[科普中国]-内燃机机械负荷

基本概念

机械负荷是指发动机在运行时受到的作用力以及扭矩。内燃机的机械负荷会影响其工作稳定性以及内燃机寿命。对于缸套而言，其在正常工作工况下，受到预紧力、爆发压力、往复惯性力以及活塞侧击力等机械载荷的影响。活塞在气缸内作往复运动时承受着燃气压力、往复惯性力和侧推力的作用,在活塞内受到很大的机械负荷。

柴油机在冷机工况下，可能会影响气缸套变形的机械载荷包括缸盖螺栓预紧力、主轴承螺栓预紧力及主轴承座轴瓦过盈装配等因素的影响。1

机械负荷对缸套的影响柴油机的缸内爆发压力一直在不断提高，造成活塞组缸套摩擦副的机械负荷和热负荷大幅度增加。受缸盖螺栓预紧载荷、活塞做周期性的高速往复运动、柴油机缸体的刚度不均匀以及冷却不均匀产生的影响缸套容易产生变形。

对于缸套而言，其在正常工作工况下，受到预紧力、爆发压力、往复惯性力以及活塞侧击力等机械载荷的影响。在进行机械负荷分析时，需要更为完善地考虑缸套在静态和动态条件下，机械负荷对气缸套应力及应变的影响。

影响缸套变形的主要机械载荷因素分别为缸盖螺栓预紧力、缸内爆发压力及主轴承座载荷；影响缸套应力变化的主要机械载荷因素是缸盖螺栓预紧力。

柴油机在冷机工况下，可能会影响气缸套变形的机械载荷包括缸盖螺栓预紧力、主轴承螺栓预紧力及主轴承座轴瓦过盈装配等因素的影响。在正常工作工况下，柴油机气缸内爆发压力对缸套的作用力主要表现四个方面：

（1）气体直接作用在缸套上。

（2）气体作用在缸盖上，通过缸盖螺栓传递到机体从而影响缸套的应力及变形。

（3）气体作用在活塞组连杆组曲轴，通过主轴承螺栓影响机体主轴承座及隔板的应力及变形，使得缸套受到影响。

（4）活塞对缸套产生的侧击力。2

机械负荷对活塞的影响活塞承受高速往复运动产生的惯性力、侧向压力、摩擦力等多重负荷的交替作用，必然会导致活塞在工作中的热损伤和机械损伤。严重时可能会导致活塞顶部、销座处出现裂纹、活塞环胶结甚至“拉缸”等各种问题。

活塞的机械负荷损伤主要集中在活塞的销孔、环岸等部位。随着发动机强化水平的不断提高，一些高强度的柴油机最大爆发压力已达到 18MPa，欧V排放的发动机缸内最高爆发压力已达到或超过22MPa。这样活塞的销孔、环岸及燃烧室等部位在活塞工作时将长期承受着高频周期作用的爆发压力，高压力同时又伴随着高温度，而在高温作用下活塞的润滑状况变差，严重时润滑油会胶结失效，使得活塞摩擦磨损严重。

内燃机活塞在高温、高压、磨损严重的工作状况下发生机械负荷失效原因相当复杂，影响到活塞裂纹产生的因素也很多，包括铝合金高温下的强度、活塞的几何结构、活塞表面的粗糙度及其受到的机械载荷的性质等有关。在这些庞杂的影响因素中，涉及到金属材料学、热处理、物理化学和力学等许多研究领域，因此尽管人们对活塞工作的可靠性问题进行了大量研究工作，但尚有许多理论和实际问题未能得到圆满解决。2

强化系数平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。强化系数与活塞单位面积的功率成正比，其值越大，发动机的热负荷和机械负荷越高。下图为常见发动机的强化系数范围。