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1、内燃机构造与设计内燃机构造与设计内燃机构造与设计内燃机构造与设计10 活活 塞塞 组组 件件10 活塞组件活塞组件10.1 概述概述1.活活塞塞组组件件组组成成：包包括括活活塞塞、活活塞塞销销、活活塞环、卡环塞环、卡环2.运动方式：作上下变速往复运动运动方式：作上下变速往复运动3.作作用用：与与气气缸缸组组成成封封闭闭的的燃燃烧烧室室，保保证证发动机工质的可靠密封发动机工质的可靠密封4.工工作作特特点点：工工作作温温度度高高，机机械械负负荷荷大大，高高速速滑滑动动，润润滑滑不不良良，磨磨损损严严重重等等，影影响响发动机的工作可靠性与使用耐久性。发动机的工作可靠性与使用耐久性。5.活活塞塞组组件
2、件设设计计的的目目的的：提提高高活活塞塞组组零零件件的工作可靠性和耐久性。的工作可靠性和耐久性。10 活塞组件活塞组件10.1 概述概述6.活塞组件的工作条件活塞组件的工作条件机机械械负负荷荷：气气体体作作用用力力、往往复复惯惯性力、侧压力性力、侧压力热负荷：高温燃气热负荷：高温燃气磨损：润滑不良，高速滑动磨损：润滑不良，高速滑动7.活塞组件主要设计要求活塞组件主要设计要求足够的强度和刚度足够的强度和刚度质量小质量小温度水平低温度水平低气缸密封良好气缸密封良好良好的润滑油膜良好的润滑油膜减小配缸间隙减小配缸间隙较高的耐磨性和抗拉毛性较高的耐磨性和抗拉毛性考考虑虑传传力力、传传热热、导导向向、密
3、密封封、轻重和减摩耐磨六个方面。轻重和减摩耐磨六个方面。10 活塞组件活塞组件10.1 概述概述柴油机的活塞热负荷比汽油机的活塞热负荷高，原因：柴油机的活塞热负荷比汽油机的活塞热负荷高，原因：对流换热强，工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流对流换热强，工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流脉动。脉动。热辐射大，柴油机中不均匀混合气燃烧形成碳粒，使其火焰的热辐射能热辐射大，柴油机中不均匀混合气燃烧形成碳粒，使其火焰的热辐射能力大大超过汽油机。力大大超过汽油机。柴油机中燃料喷射不均匀，使温度分布不均匀，因燃油喷射、雾化都在柴油机中燃料喷射不均匀，使温度分布不均匀，因燃油喷
4、射、雾化都在燃烧室内。燃烧室内。通常柴油机中的活塞上都有凹坑，使受热面积增大，热负荷增加。通常柴油机中的活塞上都有凹坑，使受热面积增大，热负荷增加。10 活塞组件活塞组件10.2 活塞的结构型式与材料活塞的结构型式与材料10.2.1结构型式及主要尺寸比例结构型式及主要尺寸比例结构型式结构型式整整体体铸铸造造的的铝铝合合金金活活塞塞（柴柴油油机机活塞）活塞）汽车发动机常用汽车发动机常用10 活塞组件活塞组件10.2 活塞的结构型式与材料活塞的结构型式与材料整整体体锻锻造造的的铝铝合合金金活活塞塞（汽汽油油机机活塞）活塞）汽车发动机常用汽车发动机常用整整体体铸铸铁铁活活塞塞某某些些二二冲冲程车用发
5、动机程车用发动机10 活塞组件活塞组件10.2 活塞的结构型式与材料活塞的结构型式与材料钢顶铝裙的组合活塞钢顶铝裙的组合活塞高高强化发动机强化发动机活节活塞活节活塞高强化发动机高强化发动机10 活塞组件活塞组件10.2 活塞的结构型式与材料活塞的结构型式与材料主要尺寸符号主要尺寸符号总高度总高度H压缩高度压缩高度H1裙部高度裙部高度H3顶板厚度顶板厚度火力岸高度火力岸高度h第一道环岸高度第一道环岸高度c1活塞销偏置距活塞销偏置距e活塞销直径活塞销直径d1销座间距销座间距B活塞销中心线以下的裙部高度活塞销中心线以下的裙部高度H210 活塞组件活塞组件10.2 活塞的结构型式与材料活塞的结构型式与
6、材料符符号号见见表表10 活塞组件活塞组件10.2 活塞的结构型式与材料活塞的结构型式与材料10.2.2活塞的材料活塞的材料对活塞材料的要求：对活塞材料的要求：热强度高，在高温下有足够的机热强度高，在高温下有足够的机械性能械性能导热性好，吸热性差导热性好，吸热性差膨胀系数小膨胀系数小比重小比重小良好的减摩性能，耐磨，耐蚀良好的减摩性能，耐磨，耐蚀工艺性好，价廉工艺性好，价廉活塞的材料：活塞的材料：铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁铸铁特点：耐热性、耐蚀性好，膨胀系特点：耐热性、耐蚀性好，膨胀系数小，热强度高，成本低，工艺性数小，热强度高，成本低，工艺性好，比重大，导热
7、性差好，比重大，导热性差应用：大型中、低速柴油机，高增应用：大型中、低速柴油机，高增压柴油机，热负荷较高的二冲程柴压柴油机，热负荷较高的二冲程柴油机。油机。耐热钢耐热钢强度高，用作组合活塞的顶部，用强度高，用作组合活塞的顶部，用于强化的柴油机中。于强化的柴油机中。10 活塞组件活塞组件10.2 活塞的结构型式与材料活塞的结构型式与材料铝合金：铝铜合金、共晶铝铝合金：铝铜合金、共晶铝硅合金、过共晶铝硅合金硅合金、过共晶铝硅合金特点：比重小，惯性小，导热特点：比重小，惯性小，导热性好，温度场均匀，热应力小，性好，温度场均匀，热应力小，高温时强度、硬度下降较快，高温时强度、硬度下降较快，使结构设计复
8、杂，成本高。使结构设计复杂，成本高。无论是铸造铝合金活塞还是无论是铸造铝合金活塞还是锻造铝合金活塞，在成形之锻造铝合金活塞，在成形之后都必须进行热处理，以提后都必须进行热处理，以提高其强度并保证其尺寸的稳高其强度并保证其尺寸的稳定性。常用的热处理工艺是定性。常用的热处理工艺是淬火加人工时效。淬火加人工时效。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构10.3.1 活塞的传热结构活塞的传热结构 当活塞无油冷时，由燃气传入活塞的热量大部分经活塞环传给缸当活塞无油冷时，由燃气传入活塞的热量大部分经活塞环传给缸筒再传给冷却水或空气，小部分经裙部传给缸筒，经活塞内筒再
9、传给冷却水或空气，小部分经裙部传给缸筒，经活塞内壁面传给曲轴箱油雾。壁面传给曲轴箱油雾。活塞传热结构的设计目标，一是要降低活塞的热负荷程度，即降活塞传热结构的设计目标，一是要降低活塞的热负荷程度，即降低其最高温度和各处温差，二是要提高其热负荷承受能力。低其最高温度和各处温差，二是要提高其热负荷承受能力。降低活塞的热负荷采取的结构措施有：降低活塞的热负荷采取的结构措施有：1、尽可能减少顶部受热表面并避免凸起和尖角，从这个角度看来柴、尽可能减少顶部受热表面并避免凸起和尖角，从这个角度看来柴油机的直喷燃烧室不宜有缩囗。油机的直喷燃烧室不宜有缩囗。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结
10、构活塞的传热结构与导向结构2、将顶板和环区厚度加大并采用大、将顶板和环区厚度加大并采用大过渡圆角，以减少由顶面向环区过渡圆角，以减少由顶面向环区传热的热阻，这种热流型设计可传热的热阻，这种热流型设计可降低活塞顶部的温度和热应力。降低活塞顶部的温度和热应力。3、选取适当的火力岸高度，使第一、选取适当的火力岸高度，使第一道环的上止点位置不高于缸体水道环的上止点位置不高于缸体水套的上缘。套的上缘。4、裙部和活塞销座部分应有足够刚、裙部和活塞销座部分应有足够刚度，保证各环槽侧面不变形扭曲，度，保证各环槽侧面不变形扭曲，使活塞环能紧贴环槽侧面，这即使活塞环能紧贴环槽侧面，这即是封气封油所需要的，也是传热
11、是封气封油所需要的，也是传热所需要的。所需要的。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构 图图10-11活塞顶部壁厚及形状对顶部温度的影响活塞顶部壁厚及形状对顶部温度的影响10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构5、对热负荷很大的柴油机可采取油冷措施来降低活塞的热负荷，最简单的对热负荷很大的柴油机可采取油冷措施来降低活塞的热负荷，最简单的油冷措施是向活塞内壁喷油冷却，可以经连杆中的油道从连杆小头顶端油冷措施是向活塞内壁喷油冷却，可以经连杆中的油道从连杆小头顶端的油孔喷油（为此连杆轴瓦中间要开一道油槽）。也可通过固定
12、在机体的油孔喷油（为此连杆轴瓦中间要开一道油槽）。也可通过固定在机体上的喷嘴喷油，也可以在活塞顶部设环形油腔，强制送油冷却。上的喷嘴喷油，也可以在活塞顶部设环形油腔，强制送油冷却。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构6、mm的硬质层。这种氧化层的热强度高，有助于防止顶部热裂。有些直喷的硬质层。这种氧化层的热强度高，有助于防止顶部热裂。有些直喷式柴油机的活塞在燃烧室缩口处铸入铸铁护圈，以提高该局部的热强度。式柴油机的活塞在燃烧室缩口处铸入铸铁护圈，以提高该局部的热强度。这种护圈通常这种护圈通常 采用膨胀系数与铝合金接近的高镍奥氏体铸采用膨胀系数与铝合金
13、接近的高镍奥氏体铸 铁。此外，有的铝合金活塞采用整个活塞顶铁。此外，有的铝合金活塞采用整个活塞顶 和环区镶入铬钼钢薄层的结构，有的顶面喷和环区镶入铬钼钢薄层的结构，有的顶面喷 涂陶瓷，有的铸入陶瓷燃烧室镶块。这些措涂陶瓷，有的铸入陶瓷燃烧室镶块。这些措 施的共同特点是可以减少通过活塞的热流量，施的共同特点是可以减少通过活塞的热流量，从而降低铝合金本体的温度水平和各处温差。从而降低铝合金本体的温度水平和各处温差。至于高强化发动机用的铸铁活塞和以铸铁至于高强化发动机用的铸铁活塞和以铸铁 (或耐磨钢或耐磨钢)为顶部的组合活塞或活节活塞，为顶部的组合活塞或活节活塞，由于铸铁导热率低，必须油冷。由于铸铁
14、导热率低，必须油冷。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构10.3.2 活塞的导向结构活塞的导向结构活塞的导向作用靠裙部来完成。活塞的导向作用靠裙部来完成。一个好的导向设计应能使活塞配缸间隙小，而且在发动机变工况一个好的导向设计应能使活塞配缸间隙小，而且在发动机变工况范围内配缸间隙的变化也要小，这样才能最大限度地减轻活范围内配缸间隙的变化也要小，这样才能最大限度地减轻活塞对缸壁的撞击。另一方面，导向面又是摩擦面，应该既减塞对缸壁的撞击。另一方面，导向面又是摩擦面，应该既减摩
15、又耐磨。配缸间隙取多大，要以不发生拉毛为限。因此，摩又耐磨。配缸间隙取多大，要以不发生拉毛为限。因此，要想减少配缸间隙至少需要两个条件要想减少配缸间隙至少需要两个条件:1、发动机工作状态，裙部形状应接近于圆柱形、发动机工作状态，裙部形状应接近于圆柱形;2、裙部的热膨胀量要小。、裙部的热膨胀量要小。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构10.3.2.1 裙部形状分析裙部形状分析为使裙部形状在工作状态接近于圆柱形为使裙部形状在工作状态接近于圆柱形,就要考虑裙部在工作状态的变就要考虑裙部在工作状态的变形情况，反过来决定活塞裙部的冷态形状。形情况，反过来决定活
16、塞裙部的冷态形状。活塞裙部工作变形的总趋势是沿活塞销孔方向伸长，其原因是：活塞裙部工作变形的总趋势是沿活塞销孔方向伸长，其原因是：在侧向力的作用下有将裙部压扁而在销孔方向伸长的趋势，在侧向力的作用下有将裙部压扁而在销孔方向伸长的趋势，在燃气压力作用下活塞顶产生的弯曲变形，也使裙部在销座方向上有向在燃气压力作用下活塞顶产生的弯曲变形，也使裙部在销座方向上有向外扩长的趋势，外扩长的趋势，活塞头部温度较高，要向四周膨胀，而销座部分与头部的连接刚度远大活塞头部温度较高，要向四周膨胀，而销座部分与头部的连接刚度远大于裙部其它部位与头部的连接刚度，因此头部带着销座一起产生较大的于裙部其它部位与头部的连接刚
17、度，因此头部带着销座一起产生较大的膨胀，这也使沿销孔方向的伸长大于与其垂直的方向。膨胀，这也使沿销孔方向的伸长大于与其垂直的方向。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构上述三种原因引起的销孔方向的伸长是一致的，而且均随着发动机负荷的加上述三种原因引起的销孔方向的伸长是一致的，而且均随着发动机负荷的加大而加大。因此，活塞裙部横截面的冷态形状应该设计成一个椭圆形，大而加大。因此，活塞裙部横截面的冷态形状应该设计成一个椭圆形，椭圆的长轴在垂直于销孔的方向，短轴在销孔方向，其椭圆度椭圆的长轴在垂直于销孔的方向，短轴在销孔方向，其椭圆度(椭圆长轴椭圆长轴与短轴之
18、差与短轴之差)的大小应能使活塞裙部横截面在发动机满负荷工作下变成圆的大小应能使活塞裙部横截面在发动机满负荷工作下变成圆形。形。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构活塞工作温度沿活塞轴线活塞工作温度沿活塞轴线方向变化较大，火力岸方向变化较大，火力岸上端温度最高，裙部下上端温度最高，裙部下端温度最低，火力岸上端温度最低，火力岸上端的直径膨胀量最大，端的直径膨胀量最大，而裙部下端的直径膨胀而裙部下端的直径膨胀量最小。因此，为了使量最小。因此，为了使额定功率工况的活塞形额定功率工况的活塞形状近似于圆柱形，就必状近似于圆柱形，就必需使冷机时火力岸的直需使冷机时
19、火力岸的直径最小，同时裙部上端径最小，同时裙部上端的直径也应小于其下端。的直径也应小于其下端。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构常用的活塞裙部母线为图常用的活塞裙部母线为图(d)，活塞裙部叫椭圆桶形或椭圆腰鼓形。，活塞裙部叫椭圆桶形或椭圆腰鼓形。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构曲线曲线1表示活塞母线的冷态形状，表示活塞母线的冷态形状，曲线曲线1至横坐标轴的距离就至横坐标轴的距离就是活塞与缸筒的冷态半径间是活塞与缸筒的冷态半径间隙。曲线隙。曲线2至横坐标轴的距至横坐标轴的距离就是活塞的半径热膨胀量。离就
20、是活塞的半径热膨胀量。由曲线由曲线1减去曲线减去曲线2而得出的而得出的曲线曲线3就是活塞母线的热形就是活塞母线的热形状。曲线状。曲线4表示气缸孔母线表示气缸孔母线的热态位置，它与横坐标轴的热态位置，它与横坐标轴之间的距离就是气缸孔的半之间的距离就是气缸孔的半径伸缩量，因此，曲线径伸缩量，因此，曲线3和和4之间的距离就表示活塞和缸之间的距离就表示活塞和缸筒的热态半径间隙。筒的热态半径间隙。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构设计时使裙部中段设计时使裙部中段70%左右的热态形状接左右的热态形状接近于圆柱形，同时与气缸孔的热态间近于圆柱形，同时与气缸孔的热
21、态间隙合适，而两端略向内缩。裙部两端隙合适，而两端略向内缩。裙部两端内缩是为了活塞向上或向下运动时均内缩是为了活塞向上或向下运动时均能形成承载油膜，减轻摩擦与磨损，能形成承载油膜，减轻摩擦与磨损，同时由于这种活塞裙部与气缸孔的间同时由于这种活塞裙部与气缸孔的间隙小而两头内缩，减轻了活塞对缸壁隙小而两头内缩，减轻了活塞对缸壁的撞击。的撞击。活塞裙部热态的径向变形沿裙高也不一样，活塞裙部热态的径向变形沿裙高也不一样，裙部的椭圆度原则上也应沿裙部高度裙部的椭圆度原则上也应沿裙部高度有所变化。有所变化。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构活塞各部位与气缸活塞
22、各部位与气缸孔之间的间隙孔之间的间隙是不同的，一是不同的，一般把气缸直径般把气缸直径与活塞裙部直与活塞裙部直径最大尺寸径最大尺寸(在垂直于活在垂直于活塞销轴线方向塞销轴线方向的裙部中间或的裙部中间或下端附近下端附近)之之差称为差称为“配缸配缸间隙间隙”或或“名名义装配间隙义装配间隙”。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构10.3.2.2 裙部膨胀量的控制裙部膨胀量的控制发动机工况不同时活塞的热状态不同，按额定功率工况确定的活塞配发动机工况不同时活塞的热状态不同，按额定功率工况确定的活塞配缸间隙到了低速低负荷工况就变大了。为了减小噪声和保持良好缸间隙到
23、了低速低负荷工况就变大了。为了减小噪声和保持良好密封，宜使裙部膨胀量随工况的变化尽可能小些，也就是说要使密封，宜使裙部膨胀量随工况的变化尽可能小些，也就是说要使裙部的形状随温度的变化尽可能小些。为此，最常用的办法是在裙部的形状随温度的变化尽可能小些。为此，最常用的办法是在活塞中铸入钢片。活塞中铸入钢片。常用的结构有以下三种：常用的结构有以下三种：镶恒范钢片的活塞镶恒范钢片的活塞图图10-23(a)这种活塞是把两片或四片低膨胀钢片（含镍的低碳钢）垂直于销孔铸入这种活塞是把两片或四片低膨胀钢片（含镍的低碳钢）垂直于销孔铸入活塞销座中。这种活塞的配缸间隙小，工作平稳，但成本高，用于小轿活塞销座中。这
24、种活塞的配缸间隙小，工作平稳，但成本高，用于小轿车汽油机。车汽油机。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构自动调节活塞自动调节活塞图图10-23(b)，这，这种活塞把低碳钢片种活塞把低碳钢片镶在铝合金的内侧，镶在铝合金的内侧，利用双金属效应产利用双金属效应产生的弯曲来减小垂生的弯曲来减小垂直于销孔方向上的直于销孔方向上的膨胀量。这种弯曲膨胀量。这种弯曲随温度的提高而增随温度的提高而增大，故称为自动调大，故称为自动调节活塞。这种活塞节活塞。这种活塞也可减小配缸间隙，也可减小配缸间隙，成本低，用于部分成本低，用于部分汽油机。汽油机。10 活塞组件活塞组件1
25、0.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构镶筒形钢片活塞镶筒形钢片活塞在浇铸活塞时能使钢筒内产生压缩应力，铝外壳中在浇铸活塞时能使钢筒内产生压缩应力，铝外壳中产生拉伸应力，即铝合金外壳的实际收缩量远小于其自由收缩量，而裙产生拉伸应力，即铝合金外壳的实际收缩量远小于其自由收缩量，而裙部内壳在浇铸后的冷却过程中能够自由地向内收缩，使铝内壳外壁与钢部内壳在浇铸后的冷却过程中能够自由地向内收缩，使铝内壳外壁与钢筒内壁之间形成收缩缝隙。当发动机工作时，在不同的活塞温度水平下，筒内壁之间形成收缩缝隙。当发动机工作时，在不同的活塞温度水平下，将不同程度地减将不同程度地减小收缩缝隙和外小收缩缝隙
26、和外壳与钢筒中的残壳与钢筒中的残余应力，所以活余应力，所以活塞的热膨胀量远塞的热膨胀量远小于铝合金的自小于铝合金的自由膨胀量。由膨胀量。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构在一些老式汽油机或负荷不在一些老式汽油机或负荷不高的汽油机中，活塞裙部开高的汽油机中，活塞裙部开有纵向切槽，并与油环槽底有纵向切槽，并与油环槽底的横向切槽相连成的横向切槽相连成T字形或字形或字形。其中横向切槽起隔热字形。其中横向切槽起隔热作用，可减少传到裙部的热作用，可减少传到裙部的热量以降低裙部温度和热膨胀量以降低裙部温度和热膨胀量，并兼作泄油通路。纵向量，并兼作泄油通路。纵向切
27、槽则起弹性补偿作用，可切槽则起弹性补偿作用，可在冷态间隙较小的情况下减在冷态间隙较小的情况下减少高负荷工况拉缸的危险性。少高负荷工况拉缸的危险性。但横槽不利于降低环区的热但横槽不利于降低环区的热负荷，负荷，T形或形或形槽削弱了裙形槽削弱了裙部的刚度和强度。部的刚度和强度。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构活塞的传热结构与导向结构10.3.2.2 活塞的拉毛及其预防活塞的拉毛及其预防当活塞和缸壁之间有小片金属接触时，由于摩擦产生的高温使小片金当活塞和缸壁之间有小片金属接触时，由于摩擦产生的高温使小片金属熔接，而相对运动又将熔接处剪断，结果摩擦面就会变得粗糙属熔接，而相对运动
28、又将熔接处剪断，结果摩擦面就会变得粗糙并出现拉痕并出现拉痕这就是活塞的拉毛。这就是活塞的拉毛。产生拉毛的可能原因产生拉毛的可能原因当活塞环密封失效引起漏气增多，活塞过热，当活塞环密封失效引起漏气增多，活塞过热，油膜破坏时就会拉毛油膜破坏时就会拉毛;活塞裙部设计不当也会拉毛。实际上通过观活塞裙部设计不当也会拉毛。实际上通过观察裙部拉毛的位置可以分析并纠正裙部设计不当之处。如椭圆度察裙部拉毛的位置可以分析并纠正裙部设计不当之处。如椭圆度过大或配缸间隙过小，都会在活塞相应位置表面产生拉毛面。过大或配缸间隙过小，都会在活塞相应位置表面产生拉毛面。10 活塞组件活塞组件10.3 活塞的传热结构与导向结构
29、活塞的传热结构与导向结构在发动机磨合阶段缸壁表面和裙部表面会有较多的局部金属接触，因在发动机磨合阶段缸壁表面和裙部表面会有较多的局部金属接触，因此即使裙部设计正确磨合初期也可能拉毛。为减少磨合初期拉毛此即使裙部设计正确磨合初期也可能拉毛。为减少磨合初期拉毛的可能性，通常对裙部进行表面处理。最简单的办法是在裙部表的可能性，通常对裙部进行表面处理。最简单的办法是在裙部表面镀一层锡。由于锡层较软和对铸铁缸筒的摩擦系数较小，在活面镀一层锡。由于锡层较软和对铸铁缸筒的摩擦系数较小，在活塞和缸壁的各局部金属接触点上锡首先熔化而在活塞与缸筒之间塞和缸壁的各局部金属接触点上锡首先熔化而在活塞与缸筒之间起着某种
30、润滑作用，同时填充表面微观不平处，减少了局部接触起着某种润滑作用，同时填充表面微观不平处，减少了局部接触载荷和摩擦力，改善了磨合。裙部镀铅也有类似效果，只是铅的载荷和摩擦力，改善了磨合。裙部镀铅也有类似效果，只是铅的熔点略高于锡，宜用于热负荷高的活塞。近年来有些厂家在活塞熔点略高于锡，宜用于热负荷高的活塞。近年来有些厂家在活塞裙部喷涂石墨或二硫化钼，这二者都是较好的固体润滑剂，因而裙部喷涂石墨或二硫化钼，这二者都是较好的固体润滑剂，因而也能改善磨合，减少拉毛可能性和降低摩擦系数。也能改善磨合，减少拉毛可能性和降低摩擦系数。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活
31、塞销10.4.1 活塞销的刚度和尺寸活塞销的刚度和尺寸10.4.1.1活塞销刚度的重要性和尺寸选择活塞销刚度的重要性和尺寸选择 加在活塞上的气体作用力加在活塞上的气体作用力Pg和活塞的惯性力和活塞的惯性力Pjh都要通过活塞销座传给都要通过活塞销座传给活塞销，再由活塞销传给连杆。因此活塞销以及由活塞顶连到活活塞销，再由活塞销传给连杆。因此活塞销以及由活塞顶连到活塞销座的活塞传力结构中都产生交变应力和变形。塞销座的活塞传力结构中都产生交变应力和变形。设计要求设计要求:1、活塞销和销座部分有足够强度，不发生疲劳断裂、活塞销和销座部分有足够强度，不发生疲劳断裂;2、销座和销的轴承条件比压不超过轴承材料
32、的容许限度、销座和销的轴承条件比压不超过轴承材料的容许限度;3、销座部分的变形不能导致环槽侧面的变形扭曲，以免影、销座部分的变形不能导致环槽侧面的变形扭曲，以免影响环的密封和传热功能。响环的密封和传热功能。要满足这些要求，关键在于活塞销的刚度要好。要满足这些要求，关键在于活塞销的刚度要好。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销正值向下的（正值向下的（Pg+Pjh）作用在活塞组件上时，活塞销产生如图所示的弯曲变）作用在活塞组件上时，活塞销产生如图所示的弯曲变形，使销座跟着变形，至使销座受到的支反力形，使销座跟着变形，至使销座受到的支反力P成为不均匀的力。当活
33、塞销刚成为不均匀的力。当活塞销刚度小而弯曲变形较大时，在销座孔内侧上边缘处将产生很大的尖峰载荷，引度小而弯曲变形较大时，在销座孔内侧上边缘处将产生很大的尖峰载荷，引起很大的应力集中而可能产生向上扩展的疲劳裂纹。反之，负值向上的起很大的应力集中而可能产生向上扩展的疲劳裂纹。反之，负值向上的（Pg+Pjh）作用在活塞组件上时，）作用在活塞组件上时，活塞销产生两端上翘的弯曲变形，活塞销产生两端上翘的弯曲变形，相应的在销座孔内侧下边缘处将产生相应的在销座孔内侧下边缘处将产生很大的尖峰载荷，严重时会产生由销很大的尖峰载荷，严重时会产生由销座向下扩展的疲劳裂纹。活塞销的失座向下扩展的疲劳裂纹。活塞销的失圆
34、变形也会使活塞销孔产生很大的应圆变形也会使活塞销孔产生很大的应力。力。通常按照活塞销弯曲变形和失圆变形通常按照活塞销弯曲变形和失圆变形的要求来选择活塞销的直径。的要求来选择活塞销的直径。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销活塞销的刚度主要取决于外径，活塞销的刚度主要取决于外径，为减轻重量，通常把活塞销为减轻重量，通常把活塞销做成中空的。做成中空的。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销活塞销的长度可取为活塞销的长度可取为汽油机活塞裙部在销座孔
35、周汽油机活塞裙部在销座孔周围内凹，其活塞销长度围内凹，其活塞销长度相应较短。相应较短。活塞销的总承压面积为活塞销的总承压面积为d1(l-3)注：考虑到连杆小头的宽度注：考虑到连杆小头的宽度bA应比活塞的销座孔开应比活塞的销座孔开档距离档距离B短（短（2-4）mm10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销考虑销座孔不设衬套而小头孔加衬套，则活塞销比较合理的承压面积分配比考虑销座孔不设衬套而小头孔加衬套，则活塞销比较合理的承压面积分配比例大致为例大致为bH0.603(l-3)，bA0.397(l-3)，B=l-bH。以上初步选择了以上初步选择了d1、d2、l、bH
36、、bA之后，要进一步校核活塞销的弯曲变形和之后，要进一步校核活塞销的弯曲变形和失圆变形，销座孔和连杆小头最大条件比压，以及活塞销的应力，并根失圆变形，销座孔和连杆小头最大条件比压，以及活塞销的应力，并根据计算结果进行必要的调整。据计算结果进行必要的调整。10.4.1.2 活塞销的计算活塞销的计算活塞销的两种受力状况活塞销的两种受力状况压缩上止点后压缩上止点后10左右，缸内气体压强达到了最大值左右，缸内气体压强达到了最大值Pz，活塞加速度接，活塞加速度接近于近于r2(1+)，可以近似认为此时活塞销两端和中段的载荷各为：，可以近似认为此时活塞销两端和中段的载荷各为：10 活塞组件活塞组件10.4
37、活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销进、排气上止点时，缸内气压力与曲轴箱内气压力之差很小，可以近似进、排气上止点时，缸内气压力与曲轴箱内气压力之差很小，可以近似认为：认为：10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销由于第一种情况下由于第一种情况下PHmaxPAmax，第二种情况下，第二种情况下PAmaxPHmax，所以图，所以图示的简化受力模型是偏于安全的。示的简化受力模型是偏于安全的。由此受力模型得出活塞销的弯曲变形由此受力模型得出活塞销的弯曲变形f和失圆变形各为和失圆变形各为d：E是活塞销材料弹是活塞销材料弹性模数，性模数，Jx是活塞是活塞销横截面
38、对销横截面对x-x的的惯性矩。惯性矩。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销由上述公式可见，活塞销尺寸变化对由上述公式可见，活塞销尺寸变化对f和和d的影响是不一样的。在外的影响是不一样的。在外径不变的情况下减小内径，即增加壁厚，径不变的情况下减小内径，即增加壁厚，d大幅度下降而大幅度下降而f也明也明显减小显减小;增大外径而保持壁厚不变，则增大外径而保持壁厚不变，则f减小而减小而d增大增大;加大外径加大外径同时增加壁厚则同时增加壁厚则f和和d都减小。都减小。销座孔和连杆小头衬套的条件比压各为：销座孔和连杆小头衬套的条件比压各为：如比压大于许用比压，可在销座孔
39、内镶入青铜衬套。如比压大于许用比压，可在销座孔内镶入青铜衬套。二冲程发动机不存在负向的二冲程发动机不存在负向的PH和和PA，负荷强化程度高的四冲程发动机，负荷强化程度高的四冲程发动机，其正向的其正向的PH和和PA数值也比负向的数值也比负向的PH和和PA大得多。大得多。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销对于这些发动机，有时采用斜切的或阶梯形的销座，配以楔形或阶梯对于这些发动机，有时采用斜切的或阶梯形的销座，配以楔形或阶梯形连杆小头，以增加销座孔和连杆小头孔的承压面积。形连杆小头，以增加销座孔和连杆小头孔的承压面积。一般说来，满足了刚一般说来，满足了刚度要
40、求和条件比压要度要求和条件比压要求的活塞销不存在强求的活塞销不存在强度问题。度问题。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销10.4.2 活塞的传力结构活塞的传力结构为了尽可能直接地将活塞顶上的气压力传至活塞销座部分而减轻对环区形成弯矩的为了尽可能直接地将活塞顶上的气压力传至活塞销座部分而减轻对环区形成弯矩的作用，在活塞顶板和活塞销座之间均有加强筋相连。作用，在活塞顶板和活塞销座之间均有加强筋相连。最常见的是双筋结构最常见的是双筋结构在销座正上方形成一个凹穴，使销座具有一定的弹性，以在销座正上方形成一个凹穴，使销座具有一定的弹性，以适应活塞销的变形，适应活塞
41、销的变形，而减小销座内边缘的而减小销座内边缘的 尖峰载荷。铸造铝合尖峰载荷。铸造铝合 金活塞一般都采用这金活塞一般都采用这 种结构。在销座及加种结构。在销座及加 强筋与活塞的裙部、强筋与活塞的裙部、环部和顶板之间都要环部和顶板之间都要 有较大的圆弧过渡以有较大的圆弧过渡以 减少应力集中。减少应力集中。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销锻造铝合金活塞只能采用整块加强筋，锻造铝合金活塞只能采用整块加强筋，其刚度较大。有些强化柴油机的其刚度较大。有些强化柴油机的铸造活塞也用这种结构。为减轻铸造活塞也用这种结构。为减轻其边缘载荷，由销座孔边缘最高其边缘载荷，由
42、销座孔边缘最高点至顶板应有一定的点至顶板应有一定的“弹性长度弹性长度”s。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销由于活塞高度的减小使弹性长度不能满足要求时，可以采用将销由于活塞高度的减小使弹性长度不能满足要求时，可以采用将销座孔内边缘适当倒角的办法来降低边缘载荷。座孔内边缘适当倒角的办法来降低边缘载荷。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销销座的外圆直径通常取为销座的外圆直径通常取为(1.4-1.6)d1，有些强化柴油机的活塞销座呈，有些强化柴油机的活塞销座呈不等厚的环状，其外圆中心线向活塞顶部偏大约不等厚的环状，其外
43、圆中心线向活塞顶部偏大约1mm，以加强受力，以加强受力较大的销座上半部。较大的销座上半部。四冲程发动机活塞销座下方通常钻有四冲程发动机活塞销座下方通常钻有1-2个油孔。由于活塞销在一个工个油孔。由于活塞销在一个工作循环中多次反复受正向和负向的作循环中多次反复受正向和负向的PH作用，使它在销座孔内不断上作用，使它在销座孔内不断上下变位，所产下变位，所产 生的泵吸作用生的泵吸作用 足以把机油吸足以把机油吸 进销座，保证进销座，保证 销座和活塞销销座和活塞销 之间的润滑。之间的润滑。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销二冲程发动机的活塞销总是紧靠销座的上半部，
44、没有泵油作用，二冲程发动机的活塞销总是紧靠销座的上半部，没有泵油作用，需对销座强制供油润滑。需对销座强制供油润滑。高速车用发动机活塞销孔的中心线通常不与活塞中心线相交，而高速车用发动机活塞销孔的中心线通常不与活塞中心线相交，而是向主推力面方向是向主推力面方向mm 负偏置。这种负偏负偏置。这种负偏 置可使活塞在改换置可使活塞在改换 推力面时先斜后摆，推力面时先斜后摆，减轻了对缸筒的撞减轻了对缸筒的撞 击。击。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销10.4.3 活塞销的结构与材料活塞销的结构与材料10.4.3.1 活塞销与销座的配合及轴向定位活塞销与销座的配合
45、及轴向定位活塞销与销孔的精确配合，由于材料及热膨胀系数不同，在工作温度活塞销与销孔的精确配合，由于材料及热膨胀系数不同，在工作温度下两者的配合将变松。因此二者在冷态装配时只能有很小的间隙，下两者的配合将变松。因此二者在冷态装配时只能有很小的间隙，或者没有间隙而有少量过盈。或者没有间隙而有少量过盈。控制冷态间隙和过盈量的方法：采用分组选配。过盈配合要在装配时控制冷态间隙和过盈量的方法：采用分组选配。过盈配合要在装配时将活塞放入热水中加热。将活塞放入热水中加热。根据活塞销与连杆小头的配合，将活塞销分为：根据活塞销与连杆小头的配合，将活塞销分为：全浮式全浮式工作状态销与销孔、小头衬套孔之间都有间隙。
46、销两端用卡工作状态销与销孔、小头衬套孔之间都有间隙。销两端用卡环定位，销与卡环之间有轴向间隙。环定位，销与卡环之间有轴向间隙。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销半浮式半浮式销与连杆之间过盈配合或用螺钉夹紧，销与销孔冷态为间隙销与连杆之间过盈配合或用螺钉夹紧，销与销孔冷态为间隙配合。优点是省掉衬套、卡环，小头宽度可减小，使销座承载长度增大，配合。优点是省掉衬套、卡环，小头宽度可减小，使销座承载长度增大，降低销座比压，销弯曲刚度大，活塞变形小，噪音低，零件少，工艺性降低销座比压，销弯曲刚度大，活塞变形小，噪音低，零件少，工艺性好，事故少，但加工精度要求高，
47、拆装不方便，销孔的润滑要强制，开好，事故少，但加工精度要求高，拆装不方便，销孔的润滑要强制，开设油孔。设油孔。10.4.3.2活塞销材料及热处理活塞销材料及热处理 对活塞销材料的要求：芯部具有韧性以抗冲击，工作表面硬而耐磨，对活塞销材料的要求：芯部具有韧性以抗冲击，工作表面硬而耐磨，以承受很大的交变冲击载荷、润滑困难的情况。以承受很大的交变冲击载荷、润滑困难的情况。材料：低碳钢或低碳低合金钢。材料：低碳钢或低碳低合金钢。热处理：外表面渗碳淬火，硬度热处理：外表面渗碳淬火，硬度HRC58-65，mm。10 活塞组件活塞组件10.4 活塞的传力结构与活塞销活塞的传力结构与活塞销经疲劳试验证实：当活
48、塞销内、外表面同时经疲劳试验证实：当活塞销内、外表面同时渗碳淬火时，强度可提高渗碳淬火时，强度可提高15%-20%。10 活塞组件活塞组件10.5 活塞的密封结构与活塞环活塞的密封结构与活塞环活塞环的作用活塞环的作用气环的主要作用气环的主要作用气环与活塞配合一起密封气缸工作腔，在实气环与活塞配合一起密封气缸工作腔，在实现密封的条件下，环的另一作用是将活塞头部的热量导出。现密封的条件下，环的另一作用是将活塞头部的热量导出。油环的主要作用油环的主要作用是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并将多余是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并将多余的机油从缸壁上刮下来以减少机油上窜量。的机油从缸壁上刮下来以减少机油上窜
49、量。10.5.1 气环及活塞头部环槽、环岸的设计气环及活塞头部环槽、环岸的设计10.5.1.1 气体密封机理气体密封机理 防止缸内气体泄漏的根本办法是尽可能地减小漏气通路加大漏气阻力。防止缸内气体泄漏的根本办法是尽可能地减小漏气通路加大漏气阻力。10 活塞组件活塞组件10.5 活塞的密封结构与活塞环活塞的密封结构与活塞环一要靠活塞环一要靠活塞环(气环气环)的环周面与缸壁紧密贴合形成的环周面与缸壁紧密贴合形成所谓第一密封面，二要靠气环的一个侧面与环所谓第一密封面，二要靠气环的一个侧面与环槽的一个侧面紧密贴合形成所谓第二密封面。槽的一个侧面紧密贴合形成所谓第二密封面。气环的自身气环的自身弹力对缸壁
50、弹力对缸壁形成一定的形成一定的径向压力径向压力p0是保证形成是保证形成第一密封面第一密封面的首要条件。的首要条件。10 活塞组件活塞组件10.5 活塞的密封结构与活塞环活塞的密封结构与活塞环环系中气压力的降低环系中气压力的降低10 活塞组件活塞组件10.5 活塞的密封结构与活塞环活塞的密封结构与活塞环在一个工作循环中活塞环在环槽中总会有上下游动，有时处于中间悬在一个工作循环中活塞环在环槽中总会有上下游动，有时处于中间悬浮状态。这浮状态。这 是由于作用是由于作用 在活塞环上在活塞环上 的气压力的气压力Pg，摩擦力摩擦力Pf以以 及环的惯性及环的惯性 力力Pj的大小的大小 和方向都在和方向都在 变