第八章活塞組設計介紹課件

第八章活塞組設計介紹2006-3-27內燃機設計第三章第八章活塞組設計介紹2006-3-27內燃機設計第三章12006-3-27內燃機設計第三章第一節(jié)活塞設計一、活塞組的工作條件

1、承壓：汽油機4～6MPa

柴油機6～9MPa

增壓柴油機15MPa2006-3-27內燃機設計第三章第一節(jié)活塞設計一、活塞22006-3-27內燃機設計第三章活塞組的工作條件（續(xù)）2、高溫：活塞最高燃燒溫度達2000℃左右，循環(huán)平均有效傳熱溫度也在800℃左右。2006-3-27內燃機設計第三章活塞組的工作條件（續(xù)）2、32006-3-27內燃機設計第三章活塞組的工作條件（續(xù)）3、密封（形成燃燒空間）4、導向（進行往復運動）5、輕巧（降低往復慣性力）2006-3-27內燃機設計第三章活塞組的工作條件（續(xù)）3、42006-3-27內燃機設計第三章第二節(jié)活塞的結構設計與材料活塞結構尺寸如圖所示。中高速內燃機最常用的是整體鑄造或鍛造的鋁合金活塞。關鍵尺寸有：總高度H

壓縮高度H1

裙部長度H2

火力岸高度h

活塞銷直徑d2006-3-27內燃機設計第三章第二節(jié)活塞的結構設計與材52006-3-27內燃機設計第三章活塞的主要尺寸比例尺寸比例汽油機柴油機H1/D0.35～0.600.50～0.80H/D0.60～1.00.90～1.40H2/D0.40～0.800.50～0.90h/D0.04～0.100.12～0.20d/D0.22～0.300.30～0.402006-3-27內燃機設計第三章活塞的主要尺寸比例尺寸比例62006-3-27內燃機設計第三章活塞的結構設計與材料（續(xù)）汽油機的機械負荷和熱負荷均較低，所以比柴油機活塞更加輕巧。柴油機活塞結構設計的重要參數(shù)是單位活塞面積功率。統(tǒng)計資料如下：（kw/cm2）活塞結構≤0.2無冷卻整體式鋁合金活塞0.2～0.3噴油冷卻整體式鋁合金活塞>0.3頭部設冷卻油腔整體式鋁合金活塞2006-3-27內燃機設計第三章活塞的結構設計與材料（續(xù)）72006-3-27內燃機設計第三章活塞的結構型式與材料（續(xù)）缸徑較大的柴油機常采用組合活塞：頭部：鋼或合金鑄鐵裙部：鋁合金螺栓連接新型結構：活塞銷鉸接的組合活塞。2006-3-27內燃機設計第三章活塞的結構型式與材料（續(xù)）82006-3-27內燃機設計第三章新型結構：活塞銷鉸接的組合活塞。2006-3-27內燃機設計第三章新型結構：活塞銷鉸接的組合92006-3-27內燃機設計第三章活塞材料活塞材料：應有小的密度、足夠的高溫強度、高的導熱率、低的線脹系數(shù)以及良好的摩擦性能（減摩性和耐磨性）?；钊Ｓ娩X合金。共晶鋁硅合金：含11％～13％硅，工藝性好、成本低、綜合性能滿意，應用最廣泛。過共晶鋁硅合金：含17％～19％硅，耐熱、耐磨、線脹系數(shù)小，但工藝性變差。用于高熱負荷的強化柴油機中。2006-3-27內燃機設計第三章活塞材料活塞材料：應有小102006-3-27內燃機設計第三章活塞制造工藝活塞制造工藝：都為鑄造。重力鑄造→擠壓（200Mpa）鑄造。2006-3-27內燃機設計第三章活塞制造工藝活塞制造工藝：112006-3-27內燃機設計第三章第三節(jié)活塞的傳熱和耐熱設計活塞熱流：活塞頂→活塞環(huán)→氣缸→冷卻介質活塞頂→活塞內壁→曲軸箱活塞頂→活塞裙部→氣缸→冷卻介質2006-3-27內燃機設計第三章第三節(jié)活塞的傳熱和耐熱設122006-3-27內燃機設計第三章1、活塞頂活塞頂受熱面積要盡量小，但由于組織燃燒的需要往往在活塞頂部設有凹坑。提高活塞頂耐熱性的措施：◎陽極氧化處理◎頂面噴涂陶瓷（圖11－6a）◎與第一道活塞環(huán)槽鑲圈連在一起的燃燒室喉口護圈結構（圖11－6b）◎整個活塞頂和環(huán)區(qū)鑲入鉻鉬鋼防護層的結構（圖11－6c）2006-3-27內燃機設計第三章1、活塞頂活塞頂受熱面積132006-3-27內燃機設計第三章活塞頂（續(xù)）◎用陶瓷強化鋁合金復合材料強化環(huán)槽和燃燒室縮口（圖11－7）2006-3-27內燃機設計第三章活塞頂（續(xù)）◎用陶瓷強化鋁142006-3-27內燃機設計第三章2、活塞頭部斷面汽油機活塞頭部壁厚在滿足強度條件下盡量要薄。柴油機活塞頭部斷面為了傳熱做得相當厚實，從頂部到環(huán)帶有很大的過渡圓角R（圖11－3a）。2006-3-27內燃機設計第三章2、活塞頭部斷面汽油機活152006-3-27內燃機設計第三章3、火力岸高度一般經過第一道環(huán)的熱流量最大。h↗→活塞溫度↗h↘→第一環(huán)溫度↗h要適當?shù)谝画h(huán)的溫度不應超過240℃。2006-3-27內燃機設計第三章3、火力岸高度一般經過第一162006-3-27內燃機設計第三章4、噴油冷卻 >0.2kw/cm2時，應噴油冷卻。噴油方式：（1）連桿→連桿小頭噴油（2）機體內壁上噴油2006-3-27內燃機設計第三章4、噴油冷卻 >0.2kw172006-3-27內燃機設計第三章噴油冷卻（續(xù)）噴油冷卻＋活塞環(huán)帶鉆有4個冷卻孔，冷卻效果顯著。2006-3-27內燃機設計第三章噴油冷卻（續(xù)）噴油冷卻＋活182006-3-27內燃機設計第三章5、冷卻油腔 >0.3kw/cm2時，加冷卻油腔。2006-3-27內燃機設計第三章5、冷卻油腔 >0.3kw192006-3-27內燃機設計第三章冷卻油腔（續(xù)）最近開發(fā)了一種中空環(huán)槽鑲圈的活塞，活塞冷卻效果更好。使第一環(huán)槽的溫度下降了25℃以上。2006-3-27內燃機設計第三章冷卻油腔（續(xù)）最近開發(fā)了一202006-3-27內燃機設計第三章第四節(jié)活塞的傳力設計和活塞銷活塞銷與活塞銷座之間、活塞銷與連桿小頭襯套之間的表面比壓是內燃機所有零件中最高的。且相對運動速度低，油膜不易形成。要保證它們可靠的液體潤滑，配合副的工作間隙要盡可能小。為了保證熱態(tài)時的間隙，冷態(tài)為過盈配合。2006-3-27內燃機設計第三章第四節(jié)活塞的傳力設計和活212006-3-27內燃機設計第三章活塞的傳力設計和活塞銷（續(xù)）對氣壓力負荷很高的柴油機來說，結構上應考慮消除應力集中的措施。如圖11－10所示。2006-3-27內燃機設計第三章活塞的傳力設計和活塞銷（續(xù)222006-3-27內燃機設計第三章活塞的傳力設計和活塞銷（續(xù)）活塞銷采用空心管狀結構，高強度鋼、表面淬火、高精度磨光。在強化內燃機中，銷座孔中加工卸荷槽（圖11－11）。2006-3-27內燃機設計第三章活塞的傳力設計和活塞銷（續(xù)232006-3-27內燃機設計第三章活塞的傳力設計和活塞銷（續(xù)）增壓柴油機中，采用斜切的或階梯形的銷座（圖11－12）。2006-3-27內燃機設計第三章活塞的傳力設計和活塞銷（續(xù)242006-3-27內燃機設計第三章活塞銷2006-3-27內燃機設計第三章活塞銷252006-3-27內燃機設計第三章第五節(jié)活塞的導向設計導向設計原則：配合間隙要小，間隙變化要小，H2要有足夠長度。以滑塊的潤滑理論來確定裙部尺寸。活塞裙部橫斷面外形呈橢圓形，長軸與活塞銷軸線垂直。（圖）裙部鑄入鋼片，使配合間隙減小。2006-3-27內燃機設計第三章第五節(jié)活塞的導向設計導向262006-3-27內燃機設計第三章活塞的導向設計（續(xù)）對有的汽油機活塞，在垂直活塞銷軸線方向的油環(huán)槽底部開絕熱槽。2006-3-27內燃機設計第三章活塞的導向設計（續(xù)）對有的272006-3-27內燃機設計第三章第六節(jié)活塞的密封設計與活塞環(huán)設計目標：既要防止氣體泄漏，又要潤滑刮油。一般要求漏氣量≤0.5%機油消耗量不超過燃油消耗量的0.5%1、活塞環(huán)的密封作用機理（已在內燃機構造課程中介紹了）2、活塞環(huán)的斷面形狀2006-3-27內燃機設計第三章第六節(jié)活塞的密封設計與活282006-3-27內燃機設計第三章活塞的密封設計與活塞環(huán)（續(xù)）矩形環(huán)（圖11－18a）（第一環(huán)）、桶面環(huán)（圖11－18b）、錐面環(huán)（圖11－18c）（第二、三環(huán)）、梯形環(huán)（圖11－18d）（第一環(huán)）、扭曲環(huán)（圖11－18e）（第二、三環(huán)）、反扭曲環(huán)（圖11－18f）。2006-3-27內燃機設計第三章活塞的密封設計與活塞環(huán)（續(xù)292006-3-27內燃機設計第三章3、活塞環(huán)的尺寸參數(shù)在保證密封的前提下，環(huán)數(shù)應越少越好。環(huán)數(shù)↘H1↘摩擦功↘尺寸參數(shù)：

b：軸向高度

t：徑向厚度

S0：自由狀態(tài)開口端距一般來說，b在2～3mm之間，最小極限為1.5mm。D/t=23～25。S0/t=3.5～3.72006-3-27內燃機設計第三章3、活塞環(huán)的尺寸參數(shù)在保證302006-3-27內燃機設計第三章4、活塞環(huán)的徑向壓力分布（1）均勻分布（圖11－19a）（2）梨形分布（圖11－19b）2006-3-27內燃機設計第三章4、活塞環(huán)的徑向壓力分布（312006-3-27內燃機設計第三章5、油環(huán)設計（1）單體鑄鐵油環(huán)（2）螺旋襯簧油環(huán)（3）鋼片組合式油環(huán)2006-3-27內燃機設計第三章5、油環(huán)設計（1）單體鑄鐵322006-3-27內燃機設計第三章6、活塞環(huán)的材料要求活塞環(huán)材料耐磨、熱穩(wěn)定性好。一般采用合金鑄鐵，如鉻鉬、鉻鉬銅、鎢、鉻鉬鎢、鎢釩鈦、硼釩鈦等。各零件損壞形式2006-3-27內燃機設計第三章6、活塞環(huán)的材料要求活塞環(huán)332006-3-27內燃機設計第三章頂燒穿原出：①點火過年或爆震；②非正常燃燒；⑦燃燒壓力過大2006-3-27內燃機設計第三章頂燒穿原出：①點火過年或爆342006-3-27內燃機設計第三章環(huán)區(qū)過熱燒傷或拉傷原因：１、燃燒溫度過高或冷卻不足而出現(xiàn)局部熱點使金屬粘結在缸缸壁上；2、缺油；３、活塞環(huán)槽與環(huán)的配備間隙過小。2006-3-27內燃機設計第三章環(huán)區(qū)過熱燒傷或拉傷原因：１352006-3-27內燃機設計第三章環(huán)岸損壞原因：１、活寒環(huán)折斷使環(huán)岸損壞；２、環(huán)與環(huán)槽間隙過