小型汽油机活塞连杆的设计与校核
1.6工作任务
第二节 活塞组件的设计
2.1 活塞组件的设计
2.11. 活塞组工作条件和设计要求
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬间温度可达2500K以上。因此，受热严重，而受热条件又差，所以活塞温度都很高，顶部高达600~700K，且温度分布不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程最大，一般汽油机可达3~5MPa,这使得活塞产生压力，并产生侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度（8~12m/s）往复运动，且速度在不断变化，这就产生了很大的惯性力，是活塞承受很大的附加载荷。如此，活
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塞在这样恶劣的条件按下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。
1） 2） 3） 4）
承受高温高压燃气作用并通过活塞销，连杆将力传递给曲轴。销座孔内侧受力严重。
目前承受高速增压柴油机的最高燃烧压力控制在12~13MPa，最高可达15MPa。
高速增压柴油机最高燃气温度在2000摄氏度左右，循环平均有效传热温度在800摄氏度左右。
活塞组件在高速往复运动中与气缸壁形成密封配对副，在传递力过程中裙部承受很大的侧压力。
综上所述，活塞是在高负荷，高温，高速，润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求：
1）
要选用热强度好，耐磨，比重小，热膨胀系数小，导热性好，具有良好耐磨性、工艺性的材料；
2）
有合理的形状和壁厚。是散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；
3）
保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失，尽可能靠近活塞中部，确定活塞周边温度均匀注意喉口部位设计，防止局部烧损；
4）
保证活塞头部必须有足够的机械强度和良好的热散热，以承受高温高压燃气的作用
5）
活塞裙部应有控制热膨胀措施，以确保在任何工作条件下与气缸之间有最佳配合间隙；
6）
活塞销座处（特别是销座孔内侧）应有避免应力集中的措施，应根据冷却条件合理确定第一活塞环的位置及活塞环糟的设计，尽可能减少有害间隙容积。
2.12 活塞销工作条件和设计要求
活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷，其本身又作摆转运动，而且处于润滑条件很差的情况下工作，因此，要求活塞销具有足够的强度和刚度，表面韧性好，耐磨性好，重量轻。所以活塞销一般都做成空心圆柱体，采用低碳钢和低碳合金钢制成，外表面经渗碳淬火处理以提高硬度，精加工后进行磨光，有较
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高的尺寸精度和表面光洁度。
活塞销承受销座传来的燃气应力、活塞比较容易磨损。
活塞销的设计要点有故：组惯性力和连杆小头作用力。由于相对转动角度小。难以实现完全液体润滑，
1）足够的强度和刚度以限制变形量； 2）内韧外硬以提高抗疲劳和耐磨性； 3）尽可能轻以减小自身往复惯性力。 2.13 活塞环工作条件和设计要求
活塞环在高温、高压、高速和润滑极其困难的条件下工作，尤其是第一道环最为困难，长期以来，活塞环一直是发动机上使用寿命最短的零件。活塞环工作时受到气缸中高温高压燃气的作用，温度很高(特别是第一道环温度可高达600K)，活塞环在气缸内随活塞一起作高速运动，加上高温下机油可能变质，使环的润滑条件变坏，难以保证良好的润滑，因而磨损严重。另外，由于气缸壁的锥度和椭圆度，活塞环随活塞往复运动时，沿径向会产生一张一缩运动，使环受到交变应力而容易折断。因此，要求活塞环弹性好，强度高、耐磨损。目前广泛采用的活塞环材料是合金铸铁（在优质灰铸铁中加入少量铜、铬、钼等合金元素)，第一道环镀铬，其余环一般镀锡或磷化。
活塞环的功能是密封气缸上部和润滑气缸下部，以及将部分燃烧的热量通过气缸壁传给冷却水。
根据发动机的类型和使用工况，决定所需活塞环的数目。对于第二道环以下的气环，要充分研究它的气密性有多大；增加环的数目未必能减少漏气量。目前总的趋势是减少活塞环的数目，本次所研究的小型汽油机KG160使用3道环，两道气环，一道油环。
顶环，即第一道环又称压缩环，主要起密封燃气作用。第一道环的工作条件最恶劣，它的好坏对活塞组窜气、窜油将产生影响。因此，要强化第一道气环，对其材料和复层，结构尺寸和断面形状等都应仔细选定。第一道环普遍采用镀铬，其次喷钼。抗结胶和抗拉缸性能较好的梯形环、桶面环使用日益增多。
油环，为第三环，主要起控制润滑油作用。由于只有一道油环，因此强化油环结构，加强刮油效果是必要的。
中间环，辅助密封燃气；主要起刮油作用并确保顶环必要的润滑。
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2.2 活塞组件的材料及表面处理
2.21 活塞材料及表面处理
现代高速小型汽油机活塞材料可选用共晶铝硅合金或过共晶铝硅合金。后者具有耐热、耐磨及膨胀系数小等优点，但工艺性较差，我国曾采用有稀土元素的合金，不过由于稀土元素的纯净度难以保证，会影响铝合金性能，所以现在采用的不多。
铝合金活塞毛胚多采用金属模锻，成型后一般要热处理，对硅铝合金可加热到300~500℃保温3~4个小时，然后淬入热水，再加热到200℃保温8小时，用以消除内应力。 2.22 活塞销材料及热处理
通用材料：20、15Cr、20Cr、20Mn2，一般采用20Cr。
活塞销外圆表面须经渗碳处理，渗碳层深度与活塞销壁厚有关，常规渗碳层厚度约为活塞销壁厚的10%，内孔表面也可根据需要进行渗碳，厚度可比外表面小。
活塞销外圆表面经渗碳淬火后的硬度约为58~64HRC,外圆表面粗糙度应控制在0.16um以内。
活塞销加工可采用冷挤压工艺，这种工艺具有节省金属、提高劳动生产率，降低成本、机械性能好等优点。对于铝合金活塞，冷态时活塞销和销座配合大多是过盈，因此，在装配时，需将活塞销座加热到60℃—120℃。 2.23 活塞环材料及表面处理
活塞环常用材料。
一般为合金铸铁，合金成分主要有：
铬钼、铜铬钼、钨铬钼、钨钒钛等，高强度的汽油机顶环多采用球墨铸铁。 活塞环常用的表面处理:
高强度的汽油机顶环与气缸外圆接触面一般要进行喷钼或镀铬处理，KG160
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汽油机活塞环所采用的是外圆面镀铬处理，铬层厚度0.05mm以上，衍磨后，液体喷砂处理，其余面磷化处理。
表面镀铬可分为镀硬铬和松孔镀(即在镀铬后再进行表面松孔处理，以改善储油)，镀铬层厚度约为0.05~0.10mm孔镀铬层厚度约为0.10~0.18mm孔层厚度为0.05mm。
为提高喷钼或镀铬层的牢度，外层多用于镶嵌结构，镀层仅限于环部中段。 2.3 传统活塞加工工艺流程
粗车止口—>粗车外圆、顶面—>精车止口—>粗镗销孔—>精车环槽—>半精车外圆—>精镗销孔—>车挡圈槽—>车内角—>粗精车燃烧室—> 精车外圆。
此工艺流程为传统活塞加工的工艺流程，是大部分企业普遍采用的流程。在本次设计与校核中，所应用的思路是采用工艺流程。 2.4 国外发展现状
活塞方面，活塞作为发动机的心脏，是一种技术含量比较高的零部件。现代先进的发动机，其活塞的设计相当复杂，已发展成为集轻质高强度新材料、异形外圆复合型面（裙部为中凸变椭圆形面）、异形销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品。活塞的加工精度要求高，其裙部横向椭圆度精度达0.005mm，纵向中凸轴线精度达0.005~0.01mm。
从上世纪80年代开始，数值模拟技术发展迅，国内外的科研机构及汽油机公司对活塞都进行了深入的研究。其研究的主要内容是：活塞的温度场、热应力、热疲劳、热冲击和机械强度等。对活塞的热冲击、耦合传热、瞬态分析、滑油传热以及积碳等方面都做了大量的研究。同时，对活塞的数值模拟计算，科研人员不断地寻求专业的数值计算方法，来提高分析解决问题的能力。国内对活塞热负荷的研究主要在高校进行，对于由经验和半经验公式得出平均边界换热系数，再根据平均燃气温度对活塞进行稳态热分析的研究，国内研究的比较深入。其中较为先进的活塞分析方法是有限元分析计算，通过有限元分析，能在活塞的设计上大幅度提高活塞的强度；活塞的温度场有限元分析，能非常准确的模拟活塞的实际工作环境温度。是发动机的功率不断增加，尾气的排放相对以前得到很大的改
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