第八章 活塞组设计

1、2006-3-27内燃机设计第三章第八章第八章 活塞组设计活塞组设计 第一节活塞组的工作条件活塞组的工作条件第二节 活塞结构设计与材料第三节活塞的传热和耐热设计活塞的传热和耐热设计第四节 活塞的传力设计和活塞销活塞的传力设计和活塞销第五节 活塞的导向设计活塞的导向设计第六节 活塞的密封设计与活塞环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组的工作条件活塞组的工作条件 1、承压：汽油机、承压：汽油机 46MPa 柴油机柴油机 69MPa 增压柴油机增压柴油机 15MPa2006-3-27内燃机设计第三章活塞组的工作条件（续）活塞组的工作条件（续） 2、高温：活塞最高燃烧温

2、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）活塞组的工作条件（续）3、密封（形成燃烧空间）4、导向（进行往复运动）5、轻巧（降低往复惯性力）2006-3-27内燃机设计第三章活塞顶部烧裂烧熔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原因：、活寒环折断使环岸损坏；、环与环槽间隙过大。20

3、06-3-27内燃机设计第三章环折断原因：装配不当；环与槽配合间隙过大或过小；环与槽磨损；活塞环热应力过大。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d2006-3-27内燃机设计第三章活塞的主要尺寸比例活塞的主要尺寸比例尺寸比例汽油机柴油机H1/D0.350.600.500.80H/D0.601.00.901.40H2/D0.400.800.500.90h/D0.040.100.120.20d/D0.22

4、0.300.300.402006-3-27内燃机设计第三章活塞的结构设计与材料（续）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：（kw/cm2）活塞结构0.2无冷却整体式铝合金活塞0.20.3喷油冷却整体式铝合金活塞0.3头部设冷却油腔整体式铝合金活塞FP2006-3-27内燃机设计第三章活塞的结构型式与材料（续）活塞的结构型式与材料（续） 缸径较大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

5、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。重力铸造挤压（200Mpa）铸造。2006-3-27内燃机设计第三章第三节第三节 活塞的传热和耐热设计活塞的传热和耐热设计活塞热流：活塞热流：活塞顶活塞环气缸冷却介质活塞顶

6、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）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

7、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FP2006-3-27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。2006-3-27内燃机设计第三章5、冷却油腔0.3kw/cm2时，加冷却油腔。FP2006-3-27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

8、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）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，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）活塞的传力设计和活塞销（续） 活塞销采用空心管状结

9、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）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活塞销2006-3-27内燃机设计第三章第五节 活塞的导向设计活塞的导向设计 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）活塞的导

10、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）活塞的密封设计与活塞环（续） 矩形环矩形环（图1118a）（第一环） 、桶面环桶面环（图1118b）、锥面锥面环环（图1118c）（第二、三环） 、梯形环梯形环（图1118d）（第一环） 、扭曲环扭曲环（图1118e）（第二、三环） 、反扭曲环反扭曲环（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=3.53.72006-3-27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