发动机活塞的材质特性、主要功用及构成名称

摘要：活塞是柴油机上较关键的零部件之一，它在过热高压下承受反复交变载荷，被称为柴油机的心脏。它的作业情形直接关系到高速柴油机提升燃油效率和操作耐久性的关键，同时直接危害到柴油机的排放性能。活塞的构成和所处的作业环境十分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性载荷作用，发生机械应力和机械变形。高压气体燃烧产生的发热使活塞顶部乃至整个活塞温度高，且温度分布不均匀引起活塞发生热应力和热变形。热负荷和机械负荷耦合将引起活塞发生裂痕、活塞环胶结以及拉缸等。因此，活塞设计在柴油机的布置中十分关键。

      活塞的功用是承受燃气的压力，并经过连杆将力传给曲轴。活塞的工作因素十分恶劣，它是在高温、高压的燃气用途下，不断地做高速往复直线运动。因为受到周期性变化的燃气压力和往复惯性力的作用，活塞承受很大的机械负荷和热负荷，加之温度分布不均匀，就会导致热应力。因此，要点活塞必须有较轻的毛重以及足够的强度与刚度。活塞在发热、高压、高速要素下工作，其润滑要素较差，活塞与汽缸壁摩擦严重。为减轻磨耗，活塞表面必须耐磨。

      活塞是柴油机中一个重要的运动部件，材质应具备抗过热、高压、高强度、低热膨胀系数等特性。常用的活塞材质如图1所示。

      铝合金是目前较主用的活塞材质之一，因其具有重量轻、强度高、热传导性能好以及加工性能好等特点，因此广泛应用于各种柴油机中，特别是汽车发动机中。常载的铝合金牌号有Y112、GY6、ZL109等。

      钢铁活塞具有高强度、高温抗性能好等特点，适合于柴油机等高负荷发动机。主用的钢铁牌号有42CrMo和38CrMoAl等。

      铸铁活塞性价比过高，但是对于高性能发动机来说，其强度和使用年限都存在一定的问题，因此通常不实用于高品质的柴油机。

      铝合金除了具备轻量、高强度、好的加工性能等特点外，其热传导性能也很好，不易受到热应力破裂的影响。但是，铝合金活塞的热膨胀系数大，容易致使活塞与气缸套之间的间隙变化。

      钢铁活塞强度高，耐用性好，适应性强，特别是在柴油机等高负荷发动机中表现尤为突出。

      铸铁活塞的生产制造成本低，但是硬度和强度比偏低，而且容易变形，因此通常不适合于高质量的柴油机中。

      总之，活塞的材料应根据不一样的操作需求进行选用，在选择时要综合考虑各种要素，如品质、成本、使用环境等。此外，可选用活塞的金相强化制造途径，选用TIG焊接、等离子焊接、激光焊接的方法，对活塞所有的薄弱部位进行局部金相强化，提高该部位的性能，使得强化部位达到或超过增加陶瓷复合材料、铜套、铸铁耐磨环的作用，减轻燃烧室喉口开裂失效、销孔开裂失效、环槽脱落失效等局部失效现象的产生。活塞金相强化工艺示意图如图2所示。

      高速柴油机的活塞一般选取铸铝合金。随着柴油发动机的不断强化，选取锻铝合金或共晶铝硅合金的活塞日益增多，而高增压柴油机较多采取铸铁活塞，其目的在于提升柴油机的强度，减少热胀系数。活塞的基本构成如图3所示，它可分为顶部、环槽部（防漏部或头部）、活塞销座和裙部四部分。

      顶部是结构燃烧室的一部分，其组成形状与发动机及燃烧室的形式有关。如图3所示为活塞顶部的几种不同结构形状。小型柴油机大多采取平顶活塞［图4（a）］，优势是制造简易，受热面积小。大多数柴油机的活塞顶部由于要形成特殊形状的燃烧室，其形状比较复杂，一般都制有各种各样的凹坑［图4（c）（d）］。凹坑是为了改进发动机的燃烧状况而设置的，使可燃混合气的形成更有利，燃烧流程更完善。有的柴油机为避免气门与活塞顶相碰撞，在顶部还制有浅的气门避碰凹坑［图4（d）]。

      柴油机活塞所受的热负荷大（尤其是直接喷射式柴油机），往往会使活塞导致热疲劳，发生裂痕。因此，有的柴油机可从连杆小头上的喷油孔喷射机油，以冷却活塞顶内壁。也有的柴油机在缸体里设有专门的喷油装置，也可起到同样的功能。活塞顶部因承受燃气压力，所以通常比较厚；有的活塞顶内部还制有加强筋。

      环槽部主要用于装配活塞环以预防燃油或燃气漏入机油盘，并将活塞吸收的热量经活塞环传给汽缸壁，与此同时阻止润滑油窜入燃烧室。活塞头部加工有数道装配活塞环的环槽，上面2～3道用于安装气环，下面1～2道是油环槽。油环槽的底部钻有许多径向小孔，以便油环从气缸壁上刮下多余的润滑油从小孔流回油底壳。

      有的柴油机在活塞顶到第一环槽之间，或者一直到以下几道环槽处，都开有细小的隔热沟槽，如图5所示。沟槽在活塞工作时，可形成一定的退让性，可以预防活塞与汽缸壁的咬合，故这种活塞可适当减少活塞与汽缸间的间隙。随着柴油机的不断强化，为了提高第一、二道环槽的耐磨性，有的柴油机在环槽部位上镶铸耐热和耐磨的奥氏体铸铁护槽圈。

      销座用以装配活塞销，详细起传递气压力的用途，所在位置如图6所示。活塞销座与顶部之间往往还有加强筋，以增加刚度。销座孔内设有安装弹性卡环的环槽，活塞销卡环是用来防范活塞销在工作中产生轴向窜动，窜出活塞销座孔而打坏气缸体。

      活塞头部较低一道油环槽以下的部分称为裙部。其功用主要是对活塞在气缸内的运动加以导向，此外它还承受侧压力。柴油机因为燃气压力高，侧压力大，所以裙部也比较长，以减轻单位面积上的压力和损伤柴油发电机厂家品牌。

      因为柴油机气缸压力很大，要点裙部具有足够大的承压面积，又要在任何状况下保持它与汽缸壁有较佳的配合间隙（既不因间隙过大而使密封性变差和产生敲缸情形，又不因间隙过小而刮伤汽缸壁，甚至产生咬缸现状）。故其活塞裙部一般不开切槽，只是将活塞轴向制成上小下大的圆锥形，并将裙部径向做成椭圆形。因此，柴油机活塞与汽缸壁的装配间隙要比汽油机的大。为了保证柴油机压缩终了有足够的压力和温度，则要求其有更好的密封性，因此，柴油机应具有更多的密封环和刮油环。

      活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分，活塞是曲柄连杆系统的重要零件具体用途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，推动主轴旋转并输出动力。此外，活塞又是燃烧室的一个运动零件。

      活塞是柴油机中作业要素较严酷的零件之一。功能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，如增压柴油机的较高燃烧压力可达14—16MPa。而且，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同功能下，可能致使活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨耗等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且品质要轻。

      活塞顶部直接与发烫燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常部署有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负载更加严重。高温必然会导致活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与汽缸壁的正常间隙。而且，柴油机活塞的销与销孔之间的润滑油膜厚度为0.5～15um，太高的温度会使润滑油结焦，因为冷热不均匀所发生的热应力容易使活塞顶部发生疲劳热裂情形。于是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。同时在构造上选用适当的途径，防范过量的热变形。

      活塞运动转速和工作温度高，润滑因素差，因此摩擦损失大，损伤严重。要求应具良好的减摩性或采用特殊的表面解决。

      正确论说活塞的工作因素及变形可以为合理设计与加工活塞外轮廓供应依据，改良在受载工况下活塞与汽缸壁之间的配合情况，提供活塞组件的综合作业性能。各种CAE技术的发展运用为这一研讨工作的展开供应了极大的便利。

      活塞是发动机的重要部件之一，它与活塞环、气缸套、汽缸盖构造了作业容积和燃烧室。它承受燃气作用力并把它传递给连杆，也通过活塞顶部接受的热量通过汽缸壁传入冷却介质中。它还可以密封汽缸以防燃气泄漏及润滑油窜入燃烧室。活塞也是发动机中作业要素较恶劣的关键零部件之一，它是在发烫、高压、高速、润滑不良的要素下作长时间连续变负荷的往复运动的。一般柴油机中，燃烧室的瞬时温度可达2000℃左右。活塞还受100公斤/厘米2 左右的燃气压力，或八百倍于重力的惯性力用途。活塞环槽特别是第一环槽，对活塞的寿命影响很大。因为机械磨耗是活塞在正常工作中详细损坏形式。销孔是交变应力高度集中的部位之一，易发生开裂和损伤，危害作业性能和使用寿命，必须提高销孔尺寸精度。而活塞的外形也会在复杂的机械负载和热负荷的功能下变形膨胀。

      此外，因为活塞在工作流程中受到发热高压的作用，于是必须产生热形和受力变形。活塞的顶面受到气缸内气体压力的作用，发生弹性变形。由于活塞裙部在圆周方向刚性不同，在活塞销轴线方向的弹性变形量比垂直于该方向的弹性变形量大，使活塞裙部在受力后变成椭圆。另一方面，活塞顶面与发烫气体接触，导致销座部位的裙部向外扩张。热量通过活塞顶部传到活塞裙部，温度升高产生热变形。再是活塞裙部圆周上壁厚不均匀，销孔轴线方向厚，热膨胀量大，垂直销孔方向热膨胀量小，从而使活塞裙部因为热变形变成椭圆。

      故而无论是受力变形还是热变形，都使原来的圆柱形的裙部变成椭圆形，椭圆的长轴在活塞销孔的轴线方向。这样必然使活塞与汽缸壁间的间隙不均匀甚至消失，以至于产生剧烈磨耗甚至咬死。为了补偿上述变形，把活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上，椭圆度的大小随活塞的类型而不同。

      活塞工作时，顶面与发烫气体直接接触，热量由头部传到裙部，头部温度高康明斯柴油发电机结构图，热膨胀量大，裙部温度低，热膨胀量小。为了补偿这种部均匀的热变形，把活塞头部的外径设计得比裙部外径小，同时活塞裙部也设计成中间大，上下两端小的腰鼓形，以保证其具有良好的导向性。

      由上可知，由于活塞长期在发热高压的环境下作业，承受发热及机械交变负荷柴油发电机正规厂家，在发动机各零配件中，活塞的损伤率远远大于其它部件。活塞发生的损坏约占整个柴油机故障半数以上，仅从其直接经济效益来讲，活塞的价格在整台发动机中所占比例仅为1.5%左右，如果活塞产生相应损坏，严重时将致使整台发动机报废，仅从发动机方面直接损失数万元。因此，活塞在发动机中的必要性和作业环境的恶劣性决定了活塞制造工艺的必要性。

      现代柴油机广泛操作铝合金活塞。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，对改善工作要素减小热应力延缓机油变质有利。目前铝活塞广泛采取含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提升热稳定性和发烫机械性能。铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等对策生产。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排除。