近年來，由于發(fā)動機強化程度的不斷提高，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、平均有效壓力和活塞平均速度都較以前有了大幅度的提高，因此發(fā)動機的熱負荷和機械負荷都增加了。而活塞由于在發(fā)動機中的重要作用，在設(shè)計和制造方面也有了很大的改變和提高，這樣才能滿足現(xiàn)實社會高要求的排放標準。
一、活塞高度
活塞的高度正在逐漸縮短，活塞直徑許多已大于活塞高度；壓縮高也不斷縮短，活塞上的這些改變，縮短了機體和整機的高度，提高了機體和整機的剛性，減小了發(fā)動機體積、重量、金屬消耗量和成本，而且減小了往復(fù)運動質(zhì)量、慣性力和主軸承負荷。另外，活塞高度縮短以后，活塞組重量也可減輕。發(fā)動機各活塞組總重量一般占整機重量的1.2～3.0%。
二、活塞環(huán)數(shù)

近年來，為了減少摩擦功，提高機械效率，減小環(huán)區(qū)高度從而縮短活塞壓縮高和總高度，活塞環(huán)數(shù)日趨減少。從三十年代的5～6道環(huán)槽發(fā)展到2～3道環(huán)槽。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮環(huán)多于一道是沒有必要的，因為一旦上道壓縮環(huán)失效，其它的壓縮環(huán)就不能密封燃燒室的氣體，使之不漏入曲軸箱，也不能控制機油沿汽缸壁向上竄入燃燒室。所以與其增加活塞環(huán)數(shù)，還不如采取措施提高活塞環(huán)的使用性能，用一道壓縮環(huán)和兩道油環(huán)槽來確保完成密封燃氣和控制機油的作用。
三、火力岸
火力岸高度有適當(dāng)加高的趨勢，特別是燃燒室布置在活塞頂內(nèi)的半分開式燃燒室柴油機。為防止頂環(huán)積炭和膠粘，又要求第一環(huán)槽溫度不能過高，為此，除采用環(huán)槽鑲?cè)ν?，火力岸有放長的趨勢，而且強化程度越高這種趨勢越明顯。
為了減少燃氣對第一環(huán)槽的強烈加熱，在柴油機活塞上，常在火力岸周邊上車出螺旋形淺溝槽，利用迷宮降壓原理減少燃氣沿活塞與汽缸套間隙下竄。
四、活塞頂部
活塞頂厚一般趨向減薄。主要受到承受燃燒壓力和減小溫度梯度這兩個互相矛盾的因素所制約。厚度過薄，承受機械載荷能力差，會引起機械變形；厚度太厚，則溫度梯度過大，引起熱應(yīng)力和熱變形過大。所以活塞頂厚隨發(fā)動機最高燃燒壓力、缸徑、是否有油冷、以及燃燒室形式而變。
活塞頂內(nèi)壁采用熱流型，即從活塞頂部到環(huán)區(qū)側(cè)壁的過渡圓弧半徑較大，有的還加支撐筋（一般為4條），目的是使活塞頂部熱量能更流暢地傳至環(huán)區(qū)和銷座（支撐筋還有加強活塞剛度和強度的重要作用），從而減少第一道環(huán)及環(huán)槽的受熱，提高活塞組關(guān)鍵部位的可靠性。
五、活塞銷座
銷座部位獲得加強并適當(dāng)放大活塞銷直徑，銷座與環(huán)區(qū)的連接部位是應(yīng)力集中的危險斷面區(qū)?，F(xiàn)在內(nèi)燃機鋁合金活塞中應(yīng)力最大的部位在銷座，疲勞裂紋往往出現(xiàn)在銷孔頂部，并沿著活塞銷座的縱向平面延伸。在該區(qū)域采用大圓弧過渡，旨在減少應(yīng)力集中，也增加受力面積。在強化機型中通常還用4根筋把活塞銷座與活塞頂部直接連接起來，以直接傳遞一部分負荷，減輕上述危險部位的載荷。
活塞銷直徑有稍加放大的趨勢，目的也是增加銷與銷座的承壓面積。缸徑越大、發(fā)動機強化程度越高，活塞銷直徑與缸徑之比也越大。
六、活塞型面
活塞型面對發(fā)動機性能和可靠性影響極大，因此在設(shè)計新發(fā)動機時確定活塞型面是一項重要的研究課題?；钊兔鎸飧妆诘哪Σ?、由活塞敲擊引起的噪聲，以及環(huán)隙對冷油機中碳氫化合物的形成和對柴油機中空氣利用和壓縮比均有重要影響，直接影響發(fā)動機的性能?；钊兔嬗峙c拉缸、擦傷以及裙部變形而引起機油耗增大和竄氣量增大密切相關(guān)，直接影響發(fā)動機的可靠性。
活塞型面從最初的多段正圓柱逐漸演變到現(xiàn)在的環(huán)帶多段正圓錐和漸變橢圓錐，裙部漸變桶面橢圓錐。
裙部形狀一般為桶面-橢圓形。桶的軸線與活塞軸線重合，垂直于軸線的活塞截面外周是橢圓形，短軸沿活塞銷方向。有些活塞裙部做成多級連續(xù)橢圓錐、多級連續(xù)特殊圓等。桶面裙部的優(yōu)點是均布機油、抗拉缸、防竄油、油膜承載能力大、減少摩擦功和摩損。
然而確定最佳型面是一個極其繁復(fù)的過程，需要反復(fù)進行各種試驗，往往要花很長的時間。傳統(tǒng)的方法是通過對活塞溫度場和剛度分析，使用有限元法并根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計繪制出一個活塞型面，然后將所得到的試驗樣品裝入發(fā)動機進行活塞磨痕試驗，觀察活塞和缸套上的磨痕。經(jīng)過逐次逼近，最終即可定出最佳活塞型面。可是由于活塞的運動、各種有關(guān)因素引起的熱變形，活塞還可能受到由缸蓋螺釘擰緊力矩、冷卻不均勻、氣缸壁溫度分布等引起的氣缸壁變形的影響，以及各缸燃燒不均勻等影響，還有活塞本身的特性（如剛度、自動控制熱膨脹活塞的膨脹率隨活塞截面不同而變化）都使型面的確定增加了難度。
現(xiàn)在采用將復(fù)合材料涂在尺寸較小的試驗活塞表面上，使活塞裙部與氣缸壁間隙接近于零。在發(fā)動機最大功率下進行磨痕試驗。試驗后留下來的復(fù)合材料所確定的型面即作為最后的活塞型面。用這種方法只需要作一次磨痕試驗即可確定最佳活塞型面。大大節(jié)省了研制時間，此外還可以從試驗活塞磨損部位的磨痕定量分析磨損強度。
七、活塞裙部結(jié)構(gòu)
活塞裙部既要承受連桿的側(cè)向推力，又要保證活塞的良好導(dǎo)向，所以要有充分的承壓面積以形成足夠厚度的潤滑油膜。既不因間隙過大而發(fā)生敲缸，引起噪聲和加速磨損也不因間隙過小而發(fā)生拉缸。趨向是采用薄壁加筋，既減輕重量又保證具有足夠剛度防止變形。
活塞裙部與汽缸壁表面的接觸面積直接影響到發(fā)動機的摩擦損失。然而接觸面積小則油膜厚度也減小，當(dāng)油膜厚度小于二個接觸表面不平度的均方根值時就會發(fā)生邊界潤滑，導(dǎo)致摩擦功增大?？s短活塞裙部可以減小接觸面而降低摩擦功，但會增大活塞的晃動而造成裙頂和裙底的接觸應(yīng)力升高。也惡化活塞的工作性能。
為了解決這些問題，英國AE集團的沃爾沃公司發(fā)展了一種在活塞裙頂和裙底加工出若干“凸臺”，這種方法可以提高裙部的疲勞壽命，因為裙頂很高的側(cè)推力所產(chǎn)生的彎矩比原來結(jié)構(gòu)要低。這種設(shè)計可以減少接觸面積75%以上，在寬廣的負荷和溫度范圍內(nèi)保持接觸面積和裙部剛性不變，并通過改善潤滑而減小拉缸傾向，通過降低機械變形而提高疲勞壽命。意大利都靈的包戈公司進一步發(fā)展了一種“X”型裙部活塞。即在裙部推力側(cè)每邊上下各保留兩條導(dǎo)向帶，用筋與活塞銷座和活塞頂相連接。裙部面積減小到傳統(tǒng)活塞的1/3，重量減輕20%以上，顯著降低了發(fā)動機的摩擦損失，降低燃耗油2%，并可以提高輸出功率。
八、防脹活塞
活塞各部位的不同工作溫度和鋁合金活塞與鑄鐵缸套膨脹特性的不同，造成了控制活塞裙部與缸套間隙的困難。最有效的裙部形狀也無法克服活塞與汽缸之間的不同膨脹率。而且在發(fā)動機最大負荷下所確定的最小間隙在部分負荷下也會造成過大的間隙而產(chǎn)生敲缸噪聲和機油耗增加。為了控制活塞裙部的配缸間隙，使之既不太小而引起拉缸咬缸，又不太大而引起噪聲和振動，在活塞裙部和銷座之間對稱地埋鑄一對鋼片，并將鋼片沿著裙部周圍適當(dāng)延伸，鋼片與周圍的材料一起構(gòu)成雙金屬片，受熱膨脹時沿活塞銷軸線垂直方向收縮。這種活塞在環(huán)槽與裙部的過渡段不開隔熱槽，熱流可順暢地傳到裙部，所以第一道環(huán)槽區(qū)的溫度比開槽活塞低，強度也比較高。鋁合金活塞廣泛采用裙部鑲鋼片或鋼圈的方法來控制熱膨脹。
九、活塞的冷卻
發(fā)動機強化度的提高使活塞工作溫度相應(yīng)升高，頂環(huán)槽溫度在220℃以上就可能產(chǎn)生積炭和結(jié)膠，引起活塞環(huán)粘結(jié)和拉缸；溫度超過180℃，鋁合金材料的強度很快下降，可能引起活塞頂支撐部和活塞銷座軸承部分高負荷區(qū)損壞。通常標定工況的平均有效壓力超過1.034N/mm2，活塞就需要冷卻。
活塞經(jīng)常采用鑄入鋼質(zhì)冷卻盤香管或用可溶性鹽芯及電子束焊接制成整圈冷卻腔。
十、活塞的幾種失效模式：
1、活塞的磨損量超過允許值，會使功率、速度降低，油耗增加以致敲缸。
2、銷孔中心與裙部橢圓中心的垂直度超差，使用中產(chǎn)生扭力矩使活塞變形，產(chǎn)生拉缸。
3、熱穩(wěn)定性差，由于長期在高溫下工作，等于在繼續(xù)時效和穩(wěn)定化處理，活塞膨脹，原有0.05mm的配缸間隙消失，導(dǎo)致咬缸。
4、頭道環(huán)槽磨損，使活塞環(huán)失去彈性，無封閉作用。
總結(jié)以上所說，在活塞的設(shè)計方面，活塞型面和活塞銷座的改變、活塞頂部的增厚、活塞高度的縮短等，正逐漸向“矮胖”方向發(fā)展為了提高剛性，發(fā)動機的整個高度在縮短變“矮”主要措施是縮短活塞裙部和減少環(huán)槽數(shù)，后者可使壓縮高度減小發(fā)動機本身在不斷強化，所以活塞的性能必須相應(yīng)增強變“胖”主要是指各部分的壁厚都在不斷增加，過渡圓角處的R也在增大由于發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速化，活塞必須減輕重量，以減小慣性力盡管壁厚在增大，活塞的整個重量卻在不斷減輕，這是由于整個活塞高度縮短所引起的重量降大于因壁厚增加引起的增重之故。
由于活塞結(jié)構(gòu)變“矮胖”，使活塞的表面積對于整個體積來說比例縮小了，所以不利于活塞的散熱。為保證活塞不被燒熔和正常潤滑，除了在設(shè)計方面必須采取一些措施外，以減輕其熱負荷；活塞在制造方面也必須有所改變和提高，如活塞的材料、鑄造和機加工，以滿足其對熱負荷的要求。另外，還通過對活塞進行一些表面處理來提高儲油性，改善潤滑條件。

活塞

熱門詞條