【正文】 聲水平。氧化鋁短纖維局部增強(qiáng)鋁活塞還能減小活塞頂部燃燒室表面邊緣的開裂傾向，從而改善了高性能高速柴油機(jī)活塞的可靠性。ArtMetal公司安裝了專門加工這種活塞的設(shè)備，活塞直徑最大可達(dá)200mm。1985年這種活塞的日產(chǎn)量已達(dá)10萬件；到1986年初，累計(jì)已生產(chǎn)了20多萬件，主要用于8種系列的豐田車用柴油機(jī)上。由于上述優(yōu)異性能，裝有復(fù)合材料活塞的豐田汽車的大修里程可延長到30萬km，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率可提高5%，而且燃油和潤滑油的消耗均得到改善。豐田汽車公司打算開發(fā)一系列這種活塞，現(xiàn)已開發(fā)了多種系列的氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁活塞。此外，碳纖維、鈦酸鉀晶增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料活塞正在開發(fā)之中。 　　歐美國家也在研究和開發(fā)鋁基復(fù)合材料活塞。美國也已試制出氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁合金活塞，并有了這方面的專利，除了用氧經(jīng)鋁纖維局部增強(qiáng)活塞的第一道環(huán)槽外，活塞的整個(gè)冠部也可用氧化鋁纖維增強(qiáng)，活塞冠部的耐熱性進(jìn)一步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃燒效率也可顯著改善。英國在金屬基復(fù)合材料活塞的研制上亦做了許多工作，旨在開發(fā)這種材料在高性能內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用。1984年，英國AE公司就推出了陶瓷纖維增強(qiáng)鋁活塞的樣品，后來又有了用氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁合金制造內(nèi)燃機(jī)活塞的專利。 　　國內(nèi)一些高校和研究單位也在開展這方面的研究工作。據(jù)介紹，東南大學(xué)推出的陶瓷纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋁活塞已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、大馬力柴油機(jī)上得到應(yīng)用，可使活塞使用壽命提高3～5倍，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，減少燃油消耗和廢氣排放。與普通鋁合金相比，高溫抗拉強(qiáng)度提高20%~40%，線膨脹數(shù)降低20%。三、本課題研究的主要內(nèi)容21世紀(jì)對內(nèi)燃機(jī)的要求是大功率、低油耗、低排放和長壽命，活塞質(zhì)量的好壞直接影響到內(nèi)燃機(jī)的工作質(zhì)量?；钊牧系拿芏仁歉咚賰?nèi)燃機(jī)選擇的重要指標(biāo)，此外還要求機(jī)械制造工藝簡單且成本低。目前高速內(nèi)燃機(jī)活塞材料主要是鋁合金，對于轉(zhuǎn)速低一些，熱負(fù)荷又比較大的柴油機(jī)，部分活塞的材料則選擇了鑄鐵，另外國外還有采用鋼材來制造活塞。隨著未來大功率、中高速、小型化內(nèi)燃機(jī)需求的不斷增長，活塞的工作環(huán)境將變得更加惡劣，勢必對活塞材料提出更苛刻的要求。鋁基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能特點(diǎn)，作為新型活塞材料，已在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)得到應(yīng)用，并開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。隨著復(fù)合材料技術(shù)的日益成熟及成本的不斷下降，復(fù)合材料定將會(huì)取代當(dāng)前使用的傳統(tǒng)活塞材料。零件的分析一． 活塞的工作特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi),活塞在一段時(shí)間內(nèi)起著壓縮氣體的作用,在另一段時(shí)間內(nèi),氣缸內(nèi)的混合氣體燃燒膨脹,活塞又要承受高溫氣體的壓力,并把這個(gè)壓力經(jīng)過活塞銷,連桿傳給曲軸,此外,活塞還起著吸入氣體和排除廢氣的作用。因此，活塞工作的特點(diǎn)是：在高溫高壓下作長時(shí)間連續(xù)變負(fù)荷的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?；钊墓ぷ魈攸c(diǎn)就要適應(yīng)這樣的工作條件。圖1表示一個(gè)鋁活塞。平面1表示活塞的頂面。它承受著氣體的壓力，并受到高溫氣體的直接作用。四個(gè)環(huán)形的槽2稱為環(huán)槽。其中靠近頂面的三個(gè)環(huán)槽稱為氣環(huán)槽。在氣環(huán)槽中放置有彈性的活塞環(huán)，用以密封活塞頂面上部的燃燒室。離頂面最遠(yuǎn) 一個(gè)環(huán)槽稱為油環(huán)槽。早油環(huán)槽中放置油環(huán)（或稱刮油環(huán)），后者把飛濺到氣缸套內(nèi)壁上的多余潤滑油刮掉，使油從油環(huán)槽的小孔8中流回曲軸箱。包括頂面和環(huán)槽在內(nèi)的部分4稱為活塞頭部。沒有環(huán)槽的部分5稱為活塞裙部，活塞裙部在活塞工作過程中起導(dǎo)向作用，它包括裝活塞銷的銷座孔。活塞裙部對活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。裙部的長短取決于側(cè)壓力的大小和活塞直徑。所謂側(cè)壓力是指在壓縮行程和作功行程中，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。壓縮行程和作功行程氣體的側(cè)壓力方向正好相反，由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力，所以，作功行程中的側(cè)壓力也大大高于壓縮行程中的側(cè)壓力?；钊共砍惺軅?cè)壓力的兩個(gè)側(cè)面稱為推力面，它們處于與活塞銷軸線相垂直的方向上?；钊虚g的貫穿孔7稱為活塞銷孔?；钊N孔的兩端面有鎖環(huán)槽6。圖中之8是一個(gè)短圓柱面和圓錐面的組合，通常稱為止口。它是專門為加工活塞而設(shè)置的輔助精基面。在結(jié)構(gòu)上和功能上沒有任何作用?；钊诠ぷ鬟^程中將產(chǎn)生受力變形和熱變形。活塞頂面在氣體的作用下將產(chǎn)生如圖2(a)所視的變形。由于金屬分布不均勻，在活塞銷軸線方向的變形量比垂直于該方向的變形量為大。同時(shí)活塞頂面與高溫的燃燒氣體接觸，使活塞的溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹。由于四周上金屬分布不均勻，銷孔的軸心線方向的金屬厚，熱膨脹量大；而在垂直于軸心線的方向上，熱膨脹量較小。如果裙部原來是圓形的，熱膨脹后就變成橢圓。如圖2（b)表示。所以無論是受力變形或熱變形都使原來是圓柱形的裙部變成橢圓形，橢圓的長軸在活塞銷孔的軸心線方向上。這樣，必然使活塞與氣缸套的間隙不均勻地減小甚至消失，以至于發(fā)生強(qiáng)烈的磨損甚至咬住。為了補(bǔ)償上述變形，把活塞裙部設(shè)計(jì)制造成橢圓形，橢圓的長軸在垂直活塞銷孔軸心線的方向上，并在活塞裙部的銷孔附近鑄出兩快凹坑，增加裙部與氣缸內(nèi)壁的間隙。橢圓度的大小隨活塞的型號(hào)而不同。在解放牌活塞上，—。 圖2 此外，活塞工作時(shí)，頂面和高溫氣體直接接觸，熱量由上面?zhèn)鞯较旅?，上面的溫度高，熱膨脹量大；下面的溫度低，熱膨脹量小。為了補(bǔ)償這種不均勻的熱變形，故意把活塞頭部的外徑設(shè)計(jì)得比外徑小，同時(shí)活塞裙部也設(shè)計(jì)成上小下大的錐形?！?。為了進(jìn)一步減少向下傳導(dǎo)的熱量，在活塞（主要是高速內(nèi)燃機(jī)用活塞）上銑有橫槽，以減少向下傳熱的面積。在活塞上還銑有縱向槽（稍斜）以增加活塞裙部的彈性（橫向槽亦有這一作用）?；钊N孔內(nèi)裝活塞銷與連桿小頭孔相連接。為了使活塞銷的磨損均勻，在工作溫度下，應(yīng)使活塞銷孔及連桿小頭襯套孔中能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所謂“浮動(dòng)式”活塞銷。為了避免活塞銷在工作過程中軸向竄動(dòng)，在鎖環(huán)槽中裝鎖環(huán)。活塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：⑴預(yù)先做成橢圓形為了使裙部兩側(cè)承受氣體壓力并與氣缸保持小而安全的間隙，要求活塞在工作時(shí)具有正確的圓柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷座孔部分的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外，裙部承受氣體側(cè)壓力的作用，導(dǎo)致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大?！　∵@樣，如果活塞冷態(tài)時(shí)裙部為圓形，那么工作時(shí)活塞就會(huì)變成一個(gè)橢圓，使活塞與氣缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在氣缸內(nèi)卡住，發(fā)動(dòng)機(jī)就無法正常工作。因此，在加工時(shí)預(yù)先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向。這樣活塞工作時(shí)趨近正圓。 　 ⑵活塞沿高度方向的溫度很不均勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應(yīng)是上部大、下部小。為了使工作時(shí)活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預(yù)先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。 　 ⑶為了減小活塞裙部的受熱量，通常在裙部開橫向的隔熱槽，為了補(bǔ)償裙部受熱后的變形量，裙部開有縱向的膨脹槽。槽的形狀有T形或Π形槽。橫槽一般開在最下一道環(huán)槽的下面，裙部上邊緣銷座的兩側(cè)(也有開在油環(huán)槽之中的)，以減小頭部熱量向裙部傳遞，故稱為隔熱槽。豎槽會(huì)使裙部具有一定的彈性，從而使活塞裝配時(shí)與氣缸間具有盡可能小的間隙，而在熱態(tài)時(shí)又具有補(bǔ)償作用，不致造成活塞在氣缸中卡死，故將豎槽稱為膨脹槽。裙部開豎槽后，會(huì)使其開槽的一側(cè)剛度變小，在裝配時(shí)應(yīng)使其位于作功行程中承受側(cè)壓力較小的一側(cè)。柴油機(jī)活塞受力大，裙部一般不開槽。⑷有些活塞為了減輕重量，在裙部開孔或把裙部不受側(cè)壓力的兩邊切去一部分，以減小慣性力，減小銷座附近的熱變形量，形成拖板式活塞或短活塞，拖板式結(jié)構(gòu)裙部彈性好，質(zhì)量小，活塞與氣缸的配合間隙較小，適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。 　?、蔀榱藴p小鋁合金活塞裙部的熱膨脹量，