第六章 活塞組設(shè)計(jì)

第六章活塞組設(shè)計(jì)1 機(jī)械負(fù)荷以缸徑100的高速柴油機(jī)為例 若爆發(fā)壓力為80bar時(shí) 活塞承受的最大壓力約為6噸 最大往復(fù)慣性力約為1噸 一 活塞組工作條件 2 熱負(fù)荷現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)瞬時(shí)高溫可達(dá)2000 2500 為保證活塞工作可靠 通常應(yīng)限制各部位溫度 活塞頂溫度 中大缸徑中速柴油機(jī)鑄鐵活塞 400 450 中大缸徑中速柴油機(jī)鋁合金活塞 400 高速機(jī)鋁合金活塞 300 350 第一環(huán)槽溫度 200 225 潤滑油結(jié)焦溫度 銷座溫度限制在 170 200 左右 二 活塞組設(shè)計(jì)要求1 選用熱強(qiáng)度好 耐疲勞 高溫屈服點(diǎn)高 耐磨 密度小 熱膨脹系數(shù)小 導(dǎo)熱性好 工藝良好的材料 2 活塞有合理的形狀和壁厚 使散熱良好 強(qiáng)度剛度符合要求 盡量減輕質(zhì)量 避免應(yīng)力集中 3 在不增加活塞組的摩擦損失的情況下 保證燃燒室密封性好 竄氣 竄油少 在降低機(jī)油耗條件下 保證滑動(dòng)面上有足夠的潤滑油 4 不同工況下能保持活塞與缸套的最佳配合 減輕活塞敲擊和缸套振動(dòng) 6 1活塞設(shè)計(jì)1 活塞頂2 頂岸3 環(huán)帶4 裙部5 加強(qiáng)筋6 第一環(huán)岸7 活塞銷座 1 活塞環(huán)側(cè)隙 2 活塞環(huán)背隙活塞各部位名稱 一 活塞頭部設(shè)計(jì) 1 頂岸高度h1 對于非冷卻活塞 整個(gè)活塞環(huán)傳熱占活塞總吸熱量70 80 左右 其中第一環(huán)傳熱占活塞總吸熱量的25 30 占大部分 活塞本身占10 20 機(jī)油10 左右 因此頂岸高度h1應(yīng)保證活塞在上止點(diǎn)時(shí)第一環(huán)位于水套的冷卻水腔位置 2 環(huán)帶高度h2 由環(huán)的數(shù)量 環(huán)高 環(huán)槽肩高決定 加強(qiáng)第一環(huán)槽的措施 1 降低熱負(fù)荷 減少熱流量 活塞頂噴涂絕熱陶瓷 設(shè)置隔熱槽等 改善傳熱 活塞內(nèi)腔采用大圓角 適當(dāng)減小活塞頭部與缸孔間間隙 為此有時(shí)要在頭部加工細(xì)槽以防結(jié)焦 拉缸 加強(qiáng)冷卻 噴油冷卻等 2 提高耐磨性和強(qiáng)度 采用纖維增強(qiáng)金屬 Fiber ReinforcedMetal FRM 復(fù)合材料活塞 第一環(huán)槽鑲耐磨鑲?cè)Φ却胧?3 上裙高度h3 應(yīng)使環(huán)槽位置盡量處于活塞銷座外徑的上方 以避免開有環(huán)槽而削弱銷座強(qiáng)度 同時(shí)也避免在壁厚不均勻區(qū)開設(shè)環(huán)槽 引起環(huán)槽不均勻變形 影響環(huán)的正常工作 二 活塞裙部設(shè)計(jì)1 裙部高度H2由兩部分構(gòu)成h3 h4 裙部高度需考慮以下因素 1 活塞側(cè)壓力對裙部比壓的要求 2 裙部尺寸分配對活塞工作的影響 活塞的擺動(dòng) 磨損 3 總體布置的要求 活塞在下止點(diǎn)時(shí)油環(huán)是否脫落出氣缸孔 曲軸平衡塊是否與裙部相碰 連桿在最大擺角時(shí)是否與裙部相碰等 2 裙部形狀 可以看出 為保證使用性能 活塞應(yīng)頭部小 裙部大 裙部應(yīng)設(shè)計(jì)成桶形型面 且其截面應(yīng)為橢圓形 平行于活塞銷座方向?yàn)闄E圓短軸 為保證活塞與氣缸間的間隙在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況下都比較理想 通常還需采取如下措施控制裙部膨脹 在活塞承壓面?zhèn)扔铜h(huán)環(huán)槽處開橫向絕熱槽 減少來自活塞頂部的傳熱 鑲鑄熱膨脹系數(shù)小的材料以減小銷座處的熱膨脹 尤其是垂直于銷軸方向的膨脹 三 活塞銷座 活塞銷座設(shè)計(jì)應(yīng)注意減小銷座的尖峰負(fù)荷和應(yīng)力集中 常用措施有 1 減小活塞銷的彈性變形 增加其剛性 采用斜形銷座結(jié)構(gòu) 2 采用彈性銷座結(jié)構(gòu) 采用雙斜加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu) 3 銷孔的形狀 孔口倒角或倒圓 適當(dāng)加大銷與銷孔的配合間隙 或采用由外向內(nèi)逐步擴(kuò)大的錐孔以適應(yīng)彎曲變形時(shí)保持良好配合間隙的要求 一 氣體的密封 6 2活塞的密封與活塞環(huán) 氣環(huán)的徑向彈力 0 1 0 2MPa油環(huán)徑向彈力 單體環(huán)0 15 0 3MPa帶波形板式襯簧0 6 0 8MPa帶螺旋襯簧 0 8MPa 二 活塞環(huán)的作用與設(shè)計(jì)要求1 活塞環(huán)的作用 保證活塞與氣缸壁間的有效密封 冷卻散熱 非冷卻活塞經(jīng)活塞環(huán)散熱量占活塞全部吸收熱量的60 70 導(dǎo)向 刮油 布油2 活塞環(huán)設(shè)計(jì)要求 密封性好保證活塞與氣缸壁間的有效密封 磨合性好磨合時(shí)間短 磨合期磨損量盡可能小 對機(jī)油有較好的控制調(diào)節(jié)能力 有良好的抗磨 減摩性能有較強(qiáng)的抗熔著磨損能力和抗結(jié)焦能力 有效防止拉缸 摩擦損失小 三 氣環(huán)結(jié)構(gòu)1 氣環(huán)斷面形狀 矩形環(huán)早期內(nèi)燃機(jī)使用 工藝簡單 但磨合性能差 活塞晃動(dòng)時(shí)會(huì)向上泵油 使機(jī)油耗上升 并造成燃燒室積碳 現(xiàn)在汽油機(jī)上用的矩形環(huán)為開槽環(huán) 如圖a所示 有的大功率柴油機(jī)上用的矩形環(huán)則采用了噴鉬 鑲銅等措施改善磨合性能 如圖b c所示 用于第一道環(huán) 在高強(qiáng)載度發(fā)動(dòng)機(jī)上很少應(yīng)用 桶面環(huán)上下行都能形成潤滑油膜 潤滑良好 磨損減少 在短活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上對活塞搖晃的適應(yīng)性好 無棱緣負(fù)荷 與氣缸接觸面小 對缸套適應(yīng)性好 密封性提高 磨合性好 強(qiáng)載度大的發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用 作為第一道環(huán) 梯形環(huán)兩側(cè)面成15 頂角 工作時(shí)間隙變化 有利于機(jī)油更新 抗膠粘能力特別好 用于高熱負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī) 高強(qiáng)載發(fā)動(dòng)機(jī)采用時(shí)也把側(cè)面做成桶面 用于第一道氣環(huán) 半梯形環(huán) 單面梯形環(huán) 木契形環(huán) 上側(cè)面加工成7 的斜面 工作時(shí)產(chǎn)生正扭曲 可改善磨合性能 降低機(jī)油耗L形環(huán)扭曲較大 主要用于二沖程汽油機(jī) 環(huán)向上移使狹隙容積減小 可改善排放 活塞頂至環(huán)的熱流出路短 能使活塞的溫度下降 環(huán)彈力較小 主要利用燃?xì)獗硥好芊?摩擦損失小 錐面環(huán)錐面錐度在30 1 30 之間 克服了矩形環(huán)磨合期長的缺點(diǎn) 活塞上行時(shí)容易形成油膜 活塞下行時(shí)能起刮油作用 錐角過大會(huì)降低二次密封效果 影響密封 且串油嚴(yán)重 一般用于第二 三道環(huán) 在有的汽油機(jī)上用于第一道環(huán)時(shí)表面鍍鉻 正扭曲環(huán)在斷面的上內(nèi)側(cè)或下外側(cè)切口使斷面形狀不對稱 使用時(shí)產(chǎn)生碟狀的正扭曲 最大扭轉(zhuǎn)角一般不超過1 磨合性好 密封性改善 下行時(shí)刮油能力好 下外側(cè)切成鼻形 刮油能力更好 一般用做第二 三道氣環(huán) 桶面正扭曲環(huán)也可以用作第一道環(huán) 反扭曲環(huán)在斷面的上外側(cè)或下內(nèi)側(cè)倒角 使斷面不對稱 使用時(shí)產(chǎn)生蓋形反扭曲 扭轉(zhuǎn)角在15 60 左右 錐面錐角在1 以上 一般在5 10 之間 優(yōu)點(diǎn)同正扭曲環(huán) 但防串油能力差 一般用于油環(huán)上面的那道氣環(huán) 注 凡是斷面形狀不對稱的環(huán) 都有方向性 裝配時(shí)都不能裝反 2 氣環(huán)的切口 3 氣環(huán)參數(shù)選擇 徑向厚度t 影響徑向平均壓力 環(huán)的應(yīng)力 一般為 1 22 1 30 D 自由開口尺寸S0 影響安裝應(yīng)力 工作應(yīng)力的相對大小 一般S0 2 5 3 5 t 安裝時(shí)的開口間隙為8t 工作時(shí)開口間隙S 應(yīng)保證活塞環(huán) 缸套在工作狀態(tài)下受熱膨脹時(shí)不發(fā)生干涉 室溫下S 1 200 1 250 D 環(huán)高h(yuǎn) 在確保密封 散熱的情況下盡量小 可以較好適應(yīng)氣缸不均勻磨損與變形 克服棱緣磨損 活塞環(huán)的慣性力小 可減輕對環(huán)槽的沖擊 以及環(huán)在環(huán)槽內(nèi)懸浮狀態(tài)下的漏氣 減小徑向力 減小與氣缸的接觸面積 降低摩擦損失 改善磨合性能 一般h 1 30 1 60 D 徑向壓力分布 有高點(diǎn)環(huán) 均壓環(huán) 低點(diǎn)環(huán)三種 如圖所示 均壓環(huán)使用過程中磨損后 環(huán)周壓力分布會(huì)發(fā)生變化 在開口兩側(cè)約30 范圍內(nèi)呈現(xiàn)壓力降低 漏光現(xiàn)象 影響密封性 為此高速內(nèi)燃機(jī)應(yīng)采用壓力分布呈梨形的高點(diǎn)環(huán) 二沖程內(nèi)燃機(jī)采用不定位活塞環(huán)時(shí) 為避免環(huán)端彈入氣口使環(huán)折斷均用壓力分布呈蘋果形的低點(diǎn)環(huán) 某些強(qiáng)化四沖程柴油機(jī)為克服環(huán)開口處壓力過高所造成的拉缸問題 也用低點(diǎn)環(huán) 四 油環(huán)結(jié)構(gòu) 1 普通單體油環(huán) 2 加襯簧的油環(huán) 與單體式油環(huán)相比 借助彈簧的彈力來提高徑向壓力 提