活塞组件
第三节活塞组件增加介绍：活塞组件与连杆和十字头连杆连接运动邦肋认识活塞组件。
筒形活塞组件通常是由活塞本体、活塞销以及活塞环等零件组成；十字头式活塞无活塞销，有与活塞紧固的活塞杆。
功用：与气缸、气缸盖等组成封闭的燃烧室空间；承受气缸内气体的压力，并将其传递给连杆；在筒状活塞式柴油机中，还要承受连杆倾斜时所产生的侧推力，并维持直线运动；在二冲程柴油机中，还要起开启、关闭气口的“滑阀”作用。
一、活塞组的工作条件和活塞本体的常用材料
1．工作条件
1）活塞组受气缸内气体作用力 P、高速往复运动质量所产生的往复惯性力 Pj，以及连杆倾斜时所产生的侧推力PH的周期性作用。
2）活塞组受到高温燃烧气体的周期加热，长时间在高温状态下工作，不仅使活塞材料的强度降低，同时，活塞组靠近燃烧室的部分也将产生热变形和很大的热应力。
3）活塞组在侧推力作用和润滑不良的条件下进行高速往复运动，使活塞组产生较大的摩擦损失和磨损。同时，周期性改变方向的侧推力也必将使活塞不断撞击气缸套，引起活塞变形和气缸套振动。
要求：在保证强度和刚度足够的前提下，尽可能减轻质量；尽量减少活塞顶从燃烧气体吸收热量，又能尽快地将所吸收的热量散走，防止活塞过热；既要保证燃烧室良好的气密性，又应尽可能减少活塞组的摩擦损失；具有良好的润滑、较小的磨损以及较少的润滑油消耗量。
2．活塞本体的常用材料
目前常用的材料有合金铸铁、铝合金、球墨铸铁和耐热合金钢。
合金铸铁材料具有较高的机械强度、较小的热膨胀系数以及良好的耐磨和耐腐蚀性能，价格低廉，工艺性好；但其缺点是密度大，吸热性和导热性比铝合金差。
铝合金材料密度小，铝合金活塞比铸铁的要轻30%～50%，因而能相应地减小活塞组的往复惯性力，因此高速柴油机的活塞广泛采用铝合金材料。但铝合金材料的热强度较差，热膨胀系数较大。
铸铁活塞与气缸套的热膨胀系数非常接近，因此，无论是在冷态或是在热态状态下，活塞与气缸套的配合间隙几乎保持相同的数量值；而铝合金活塞由于其热膨胀系数较大，与气缸套的冷态配合间隙要比铸铁的大一倍左右，这在冷车启动和低负荷运转时，将加剧活塞对气缸套的撞击。
球墨铸铁和耐热合金材料具有更高的机械强度。在强载柴油机中，常用这种材料制成薄壁式的活塞结构，以增加其承受热负荷的综合能力。耐热合金钢一般用作组合式活塞的头部材料。
二、活塞本体
工作条件：活塞本体的顶面直接受到高温高压燃气的反复作用，故高频气体脉动应力及低频热疲劳应力十分严重。四冲程机活塞裙部与缸壁在侧推力下高速滑动摩擦，润滑条件差，磨损严重。
要求：有较高的热强度和良好的耐磨性。管理中应力求降低热负荷。
顶部──接受气体作用及装活塞环；活塞顶面是燃烧室底面，船用主机活塞顶形状一般为简单曲面，周边往往有避阀坑，头部直径在冷态下呈上小下大的微锥形或阶梯形。
裙部──主要传递侧推力或启闭气口；由于活塞销座金属较多，故活塞销轴线方向热膨胀量较另一方向大，加之气体压力使本体产生的变形在活塞销轴线方向较大，被制成短轴在活塞销方向的椭圆形，或将销座侧的裙部加工出凹陷区域。
活塞本体结构型式可分为整体式和组合式；按有无专门冷却介质冷却可分为冷却式活塞和非冷却式活塞。
中小型柴油机多用筒形非冷却式整体活塞，如图2-12所示。
特点：①顶板与圆周壁有较大的过度圆弧，且有较厚尺寸，使热流有较大的传递截面。这种活塞对活塞环的传热可靠性要求较高；②多用铝合金（如ZL109等）制造，它导热好，活塞温度分布较均匀，热应力小，质量小，往复运动惯性力也小；③为防止高温时头部与缸壁大面积接触和低温时因间隙过大而漏气太大，往往在头部制有螺纹外圆等结构。
随着功率及最高爆发压力的提高，活塞的热负荷越来越大，特别在大型低速机中，一般都采用冷却式活塞，且较多采用铸铁薄壁结构或铸钢—铸铁组合活塞。
筒形活塞利用润滑油冷却的型式有图2-13所示几种。图中B是从连杆小端向活塞顶壁内侧喷出压力润滑油。图中C是从设置在曲轴箱的压力油管对活塞喷油冷却。图中D(a)是活塞长裙壁中钻油孔将压力油引入活塞冷却腔，图D(b)是活塞头部埋设（铸设）冷却盘管。图中E（a）、(b)是从连杆经活塞销上油孔至活塞顶部冷却腔，由于冷却油不充满油腔，故在活塞作变速往复运动时，油腔中润滑油产生振荡，对活塞振荡冷却。
图2-14为十字头式采用润滑油冷却活塞实例。其结构由活塞头1、活塞裙3用柔性螺栓6紧固于活塞杆4而形成。用固定在活塞上的油管将曲轴箱压力润滑油引入活塞顶内膛腔，振荡冷却后由较高的出油管泄入曲轴箱。
结构特点：①顶较薄，内外温差应力较小，顶板下有8根径向加强筋，这样形成薄壁强背结构型式，使冷却效果提高。②活塞顶壁与圆周壁面过度圆角厚度也小，热量由顶壁传向圆周壁较少，使活塞环温度不高。③活塞头部装有五道气封活塞环，活塞裙部装有四道青铜承磨环，用以改善裙部与气缸套磨合性能。④活塞裙较长，保证活塞在上止点时遮闭进排气口。⑤组合式结构，顶部用耐热合金钢，裙部用耐磨合金铸铁制造，这样使材质合理使用，制造简化。⑥活塞顶与裙部用柔性螺栓从裙部倒拧入活塞顶，细长螺栓采用球面垫圈，使螺栓抗疲劳强度提高，防止因对中误差造成的螺栓附加弯曲力矩。⑦活塞顶与裙部安装支承面必须精密加工并拂刮，使接触面积大于85％；活塞顶外圆圈与裙部接合部位轴向间隙将影响到工作后活塞顶的变形及应力分布，故有明确规定。
在大功率中高速柴油机中，近几年开始应用新型整体的铸铁活塞，如图2-15所示。它用球墨铸铁制造、壁部较薄，也称“薄壁球铁”活塞。其结构特点如下：①采用薄壁桁架结构，依靠设在顶壁的筋肋来承受最高燃烧压力。②因刚度大质量小，已与钢顶铝裙组合活塞质量接近。③活塞销座与活塞顶壁用筋肋与活塞销毂水平方向筋肋相联，最高爆发力经筋肋传给销座而不影响裙部围壁。这种悬挂式弹性销座使活塞裙部可以做成薄壁圆筒。④冷却油腔做得较大，振荡冷却效果显著。⑤与缸套配合间隙仅为铝合金活塞的一半，且冷热态几乎一样，活塞对缸套晃动、敲击得以防止和减轻。
在强载程度更高的柴油机中，采用将热负荷和机械负荷分开来处理的办法，以提高活塞的工作可靠性。活塞头部采用机械强度高的球墨铸铁或耐热合金钢材料，以较薄的活塞顶厚度，足够大的冷却腔容积和散热表面积，采用振荡冷却方式，有效地减小了活塞顶的温度梯度和热应力，提高了活塞承受热负荷的能力；用较小跨距的内支撑来增加活塞顶的刚性，提高了承受机械负荷的能力。活塞裙部仍用铝合金或铸铁材料。
图2-16所示为PC2-5大功率中速柴油机的活塞是组合式活塞的典型结构。活塞头部用耐热合金钢制造，活塞裙1则用铝合金制成，两者用柔性螺栓10连接起来。活塞顶的壁较薄，并采用内支承的结构，构成了薄壁强背的活塞头。活塞采用滑油冷却，滑油从连杆、活塞销和活塞裙中的通道先送至环形冷却腔A，再由此流入中央冷却腔C，最后从冷却腔的中央孔泄至曲轴箱中。中央孔的位置和孔径控制了冷却腔中的油量，以保证振荡冷却的实现。
环带部分有活塞环槽，其内安装有活塞环。由于活塞环在环槽内不断运动而撞击环槽，尤其是燃用劣质燃油时所生成的硬质炭粒，将加速环槽的磨损。为此，在铝合金活塞中常采用奥氏体铸铁耐磨镶圈；在钢顶组合式活塞中，对环槽上下表面进行镀铬、淬火或氮化等表面处理，以提高环槽的耐磨性。
在十字头式柴油机中，很多采用冷却水作为活塞冷却液。利用专门安装在活塞或十字头中的冷却液输送机构完成。这种输送机构有套管式和铰链式两种。图2-l7为Sulzer RND柴油机活塞的套管式冷却机构。它由装在活塞上的两根随活塞上下的动管1（进水管）、2（出水管）和固定于水箱7底部的不动立管5（进水管）、6（出水管）以及装于气缸体底板上的上下密封函3、4等组成。在不动的立管上端都装有导套8和喷管式抽吸器9。喷管式抽吸器可把动管和不动管间隙中的泄漏水液和空气吸入管道中，以减少泄漏和因套管容积变化所引起的水击。导套引导动管沿不动管中心运动。冷却水流由冷却箱中的进水管引入进水不动管5和动管1进入活塞冷却腔。冷却活塞后由动管2和不动管6经水箱出水管引出。密封函3主要用以密封增压空气和污物；密封函4用以密封活塞冷却导管从下而上运动时抽上来的水。这种冷却机构的水管都在水箱7中，水箱上方有透气管10与大气相通。水管的泄漏水都由水箱下部的回水管引出，不会漏入曲轴箱。
图2-17套管式冷却机构
上下密封函的结构如图2-18所示。①每组密封函均有四道优质耐磨的塑料刮环，每道塑料刮环都由三块孤段组成用钢丝弹簧箍贴于动管外壁。②塑料刮环要有正常的轴向间隙，以及三孤块间的搭口间隙。③中隔板将密封函座分为上、下空间。上密封函组刮下的污油流至污油柜，下密封函组刮下的污水经漏水检查计后流回循环水柜。④整个密封函其上、下分别有金属导筒，它们与动管10、11外圆配合间隙极小，有节流密封作用，在它的配合滑动内孔面浇铸有lmm左右的巴氏合金。
三、活塞环
活塞环是开有切口的扁形金属圆环，因有切口，圆周方向产生弹力、装入活塞环槽后，端面与环槽存在轴向间隙（天地间隙）。随活塞装入缸套后，仍存在切口开度（称搭口间隙）。同时在径向方向上，环的内圆与环槽底圆间也存在间隙（称背隙）。这些间隙作为热膨胀预留量，但因预留量大小影响到活塞环的运动状态和工作性能，故有严格规定。
1．密封环（气环）
功用：阻止气缸中气体泄漏，并将活塞的部份热量传给气缸套。
密封环的工作原理可用图2-21说明。密封环对缸壁的圆周弹力pO使环外圆周与缸壁紧贴。从活塞头部与缸套间隙中下压气体无法从圆周面通过。环的外圆面与缸壁形成第一密封面。气压PA从上方将环的下端面与环槽下端面贴紧，也阻止气体通过，形成第二密封面。窜入活塞环内圆的气力PR则加强第一密封面，其值超过活塞环本身圆周弹力PO。活塞的热量也通过这两个密封面向缸套传递。
为了加强密封作用，都装有多道密封环。高速机装3～5道，低速机装5～7道。多道密封环，对下窜气体可形成曲和戏式（迷宫式）密封，使切口处漏泄气体的下窜量大大下降。安装时各环的切口应在圆周方向互相错开。
密封环的截面形状有图2-22所示几种。其中：矩形环a）加工容易，应用最广泛，但磨合性差，对活塞晃动适应性也差。故大功率机的矩形环常嵌入易磨合材料，形成图2-22 k）、l）所示的喷钼环和嵌铜环，锥面环b）接触面小，比压大，磨合性能好，上行时能对气缸壁布油。但锥面在气压下有内缩分力，故不能作第一道密封环。c）、d）、e）f）等各种扭曲环，都是利用材料截面不对称性，径向弹力上下不一致，让环产生扭曲，使环与环槽和缸壁接触面减小，增加比压，使气密和刮油性能加强。梯形环g）、楔形环h）与槽配合时的间隙在伸缩运动时不断改变，能挤破积碳和胶质，防止环熔着和结焦。桶面环i）磨合性、密封性和对活塞晃动适应性均好，在短活塞薄缸套的结构中尤其有效。
一个活塞的密封环常由各种截面形状活塞环组合而成。往往第一道密封环采用镀铬环，能使这一道环的密封性能、磨合性能、耐用性有明显提高。
活塞环的切口形式有直切口、斜切口和搭接切口三种主要型式，如图2-23所示。直切口和斜切口环制造方便，广泛应用于中高速机。搭接切口活塞环漏气少，但加工复杂，易折断，它多用在低速机中。二冲程机其切口易与气口擦撞而损坏，所以常制成切口处向内弯曲的校正形状，如图2-24所示。这样在受热变形后能与缸套壁圆形接触。
2．刮油环（油环）
在筒形活塞柴油机中，缸套与活塞裙及活塞环相互摩擦面间是靠飞溅润滑方式供油的。运动中的曲柄连杆将润滑油甩溅到缸套内表下方，然后利用活塞环的泵油作用，将润滑油布到整个摩擦面。但是泵油作用不能太甚，否则润滑油会进入燃烧室。这不仅增加了润滑油消耗量，而且燃烧不良的润滑油还会污染燃烧室相关的零件、阀件和气道，恶化工作性能。因此除了限制活塞环的泵油作用，还用刮油环来刮除缸壁内表多余的润滑油。
活塞环的泵油作用原理可用图2-25表示。在活塞下行时，由于环外圆与缸壁摩擦力和环的惯性力，活塞环槽上侧面压紧密封环的上端面并带动其下行。密封环下棱边将缸壁上沾附的润滑油刮积成堆并挤入活塞环的下方和背隙中。当活塞改为上行，活塞环槽改由下端面去推压环的下端面，并使环的背隙空间与环的上端面空隙相通。此时环的下端面与环槽下端面紧贴。使原在环下方和背隙中润滑油被挤到环的上方空隙中。这样随活塞运动，通过各道密封环的泵油作用使润滑油沿各密封环上行。
刮油环的刮油作用可用图2-26表示。刮油环本身有棱边还有泄油槽。刮油环所在活塞环槽亦有泄油孔通活塞内腔。刮油环被活塞带动上下运动时，其外缘棱边刮积的润滑油将经泄油孔泄漏到活塞内腔，滴回曲轴箱。
刮油环主要靠自身周向弹力与缸壁接触，为了增加接触比压，保证刮油效果，刮油环外缘棱边都呈刃口形状。常见刮油环截面形式有图示2-27几种。其中a）为双刃矩形刮油环，本身有径向泄油槽，上、下运动都能刮油，应用广泛。b）和c）所示均属斜面环，c）又称单刃鼻形环。它们上行时有布油作用，下行时才有刮油作用。装配时不能装反。为了得到持久的较高的接触比压，有时采用弹簧胀圈式刮油环。其结构如图2-28所示。它们是在刮油环的内侧面衬以波形弹簧片或螺旋弹簧，借助弹力提高径向压力和刮油效果。
3．承磨环
在十字头式活塞裙嵌有承磨环，是专门为活塞与气缸的磨合而设置。它由3～4段青铜环嵌入燕尾形的活塞环槽而形成。其外圆直径比裙部直径大。从承磨环的磨损情况，可以分析活塞与缸套的磨损情况是否正常。实践证明承磨环是改善活塞与缸套磨合性能的有效措施。
归纳：活塞环随活塞上、下运动，随缸径变化作径向运动，此外还因活塞晃动，气体力的波动等原因存在扭曲，振动和回转。再加上工作，温度润滑不可靠。因此要求活塞环必须具备良好的耐磨性、足够的机械强度和一定硬度，并具有耐熔防腐性能。其外表摩擦面还应有贮油性能及磨合性能。活塞环一般用灰铸铁或合金铸铁制成，有时表面采用镀铬、镀钼等处理 它的弹力、形状、误差和粗糙度等应合符规范，装配中应保证各间隙正确并将各环的切口位置及斜切口的方向错开。
四、活塞销
功用：活塞所受气体力和活塞组的往复惯性力经活塞销座传给活塞销，再传给连杆小端。活塞组的往复惯性力也同样传递。
工作条件：受高频冲击疲劳应力，尺寸限制，活塞销疲劳应力值及表面比压都很大。销与销座及连杆小端在很大比压下摆动摩擦。温度高，携油速度低，其润滑条件很差，表面磨损会严重。
要求：具有较高抗冲击韧性，又具有足够的表面耐磨性。一般都用优质低碳钢或合金钢制造并进行表面渗碳，淬硬等热处理。也有用中碳合金钢制造再经表面氮化处理以适应强载要求。
活塞销一般为中孔圆销。为适应应力分布，中孔有阶梯孔或双向锥孔。有些油冷却式活塞的活塞销还开有加衬管的轴向油道和径向油孔，使润滑油流通。
活塞销与活塞销座孔和连杆小端孔配合有浮动式和固定式两类。①浮动式：工作时活塞销与活塞销座孔及连杆小端均有间隙。由于两个配合面均可相对转动，故磨损小且均匀。但配合间隙要求控制严格。铝活塞若采用浮动式活塞销，在工作时，温度升高，活塞销与活塞销座孔出现正常配合间隙。因活塞热胀冷缩比活塞销大，故冷却后或常温下，活塞销与活塞销座孔呈过盈配合，在拆装活塞销时需将铝活塞加热到一定温度，才能活动地取出活塞销。浮动式销两端有防上轴向窜动的限位装置，如卡簧或与活塞座孔过度配合的铝合金盖等结构，这样不会擦伤缸套。②固定式：活塞销固定于销座孔或固定在连杆小端上。因有一处固定，转动配合处的尺寸可以大些，使轴颈负荷比压减小。固定式活塞销多用在大型二冲程机活塞上。
五、活塞杆与填料函
十字头式柴油机的活塞通过活塞杆、十字头与连杆小端相连。活塞杆与活塞及十字头均为固接，用来传递压力，具有较强抗压能力和良好的压杆稳定性，
活塞杆的结构如图2-31，图a）示活塞杆的杆身为实心圆杆。上端法兰与活塞和活塞裙定位联接，下端小圆杆头部与十字头有联接螺栓，为保证正确安装，小圆有两个定位环带与十字头孔过度配合。此外还有定位销将杆身与十字头周向位置固定。活塞杆螺母外缘带细齿，用扇形齿片和螺钉将其锁紧。图b）所示活塞杆身为中空结构，孔内插入冷却液进回流管。杆身上端有两个法兰，上法兰用于与活塞头定位联接，下法兰用于与活塞裙定位安装。活塞杆与十字头的定位联接通过下端法兰实现。为与十字头对中定位，法兰底端制出定位圆台。活塞杆下端还有单独制造的用螺纹与活塞杆下端联接的结构。活塞杆螺栓只受紧固力作用，故尺寸较小。
十字头式柴油机为防止气缸中向下窜涌的燃烧产物污染曲轴箱中的曲轴、连杆等机件和曲轴箱中润滑油。故在气缸与曲轴箱之间设置横隔板（又称气缸底板）。活塞杆穿过横隔板作往复运动。为此在横隔板上开孔并装设密封用的活塞杆填料函。
活塞杆填料函结构基本组成可用图2-32示。填料函分为上、下两组组装在横隔板中央的填料函座中。上组用于密封扫气空气和刮掉活塞杆上的油污。其内有两道密封环6和两道刮油环4。刮下的污油经上、下组分隔板上的油孔和填料函座上的孔道引至污油柜。下组用于密封曲轴箱润滑油。其内有三道刮油环5。每道密封环和刮油环都是由三段圆弧组合而成的铜环或钢环。三圆弧段外国用捆扎弹簧（简称捆簧）7收紧，使环的内孔紧贴活塞杆外圆表面。三圆弧段之间在捆紧后仍应有间隙，同时各环端面之间亦应有规定间隙。下组刮油环5刮积的润滑油又回流到曲轴箱。
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