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热膨胀补偿
活塞头部直接接触高温燃气,受热后膨胀量较大。而裙部通过活塞环间接传热,膨胀量相对较小。若头部与裙部直径相同,高温下头部膨胀会导致与气缸壁间隙过小甚至卡死。将头部设计得更小,可以在热膨胀后仍保持合理的间隙,避免摩擦或咬缸。 -
优化受力分布
活塞头部承受燃烧气体的高压(可达6-9MPa),而裙部主要承受侧向推力。头部直径较小可减少顶部应力集中,同时裙部通过椭圆形设计(长轴垂直于销孔轴线)分散侧压力,两者结合能更均衡地应对复杂受力。 -
提升密封性
头部直径较小可缩短活塞环与气缸壁的接触长度,减少高温区域摩擦损耗,同时通过锥形设计(上小下大)增强活塞环的密封效果,防止燃气泄漏。 -
工艺与材料适配
头部通常采用耐高温铝合金,而裙部可能使用铸铁或钢。不同材料的线膨胀系数差异较大,缩小头部直径可降低因材料热膨胀差异导致的配合失效风险。
这种设计平衡了热力学性能、力学强度和制造工艺需求,是内燃机活塞结构的经典优化方案。