发动机活塞组件创新设计

赵世来 张治国

摘 要：国六法规出台后，新技术在汽车研发设计中应用的更多，以发动机为例，采用了减摩擦技术，轻量化设计，可变技术，启停技术，增大排气温度等方法。活塞是发动机的心脏，尽管活塞很小，其本身的改进却很多。这里详细地阐述一下活塞组件的创新设计。

关键词：活塞；发动机；轻量化

中图分类号：U462 文献标识码：B 文章编号：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

目前在汽车等机械行业中，轻量化设计，创新设计，节能减排，大家高度重视。活塞组件是核心零件中的核心，活塞组件包括活塞、活塞环，活塞销、卡簧组成。活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用与活塞上的力转变为对曲轴的输出转矩，以驱动汽车的转动。

活塞分为顶部、头部、裙部。活塞顶与缸盖构成燃烧室，承受高温高压气体作用。头部主要作用是支撑气环和油环；裙部在活塞换向时起导向作用。

气环是保证活塞环与气缸壁间的密封，防止燃气漏入曲轴箱，还会把大量热通过活塞环传给气缸壁，油环起到布油和刮油的作用，上行布油，下行刮油。

活塞销的是把活塞和连杆连接在一起，为了防止销的窜动，可以采用限位块或卡簧进行限位。

1 活塞方面

现阶段活塞设计都是采用轻量化，小直径径，减摩擦，抗高温方面发展。这些新技术使得活塞成本略有升高，但是带来的效益很多。详细介绍一下活塞的创新设计。

1.1 镶嵌铁环

对铝合金活塞来讲，在高温、高压和高速运动的情况下，加上积碳的存在，环槽很容易发生磨损。这种磨损量可到达0.04mm/1000h，磨损的后果导致活塞与环的侧隙和背隙加大，密封性能下降，高温燃气从间隙窜到曲轴箱里，功率下降，如果环槽磨损量达到一定程度，就得更换活塞，活塞的价格比活塞环贵很多，所以宁可环磨损，也不让活塞环槽磨损，因此对环槽的要求就得耐磨。

图1是带有耐磨圈的活塞，汽油机活塞环槽材料主要采用的是高镍奥氏体铸铁，其优点：这种铁环，密度小，不影响活塞的整体质量，提高耐磨性，有效避免一环槽微焊现象，使得使用寿命提高3倍以上。

在铸造活塞毛坯时，此环槽的毛坯件安装安放在模具中，直接铸造在活塞头部的，然后按照要求尺寸机加而成，来满足客户要求。

1.2 轻量化

一方面头部减重，（图2）位于活塞头部中，销孔上部，一共存在2处凹坑结构形式，在保证强度的基础上实现轻量化。减重坑的大小，必须要进行有限元分析。在满足强度的基础上才能够用于生产。质量减少后，能量的损失也会减少。另一方面，销座处减重，（图4）在以前设计时，大都采用图3设计。创新方案销座长度减短，实现销座处减重。

1.3 减压槽

减压槽的位置是设计在二环岸上，在此环岸上开了一个U型的槽，是否能开槽，要求在二环岸高度大于4mm以上，从外观上看，根本看不出来什么特别，就是一个槽而已，并且还感觉浪费一道工序，但实际工作时，作用确实不小。工作时，一环上的压力很高，下端由于存在此槽，使得一环上下面产生了压力差，这样会使一环有贴在一环槽底面的趋势，减少了一環的震颤，使得密封性能更加，减少了漏气量。

1.4 销孔异型

早期活塞销孔采用圆柱形销孔，随着爆发压力的提高，活塞销座和燃烧室有开裂的现象发生，解决销座开裂有效措施，在销孔中嵌入铜套，来增加其强度。除了热应力、材料原因会发生开裂外，研究表明，活塞销孔的结构对燃烧室的开裂也很重要的影响。销孔采用异形结构，（图6）可以提高承载能力，同时也提高了燃烧室边缘的拉升应力值，降低了顶部的可靠性能。

异型孔是双锥结构，中间段A是孔的基准尺寸，B和C的大小是随着A的更改而改变。活塞在往复运动时，销孔内侧受到销的应力作用，为了减少应力集中，内侧孔要大些。

1.5 减磨涂层

摩擦是存在于生产和生活中具有重大影响的一种现象，摩擦会引起能源损失，这种损失也包括汽车零部件的消耗。在发动机摩擦损失中，活塞裙部、活塞环、曲轴占总摩擦的50%，其中裙部与缸套之间的摩擦占25%，裙部的侧向力是活塞产生摩擦损失的直接原因。

为了提高活塞的可靠性，需要对活塞裙部进行表面处理，（图7）处理层的目的是，减少摩擦。新机运行时，适当进行磨合，这样会使气缸和活塞贴合更好；另外，在启动时，润滑系统在没进入工作状态时，有涂层的存在，减少拉缸的风险。常用的涂层有石墨、MnSo2。

采用新涂层工艺，会更好的来减少裙部摩擦损失。图8是图7裙部的展开视图，圆圈内是不印刷处理图层的，其余部分正常印刷，这样涂层的好处是，圆圈内可以看做一个储油槽，可以储存多余的润滑油，在活塞上下运动时，增大了润滑能力，减少了摩擦，另外还可以减少涂层材料的浪费，节约成本。

2 活塞环方面

2.1 第一气环涂层

目前一环外表面主要是采用PVD，还有更好的耐磨涂层，用A表示。更好的减小与缸体的摩擦，还会提高耐磨性能。保证活塞的漏气量。环外圆磨损情况，见图9。磨损量的对比见图10。

2.2 第二气环结构

此二环结构采用外切和鼻形相结合的结构形式，具备扭曲的同时还会增加其刮油效果，实现弧内的储油功能。

2.3 油环

油环主要起到刮油的作用，其结构形式，直接影响刮油效果，目前市场由两种结构，三片式钢带组合油环和螺旋撑簧油环，对于钢带组合油环来讲，刮片外表面逐渐采用PVD技术， 而螺旋撑簧油环的环体是采用圆形孔结构，取代长条孔，使得受力更加均衡，不易发生变形。

3 活塞销方面

活塞销结构内孔采用锥面结构，（图12）实现减重的效果，为了减少摩擦，在外表面镀一层DLC涂层。（图13）

4 结论

对于活塞组件而言，新技术逐渐应用到发动机中，实现技术的突破，最终更好提高了发动机的性能。

参考文献

[1] 徐志生编著.汽车理论.机械工业出版社，2000年10月.

[2] 王望予.汽车设计.北京：机械工业出版社，2000.

[3] 陈慧，世界汽车技术发展跟踪研究[M].北京：北京理工大学出版社，2008年.