内燃机学 教学课件 作者 周龙保第十一章 11_5.pptVIP

第五节 内燃机主要零件设计要点 一、活塞组 （一）活塞的工作条件 活塞顶要承受气缸内气体压力、温度的作用。 活塞组承受很高的机械负荷、热负荷； 活塞顶所受的压力传给连杆和曲轴。销座内上侧应力集中； 活塞环既要在尽可能小的摩擦损失下保证漏气少，又要在很高的压力、温度下和极少的润滑油的条件下保证足够的耐久性； 活塞组还要承受连杆摆动造成的侧向力； 活塞组运动时产生很大的往复惯性力。 制造活塞的材料应有小的密度ρ、足够的高温强度б、高的热导率λ、低的热胀系数α以及良好的摩擦性能（减摩性和耐磨性）。 由燃气传给活塞的热量大部分经活塞环传给气缸再传到冷却介质，一部分经活塞内壁传给曲轴箱内的油雾和空气，小部分经裙部传给气缸。 汽油机活塞的热负荷一般较小。柴油机由于燃烧过程的持续高温高压、强湍流、强辐射的特点，其热负荷远高于汽油机。所以，活塞的耐热设计，主要是针对柴油机。 要尽可能减小活塞顶的受热表面积，因此平顶活塞是最佳选择 。但直喷柴油机的活塞顶形状复杂的燃烧室，使热负荷加重。一般铝合金活塞顶最高温度不应超过350℃。 为了提高铝活塞顶的耐热性，可采用阳极氧化处理，生成硬质氧化铝薄膜。顶面喷涂ZrO2陶瓷层，也可提高活塞顶的耐热性。有些活塞开始采用高合金奥氏体铸铁护圈或用Al2O3+SiO2纤维、SiC或 Al2O3颗粒强化的铝合金复合材料来强化环槽和燃烧室。 汽油机的活塞头部断面一般都在满足强度条件下尽量薄，以求轻量化。柴油机铝活塞头部一般很厚实，以便热的导出。从顶部到环带有很大的过渡圆角R，可降低活塞顶的温度和活塞头部的热应力。 活塞环对活塞头部的散热起很大作用，尤其第一道环的热流量最大。所以，应选择适当的火力岸高度h（图11-2a）。 h增大可降低第一道活塞环温度，但使活塞顶温度提高，同时活塞高度增大。 第一活塞环槽的温度不应超过240℃，否则润滑油可能结胶甚至碳化，使活塞环在环槽中失去活动性，从而丧失其密封和传热功能。 由于结构上的限制，活塞销的直径d不可能超过0.4D（表11-1），活塞销的长度不可能超过0.85D，因此活塞销总的承压面积极为有限。 不论在销与销座之间，还是在销与连杆之间，承压面积都很小，表面比压很高。 活塞销与销座或活塞销与连杆衬套之间相对运动速度很低，液体润滑油膜不易形成。在这种高压低速条件下，要保证可靠的液体润滑，配合副的工作间隙要尽可能小。 对柴油机来说，如在销座上侧挖一个圆弧坑A（图11-5b），并在销孔内侧加工出长3~4mm、锥角1°~2°的微锥度孔，再在边缘上倒一个小圆角R，可使最大边缘负荷减小40％左右。 高增压柴油机中，气压力负荷很大，活塞销座孔上半部和连杆小头衬套孔下半部的负荷远远高出相对的另一半部。这时，采用斜切的或阶梯形的销座，配上相应斜切的或阶梯形的连杆小头，可充分利用活塞销的有效承压面积（图11-6）。 活塞在气缸中运动时的导向作用由裙部完成。为保证良好的导向，裙部要有足够的长度H2（表11-1），且与气缸的配合间隙小，以减轻活塞在连杆摆动引起的侧向力作用下从贴紧气缸的一侧到贴紧另一侧时对气缸的“拍击”。 活塞裙只在垂直活塞销轴线的方向承受侧向力，所以应保证此方向与气缸间隙尽可能小，而在销轴线方向，间隙要大一些，以免活塞热膨胀后卡死在气缸中。因此，活塞裙部的横断面外形呈椭圆形。 如何控制铝活塞的膨胀，是至今仍未完满解决的技术难题。目前应用最广的办法是利用双金属片原理的自动调节活塞（图11-7以及图11-2b）。 在销座外侧的活塞内壁铸入膨胀系数比铝合金小的低碳钢片，利用双金属片效应在温度提高时产生的弯曲来减小活塞裙在垂直销孔方向上的膨胀量。因这种弯曲量随温度的提高而增大，故称为自动调节活塞。 活塞与活塞环一起防止气缸内的高压气体下窜到曲轴箱，同时把很大一部分活塞顶接收的热量传给气缸壁，起这种作用的活塞环称为气环。 此外，还设置专门的油环，在活塞下行时把气缸壁上多余的机油刮回油底壳，以减少上窜机油量。 一般要求通过环组的窜气量不超过总进气量的0.5%，机油消耗量不超过燃油消耗量的0.5%。 由于活塞环开口的存在，漏气通路不可能完全消除。为了防止大量漏气，一般采用多个活塞环形成迷宫式密封。 为减小活塞组与气缸之间的漏气通路，活塞环的外周面必须以一定的弹力po与气缸壁紧密贴合，形成第一密封面（图11-8）。 轴向不平衡力FA将环向环槽的侧面压紧，形成第二密封面 。 ①断面形状: 为了能在高速运动中对抗机油的流体动压力刮下机油，只留下很薄的油膜，油环工作面的着壁压力应足够大。 1、连杆组的设计 连杆组的组成：连杆体、连杆盖和连杆螺栓。 要保证有足够的疲劳强度，要有足够的刚度，用优