活塞的頭部設計
活塞的頭部設計
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活塞的頭部包括活塞頂和環帶部分。設計要點是：儘可能改善活塞頂和第一環的工作條件，防止頂部熱裂和環粘結，以及環槽過度磨損。
(1)壓縮高度的確定
壓縮高度由頂岸高度L1，環槽間高度L2和上裙尺寸L3，組成。壓縮高度是活塞的關鍵尺寸之一，由活塞環的數目、環的位置和環槽高度、環與環之間的環岸尺寸決定。它影響發動機的總佈置尺寸。
(2)活塞頂設計
活塞頂的任務是與氣缸蓋組成燃燒室，活塞頂的形狀主要取決於燃燒室的選擇和設計。汽油機為減輕活塞組的熱負荷和應力集中，希望採用受熱面積最小、加工最簡單的平頂形狀；
直接噴射的高速柴油機，由於混合氣形成的需要，活塞頂上設有一定深度的凹坑作為燃燒室。非直接噴射的高速柴油機，有採用平頂或接近平頂形狀，活塞頂部厚度Th和缸徑比值對柴油機為Th/D=0．1～0．2，對汽油機為Th/D=0．06～0．1。對轎車發動機計算的活塞頂部厚度的經驗公式為：
提高活塞頂部和第一道環工作可靠性的措施如下：
①活塞頂部向環區的過渡設計「熱流型」斷面。活塞頂接受的熱量，主要靠活塞環與缸壁接觸傳走。專門的試驗表明，非油冷活塞經活塞環傳到缸壁的熱量佔70％～80％，經活塞本身傳到缸壁的佔10％～20％，而傳給曲軸箱空氣和機油的僅佔10％左右。因此，為了減輕第一環的熱負荷，活塞頂到環岸的過渡要按熱流路線來設計，即活塞頂厚度應從中央向四周逐漸加大，環帶有足夠的壁厚δ，且過渡圓角R足夠大，以使活塞頂吸收的熱量能由各環分擔傳走，如圖5-5a。有時為了減輕第一環的熱負荷，還在頂岸作出隔熱槽。如圖5-5b
②第一環槽鑲鑄耐熱護圈。強化柴油機活塞第一環槽容易發生環粘結、卡死、彈性松馳、環槽嚴重磨損等故障。為了使鑄入的鑲圈不致在運行中鬆動，通常採用梯形斷面。
鑲圈材料採用熱膨脹係數與鋁合金接近的鎳奧氏體鑄鐵，其成分為：
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％。為了節約鎳，也可用低鎳含錳奧氏體鑄鐵代替，其成分為：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％。
鑲圈與活塞的結合工藝稱為Al—Fin過程：製造時先將鑲圈噴丸、清洗、去油並烘乾，再放入熱鋁浴槽中滲鋁，滲鋁層厚為1～5μm，然後置入鋁活塞鑄模中一起澆鑄，靠分子力將兩者結合在一起，結合質量用超聲波檢查；
③當活塞溫度過高時，用噴油冷卻(如圖5-6)，甚至冷卻油腔噴油冷卻。如圖5-7所示。在標定功率工況，前者一般能使活塞頂中央和第一環槽區的高溫下降20℃～30℃。汽車內燃機隨著高速、高功率化，活塞的燃氣壓力和熱負荷增大，為了提高可靠性和耐久性，迫使活塞也考慮採用冷卻油腔。
④對活塞頂作硬膜陽極氧化處理，形成高硬度的耐熱層、增大熱阻，減少頭部的吸熱量。在低散熱發動機上給活塞頂噴塗隔熱陶瓷，阻礙活塞受熱，以圖提高發動機效率的所謂絕熱發動機技術，能使活塞頂下方溫度顯著降低。在活塞頂面用等離子噴塗部分穩定氧化鋯(PSZ)的隔熱活塞已開始試用。此外，纖維增強金屬(FRM)複合材料活塞(圖5-8)也是當今適應內燃機高強化的開發課題。
⑤適當減小活塞頭部與缸孔的間隙，既是減小有害容積改善CO、HC排放的需要，也能改善環岸對缸壁的傳熱。這時為防止拉缸，可在頂岸加工出多條細槽(如圖5-9a)，對熱變形和結焦起緩衝作用。
(3)環帶設計
①第一環位置：頂岸高度Ll尺寸，確定了第一環位置。L1尺寸設計時儘可能小，但過小會使第一環溫度過高，導致第一環彈力消失、粘結等故障。柴油機工作條件比汽油機嚴重，故乙1應大些。汽油機的頂岸高度一般取6～10mm，L1／D：0．06～0．08，柴油機L1／D=0．15～0．25。
②第一環岸強度校覈：第一環岸的受力情況，如圖5—10，按懸臂粱作近似計算，取pl=
0．9pz，p2=0．2pz，環槽深t′=0．05D，環槽底徑D′=0．9D，導出根部斷面的彎曲應力和剪切應力為：
鋁合金的許用應力取［σ］=30～40N／mm2。
③環槽斷面：正確設計環槽斷面結構和選擇環與環槽的配合間隙，對於環和環槽的工作可靠性和使用壽命有很大的影響。為了避免環槽的應力集中而產生疲勞裂紋，在現代汽油機上，環槽底和側壁要用小圓弧相連，氣環槽底過渡圓角半徑一般取0.07～0.3mm，油環槽底過渡圓角半經取0．25～0.7mm。活塞環岸銳邊必須倒角，否則環岸部與缸壁壓緊時出現毛刺，可能把環卡死，引起過熱和嚴重漏氣，但倒角過大又使活塞環漏氣增加，一般倒角為(0.1～0.35)X45°。
活塞環與環槽配合間隙，即環槽側隙不能過大，否則會增大環對環槽的衝擊，將使環槽變寬，最後導致活塞報廢。但環槽側隙過小又易使環在環槽中粘住而失效。目前，環與環槽的配合側隙如表5-6所示。油孔直徑為3.0～4.0mm，內隔熱槽兼作回油用。在現代汽油機上，回油孔都佈置在主次推力面側，在活塞銷座上方不佈置回油孔。
有些汽油機的活塞的油環與緊鄰氣環之間的環岸直徑縮小0.5～lmm左右，形成所謂減壓腔，使刮下的機油減壓並形成均勻泄油。經驗表明，這種結構設計有助於降低機油耗量。也有採用如圖5-9b的油環上邊的環岸，上邊緣為尖角，保證了氣密封，下邊緣的直徑尺寸小些形成凹形，機油減壓，也降低了機油消耗量。氣環槽的下邊平面要求與活塞中心線垂直或向上翹，例如：某氣環允許向上0.00～0.02mm，但不能向下。這保證了環裝配在環槽中，環的下邊緣與缸筒接觸，減少機油上竄。對第一環鑲圈的活塞，不能採用圖5—11的1型結構，只能用結構2或3，因第一環槽的下邊緣形狀對竄氣量影響大。
作者： 吳工
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