2.3.1 活塞组
活塞组包括:活塞、活塞环、活塞销等。
2.3.1.1活塞
活塞是发动机的重要传力机构,活塞与缸盖、气缸形成密闭的容器,保证工作过程的顺利进行,同时将燃气压力通过连杆把力传给曲轴输出。在工作过程中,活塞承受周期性变化的气体压力和惯性载荷,并在气缸中作高速往复运动,将力传给连杆,同时承受交变的侧压力。
发动机工作时,燃气温度高达 2000 ℃以上,活塞顶部接触燃气,因高温使材料机械性能降低,甚至产生高温蠕变。当顶部温度超过 370~400 ℃时,还会产生热裂现象。第一道环槽温度超过 200~220 ℃,就会造成活塞环粘结。进气时,活塞又受到冷的新气冲刷,造成温度不均,引起大的热应力和活塞变形。活塞工作温度高且作往复变速运动,润滑又困难,所以极易磨损。
根据活塞的工作条件,对活塞的要求是:
有足够的刚度、强度和耐热性,以承受燃气的高温高压;
加工精度要求高,保证密封又不增加磨损;
尽量降低重量,以减少惯性载荷;
润滑性和耐磨性良好,以提高寿命。
铝合金材料基本上满足上面的要求,因此,活塞一般都采用高强度铝合金,但在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。
活塞的基本结构可分为顶部、头部、裙部三部分如
(1) 活塞顶部
活塞顶部形成燃烧室的底部,主要有平顶、凹顶和凸顶等几种型式,具体形状取决于燃烧室的要求。
汽油机活塞顶部多为平顶,如
现代高压缩比、多气门发动机,为满足燃烧室的要求也有略微凸起或凹下的形状,以及为了避免活塞与气门碰撞而制成凹坑,如
柴油机活塞顶部由于燃烧系统的不同,形状有较大的差异。非直喷式的涡流室式或预燃室式燃烧室的活塞顶部基本为平顶或微浅凹坑,而直喷式燃烧室为了混合气形成的需要,一般均有较复杂的形状( 图 2-3-3d 、 e 、 f )。
活塞顶部的厚度通常是从中间向四周逐渐增厚,以保证足够的刚度和散热要求。在没有特殊冷却装置的情况下,顶部的热量通过活塞环和裙部,经缸筒将热散到冷却介质。对增压强化发动机来说,为降低顶部温度负荷,有专门的油道冷却活塞顶部,如图 2-3-4 所示。它通过机油循环冷却活塞。
(2) 活塞头部
活塞头部是活塞环槽以上的部分。其主要作用有三: 1 )承受压力并传给连杆; 2 )与活塞环一起实现气缸的密封; 3 )将活塞顶吸收的热量通过活塞环传导到气缸壁上。头部切有若干道用以安装活塞环的环槽。汽油机一般有 2~3 道环槽,上面 1~2 道用以安装气环,下面一道用以安装油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔,被油环从气缸壁上刮下来的多余机油,经这些小孔流回油底壳。
(3)活塞裙部
自油环槽下端面起至活塞底面的部分,称为活塞裙部,其作用是为活塞在气缸内做往复运动导向和承受侧压力。
1) 裙部长度和类型
活塞裙部较长时,导向性能好,裙部比压小,并有利于减少活塞在气缸内的侧偏。但裙部较长时也有一些缺点:活塞高度、重量、发动机高度的值都比较大。所以通常在保证允许的比压下,取最小长度,现代发动机活塞裙部有 3 种类型,如图2-3-5 所示。
短行程的轿车发动机多采用拖板式或半拖板式。一些载重车汽油机或柴油机常采用全裙式,有的还在裙部下端装有活塞环。


