2.3.1 活塞

1.功用和工作特點

活塞的主要作用是承受氣缸中的氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)，同時，活塞頂部還與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。

由于活塞頂部直接與高溫、具有一定腐蝕性的燃氣相接觸，并受到高速運動、周期變化的氣體壓力和慣性力作用，且潤滑條件、散熱條件都差，因此活塞的工作條件是極為惡劣的，對于活塞的制造以及工藝也提出了相應的要求：

1）制造必須有較高的精度，以保證活塞與氣缸壁之間有較小的摩擦因數(shù)。

2）材料必須有較小的質(zhì)量，以降低慣性。

3）有足夠的強度和剛度，特別是活塞環(huán)槽區(qū)域內(nèi)要有較大的強度，防止活塞環(huán)損壞。

4）活塞頂部耐熱、裙部有一定彈性。

5）良好的導熱性能及合理的熱膨脹性，以便有合理的安裝間隙。

6）一定的耐磨性能，以防止周期性運動帶來的過度磨損。

2.活塞的成形方法

汽車發(fā)動機活塞常用鋁硅合金材料，采用鑄造、鍛造、液態(tài)模鍛等方法制造。

3.活塞的基本構(gòu)造

活塞的基本構(gòu)造可分為頂部1、頭部2和裙部7三部分，如圖2-42所示。

圖2-41 JV型發(fā)動機活塞連桿組分解圖

1—第一道氣環(huán) 2—第二道氣環(huán) 3—組合油環(huán) 4—活塞銷 5—活塞 6—連桿 7—連桿螺栓 8—連桿軸承 9—連桿軸承蓋

圖2-42 活塞的基本結(jié)構(gòu)

a）全剖 b）部分剖 1—活塞頂部 2—活塞頭部 3—活塞環(huán) 4—活塞銷座 5—活塞銷 6—活塞銷鎖環(huán) 7—活塞裙部 8—加強肋 9—環(huán)槽

（1）活塞頂部 塞頂部的形狀與選用的燃燒室形式有關(guān)。活塞頂部的形狀主要有平頂、凸頂和凹頂三種。汽油機活塞頂部多采用平頂（圖2-43a），其優(yōu)點是吸熱面積小，制造工藝簡單，燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊。有些汽油機為了改善混合氣形成和燃燒而采用凹頂活塞（圖2-43b），凹坑的大小還可以用來調(diào)節(jié)發(fā)動機的壓縮比。凸頂活塞（圖2-43c）主要用于二沖程汽油機。

圖2-43 活塞頂?shù)男螤?/p>

a）平頂 b）凹頂 c）凸頂

（2）活塞頭部 活塞頭部是最下端活塞環(huán)槽以上至活塞頂以下的部分。其主要作用有：

1）承受氣體壓力，并傳給連桿。

2）與活塞環(huán)一起實現(xiàn)氣缸的密封。

3）將活塞頂部所吸收的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁。頭部切有若干用以安裝活塞環(huán)的環(huán)槽。汽油機一般有2～3道環(huán)槽，上面1～2道用以安裝氣環(huán)，下面一道用以安裝油環(huán)。在油環(huán)槽底面上鉆有許多徑向小孔，使被油環(huán)從氣缸壁上刮下來的多余機油經(jīng)過這些小孔流回油底殼。

活塞頭部一般做得較厚，以便于熱量從活塞頂部經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸的冷卻壁面上，從而防止活塞頂部的溫度過高。

有的發(fā)動機活塞在第一道環(huán)槽上面切出比環(huán)槽窄的隔熱槽，其作用是隔斷從活塞頂部流下來的部分熱流通路，迫使熱流方向轉(zhuǎn)折，把原來應由第一道活塞環(huán)散走的熱量，分散給第二、三環(huán)，以消除第一環(huán)過熱后產(chǎn)生積炭和卡死在環(huán)槽中的可能性。

（3）活塞裙部 活塞裙部是指活塞環(huán)槽以下的所有部分，其作用是為活塞在氣缸內(nèi)作往復運動導向和承受側(cè)壓力。

圖2-44 活塞裙部的橢圓變形

a）彎曲變形 b）銷座熱膨脹變形 c）擠壓變形 d）裙部綜合變形

活塞工作時，燃燒氣體的壓力均勻作用在活塞頂上，而活塞銷給予的支反力則作用在活塞裙部的銷座處，由此而產(chǎn)生的變形是裙部直徑沿活塞銷座軸線方向增大（圖2-44a）。側(cè)壓力F_N的作用也使活塞裙部直徑在同一方向上增大（圖2-44b）。此外，活塞銷座附近的金屬堆積受熱后膨脹量大，致使裙部在受熱變形時，在沿活塞銷座軸線方向的直徑增量大于其他方向。圖2-44c所示活塞工作時產(chǎn)生的機械變形和熱變形，使其裙部斷面變成長軸在活塞銷方向上的橢圓（圖2-44d）。鑒于上述情況，為了使活塞在正常工作溫度下與氣缸壁間保持比較均勻的間隙，以免在氣缸內(nèi)卡死或引起局部磨損，必須預先在冷態(tài)下把活塞制成裙部斷面為長軸垂直于活塞銷方向的橢圓形。為了減少銷座附近處的熱變形量，有的活塞將銷座附近的裙部外表面制成下陷0.5～1.0mm。活塞裙部形狀可以做成變橢圓桶形，即在活塞裙部的不同部位其橢圓度不同，橢圓度由下而上逐漸增大，即活塞裙部橫截面越往上越扁，裙部縱向截面呈桶形，其輪廓線為一拋物線，故也稱拋物線形活塞裙部。圖2-45所示為活塞裙部的不同形狀和結(jié)構(gòu)。

圖2-45 活塞裙部的不同形狀和結(jié)構(gòu)

a）錐形裙部活塞 b）橢圓形裙部活塞 c）活塞的膨脹槽和絕熱槽 d）恒范鋼片式活塞 e）熱膨脹自動調(diào)節(jié)式活塞

（4）活塞銷座 活塞銷座的作用是將活塞頂部氣體作用力經(jīng)活塞銷傳給連桿。活塞銷座通常有肋片與活塞內(nèi)壁相連，以提高其剛度。

活塞銷座孔內(nèi)有的設有安放彈性卡環(huán)的卡環(huán)槽。卡環(huán)用來防止活塞銷在工作中發(fā)生軸向竄動。

活塞銷座孔的中心線一般位于活塞中心線的平面內(nèi)。但也有些高速汽油機的活塞銷孔中心線偏離活塞中心線平面，如圖2-46a所示。圖中活塞銷座軸線向在做功行程中受側(cè)向力的一面偏移了1～2mm，這是因為，如果活塞銷對中布置，則當活塞越過上止點時側(cè)壓力的作用方向改變，會使活塞敲擊氣缸壁面發(fā)出噪聲，而如果把活塞銷偏移布置（圖2-46b），則可使活塞較平穩(wěn)地從壓向氣缸的一面過渡到另一面，而且過渡時刻早于達到最高燃燒壓力的時刻，可以減輕活塞“敲缸”，減小噪聲，改善發(fā)動機工作的平順性。

圖2-46 活塞銷偏置及其原理

a）活塞銷偏移布置 b）活塞銷偏移布置原理