活塞的基本結構可分為頂部、頭部和裙部。活塞頂部是組成燃燒室的主要部分,其形狀與所選用的燃燒室形式有關。汽油機多采用平頂活塞,其優點是吸熱面積小。柴油機活塞頂部常常有各種各樣的凹坑,其具體形狀、位置和大小都必須與柴油機的混合氣形成與燃燒的要求相適應。
活塞的材料也很重要,通常使用高強度的鋁合金或鋼材料制造。鋁合金的輕量化和良好的導熱性質使其成為常見的活塞材料。而鋼制活塞則可以更好地承受高溫和高壓力的環境。
活塞的質量越輕,慣性越小,發動機的響應越快,油耗越低;同時活塞的耐磨性和散熱性也會影響發動機的壽命和穩定性。因此,現代發動機通常采用高強度、低摩擦的鋁合金材料制作活塞,并通過表面涂層或表面處理技術提高其抗磨損性和散熱性。 除了作為內燃循環的核心組件之一外,活塞還具有輔助功能。活塞的頂部通常會設置一個活塞環槽,用于安裝活塞環,起到密封和導向作用。活塞下端也會設置銷孔,用于連接連桿和曲軸。
活塞裙部指從油環槽下端面起至活塞最下端的部分,它包括裝活塞銷的銷座孔。活塞裙部對活塞在氣缸內的往復運動起導向作用,并承受側壓力。裙部的長短取決于側壓力的大小和活塞直徑。所謂側壓力是指在壓縮行程和作功行程中,作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。壓縮行程和作功行程氣體的側壓力方向正好相反,由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力,所以,作功行程中的側壓力也大大高于壓縮行程中的側壓力。活塞裙部承受側壓力的兩個側面稱為推力面,它們處于與活塞銷軸線相垂直的方向上。
為了使裙部兩側承受氣體壓力并與氣缸保持小而安全的間隙,要求活塞在工作時具有正確的圓柱形。但是,由于活塞裙部的厚度很不均勻,活塞銷座孔部分的金屬厚,受熱膨脹量大,沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外,裙部承受氣體側壓力的作用,導致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大。
這樣,如果活塞冷態時裙部為圓形,那么工作時活塞就會變成一個橢圓,使活塞與氣缸之間圓周間隙不相等,造成活塞在氣缸內卡住,發動機就無法正常工作。因此,在加工時預先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座垂直,短軸方向沿銷座方向。這樣活塞工作時趨近正圓。
(2)活塞沿高度方向的溫度很不均勻,活塞的溫度是上部高、下部低,膨脹量也相應是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等,即為圓柱形,就必須預先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。
(3)為了減小活塞裙部的受熱量,通常在裙部開橫向的隔熱槽,為了補償裙部受熱后的變形量,裙部開有縱向的膨脹槽。槽的形狀有"T"形或"Π"形槽。橫槽一般開在最下一道環槽的下面,裙部上邊緣銷座的兩側(也有開在油環槽之中的),以減小頭部熱量向裙部傳遞,故稱為隔熱槽。豎槽會使裙部具有一定的彈性,從而使活塞裝配時與氣缸間具有盡可能小的間隙,而在熱態時又具有補償作用,不致造成活塞在氣缸中卡死,故將豎槽稱為膨脹槽。裙部開豎槽后,會使其開槽的一側剛度變小,在裝配時應使其位于作功行程中承受側壓力較小的一側。柴油機活塞受力大,裙部一般不開槽。
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