趙世來 張治國

摘 要：國六法規(guī)出臺(tái)后，新技術(shù)在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的更多，以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用了減摩擦技術(shù)，輕量化設(shè)計(jì)，可變技術(shù)，啟停技術(shù)，增大排氣溫度等方法?；钊前l(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，盡管活塞很小，其本身的改進(jìn)卻很多。這里詳細(xì)地闡述一下活塞組件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：活塞；發(fā)動(dòng)機(jī)；輕量化

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）12-87-03

Abstract： After the enactment of the national six laws and regulations. New technologies are being used more development and design in car. Example of engine， Friction reduction technique， Lightweight design， Variable technology， Start-stop technology， Increase the exhaust temperature methods.The piston is the heart of the engine， Although the piston is small， There are many improvements. Elaborate The innovative design of piston components.

Keywords： Piston； Engine； Light weight

CLC NO.： U462 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-87-03

前言

目前在汽車等機(jī)械行業(yè)中，輕量化設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)，節(jié)能減排，大家高度重視?；钊M件是核心零件中的核心，活塞組件包括活塞、活塞環(huán)，活塞銷、卡簧組成?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將作用與活塞上的力轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)曲軸的輸出轉(zhuǎn)矩，以驅(qū)動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)。

活塞分為頂部、頭部、裙部。活塞頂與缸蓋構(gòu)成燃燒室，承受高溫高壓氣體作用。頭部主要作用是支撐氣環(huán)和油環(huán)；裙部在活塞換向時(shí)起導(dǎo)向作用。

氣環(huán)是保證活塞環(huán)與氣缸壁間的密封，防止燃?xì)饴┤肭S箱，還會(huì)把大量熱通過活塞環(huán)傳給氣缸壁，油環(huán)起到布油和刮油的作用，上行布油，下行刮油。

活塞銷的是把活塞和連桿連接在一起，為了防止銷的竄動(dòng)，可以采用限位塊或卡簧進(jìn)行限位。

1 活塞方面

現(xiàn)階段活塞設(shè)計(jì)都是采用輕量化，小直徑徑，減摩擦，抗高溫方面發(fā)展。這些新技術(shù)使得活塞成本略有升高，但是帶來的效益很多。詳細(xì)介紹一下活塞的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.1 鑲嵌鐵環(huán)

對(duì)鋁合金活塞來講，在高溫、高壓和高速運(yùn)動(dòng)的情況下，加上積碳的存在，環(huán)槽很容易發(fā)生磨損。這種磨損量可到達(dá)0.04mm/1000h，磨損的后果導(dǎo)致活塞與環(huán)的側(cè)隙和背隙加大，密封性能下降，高溫燃?xì)鈴拈g隙竄到曲軸箱里，功率下降，如果環(huán)槽磨損量達(dá)到一定程度，就得更換活塞，活塞的價(jià)格比活塞環(huán)貴很多，所以寧可環(huán)磨損，也不讓活塞環(huán)槽磨損，因此對(duì)環(huán)槽的要求就得耐磨。

圖1是帶有耐磨圈的活塞，汽油機(jī)活塞環(huán)槽材料主要采用的是高鎳奧氏體鑄鐵，其優(yōu)點(diǎn)：這種鐵環(huán)，密度小，不影響活塞的整體質(zhì)量，提高耐磨性，有效避免一環(huán)槽微焊現(xiàn)象，使得使用壽命提高3倍以上。

在鑄造活塞毛坯時(shí)，此環(huán)槽的毛坯件安裝安放在模具中，直接鑄造在活塞頭部的，然后按照要求尺寸機(jī)加而成，來滿足客戶要求。

1.2 輕量化

一方面頭部減重，（圖2）位于活塞頭部中，銷孔上部，一共存在2處凹坑結(jié)構(gòu)形式，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化。減重坑的大小，必須要進(jìn)行有限元分析。在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上才能夠用于生產(chǎn)。質(zhì)量減少后，能量的損失也會(huì)減少。另一方面，銷座處減重，（圖4）在以前設(shè)計(jì)時(shí)，大都采用圖3設(shè)計(jì)。創(chuàng)新方案銷座長度減短，實(shí)現(xiàn)銷座處減重。

1.3 減壓槽

減壓槽的位置是設(shè)計(jì)在二環(huán)岸上，在此環(huán)岸上開了一個(gè)U型的槽，是否能開槽，要求在二環(huán)岸高度大于4mm以上，從外觀上看，根本看不出來什么特別，就是一個(gè)槽而已，并且還感覺浪費(fèi)一道工序，但實(shí)際工作時(shí)，作用確實(shí)不小。工作時(shí)，一環(huán)上的壓力很高，下端由于存在此槽，使得一環(huán)上下面產(chǎn)生了壓力差，這樣會(huì)使一環(huán)有貼在一環(huán)槽底面的趨勢，減少了一環(huán)的震顫，使得密封性能更加，減少了漏氣量。

1.4 銷孔異型

早期活塞銷孔采用圓柱形銷孔，隨著爆發(fā)壓力的提高，活塞銷座和燃燒室有開裂的現(xiàn)象發(fā)生，解決銷座開裂有效措施，在銷孔中嵌入銅套，來增加其強(qiáng)度。除了熱應(yīng)力、材料原因會(huì)發(fā)生開裂外，研究表明，活塞銷孔的結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室的開裂也很重要的影響。銷孔采用異形結(jié)構(gòu)，（圖6）可以提高承載能力，同時(shí)也提高了燃燒室邊緣的拉升應(yīng)力值，降低了頂部的可靠性能。

異型孔是雙錐結(jié)構(gòu)，中間段A是孔的基準(zhǔn)尺寸，B和C的大小是隨著A的更改而改變?；钊谕鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，銷孔內(nèi)側(cè)受到銷的應(yīng)力作用，為了減少應(yīng)力集中，內(nèi)側(cè)孔要大些。

1.5 減磨涂層

摩擦是存在于生產(chǎn)和生活中具有重大影響的一種現(xiàn)象，摩擦?xí)鹉茉磽p失，這種損失也包括汽車零部件的消耗。在發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失中，活塞裙部、活塞環(huán)、曲軸占總摩擦的50%，其中裙部與缸套之間的摩擦占25%，裙部的側(cè)向力是活塞產(chǎn)生摩擦損失的直接原因。

為了提高活塞的可靠性，需要對(duì)活塞裙部進(jìn)行表面處理，（圖7）處理層的目的是，減少摩擦。新機(jī)運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)進(jìn)行磨合，這樣會(huì)使氣缸和活塞貼合更好；另外，在啟動(dòng)時(shí)，潤滑系統(tǒng)在沒進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，有涂層的存在，減少拉缸的風(fēng)險(xiǎn)。常用的涂層有石墨、MnSo2。

采用新涂層工藝，會(huì)更好的來減少裙部摩擦損失。圖8是圖7裙部的展開視圖，圓圈內(nèi)是不印刷處理圖層的，其余部分正常印刷，這樣涂層的好處是，圓圈內(nèi)可以看做一個(gè)儲(chǔ)油槽，可以儲(chǔ)存多余的潤滑油，在活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，增大了潤滑能力，減少了摩擦，另外還可以減少涂層材料的浪費(fèi)，節(jié)約成本。

2 活塞環(huán)方面

2.1 第一氣環(huán)涂層

目前一環(huán)外表面主要是采用PVD，還有更好的耐磨涂層，用A表示。更好的減小與缸體的摩擦，還會(huì)提高耐磨性能。保證活塞的漏氣量。環(huán)外圓磨損情況，見圖9。磨損量的對(duì)比見圖10。

2.2 第二氣環(huán)結(jié)構(gòu)

此二環(huán)結(jié)構(gòu)采用外切和鼻形相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，具備扭曲的同時(shí)還會(huì)增加其刮油效果，實(shí)現(xiàn)弧內(nèi)的儲(chǔ)油功能。

2.3 油環(huán)

油環(huán)主要起到刮油的作用，其結(jié)構(gòu)形式，直接影響刮油效果，目前市場由兩種結(jié)構(gòu)，三片式鋼帶組合油環(huán)和螺旋撐簧油環(huán)，對(duì)于鋼帶組合油環(huán)來講，刮片外表面逐漸采用PVD技術(shù)， 而螺旋撐簧油環(huán)的環(huán)體是采用圓形孔結(jié)構(gòu)，取代長條孔，使得受力更加均衡，不易發(fā)生變形。

3 活塞銷方面

活塞銷結(jié)構(gòu)內(nèi)孔采用錐面結(jié)構(gòu)，（圖12）實(shí)現(xiàn)減重的效果，為了減少摩擦，在外表面鍍一層DLC涂層。（圖13）

4 結(jié)論

對(duì)于活塞組件而言，新技術(shù)逐漸應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的突破，最終更好提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

參考文獻(xiàn)

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