第11章动力机与变速机构

第11章动力机与变速机构11.1汽缸及相关零件汽缸是汽车、拖拉机、内燃机车等重要的动力产生设备，其主要不但要承受反复冲击、磨损，同时还受到高温气体的腐蚀作用。因此其主要零件要求耐冲击性好、耐磨性高、抗疲劳性好、还要求一定的高温性能。11.1.1活塞内燃机活塞不但要承受反复运动的载荷变化、活塞与缸壁产生摩擦，还要承受长期高温气体的作用。为了减轻活塞重量引起的能量消耗，一般选用铝合金。内燃机活塞选用的铸造铝合金的牌号与力学性能见表11.1。表11.1内燃机活塞选用的铸造铝合金的牌号与力学性能牌号铸造方法热处理状态力学性能，不低于σb/MPaδ5/%硬度HBSZAlSi12Cu2Mg1JT1195--85T6225--90ZAlSi12Cu1Mg1Ni1JT11950.590T6245--100ZAlSi5Cu6MgSF125--80T1145--80JF155--80T1165--90ZAlZn6MgST1215465JT1235470注：S指砂型铸造，J指金属型铸造。F指铸造态，T1指自然时效，T6指固溶处理后进行人工时效。11.1.2活塞环和汽缸套11.1.2.1工作条件活塞环在高温高压的燃气介质中往复运动，在润滑不良的条件下，与汽缸套发生激烈的摩擦。随着发动机性能的提高，活塞环的工作条件更为恶劣。活塞环的主要失效形式是磨损、擦伤和疲劳断裂，汽缸套的主要失效形式为磨损、擦伤。所以，活塞环和汽缸套在高温下应保持足够的强度和弹性、具有一定的抗擦伤、抗磨损、耐腐蚀性能，并要求一定的韧性和抗疲劳性能。11.1.2.2活塞环内燃机活塞环对选用材料的要求及满足要求的材料见表11.2。表11.2内燃机活塞环对选用材料的要求及满足要求的材料级别力学性能满足要求的材料弹性模量E/GPa最小抗弯强度σbb/MPa材料类型最小硬度热处理及组织要求细级别1090300灰铸铁93HRB不进行热处理1110035095HRB1220115450灰铸铁23HRC热处理2145028HRC2245040HRC2350032HRC2413065037HRC2530145550耐磨铸铁25HRC热处理，珠光体3150030HRC热处理，马氏体3240160600可锻铸铁95HRB热处理，珠光体4160022HRC热处理，马氏体4260030HRC热处理，马氏体43100027HRC热处理，碳化物44501601100球墨铸铁23HRC热处理，马氏体51130023HRC热处理，马氏体52130028HRC热处理，马氏体53130095HRB铁素体54--97HRB珠光体55602000--钢38HRC铬钼钒合金6140HRC铬硅合金6248HRC铬硅合金63（1）铸铁1）灰铸铁灰铸铁导热性好、减摩性、耐磨性和抗擦伤能力都很好。活塞环常选用的灰铸铁牌号及力学性能见表11.3。表11.3灰铸铁的抗拉强度牌号HT150HT200HT250HT300HT350抗拉强度σb/Mpa(不小于)1502002503003502）耐磨铸铁由于加入合金元素，在铸铁基体上形成很多细小的硬质点，从而可提高合金的耐磨性。活塞用耐磨铸铁的及其有关性能见表11.4。表11.4活塞用耐磨铸铁的牌号及其有关性能材料力学和物理性能弹力消失率/%应用类别名称硬度HRB硬度差HRB抗弯强度σbb/MPa弹性模量E/GPaE/σbb残余变形ε/%钨系铸铁钨铸铁101～1033.046988.41905.322.6汽车、拖拉机活塞环钨钒钛铸铁100～1023.0485951964.225钨铬钼铸铁98～1023.050076.4～83.4150～1685.6～1025钼铬系铸铁钼铬铸铁99～1023.044874.31646.025汽车、拖拉机活塞环钼铬铸铁98～1083.0≥550100～140≤2201018柴油机活塞环钼铬铜铸铁96～1073.0≥600100～130≤2201018柴油机、压缩机活塞环钼铬铜铸铁98～1053.0≥600100～140≤2201018大型船用柴油机活塞环钼铬铜钛铸铁98～1053.0≥550100～140≤2201018柴油发动机活塞环镍铬系铸铁镍铬钼铸铁98～1073.0≥550100～130≤2201020船用或内燃机车柴油机活塞环镍铬铸铁98～1063.0≥550100～140≤220--18冷冻机活塞环其他铜钒钛铸铁103～1073.053994.31764.524.6内燃机活塞环磷铸铁101～1033.045090.62015.525磷稀土铸铁100～1023.0440871996.6253）球墨铸铁球墨铸铁具有高强度、高弹性和高抗折断能力，但其易擦伤且减摩性较差。所以，需要进行镀铬、喷镀钼等处理。活塞环选用球墨铸铁的力学性能见表11.5。表11.5球墨铸铁的力学性能牌号力学性能，不小于硬度HBS抗拉强度σb/Mpa屈服强度σ0.2/Mpa延伸率δ/%QT600-36003703170～270QT700-27004202225～305QT800-28004802245～335QT900-29006002280～3604)可锻铸铁活塞环选用可锻铸铁的力学性能见表11.6。表11.6可锻铸铁的力学性能牌号试样直径/mm力学性能，不小于硬度HBS抗拉强度σb/Mpa屈服强度σ0.2/Mpa延伸率δ/%(L0=3d)KZ450-0612或154502706150～200KZ550-045503404180～230KZ650-026504302210～260KZ700-027005302240～2905）蠕墨铸铁活塞环选用蠕墨铸铁的力学性能见表11.6。表11.6蠕墨铸铁的力学性能牌号力学性能，不小于硬度HBS抗拉强度σb/Mpa屈服强度σ0.2/Mpa延伸率δ/%(L0=3d)RuT4204503350.75200～280RuT3803803000.75193～274（2）钢钢活塞环强度高、抗折断能力强，常用作第一道气环或油环。不同位置活塞环材料选用见表11.7，材料的力学性能见表11.8。表11.7不同位置活塞环材料选用零件名所用材料钢带组合油环T8A、65Mn（镀铬）螺旋撑油环撑簧弹簧钢丝(如65、70、75、80)、65Mn、50CrVA（镀铬）第一道气环SAE9254(镀铬)、W18Cr13表11.8活塞环材料的力学性能牌号热处理力学性能，不小于硬度,不大于σb/Mpaσ0.2/Mpaδ5/%δ10/%ψ/%热轧冷拉+热处理65840℃油淬+500℃回火980780--93528532170830℃油淬+480℃回火1030830--83028532185820℃油淬+480℃回火1130980--63030232165Mn830℃油淬+540℃回火980780--83030232150CrVA850℃油淬+500℃回火1275113010--4032132111.1.2.3汽缸套气缸套多采用耐磨铸铁，其力学性能和应用见表11.9。表11.9气缸套用耐磨铸铁的力学性能和应用名称力学性能应用σb/Mpaσbb/Mpa硬度HBS硬度差HBS磷铬铸铁200400220～28030汽车、拖拉机汽缸套（离心铸造）磷铸铁2004002230柴油机缸套磷铬铜铸铁250470190～24030柴油机缸套磷钒铸铁2004002230汽车、拖拉机缸套磷铬钼铸铁250470240～28030柴油机缸套（离心铸造）铬钼铜铸铁(Cr0.3,Mo0.4,Cuo.6)250470----中小型柴油机缸套铬钼铜铸铁(Cu0.2～0.4,Mo0.8～1.4,Cu0.8～1.2)300540202～255--内燃机车柴油机缸套（沙型铸造）铬钼铜铸铁(Cr0.25～0.45,Mo0.3～0.5,Cu0.7～1.3)≥280≥480190～248--大型船用柴油机缸套（沙型铸造）磷锑铸铁200240190--汽车缸套硼铸铁250470----中小型柴油机缸套铌铸铁不低于HT250≥210--载重汽车缸套11.1.2.4活塞环的热处理（1）铸铁活塞环和缸套、螺旋撑簧铸铁活塞环加工成与椭圆后，应进行去应力退火，以消除铸造应力和加工应力。铸铁活塞环和缸套、螺旋撑簧的去应力退火工艺见表11.9。表11.9铸铁活塞环和缸套、螺旋撑环的热处理工艺活塞环类型去应力退火工艺定形铸铁活塞环和缸套510～550℃保温2h后空冷或炉冷到480℃后空冷610～630℃保温45～80min螺旋撑簧350～400℃保温1～2h后空冷--（2）钢带环钢带制刮环进行淬火、回火和热定形工艺见表11.10。表11.10钢带制刮环进行淬火、回火和热定形工艺材料牌号淬火温度/℃回火温度/℃热定形温度/℃时间/min硬度HRAT8A850～870370～390370～39012074～7865Mn860～880380～400380～40012074～78(3)球墨铸铁球墨铸铁活塞环的热处理工艺见表11.11。加热温度/℃保温时间/min淬火介质回火温度/℃回火保温时间880～90040～6060～80℃油冷500～60090～12011.1.3活塞销11.1.3.1活塞销工作条件及材料选用活塞销连接活塞和连杆的小头，在较高温度下承受非对称交变载荷和一定的冲击载荷，其表面润滑条件较差。活塞销的主要失效形式是表面磨损和疲劳断裂。所以，活塞材料要具有足够的强度、韧性、耐磨性及抗疲劳性。活塞销通常采用渗碳钢制造，活塞销应用材料见表11.12。表11.12活塞销应用材料应用材料汽缸直径不大于200mm的内燃机20、15Cr、20Cr、20Mn2内燃机车柴油机12CrNi3A、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi、20Cr船用柴油机15、20*、15Cr、20Cr*注：带*号的20、20Cr的含炭量不超过0.22%。11.1.3.2活塞销材料的力学性能活塞销材料的力学性能见表11.13。表11.13活塞销材料的力学性能牌号试样直径/mm热处理力学性能，不小于高温回火硬或退火HBS1525920℃正火3752252755≤1432025910℃正火4102452555≤15615Cr15880℃水淬或油淬+200℃回火7354901145≤17920Cr15880℃水淬或油淬+200℃回火8355401040≤17920Mn225850～880℃水淬或油淬+200～440℃7855901040≤18712CrNi3A15860～870油淬+200℃回火9306851150≤21718Cr2Ni4WA159500℃水淬或油淬+200～440℃11758301045≤26920CrMnTi15850℃空冷+20℃回火10808301045≤21711.1.3.3活塞销的渗碳处理和热处理活塞的渗碳处理和热处理见表11.14和表11.15。表11.1415、20号钢活塞的渗碳处理和热处理牌号渗碳处理渗碳温度/℃淬火温度/℃冷却剂回火温度/℃淬火后硬度HRC15900～950770～800水150～20056～6220900～920780～800水150～20058～62表11.15合金结构钢活塞的渗碳处理和热处理牌号渗碳处理淬火+回火渗碳温度/℃一次淬火温度/℃二次回火温度/℃降温淬火温度/℃冷却剂回火温度/℃硬度HRC淬火温度/℃淬火剂淬火后硬度HRC回火温度/℃回火后硬度HRC15Cr900～920860～890780～820870水、油180～200表面≥56，心部≥40870水35150～20034～3520Cr890～910860～890780～820--水、油170～900表面58～62860～880水、油28150～20026～2820Mn2910～930850～870770～800770～800水、油150～17554～59860～880水、油40----12Cr900～860780～--油150～表面≥860油43150～44～45Ni3A93081020058，心部≥26