目 錄
1 活塞的功能、要求及結構類型 1
1.1 活塞的功能 1
1.1.1 活塞是傳遞力的零件 1
1.1.2 密封和散熱 3
1.1.3 功能多樣性 3
1.2 對活塞的要求 4
1.2.1 氣體壓力 5
1.2.2 溫度要求 6
1.2.3 活塞質量 8
1.2.4 摩擦和磨損 9
1.2.5 竄氣 11
1.3 活塞結構類型 11
1.3.1 四衝程汽油發動機活塞 11
1.3.1.1 自動熱補償活塞 11
1.3.1.2 箱式活塞 12
1.3.1.3 EVOTEC®活塞（非對稱面窗壁輕型活塞） 14
1.3.1.4 EVOTEC® 2型活塞 14
1.3.1.5 鍛造鋁合金活塞 15
1.3.2 二衝程發動機活塞 16
1.3.3 柴油發動機活塞 17
1.3.3.1 鑲圈活塞 17
1.3.3.2 油冷通道活塞 17
1.3.3.3 冷卻鑲圈活塞 18
1.3.3.4 銷孔內鑲套式活塞 18
1.3.3.5 FERROTHERM®活塞 18
1.3.3.6 MONOTHERM®活塞 19
1.3.3.7 MONOTHERM®活塞優化設計 19
1.3.3.8 MonoWeld®活塞（焊接式） 20
1.3.3.9 電子束焊接活塞 20
1.3.4 組合式大功率活塞 21
1.3.4.1 應用範圍及結構 21
1.3.4.2 活塞上部（頂部） 22
1.3.4.3 鍛造鋁合金活塞下部（裙部） 22
1.3.4.4 球墨鑄鐵活塞下部（裙部） 23
1.3.4.5 鍛鋼活塞下部（裙部） 24
2 活塞設計原則 25
2.1 基本概念及主要尺寸 25
2.1.1 頂部形狀和厚度 26
2.1.2 壓縮高 27
2.1.3 火力岸 28
2.1.4 環槽和環岸 28
2.1.5 總高 29
2.1.6 銷孔 29
2.1.6.1 粗糙度 29
2.1.6.2 活塞銷與銷孔的裝配間隙 29
2.1.6.3 公差 30
2.1.6.4 活塞中心線偏移量 30
2.1.7 活塞裙部 31
2.2 活塞形狀 32
2.2.1 活塞間隙 32
2.2.2 橢圓形狀 32
2.2.3 活塞裙部和活塞環區域縮進 33
2.2.4 尺寸和形位公差 34
2.2.5 氣缸與活塞之間的裝配間隙 34
2.2.6 尺寸鏈 35
2.2.7 裙部表面 35
3 借分析模擬活塞疲勞強度 36
3.1 建模型 36
3.2 發動機負荷的邊界條件 37
3.2.1 熱負荷 38
3.2.2 機械負荷 39
3.2.2.1 燃氣壓力 40
3.2.2.2 慣性力 40
3.2.2.3 側向力 40
3.3 制造和裝配邊界條件 41
3.3.1 鑄造過程/凝固 41
3.3.2 鑄件 41
3.3.3 鑲入件 41
3.3.4 螺栓連接 42
3.4 熱負荷產生的溫度場和熱流量 42
3.5 應力特性 46
3.5.1 熱負荷產生的應力 46
3.5.2 機械負荷應力 48
3.5.3 制造和裝配應力 50
3.6 疲勞強度的計算驗證 50
4 活塞材料 56
4.1 材料要求 56
4.2 鋁合金材料 57
4.2.1 熱處理 58
4.2.2 活塞用合金 59
4.2.3 纖維加強 65
4.3 黑色金屬 66
4.3.1 鑄鐵 67
4.3.2 鋼 69
4.4 銷孔內銅襯套材料 73
4.5 活塞表面塗層 75
4.5.1 活塞裙部塗層 75
4.5.1.1 GRAFAL255®或EvoGlide（石墨浸潤合成樹脂塗層） 75
4.5.1.2 表面鍍錫 76
4.5.1.3 Ferrostan / FerroTec®（表面鍍鐵） 76
4.5.1.4 FERROPRINT®（表面印刷） 76
4.5.1.5 環槽鍍硬質陽極氧化層 76
4.5.1.6 頂部硬質陽極氧化層 77
4.5.1.7 表面磷化 77
4.5.1.8 GRAFAL® 210（石墨浸潤合成樹脂塗層） 77
4.5.1.9 定位接觸面鍍鉻 77
4.5.1.10 環槽鍍鉻 78
4.5.2 塗層應用列表 78
5 活塞冷卻 79
5.1 熱負荷 79
5.2 燃燒和火焰噴射 79
5.3 燃燒室喉口的溫度曲線 80
5.4 活塞溫度曲線 80
5.5 熱負荷對活塞功能的影響 81
5.5.1 熱變形 81
5.5.2 溫度相關的材料特性參數 82
5.5.3 活塞環受熱影響 82
5.6 影響活塞溫度的因素 83
5.7 冷卻方式 83
5.7.1 無冷卻的活塞 83
5.7.2 采用噴射式冷卻的活塞 83
5.7.3 帶油冷通道的活塞 84
5.7.3.1 鹽芯油冷通道活塞 85
5.7.3.2 帶冷卻鑲圈的活塞 86
5.7.3.3 切削加工的油冷通道 87
5.7.4 采用冷卻腔的組裝式活塞 88
5.7.4.1 “振動冷卻”方式 89
5.7.4.2 孔冷卻方式 89
5.8 冷卻油供給 89
5.8.1 采用射流方式供油 90
5.8.1.1 噴射冷卻的噴嘴結構 91
5.8.1.2 活塞冷卻油道/冷卻腔供油的噴嘴結構 91
5.8.2 通過曲軸和連杆供油 91
5.8.2.1 活塞銷和銷座的供油 91
5.8.2.2 滑塊的供油 92
5.9 作用在活塞上的熱流 92
5.10 熱負荷的測定 93
5.11 采分析方法進行計算分析 94
5.12 發動機外“振動冷卻”試驗 95
5.13 特性參數 95
5.14 試驗裝置 98
5.15 冷卻油運動模擬 99
6 零部件檢測 100
6.1 靜態零部件檢測 101
6.2 動態零部件檢測 103
6.3 磨損檢測 105
7 發動機試驗 107
7.1 標準測試程序及其測試結果案例分析 107
7.1.1 標準測試程序 108
7.1.1.1 全負荷曲線 108
7.1.1.2 竄氣特性 109
7.1.1.3 拉缸試驗 109
7.1.1.4 研發運行計劃 111
7.1.2 長周期測試程序 112
7.1.2.1 標準耐久性測試 112
7.1.2.2 冷熱衝擊耐久性試驗 112
7.1.3 專項試驗計劃 113
7.1.3.1 冷啟動試驗 113
7.1.3.2 微焊現像試驗 113
7.1.3.3 微振磨損試驗 115
7.1.3.4 燒痕試驗（burning mark） 115
7.2 確定活塞溫度的測量方法 118
7.2.1 活塞溫度測量的方法 119
7.2.1.1 活塞溫度測量的熱機械方法 119
7.2.1.1.1 熔融銷的應用 119
7.2.1.1.2 專用測溫塞的應用 120
7.2.1.2 活塞溫度測定的熱電方法 121
7.2.1.2.1 負溫度繫數（NTC） 傳感器方法 121
7.2.1.2.2 鎳鉻-鎳熱電偶的應用 122
7.2.1.3 熱電偶測量值的傳輸 123
7.2.1.3.1 把測量導線安裝在輔助搖臂上傳輸數據 123
7.2.1.3.2 通過遙測技術輸送熱電偶測量值 124
7.2.1.4 馬勒公司對活塞溫度測量方法的評價 125
7.2.2 汽油和柴油發動機活塞溫度測量 125
7.2.2.1 活塞典型位置的溫度值 127
7.2.2.2 不同運行參數對活塞溫度的影響 127
7.2.2.3 冷卻油量對活塞溫度的影響 129
7.2.2.4 瞬態測試工況下活塞溫度的測量 131
7.3 點火狀態下發動機摩擦功率損失測試 132
7.3.1 確定平均摩擦壓力的測量方法 134
7.3.1.1 Willans曲線 （總油耗曲線） 134
7.3.1.2 倒拖法 134
7.3.1.3 滅缸測試方法 135
7.3.1.4 滑行試驗 136
7.3.1.5 浮動氣缸套（floatingliner）方法 136
7.3.1.6 指示功測試法 137
7.3.2 通過指示功法測量摩擦功率萬有特性 137
7.3.2.1 要求 137
7.3.2.2 轎車發動機摩擦功率試驗臺 138
7.3.2.3 測量和評價方法 141
7.3.3 轎車柴油發動機選定的測試結果 143
7.3.3.1 活塞裝配間隙 143
7.3.3.2 活塞裙部表面粗糙度 145
7.3.3.3 活塞銷對活塞中心線的偏移量 146
7.3.3.4 活塞環環槽的高度 147
7.3.3.5 油環切向力 150
7.3.3.6 活塞銷表面塗層 151
7.3.3.7 發動機機油黏度 152
7.3.3.8 活塞裙部型線 153
7.3.3.9 活塞裙部塗層 155
7.3.3.10 活塞裙部的剛度 156
7.3.3.11 活塞裙部的表面積 158
7.3.4 模擬發動機工作循環中燃油消耗和CO2排放值 159
7.3.5 結果比較 160
7.4 活塞組件磨損試驗 164
7.4.1 活塞裙部 164
7.4.1.1 裙部塌陷和塗層磨損 164
7.4.1.2 橢圓度 166
7.4.2 活塞環和氣缸工作表面 167
7.4.2.1 活塞環工作表面 167
7.4.2.2 螺旋彈簧 169
7.4.2.3 非正常磨損 169
7.4.2.4 氣缸工作表面磨損和氣缸拋光 170
7.4.3 活塞環端面和環槽 172
7.4.3.1 活塞環端面 172
7.4.3.2 活塞環槽端面 173
7.4.4 活塞銷和銷座 174
7.4.4.1 活塞銷 174
7.4.4.2 活塞銷座 176
7.4.5 卡簧和卡簧槽 177
7.5 爆震導致的活塞負荷 178
7.5.1 爆震損傷和損傷評價 179
7.5.2 爆震檢測技術和馬勒KI測量儀 182
7.5.3 測量結果示例 186
7.5.4 爆震控制模塊的質量檢測 188
7.5.5 超級爆震和早燃 191
7.6 活塞噪音和橫向運動 193
7.6.1 活塞繫統性降噪的方法 193
7.6.2 汽油發動機的活塞噪音 195
7.6.2.1 噪音的主觀評價 195
7.6.2.2 噪音的客觀評價及量化 196
7.6.2.3 汽油發動機活塞橫向運動及影響參數 202
7.6.3 轎車柴油發動機活塞噪音 205
7.6.3.1 噪音的主觀評價 205
7.6.3.2 噪音的客觀評價和量化 211
7.6.3.3 轎車柴油發動機活塞橫向運動及影響參數 215
7.7 活塞銷噪音 216
7.7.1 噪音的形成 216
7.7.2 結構輻射噪音傳遞路徑和測量方法 217
7.7.3 時域分析方法 219
7.7.4 參數分析結果 221
7.7.4.1 活塞銷間隙影響 221
7.7.4.2 活塞銷座幾何形狀影響 222
7.7.4.2.1 油室和環形潤滑槽 222
7.7.4.2.2 橫向橢圓銷孔和卸載槽 223
7.7.4.2.3 單邊高橢圓度銷孔 224
7.7.4.2.4 變形銷孔 225
7.8 商用車柴油機濕式缸套氣蝕 226
7.8.1 氣蝕原理 228
7.8.2 氣蝕的物理學現像 228
7.8.3 氣蝕類型 229
7.8.3.1 氣體氣蝕 229
7.8.3.2 假性氣蝕 230
7.8.3.3 蒸汽氣蝕 230
7.8.3.4 流體氣蝕 230
7.8.4 氣蝕氣泡動力學和氣蝕氣泡破裂 230
7.8.4.1 球體氣蝕氣泡破裂 231
7.8.4.2 非球體氣蝕氣泡破裂 231
7.8.5 濕式缸套上的氣蝕損壞 232
7.8.6 氣蝕檢測技術 234
7.8.7 氣蝕強度繫數和信號分析 236
7.8.8 氣蝕檢測試驗臺 238
7.8.9 氣蝕檢測的試運行程序 239
7.8.10 氣缸排列和位置與氣蝕強度相關性 239
7.8.11 影響參數 240
7.8.11.1 發動機運行參數對氣蝕的影響 241
7.8.11.1.1 發動機轉速的影響 241
7.8.11.1.2 發動機負荷的影響 242
7.8.11.1.3 冷卻繫統壓力的影響 242
7.8.11.1.4 冷卻液體積流量的影響 243
7.8.11.1.5 冷卻液溫度的影響 243
7.8.11.1.6 冷卻液成分的影響 244
7.8.11.1.7 燃燒室壓力的影響 244
7.8.11.2 設計參數對氣蝕的影響 245
7.8.11.2.1 活塞和氣缸套裝配間隙的影響 245
7.8.11.2.2 活塞結構類型和成型的影響 246
7.8.11.2.3 活塞其他相關參數的影響 247
7.8.11.2.4 氣缸套和冷卻通道設計合理性的影響 248
7.9 發動機機油耗和竄氣量 248
7.9.1 發動機機油耗原理 249
7.9.1.1 活塞、活塞環、 氣缸壁繫統引起的油耗 251
7.9.1.2 氣門挺杆密封引起的油耗 252
7.9.1.3 曲軸箱通風（竄氣）引起的機油耗 252
7.9.1.4 渦輪增壓機引起的機油耗和竄氣量 253
7.9.2 機油耗測量方法 254
7.9.3 機油耗萬有特性和動態機油耗特性 256
7.9.4 汽油發動機進氣負壓對機油耗的影響 261
7.9.5 摩擦功率和機油耗之間的權衡 262
7.9.5.1 油環切向力對機油排放的影響 262
7.9.5.2 油環切向力對機油排放和摩擦性能影響的比較 263
7.9.5.3 油環切向力對燃油消耗、機油排放及CO2平衡的影響 265
文獻索引 266
