第1章活塞组的设计1.1活塞的设计活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是发动机中工作条件最严酷的组件。

并在很高的机械负荷下高速滑动，同时润滑不良，这决定了它们遭受强烈的磨损，并且可能产生滑动表面的拉毛、烧伤等故障。

发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。

1.1.1活塞的工作条件1、活塞的热负荷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C2000。

因而活塞顶的温度也很高。

活塞不仅温度高，而且温度~C︒︒2500分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正是这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用，热负荷是发动机强化的一个主要问题。

2、冲击性的活塞的机械负荷活塞承受的机械载荷包括1）周期变化的气体压力，气压力造成的的活塞机械负荷很大，它使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂、第一环岸断裂等。

2）往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。

在机械载荷的作用下，活塞各部位了各种不同的应力：活塞顶部动态弯曲应力；活塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。

此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。

为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。

3、高速滑动磨损强烈发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，特别在短连杆内燃机中其侧向力更大。

随着活塞在气缸中的高速往复运动，活塞组与气缸表面之间会产生强烈摩擦，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。

4、交变的侧压力由于活塞上下行程时活塞要改变压力面，因此侧向力是不断变化的，这就造成了活塞在工作时承受交变的载荷，因些产生如下的工作后果：1）造成侧向拍击，引起机体振动，产生机体表面辐射噪声。

2）由于润滑不良使摩擦磨损较大。

3）使裙部产生变形，垂直销轴方向压扁，销轴方向变长。

4）缸套表面产生振动，容易引起缸套穴蚀。

1.1.2活塞组的设计要求1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性材料；2）有合理的形状和壁厚。

使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。

1.1.3 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C~300高温下仍有足够的机械强度，使零件不致400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；（6）工艺性好，低廉。

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。

由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因密度大和导热性差，无法满足工作要求，逐渐被铝基合金活塞所淘汰。

现在只应用于大中型、低速柴油机上。

铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金密度小，约占有灰铸铁的1/3。

因此其惯性小，这对高速发动机的发展。

另外，铝合金导热性好，其热传导系数比灰铸铁大很多，有利于活塞温度下降，可以使发动机有较高的充气效率，防止润滑油变质，改善活塞环的工作条件。

铝合金作为活塞材料，其力学性能随着合金元素的配比会发生很大变化，因此设计选择使用时要充分掌握各种配比铝合金材料的力学性能，做到经济又满足领土使用要求。

综合分析，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。

1．1图1.1.4 活塞头部的设计1、压缩高度的确定压缩高度1H 是由火力岸高度1h 、环带高度2h 和上裙尺寸3h 构成的，即1H =1h +2h +3h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，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度1h 。

为缩小1H ，当然希望1h 尽可能小，但1h 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D h )20.0~10.0(1=，D 为活塞直径，该发动机的活塞标准直径mm D 95=，确定火力岸高度为：mm h 151=（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b 太小，使制造工艺困难。

在小型高速内燃机上，一般气环高mm b 5.2~5.1=，油环高mm b 5.2~2=。

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mm b 5.11=，mm b 5.12=，mm b 5.23=。

环岸的高度c ，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。

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，11)5.2~5.1(b c =，12)2~1(b c =，汽油机接近下限。

则 mm c 31=，mm c 5.22=因此，环带高度mm b c b c b h 115.25.25.135.1322112=++++=++++=。

（3）活塞销上面的裙部尺寸确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度H 1最后决定于活塞销轴线到最低环槽（油环槽）的距离h 1（1-1）。

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。

所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使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1H 。

对于汽油机D H )0.6~0.35(1=，所以mm H 501=。

则 mm h h H h 241115502113=--=--=。

3、活塞顶和环带断面（1）活塞顶活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。

仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的活塞顶形状，即平顶。

实际统计数据表明，活塞顶部最小厚度，柴油机为D )0.2~0.1(=δ，即mm 1119~5.995)20.0~1.0(取为mm mm ==δ。

活塞顶接受的热量，主要通过活塞环传出。

专门的实验表明，对无强制冷却的活塞来说，经活塞环传到气缸壁的热量占70～75%，经活塞本身传到气缸壁的占10～20%，而传给曲轴箱空气和机油的仅占10%左右。

所以活塞顶厚度δ应从中央到四周逐渐加大，而且过渡圆角r 应足够大，使活塞顶吸收的热量能顺利地被导至第二、三环，以减轻第一环的热负荷，并降低了最高温度[9]。

活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取D )0.1~05.0(，取D 076.0为7.22mm ，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取D r )0.1~05.0(=，取0.074D 为7.22mm.为了减少积炭和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。

复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角，所有尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。

（2）环带断面为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚'δ使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，其平均值为')0.2~5.1('t =δ。

正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙，对于环和环槽工作的可靠性与耐久性十分重要。

槽底圆角一般为0.5~1.0mm 。

活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否则当岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因，但倒角过大又使活塞环漏气增加。

一般该倒角为 45)1.0~5.0(⨯。

（3）环岸和环槽环岸和环槽的设计应保持活塞、活塞环正常工作，降低机油消耗量，防止活塞环粘着卡死和异常磨损，气环槽下平面应与活塞轴线垂直，以保证环工作时下边与缸桶接触，减小向上窜机油的可能性。

活塞环侧隙在不产生上述损伤的情况下愈小愈好，目前，第一环与环槽侧隙一般为0.05~0.1mm ，二、三环适当小些，为0.03~0.07mm ，油环则更小些，这有利于活塞环工作稳定和降低机油消耗量，侧隙确定油环槽中必须设有回油孔，并均匀地布置再主次推力面侧，回油孔对降低机油消耗量有重要意义，三道活塞环的开口间隙及侧隙如表1.2所示:表1.2 活塞环的开口间隙及侧隙活塞环的背隙∆''比较大，以免环与槽底圆角干涉。

一般气环∆''=0.5毫米，油环的∆''则更大些，如图1.2（杨连声）所示。

1.1.5 活塞裙部的设计和膨胀控制活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。

活塞沿气缸往复运动时，依靠裙部起导向作用，并承受由于连杆摆动所产生的侧压力N。

裙部的设计要求：保证活塞得到良好的导向，具有足够的实际承压面积，能形成足够厚的润滑油膜，既不因间隙过大发生敲缸，引起噪音和加速损伤，也不因间隙过小而导致活塞拉伤。

分析活塞在发动机中工作时裙部的变形情况。

首先，活塞受到侧向力的作用。

承受侧向力作用的裙部表面，一般只是在两个销孔之间的弧形表面。

这样，裙部就有被压偏的倾向，使它在活塞销座方向上的尺寸增大；其次，由于加在活塞顶上的爆发压力和惯性力的联合作用，使活塞顶在活塞销座的跨度内发生弯曲变形，使整个活塞在销座方向上的尺寸变大；再次，由于温度升高引起热膨胀，其中销座部分因壁厚较其它部分要厚，所以热膨胀比较严重。

三种情况共同作用的结果都使活塞在工作时沿销座方向涨大，使裙部截面的形状变成为“椭圆”形，使得在椭圆形长轴方向上的两个端面与气缸间的间隙消失，以致造成拉毛现象。

在这些因素中，机械变形影响一般来说并不严重，主要还是受热膨胀产生变形的影响比较大。

因此，为了避免拉毛现象，在活塞裙部与气缸之间必须预先流出较大的间隙。

当然间隙也不能留得过大，否则又会产生敲缸现象。

解决这个问题的比较合理的方法应该使尽量减少从活塞头部流向裙部的热量，使裙部的膨胀减低至最小；活塞裙部形状应与活塞的温度分布、裙部壁厚的大小等相适应。

把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。

在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线方向上，短轴平行于销轴方向的椭圆形。

常用的椭圆形状是按下列公式设计的：)2cos 1(4θθ--=∆d D 式中D 、d 分别为椭圆的长短轴（如图1.3）。