發動機活塞組件創新設計

趙世來 張治國

摘 要：國六法規出臺后，新技術在汽車研發設計中應用的更多，以發動機為例，采用了減摩擦技術，輕量化設計，可變技術，啟停技術，增大排氣溫度等方法。活塞是發動機的心臟，盡管活塞很小，其本身的改進卻很多。這里詳細地闡述一下活塞組件的創新設計。

關鍵詞：活塞；發動機；輕量化

中圖分類號：U462 文獻標識碼：B 文章編號：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

目前在汽車等機械行業中，輕量化設計，創新設計，節能減排，大家高度重視。活塞組件是核心零件中的核心，活塞組件包括活塞、活塞環，活塞銷、卡簧組成。活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，同時將作用與活塞上的力轉變為對曲軸的輸出轉矩，以驅動汽車的轉動。

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

氣環是保證活塞環與氣缸壁間的密封，防止燃氣漏入曲軸箱，還會把大量熱通過活塞環傳給氣缸壁，油環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，可以采用限位塊或卡簧進行限位。

1 活塞方面

現階段活塞設計都是采用輕量化，小直徑徑，減摩擦，抗高溫方面發展。這些新技術使得活塞成本略有升高，但是帶來的效益很多。詳細介紹一下活塞的創新設計。

1.1 鑲嵌鐵環

對鋁合金活塞來講，在高溫、高壓和高速運動的情況下，加上積碳的存在，環槽很容易發生磨損。這種磨損量可到達0.04mm/1000h，磨損的后果導致活塞與環的側隙和背隙加大，密封性能下降，高溫燃氣從間隙竄到曲軸箱里，功率下降，如果環槽磨損量達到一定程度，就得更換活塞，活塞的價格比活塞環貴很多，所以寧可環磨損，也不讓活塞環槽磨損，因此對環槽的要求就得耐磨。

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

在鑄造活塞毛坯時，此環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處凹坑結構形式，在保證強度的基礎上實現輕量化。減重坑的大小，必須要進行有限元分析。在滿足強度的基礎上才能夠用于生產。質量減少后，能量的損失也會減少。另一方面，銷座處減重，（圖4）在以前設計時，大都采用圖3設計。創新方案銷座長度減短，實現銷座處減重。

1.3 減壓槽

減壓槽的位置是設計在二環岸上，在此環岸上開了一個U型的槽，是否能開槽，要求在二環岸高度大于4mm以上，從外觀上看，根本看不出來什么特別，就是一個槽而已，并且還感覺浪費一道工序，但實際工作時，作用確實不小。工作時，一環上的壓力很高，下端由于存在此槽，使得一環上下面產生了壓力差，這樣會使一環有貼在一環槽底面的趨勢，減少了一環的震顫，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，隨著爆發壓力的提高，活塞銷座和燃燒室有開裂的現象發生，解決銷座開裂有效措施，在銷孔中嵌入銅套，來增加其強度。除了熱應力、材料原因會發生開裂外，研究表明，活塞銷孔的結構對燃燒室的開裂也很重要的影響。銷孔采用異形結構，（圖6）可以提高承載能力，同時也提高了燃燒室邊緣的拉升應力值，降低了頂部的可靠性能。

異型孔是雙錐結構，中間段A是孔的基準尺寸，B和C的大小是隨著A的更改而改變。活塞在往復運動時，銷孔內側受到銷的應力作用，為了減少應力集中，內側孔要大些。

1.5 減磨涂層

摩擦是存在于生產和生活中具有重大影響的一種現象，摩擦會引起能源損失，這種損失也包括汽車零部件的消耗。在發動機摩擦損失中，活塞裙部、活塞環、曲軸占總摩擦的50%，其中裙部與缸套之間的摩擦占25%，裙部的側向力是活塞產生摩擦損失的直接原因。

為了提高活塞的可靠性，需要對活塞裙部進行表面處理，（圖7）處理層的目的是，減少摩擦。新機運行時，適當進行磨合，這樣會使氣缸和活塞貼合更好；另外，在啟動時，潤滑系統在沒進入工作狀態時，有涂層的存在，減少拉缸的風險。常用的涂層有石墨、MnSo2。

采用新涂層工藝，會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，圓圈內可以看做一個儲油槽，可以儲存多余的潤滑油，在活塞上下運動時，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，節約成本。

2 活塞環方面

2.1 第一氣環涂層

目前一環外表面主要是采用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，還會提高耐磨性能。保證活塞的漏氣量。環外圓磨損情況，見圖9。磨損量的對比見圖10。

2.2 第二氣環結構

此二環結構采用外切和鼻形相結合的結構形式，具備扭曲的同時還會增加其刮油效果，實現弧內的儲油功能。

2.3 油環

油環主要起到刮油的作用，其結構形式，直接影響刮油效果，目前市場由兩種結構，三片式鋼帶組合油環和螺旋撐簧油環，對于鋼帶組合油環來講，刮片外表面逐漸采用PVD技術， 而螺旋撐簧油環的環體是采用圓形孔結構，取代長條孔，使得受力更加均衡，不易發生變形。

3 活塞銷方面

活塞銷結構內孔采用錐面結構，（圖12）實現減重的效果，為了減少摩擦，在外表面鍍一層DLC涂層。（圖13）

4 結論

對于活塞組件而言，新技術逐漸應用到發動機中，實現技術的突破，最終更好提高了發動機的性能。

參考文獻

[1] 徐志生編著.汽車理論.機械工業出版社，2000年10月.

[2] 王望予.汽車設計.北京：機械工業出版社，2000.

[3] 陳慧，世界汽車技術發展跟蹤研究[M].北京：北京理工大學出版社，2008年.