的承載能力。B、裙部縱向形線為中凸形，凸點偏下方，對于汽油發(fā)動機來說，最大配缸間隙不超過0.1%*D。 裙部橫向為變修正橢圓設計，橢圓度自上而下逐漸減小，修正系數(shù)一般為0.10。橢圓公式：R=G/4(1-cos2)(1-cos4)，一般活塞頭部橢圓度0.050.1，中部取0.40.85、裙部表面處理和加工要求 A、表面處理方式： 在我們國內(nèi)常見的處理方式是：磷化、鍍錫、印刷石墨，在國外還用了許多先進的處理方式 B、表面加工要求 裙部一般加工對粗糙度和表面波紋進行控制 6、裙部的膨脹控制 橫向隔熱槽和縱向補償槽、橢圓裙、鑲鋼片 為了減少鋁活塞裙部的熱膨脹量，有的