活塞

[车友头条-车友号-小仓说车]  汽车活塞好比汽车发动机的中枢部位，在发动机启动时候占了极其重要的地位。汽车活塞是用来承受气体压力，并通过活塞销让连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。而一般的汽车活塞分为：柴油机活塞、汽油机活塞、通用型活塞三大类。

近年来，由于发动机强化程度的不断提高，发动机的转速、平均有效压力和活塞平均速度都较以前有了大幅度的提高，因此发动机的热负荷和机械负荷都增加了。而活塞由于在发动机中的重要作用，在设计和制造方面也有了很大的改变和提高，这样才能满足现实社会高要求的排放标准。
一、活塞高度
活塞的高度正在逐渐缩短，活塞直径许多已大于活塞高度；压缩高也不断缩短，活塞上的这些改变，缩短了机体和整机的高度，提高了机体和整机的刚性，减小了发动机体积、重量、金属消耗量和成本，而且减小了往复运动质量、惯性力和主轴承负荷。另外，活塞高度缩短以后，活塞组重量也可减轻。发动机各活塞组总重量一般占整机重量的1.2～3.0%。
二、活塞环数

近年来，为了减少摩擦功，提高机械效率，减小环区高度从而缩短活塞压缩高和总高度，活塞环数日趋减少。从三十年代的5～6道环槽发展到2～3道环槽。研究发现，压缩环多于一道是没有必要的，因为一旦上道压缩环失效，其它的压缩环就不能密封燃烧室的气体，使之不漏入曲轴箱，也不能控制机油沿汽缸壁向上窜入燃烧室。所以与其增加活塞环数，还不如采取措施提高活塞环的使用性能，用一道压缩环和两道油环槽来确保完成密封燃气和控制机油的作用。
三、火力岸
火力岸高度有适当加高的趋势，特别是燃烧室布置在活塞顶内的半分开式燃烧室柴油机。为防止顶环积炭和胶粘，又要求第一环槽温度不能过高，为此，除采用环槽镶圈外，火力岸有放长的趋势，而且强化程度越高这种趋势越明显。
为了减少燃气对第一环槽的强烈加热，在柴油机活塞上，常在火力岸周边上车出螺旋形浅沟槽，利用迷宫降压原理减少燃气沿活塞与汽缸套间隙下窜。
四、活塞顶部
活塞顶厚一般趋向减薄。主要受到承受燃烧压力和减小温度梯度这两个互相矛盾的因素所制约。厚度过薄，承受机械载荷能力差，会引起机械变形；厚度太厚，则温度梯度过大，引起热应力和热变形过大。所以活塞顶厚随发动机最高燃烧压力、缸径、是否有油冷、以及燃烧室形式而变。
活塞顶内壁采用热流型，即从活塞顶部到环区侧壁的过渡圆弧半径较大，有的还加支撑筋（一般为4条），目的是使活塞顶部热量能更流畅地传至环区和销座（支撑筋还有加强活塞刚度和强度的重要作用），从而减少第一道环及环槽的受热，提高活塞组关键部位的可靠性。
五、活塞销座
销座部位获得加强并适当放大活塞销直径，销座与环区的连接部位是应力集中的危险断面区。现在内燃机铝合金活塞中应力最大的部位在销座，疲劳裂纹往往出现在销孔顶部，并沿着活塞销座的纵向平面延伸。在该区域采用大圆弧过渡，旨在减少应力集中，也增加受力面积。在强化机型中通常还用4根筋把活塞销座与活塞顶部直接连接起来，以直接传递一部分负荷，减轻上述危险部位的载荷。
活塞销直径有稍加放大的趋势，目的也是增加销与销座的承压面积。缸径越大、发动机强化程度越高，活塞销直径与缸径之比也越大。
六、活塞型面
活塞型面对发动机性能和可靠性影响极大，因此在设计新发动机时确定活塞型面是一项重要的研究课题。活塞型面对气缸壁的摩擦、由活塞敲击引起的噪声，以及环隙对冷油机中碳氢化合物的形成和对柴油机中空气利用和压缩比均有重要影响，直接影响发动机的性能。活塞型面又与拉缸、擦伤以及裙部变形而引起机油耗增大和窜气量增大密切相关，直接影响发动机的可靠性。
活塞型面从最初的多段正圆柱逐渐演变到现在的环带多段正圆锥和渐变椭圆锥，裙部渐变桶面椭圆锥。
裙部形状一般为桶面-椭圆形。桶的轴线与活塞轴线重合，垂直于轴线的活塞截面外周是椭圆形，短轴沿活塞销方向。有些活塞裙部做成多级连续椭圆锥、多级连续特殊圆等。桶面裙部的优点是均布机油、抗拉缸、防窜油、油膜承载能力大、减少摩擦功和摩损。
然而确定最佳型面是一个极其繁复的过程，需要反复进行各种试验，往往要花很长的时间。传统的方法是通过对活塞温度场和刚度分析，使用有限元法并根据经验设计绘制出一个活塞型面，然后将所得到的试验样品装入发动机进行活塞磨痕试验，观察活塞和缸套上的磨痕。经过逐次逼近，最终即可定出最佳活塞型面。可是由于活塞的运动、各种有关因素引起的热变形，活塞还可能受到由缸盖螺钉拧紧力矩、冷却不均匀、气缸壁温度分布等引起的气缸壁变形的影响，以及各缸燃烧不均匀等影响，还有活塞本身的特性（如刚度、自动控制热膨胀活塞的膨胀率随活塞截面不同而变化）都使型面的确定增加了难度。
现在采用将复合材料涂在尺寸较小的试验活塞表面上，使活塞裙部与气缸壁间隙接近于零。在发动机最大功率下进行磨痕试验。试验后留下来的复合材料所确定的型面即作为最后的活塞型面。用这种方法只需要作一次磨痕试验即可确定最佳活塞型面。大大节省了研制时间，此外还可以从试验活塞磨损部位的磨痕定量分析磨损强度。
七、活塞裙部结构
活塞裙部既要承受连杆的侧向推力，又要保证活塞的良好导向，所以要有充分的承压面积以形成足够厚度的润滑油膜。既不因间隙过大而发生敲缸，引起噪声和加速磨损也不因间隙过小而发生拉缸。趋向是采用薄壁加筋，既减轻重量又保证具有足够刚度防止变形。
活塞裙部与汽缸壁表面的接触面积直接影响到发动机的摩擦损失。然而接触面积小则油膜厚度也减小，当油膜厚度小于二个接触表面不平度的均方根值时就会发生边界润滑，导致摩擦功增大。缩短活塞裙部可以减小接触面而降低摩擦功，但会增大活塞的晃动而造成裙顶和裙底的接触应力升高。也恶化活塞的工作性能。
为了解决这些问题，英国AE集团的沃尔沃公司发展了一种在活塞裙顶和裙底加工出若干“凸台”，这种方法可以提高裙部的疲劳寿命，因为裙顶很高的侧推力所产生的弯矩比原来结构要低。这种设计可以减少接触面积75%以上，在宽广的负荷和温度范围内保持接触面积和裙部刚性不变，并通过改善润滑而减小拉缸倾向，通过降低机械变形而提高疲劳寿命。意大利都灵的包戈公司进一步发展了一种“X”型裙部活塞。即在裙部推力侧每边上下各保留两条导向带，用筋与活塞销座和活塞顶相连接。裙部面积减小到传统活塞的1/3，重量减轻20%以上，显著降低了发动机的摩擦损失，降低燃耗油2%，并可以提高输出功率。
八、防胀活塞
活塞各部位的不同工作温度和铝合金活塞与铸铁缸套膨胀特性的不同，造成了控制活塞裙部与缸套间隙的困难。最有效的裙部形状也无法克服活塞与汽缸之间的不同膨胀率。而且在发动机最大负荷下所确定的最小间隙在部分负荷下也会造成过大的间隙而产生敲缸噪声和机油耗增加。为了控制活塞裙部的配缸间隙，使之既不太小而引起拉缸咬缸，又不太大而引起噪声和振动，在活塞裙部和销座之间对称地埋铸一对钢片，并将钢片沿着裙部周围适当延伸，钢片与周围的材料一起构成双金属片，受热膨胀时沿活塞销轴线垂直方向收缩。这种活塞在环槽与裙部的过渡段不开隔热槽，热流可顺畅地传到裙部，所以第一道环槽区的温度比开槽活塞低，强度也比较高。铝合金活塞广泛采用裙部镶钢片或钢圈的方法来控制热膨胀。
九、活塞的冷却
发动机强化度的提高使活塞工作温度相应升高，顶环槽温度在220℃以上就可能产生积炭和结胶，引起活塞环粘结和拉缸；温度超过180℃，铝合金材料的强度很快下降，可能引起活塞顶支撑部和活塞销座轴承部分高负荷区损坏。通常标定工况的平均有效压力超过1.034N/mm2，活塞就需要冷却。
活塞经常采用铸入钢质冷却盘香管或用可溶性盐芯及电子束焊接制成整圈冷却腔。
十、活塞的几种失效模式：
1、活塞的磨损量超过允许值，会使功率、速度降低，油耗增加以致敲缸。
2、销孔中心与裙部椭圆中心的垂直度超差，使用中产生扭力矩使活塞变形，产生拉缸。
3、热稳定性差，由于长期在高温下工作，等于在继续时效和稳定化处理，活塞膨胀，原有0.05mm的配缸间隙消失，导致咬缸。
4、头道环槽磨损，使活塞环失去弹性，无封闭作用。
总结以上所说，在活塞的设计方面，活塞型面和活塞销座的改变、活塞顶部的增厚、活塞高度的缩短等，正逐渐向“矮胖”方向发展为了提高刚性，发动机的整个高度在缩短变“矮”主要措施是缩短活塞裙部和减少环槽数，后者可使压缩高度减小发动机本身在不断强化，所以活塞的性能必须相应增强变“胖”主要是指各部分的壁厚都在不断增加，过渡圆角处的R也在增大由于发动机的高转速化，活塞必须减轻重量，以减小惯性力尽管壁厚在增大，活塞的整个重量却在不断减轻，这是由于整个活塞高度缩短所引起的重量降大于因壁厚增加引起的增重之故。
由于活塞结构变“矮胖”，使活塞的表面积对于整个体积来说比例缩小了，所以不利于活塞的散热。为保证活塞不被烧熔和正常润滑，除了在设计方面必须采取一些措施外，以减轻其热负荷；活塞在制造方面也必须有所改变和提高，如活塞的材料、铸造和机加工，以满足其对热负荷的要求。另外，还通过对活塞进行一些表面处理来提高储油性，改善润滑条件。

（文/车友号 小仓说车）