柴油機(jī)結(jié)構(gòu)原理

1、柴油機(jī)結(jié)構(gòu)一、 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理 發(fā)動(dòng)機(jī)的功能是將燃料在氣缸內(nèi)燃燒使其熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而輸出動(dòng)力。能量的轉(zhuǎn)換是通過不斷地依次反復(fù)進(jìn)行“進(jìn)氣壓縮做功排氣”四個(gè)連續(xù)過程來實(shí)現(xiàn)的，每進(jìn)行這樣一個(gè)連續(xù)過程就叫做一個(gè)工作循環(huán)。1、進(jìn)氣沖程活塞由曲軸帶動(dòng)從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門開啟。活塞移動(dòng)的過程中，氣缸內(nèi)的容積逐漸增大，形成一定的真空度，于是經(jīng)過慮芯的空氣通過進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸。直至活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉，停止進(jìn)氣。2、壓縮沖程進(jìn)氣沖程結(jié)束時(shí)，活塞在曲軸的帶動(dòng)下，從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，氣缸容積逐漸減小，由于進(jìn)排氣門均關(guān)閉，氣體被壓縮，氣缸內(nèi)溫度上升，直至活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，壓縮結(jié)

2、束。3、做功沖程在壓縮沖程末，高壓油嘴噴出高壓燃油與空氣混合，在高溫、高壓下混合氣體迅速燃燒，使氣體的溫度、壓力迅速升高而膨脹，從而推動(dòng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過連桿驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)做功，至活塞到下止點(diǎn)時(shí)，做功結(jié)束。4、排氣沖程在做功沖程結(jié)束時(shí)，排氣門被打開，曲軸通過連桿推動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，廢氣在自身剩余壓力和活塞的推力作用下，被排出氣缸，直至活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣門關(guān)閉，排氣結(jié)束。排氣沖程終了時(shí)由于燃燒室容積存在，氣缸內(nèi)還存少量廢氣，氣體壓力也因排氣門和排氣管的阻力而仍高于大氣壓。二、發(fā)動(dòng)機(jī)的總體構(gòu)造柴油機(jī)由兩大機(jī)構(gòu)四大系統(tǒng)組成。1、柄連桿機(jī)構(gòu)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由構(gòu)成氣缸的機(jī)體、活

3、塞、連桿、曲軸和飛輪等組成。由發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)可知，混合氣在氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高壓是通過活塞、連桿、曲軸而變?yōu)橛杏玫臋C(jī)械能輸出的；反之，工作循環(huán)的準(zhǔn)備過程也是由曲軸通過連桿通過活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的?？梢?，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)維持工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心。2、配氣機(jī)構(gòu)為使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)能夠連續(xù)進(jìn)行，必須定時(shí)地開閉氣門，以便向氣缸內(nèi)充入新鮮氣體和排出廢氣。它主要由氣門和控制氣門開閉的凸輪軸及其他傳動(dòng)件等組成。3、燃料供給系從發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)可知，柴油機(jī)要向氣缸內(nèi)提供純空氣并在規(guī)定時(shí)刻向氣缸內(nèi)噴入燃油。另外，需要將燃燒完的廢氣按規(guī)定的管路導(dǎo)出。柴油機(jī)的燃料供給系主要由燃油箱、噴油泵、噴油器、進(jìn)

4、、排氣管、慮清器等組成。4、潤(rùn)滑系發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部有很多高速運(yùn)動(dòng)的摩擦表面，為了減小摩擦阻力和減緩磨損，需要向這些摩擦表面提供潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑系主要由油底殼、機(jī)油泵、油道、慮清器等組成。5、冷卻系發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)氣體燃燒的熱量在使氣體膨脹做功的同時(shí)，不可避免地將會(huì)加熱與它相接觸的機(jī)件，為了保持正常的工作溫度，需將機(jī)件的多余熱量散發(fā)出去。冷卻系有水冷和風(fēng)冷兩種，水冷主要由散熱器、風(fēng)扇、水泵、水套等組成；風(fēng)冷主要由風(fēng)扇、散熱片等組成。6、啟動(dòng)系發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)的第一個(gè)工作循環(huán)的準(zhǔn)備過程，必須有外部動(dòng)力帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)系主要由起動(dòng)機(jī)及其附屬裝置等組成。三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能

5、的主要裝置。在做功沖程，它將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而對(duì)外輸出動(dòng)力；反之，在其他沖程，它又將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，為做功沖程做好準(zhǔn)備。曲柄連桿機(jī)構(gòu)由以下三部分組成：1、 氣缸體曲軸箱組：主要包括氣缸體、曲軸箱、氣缸套、氣缸蓋、氣缸墊等不動(dòng)件；2、 活塞連桿組：主要包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿等運(yùn)動(dòng)件；3、 曲軸飛輪組：主要包括曲軸、飛輪等。一） 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作條件及受力簡(jiǎn)析曲柄連桿機(jī)構(gòu)所受的力主要有氣體壓力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸表面的摩擦力。Ø 氣體壓力在工作循環(huán)中，氣缸內(nèi)氣體壓力是不斷變化的

6、。做功沖程壓力最高，其瞬間最高壓力柴油機(jī)可達(dá)510Mpa。Ø 往復(fù)慣性力和離心力由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向都是不斷變化的，所以必定產(chǎn)生慣性力。1、 往復(fù)慣性力2、 離心慣性力Ø 摩擦力曲柄連桿機(jī)構(gòu)中互相接觸的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)都存在有摩擦力，其大小與正壓力和摩擦系數(shù)成正比，其方向總與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反。摩擦力的存在是造成配合表面磨損的根源。二） 氣缸體與曲軸箱組氣缸體與曲軸箱組主要由氣缸體、上下曲軸箱、氣缸套、氣缸蓋和氣缸墊等組成。Ø 氣缸體與曲軸箱的結(jié)構(gòu)形式與功用氣缸體是氣缸的殼體，上曲軸箱是支承曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的殼體，二者組成了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體。其結(jié)構(gòu)形式有整

7、體式和分體式。整體式結(jié)構(gòu)就是將氣缸體與曲軸箱鑄成一體，稱為氣缸體，通常用為水冷發(fā)動(dòng)機(jī)。分體式結(jié)構(gòu)就是將氣缸體與上曲軸箱分開制造再用螺栓連接起來，多用于風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)。整體式或分體式的上曲軸箱是組裝發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)件，并由它來保持發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)件相互間的準(zhǔn)確位置關(guān)系。Ø 氣缸體與曲軸箱的工作條件與要求氣缸體曲軸箱承受有較大的機(jī)械負(fù)荷和較復(fù)雜的熱負(fù)荷。由其功用和工作條件，要求氣缸體曲軸箱具有足夠的強(qiáng)度，剛度和良好的耐熱性、耐腐蝕性等。氣缸體曲軸箱的變形會(huì)破壞各運(yùn)動(dòng)件間的準(zhǔn)確位置關(guān)系，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況和壽命降低，因而對(duì)剛度和強(qiáng)度的要求同樣重要。Ø 曲軸箱的結(jié)構(gòu)型式上曲軸箱一般有三種結(jié)構(gòu)形

8、式。平分式主軸承座孔中心線位于曲軸箱分開面上。其特點(diǎn)是制造方便但剛度小，且前后端呈半圓形，與油底殼結(jié)合面的密封較困難，給維修造成不方便。多用于中小型發(fā)動(dòng)機(jī)，如492Q等。龍門式主軸承座孔中心線高于曲軸軸線分界面。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度較高，且下曲軸箱前后端為一平面，其密封簡(jiǎn)單可靠，維修方便。上述兩種型式，其主軸承座孔均為分開式，內(nèi)孔和端面的加工是在主軸承蓋上用定位銷或定位套（平分式），或主軸承蓋兩側(cè)平面（龍門式）定位，并用螺栓固定后進(jìn)行的，因而軸承蓋既不可換位也不可換向。為避免錯(cuò)裝，在主軸承蓋上都有位置和方向的記號(hào)。隧道式主軸承座孔不分開。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度最大，主軸承同軸度易保證，但拆裝較困難。&#

9、216; 氣缸體與曲軸箱的材料氣缸體和上曲軸箱根據(jù)其工作條件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，一般用灰鑄鐵制造，因?yàn)樗哂谐杀镜?、鑄造工藝性好、剛度大、耐磨和吸振性好等優(yōu)點(diǎn)。有的強(qiáng)化機(jī)型采用了球墨鑄鐵，還有的為了增加強(qiáng)度和耐磨性，采用含鎳、鉻、鉬、磷等元素的優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵。某些發(fā)動(dòng)機(jī)為了減輕重量、加強(qiáng)散熱，采用鋁合金鑄造。Ø 下曲軸箱的密封下曲軸箱的作用是儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，因此又叫油底殼。其內(nèi)部有防止?jié)櫥瓦^分激蕩的穩(wěn)油擋板，有利于機(jī)油泵的正常工作和潤(rùn)滑油內(nèi)雜質(zhì)的沉淀。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)縱向傾斜時(shí)機(jī)油泵仍能正常吸出機(jī)油，油底殼的后部或前部一般做得較深，并在其最深處有放油塞，以便放出潤(rùn)滑油。有的放油塞帶有磁性，可吸

10、附潤(rùn)滑油中的鐵屑，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損。由于油底殼受力很小，一般用薄鋼板沖壓制成。為了加強(qiáng)散熱，某些發(fā)動(dòng)機(jī)采用鋁合金鑄造，并鑄有散熱片。上下曲軸箱之間為了防止漏油，一般墊有軟木襯墊，也有的鑄造油底殼用密封膠密封。三） 氣缸與氣缸套Ø 氣缸與氣缸套的工作條件與材料從發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理可知，氣缸所接觸的氣體，其溫度和壓力都在頻繁的變化而且其瞬時(shí)值很高，給氣缸以很大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。另外，燃燒產(chǎn)物對(duì)氣缸壁還有腐蝕性。在這種惡劣的條件下，活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，對(duì)氣缸的磨損往往影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。為了提高耐磨性，有些氣缸采用表明處理，如表明淬火、鍍鉻等；有的則對(duì)整個(gè)氣缸體采用優(yōu)質(zhì)材料，但成本高。目

11、前更多的是采用在氣缸體內(nèi)鑲?cè)霘飧滋椎慕Y(jié)構(gòu)。這樣，缸套可用更加耐磨的材料，以延長(zhǎng)使用壽命，而氣缸體則用廉價(jià)的普通鑄鐵或重量輕的鋁合金制造。即便制造時(shí)不鑲缸套的氣缸體，經(jīng)幾次大修后為繼續(xù)使用，也要鑲一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)缸徑的氣缸套。氣缸套的材料，常使用的有珠光體灰鑄鐵、合金鑄鐵、高磷鑄鐵、含硼鑄鐵及其他高級(jí)鑄鐵。Ø 氣缸套的型式與構(gòu)造根據(jù)其是否與冷卻水接觸，氣缸套分為干式和濕式兩種。1、干式干式缸套的特點(diǎn)是外表面不直接與冷卻水接觸。為了獲得與缸體間足夠的實(shí)際接觸面積，以保證散熱效果和缸套定位，其外表面與其相配合的氣缸體承孔內(nèi)表面，都有一定的加工精度，并且一般都采用過盈配合。另外，干式缸套壁薄，有的只

12、有1mm厚。干式缸套外圓下端制不大的錐角，以便壓入氣缸體。其頂部（或缸體承孔的底部）有帶凸緣的兩種。帶凸緣的配合過盈量較小，因?yàn)橥咕壙梢詭椭涠ㄎ?。干式缸套的?yōu)點(diǎn)是不容易漏水、漏氣，缸體結(jié)構(gòu)剛度大，不存在穴蝕，缸心距小機(jī)器重量輕等；其缺點(diǎn)是修理更換不便，散熱效果差等。2、濕式濕式缸套的特點(diǎn)是其外表面直接與冷卻水接觸。另外，它較干式缸套壁厚大。缸套的定位缸套的徑向定位一般靠上下兩個(gè)凸出的，與氣缸體間為動(dòng)配合的圓環(huán)帶。軸向定位是利用上部凸緣的下平面。因此缸套的上述部位和氣缸體承孔的相應(yīng)配合部位，應(yīng)有較高的加工精度。氣缸套的密封氣缸套下部靠13個(gè)耐熱耐油密封圈密封。其密封形式有漲封式和壓封式兩種，其

13、中廣泛應(yīng)用的為漲封式。少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上在兩道密封圈之間設(shè)有漏水孔，用以觀察密封圈工作情況是否良好。隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的日益提高，濕式缸套的穴蝕已成為一個(gè)突出的問題，所以某些柴油機(jī)缸套有三道密封圈，最后一道上半部分與冷卻水接觸，既能防止配合面生銹、便于拆裝，又能借其吸振，減輕穴蝕。缸套的上部通常是靠凸緣的下平面密封。大多數(shù)濕式氣缸套裝入后，其頂面高出缸體一定高度，一般為0.050.15mm，使氣缸蓋螺栓緊固后，缸套與缸墊的該部分承受較大的壓緊力，具有防止氣缸漏氣、水套漏水和保證缸套定位的作用。濕式缸套的優(yōu)點(diǎn)是缸體鑄造較容易，又便于修理更換，且散熱效果較好。缺點(diǎn)是缸體剛度較差，易產(chǎn)生穴蝕，且易漏水

14、、漏氣。主要用于高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)和鋁合金缸體發(fā)動(dòng)機(jī)。為了減少氣缸的磨損，氣缸壁應(yīng)有較高的加工精度和較低的粗糙度，過低的粗糙度不利于油膜的形成，反而加速氣缸的磨損。另外，為了便于活塞及活塞環(huán)裝入，氣缸上口加工有一定的倒角。四） 氣缸蓋與氣缸墊Ø 氣缸蓋1、功用與工作條件氣缸蓋用來封閉氣缸的上部并與氣缸、活塞共同構(gòu)成燃燒室。氣缸蓋燃燒室壁面同氣缸一樣承受燃?xì)馑斐傻臒嶝?fù)荷及機(jī)械負(fù)荷，由于它接觸溫差很大的燃?xì)鈺r(shí)間更長(zhǎng)，因而氣缸蓋承受的熱負(fù)荷更甚于氣缸體。2結(jié)構(gòu)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)隨氣門的布置、冷卻方式及燃燒室的形狀而異。頂置氣門式氣缸蓋有水套（水冷式）或散熱片（風(fēng)冷式）、燃燒室、火化塞座孔（汽油機(jī)）或

15、噴油器座孔（柴油機(jī)）、進(jìn)排氣道、與氣缸體密封的平面、安裝氣門裝置及其他零部件的加工部位等，水套中還裝有噴口朝向排氣門座及噴油器座孔的噴水管，以加強(qiáng)這些過熱部位的冷卻。3、材料及氣缸蓋的緊固氣缸蓋和氣缸體的工作條件及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有許多共同之處，其材料也同氣缸體一樣，一般用灰鑄鐵或合金鑄鐵。由于材料的膨脹系數(shù)不同，為了防止受熱后缸蓋螺栓的膨脹大于鑄鐵缸蓋的膨脹而使緊度降低，對(duì)鑄鐵缸蓋要在發(fā)動(dòng)機(jī)大正常工作溫度后再進(jìn)行第二次擰緊；鋁合金氣缸蓋由于其膨脹系數(shù)比鋼大，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱起后緊度會(huì)更大，故只需在冷態(tài)下一次擰緊即可。多缸一蓋的氣缸蓋，結(jié)構(gòu)剛度較差。為避免其變形，安裝氣缸蓋時(shí)，緊固螺栓應(yīng)按由中央向四周的順

16、序，分次逐步地以規(guī)定扭矩?cái)Q緊。拆卸時(shí)則按相反的方向。Ø 氣缸墊1、作用與要求氣缸墊用來保證氣缸體與氣缸蓋結(jié)合面的密封，防止漏氣、漏水。氣缸墊接觸高溫、高壓氣體及冷卻水，在使用中很容易被燒蝕，特別是缸口轉(zhuǎn)邊周圍。因此，氣缸墊要耐熱、耐蝕、具有足夠的強(qiáng)度、一定的彈性和導(dǎo)熱性，從而保持可靠的密封。另外還應(yīng)能重復(fù)使用，壽命長(zhǎng)。構(gòu)造目前氣缸墊的結(jié)構(gòu)大致有以下幾種。1）金屬石棉墊，廣泛使用的金屬石棉墊，內(nèi)填石棉，外包銅皮或鋼皮，且在缸口、水孔、油道口周圍卷邊加固。金屬包皮主要獲得強(qiáng)度、耐燒蝕和傳熱能力，石棉芯有高的耐熱性和一定的彈性。這種墊片可多次使用。另一種是金屬骨架石棉墊，用編制鋼絲、鋼片或

17、沖孔鋼片為骨架，外覆石棉及橡膠粘結(jié)劑壓成墊片，表面涂以石墨粉等潤(rùn)滑劑，只在缸口、油道口及水孔處用金屬片包邊。這種墊片彈性更好，但容易粘結(jié)，一般只能用一次。2）純金屬墊，某些強(qiáng)化程度更高的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用純金屬氣缸墊，是由單層或多層金屬片（銅、鋁或低炭鋼）制成的。為了加強(qiáng)密封，在缸口、水孔、油道口處，沖有彈性凸筋。采用這種缸墊對(duì)氣缸蓋和氣缸體結(jié)合面要求有較高的加工精度。2、安裝方向金屬石棉墊（金屬皮的），由于缸口卷邊一面高出一層，對(duì)與它接觸的平面會(huì)造成單面壓痕變形，因此卷邊應(yīng)朝向易修整的接觸面或硬平面。1)氣缸蓋和氣缸體同為鑄鐵時(shí)，卷邊應(yīng)朝向氣缸蓋（易修整）；2）鋁合金氣缸蓋、鑄鐵氣缸體，卷邊應(yīng)朝向

18、氣缸體（硬平面）；3）氣缸蓋和氣缸體同為鋁合金時(shí)，卷邊應(yīng)朝濕式缸套的凸沿（硬平面）。五）活塞連桿組活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷和連桿等主要機(jī)件組成。Ø 活塞1、功用、工作條件與要求活塞的功用是與氣缸蓋等共同組成燃燒室、承受氣缸內(nèi)氣體壓力并通過活塞銷和連桿傳給曲軸?；钊窃陬l繁變化的瞬時(shí)高溫、高壓、高速及液體潤(rùn)滑和散熱均困難的條件下工作的：1）氣體壓力與溫度：燃燒過程氣體瞬時(shí)壓力最高可達(dá)5Mpa左右，有的柴油機(jī)甚至可達(dá)10Mpa，使數(shù)萬乃至十幾萬牛頓的力，突然作用到活塞頂上，高速時(shí)每秒發(fā)生20-40次。與此同時(shí)，瞬時(shí)溫度最高可達(dá)2000K以上的熾熱氣體覆蓋于活塞頂，而散熱條件卻很差

19、雖然活塞頂?shù)臒崃坑衫浠旌蠚怏w和機(jī)油帶走一部分，但主要是通過氣缸壁間接傳給冷卻水或散熱片，致使活塞承受很高的熱負(fù)荷。2）速度：活塞運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向在不斷地變化，產(chǎn)生的慣性力可造成很大的機(jī)械負(fù)荷。另外，活塞的平均速度在12m/s左右，瞬時(shí)速度要高得多，因而它和缸壁的摩擦是個(gè)不可忽視的問題。鑒于其作用和惡劣的工作條件，對(duì)活塞的要求是：A、 要有足夠的強(qiáng)度和剛度；B、 質(zhì)量要盡量小，以保持最小的慣性力；C、 導(dǎo)熱性要好，有充分的散熱能力；D、 要有足夠的耐熱性；E、 活塞與氣缸壁間應(yīng)有較小的摩擦系數(shù)；F、 溫度變化時(shí)，尺寸和形狀變化要??；G、 和氣缸壁間要保持最小的間隙。2、材料現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活

20、塞普遍采用鋁合金。這是由于鋁合金具有密度小，導(dǎo)熱性能好的突出優(yōu)點(diǎn)，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率（密度小則質(zhì)量及慣性小，發(fā)動(dòng)機(jī)允許的轉(zhuǎn)速較高；導(dǎo)熱性能好，則活塞頂面中央溫度不致太高，充氣效率高）。鋁合金的突出缺點(diǎn)是膨脹系數(shù)大，高溫強(qiáng)度性差，但采用合理的結(jié)構(gòu)，能滿足使用要求。活塞用的鋁合金中，使用較廣泛的是硅鋁合金，因其有較小的膨脹系數(shù)和密度，耐磨性也較好。少數(shù)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷較大的柴油機(jī)活塞采用了高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能好的銅鎳鎂鋁合金，它的膨脹系數(shù)和密度都大于硅鋁合金，而且價(jià)格也較貴。由于不同成分的鋁合金其膨脹系數(shù)和密度均不相同,所以使用時(shí)不同廠家的活塞不可混裝，也不能照搬同樣的裝配間隙。近年車用柴油機(jī)活

21、塞開始研究使用灰鑄鐵，以發(fā)揮灰鑄鐵的優(yōu)勢(shì)（成本低，耐熱性好，膨脹系數(shù)小，能減小裝配間隙）。新設(shè)計(jì)的灰鑄鐵活塞重量甚至比鋁合金還輕。3、組成根據(jù)其作用，活塞可分為頂部、環(huán)槽部、裙部和活塞銷座四部分，其中頂部和環(huán)槽部也通稱為頭部。1）頂部活塞頂部是燃燒室的組成部分，用來承受氣體壓力。為了提高剛度和強(qiáng)度，并加強(qiáng)其散熱能力，背面多有加強(qiáng)筋。頂部形狀多有平頂、凹頂和凸頂，凹頂活塞主要是高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)為了防止氣門碰撞，也可用凹孔的深度來調(diào)整壓縮比。2）環(huán)槽部活塞的環(huán)槽部切有若干環(huán)槽，用以安裝活塞環(huán)，它是活塞的防漏部分。兩環(huán)槽之間成為環(huán)岸。環(huán)槽的形狀與活塞環(huán)斷面形狀相對(duì)應(yīng)，通常為矩形或梯形?？宽敳康沫h(huán)槽裝壓

22、縮環(huán)（氣環(huán)），一般為2-3道；下面的環(huán)槽裝油環(huán)為1-2道。油環(huán)槽的槽底圓周上制有若干貫通的泄油孔或泄油槽，以便油環(huán)從缸壁上刮下多余潤(rùn)滑油經(jīng)此流回油底殼。3）裙部活塞的裙部是用來給活塞的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向和承受側(cè)壓力的，因而裙部有一定的長(zhǎng)度，以保證可靠的導(dǎo)向；又有足夠的面積，以防止活塞對(duì)氣缸壁的單位面積壓力過大，破壞潤(rùn)滑油膜，加大磨損。4）活塞銷座活塞銷座是活塞通過活塞銷與連桿的連接部分，位于活塞裙部的上部，為厚壁圓筒結(jié)構(gòu)，用以安裝活塞銷。活塞所承受的氣體壓力、慣性力，都是通過銷座傳給活塞銷的。為限制活塞銷的軸向竄動(dòng)，大部分活塞在活塞銷孔座內(nèi)接近外端面處有卡環(huán)槽，用以安裝卡護(hù)環(huán)，兩卡環(huán)槽之間的距離大于活塞

23、銷的長(zhǎng)度，使卡環(huán)在活塞銷端面之間留有足夠的間隙，以防冷卻過程中，活塞的收縮大于活塞銷的收縮而將卡環(huán)頂出。銷座孔有很高的加工精度，并且經(jīng)分組與活塞銷選配，以達(dá)到高精度的配合。4、活塞的變形及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施為了保證活塞的正常工作，活塞各部與氣缸壁之間必須保持一定的間隙，其中起導(dǎo)向作用的裙部這一間隙尤為嚴(yán)格，若間隙過小，將會(huì)因活塞膨脹而出現(xiàn)拉缸，卡死等故障。然而發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，活塞裙部與氣缸壁間的間隙是變化的，這主要是由于活塞的變形引起的。1）活塞變形的原因及規(guī)律：活塞工作時(shí)變形的主要原因是熱膨脹，其次是側(cè)壓力。另外，氣體的正壓力也會(huì)引起活塞頂部彎曲變形，但變形情況較復(fù)雜而且較小，故予以忽略?；钊?/p>

24、變形的規(guī)律及具體原因是：A、整個(gè)活塞的熱膨脹量大于氣缸的膨脹，使活塞與氣缸的配合間隙變小。這是由于活塞的溫度高于氣缸壁，且鋁合金的膨脹系數(shù)大于鑄鐵；B、活塞頭部的膨脹大于裙部，而且各部分都是自上而下膨脹量由大而小。這是由于溫度上高下底，且活塞的壁厚上厚下薄。C、裙部圓周方向近似橢圓形變化，長(zhǎng)軸在沿銷座孔軸線方向。這是由于銷座處金屬多而膨脹量大和側(cè)壓力的結(jié)果。2）結(jié)構(gòu)措施：為了使活塞各部分，特別是裙部，在各種工作情況下與缸壁的配合間隙都盡可能保持在一定范圍內(nèi)，不同的活塞在結(jié)構(gòu)上采取了與變形相適應(yīng)或控制盡可能小的變形等一些措施。主要有：A、活塞頭部的直徑呈上小下大的階梯形或截錐形，且頭部直徑小于裙

25、部，直徑一般差0.5-0.9mm。B、活塞裙部呈上小下大的截錐形。在垂直于銷座孔軸線方向上，裙部下端與上端的直徑稱為活塞裙部的錐度，也籠統(tǒng)稱為活塞的錐度。C、活塞裙部沿圓周方向近似橢圓形，成為橢圓活塞。橢圓的長(zhǎng)軸在垂直于銷座孔軸線的方向，即側(cè)壓力面方向。一般橢圓活塞是裙部下端長(zhǎng)軸最大，它與同一橫截面短軸的直徑差稱為活塞裙部的橢圓度，也籠統(tǒng)稱為活塞的橢圓度。以上三項(xiàng)結(jié)構(gòu)措施，是與活塞的熱變形及側(cè)壓力變形相適應(yīng)，使活塞在工作溫度下變成接近于正圓柱形，從而獲得均勻的配合間隙。D、活塞裙部沿銷座外端面在鑄造時(shí)凹陷0.5-1mm，使銷座兩端有充分的膨脹余地，不會(huì)與缸壁接觸。E、裙部開有絕熱膨脹槽。在裙部

26、受側(cè)壓力較小的面，開有“T”形或“”槽。其中橫槽叫絕熱槽，它開在頭部最下一道油環(huán)槽中或裙部上邊沿，其作用是減少頭部熱量向裙部傳導(dǎo)，從而減少裙部的熱膨脹；另外，它還可增強(qiáng)油環(huán)槽的回油能力。豎槽叫膨脹槽，其作用是使裙部具有一定的彈性和熱態(tài)時(shí)起補(bǔ)償作用，使活塞在裝配間隙較小的情況下熱膨脹時(shí)，不致卡缸。為了防止由于應(yīng)力集中造成開槽沿槽端延伸破裂，凡未開通的槽的端部均鉆有圓孔?；钊共块_槽削弱了其強(qiáng)度和剛度，只適用于負(fù)荷不大的汽油機(jī)，且是開在側(cè)壓力較小的一側(cè)即次推力面。柴油機(jī)活塞由于受力較大，裙部不開槽，其裝配間隙比汽油機(jī)要大一些。F、雙金屬活塞，即在鋁合金活塞裙部或銷座孔內(nèi)嵌鑄入鋼片，以減小活塞裙部的

27、膨脹量。這是目前國(guó)內(nèi)外所廣泛采用的一種措施。3）偏置銷座一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的銷座軸線與活塞的中心線垂直相交，當(dāng)活塞在上止點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，由于側(cè)壓力瞬時(shí)換向，使活塞與缸壁的接觸面突然由一側(cè)平面移至另一側(cè)，便產(chǎn)生活塞對(duì)氣缸壁的“拍擊”（俗稱活塞敲缸），增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音。因此，某些高速發(fā)動(dòng)機(jī)，將活塞銷座朝向承受膨脹做功側(cè)壓力一面偏移1-2mm。這樣，在接近上止點(diǎn)時(shí)，作用在活塞銷座軸線以右的氣體壓力大于右邊，使活塞傾斜，裙部下端提前先換向，然后在活塞越過上止點(diǎn)，側(cè)壓力反向時(shí)，活塞才以左下端接觸處為支點(diǎn)，頂部向左轉(zhuǎn)向（不是平移），完成轉(zhuǎn)向?？梢娖没钊N座使活塞換向延長(zhǎng)了時(shí)間且分為兩步，第一步是在氣體壓

28、力較小時(shí)進(jìn)行，且裙部彈性好，有緩沖作用；第二步雖然氣體壓力大，但它是個(gè)漸變過程。為此使換向沖擊大為減弱。5、活塞的安裝方向和頂面標(biāo)記由于某些活塞裙部膨脹槽的位置和頂部形狀不對(duì)稱或偏置銷座等原因，使活塞安裝時(shí)有一定的方向。為了防止錯(cuò)裝，這種活塞頂面上一般都有方向標(biāo)記。Ø 活塞環(huán)1、概述1）活塞環(huán)的分類與功用：按照公用活塞環(huán)可分為氣環(huán)和油環(huán)兩類A、氣環(huán)也叫壓縮環(huán)，用來密封活塞與氣缸壁的間隙，防止氣缸內(nèi)的氣體竄入曲軸箱，以及將活塞頭部的熱量傳給氣缸壁為活塞散熱。另外還可起到刮油、布油等輔助作用，一般發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)活塞裝有2-3道氣環(huán)。B、油環(huán)，用來將氣缸壁上過量的潤(rùn)滑油刮回油底殼去，防止進(jìn)入燃

29、燒室，以及為氣缸壁均勻布油。另為也起密封作用，一般發(fā)動(dòng)機(jī)有1-2道油環(huán)。近年來隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，活塞環(huán)的數(shù)目日趨減少，新發(fā)動(dòng)機(jī)多為兩道氣環(huán)一道油環(huán)。這樣不僅減小了摩擦損失，還降低了活塞的高度，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的高度。2）工作條件活塞環(huán)是在高溫、高壓、高速和潤(rùn)滑困難的條件下工作的。它的運(yùn)動(dòng)情況很復(fù)雜，不僅和缸壁間有相對(duì)高速的滑動(dòng)摩擦，還有與環(huán)槽側(cè)面的上下撞擊，以及由于環(huán)的徑向張縮而產(chǎn)生的與環(huán)槽側(cè)面相對(duì)的摩擦。因此，活塞環(huán)的磨損是發(fā)動(dòng)機(jī)中磨損最快的零件之一。另外，高溫?zé)嶝?fù)荷不僅使環(huán)的耐磨性下降，而且往往是彈性力下降的主要原因。上述惡劣條件對(duì)第一道氣環(huán)來說最嚴(yán)重，因而其彈力下降和磨損的速度最快。

30、3）材料與表明處理根據(jù)活塞環(huán)的功用與工作條件，要求環(huán)的材料應(yīng)具有好的耐熱性、導(dǎo)熱性、耐磨性、磨合性、任性和足夠的彈性等。一般活塞環(huán)多用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵或合金鑄鐵制造。因?yàn)榛钊h(huán)槽側(cè)面的磨損往往是活塞早期磨損的主要原因，其外表面多進(jìn)行鍍鉻處理。這樣使氣缸、活塞特別是活塞環(huán)的壽命大大提高。4）間隙發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞和活塞環(huán)都會(huì)發(fā)生膨脹。因此，活塞在氣缸內(nèi)應(yīng)有開口間隙，與環(huán)槽間應(yīng)有側(cè)隙和背隙。2、氣環(huán)1）氣環(huán)的密封原理，氣環(huán)可能漏氣的通道有三條：環(huán)面與氣缸壁間；環(huán)與環(huán)槽的側(cè)面間；開口間隙處。A、第一密封的建立，活塞環(huán)在自由狀態(tài)下，其外圓直徑略大于缸徑，所以裝入氣缸后，環(huán)就產(chǎn)生一定的彈力與缸壁壓緊

31、，形成第一密封；B、第二密封的建立，由于活塞頭部與缸壁間有間隙，活塞環(huán)還有側(cè)隙和背隙，氣缸內(nèi)未被密封的氣體不能通過第一密封面下竄，便竄入側(cè)隙和背隙。在做功和壓縮沖程，對(duì)密封的要求高，此時(shí)氣體壓力一般起主導(dǎo)作用，使活塞環(huán)壓在環(huán)槽的下側(cè)，形成第二密封面。C、氣環(huán)的第二次密封，竄入活塞環(huán)背隙和側(cè)隙的氣體，產(chǎn)生背壓力和側(cè)壓力，使環(huán)對(duì)氣缸壁和槽側(cè)進(jìn)一步壓緊，顯著增加了第一、二密封面的密封。此即為環(huán)的第二次密封。做功沖程時(shí)，環(huán)的背壓力遠(yuǎn)大于環(huán)的彈力，所以此時(shí)第一密封面的密封，主要是靠第二次密封。但是如果環(huán)的彈性不好或接觸面貼合不良，而在環(huán)面與缸壁間出現(xiàn)縫隙，此縫隙就要首先漏竄氣體，且其單位壓力大于單位背壓

32、力，就將削弱或形不成第二次密封。因此，靠活塞環(huán)的彈力產(chǎn)生的密封，是第一次和第二次密封的前提。不難看出，兩個(gè)密封面的密封，都必須在其密封面有良好貼合的情況下才能實(shí)現(xiàn)。因此，環(huán)與環(huán)槽側(cè)面都必須加工平整，并且粗糙度應(yīng)較低。然而對(duì)于環(huán)面來說，新環(huán)形狀復(fù)雜，難以與缸壁相順應(yīng)，因而環(huán)面一般車有細(xì)微紋路，以及鍍錫等表面處理，以加速磨合。有了兩個(gè)密封面的密封，理論上就只有開口處是唯一漏氣通道。由于開口很小，并相互按一定位置錯(cuò)開，形成迷宮式封氣路線，氣體通過各道環(huán)口后，壓力顯著下降，其漏氣量在現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)上是很微小的，一般僅為進(jìn)氣量的0.2-1%，密封是成功的。這也是往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)至今仍有巨大生命力的原因之一 。2）活塞環(huán)的泵油作用及危害由于側(cè)隙和背隙的存在，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞環(huán)便產(chǎn)生了泵油作用。其過程是：當(dāng)活塞帶動(dòng)活塞環(huán)下行（進(jìn)氣沖程）時(shí)，環(huán)靠在環(huán)槽的上方，環(huán)從缸壁上刮下來的潤(rùn)滑油充入環(huán)槽下方；當(dāng)活塞又帶動(dòng)活塞環(huán)上行（壓縮沖程）時(shí)，環(huán)又靠壓在環(huán)槽的上方。如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)，就將潤(rùn)滑油泵向活塞頂?；钊h(huán)的泵油作用，一方面對(duì)潤(rùn)滑困難的氣缸上部是有利的，另一方面隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的日益提高，泵油作用加??；不僅增加了潤(rùn)滑油的消耗，且可能使燃燒室內(nèi)積炭增多，甚至在環(huán)槽內(nèi)形成積