第八章 活塞組設(shè)計(jì)

1、2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章第八章第八章 活塞組設(shè)計(jì)活塞組設(shè)計(jì) 第一節(jié)活塞組的工作條件活塞組的工作條件第二節(jié) 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料第三節(jié)活塞的傳熱和耐熱設(shè)計(jì)活塞的傳熱和耐熱設(shè)計(jì)第四節(jié) 活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷第五節(jié) 活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)第六節(jié) 活塞的密封設(shè)計(jì)與活塞環(huán)活塞的密封設(shè)計(jì)與活塞環(huán)2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章第一節(jié)活塞組的工作條件活塞組的工作條件 1、承壓：汽油機(jī)、承壓：汽油機(jī) 46MPa 柴油機(jī)柴油機(jī) 69MPa 增壓柴油機(jī)增壓柴油機(jī) 15MPa2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞組的工作條件（續(xù)）活塞組的工作條件（續(xù)） 2、高溫：活塞最高燃燒溫

2、度達(dá)2000左右，循環(huán)平均有效傳熱溫度也在800左右。 2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞組的工作條件（續(xù)）活塞組的工作條件（續(xù)）3、密封（形成燃燒空間）4、導(dǎo)向（進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)）5、輕巧（降低往復(fù)慣性力）2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞頂部燒裂燒熔2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章頂燒穿原出：點(diǎn)火過年或爆震；非正常燃燒；燃燒壓力過大2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章環(huán)區(qū)過熱燒傷或拉傷原因：、燃燒溫度過高或冷卻不足而出現(xiàn)局部熱點(diǎn)使金屬粘結(jié)在缸缸壁上；2、缺油； 、活塞環(huán)槽與環(huán)的配備間隙過小。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章環(huán)岸損壞原因：、活寒環(huán)折斷使環(huán)岸損壞；、環(huán)與環(huán)槽間隙過大。20

3、06-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章環(huán)折斷原因：裝配不當(dāng)；環(huán)與槽配合間隙過大或過??；環(huán)與槽磨損；活塞環(huán)熱應(yīng)力過大。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章第二節(jié) 活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料 活塞結(jié)構(gòu)尺寸如圖所示。中高速內(nèi)燃機(jī)最常用的是整體鑄造或鍛造的鋁合金活塞。關(guān)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(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)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機(jī)柴油機(jī)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內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料（續(xù)）活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料（續(xù)） 汽油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷均較低，所以比柴油機(jī)活塞更加輕巧。 柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)是單位活塞面積功率。統(tǒng)計(jì)資料如下：（kw/cm2）活塞結(jié)構(gòu)0.2無冷卻整體式鋁合金活塞0.20.3噴油冷卻整體式鋁合金活塞0.3頭部設(shè)冷卻油腔整體式鋁合金活塞FP2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞的結(jié)構(gòu)型式與材料（續(xù)）活塞的結(jié)構(gòu)型式與材料（續(xù)） 缸徑較大的柴油機(jī)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(jié)構(gòu)：活塞銷鉸接的組合活塞。 2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章新型結(jié)構(gòu)：活

5、塞銷鉸接的組合活塞。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞材料 活塞材料：應(yīng)有小的密度、足夠的高溫強(qiáng)度、高的導(dǎo)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）。 活塞常用鋁合金。 共晶鋁硅合金：含1113硅，工藝性好、成本低、綜合性能滿意，應(yīng)用最廣泛。 過共晶鋁硅合金：含1719硅，耐熱、耐磨、線脹系數(shù)小，但工藝性變差。用于高熱負(fù)荷的強(qiáng)化柴油機(jī)中。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)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(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章第三節(jié)第三節(jié) 活塞的傳熱和耐熱設(shè)計(jì)活塞的傳熱和耐熱設(shè)計(jì)活塞熱流：活塞熱流：活塞頂活塞環(huán)氣缸冷卻介質(zhì)活塞頂

6、活塞內(nèi)壁曲軸箱活塞頂活塞裙部氣缸冷卻介質(zhì)2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)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(shè)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116a）與第一道活塞環(huán)槽鑲?cè)B在一起的燃燒室喉口護(hù)圈結(jié)構(gòu)（圖116b）整個(gè)活塞頂和環(huán)區(qū)鑲?cè)脬t鉬鋼防護(hù)層的結(jié)構(gòu)（圖116c）2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞頂（續(xù)） 用陶瓷強(qiáng)化鋁合金復(fù)合材料強(qiáng)化環(huán)槽和燃燒室縮口（圖117）2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章2、活塞頭部斷面 汽油機(jī)活塞頭部壁厚在滿足強(qiáng)度條件下盡量要薄。 柴油機(jī)活塞頭部斷面為了傳熱做得相當(dāng)厚實(shí)，從頂部到環(huán)帶有很大的過渡圓角

7、R（圖113a）。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章3、火力岸高度 一般經(jīng)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(dāng)?shù)谝画h(huán)的溫度不應(yīng)超過240。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章4、噴油冷卻0.2kw/cm2時(shí)，應(yīng)噴油冷卻。 噴油方式： （1） 連桿連桿小頭噴油 （2） 機(jī)體內(nèi)壁上噴油FP2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章噴油冷卻（續(xù)） 噴油冷卻活塞環(huán)帶鉆有4個(gè)冷卻孔，冷卻效果顯著。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章5、冷卻油腔0.3kw/cm2時(shí)，加冷卻油腔。FP2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章冷卻油腔（續(xù)） 最近開發(fā)了一種中空環(huán)槽鑲?cè)Φ幕钊?，活塞冷卻效果更好。使第一環(huán)槽的

8、溫度下降了25以上。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章第四節(jié) 活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷活塞的傳力設(shè)計(jì)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(nèi)燃機(jī)所有零件中最高的。且相對運(yùn)動(dòng)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(shí)的間隙，冷態(tài)為過盈配合。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷（續(xù)）活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷（續(xù)） 對氣壓力負(fù)荷很高的柴油機(jī)來說，結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮消除應(yīng)力集中的措施。如圖1110所示。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷（續(xù)）活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷（續(xù)） 活塞銷采用空心管狀結(jié)

9、構(gòu)，高強(qiáng)度鋼、表面淬火、高精度磨光。 在強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)中，銷座孔中加工卸荷槽（圖1111）。 2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷（續(xù)）活塞的傳力設(shè)計(jì)和活塞銷（續(xù)） 增壓柴油機(jī)中，采用斜切的或階梯形的銷座（圖1112）。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞銷活塞銷2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章第五節(jié) 活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì) 導(dǎo)向設(shè)計(jì)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(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)（續(xù)）活塞的導(dǎo)

10、向設(shè)計(jì)（續(xù)）對有的汽油機(jī)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(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章第六節(jié) 活塞的密封設(shè)計(jì)與活塞環(huán)活塞的密封設(shè)計(jì)與活塞環(huán) 設(shè)計(jì)目標(biāo)：既要防止氣體泄漏，又要潤滑刮油。 一般要求漏氣量0.5% 機(jī)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(jī)理（已在內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造課程中介紹了） 2、活塞環(huán)的斷面形狀2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章活塞的密封設(shè)計(jì)與活塞環(huán)（續(xù)）活塞的密封設(shè)計(jì)與活塞環(huán)（續(xù)） 矩形環(huán)矩形環(huán)（圖1118a）（第一環(huán)） 、桶面環(huán)桶面環(huán)（圖1118b）、錐面錐面環(huán)環(huán)（圖1118c）（第二、三環(huán)） 、梯形環(huán)梯形環(huán)（圖1118d）（第一環(huán)） 、扭曲環(huán)扭曲環(huán)（圖1118e）（第二、三環(huán)） 、反扭曲環(huán)反扭曲環(huán)（圖1118f）。2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)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(yīng)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23mm之間，最小極限為1.5mm。D/t=2325。S0/t=3.53.72006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章4、活塞環(huán)的徑向壓力分布（1）均勻分布（圖1119a）（2）梨形分布（圖1119b）2006-3-27內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三章5、油環(huán)設(shè)