内燃机活塞设计

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1、活塞的设计一、活塞的工作条件和设计要求1.活塞的工作条件（1）高温——导致热负荷大：活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达2000〜2500°C,因而活塞顶的温度也很高。温度分布不均匀，有很大的热应力；（2）高压一一冲击性的搞机械负荷：高压包括两方面①活塞组在工作中手周期性变化的气压力直接作用，气压力卩乙（MPa）一般在膨胀冲程开始的上止点后10。〜20。达到最大。②活塞组在气缸里作高速往复运动，产生很大的往复惯性力Fjmax；（3）高速滑动：内燃机在工作中所产半的侧向力是比较大的，特别是在短连杆内燃机中；（4

2、）交变的侧压力：活塞上下行程时活塞要改变压力面，侧向力方向不断变化，造成了活塞在工作时承受交变的侧向载荷。2•设计要求（1）选用强度好，散热性好，膨胀系数小、耐磨、有良好减磨性和公益性的材料；（2）形状和壁厚合理，吸热好，散热好，强度和刚度符合要求,尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙；（3）密封性好，摩擦损失小;(4)重量轻。二.活塞的材料根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：(1)热强度高。即在高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；(2)导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力；(3)膨胀系数小。使活塞

3、与气缸间能保持较小间隙；(4)比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；(5)有良好的减磨性能(即与缸套材料间的摩擦系数较小)，耐磨、耐蚀；(6)工艺性好，低廉。在发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。但近儿十年来，由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因此比重大和导热性羌两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金比重小，约占有灰铸铁的1/3,结构重量仅占铸铁活塞的50〜70%o因此其惯性小

4、，这对高速发动机具有重大意义。铝合金另一突出优点是导热性好，其热传导系数约为铸铁的3〜4倍，使活塞温度显著下降。对柴油机来说，采用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，既可铸造，也可锻造。含硅9%左右的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广。综合分析，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。二.活塞头部的段计1•压缩高度的确定活塞压缩高度的选取将直接影响发动机的总高度，以及气缸套、机体的尺寸和质量。尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞

5、设计的一个重要原则，压缩高度耳是由火力岸高度仏、环带高度％和上裙尺寸仏构成的，即y+仇2+人为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。(1)第一环位置根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定岀第一环的位置，即所谓火力岸高度肉。为缩小乩，当然希望人尽可能小，但人过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般柴油机仏二（0.15、0.25）〃，D为活塞直径，该发动机的活塞标准直径D=100//////，确定火力岸高度为：

6、h、—0.2D—0.2x100=20/77/77（2）环带高度为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但“太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高b=2、3mm,油环咼b=4、6mm。该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环）,第三环称之为油环。取力1=2.5仍仍，力2=2.15mm,Z?3=S/zzoto环岸的高度J应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然,第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏

7、。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，C］=（1.5〜2・5）勺,C2=（1~2）勺，柴油机接近下限。贝！J5=2b、=2x2.5=5mm,c2=1.5方］=1.5x2.5=3.75zzzzz?。因此，环带高度力2=方］+5+E+以2+*-2.5+5+2.75+3.75+5=19/n/n。（3）上裙尺寸确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度〃最后决定于活塞销轴线到最低环槽（油环槽）的距离力2为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效O所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使

8、销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。综上所述，可以决定活塞的压缩高度耳。