活塞的头部设计
活塞的头部设计
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活塞的头部包括活塞顶和环带部分。设计要点是：尽可能改善活塞顶和第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结，以及环槽过度磨损。
(1)压缩高度的确定
压缩高度由顶岸高度L1，环槽间高度L2和上裙尺寸L3，组成。压缩高度是活塞的关键尺寸之一，由活塞环的数目、环的位置和环槽高度、环与环之间的环岸尺寸决定。它影响发动机的总布置尺寸。
(2)活塞顶设计
活塞顶的任务是与气缸盖组成燃烧室，活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。汽油机为减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的平顶形状；
直接喷射的高速柴油机，由于混合气形成的需要，活塞顶上设有一定深度的凹坑作为燃烧室。非直接喷射的高速柴油机，有采用平顶或接近平顶形状，活塞顶部厚度Th和缸径比值对柴油机为Th/D=0．1～0．2，对汽油机为Th/D=0．06～0．1。对轿车发动机计算的活塞顶部厚度的经验公式为：
提高活塞顶部和第一道环工作可靠性的措施如下：
①活塞顶部向环区的过渡设计「热流型」断面。活塞顶接受的热量，主要靠活塞环与缸壁接触传走。专门的试验表明，非油冷活塞经活塞环传到缸壁的热量占70％～80％，经活塞本身传到缸壁的占10％～20％，而传给曲轴箱空气和机油的仅占10％左右。因此，为了减轻第一环的热负荷，活塞顶到环岸的过渡要按热流路线来设计，即活塞顶厚度应从中央向四周逐渐加大，环带有足够的壁厚δ，且过渡圆角R足够大，以使活塞顶吸收的热量能由各环分担传走，如图5-5a。有时为了减轻第一环的热负荷，还在顶岸作出隔热槽。如图5-5b
②第一环槽镶铸耐热护圈。强化柴油机活塞第一环槽容易发生环粘结、卡死、弹性松驰、环槽严重磨损等故障。为了使铸入的镶圈不致在运行中松动，通常采用梯形断面。
镶圈材料采用热膨胀系数与铝合金接近的镍奥氏体铸铁，其成分为：
C：3％；Si：1．8％～2．5％；Ni：13％～17％；Cr：2％～3％；Cu：5．5％～
7．5％；Mn：0．7％～1．0％；P<0．3％；S<0．1％。为了节约镍，也可用低镍含锰奥氏体铸铁代替，其成分为：C：2．8％～3．3％；Si：2．8％～3．5％；
Mn：5．5％～9．0％；Ni：2．0％～6．0％；Cu：5．0％；Cr：0．3％；
P：0．5％；S：0．025％。
镶圈与活塞的结合工艺称为Al—Fin过程：制造时先将镶圈喷丸、清洗、去油并烘干，再放入热铝浴槽中渗铝，渗铝层厚为1～5μm，然后置入铝活塞铸模中一起浇铸，靠分子力将两者结合在一起，结合质量用超声波检查；
③当活塞温度过高时，用喷油冷却(如图5-6)，甚至冷却油腔喷油冷却。如图5-7所示。在标定功率工况，前者一般能使活塞顶中央和第一环槽区的高温下降20℃～30℃。汽车内燃机随著高速、高功率化，活塞的燃气压力和热负荷增大，为了提高可靠性和耐久性，迫使活塞也考虑采用冷却油腔。
④对活塞顶作硬膜阳极氧化处理，形成高硬度的耐热层、增大热阻，减少头部的吸热量。在低散热发动机上给活塞顶喷涂隔热陶瓷，阻碍活塞受热，以图提高发动机效率的所谓绝热发动机技术，能使活塞顶下方温度显著降低。在活塞顶面用等离子喷涂部分稳定氧化锆(PSZ)的隔热活塞已开始试用。此外，纤维增强金属(FRM)复合材料活塞(图5-8)也是当今适应内燃机高强化的开发课题。
⑤适当减小活塞头部与缸孔的间隙，既是减小有害容积改善CO、HC排放的需要，也能改善环岸对缸壁的传热。这时为防止拉缸，可在顶岸加工出多条细槽(如图5-9a)，对热变形和结焦起缓冲作用。
(3)环带设计
①第一环位置：顶岸高度Ll尺寸，确定了第一环位置。L1尺寸设计时尽可能小，但过小会使第一环温度过高，导致第一环弹力消失、粘结等故障。柴油机工作条件比汽油机严重，故乙1应大些。汽油机的顶岸高度一般取6～10mm，L1／D：0．06～0．08，柴油机L1／D=0．15～0．25。
②第一环岸强度校核：第一环岸的受力情况，如图5—10，按悬臂粱作近似计算，取pl=
0．9pz，p2=0．2pz，环槽深t′=0．05D，环槽底径D′=0．9D，导出根部断面的弯曲应力和剪切应力为：
铝合金的许用应力取［σ］=30～40N／mm2。
③环槽断面：正确设计环槽断面结构和选择环与环槽的配合间隙，对于环和环槽的工作可靠性和使用寿命有很大的影响。为了避免环槽的应力集中而产生疲劳裂纹，在现代汽油机上，环槽底和侧壁要用小圆弧相连，气环槽底过渡圆角半径一般取0.07～0.3mm，油环槽底过渡圆角半经取0．25～0.7mm。活塞环岸锐边必须倒角，否则环岸部与缸壁压紧时出现毛刺，可能把环卡死，引起过热和严重漏气，但倒角过大又使活塞环漏气增加，一般倒角为(0.1～0.35)X45°。
活塞环与环槽配合间隙，即环槽侧隙不能过大，否则会增大环对环槽的冲击，将使环槽变宽，最后导致活塞报废。但环槽侧隙过小又易使环在环槽中粘住而失效。目前，环与环槽的配合侧隙如表5-6所示。油孔直径为3.0～4.0mm，内隔热槽兼作回油用。在现代汽油机上，回油孔都布置在主次推力面侧，在活塞销座上方不布置回油孔。
有些汽油机的活塞的油环与紧邻气环之间的环岸直径缩小0.5～lmm左右，形成所谓减压腔，使刮下的机油减压并形成均匀泄油。经验表明，这种结构设计有助于降低机油耗量。也有采用如图5-9b的油环上边的环岸，上边缘为尖角，保证了气密封，下边缘的直径尺寸小些形成凹形，机油减压，也降低了机油消耗量。气环槽的下边平面要求与活塞中心线垂直或向上翘，例如：某气环允许向上0.00～0.02mm，但不能向下。这保证了环装配在环槽中，环的下边缘与缸筒接触，减少机油上窜。对第一环镶圈的活塞，不能采用图5—11的1型结构，只能用结构2或3，因第一环槽的下边缘形状对窜气量影响大。
作者： 吴工
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