活塞发展方向.doc

活塞发展和基本知识 序近年来，由于发动机强化限度的不断提高,发动机的转速、平均有效压力和活塞平均速度都较此前有了大幅度的提高,因此发动机的热负荷和机械负荷都增长了而活塞由于在发动机中的重要作用，在设计和制造方面也有了很大的变化和提高活塞公司里的广大技术人员由于缺少对活塞专业知识的理解,又苦于无这方面的专业书籍协助自己提高,此外同行间的技术交流，目前由于种种因素越发困难因此,技术人员的业务提高，特别是在新技术、新工艺的应用上和实际问题的解决能力上,远远满足不了公司领导的发展规定和活塞市场的苛刻规定针对以上问题,本人汇集了近年来活塞方面的论文、论点、文章,结合自己的经验和国内其她优秀技术人员的技术，汇集编写了这本小册子,供同行参照学习,使人们在掌握活塞基本的学习路上少走弯路一.活塞在设计方面的变化1． 活塞高度目前活塞的高度正在逐渐缩短,活塞直径许多已不小于活塞高度;压缩高也不断缩短,活塞上的这些变化,缩短了机体和整机的高度,提高了机体和整机的刚性，减小了发动机体积、重量、金属消耗量和成本，并且减小了往复运动质量、惯性力和主轴承负荷此外，活塞高度缩短后来，活塞组重量也可减轻。

目前发动机各活塞组总重量一般占整机重量的１.２～3.0%2． 活塞环数近年来，为了减少摩擦功,提高机械效率，减小环区高度从而缩短活塞压缩高和总高度，活塞环数日趋减少从三十年代的５～6道环槽发展到目前的２～３道环槽研究发现，压缩环多于一道是没有必要的，由于一旦上道压缩环失效，其他的压缩环就不能密封燃烧室的气体,使之不漏入曲轴箱,也不能控制机油沿汽缸壁向上窜入燃烧室因此与其增长活塞环数,还不如采用措施提高活塞环的使用性能,用一道压缩环和两道油环槽来保证完毕密封燃气和控制机油的作用3． 火力岸火力岸高度有合适加高的趋势，特别是燃烧室布置在活塞顶内的半分开式燃烧室柴油机为避免顶环积炭和胶粘，又规定第一环槽温度不能过高,为此,除采用环槽镶圈外,火力岸有放长的趋势,并且强化限度越高这种趋势越明显为了减少燃气对第一环槽的强烈加热,在柴油机活塞上，常在火力岸周边上车出螺旋形浅沟槽，运用迷宫降压原理减少燃气沿活塞与汽缸套间隙下窜4． 活塞顶部活塞顶厚一般趋向减薄重要受到承受燃烧压力和减小温度梯度这两个互相矛盾的因素所制约厚度过薄,承受机械载荷能力差,会引起机械变形；厚度太厚,则温度梯度过大，引起热应力和热变形过大。

因此活塞顶厚随发动机最高燃烧压力、缸径、与否有油冷、以及燃烧室形式而变活塞顶内壁采用热流型,即从活塞顶部到环区侧壁的过渡圆弧半径较大，有的还加支撑筋(一般为4条)，目的是使活塞顶部热量能更流畅地传至环区和销座(支撑筋尚有加强活塞刚度和强度的重要作用),从而减少第一道环及环槽的受热，提高活塞组核心部位的可靠性5． 活塞销座销座部位获得加强并合适放大活塞销直径,销座与环区的连接部位是应力集中的危险断面区目前内燃机铝合金活塞中应力最大的部位在销座,疲劳裂纹往往出目前销孔顶部，并沿着活塞销座的纵向平面延伸在该区域采用大圆弧过渡,旨在减少应力集中,也增长受力面积在强化机型中一般还用4根筋把活塞销座与活塞顶部直接连接起来，以直接传递一部分负荷,减轻上述危险部位的载荷活塞销直径有稍加放大的趋势，目的也是增长销与销座的承压面积缸径越大、发动机强化限度越高，活塞销直径与缸径之比也越大6． 活塞型面活塞型面对发动机性能和可靠性影响极大，因此在设计新发动机时拟定活塞型面是一项重要的研究课题活塞型面对气缸壁的摩擦、由活塞敲击引起的噪声，以及环隙对冷油机中碳氢化合物的形成和对柴油机中空气运用和压缩比均有重要影响,直接影响发动机的性能。

活塞型面又与拉缸、擦伤以及裙部变形而引起机油耗增大和窜气量增大密切有关,直接影响发动机的可靠性活塞型面从最初的多段正圆柱逐渐演变到目前的环带多段正圆锥和渐变椭圆锥,裙部渐变桶面椭圆锥裙部形状一般为桶面-椭圆形桶的轴线与活塞轴线重叠,垂直于轴线的活塞截面外周是椭圆形,短轴沿活塞销方向有些活塞裙部做成多级持续椭圆锥、多级持续特殊圆等桶面裙部的长处是均布机油、抗拉缸、防窜油、油膜承载能力大、减少摩擦功和摩损然而拟定最佳型面是一种极其繁复的过程,需要反复进行多种实验,往往要花很长的时间老式的措施是通过对活塞温度场和刚度分析，使用有限元法并根据经验设计绘制出一种活塞型面，然后将所得到的实验样品装入发动机进行活塞磨痕实验,观测活塞和缸套上的磨痕通过逐次逼近,最后即可定出最佳活塞型面可是由于活塞的运动、多种有关因素引起的热变形,活塞还也许受到由缸盖螺钉拧紧力矩、冷却不均匀、气缸壁温度分布等引起的气缸壁变形的影响,以及各缸燃烧不均匀等影响,尚有活塞自身的特性（如刚度、自动控制热膨胀活塞的膨胀率随活塞截面不同而变化)都使型面的拟定增长了难度目前采用将复合材料涂在尺寸较小的实验活塞表面上，使活塞裙部与气缸壁间隙接近于零。

在发动机最大功率下进行磨痕实验实验后留下来的复合材料所拟定的型面即作为最后的活塞型面用这种措施只需要作一次磨痕实验即可拟定最佳活塞型面大大节省了研制时间，此外还可以从实验活塞磨损部位的磨痕定量分析磨损强度7． 活塞裙部构造活塞裙部既要承受连杆的侧向推力,又要保证活塞的良好导向,因此要有充足的承压面积以形成足够厚度的润滑油膜既不因间隙过大而发生敲缸，引起噪声和加速磨损也不因间隙过小而发生拉缸趋向是采用薄壁加筋,既减轻重量又保证具有足够刚度避免变形活塞裙部与汽缸壁表面的接触面积直接影响到发动机的摩擦损失然而接触面积小则油膜厚度也减小,当油膜厚度不不小于二个接触表面不平度的均方根值时就会发生边界润滑，导致摩擦功增大缩短活塞裙部可以减小接触面而减少摩擦功,但会增大活塞的晃动而导致裙顶和裙底的接触应力升高也恶化活塞的工作性能为理解决这些问题，英国ＡE集团的沃尔沃公司发展了一种在活塞裙顶和裙底加工出若干“凸台”,这种措施可以提高裙部的疲劳寿命，由于裙顶很高的侧推力所产生的弯矩比本来构造要低这种设计可以减少接触面积7５%以上,在广阔的负荷和温度范畴内保持接触面积和裙部刚性不变,并通过改善润滑而减小拉缸倾向,通过减少机械变形而提高疲劳寿命。

意大利都灵的包戈公司进一步发展了一种“X”型裙部活塞即在裙部推力侧每边上下各保存两条导向带，用筋与活塞销座和活塞顶相连接裙部面积减小到老式活塞的1/3,重量减轻20%以上,明显减少了发动机的摩擦损失,减少燃耗油2%,并可以提高输出功率8． 防胀活塞活塞各部位的不同工作温度和铝合金活塞与铸铁缸套膨胀特性的不同，导致了控制活塞裙部与缸套间隙的困难最有效的裙部形状也无法克服活塞与汽缸之间的不同膨胀率并且在发动机最大负荷下所拟定的最小间隙在部分负荷下也会导致过大的间隙而产生敲缸噪声和机油耗增长为了控制活塞裙部的配缸间隙,使之既不太小而引起拉缸咬缸,又不太大而引起噪声和振动,在活塞裙部和销座之间对称地埋铸一对钢片,并将钢片沿着裙部周边合适延伸,钢片与周边的材料一起构成双金属片,受热膨胀时沿活塞销轴线垂直方向收缩这种活塞在环槽与裙部的过渡段不开隔热槽,热流可顺畅地传到裙部,因此第一道环槽区的温度比开槽活塞低,强度也比较高目前,铝合金活塞广泛采用裙部镶钢片或钢圈的措施来控制热膨胀9． 活塞的冷却发动机强化度的提高使活塞工作温度相应升高，顶环槽温度在2２0℃以上就也许产生积炭和结胶,引起活塞环粘结和拉缸;温度超过1８０℃，铝合金材料的强度不久下降，也许引起活塞顶支撑部和活塞销座轴承部分高负荷区损坏。

一般标定工况的平均有效压力超过1.０34 N/mｍ2，活塞就需要冷却目前的活塞常常采用铸入钢质冷却盘香管或用可溶性盐芯及电子束焊接制成整圈冷却腔10． 活塞的几种失效模式:1） 活塞的磨损量超过容许值,会使功率、速度减少，油耗增长以致敲缸2） 销孔中心与裙部椭圆中心的垂直度超差，使用中产生扭力矩使活塞变形，产生拉缸3) 热稳定性差,由于长期在高温下工作，等于在继续时效和稳定化解决,活塞膨胀,原有0.０5ｍｍ的配缸间隙消失,导致咬缸4) 头道环槽磨损,使活塞环失去弹性,无封闭作用总结以上所说,在活塞的设计方面,活塞型面和活塞销座的变化、活塞顶部的增厚、活塞高度的缩短等,正逐渐向“矮胖”方向发展1） 为了提高刚性,发动机的整个高度在缩短变“矮”重要措施是缩短活塞裙部和减少环槽数，后者可使压缩高度减小2） 发动机自身在不断强化,因此活塞的性能必须相应增强变“胖” 重要是指各部分的壁厚都在不断增长，过渡圆角处的R也在增大3） 由于发动机的高转速化,活塞必须减轻重量,以减小惯性力尽管壁厚在增大,活塞的整个重量却在不断减轻,这是由于整个活塞高度缩短所引起的重量降不小于因壁厚增长引起的增重之故由于活塞构造变“矮胖”,使活塞的表面积对于整个体积来说比例缩小了,因此不利于活塞的散热。

为保证活塞不被烧熔和正常润滑,除了在设计方面必须采用某些措施外,以减轻其热负荷;活塞在制造方面也必须有所变化和提高,如活塞的材料、锻造和机加工,以满足其对热负荷的规定此外,还通过对活塞进行某些表面解决来提高储油性，改善润滑条件二．活塞在制造方面的变化1. 活塞材料活塞材料有“Y”　合金(铝铜合金）、亚共晶铝硅合金、共晶铝硅合金、过共晶铝硅合金目前“Y” 合金和亚共晶铝硅合金这两种材料已很少使用,重要是体积稳定性和耐磨性差目前应用最广泛的是共晶铝硅合金铝合金 ━ 为了满足多种工程的需要,铝中大都加入某些元素，以获得所需要的性能在国标中，锻造铝合金分为4类（采用的代号)A.锻造铝 ━ 硅合金　ZＬ 1×× Ｂ.锻造铝 ━ 铜合金 ZL　２××C.锻造铝 ━ 镁合金 ZL　3××　 　D.锻造铝 ━　锌合金　ZL 4××第一种字母“Ｚ”代表锻造,第二个字母“L”代表铝合金，第一种数字“1;２;3;4”分别代表铝 ━ 硅；铝 ━ 铜；铝 ━　镁;铝　━ 锌,第二、三个数字是各合金的序列号，有时ZL背面尚有字母“D”，它代表锭的意思如：ZLD１０８ ━　８号锻造铝硅合金锭ＺL3０2　━ ２号锻造铝镁合金制造活塞重要采用的材料是锻造铝硅合金,因此，我们必须理解铝硅合金的多种性能。

根据硅含量的不同,铝硅合金分为:A）亚共晶铝硅合金：含硅量低于10%亚共晶由于含硅量较低,因此锻造中如果模具具有一定冷却速度的话,可省去变质解决工艺,同步,热解决也可省去固溶解决工艺，即直接时效即可该材料尽管锻造和热解决的成本低于其她材料,但由于亚共晶铝硅合金的热稳定性和耐磨性差，已不能满足现代活塞的发展规定,因此现已基本不用B)共晶铝硅合金：含硅量在11%~１4％共晶铝硅合金常常用钠、锶、稀土等变质剂来细化合金组织,提高机械性能应用最广泛的是钠盐变质剂，钠盐在细化合金组织的同步,也增长了铝液的粘度、增长了铝液的吸气钠盐变质后,常温下机械性能提高诸多，但高温下机械性能提高有限共晶材料采用钠、锶、稀土等变质剂变质后,得到的是亚共晶的组织,但采用磷变质后,可以得到过共晶的组织由于得到的是过共晶的组织,因此活塞的使用性能在各方面都得到提高共晶铝硅合金将此前的钠、锶、稀土等变质剂变化为磷变质后，是活塞材料中应用最广泛的C)过共晶铝硅合金：含硅量在1７%～２３%随着含硅量的增长,活塞的耐磨性、热稳定性等都得到提高，但为了细化初晶硅,达到活塞所需规定,使熔化（铝液熔炼温度的提高、变质剂的变化、精炼规定的提高、铝液浇铸温度的提高等）的锻导致本增长,此外随着活塞硬质点的增长,机加工过程中刀具的磨损也增长，由。