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活塞设计思路


活塞设计思路

2005 年 04 月 07 日 09:39 出处: 作者:田刚 活塞的设计是体现发动机整体设计实力的表现之一。 在谈活塞设计之前, 先让我们了解 一下活塞的工作环境。 混合气在燃烧室内燃烧时产生的温度超过 700 摄氏度;活塞高速运动时其加速度达到 20000~60000m/s2;四冲程发动机工作时活塞顶部中心温度在 250 摄氏度左右,二冲

程发动 机则为 300~350 摄氏度。 由此可见,活塞是在一个高温的环境中工作,所以,一般使用铝材料制造活塞,铝材料 重量轻、导热性又好。大多数发动机都使用铸铝活塞。但是,铝材料的高温强度极低,其 300 度的高温度要降低 50%左右,而活塞又必须承受高压气体的压力,所以必须加厚各壁面 的尺寸。然而,这又将影响其高速性,所以,在保证活塞足够强度的前提下,如何加强活塞 的冷却能力是一个关键问题。 大体上来说, 活塞是一个圆筒状零件。 但实际上, 活塞的头部尺寸略小, 裙部尺寸略大。 这样,当活塞工作时,由于活塞头部温度较高,壁厚较厚,而产生较大的热变形后,上下部 就能达到一致。 从活塞头部方向看去,活塞在活塞销孔方向直径较小,其断面是一个椭圆形。原因是活 塞销孔方向有活塞销座,金属规程较多,所以这个方向的热膨胀比较大。 此外, 活塞头部温度分布十分不均匀。 排气门下面的部分温度较高, 进气门下面的那 分 温度较低,基于上述考虑,有的活塞把排气门下部的尺寸设计得小一些。 在活塞上,为了减轻活塞的侧压力,活塞销孔往往不在活塞的中心线上,而留有一定的 偏置量。 以上种种考虑使活塞的设计十分复杂, 而每一种成功的设计, 都显示了设计主体的综合 实力。

整车传动系统开发系列:曲柄连杆机构 整车传动系统开发系列: 之活塞

整车传动系统开发系列:曲柄连杆机构之活 整车传动系统开发系列:曲柄连杆机构之活 塞
一、曲柄连杆机构的功用及组成 曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。 其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴 的旋转运动,同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩,以驱动汽车 车轮转动。曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴飞轮组的零件组成。

(一)活塞 1.活塞的功用及工作条件 活塞的主要功用是承受燃烧气体压力, 并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴 旋转。此外活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。 活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用在活塞上的有气体力和往复惯性 力。活塞顶与高温燃气直接接触,使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下 沿气缸壁面高速滑动,由于润滑条件差,因此摩擦损失大,磨损严重。 2.活塞材料 现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞, 只在极少数汽车 发动机上采用铸铁或耐热钢活塞。 3.活塞构造 活塞可视为由顶部、头部和裙部等 3 部分构成。

1)活塞顶部。汽油机活塞顶部的形状与燃烧室形状和压缩比大小有关。大多数汽 油机采用平顶活塞,其优点是受热面积小,加工简单。采用凹顶活塞,可以通过 改变活塞顶上凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比。

柴油机活塞顶部形状取决于混合气形成方式和燃烧室形状。 在分隔式燃烧室柴油 机的活塞顶部设有形状不同的浅凹坑,以便在主燃烧室内形成二次涡流,增进混 合气形成与燃烧。 柴油机还有另一类燃烧室,称为直喷式燃烧室。其全部容积都集中在气缸内,且 在活塞顶部设有深浅不一、 形状各异的燃烧室凹坑。 在直喷式燃烧室的柴油机中, 喷油器将燃油直接喷入燃烧室凹坑内,使其与运动气流相混合,形成可燃混合气 并燃烧。

2)活塞头部。由活塞顶至油环槽下端面之间的部分称为活塞头部。在活塞头部加 工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽。 在油环槽底部还加工有回油孔或横 向切槽,油环从气缸壁上刮下来的多余机油,经回油孔或横向切槽流回油底壳。 活塞头部应该足够厚,从活塞顶到环槽区的断面变化要尽可能圆滑,过渡圆角 R 应足够大,以减小热流阻力,便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁,使活塞顶 部的温度不致过高。 在第一道气环槽上方设置一道较窄的隔热槽的作用是隔断由活塞顶传向第一道 活塞环的热流,使部分热量由第二、三道活塞环传出,从而可以减轻第一道活塞 环的热负荷,改善其工作条件,防止活塞环粘结。

活塞环槽的磨损是影响活塞使用寿命的重要因素。在强化程度较高的发动机中, 第一道环槽温度较高,磨损严重。为了增强环槽的耐磨性,通常在第一环槽或第 一、二环槽处镶嵌耐热护圈。在高强化直喷式燃烧室柴油机中,在第一环槽和燃 烧室喉口处均镶嵌耐热护圈,以保护喉口不致因为过热而开裂。

3)活塞裙部。活塞头部以下的部分为活塞裙部。裙部的形状应该保证活塞在气缸 内得到良好的导向, 气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀的、 适宜的间隙。 间隙过大,活塞敲缸;间隙过小,活塞可能被气缸卡住。此外,裙部应有足够的 实际承压面积,以承受侧向力。活塞裙部承受膨胀侧向力的一面称主推力面,承 受压缩侧向力的一面称次推力面。

发动机工作时,活塞在气体力和侧向力的作用下发生机械变形,而活塞受热膨胀 时还发生热变形。 这两种变形的结果都是使活塞裙部在活塞销孔轴线方向的尺寸 增大。因此,为使活塞工作时裙部接近正圆形与气缸相适应,在制造时应将活塞 裙部的横断面加工成椭圆形,并使其长轴与活塞销孔轴线垂直。现代汽车发动机 的活塞均为椭圆裙。 另外, 沿活塞轴线方向活塞的温度是上高下低, 活塞的热膨胀量自然是上大下小。 因此为使活塞工作时裙部接近圆柱形, 须把活塞制成上小下大的圆锥形或桶形在 活塞销座处镶铸恒范钢片的活塞称恒范活塞。 由于恒范活塞在销座处只靠恒范钢 片与活塞裙相连且恒范钢的热膨胀系数只有铝合金的 1/10 左右,因此当温度升 高时,在恒范钢片的牵制下,裙部在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小。若将普 通碳素钢片铸在销座处的铝合金层内侧形成双金属壁, 则由于两种金属的热膨胀 系数不同,当温度升高时双金属壁发生弯曲,而钢片两端的距离基本不变,从而 限制了裙部的热膨胀量。因为这种控制热膨胀的作用随温度升高而增大,所以称 这种活塞为自动热补偿活塞。

在现代汽车发动机上广泛采用半拖鞋式裙部或拖鞋式裙部的活塞。 在保证裙部有 足够承压面积的条件下,将不承受侧向力一侧的裙部部分地去掉,即为半拖鞋式 裙部;若全部去掉则为拖鞋式裙部。优点是: ①质量轻,比全裙式活塞轻 10%~10%,适应高速发动机减小往复惯性力的需 要。 ②裙部弹性好,可以减小活塞与气缸的配合间隙。 ③能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。 活塞销孔轴线通常与活塞轴线垂直相交。 这时, 当压缩行程结束、 作功行程开始, 活塞越过上止点时,侧向力方向改变,活塞由次推力面贴紧气缸壁突然转变为主 推力面贴紧气缸壁, 活塞与气缸发生“拍击”, 产生噪声, 且有损活塞的耐久性。 在许多高速发动机中,活塞销孔轴线朝主推力面一侧偏离活塞轴线 1~2mm。压 缩压力将使活塞在接近上止点时发生倾斜,活塞在越过上止点时,将逐渐地由次 推力面转变为由主推力面贴紧气缸壁,从而消减了活塞对气缸的拍击。 4.活塞的冷却 高强化发动机尤其是活塞顶上有燃烧室凹坑的柴油机, 为了减轻活塞顶部和头部 的热负荷而采用油冷活赛。用机油冷却活塞的方法有: 1)自由喷射冷却法。 从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的喷油嘴向活塞 顶内壁喷射机油。 2)振荡冷却法。 从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内壁的环形油槽中,由 于活塞的运动使机油在槽中产生振荡而冷却活塞。 3)强制冷却法。 在活塞头部铸出冷却油道或铸入冷却油管,使机油在其中强制 流动以冷却活塞。强制冷却法广为增压发动机所采用。

5.活塞的表面处理 根据不同的目的和要求,进行不同的活塞表面处理,其方法有: 1)活塞顶进行硬模阳极氧化处理,形成高硬度的耐热层,增大热阻,减少活塞顶 部的吸热量。 2)活塞裙部镀锡或镀锌,可以避免在润滑不良的情况下运转时出现拉缸现象,也 可以起到加速活塞与气缸的磨合作用。 3)在活塞裙部涂覆石墨,石墨涂层可以加速磨合过程,可使裙部磨损均匀,在润 滑不良的情况下可以避免拉缸。

明确了活塞裙部外形椭圆-桶形(OC)曲面的形成原理之后,可以总结提 出其具体设计: 1.首先可根据所设计的活塞具体工况、所选用的材料和毛坯工艺(铸、 锻),参考已有同类型发动机的经验,初步选定配缸间隙。从而决定了所设计活 塞裙部的最大直径 D1(可能在裙部下端,也可能在裙部中间偏下位置)不过这 时应考虑活塞工作过程中将发生变形,亦即活塞正常工作时实际配缸间隙将 加大 2(ω01+ω02)。而 ω0=ω01+ω02 即为(5)或(13a)式所决定的裙部最大直 径处在半径上的变形量。 2.根据活塞裙部的壁厚 h、材料的弹性系数 E,以及动力计算得到的曲 柄--连杆机构的最大侧向分力,按(5)或(13a)时算出活塞工作时最大绕度值

Aα=0°=ω01+ω02。 即可再按(9)或(17)式决定裙部最大直径处横截面上各 α 角
的径向缩减量.这就决定了活塞裙部最大直径处的横向外形规律.这同时也就 决定了此平面上的椭圆度 G=4ω0=4(ω01+ω02)。 3.根据予估的活塞裙部上(下)端处的温度数值,并计及活塞材料的热 膨胀系数,可以决定裙部纵向基线上(下)端处径向缩减量 Δ0=Δ 上 (或 Δ 下) 。 再按(23)式即可算出纵向基线上各点数值 ΔZ 如取上(或下)端处椭圆的长半 轴为 R0,则按(24)式在裙长 Z 的相应值为:

其中:m 值可以参考相类似发动机来选用。 或者对于纵向基线规律为 长 Z 处的相应值为: 型的活塞外形,则按(26)式,在裙

其中 α 及 m 值可以参考相类似发动机的来选用。

4.根据(8)式可以决定一定裙长 Z 处的椭圆度 Gz.再按(9)或(17)式决 定各横截面上各 α 角处的径向缩减量。 这样,即可如图 9 作出一系列活塞纵向型线,亦即完全决定了整个活塞 裙部外形的型面规律。 下面提出决定活塞裙部外形变椭圆--桶形型面(OC 曲面) 的极坐标方程式组:

其中: D0-裙部上(或下)端椭圆的长轴(即 α=0 处)。当 D0=D 上(或 D 下)时,式中相应地 m 取 m 上(或 m 下)值。在相当于 Z→∞,亦即活塞的最 大直径处,则有 D0=D1。 G-裙部最大直径(可能在裙部下端)处横截面的椭圆度。相应地其 他裙长 Z 处的椭圆度为 Gz。 Rz-裙长 Z 处横截面外形任意角度 α 上的半径长度。 Z-裙长,在裙部最大直径处(可能在裙下端)Z=0。 m,α,β,K-系数。可参考同类型发动机的相应值选用。


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