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1、汽油机活塞设计要点马呈新(山东活塞厂)1简介,、近年来发动机制造商把发动机单位功率的提高重量的减轻以及油耗的降低做为汽油机研制开发的发展方向。另外,对汽油机的排放和噪声总有新的规定要求。为满足上述要求,活塞性能指标的改进成为追求的目标。表1列出了活塞的性能要求以及一些表1汽油机活塞的性能要求,,边界条件和影响因素同时也列举了发动发动机发展目标对活塞的要求Pz七.OMI》a7。,提高单位容积机的发展目标提高发动机的输出功率相高强度FPiston岛35kN、输出功率高可能性Torown幻330℃应地就要求活塞有更高的强度为了降低低油耗低噪声TPinbore七200℃、减轻
2、低排放减轻重量n一6100rPm噪声和减小摩擦的最佳型线设计重低噪声.n、减小摩擦Cm七17s/s。低磨损.量以及与之相同的工作可靠性高运转性能Cmax七28sm/s低油耗2活塞设计降低漏气对活塞的各种要求和工作条件导致了,,。活塞设计的多样性特别是不同的加工工艺不同的结构尺寸设计及不同的活塞的各个细节一::u。用于汽油机活塞的材料多为共晶AlSi合金(ALSiCMgNi)材料强度对活塞不同部位的温度依赖性很强(随温度升高而下降)。因此,活塞各部位需冷却来防止强度减弱。结构强度可通过结构设计来提高(例如销孔的设计)或通过改变加工工艺的方法来提高(如锻造或铸造)。活塞结
3、构主要尺寸的设计是影响强度的最重要因素。减小活塞的磨损,除了用活塞冷却方法外,还可通过提高环槽抗磨性及给活塞表面喷镀保护层来实现。销孔部位减小磨损可通过销孔轮廓的设计或最佳间隙配合来实现。活塞材料的热膨胀也不容忽视。若活塞膨胀量大,则使得冷态间隙变大,会引起活塞在运转时发出大的噪声。为防止活塞的热膨胀,应用了不同的可控膨胀活塞设计、开槽活塞以及铰接活塞。另外一个重要因素为活塞重量。不考虑材料密度,仅仅改变活塞主要尺寸就可减轻重量。活塞结构设计、壁厚及重量公差对重量也十分重要。3设计因素发动机与活塞的性能指标之间有着内在的联系和依赖性。发动机性能基本由排量、转速及冲程数
4、决定了。若活塞的直径已经定出,则冲程数、连杆结构及机体高度决定了活塞的主要尺寸。活塞重量基本上也由给出的活塞直径、压缩高度、承载面及裙部长度决定了。活塞设计对重量有很大影响。活塞重量在发动机循环中占有极重要位置,曲轴平衡块影响着活塞裙部的长度和导向长度。后者影响活塞的摩擦和噪声,甚至有可能影响发动机的排放。3.1活塞重量18影响活塞重量有许多因素。如图2所示,影响因素主要来自活塞的主要尺寸及结构形状。另外,活塞材料也影响重量,材质对活塞排量转速、、的铸造性能加工性能强度以及磨损有很大冲程/—缸。的影响。—/,压缩比(S/D)影响重量的因素除去活塞的直径外活塞的主要尺
5、寸中还包括压缩高度、销孔直径和销座间距。活塞结构形状、壁厚和公差的设计是很重要的。然而、活塞头部形状一盆形或凸形燃烧室、有无气门坑、机加工或非加工一甚至更,,为重要因为它不仅影响着压缩高度而且还控制着重量公差。见图2往复件重量的分布及活塞重量的分布可往复重量平衡重量。:主轴承参照图3100肠的往复件重量按如下分配曲轴,,活塞约占54%连杆约占27%活塞销约占一,,、14%活塞环约占5叭虽然活塞环重量只占,往复件重量的5%但是它对活塞压缩高度有很大影响(环的数量)。活塞重量约有80%总载重量,汽车流动力性燃油经济性集中在销孔轴线之上若通过缩短裙部长度发动机效率,的方法来
6、减轻活塞重量最多也只能减少一图1发动机/活塞的联系材料比重活塞直径活塞设计⋯铸铁)生/5m)_压缩高度燃烧室仁‘‘‘‘以.一二士立铡铝镁硅合合金金7.2一销铺孔座直l可距径壁公厚差=砰共刁CFC2.7活塞环尺寸琢逻1.81.4可铸性强度运转性能加工性沮度变形次dl,Ote强度磨报形胀磨扭噪声热损成本外部型面图2:3往复件及活塞重量分布活塞重量影响因素和影响图3.2压缩高度,。压缩高度不仅影响活塞的高度而且也影响发动机的高度图4所示为通过两种不同角度对压缩高度最小极限尺寸的设计。1活塞环槽的数量、宽度、环岸、活塞销孔直径以及顶岸高度得出一个最小极限值。对于,,压缩高度约
7、为直径的3%;压缩高度约为直径的有三个环槽的活塞对于有两个环槽的活塞。28%2连杆小头的上边缘、活塞头部以及头部燃烧室的深度从另外一个角度得出了压的厚度缩高度的最小值。第一种设计方法对平顶活塞更为重要。第二种方法对带有一定深度燃烧室的活塞有决定性作用。压缩高度的减小往往也会带来不利。从三环结构变为两环结构,活塞减小了压缩高度,然而:、。应看到不利之处漏气油耗及排放提高或长期运行后发动机起动困难,活塞顶部内侧到销孔距离的缩短可能会导致在高热负荷及机械负荷作用下销孔产生裂纹。通过活塞的冷却或其它方法(如异形销孔)可以防止裂纹产生,这样导致活塞成本提高。I
