发动机活塞的设计

1、发动机活塞的设计一、活塞的工作条件和基本要求一、活塞的工作条件和基本要求（一)、工作条件 1、活塞的机械负荷 P=D2(Pz1)x10-1/4 (N) 往复惯性应力：Pjmax=Gr2（1） （N） 2、活塞的热负荷 A、传导产生的热负荷：在内燃机工作过程中，活塞顶直接与燃气接触，燃气的最高温度一般达到2000左右。B、能量转换：活塞与缸孔摩擦生成的热。 （二）、基本要求1、结构要求 合适的壁厚和合理的形状，保证足够的强度和刚度前提下，结构简单、轻巧，截面变化要圆滑，减少应力集中，采用强度好、比重小的材料，头部和裙部采用适当的处理方式。 2、材料要求活塞需要一定的强度和硬度 ，共晶铝活塞常温下

2、抗拉强度不小于196Mpa，300温度抗拉强度83Mpa ，硬度：90130HBS 3、活塞的材料种类铝合金 、铸铁、钢 4、铝活塞的成形方法锻造、铸造和液态模锻 （三）、活塞的基本构造和满足的要求1、基本构造：顶部、头部和裙部三部分 2、设计要求：低摩擦、低重量、低排放、低噪声、抗磨损、高寿命 3、试验要求：开裂试验、拉缸试验、可靠性试验、高温疲劳试验、体积稳定性试验等二、活塞的几何设计二、活塞的几何设计（一）、活塞顶部设计：1、顶部形状 活塞顶部的形状与选用取决于燃烧室的形状、进排气门和压缩比有关。一般来说，非缸内直喷汽油机活塞大部分选取平顶活塞2、顶部热量分布方式3、设计要点 减轻活塞组

3、的热负荷和应力集中，力求受热面积最小、加工最简单，表面光洁，无尖角和应力集中现象出现。 4、顶部最小厚度：汽油机（0.060.1）D， 柴油机（0.10.2）D 为了提高活塞顶部的刚度和强度，增大散热面积，常常增加各种形状的肋条（在活塞背面增加方格形、横形和直肋条）5、顶部的处理方式：阳极氧化、喷镀陶瓷、重熔淬火 （二）、活塞头部的设计1、活塞头部的作用承受气体压力，并传给连杆；与活塞环一起实现气缸的密封；将活塞顶部所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。2、活塞头部的结构形式整体式、装配式、焊接式 3、设计要求（1）、 保证有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大的变形（2）、保证温度不过高，温

4、差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环 正常工作提供良好的条件，避免顶部疲劳开裂。（3）、头部不与缸壁直接接触，否则会产生粘结磨损，形成拉缸，活塞头部一般是几段阶梯扁圆柱面，也可以是连续的锥面 （4）、 尺寸尽可能紧凑火力岸的高度：A、一般汽油机（0.060.08）D，柴油机（0.150.25）D，一般确保第一道环的工作温度不超过225为原则，否则机油碳化，产生积碳，容易造成机油变质，积碳与活塞环一起，造成拉缸。B、活塞在上止点时，缸体水套腔的高度不得低于第一道气环所处的高度。 5、头部到环岸的设计 活塞头部传来的热量主要靠活塞环与缸壁接触带走，因此，为了减轻第一环槽的热负荷，活塞顶到环

5、岸的设计应按照热流路线设计，即活塞顶部厚度应从中间向四周逐渐加大，内腔过渡圆角应足够大，使活塞顶吸收的热量顺利地被导致第二、三环，减轻第一环的热负荷，降低第一环的最高温度 。 6、隔热槽的添置 发动机活塞在第一道环槽上面切出较环槽窄的隔热槽，其作用是隔断从活塞顶部流下来的部分热流通路，迫使热流方向转折，把原来应由第一道活塞环散走的热量，分散给第二、第三环，以消除第一环过热后产生积碳和卡死在环槽中的可能性。 （三）、活塞头部的环槽和环岸的设计1、环槽断面和环高的配合间隙 A、侧隙： （第一道环0.050.1，第二、三道环0.030.07） 372第一、二道环与活塞的侧隙是0.030.06，油环是

6、0.020.19，477发动机第一道环是0.040.08，二道环0.0250.07B、背隙 活塞环的背隙比较大，避免环和环槽底部干涉，一般来说，气环背隙是0.5mm左右，油环相对大一点。372活塞环的背隙，第一道环0.91.175，第二道气环 0.650.925，油环0.30.665，477第一道气环背隙是0.250.55 2、环槽底面的设计 环槽底部的形状对于环和环槽工作的可靠性和耐久性十分重要，若环槽底部的过渡圆角小，就会形成应力集中，产生疲劳裂纹。若圆角过大，妨碍活塞环自由缩进槽底，槽底圆角半径取0.20.5mm。 在油环槽底面上钻有许多径向小孔，是被油环从气缸壁上刮下来的多余机油，得以

7、经过这些小孔流回油底壳 3、活塞环岸的设计A、工艺性设计 活塞环岸必须有适当的倒角，否则环岸与缸壁出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因。 B、尺寸设计C1=(1.52.5)b1 C2（12)b1 如372发动机C1为3.1，C2为2.25，目前一般状况，大多数汽油发动机b1=b2，一般是1.2mm,但目前高水平的企业，b2可以做成1.0mm3、减压腔的设计 把油环紧邻气环间的环岸设计成直径小于1mm左右，形成“减压腔”，使刮下的机油减压并形成泄油分配腔，降低机油消耗。如372发动机图中71尺寸4、活塞环槽增强方法 活塞环槽的磨损常常是限制活塞使用寿命的一个重要因素，为了保护

8、和加强活塞环槽，可在铝合金活塞环槽部位注入由耐热合金钢制造的环槽护圈。 （四）、活塞裙部功能及设计要求：1、裙部功能：与气缸直接接触、高速滑动、承受侧压力 2、裙部受力情况分析3、设计要求设计要求：良好的导向、足够的实际承压面积、形成足够厚的润滑油膜、满足不同工况下与气缸间有合适的间隙。裙部长度影响活塞运行中摩擦损失、噪声和耐磨性，太短，单位面积压力超过许用值，活塞运动时倾斜角度大，磨损加剧，噪声大。 4、裙部形状设计要求A、裙部纵向截面呈桶形，其轮廓线为一抛物线，故亦称抛物线形裙部。这种裙部不仅适应活塞的温度分布。而且裙部与承受侧压力的一边的缸壁之间容易形成双向“油楔”，活塞无论向上或向下运

9、动时，都能保证裙部有良好的润滑及较高的承载能力。B、裙部纵向形线为中凸形，凸点偏下方，对于汽油发动机来说，最大配缸间隙不超过0.1%*D。 裙部横向为变修正椭圆设计，椭圆度自上而下逐渐减小，修正系数一般为0.10。椭圆公式：R=G/4(1-cos2)(1-cos4)，一般活塞头部椭圆度0.050.1，中部取0.40.85、裙部表面处理和加工要求 A、表面处理方式： 在我们国内常见的处理方式是：磷化、镀锡、印刷石墨，在国外还用了许多先进的处理方式 B、表面加工要求 裙部一般加工对粗糙度和表面波纹进行控制 6、裙部的膨胀控制 横向隔热槽和纵向补偿槽、椭圆裙、镶钢片 为了减少铝活塞裙部的热膨胀量，有的