活塞结构设计与工艺设计.docx

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活塞结构设计与工艺设计

摘要

内燃机的不断发展，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进和提高的基础上的，尤其是随着发动机强化程度的提高、功率的增大和转速的增加，零部件尤其是直喷式柴油机活塞的工作环境变得更加恶劣了。

活塞的结构直接影响活塞的温度分布和热应力分布，因此就有必要对活塞的结构和性能作出预测和评价。

活塞式内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏。

本设计通过对内燃机铝活塞加工技术的发展、活塞的工作环境以及结构特点的分析，确定了活塞的加工过程以及加工方案。

其中主要包括：

活塞顶部设计、活塞头部设计、活塞裙部设计、活塞的结构参数设计、和加工工艺的设计。

关键词：

内燃机活塞结构加工

Abstract

Thecontinuousdevelopmentoftheinternalcombustionengine,isbuiltonthebasisoftheperformanceandlifeofthemaincomponentscontinuetoimproveandenhance,especiallywiththeimprovementofthedegreeofenhancementoftheengine,powerincreasesandanincreaseinspeed,partsandcomponentsinparticular,isadirectinjectiondieselenginepistonworkenvironmentbecomesworse.Thestructureofthepistondirectlyaffectthetemperaturedistributionofthepistonandthethermalstressdistribution,andthereforeitisnecessarytopredictandevaluatethestructureandperformanceofthepiston。

Themostcriticalmovingpartsofthepistonengineunderhightemperatureandpressuretowithstandrepeatedalternatingload,whichisknownastheheartoftheinternalcombustionengine.Thedesignthroughthedevelopmentoftheinternalcombustionenginethealuminumpistonprocessingtechnology,thethepistonworkenvironmentaswellastheanalysisofthestructuralfeaturesidentifiedpistonprocessingandprocessingprograms.Whichmainlyinclude:

designofthetopofthepiston,pistonheaddesign,pistonskirtdesign,structureparametersofthedesignofthepiston,thepistoncalculationofthemaximumexplosionpressureandtheprocessdesign.

KEYWORD：

InternalcombustionenginePistonstructureMachining

第四节活塞的主要加工表面及技术要求…………………………………………...9

第一章绪言

一、活塞的发展趋势

活塞是发动机中的重要零件之一，它在工作时承受发动机气缸内高温气体的压力，并通过活塞销、连杆将压力传给曲轴。

因此活塞是在高温、高压和连续变负载下工作的。

发动机活塞的材料为铝合金，它的导热性好、重量轻、惯性力小，并具有较好的切削加工性。

铝活塞的毛坯采用金属模浇铸。

毛坯的精度较高，活塞销孔也能铸出，因此机械加工余量可以相应地减少。

毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行实效处理，以消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力。

随着中国汽车市场的快速发展，我国车用发动机活塞市场也将“水涨船高”。

特别是随着我国中重型汽车“井喷”式发展和国3排放标准的全面实施，未来三年，我国中高档柴油发动机活塞市场将迎来历史性的巨大发张契机。

二、活塞的市场预测

未来三年，我国中高档柴油发动机活塞市场存在着几方面的发展机遇：

一是长距离运输车辆的快速增长。

随着我国高速公路通车里程的快速增加和高等级公路的大规模建设，将有效拉动长距离运输车辆的快速增长。

目前国外载货汽车市场以300千瓦以上大功率车型为主，而在国内仅有5%的车型为300千瓦以上。

未来一段时间里，我国载货汽车市场的动力水平将快速升级，高速度、大功率、自身质量轻的重型汽车将成为用户的首选。

二是自卸车市场的强劲增长。

我国固定资产投资规模快速增长，大型项目上马带动工程用自卸车销售增长；同时因为受国家治超因素影响较小，自卸车市场空间会有所加大。

三是发展节油型重车成为趋势。

随着我国油价逐步与国际市场接轨以及各国对能源需求的进一步增加，高油价时代已经来临，节油将成为用户购买重型汽车的重要衡量指标。

四是国家新农村建设的强劲拉动。

随着国家加大落实“三农“政策力度，农民收入不断提升，收获机械、拖拉机产品的消费呈现出功率上升的趋势。

因此，在农机配套领域，多缸机逐步占据以傻大黑粗为特点的单缸机市场。

五是国3排放标准全面实施。

进入2007年，我国全面实施国3排放标准，将对中重型汽车的技术提升和老旧产品的淘汰起到促进作用。

六是重型汽车市场的更新换代。

据测算，目前国内重型汽车市场保有量为190万辆，全国货运总量平均每年增长约10%。

根据车辆报废新标准分析，重型汽车报废里程约为60万公里，基本上五年内要报废。

每年更新车辆总量约23万~25万辆，这是拉动重型汽车市场需求上涨的重要因素。

第二章活塞结构设计

第一节活塞的概述

一、活塞的功用及工作条件

活塞是曲柄连杆机构的重要零件煤气主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。

此外，活塞又是燃烧室的组成部分。

活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。

作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。

而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。

由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。

活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。

高温必然会引起活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。

另外，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。

所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。

同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。

活塞运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。

要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。

二、活塞的材料

现代内燃机广泛使用铝合金活塞。

铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。

因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。

目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提高热稳定性和高温机械性能。

铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。

为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。

第二节活塞的结构特点

一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。

1—顶部2—头部3—活塞销孔4—裙部5—气环槽6—油孔7—油环槽8—销座

图2.1活塞

一、活塞头部

头部是指活塞顶端和环槽部分。

活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。

多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。

活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。

活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。

二、活塞裙部

活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。

活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。

三、活塞销座

活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。

高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。

[

第三节活塞的选型

活塞的主要结构如图2.2可根据同类型发动机或统计数据选取。

图2.2活塞主要结构

一、塞高度H

活塞高度取决于以下因素：

（1）对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关）

（2）转速n

（3）燃烧室形状及尺寸

（4）活塞裙部承压面积

应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下，尽量选择较小的活塞高度。

数据范围如下表2.3

表2.3活塞高度H与缸径D之比的范围

机型

H/D

说明

一般范围

推荐值

中小型高速

1.0~1.3

1.1左右

转速越高，H越小，以减轻质量，从而控制由于转速升高而引起的惯性力增大

高速大功率

1~1.36

1.2左右

中速机

1.45~1.80

1.5左右

要求活塞使用寿命长，H选得较大

特殊用途

0.74~0.80

牺牲活塞使用寿命，选择最小H,以满足整机高度尺寸严格限制要求

二、压缩高度H1

压缩高度H1决定活塞销的位置。

H1取决于第一道活塞环至顶面的距离h、环带高度H5（H5又决定于活塞环的数目及高度）及上裙高度H4。

在保证气环良好工作的条件下，宜缩短H1，以力求降低整机的高度尺寸。

H1/D的一般范围表2.4所示。

表2.4H1/D的一般范围

机型

H1/D

小型高速D＜105mm

D＞105mm

高速大功率

中速机

0.5~0.7

0.6~0.8

0.55~0.8

0.8~1.0

三、顶岸高度h（即第一道活塞环槽到活塞顶的距离）

（1）h越小，第一道环本身的热负荷也越高。

应根据热负荷及冷却状况确定h，使第一道活塞环的工作温度不超过允许极限（约180~220℃）。

（2）在保证第一道环工作可靠的情况下，尽量缩小h，以力求降低活塞高度和重量。

（3）h/D的一般范围0.14~0.20。

组合活塞0.07~0.20

四、活塞环的数目及排列

（1）活塞环数目一般为：

高速机气环2~3道，油环1~2道；

中速机气环3~4道，油环2道（少数用一道）

（2）油环布置：

采用一道油环时，油环装在销孔上方。

五、环槽尺寸（环槽的轴向高度等于活塞环的轴向高度b。

）

环槽底径D`取决于活塞环的背面间隙，背隙大小与活塞的热膨胀有关，并对环的背压有一定影响。

D`可按下式估算

气环槽D`=[D-（2t+KD）+0.5]

（mm）

油环槽D`=[D-（2t+KD）+1.5]

（mm）

式中D活塞名义直径；

t活塞环径向厚度；

K系数，铝活塞K=0.006，铸铁活塞k=0.004

环槽底部的过度圆角一般为0.2~0.5mm.

六、环岸高度

（1）环岸高度（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂。

所以第一环岸高度h1一般比其余环岸高度要大一些。

（2）必须保证环岸有足够的机械强度，可按下列公式计算：

（3）环岸高度范围表2.5

表2.5环岸高度

类别

环岸高度与缸径之比

第一环岸h1/D

其余环岸h2（h3）/D

铝活塞

高速机

高速大功率

钢顶组合活塞

0.04~0.08

0.04~0.06

0.025~0.035

0.03~0.045

0.03~0.04

0.02~0.03

七、裙部长度H2

（1）选取H2应使裙部比压在许可范围之内，裙部比压可按公式q1=Nmax∕DH2。

（2）H2∕D的一般范围如下：

高速柴油机0.65~0.88

中速柴油机1.0~1.1

上、下裙长应有恰当的比例，上裙长度H4过小，易产生尖峰负荷，造成活塞拉毛及擦伤。

八、活塞销直径d销座间隔B

d和B的选择主要是考虑活塞销座的承载压力及活塞销的刚度问题，应满足下列要求：

（1）选择d和B时应验算销座比压和连杆小头轴承比压，使这两项平均比压均在允许范围之内。

（2）按如下公式校验活塞销的弯曲变形和椭圆变形，d的选择应保证活塞销的变形在许可范围内。

（3）

（3）中小型高速柴油机，一般d∕D＜0.4，若d∕D太大，则使活塞销表面至活塞顶内表面的距离过小，给活塞连杆组设计带来困难。

强化柴油机趋向于用较大的活塞销直径，d≥0.4D；大缸径柴油机d∕D值也较大。

第四节活塞的主要加工表面及技术要求

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、具有良好减磨性、工艺性的材料；

（2）有合理的形状和壁厚。

使散热良好，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；

（4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；

（5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；

（6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。

当进行活塞的结构设计时，应着重解决的问题是：

（1）改善活塞顶及第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结、卡死和过度磨损；

（2）改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂；

（3）确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减小配缸间隙，改善磨损并使运转平顺[2]。

图2.6活塞的设计尺寸

1．环岸及环槽底对活塞裙部轴心的径向跳动最大允差为0.1mm~0.15mm.全部槽底Ra3.2μm.

2.环槽侧面对活塞裙部轴心线垂直度不超过25：

0.07，环槽侧面对活塞裙部轴心线跳动不超过0.05mm，全部槽侧Ra0.4μm。

3．活塞销孔尺寸及精度为φ（28±0.075）mm；销孔圆柱度为0.00125mm；表面粗糙度Ra0.125μm；两销孔同轴度误差，在最大实体状态时为零；销孔轴心线对裙部轴心线垂直度为100：

0.035；这些参数超差会使活塞销与活塞孔配合不正常，破坏活塞、活塞销、连杆的正确装配位置，不能保证正常的润滑，并产生不正常磨损。

4．裙部保留有0.2mm，深0.008mm~0.016mm的刀痕，以便能储存润滑油，使发动机在工作中活塞与缸壁之间形成一层油膜，从而减少活塞与缸壁的摩擦。

5为了改善活塞的机械加工性能，在活塞的制造过程中对销孔尺寸、外圆尺寸和重量分别进行分组，然后按装配工艺要求进行分组装配。

第三章活塞工艺设计

第一节活塞加工工艺分析

一、活塞加工工艺特点

活塞主要表面尺寸和各表面间的相互位置精度要求较高；在加工后还要求保证塞裙部及顶部的壁厚均匀。

上述特点和要求，使得活塞机械加工比较困难，其加工工艺特点主要有以下几方面：

第一，活塞壁薄，径向刚度差，如果按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削力作用下很容易变形，从而影响加工精度，因此在制订加工工艺及选择加工设备时，应同时注意夹压点位置及活塞装夹方式的选用。

第二，活塞的加工面较多，加工较为复杂，它不仅对各加工面尺寸精度要求较高，而且对各个加工面间的相互位置精度要求也较高。

因此，在制定加工工艺时，应正确选择定位基准面，以减少因定位基准选用不当或定位基准变换所引起的加工误差。

同时，在选用加工设备时，应尽量选用多刀或多工位加工机床，以减少装夹次数，来减小装夹过程中所带来的加工误差。

第三，孔尺寸及形状精度要求很高，粗糙度要求低。

第四，薄、刚性较差，如果切削力过大会引起活塞变形，从而影响加工精度，因此，在加工时，应选择较小的进刀量和较高的转速。

同时，重要加工面如活塞顶面、裙部外圆、活塞销孔的精加工要放在最后进行。

二、活塞加工特征分析

1活塞顶部加工特征

活塞顶部是燃烧室的组成部分因而制成不同的形状，主要有平顶、凹顶、和凸顶几种形式，部分活塞还具有气门坑及其开口等结构。

因此，活塞顶部加工特征一般包括：

燃烧室、活塞顶面、气门坑、气门坑开口等。

活塞顶面与止口的平行度一般为0.015mm，其粗糙度要求一般为Ral1.6~3.2um，在加工过程中一般要经过粗加工和精加工来完成，粗加工的加工余量一般为1mm，精加工的加工余量一般为0.4mm。

从活塞顶面到活塞销孔中心线的距离称为压缩高，该距离影响发动机的压缩比，在精加工活塞顶面时需要保证活塞的压缩高。

燃烧室多为回转体形状，其素线由方向、半径不同的圆弧与直线圆滑连接而成，燃烧室精加工时需要保证燃烧室的粗糙度一般为Ra3.2um。

活塞毛坯一般是铸造而成，铸造时一般铸造有燃烧室凹坑，燃烧室加工同样需要经过粗加工和精加工两次加工完成，燃烧室粗加工的加工余量一般为1mm，精加工的加工余量一般为0.4mm，与顶面基本相同。

对于个别的活塞毛坯为平顶的铸造件，燃烧室加工需经过粗加工、半精加工和精加工三次加工才能完成，因此在进行工艺分析时需要判断是否铸造有凹坑。

而气门坑及其开口由于余量较小一般一次加工至成品尺寸。

根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而气门坑及其开口一般采用铣削加工。

2活塞头部加工特征

活塞头部主要有2-4道环槽及环槽之间的环岸、槽侧油带、第一环槽至顶部的火力岸组成。

因此，其加工特征主要是铁、铝环槽的加工及环岸、火力岸外圆的加工，有时在环槽底部或槽侧油带部位还有通向内腔的径向回油孔。

铁环槽为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。

基于这一原因，该环槽一般为两槽，并具有一定的斜度，以便于与密封环更好地接触，避免高压燃气串到裙部。

铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求，其基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有“粘性”加工特征，加工一般至少需要粗加工、精加工两次加工完成，粗加工加工出铁环及环槽形状并为精加工留出0.3~0.5mm余量。

铝环槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加工余量比较大、容易加工变形，因此一般至少分为粗、精两次加工来完成，粗加工加工出形状，给精加工留下0.1~0.2mm的余量。

由于加工铸铁环槽时产生较大的切削力和热量，容易引起铝环槽的形状误差和变形，因此需要把铝环槽的加工放在铁环槽精加工之后进行。

3活塞裙部加工特征

活塞裙部是自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的部分，它用作引导活塞在气缸内运动和承受侧压力。

受活塞结构的影响，为保证热态下活塞裙部的圆筒形状，以便能够与气缸很好地贴合，不至于被卡住或拉伤，需要将活塞裙部的径向外形设计加工为椭圆形状，其长轴在垂直于销座孔中心线平面内，短轴在销座孔中心线平面内，且椭圆度在不同的轴向位置是变化的；而活塞长轴轴向轮廓设计加工为上小下大、到底部再小的中凸形状，这种外圆形状称为中凸变椭圆。

在活塞裙部下端及内腔部位还需要加工出止口作为后续工序的定位基准。

活塞裙部外圆粗糙度一般要求1.6~3.2um，且外圆对加工纹理有特殊要求，基于外圆特殊的形状和表面纹理要求，需要经过粗加工、半精加工、精加工三次加工才能达到技术要求，总加工余量一般在2mm左右；活塞止口粗糙度一般要求1.6~3.2um，总加工余量一般在1mm左右，因此经过粗、精两次加工可以达到技术要求。

4活塞销座孔加工特征

活塞销座将作用在活塞顶部的气体力经过活塞销传给连杆。

销座常用加强筋与活塞内壁相连，以提高强度。

为减少销座上侧的压力，常把销座铸造成一些特殊形状，其中楔形销座是最常见的一种形式。

活塞在工作时销座孔内侧受到活塞销的反复冲击，为防止活塞该处应力集中及疲劳损坏，常将该处设计为喇叭口形状，因其加工实现起来较困难，称为异形销孔。

活塞销孔不仅本身尺寸精度与相互位置精度要求较高，而且粗糙度要求较低，一般为0.4~0.8um。

销座孔内有安放弹性卡簧的卡簧槽，为安装方便，销孔内、外侧常加工出较大的内、外口倒角。

基于以上加工特征，活塞销孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工才能达到技术要求。

为防止销孔变形，精加工一般安排在工序的最后面完成。

有些活塞为增加销孔的储油作用，还加工成椭圆形状，称为减压腔，有时还需要在销座上加工油孔。

三、定位基准的选择

1粗基准的选择

粗基准选择应从以下几方面考虑：

（1）应当尽量选用不加工表面作为粗基准，当在工件上有很多不需加工的表面时，以其中与加工面的位置精度要求较高的表面作为粗基准。

（2）选择加工余量较为均匀的表面作为粗基准。

（3）选择加工余量较小的表面作为粗基准。

（4）作为粗基准的表面应尽量平整，没有冒口、浇口以及飞边等缺陷，以便定位可靠。

（5）一般粗基准只能使用一次，特别是对于主要的定位基准，这样可以避免产生较大的位置误差。

2精基准的选择

活塞属于薄壁筒形零件，其径向刚度较差，并且其主要表面的尺寸精度以及各主要表面之间的相对位置精度要求较高。

根据这种结构特点和和其技术要求，精基准的选择应主要从以下几方面考虑：

（1）尽量用设计基准作为定位基准，实现“基准重合”，以避免产生基准不重合误差。

（2）当工件以某一组精基准定位可以较方便地加工很多表面时，应尽可能的采用此组精基准定位，实现“基准统一”，以避免产生基准转换误差。

（3）当精加工或光整加工工序要求加工余量尽量小而均匀时，应选择加工表面本身作为精基准，即遵循“自为基准”的原则。

该加工表面与其他表面间的位置精度要求由先行工序保证。

（4）为获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循“互为基准”、反复加工的原则。

（5）有多种方案可供选择时，应选择定位准确、稳定、加紧可靠，可使夹具结构简单的表面作为精基准。

目前生产活塞生产多采用止口和端面作为统一基准。

活塞止口在结构上和功能上没有作用，它是为加工活塞而专门设置的辅助基准面。

在精加工时,只有精车外圆等少数工序采用止口处的锥面和顶面上的中心孔定位,其余工序均采用止口和端面定位。

采用止口和端面作为定位基准主要有下列优点：

第一，此种定位方式可以加工裙部、头部、顶面、销孔等主要加工表面及其他次要加工表面