内燃机构造与设计 10.1 概述 1.活塞组件组成：包括活塞、活塞销、活塞环、卡环 2.运动方式：作上下变速往复运动 3.作用：与气缸组成封闭的燃烧室，保证发动机工质的可靠密封 4.工作特点：工作温度高，机械负荷大，高速滑动，润滑不良，磨损严重等，影响发动机的工作可靠性与使用耐久性。 5.活塞组件设计的目的：提高活塞组零件的工作可靠性和耐久性。 10.1 概述 6.活塞组件的工作条件 机械负荷：气体作用力、往复惯性力、侧压力 热负荷：高温燃气 磨损：润滑不良，高速滑动  7.活塞组件主要设计要求 足够的强度和刚度 质量小 温度水平低 气缸密封良好 良好的润滑油膜 减小配缸间隙 较高的耐磨性和抗拉毛性 考虑传力、传热、导向、密封、轻重和减摩耐磨六个方面。 10.1 概述 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。 10.2 活塞的结构型式与材料 max.book118.com式及主要尺寸比例 结构型式 整体铸造的铝合金活塞（柴油机活塞）————汽车发动机常用  10.2 活塞的结构型式与材料 整体锻造的铝合金活塞（汽油机活塞）————汽车发动机常用  10.2 活塞的结构型式与材料 钢顶铝裙的组合活塞————高强化发动机  活节活塞————高强化发动机 10.2 活塞的结构型式与材料 主要尺寸符号 总高度H 压缩高度H1 裙部高度H3 顶板厚度δ 火力岸高度h 第一道环岸高度c1 活塞销偏置距e 活塞销直径d1 销座间距B’ 活塞销中心线以下的裙部高度H2  10.2 活塞的结构型式与材料 符号见表 10.2 活塞的结构型式与材料 max.book118.com材料 对活塞材料的要求： 热强度高，在高温下有足够的机械性能 导热性好，吸热性差 膨胀系数小 比重小 良好的减摩性能，耐磨，耐蚀 工艺性好，价廉 活塞的材料： 铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁 特点：耐热性、耐蚀性好，膨胀系数小，热强度高，成本低，工艺性好，比重大，导热性差 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油机。 耐热钢 强度高，用作组合活塞的顶部，用于强化的柴油机中。 10.2 活塞的结构型式与材料 铝合金：铝铜合金、共晶铝硅合金、过共晶铝硅合金 特点：比重小，惯性小，导热性好，温度场均匀，热应力小，高温时强度、硬度下降较快，使结构设计复杂，成本高。    无论是铸造铝合金活塞还是锻造铝合金活塞，在成形之后都必须进行热处理，以提高其强度并保证其尺寸的稳定性。常用的热处理工艺是淬火加人工时效。 10.3 活塞的传热结构与导向结构 max.book118.com 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筒再传给冷却水或空气，小部分经裙部传给缸筒，经活塞内壁面传给曲轴箱油雾。 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。 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，从这个角度看来柴油机的直喷燃烧室不宜有缩囗。 10.3 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，使第一道环的上止点位置不高于缸体水套的上缘。 4、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，使活塞环能紧贴环槽侧面，这即是封气封油所需要的，也是传热所需要的。 10.3 活塞的传热结构与导向结构    图10-11活塞顶部壁厚及形状对顶部温度的影响 10.3 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。 10.3 活塞的传热结构与导向结构 6、为了提高活塞承受热负荷的能力,有些铝合金活塞顶面采用硬质阳极氧化处理，形成厚0.075-0.1mm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。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    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    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，    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   (或耐磨钢)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。 10.3 活塞的传热结构与导向结构 10.3 活塞的传热结构与导向结构 max.book118.com 活塞的导向结构 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:  1、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。 10.3 活塞的传热结构与导向结构 max.book118.com.1 裙部形状分析 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形情况，反过来决定活塞裙部的冷态形状。 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： 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膨胀，这也使沿销孔方向的伸长大于与其垂直的方向。 10.3 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(椭圆长轴与短轴之差)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形。 10.3 活塞的传热结构与导向结构 活塞工作温度沿活塞轴线方向变化较大，火力岸上端温度最高，裙部下端温度最低，火力岸上端的直径膨胀量最大，而裙部下端的直径膨胀量最小。因此，为了使额定功率工况的活塞形状近似于圆柱形，就必需使冷机时火力岸的直径最小，同时裙部上端的直径也应小于其下端。 10.3 活塞的传热结构与导向结构 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。 10.3 活塞的传热结构与导向结构 曲线1表示活塞母线的冷态形状，曲线1至横坐标轴的距离就是活塞与缸筒的冷态半径间隙。曲线2至横坐标轴的距离就是活塞的半径热膨胀量。由曲
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