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新聞主題 |
發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的主要作用及結(jié)構(gòu)名稱 |
摘要：活塞是柴油機(jī)上最關(guān)鍵的零部件之一，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為柴油機(jī)的心臟。它的工作情況直接關(guān)系到高速柴油機(jī)提高燃油效率和使用耐久性的關(guān)鍵，同時(shí)直接影響到柴油機(jī)的排放性能。活塞的結(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜，在工作狀態(tài)下受到高壓燃?xì)鈮毫Α⒏咚偻鶑?fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力、側(cè)向壓力和摩擦力等周期性載荷作用，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形。高壓氣體燃燒產(chǎn)生的高溫使活塞頂部乃至整個(gè)活塞溫度高，且溫度分布不均勻?qū)е禄钊a(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形。熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合將導(dǎo)致活塞產(chǎn)生裂紋、活塞環(huán)膠結(jié)以及拉缸等。因此，活塞設(shè)計(jì)在柴油機(jī)的設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵。
一、活塞材質(zhì)及特點(diǎn)
活塞的功用是承受燃?xì)獾膲毫Γ⒔?jīng)過連桿將力傳給曲軸。活塞的工作條件十分惡劣，它是在高溫、高壓的燃?xì)庾饔孟拢粩嗟刈龈咚偻鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)。由于受到周期性變化的燃?xì)鈮毫屯鶑?fù)慣性力的作用，活塞承受很大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，加之溫度分布不均勻，就會(huì)引起熱應(yīng)力。因此，要求活塞必須有較輕的重量以及足夠的強(qiáng)度與剛度。活塞在高溫、高壓、高速條件下工作，其潤(rùn)滑條件較差，活塞與氣缸壁摩擦嚴(yán)重。為減小磨損，活塞表面必須耐磨。
1、活塞的制作材料
活塞是柴油機(jī)中一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)部件，材質(zhì)應(yīng)具備抗高溫、高壓、高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。常用的活塞材質(zhì)如圖1所示。
（1）鋁合金
鋁合金是目前最常用的活塞材質(zhì)之一，因其具有重量輕、強(qiáng)度高、熱傳導(dǎo)性能好以及加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各種柴油機(jī)中，特別是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中。常用的鋁合金牌號(hào)有Y112、GY6、ZL109等。
（2）鋼鐵
鋼鐵活塞具有高強(qiáng)度、高溫抗性能好等優(yōu)點(diǎn)，適用于柴油機(jī)等高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)。常用的鋼鐵牌號(hào)有42CrMo和38CrMoAl等。
（3） 鑄鐵
鑄鐵活塞性價(jià)比較高，但是對(duì)于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)度和使用壽命都存在一定的問題，因此一般不適用于高質(zhì)量的柴油機(jī)。
2、活塞材料的特點(diǎn)
（1） 鋁合金：
鋁合金除了具備輕量、高強(qiáng)度、好的加工性能等優(yōu)點(diǎn)外，其熱傳導(dǎo)性能也很好，不易受到熱應(yīng)力破裂的影響。但是，鋁合金活塞的熱膨脹系數(shù)大，容易引起活塞與氣缸套之間的間隙變化。
（2）鋼鐵：
鋼鐵活塞強(qiáng)度高，耐用性好，適應(yīng)性強(qiáng)，特別是在柴油機(jī)等高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)中表現(xiàn)尤為突出。
（3）鑄鐵：
鑄鐵活塞的生產(chǎn)制造成本低，但是硬度和強(qiáng)度比較低，而且容易變形，因此一般不適用于高質(zhì)量的柴油機(jī)中。
總之，活塞的材料應(yīng)根據(jù)不同的使用需求進(jìn)行選擇，在選擇時(shí)要綜合考慮各種因素，如質(zhì)量、成本、使用環(huán)境等。此外，可采用活塞的金相強(qiáng)化制造方法，采用TIG焊接、等離子焊接、激光焊接的方式，對(duì)活塞所有的薄弱部位進(jìn)行局部金相強(qiáng)化，提高該部位的性能，使得強(qiáng)化部位達(dá)到或超過增加陶瓷復(fù)合材料、銅套、鑄鐵耐磨環(huán)的作用，減少燃燒室喉口開裂失效、銷孔開裂失效、環(huán)槽脫落失效等局部失效現(xiàn)象的發(fā)生。活塞金相強(qiáng)化工藝示意圖如圖2所示。
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圖1 柴油機(jī)活塞材料結(jié)構(gòu)示意圖 |
圖2 活塞材料金相組織強(qiáng)化工藝示意圖 |
二、活塞結(jié)構(gòu)
高速柴油機(jī)的活塞通常采用鑄鋁合金。隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷強(qiáng)化，采用鍛鋁合金或共晶鋁硅合金的活塞日益增多，而高增壓柴油機(jī)較多采用鑄鐵活塞，其目的在于提高柴油機(jī)的強(qiáng)度，減小熱脹系數(shù)。活塞的基本構(gòu)造如圖3所示，它可分為頂部、環(huán)槽部（防漏部或頭部）、活塞銷座和裙部四部分。
1、頂部
頂部是構(gòu)成燃燒室的一部分，其結(jié)構(gòu)形狀與發(fā)動(dòng)機(jī)及燃燒室的形式有關(guān)。如圖3所示為活塞頂部的幾種不同結(jié)構(gòu)形狀。小型柴油機(jī)大多采用平頂活塞［圖4（a）］，優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單，受熱面積小。大多數(shù)柴油機(jī)的活塞頂部由于要形成特殊形狀的燃燒室，其形狀比較復(fù)雜，一般都制有各種各樣的凹坑［圖4（c）（d）］。凹坑是為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況而設(shè)置的，使可燃混合氣的形成更有利，燃燒過程更完善。有的柴油機(jī)為避免氣門與活塞頂相碰撞，在頂部還制有淺的氣門避碰凹坑［圖4（d）]。
柴油機(jī)活塞所受的熱負(fù)荷大（尤其是直接噴射式柴油機(jī)），往往會(huì)使活塞引起熱疲勞，產(chǎn)生裂紋。因此，有的柴油機(jī)可從連桿小頭上的噴油孔噴射機(jī)油，以冷卻活塞頂內(nèi)壁。也有的柴油機(jī)在機(jī)體里設(shè)有專門的噴油機(jī)構(gòu)，也可起到同樣的作用。活塞頂部因承受燃?xì)鈮毫Γ砸话惚容^厚；有的活塞頂內(nèi)部還制有加強(qiáng)筋。
2、環(huán)槽部
環(huán)槽部主要用于安裝活塞環(huán)以防止燃油或燃?xì)饴┤肭S箱，并將活塞吸收的熱量經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸壁，與此同時(shí)阻止?jié)櫥透Z入燃燒室。活塞頭部加工有數(shù)道安裝活塞環(huán)的環(huán)槽，上面2～3道用于安裝氣環(huán)，下面1～2道是油環(huán)槽。油環(huán)槽的底部鉆有許多徑向小孔，以便油環(huán)從氣缸壁上刮下多余的潤(rùn)滑油從小孔流回曲軸箱。
有的柴油機(jī)在活塞頂?shù)降谝画h(huán)槽之間，或者一直到以下幾道環(huán)槽處，都開有細(xì)小的隔熱溝槽，如圖5所示。溝槽在活塞工作時(shí)，可形成一定的退讓性，可以防止活塞與氣缸壁的咬合，故這種活塞可適當(dāng)減小活塞與氣缸間的間隙。隨著柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化，為了提高第一、二道環(huán)槽的耐磨性，有的柴油機(jī)在環(huán)槽部位上鑲鑄耐熱和耐磨的奧氏體鑄鐵護(hù)槽圈。
3、活塞銷座
銷座用以安裝活塞銷，主要起傳遞氣壓力的作用，所在位置如圖6所示。活塞銷座與頂部之間往往還有加強(qiáng)筋，以增加剛度。銷座孔內(nèi)設(shè)有安裝彈性卡環(huán)的環(huán)槽，活塞銷卡環(huán)是用來(lái)防止活塞銷在工作中發(fā)生軸向竄動(dòng)，竄出活塞銷座孔而打壞氣缸體。
4、裙部
活塞頭部最低一道油環(huán)槽以下的部分稱為裙部。其作用主要是對(duì)活塞在氣缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)加以導(dǎo)向，此外它還承受側(cè)壓力。柴油機(jī)由于燃?xì)鈮毫Ω撸瑐?cè)壓力大，所以裙部也比較長(zhǎng)，以減小單位面積上的壓力和磨損。
由于柴油機(jī)氣缸壓力很大，要求裙部具有足夠大的承壓面積，又要在任何情況下保持它與氣缸壁有最佳的配合間隙（既不因間隙過大而使密封性變差和產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象，又不因間隙過小而刮傷氣缸壁，甚至發(fā)生咬缸現(xiàn)象）。故其活塞裙部通常不開切槽，只是將活塞軸向制成上小下大的圓錐形，并將裙部徑向做成橢圓形。因此，柴油機(jī)活塞與氣缸壁的裝配間隙要比汽油機(jī)的大。為了保證柴油機(jī)壓縮終了有足夠的壓力和溫度，則要求其有更好的密封性，因此，柴油機(jī)應(yīng)具有更多的密封環(huán)和刮油環(huán)。
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圖3 柴油發(fā)電機(jī)活塞的基本構(gòu)造 |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)活塞頂部形式 |
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圖5 柴油發(fā)電機(jī)帶護(hù)槽圈和隔熱槽的活塞 |
圖6 活塞銷座結(jié)構(gòu)圖 |
三、活塞的工作條件和設(shè)計(jì)
1、活塞的工作條件
活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個(gè)部分，活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件主要功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出動(dòng)力。此外，活塞又是燃燒室的一個(gè)運(yùn)動(dòng)零件。
活塞是柴油機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件之一。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時(shí)作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓柴油機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。而且，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側(cè)部磨損等。由此可見，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。
活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫必然會(huì)引起活塞材料的強(qiáng)度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。而且，柴油機(jī)活塞的銷與銷孔之間的潤(rùn)滑油膜厚度為0.5～15um，過高的溫度會(huì)使?jié)櫥徒Y(jié)焦，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象。所以要求活塞應(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧乐惯^大的熱變形。
活塞運(yùn)動(dòng)速度和工作溫度高，潤(rùn)滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。
正確分析活塞的工作條件及變形可以為合理設(shè)計(jì)與加工活塞外輪廓提供依據(jù)，改善在受載工況下活塞與汽缸壁之間的配合狀況，提供活塞組件的綜合工作性能。各種CAE技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用為這一研究工作的展開提供了極大的便利。
2、活塞工藝設(shè)計(jì)意義
活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，它與活塞環(huán)、氣缸套、氣缸蓋構(gòu)成了工作容積和燃燒室。它承受燃?xì)庾饔昧Σ阉鼈鬟f給連桿，也通過活塞頂部接受的熱量通過氣缸壁傳入冷卻介質(zhì)中。它還可以密封氣缸以防燃?xì)庑孤┘皾?rùn)滑油竄入燃燒室。活塞也是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一，它是在高溫、高壓、高速、潤(rùn)滑不良的條件下作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)變負(fù)荷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的。一般柴油機(jī)中，燃燒室的瞬時(shí)溫度可達(dá)2000℃左右。活塞還受100公斤/厘米2 左右的燃?xì)鈮毫Γ虬税俦队谥亓Φ膽T性力作用。活塞環(huán)槽特別是第一環(huán)槽，對(duì)活塞的壽命影響很大。因?yàn)闄C(jī)械磨損是活塞在正常工作中主要損壞形式。銷孔是交變應(yīng)力高度集中的部位之一，易產(chǎn)生開裂和磨損，影響工作性能和使用壽命，必須提高銷孔尺寸精度。而活塞的外形也會(huì)在復(fù)雜的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的作用下變形膨脹。
此外，由于活塞在工作過程中受到高溫高壓的作用，所以必須產(chǎn)生熱形和受力變形。活塞的頂面受到汽缸內(nèi)氣體壓力的作用，產(chǎn)生彈性變形。由于活塞裙部在圓周方向剛性不同，在活塞銷軸線方向的彈性變形量比垂直于該方向的彈性變形量大，使活塞裙部在受力后變成橢圓。另一方面，活塞頂面與高溫氣體接觸，致使銷座部位的裙部向外擴(kuò)張。熱量通過活塞頂部傳到活塞裙部，溫度升高產(chǎn)生熱變形。再是活塞裙部圓周上壁厚不均勻，銷孔軸線方向厚，熱膨脹量大，垂直銷孔方向熱膨脹量小，從而使活塞裙部由于熱變形變成橢圓。
所以無(wú)論是受力變形還是熱變形，都使原來(lái)的圓柱形的裙部變成橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸在活塞銷孔的軸線方向。這樣必然使活塞與汽缸壁間的間隙不均勻甚至消失，以至于發(fā)生劇烈磨損甚至咬死。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(zhǎng)軸在垂直于活塞銷孔軸心線的方向上，橢圓度的大小隨活塞的型號(hào)而不同。
活塞工作時(shí)，頂面與高溫氣體直接接觸，熱量由頭部傳到裙部，頭部溫度高，熱膨脹量大，裙部溫度低，熱膨脹量小。為了補(bǔ)償這種部均勻的熱變形，把活塞頭部的外徑設(shè)計(jì)得比裙部外徑小，同時(shí)活塞裙部也設(shè)計(jì)成中間大，上下兩端小的腰鼓形，以保證其具有良好的導(dǎo)向性。
由上可知，由于活塞長(zhǎng)期在高溫高壓的環(huán)境下工作，承受高溫及機(jī)械交變負(fù)荷，在發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件中，活塞的損傷率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它部件。活塞出現(xiàn)的故障約占整個(gè)柴油機(jī)故障半數(shù)以上，僅從其直接經(jīng)濟(jì)效益來(lái)講，活塞的價(jià)格在整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中所占比例僅為1.5%左右，如果活塞出現(xiàn)相應(yīng)損壞，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，僅從發(fā)動(dòng)機(jī)方面直接損失數(shù)萬(wàn)元。因此，活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要性和工作環(huán)境的惡劣性決定了活塞制造工藝的重要性。
總結(jié)：
現(xiàn)代柴油機(jī)廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導(dǎo)熱性好（比鑄鐵大3-4倍），密度小（約為鑄鐵的1/3）。因此鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對(duì)改善工作條件減少熱應(yīng)力延緩機(jī)油變質(zhì)有利。目前鋁活塞廣泛采用含硅12%左右的共晶鋁硅合金制造，外加銅和鎳，以提高熱穩(wěn)定性和高溫機(jī)械性能。鋁活塞毛胚可采用金屬模鑄造，鍛造和液壓模鍛等方法生產(chǎn)。為了提高鋁活塞的強(qiáng)度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對(duì)活塞進(jìn)行淬火和時(shí)效熱處理。
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