活塞在气缸中承受着机械负荷和热负荷，并在润滑不良的条件下作高速往复滑动。活塞组在工作中受周期性变化的气压力作用，一般在膨胀行程上止点附近达到最大值Pz。活塞受力情况见图5-1。活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动，活塞平均速度已高达15m/s，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大，易使活塞和活塞环磨损失效。活塞工作时，顶面承受瞬变高温燃气，活塞不仅温度高，而且温度分布很不均匀，各部位的温度梯度大，所产生的热应力容易使活塞顶表面开裂。活塞组的设计要求包括选用适当材料、设计合理形状和壁厚、保证气密性、控制摩擦损失、保持活塞与气缸的最佳配合等。
(1)活塞的工作条件
活塞在气缸中承受着机械负荷和热负荷，并在润滑不良的条件下作高速往复滑动。
①活塞的机械负荷
活塞组在工作中受周期性变化的气压力作用，一般在膨胀行程上止点附近达到最大值Pz。活塞受力情况见图5-1
中Fp——活塞投影面积，mm2；
D——气缸直径，mm；
Pz——气缸内工质的最高燃烧压力，N／mm2，
活塞组在气缸里作高速往复运动，产生极大的往复惯性力，其最大值为：
式中G＇——活塞组的重量，N；
g——重力加速度，g=9.81m／s2；
r——曲柄半径，mm；
ω–曲轴旋转角速度，1/s2；
λ=r/l；
l——连杆长度，mm。
近年来发动机向高速发展，活塞组的最大惯性力一般已达活塞本身重量的1000～2000
倍(汽油机)和300～500倍(柴油机)。惯性力是周期性变化的，它会引起发动机的振动，并使
连杆组曲轴组的负荷加重，特别是对轴承的负荷影响大，会导致发动机的耐久性下降。
由于连杆的摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞还受一个交变的侧压力PN，使活塞不断地撞击缸筒，会导致活塞裙部变形，缸体(缸套)振动。
②活塞的热负荷
活塞工作时，顶面承受瞬变高温燃气(最高温度可达2000℃～2500℃)，活塞不仅温度
高，而且温度分布很不均匀，各部位的温度梯度大，所产生的热应力容易使活塞顶表面开裂。
柴油机的热负荷尤为严重，这是因为其受热条件比汽油机恶劣，一方面，柴油机的工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流振荡，促进了对流换热；另一方面，燃烧形成的碳粒使火焰的热辐射能力大为提高。此外，燃料喷注常使活塞的温度分布更不均匀。例如预燃室或涡流室偏置气缸一侧，喷出的火焰使活塞局部过热。直接喷射式柴油机活塞顶上的燃烧室凹坑，使活塞受热面积大为增加，其热负荷更加严重。
活塞顶温度如超过370℃～400℃就会发生热疲劳开裂；第一环槽温度超过225℃就易使
润滑油变质甚至碳化，造成活塞环粘结，失去活动性，或者使环槽迅速磨损、变形。活塞组的热负荷往往制约了发动机的强化潜力。单位活塞面积的功率是发动机强化程度的标志之一。图5-2表示了活塞工作温度的范围。
③活塞高速滑动，润滑不良
活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动(活塞平均速度已高达15m/s)，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大(活塞组的摩擦损失约占发动机全部摩擦损失的40％)，易使活塞和活塞环磨损失效。
活塞组与缸套的磨损除了与侧压力PN的大小和平均速度Cm。有关，还与摩擦面间的润滑情况和磨擦副材料匹配有关。
(2)设计要求
由于工作条件严酷，以及实现气密封和机油控制的功能，对活塞组的设计提出了以下一些基本要求：
①选用300℃～400℃温度下仍有足够机械强度、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性和工艺性的材料。高速内燃机通常用铝合金材料铸造或锻造活塞，液态模锻活塞组织细密，导热性较好。
②设计合理的形状和壁厚，尽量减轻质量，缓和应力集中，使散热良好，强度、刚度符合要求，并有控制裙部膨胀的措施。对高强化机必要时采取冷却活塞的措施。
③在不增加活塞组的摩擦损失的条件下，保证燃烧气密性好，窜气、窜油量不超过规定要求，且能保证滑动面上有足够的润滑油。
④设计的活塞裙部型线和配缸间隙，使在各种工况下都能保持活塞与气缸的最佳配合，减轻活塞敲击和缸套振动引起穴蚀的倾向。
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