机车内燃机活塞销润滑系统防漏检测及防漏检测装置的设计-学位论文.doc

摘要本文主要提供了一个国内液压行业的发展状况，内燃机活塞销孔的结构的现状，活塞销孔的破坏形式，机车内燃机活塞销润滑系统防漏检测及防漏检测装置的设计，销孔结构设计的有关知识等，在此基础上，提出了销孔表面应力分布的新理论和曲面销孔结构设计的相关内容，对验证销孔结构设计，防漏检测合理性、可行性的试验方法进行了描述。本论文的主要内容如下：1、 分析机车内燃机活塞销润滑系统的工作情况，结构特点，润滑回路系统的工作原理，分析说明了销孔配合间隙的确定方法。2、 探讨机车内燃机活塞销润滑回路的密封原理，并对检测装置拟定总体布置方案，并对方案进行可行性分析和论证和方案进行总体设计和零部件设计。3、 分析总结活塞销孔的失效形式，并对不同失效形式分析了原因。4、 收集整理有关液压元件的样本和资料，了解国内液压行业的发展状况，根据活塞销润滑原理拟定检测装置液压系统原理图关键字：活塞、活塞销、活塞销孔、密封、润滑，液压系统 Abstract The thesis states current status of pin born construct design of internal combustion engine piston, breakage form of piston pin bore, and the concerned knowledge of construct design of pin bore, etc. It is based on the above knowledge, bring forward a new theory that is stress distribution on pin bore surface and calculation method of curved face of pin bore configuration, using finite element analysis method to calculate mechanical deformation of pin bore, piston temperature field and thermal deformation of pin bore, and it also depicts the verification method of rationality of pin bore construct. Taking design of piston configuration for example, it analyzes and calculates the construct value of each part on curved face under different pin bore configuration designs: (1)Pin bore theoretic diameter, (2)Equation of outer curved face of pin bore, (3)Equation of inner curved face of pin bore, (4)Stress distribution on pin bore surface, (5)fatigue safety factor of each part of piston, etc. According to the analysis results, define a optimized pin bore surface design, which will guide piston pin bore design in future. The main content of the thesis is as follows:1. Summarize essence rules of piston pin boss configuration and pin bore surface design, including horizontal and vertical profile rules of pin bore, analyze and specify the definition method of pin bore fitting clearance.2. Analyze piston force receipted and mechanical &thermal deformation of pin bore, ascertain calculation method of mechanical formation, thermal deformation and integrated deformation of pin bore.3. Analyze and summarize different designs of pin bore, and make comparisons of different design on decreasing maximum value effect of pin bore surface stress.4. Bring forward new theory of stress distribution on pin bore surface, present a calculation method of pin bore curved face configuration, using the theory to design piston have passed stability test in engine test, and it has been in the stage of mass production now, the theory caused further effective guide on piston pin bore design in future. Simulation analysis calculation and engine test have verified reasonable pin bore surface design that can assure the excellent fitting condition between piston pin bore and pin in working process, these two deformation are consistent.Key Word: Piston; Piston Pin Bore; Design for Curve-Shaped Pin Bore; Piston skirt; Piston pin第1章 绪论1.1内燃机活塞销孔结构可靠性研究背景对制作企业而言，机电产品具有足够的工作可靠性意味着客观的经济效益和竞争力方面的优势及企业能够长期顺利发展的坚强后盾。国际上，每年因产品结构设计不合理的原因而造成大量电机产品在有效寿命期内报废，甚至造成严重恶性事故；在中国，由于综合经济能力的原因，疲劳耐久性和可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在，严重影响了国内制造产品的国际竞争力。内燃机作为一种热能道理机械，它通过曲柄连杆机构的旋转运动，讲化学能转化为机械能，在这个运动副当中，活塞的可靠性至关重要，活塞是发动机的首要动源零件，发动机燃烧系统瞬间爆发并释放的热能首先通过活塞转化为机械能，即通过活塞的往复非匀速直线运动，传递到连杆和曲轴转化为旋转运动，从而使发动机输出扭矩和功率。活塞直接面对风的季节的爆发压力，承受交变的热负荷和机械负荷，对于高性能柴油机活塞来讲，交变频率一般在16-50Hz.尤其随着发动机强化程度的提高，功率的增大和转速的增加，活塞工作环境变得更加恶劣了。内燃机国工作时，各零件之间存在着多种运动形式，而且有的大运动组件之中还包含着微小的运动，在曲柄连杆机构中，活塞和缸套之间的往复运动过程中，就同时存在着活塞销和销孔之间的旋转运动，但是存在着很大的作用力，这样，在相互接触之间就会产生接触应力和切向运动阻力-摩擦力，因而会造成摩擦损失，严重时，会在摩擦力的作用下造成零件的损坏。一般情况下，内燃机的机械效率为75-90%，有10-15%的功率消耗在摩擦损失上，摩擦力导致内燃机的有效效率的下降，零件的文都升高，材料机械性能下降等;摩擦好使各相互配合的零件材料机体表面磨损，造成接触不良，间隙增大，产生振动和噪音，降低了使用寿命，摩擦对内燃机的影响是不可低估的。发动机的爆发压力越来越大，目前，国外先进的增压柴油机最高爆发压力已达25MPa以上，国内的制造的增压柴油机最高爆发压力也已达18MPa以上，并且向更大的趋势发展。活塞在汽缸内工作时，活塞顶面承受顺势高温燃气作用，最高燃气温度可达2000-2500。活塞长期在高温高压的环境下工作，承受高温及机械交变负荷，活塞销孔部位更容易发生由于温度与承受压力过大而引起的销孔咬死及机械负荷过大引起的销孔开裂事故，甚至整个活塞破碎，损失率远远大于其它部件。活塞销和销孔之间既然有相互运动且存在相互作用力，就一点存在摩擦力。这种摩擦力，虽然对内燃机的有效效率没有多大的影响，但是，如果活塞销孔处的文都过高（活塞销孔温度超过180），活塞销与销孔之间的接触应力过大，就会破坏了二者之间存在的润滑油膜，使销孔表面和活塞销在局部形成干摩擦，将有可能导致活塞销孔表面拉毛、拉伤，使之不能正常工作；同时作用在销孔上机械应力过大，而此时活塞材料在高温下性能下降，有可能使活塞销孔产生裂纹，严重时会导致活塞销孔开裂、破碎，甚至损坏发动机机体。如何分析、设计活塞销孔结构，是活塞销在高温、高压、搞频次的往复运动中保持良好的承载能力和工作状态，最大限度的保证活塞的耐高温性能和热稳定性能，最大限度的提高活塞的可靠性，是活塞的关键。近年来，随着柴油机想高排放、大马力方向发展，活塞的可靠性已成为发动机整机可靠性的关键环节，而确保活塞工作可靠的关键又在于活塞销孔的工作可靠性，因此，活塞销润滑系统防漏检测已成为工作者必须要考虑的问题，如何防漏必须引起人们的重视。1.2提高活塞销孔结构可靠性研究的必要性随着世界各国对环境保护和节约能源的要求，柴油机向高强度化、搞排放、搞可靠性的方向发展，柴油机的功率越来越大，目前，常见的增压柴油机爆发压力为15MPa左右，升功率为30MPa/L左右，并且向更大的方向发展；哦周先进的柴油机爆发压力已达25MPa，升功率已超过60KW/L， 这样，活塞的可靠性就日益突出，已成为影响整机可靠性的主要因素之一。柴油机活塞承受的热负荷、机械负荷带有显著的冲击性，无论是在起动、停机以及其它突变工况下，对应柴油机工作过程就会出现仍有爆发燃烧这一瞬间，此时活塞处于突发性极强的受热状态和快速导热的过程，由于热能传播的速度有限，使活塞头部的文都保持在320以上，活塞销孔处的温度也一直保持在180左右，这样就导致活塞销孔表面的温度在极短的时间内骤升。由于结构的关系，活塞销孔处的材料较多，产生的膨胀变形量大，但是由于活塞销抵抗的反作用，活塞销孔一直处于高力状态。急速的膨胀变形收到约束，结果形成应力巨变，产生峰值压应力。高温下活塞材料的机械性能下降，过高的峰值压力会使该处出现塑性变形；由于冷却的作用，活塞的温度下降，材料会产生收缩变形，但是由于销孔和活塞销之间的间隙有限，已形成的塑性变形不能完全回复，就会产生拉应力。并且，即使峰值压力不太高，但是由于周期性反复作用的结果也会使活塞材料表面的机械性能下降，最终出现销孔的疲劳破坏。销孔处的应力分布还取决于销孔和活塞销两者之间的变形是否能相适应。由于燃气压力的作用，活塞要产生我去变形，相应的销孔处也要产生变形。如果活塞销刚度较大而销孔处刚度较小，或者相反，则两者变形不能相适应，结果引起一、销孔上侧边缘等处产生严重的应力集中，使销孔开裂。因此销孔设计与活塞销应统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减小我去变形；要求销孔能承受高的压力，而且有一定的弹性，使之适应活塞销的变形。活塞销孔处的失效形式往往是热负荷、机械负荷共同作用的结果，要分析设计出合理的、可靠的活塞销孔的结构，这两方面的因素要做和考虑。活塞销孔的疲劳破坏所造成的后果是非常严重的，仅从其直接经济效益来看，活塞的价格在整台发动机所占的比例仅为2%左右，如果活塞销孔出现疲劳损坏，轻者造成发动机缸内运动副损坏，严重时将导致整台发动机报废，仅发动机方面直接损失就达数万元。若考虑到发动机的使用数量及间接损失，则后果不堪设想。考虑到对柴油机搞排放，大功率发展的需要，发动机行业正面临着前所未有的越来越严峻的考验。随着柴油机的适用范围越来越广，使柴油机要适应的工作环境变得更加复杂、工况更加恶劣。因此要提高活塞的工作可靠性，非常有必要进行活塞销孔结构的研究与分析，通过合理地额销孔结构设计，与活塞销合理的配合尺寸设计，对活塞运动密封性进行论证分析，及对活塞销润滑系统进行设计和防漏检测装置的设计分析等，来降低各类活塞销孔的各类失效形式。1.3我国液压行业发展现状 液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。 近年来，我国液压气动密封行业坚持技术进步，加快新产品开发，取得良好成效，涌现出一批各具特色的高新技术产品。北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀(拥有专利)、宁波华液公司的电液比例压力流量阀(已申请专利)，均为机电一体化的高新技术产品，并已投入批量生产，取得了较好的经济效益。北京华德液压集团公司的恒功率变量柱塞泵，填补了国内大排量柱塞泵的空白，适用于冶金、锻压、矿山等大型成套设备的配套。天津特精液压股份有限公司的三种齿轮泵，具有结构新颖、体积小、耐高压、噪声低、性能指标先进等特点。榆次液压件有限公司的高性能组合齿轮泵，可广泛用于工程、冶金、矿山机械等领域。另外，还有广东广液公司的高压高性能叶片泵、宁波永华公司的超高压软管总成、无锡气动技术研究所有限公司为各种自控设备配套的WPI新型气缸系列都是很有特色的新产品。 液压传动产品在国民经济和国防建设中的地位和作用十分重要。它的发展决定了机电产品性能的提高。它不仅能最大限度满足机电产品实现功能多样化的必要条件，也是完成重大工程项目、重大技术装备的基本保证，更是机电产品和重大工程项目和装备可靠性的保证。所以说液压传动产品的发展是实现生产过程自动化、尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。 现在世界各国都重视发展基础产品。近年来，国外液压技术由于广泛应用了高新技术成果，使基础产品在水平、品种及扩展应用领域方面都有很大提高和发展。我国液压产品有一定生产能力和技术水平的生产科研体系。尤其是近十年来基础产品工业得到国家支持，装备水平有所提高，目前已能生产品种规格齐全的产品，已能为汽车、工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金矿山、发电设备、石油化工、铁路、船舶、港口、轻工、电子、医药以及国防工业提供品种基本齐全的产品。通过科研攻关和产学研结合，在液压伺服比例系统和元件等成果已用于生产。在产品CAD和CAT等方面已取得可喜的进展，并得到广泛应用。并且在国内建立了不少独资、合资企业，在提高我国行业技术水平的同时，为主机提供了急需的高性能和高水平产品，填补了国内空白。1.4本课题主要研究工作由于活塞销孔的结构受与之配合会腮腺和连杆小头的现状影响，销孔作外形结构的变化不可能有太大的改变，要提高销孔的承载能力，只能从活塞销孔表面的设计进行研究，对活塞销防漏检测也要从这方面考虑，防漏检测装置的设计也要考虑这方面的影响和局限性。主要针对如何通过改变活塞孔表面结构设计来降低作用在活塞销孔上的应力峰值和活塞销之间的摩擦力，从而改善活塞销孔的工作状况，提高活塞销孔的工作状况，提高活塞的可靠性进行研究与探讨。本论文从一下几个方面进行了研究：1、 对目前的活塞销孔相关设计，销孔的结构、销孔的失效形式进行归纳，分析总结其规律性。2、 研究分析活塞销孔的受力和变形情况：活塞变形主要是因为活塞各部位的厚度不同，各部位的温度分布不均，在燃气压力及活塞往复惯性力、侧推力等机械负荷的作用下产生。通过分析预测活塞销孔表面承受的热负荷和机械负荷以及变形情况，为活塞的结构设计提供依据，为分析研究活塞润滑系统做铺垫，有利于设计活塞销润滑系统防漏监测装置的设计及其可行性论证分析。3、 选定活塞销孔的外形结构，设计不同的销孔表面形状，利用活塞销孔疲劳实验，研究不同的结构设计对销孔承载能力的影响。4、 对影响活塞销孔不买你压力分布和改善销孔可靠性的结构参数进行分析，在次基础上，提出更为准确的、负荷现代化活塞销孔在工作状态下的变形理论，为防漏检测装置的设计作准备。因此，通过本课题的俄研究，借助各种根据的分析和论证，同时通过各种试验台和液压装置，研究活塞销润滑回路系统的规律，对研究作理论指导。1.5本章小结 本章主要对国内液压行业发展的背景，对活塞销孔的研究背景，活塞销孔产生疲劳破坏的危害性，活塞销孔的结构研究的必要性，认为对内燃机活塞销润滑是不可缺少的，并对理论工作的论述做出初步的准备。1、针对活塞疲劳寿命问题的严重性，描述了活塞的工作环境、活塞销孔的基本结构和目前的产品现状，初步说明了活塞销孔产生疲劳裂纹的可能性及对活塞销润滑以及对润滑系统防漏检测的必要性。2、对国内液压行业和活塞销孔的研究现状进行了简述和比较。3、对本文主要研究母的进行了细化，为下一步工作开展大下了基础。 第2章 活塞 活塞简介 图2-1 活塞的受力简图 活塞，是在气缸中作往复运动的圆柱状零件，也可以看成是“活动的塞子”。它的主要作用是承受燃烧气体的压力，通过活塞销把作用力传给连杆驱动曲轴旋转。此外，它的顶部还和缸盖、缸筒共同组成燃烧室。在进气、压缩、排气行程中，它还起到吸气、压缩气体和排除废气的作用。工作条件 活塞的工作条件十分恶劣。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，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达35MPa，柴油机高达69MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(812m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，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。它要承受高温（最高达2500以上）、高压（大气压力的4060倍）、高速（1220 m/s）、周期性冲击及化学腐蚀。例如一个直径90 mm的活塞，大约要承受3吨的压力，可见活塞确实是重担在肩。为了减轻重量和惯性力，活塞一般用铝合金铸造，有些赛车的活塞采用锻造，结实耐用。活塞结构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。活塞结构头部是指活塞顶端和环槽部分,如下图活塞顶部图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。活塞的机械负荷 活塞组在工作中受周期性变化的气压力直接作用，一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值P P=F (p-1)= D (p-1)10（牛顿） 式中F活塞投影面积(厘米)；D气缸直径(毫米)；p气缸内工质的最高燃烧压力(巴)，可由实测发动机示功图得出。柴油机为6090巴。直径为95毫米p7.5MPa的柴油机活塞顶上就作用着高达62000牛顿的气压力。可见活塞的机械负荷很大，它使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一道环岸断裂等等。有时与它相配合的活塞销也会因此而卡死或断裂。目前发动机向高速发展活塞组的最大惯性力一般已达活塞本身重量的10002000倍(汽油机)和300600倍(柴油机)。周期性变化的惯性力引起发动机的振动，并使连杆组、曲轴组零件特别是轴承负荷加重，导致发动机耐久性下降。为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简便、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中采用强度低比重小的材料。压缩高度的确定活塞压缩高度H(下图)由火力岸高度h、环带高度h和上裙尺寸三部分组成的。活塞环的数目、环的位置和轴向高度、环与环之间的环岸高度等都直接影响尺寸H 活塞的设计尺寸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。活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多，为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙，不致在销孔附近卡住，在设计时把裙部做成长轴位于垂直销铀方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆形（图a,b）。 典型活塞裙部椭圆形状 裙部的椭圆变形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。活塞销座连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座活塞结构解剖图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。 活塞可分为三个部分： 顶部大多采用平顶，也有的根据燃烧室形状的需要，采用凹顶或凸顶。 头部切有几道装活塞环的槽，用以安装活塞环，实现气缸的密封。 裙部引导活塞在气缸筒内运动，并把热量和侧向力传给缸壁，安装活塞销，用以连接连杆。随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格，活塞已发展成为集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的导向性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放。为满足以上的功能要求，通常将活塞的外圆设计成异型外圆(中凸变椭圆)，即垂直于活塞轴线的横剖面为椭圆或修正椭圆，且椭圆度沿轴线方向按一定的规律变化(如图1所示)，椭圆度精度达0.005mm；活塞纵剖面的外轮廓为高次函数的拟合曲线，轮廓精度为0.0050.01mm；为提高活塞的承载能力，以提高发动机的升功率，通常将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或正应力曲面型(异型销孔),销孔尺寸精度达IT4级，轮廓精度为0.003mm。活塞作为典型的汽车关键零部件，在切削加工方面具有很强的工艺特点。目前，国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用设备组成机加工生产线，因此，专用设备就成为活塞切削加工的关键设备，其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。第3章 典型活塞销孔结构特点和失效形式3.1 活塞销孔相关知识 活塞销孔是活塞的一部分，要分析活塞销孔的结构特点和失效形式，首先需要对活塞的有关知识进行说明。 3.1.1 活塞组工作条件 1、 承受很大的机械负荷活塞组承受的机械负荷包括燃气压力Pz, 往复惯性力Pj及侧作用力Pn. 目前，汽油机最高爆发压力Pz约为3-7.5MPa，非增压柴油机约为6-9MPa, 而增压柴油机约为13-18MPa, 更高的已达到25MPa以上。 上述机械负荷不仅数值很大，且还带有很大的冲击性。由于年机械负荷的作用，会塞各部位产生如下应力：顶部的动态弯曲应力；销孔承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪切压力，此外，在环槽、裙部、销孔等部位由于应力的存在，还有较大磨损。 2、 承受很高的热负荷 活塞顶直接受到高温燃气（一般达到2000左右）周期性加热。由于活塞中热流，使得温度分布不均匀。图2-1（a）为平顶的活塞的典型温度分布，图2-1（b）为代燃烧室的活塞顶部温度分布。 从中看出，平顶活塞的做噶温度在顶部中心，带燃烧室的活塞在燃烧室边缘。活塞温度过高将产生如下不良影响：（1） 活塞的热应力与热变形过大；（2） 温度超过300-350时，活塞喜爱聊强度急剧下降。（3） 第一道环槽温度超过240时，易引起润滑油变质结胶，致使活塞环卡死。活塞温度是内燃机转速、负荷、燃烧过程和冷却介质等的函数，见表2-1.热负荷过高的活塞，必须采取冷却措施，将活塞的热量迅速传出，使温度降到能容许的范围内。活塞内的热流及散热比例建表2-2所列。3、 磨损严重工作过程中活塞组的工作表面都会产生摩擦，由于润滑条件较差，故各部位的磨损严重。磨损的形式有：磨蚀性磨损、磨料磨损和机械磨损等。由于活塞组长期处于搞机械负荷、搞热负荷和剧烈磨损的情况下工作，活塞经常出现的故障有：第一环岸断裂，严重时甚至整圈脱落；环槽、销座和裙部的严重磨损；销孔表面磨损拉毛、销孔内侧上出现裂纹以及燃烧室边缘被烧蚀，活塞外圆表面磨损、拉伤等。 31.2对活塞的设计要求 （1） 在保证活塞强度、刚度及散热良好的前提下减小总高度，减轻活塞重量。（2） 和活塞环、缸套配合，保证密封良好并尽量减小摩擦损失。（3） 减小活塞顶吸收的热量，并良好冷却，讲活塞吸收的热量迅速到处，使活塞各部位的温度不超过下列极限数值： 活塞顶 360 第一道环槽 260 活塞顶内表面 250 振荡冷却油腔内 220 活塞销孔 180（4） 保证导向部分润滑可靠，同时防止润滑油上窜，尽量降低润滑油消耗量。（5） 活塞环槽与活塞环、销孔与活塞销应具有良好的耐磨性，特别是第一道环槽。（6） 活塞裙部与气缸壁之间的接触面积要尽可能大，要有良好抗拉性能。（7） 活塞与气缸的配合间隙小，以减小对气缸的撞击和噪声，以及是变工况适应性好。（8） 易于制造，成本低，经济性好。3.1.3 材料一、 对活塞材料的要求从活塞的工作条件可看出，为了保证内燃机的良好运行，对活塞合金材料有如下要求。1、 密度小由于活塞工作时是不断的往复运动，为使惯性力尽可能小，这就要求活塞材料密度要小。铝的密度约为铸铁的1/3，因此铝就成为活塞用合金的基本材料。2、 热膨胀系数小为降低活塞配缸间隙，活塞合金的热膨胀系数要尽可能接近铸铁汽缸。因为只有这样，才能保证发动机在所有工作温度范围呢你有个良好的配缸间隙，铸铁的热膨胀系数较铝的热膨胀系数小，通过天津爱适当的合金元素，特别是硅，可将活塞合金材料的热膨胀系数降到更低。 3、 好的耐磨性活塞环是封闭高压燃气和提供润滑油而设置的，在工作时会对活塞的环槽造成磨损。因此，环槽区的耐磨性比裙部和销孔要重要得多。因为大多数活塞是环槽区的磨损限制了活塞的使用寿命，故合金的耐磨性是重要的。 4、 好的机械性能活塞在燃气爆发压力及其往复惯性力的联合作用下，使活塞承受高温交变负荷和热疲劳，尤其是活塞顶、销孔和环槽区的工作条件更为恶劣，因此需要采取一系列的强化措施，提高货代材料的综合机械性能。5、 好的热导性既要考虑到活塞的机械强度，又要照顾到活塞的尺寸稳定性，这就要求货代材料的导热性能非常好。活塞用铝合金的导热性是铸铁的三倍，这样，高的导热能力可将高热负荷区的热量很快传递给冷却油及气缸和连杆曲轴等，因此使得熔点600的铝合金能在与峰值温度高达2000的高温燃气（平均温度约700）想接触的情况下仍然能正常工作。特殊情况下，用过冷却油腔内流动的冷却油可降低活塞头部的温度。6、 好的加工性能活塞是精密零件，对尺寸精度和表面粗糙度的要求都很高，但是活塞铝合金为具有好的耐磨性而必须制成在相对软的基本材料中含有硬合金相，这种特定组织结构对道具磨损严重，因此必须采取技术措施，如通过冶炼方面的措施，使硬合金相变得尽可能细而均匀，因而使其硬度相对均匀，便于机械加工。 二、 活塞的材料型号根据活塞对材料的要求，不同的国家有不同的活塞材料标准，但总的来说，活塞用铝合金在发展过程中主要形成了如下四类：共晶Al-Si合金，过共晶Al-Si合金，Al-Cu-Si合金和Al-Cu-Ni-Mg合金。在这四类合金中，运用最广泛的是Al-Si合金，由于活塞毛坯成型方式简单，广泛用于汽油机和柴油机活塞上；其次是过共晶Al-Si合金，主要使用在摩托车活塞上。就具体型号来讲，目前国外最常见的是德国MAHLE公司的Mahle124,Mahel142和Mahel174;德国KS公司的KS1275和KS1295.国内应用最多的是国家标准材料牌号ZL109G。上冻滨州渤海活塞股份有限公司经多年的研究，形成了自己的BH系列铝合金材料标准，目前使用最多的是BH122A,BH135,BH139,BH112等。活塞材料跟随着内燃机的发展也在发展，随着柴油机向着高排放、大马力方向发展，为了保证发动机的可靠性，近年来，陶瓷活塞，铸铁活塞，锻钢活塞等特殊材料活塞的应用越来越广泛，国外，像康明斯公司、卡特匹勒公司使用的岗顶铝裙铰边式活塞、我i系柴油机DL柴油机新开发使用的锻钢活塞=、上海柴油机厂新开发的薄壁铸铁活塞等。三、活塞销材料及结构活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。 活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。 活塞销检验国标 1.金相检验。JB/T 8118.2-1999 2.探伤检验。JB/T 8118.3-19992.2活塞销孔的结构特点 活塞销孔和活塞销组成一对摩擦副，他将活塞顶部的燃气压力通过销孔传给活塞销，然后通过活塞销再传给两岸和曲轴，输出动力。活塞销孔与活塞销必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。销孔的表面应力分布取决于销孔和活塞销两者的变形是否相适应，如果活塞销刚度大而销孔处刚度小，或者相反，则两者变形不能互相适应，结果引起销孔上册边缘等处产生严重的应力集中，使销孔开裂。游戏，销孔设计与活塞销应统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减小弯曲变形；要求销孔能承受高的压力，而且有一定的弹性，使之适应活塞销的变形。活塞销是装在活塞裙部的圆柱形销子，它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，把活塞承受的气体作用力传给连杆。为了减轻重量，活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。 活塞销的功用及工作条件 一般国内使用的活塞销孔内会有台阶或者凹槽，还有一种是实心活塞销。国外使用的活塞销内孔是直的。 活塞销的内孔形状： 活塞销的内孔形状主要有圆柱形，两段截锥形，以及两段截锥形和一段圆柱的组合形。 活塞销的功用及工作条件： 活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏。 附图： 活塞销示意图2.2.1 典型活塞销孔外形结构材料活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。 活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。 活塞销检验国标 1.金相检验。JB/T 8118.2-1999 2.探伤检验。JB/T 8118.3-1999 为使作用在活塞顶部的气体压力传递至销孔上，而又尽可能不引起活塞变形，所以在活塞顶部与销孔之间要设置加强筋，典型的销孔座结构如图2-2所示。1、单筋销孔座（见图2-2（a）：销孔座与活塞顶部用单筋连接，由于筋在中央，因此销孔座弹性较差，易在销孔内侧边缘A点出现应力集中。2、弹性销孔座（见图2-2（b）：销孔与活塞顶部用双筋相连接，并在销孔上方可任意设计深浅不同的凹坑，使销孔具有较好的弹性，能降低销孔A点处的应力集中。这种销孔外形结构目前在铸铝活塞中应用较广，主要用在非增压柴油机活塞和汽油机活塞上。3、刚性销孔座（见图2-2（c）:这种加宽的销孔传力情况好，活塞变形小，铸造和锻造工艺性均较好。但是销孔座刚性大，难以适应活塞销的变形，易在销孔A点处产生应力集中，需要采取措施降低高峰应力，铸造活塞内腔较小的活塞多采用这种结构。 4、 斜面销孔座与阶梯销孔座（见图2-2（d）、（e）：这种销孔座能增加连杆小头支撑面的长度，降低活塞销与连杆小头村套的比压；支撑面延轴向长度有重叠，减小了活塞销的弯曲变形；缩短销孔座上部间距，降低销孔座根部与顶部过度圆角处的应力。这种结构是提高活塞销孔承载能力的有效办法，一般可使销孔承载能力提高15%