汽车曲柄连杆活塞机构

1. 3曲柄连杆机构

11. 3.1活塞

1.活塞功用

1)为燃烧室提供与曲轴箱之间的运动密封。

2)承受燃烧期间所产生气体压力，并通过连杆将其转变为旋转作用力，而传给曲轴。

3)将燃烧气体所放出的并传递给活塞顶的热传给气缸壁。

4)在二冲程发动机中，承担换气控制。

2.活塞受力

(1)活塞受力 对点燃式发动机，作用于活塞顶上的压缩压力可达6MPa，此压力将使一个直径为80mm的活塞受到3000N的作用力。活塞销加给活塞销孔的表面压力可高达60N/mm2。 (2)侧向力 活塞交替地压向气缸壁。在这个过程中，一个高达0. 8N/m耐的侧向压力作用于活塞裙部。这就导致活塞拍击气缸壁并发出响声。减小活塞间隙，加大活塞裙长度和活塞销轴线的偏移量，就可能减轻活塞拍击。 活塞销轴线偏移就是将活塞销轴线从活塞中心向承压侧移动大约0. 5一1. 5mm。在活塞的运动过程中，在TDC之前通过慢慢增长的压缩压力使活塞改变接触面，

而不再是在TDC之后短暂的时间内突然出现的燃烧压力，导致活塞改变接触面。 (3)摩擦力活塞裙、活塞环槽和活塞销孔凸台都要受到摩擦力的作用。通过正确选择材料，精细加工滑动表面和适当的润滑，就能减小摩擦和磨损。 (4)热混合气的燃烧使气缸内产生高达2500℃的高温。通过活塞顶、活塞环带和活塞环，才能将大量的热传给气缸壁。甚至机油也能传热。除此之外，轻合金活塞在活塞顶处仍然要承受250一350℃的工作温度，即使在活塞裙部位温度也高达15090。 受热会引起材料膨胀，从而导致活塞咬死。必须采用适当的形状(如锥形环带、椭圆形活塞横断面)，对活塞的不同部位的不同的热膨胀进行补偿。 (5)冷态间隙冷态时活塞与气缸之间的间隙各处不等，例如，在活塞裙部下端，在活塞销方向的间隙为0. 088mm，而在垂直于活塞销的方向上间隙只有0. 04mm。由于活塞裙部直径此处，所以这个最小间隙是装配间隙。活塞顶和环带部分受高温作用，因而膨胀比裙部更加明显。因此，在整个活塞长度上，活塞间隙必须是变化的。通过将活塞制成椭圆形而不是圆形，以及制成中凸形或者锥形而不是圆柱形就可以实现这一点。表示相应活塞区域的椭圆度。 安装间隙是气缸直径与活塞直径之差。 (6)热态间隙在正常工作温度时，设想活塞大致呈圆柱形，并且活塞间隙减小于活塞受力而变形，无法对热态间隙的大小做出规定。即使在短时间内超过容许温度，须有备用间隙才行。 3.活塞材料 由于活塞承受不同类型的应力和应变，所以活塞材料必须具有下列特性: 1)低密度(以获得较小的加速惯性力)。 2)高强度(即使在高温时也应具有高强度)。 3)优异的传热性。 4)摩擦阻力小。 5)耐磨性好。 考虑到低密度和良好的传热性，采用了由铝硅合金制成的活塞。硅含量越高，热膨胀和磨损就越小，但是力学性能变差。一般说来材料AISi12CuNi能够满足这些要求。在更高热负荷的情况下，使用A1Si18CuNi或AISi25CuNi制造活塞。 活塞用金属型铸造工艺来制造。必须经受特别高的压力的活塞使用模压(锻造)来制造。 4.活塞结构与尺寸 活塞由下列不同的部分组成: 1)活塞顶。 2)活塞环带(含火力岸)。 3)活塞裙。 4)活塞销座。 (1)活塞顶活塞顶或者是平的(平顶活塞)，或者是略向内弯曲(凹顶活塞)，或略向外弯曲(拱顶活塞)。通过与活塞的燃烧室凹坑的整合，可以将压缩室部分地转移到活塞上活塞顶的形状还要受压缩室的形状和气门的布置的影响。 (2)火力岸这部分用来保护最上面的活塞环，以防其过热。在活塞的内侧，活塞顶向活塞环带的圆滑过度提高了活塞顶的强度，促进了活塞顶的散热。活塞裙用于引导活塞在气缸中运动。它将侧向力传递给气缸壁。活塞销座将活塞的受力传给活塞销。压缩高度影响着压缩比。适当的裙部长度有助于将活塞换向时对气缸的拍击减到最小程度。 5.活塞类型 (1)单金属活塞这些活塞是使用单一材料(如A1Si合金)经铸造或模压而成的，用于点燃式发动机和柴油机的全裙式活塞，或用于二冲程发动机的活塞。在燃烧压力较高(如在柴油机上)的情况下，活塞顶、活塞环带和活塞顶与活塞裙之间的过渡部分都经过加厚。 (2)镶恒范钢片活塞这些活塞内镶嵌有钢片，如环带形钢片、支撑钢片或弓形撑片。这些钢片均被铸人轻合金内。当活塞受热时，它们就会阻碍热膨胀，或者将热膨胀限制在某一特定方向上(双金属效应)。由于这种活塞对低温和正常工作温度具有更好的适应能力，因此取得了良好的运行性能，降低了噪声，以及减小了安装间隙。 在同样受热时，钢片和轻合金的膨胀量不同。‘这就使恒范钢片活塞内的支撑钥片弯曲变形，从而导致活塞直径的增加。通过在活塞销座区城安装铜片，伸长变形主要出现在活塞销轴线方向上，而在推力方向上活塞直径很少变化。通过将活塞的悄座区城加工成椭圆形的方法，可以对热膨胀进行补偿。 (3)带环槽座圈的活塞在火力岸区域，由于热负荷和压力负荷较大，因此给第1道环铸人了一个环槽座圈。由于给环槽镶人一个衬里，因此降低了磨损。另外，对该环槽的阳极化处理也增加了其耐磨性。通过铸人的一个冷却管，并让机油从中流过，也能右助干散执。伸用一个黄铜衬套.对活塞销座起到了加强作用。 6.活基工作面的保护 由于在活塞工作面上涂有保护层，减小了摩擦，所以在磨合期间，发动机就已经能够承受正常的负荷。而在临时性润滑不良的情况下，通过应急运行特性，就能防止活塞咬缸 (1)锡层在锡盐浴镀槽中，锡沉积在轻合金活塞上。锡层厚度小，但具有良好的滑动特性和应急运行特性。 (2)铅层与锡(熔点232℃)相比，铅的优点是熔点更高( 327 ℃ )，因此铅层是目前最常用的涂层。 (3)以防腐为主的涂层阳极处理层具有极强的耐腐蚀性。但却不具有应急运行特性.经阳极处理的活塞顶已经证实能承受高的热负荷，并用作一种防腐手段。 (4)提高耐磨性和防腐性的涂层 这些涂层有塑料涂层、石墨涂层和铁涂层。 1)塑料涂层。在活塞的裙部，涂敷一种含有树脂、尼龙和耐磨物质，以及石墨、特氟龙、硫化铂或铁的混合物涂层。这种涂层可以从它的金黄色的外观进行识别。 2)石墨层。柴油机活塞上常常涂有石墨涂层或钥涂层。石墨层与酚醛树脂结合，铝层与环氧树脂结合·这种涂层具有良好的应急运行特性和杰出的耐磨性。 3)铁层。对于“涂铁活塞”来说，活塞裙表面先镀铜，然后再涂敷0. 3mm厚的铁层。这样的铁层就像铬层一样坚硬。铁层上面有锡层，起到防腐作用。镀铁活塞特别适用于使用ALUSIL工艺或LOKASIL工艺制造的气缸。 7.活塞环 发动机采用了两种不同的活塞环:气环和油环(见表11-1)。 (1)气环气环的作用是:密封气缸，将气缸与曲轴箱之间隔离开来;将活塞上的热量传给冷却的气缸。 (2)油环油环的作用是:将气缸壁上多余的机油刮下来;使刮下来的机油返回到油底壳。 (3)活塞环性能活塞环必须具有弹性，因而在滑过活塞和压缩到最小尺寸之后，不会发生永久变形。在工作期间，活塞环后面的气体压力加大了与气缸壁之间的接触压力。 (4)活塞环材料通常，活塞环由铸铁和调质铸铁制成，而高应力活塞环是由球墨铸铁或高合金钢制成。 (5)保护层磷和锡保护层用来改善滑动性并简化磨合性。铝保护层用作活塞环衬环的涂层。由于喷钥层的良好导热性、高熔点(2620℃)和良好的应急运行性能，铝层能在很大程度上防止活塞环咬缸。 镀铬环耐腐蚀，耐磨损。这种活塞环一般用作第一道环，而第一道环的润滑条件最差。 为了减小摩擦阻力，小型二冲程发动机常常只采用一道活塞环，如L形环。 8.活塞梢与活塞销档圈 (1)活塞销活塞销的作用是将活塞与连杆连接起来。活塞销与活塞一起来回运动。因此、活塞销质量必须小。 活塞销采用空心结构，以便减小加速惯性力。突然改变的负荷要求在应力完全颠倒的情况下，对活塞销材料的韧性和疲劳强度进行检验。活塞孔间隙很小、这就要求活塞销具有很高的表面质量和几何精度。活塞销的润滑条件恶劣，这就要求活塞销具有很高的表面硬度，以便降低磨损。 活塞销的重要形状特征 1)活塞销采用圆柱形通孔(正常形状)。 2)活塞销采用阔口锥形孔(减轻质量)。 3)活塞销采用不通孔，以免在二冲程发动机中出现扫气损失。活塞销孔或在中间封闭，或在一端封闭。 活塞销的材料是表面渗碳淬火钢、渗氮钢。 表面渗碳淬火钢Ck15用于一般应力场合，而表面渗碳淬火钢17Cr3 , 16MnC5和31CrMo12用于高应力点燃式发动机和柴油机。 像31 CrMo12和31CrMoV9这样的渗氮钢用于应力的场合和表面应具有硬度的场合。 (2)活塞销挡圈如果活塞销安装后，能在活塞销座内浮动，那么就需要挡圈来阻止活塞销的窜动，从而也就防止了活塞销刮伤气缸壁。 活塞销挡圈是一种在径向具有弹性，安装后卡在活塞销座孔相应凹槽内的钢圈片状挡圈、钢丝挡圈)。为了方便安装，片状挡圈上有孔眼，而钢丝挡圈的端部弯曲成钩状、以便于用安装钳操作。