【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、耐蝕； （ 6）工藝性好，價(jià)廉。 由于上述要求往往是互相矛盾的，因此，到目前為止，還沒(méi)有一種能全面滿 10 足上述要求的單一材料，現(xiàn)在常用的活塞材料是鑄鐵、鋁合金和鋼。所以，選鋁合金作為活塞材料。在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐解性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。在更嚴(yán)重的負(fù)荷條件下，則用珠光 體可鍛鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵等。在強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)中．可以來(lái)用鍍錫鋁合金活塞。 共晶鋁硅合金是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。含硅 9%作用的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能良好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣 [3]。 根據(jù)以上分析，本次 180F 柴油機(jī)活塞組活塞材料選用共晶鋁硅合金。 活塞頭部的設(shè)計(jì) 活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過(guò)銷座把它傳給連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。因此，活塞頭部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是： （ 1）保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度 與剛度，以免開裂和產(chǎn)生過(guò)大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過(guò)大勢(shì)必影響活塞環(huán)的正常工作； （ 2）保證溫度不過(guò)高，溫差小，防止產(chǎn)生過(guò)大的熱變形和熱應(yīng)力，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件，并避免頂部熱疲勞開裂； （ 3）尺寸盡可能緊湊，因?yàn)橐话銐嚎s高度 H1 縮短 l 單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度可以縮短 ~2 單位，并顯著減輕活塞重量。而 H1 則直接受頭部尺寸的影響。 壓縮高度的確定 活塞 壓縮高度 H1 (圖 2— 2)系由火力岸高度 h環(huán)帶高度 h2 和上裙高度 h3三部分組成的?；钊h(huán)的數(shù)目、環(huán)的位置和軸向高度、環(huán)與環(huán)之間的環(huán)岸高度等都直接影響尺寸 H1 。 . 11 圖 22 95活塞的設(shè)計(jì)尺寸 （ 1）第一環(huán)位置 根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂火力岸的高度 h1。為縮 小 H1 ，當(dāng)然希望 h1 盡可能小，但 h1 過(guò)小會(huì)使第一環(huán)溫度過(guò)高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。一般柴油機(jī) h1=（ ~） D=12—— 20， 選 h1==16 毫米 （ 2）環(huán)帶高度 為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度 b 應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。 — 般氣環(huán)高 b＝ 2— 3 毫米，油環(huán)高 b＝ 4— 6 毫米 ,選第一氣環(huán)高 b=第二氣環(huán)高 b=3 毫米，油環(huán)高 b=6 毫米，環(huán)岸高 c1 =4 毫米， c2 =3 毫米。 12 （ 3）活塞環(huán)數(shù) 活塞環(huán)數(shù)目對(duì)活塞頭部的高度 H 1 有很大影響。因其轉(zhuǎn)速為 3000r/min 為高速柴油機(jī)，因此選 2 道氣環(huán)， 1 道油環(huán)。 （ 4）活塞銷上面的裙部長(zhǎng)度 確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，高度 H1 最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽（一般是油環(huán)槽）的距離 h3 (圖 2— 2)。為了保證油環(huán)工作良好 ，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會(huì)使油環(huán)卡住而失效。 活塞銷上面裙部長(zhǎng)度對(duì)于活塞裙部在氣缸內(nèi)的良好導(dǎo)向也有很大影響。如果能使裙部與缸壁配合間隙很小，裙兩端的尖角負(fù)荷就不會(huì)太嚴(yán)重，那么 h3 小些也無(wú)妨。不然，就希望 h3 適當(dāng)大些 [4]。 一般柴油機(jī) H1 =（ ~） D，選 H1 ==56 毫米； 所以 h3=H1 － h1－ 2b － c1 － c2 = 20 毫米。 活塞頂和環(huán)帶斷面 (1)活塞頂 活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)角度，為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀，即平頂。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用乎項(xiàng)活塞，非直接噴射的高速柴油機(jī)，也采用平頂或接近平頂?shù)男螤?。鋁制活塞 頂部的最少厚度，柴油機(jī) D)~(?? ，選 ? ==12 毫米； (2)環(huán)帶斷面與環(huán)槽尺寸 為了使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過(guò)多地集中在最高一環(huán)，應(yīng)保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚 ?? ，其平均值 ?? =（ 2~3） t? ，本次 180F 柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)選D? == 毫米， ?? =? ； t? = 毫米 ,?? = 毫米。 環(huán)岸的強(qiáng)度校核 在膨脹沖程開始時(shí)，在爆發(fā)壓力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。 13 由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力 p1 比下面壓力 p2 大得多 (圖 2— 3)，不平衡力會(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力 pz = 時(shí)， p1 = pz =， p2 = =。 圖 23 第一環(huán)岸的受力情況 環(huán)岸是一個(gè)厚度為 c1 ,內(nèi)外圓直徑為 D、 D? 的圓環(huán)行板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算固定面的應(yīng)力比較復(fù)雜，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行大致計(jì)算。 (p1 p2 ) 4? (D2 D? 2 )2t? = D3 而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 61 c1 2 ? *= 2 D 所以環(huán)根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 ?=Dc Dpz213= (1cD )( 2厘米牛頓 ) 同理得剪切應(yīng)力 ? =1cD ( 2厘米牛頓 ) 按合成應(yīng)力公式 14 ?? =而環(huán)岸根端面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 DcDc 2121 ??? 所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 221 37 )1( cDpDc Dp z??? =（ 80/4)x(80/4)= 同理得剪切應(yīng)力 t=按合成應(yīng)力公式 22 3??? ??? == 考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的 應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力可取 ? ? MPa)40~30(?? 。計(jì)算得在此范圍之內(nèi)，所以本次 180F 柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)符合要求。 活塞頭部與氣缸的配合 活塞頭部直徑應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，環(huán)帶不與缸壁直接接觸，以免溫度較高的鋁合金表面磨壞。故活塞頭部的裝配間隙必須考慮鋁活塞與鑄鐵氣缸在工作溫升下熱膨脹的差別，即 )( 011 FFeAA ttD ???? ????? ?? 式中 1At?? 和 ??t Fe 分別是鋁活塞頭 部和鑄鐵氣缸在工作狀態(tài)下相對(duì)裝配狀態(tài)溫度的升高量，稱為工作溫升，初步計(jì)算可假設(shè)： 汽油機(jī) 1At?? =250 C0 ， ??t Fe =100 C0 。 再令膨脹系數(shù) 1A? =20 C?? ? /106 ， 0F?? =10 C?? ? /106 則當(dāng) D=80 毫米時(shí)，按公式有： 80 這是與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相符的。 提高活塞頭部及第一道環(huán)工作可靠性的結(jié)構(gòu)措施 在強(qiáng)化的柴油機(jī)活塞工作過(guò)程中，隨著熱負(fù)荷的增加，頂部的穩(wěn)態(tài)及循環(huán)熱 15 應(yīng)力會(huì)引起熱疲勞裂紋，而第一環(huán)也是經(jīng)常發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，諸如粘結(jié)、卡死、嚴(yán)重磨損、彈性松弛等情況，對(duì)此必須予以重視，一般可采取以下結(jié)構(gòu)措施來(lái)改善： （ 1）將活塞頭部設(shè)計(jì)成具有良好導(dǎo)熱能力的變截面 —— 所謂“熱流型”。盡量降低熱應(yīng)力，并且不使熱量過(guò)多地集中在 第一環(huán)。 （ 2）在第一環(huán)槽或燃燒室喉口，鑄入耐熱護(hù)圈，以增強(qiáng)環(huán)槽的耐磨性，防止喉頭開裂。此時(shí)，允許稍增大環(huán)的側(cè)隙，有利于防止環(huán)的粘結(jié)和卡死。 （ 3）活塞在上止點(diǎn)時(shí)，第一道活塞環(huán)應(yīng)處于良好的冷卻區(qū)域。如水冷式發(fā)功機(jī)活塞第一環(huán)位置不高于水套冷卻水區(qū)域。對(duì)風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)則應(yīng)保證第一環(huán)處在有足夠放熱筋片地區(qū)域。 （ 4）減小活塞頭部與缸套的配合間隙，使活塞頂所接受的熱量有一部分直接通過(guò)環(huán)岸傳給缸壁，改善活塞頭部及環(huán)的熱負(fù)荷。 （ 5）第一環(huán)采用梯形環(huán)，以防粘結(jié)。 （ 6）在活塞第一環(huán)槽上方車隔熱槽，使部分熱流偏離第一環(huán)，減輕 其熱負(fù)荷。 （ 7）在活塞頂部噴鍍陶瓷或進(jìn)行硬膜陽(yáng)極氧化處理，形成高硬度的隔熱層，增加了熱阻，減少頭部吸收的熱量。 （ 8）對(duì)活塞頭部采取冷卻措施。 活塞裙部的設(shè)計(jì) 活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊古c氣缸直接接觸并高速滑動(dòng)，同時(shí)承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力 PN (圖 2— 1)。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，其有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)滑油膜。既不因間隙過(guò)大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷， 也不因間隙過(guò)小而在氣缸中咬住，導(dǎo)致重大事故。因此，活塞裙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本思想，是如何在發(fā)動(dòng)不同工況下始終保持它與氣缸間有最合適的間隙。但是因?yàn)榛钊牧箱X合金的熱膨脹系數(shù)比較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)從冷起動(dòng)到全負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的不同工況下活塞的工作溫度又在很大幅度內(nèi)變化，所以要完全實(shí)現(xiàn)上述要求是不容易的 [7]。 16 裙部的尺寸和銷孔的位置 活塞裙部是側(cè)壓力 PN （圖 2— 1)的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其表面比壓 ps 不應(yīng)超過(guò)一定的數(shù)值。裙部的長(zhǎng)度 H3 (圖 2— 2)影響活塞工作的穩(wěn)定性、噪音和耐久性， 目前一般就根據(jù) ps 來(lái)估計(jì) sP = )( 3m axm ax barDHPFP NsN ? 式中 P maxN —— 最大側(cè)壓力 (牛頓 )； Fs —— 活塞活塞裙投影面積（厘米 2 )。 在考慮活塞裙長(zhǎng)度與活塞銷位置的相互關(guān)系時(shí)，可以把活塞裙看作鉸支在活塞銷上的滑塊。如果活塞側(cè)壓力 Pn 的作用線與活塞膨脹沖程時(shí)油膜合力R 一致，則沿滑塊就可在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙許用比壓 [ps ]=6— 12 巴 (高速柴油機(jī) )。此比壓值越大，則在 活塞材料的選擇、設(shè)計(jì)、加工、表面處理等方面越要仔細(xì)。故本次 180F 柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)選 裙部長(zhǎng)度 H2 選取 H2 時(shí)應(yīng)是裙部比壓在許可范圍內(nèi) H2/D 的范圍一般如下 高速柴油機(jī) —— 中速柴油機(jī) —— 綜合考慮取 既裙部長(zhǎng) =52 上下裙部應(yīng)有恰到的比例，上裙長(zhǎng)度 H3 過(guò)小易產(chǎn)生尖峰負(fù)荷，造成活塞拉毛及擦傷，一般的比例如下， H3=（ —— ） H2=—— 39 裙部的膨脹控制 因此，在設(shè)計(jì)活塞裙時(shí)一方面必須盡量減少?gòu)幕钊^部傳給裙部的熱量 ，采用膨脹系數(shù)小的材料或采用限制膨脹的專門措施；另一方面使括塞裙部的形狀與活塞的溫度分布、金屬分布相適應(yīng)，與機(jī)械變形造成的失圓相適應(yīng)。 根據(jù)上述認(rèn)識(shí)，在生產(chǎn)實(shí)踐中采取下列三類結(jié)構(gòu)措施。 （ 1） 橫向絕熱槽和縱向補(bǔ)償槽 在活塞裙上端，或者最下面一道油環(huán)槽底加工出橫槽，以減少?gòu)幕钊^部傳到裙部的熱量，降低裙部的溫度。與此同時(shí)還在活塞裙的次推力面上加工出縱向(帶不大的斜度 )直槽使裙部有一定的彈性。直檔與上述橫糟成 T 形或成倒 u 形， 17 而在非推力面的銷孔出口附近鑄有深 ~1 毫米的凹陷面。 （ 2）橢圓裙 活塞工作時(shí)在銷軸方向尺寸伸長(zhǎng)相對(duì)較多，為使裙部在工作時(shí)具有比較均勻的間隙，不致在銷孔附近卡住，在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部做成長(zhǎng)軸位于垂直銷鈾方向，短軸位于平行銷軸方向的橢圓形（圖 24a,b）。 圖 24 典型活塞裙部橢圓形狀 公式 e0 = 4dD? (1cos2? ) 式中 D、 d 分別是橢 圓的長(zhǎng)短軸。 修正公式 e0 = 4dD? [(1cos2? )+25? (1cos4? )] 式中 ? = 活塞裙的配合間隙 活塞裙部和氣缸套配合標(biāo)準(zhǔn)間隙為 ~ 毫米。故 180F 柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)選配合間隙為 毫米