（动力机械及工程专业论文）发动机零部件参数化设计及工程分析.pdf

武汉理i ：人学硕士学位论文 摘要 本文以v b 为工具，采用自动化对象接口a u t o m a t i o n 技术对c a t i a 进行二次开 发，实现了对活塞实体的参数化造型设计。然后其中的四分之一活塞参数化模 型，使用有限元方法对其进行相应的工程分析。 自动化对象接口a u t o m a t i o n 技术是对c a t i a 进行二次开发方法之一，该方法 允许一个应用程序操作另一个应用程序，具有入门简单，操作方便的特点。本 文利用v b 脚本语言作为开发工具，通过编写相应的控制程序对c a t i a 进行操作， 从而实现a u t o m a t i o n 技术与c a t i a 的实时通讯，达到了活塞实体模型参数化设计 的目的。本文还开发出了友好的设计界面，使设计过程更加便捷。 参数化设计是当今主流c a d 的核心技术，是c a d 技术在实际应用中提出的课 题，利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁琐 的设计计算、绘图工作中解脱出来。本文在详细分析活塞的结构后，根据活塞 的设计要求及设计计算理论，采用参数化设计思想，结合活塞的特点对其特征 进行总结归纳，开发出了活塞参数化设计系统，并对其参数化设计过程进行了 详细论述。 活塞作为内燃机的关键零部件之一，它设计质量的好坏直接关系到内燃机 的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能。活塞的工作 环境极为恶劣：混合气燃烧产生的高温高压燃气使活塞顶部乃至整个活塞温度 很高，且温度分布很不均匀，导致活塞产生热应力和热变形；同时活塞还受到 燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向推力和摩擦力等周期性载荷作用， 产生机械应力和机械变形。热负荷和机械负荷将导致活塞产生裂纹、活塞环胶 结以及拉缸等。因此，在新产品的开发过程中，很有必要对活塞进行温度场和 强度分析，了解活塞的温度分布和应力分布情况，进而改进活塞。本文利用活 塞四分之一模型，使用a n s y s 软件计算了活塞在最大爆发压力工况点的温度分 布情况；温度、机械载荷单独作用时的应力和变形情况；温度、机械载荷共同 作用时活塞的应力和变形情况，为优化活塞设计提供了较符合实际工作状况的 基础温度与应力数据及改进方向。 参数化设计思想与有限元分析方法相结合，实现了活塞的自动化设计，优 武汉理， 人学硕十学位论文 化了产品的开发过程，实现了产品设计中的信息共享和并行，可显著缩短产品 设计周期，提高设计效率，有较大的应用价值。 关键词：活塞，参数化，有限元，设计 a b s t r a c t t h i st e x tm a k e su s eo fv ba n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y t oc a r r yo nt h e r e d e v e l o p m e n to fc a t i at o r e a li z eap a r a m e t e r i z em o d e ld e s i g ns y s t e m o fd i s t o n s o m ec o r r e s p o n d i n ge n g i n e e r i n ga n a l y s e sa r ec a r r i e d o u ta f t e r d e s i g nf i n i s h e db y u s eo faq u a r t e rp i s t o nm o d e la n df i n i t ee l e m e n t m e t h o d a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yiso n eo fm e t h o d so fr e d e v e l o p m e n to fc a t i a ， i ta l l o w sa na p p l i c a t i o np r o c e d u r e t oo p e r a t ea n o t h e ra p p l i c a t i o n p r o c e d u r e ， i ti sv e r ye a s yt ou n d e r s t a n da n do p e r a t e t h i st e x t t a k e s t h ev bl a n g u a g ea st h ed e v e l o p m e n tk i ta n dc o m p i l e ss o m ep r o c e d u r e st o o p e r a t ec a t i at om a k ea u t o m a t i o nm e t h o dc o m m u n i c a t ew i t hc a t i ai n ti m e t om a k ep a r a m e t e r i z ed e s i g nc o m et r u e t h i st e x td e v e l o p ss o m ef r i e n d l y d e s i g nt a b l e s ，w h i c hm a k et h ed e s i g np r o c e s s t ob em o r ec o n v e n i e n t t h ep a r a m e t e r i z ed e s i g nm e t h o d t h a t p r o p o s e i nt h ep r a c t i c a l a d p l i c a t i o no fc a dt e c h n o l o g y i so n eo ft h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e s i nt o d a y sm a i n s t r e a mc a dt e c h n o l o g y s p e c i a lp r o d u c td e s i g ns y s t e m s d e v e l o p e db yp a r a m e t e r i z ed e s i g nm e t h o d c a nl e td e s i g n sr e l i e ff r o m m a s s i v et e d i o u sd e s i g nc a l c u l a t i o na n dc a r t o g r a p h y w o r k t h i st e x t m i n u t e l ya n a l y z ep i s t o n s s t r u c t u r e ，a c c o r d i n gt ot h ep i s t o nd e s i g n r e a u e s ta n dt h ed e s i g nc a l c u l a t i o nt h e o r y ，f o l l o w st h ep a r a m e t e r l z e d e s i g nc o n c e p ta n dc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i co fp i s t o n st oc a r r yo nt h e s u m m a r yi n d u c t i o nt oi t sc h a r a c t e r i s t i c ，d e v e l o pap i s t o np a r a m e t e r l z e d e s i g ns y s t e m ，t h ep a r a m e t e r i z ed e s i g np r o c e s si se l a b o r a t e dd e t a i l e d l y d i s t o ni so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fe n g i n e ，i t sd e s i g nq u a l i t y c o n c e r n sw o r k i n gr e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y o fe n g i n ed i r e c t l ya n d a f f e c t st h ee m i s s i o np e r f o r m a n c eo fe n g i n ed i r e c t l y a tt h es a m et i m e t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fp i s t o na r ee x t r e m e l yb a db e c a u s em i x t u r ea i r b u r n i n gp r o d u c e st h eh i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g h 。p r e s s u r e f u e lg a sc a u s e s t h ep i s t o nt o pa n de v e nw h o l et e m p e r a t u r eo fp i s t o nv e r yh i g h ，m o r e o v e r ， i i i t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sv e r yn o n u n i f o r mw h i c hc a u s i n g t h ep i s t o n t od r o d u c eh e a ts t r e s sa n dh e a td i s t o r t i o n s i m u l t a n e o u s l y ，t h ep i s t o n s t a n d sp e r i o d i cl o a d s ，s u c ha sh i g hg a s p r e s s u r e ，i n e r t i a p r e s s u r e ，s i d e d i r e c t i o np r e s s u r ea n df r i c t i o n a lf o r c ew h i c hp r o d u c e db yc o m b u s t i o ng a s d r e s s u r ea n dh i g hs p e e d ，t h el o a d sm a k ep i s t o np r o d u c e sm e c h a n i c a ls t r e s s a n dd i s t o r t i o n t h eh e a tl o a da n dt h em a c h i n e r yl o a dw i i ic a u s et h ep i s t o n t op r o d u c ec r a c k l e ，p i s t o n r i n gg l u i n ga n ds c u f f i n go fc y l i n d e rb o r ea n d s oo n t h e r e f o r e ，i nt h ep e r i o do fd e v e l o p m e n to f n e wp r o d u c t s ，it 1s n e c e s s it yt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h ep i s t o nt e m p e r a t u r e f i e l da n d i n t e n s i t ys i t u a t i o n ，f i n do u t t h eh e a t l o a ds t a t eo ft h ep i s t o na n d c o m d r e h e n s i v es t r e s sd i s t r i b u t i o ns i t u a t i o n ，a n dt h e ni m p r o v et h ed e s i g n o fd is t o n t h ist e x tm a k e su s eo faq u a r t e rm o d e lo fp i s t o na n da n s y s s o f t w a r et oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h es t r e s s a n d d is t o r t i o nw h e nt h ep i s t o nw i t h s t a n dt h et e m p e r a t u r el o a da l o n e ，t h e m e c h a n i c a ll o a da l o n e ，a n dt h e yw o r kt o g e t h e ri nt h eb i g g e s te x p l o s i o n p r e s s u r es i t u a t i o n ，a 1 1t h e s er e s u l t sc a np r o v i d et e m p e r a t u r e a n dt h e s t r e s sd a t at h a ts i m i l a rt op r a c t i c a lw o r kc o n d i t i o no fp i s t o na n dc a n g i v et h ed e s i g n e r ss o m e i d e a st oi m p r o v et h ep l s t o nd e s i g n t h ei n t e g r a t eo fp a r a m e t e r i z ed e s i g nc o n c e p ta n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o dm a k et h ep i s t o nd e s i g na u t o m a t e da n dt h ed e s i g np r o c e s s i m p r o v a b l y ，t h et e c h n o l o g yc a no b v i o u s l y r e d u c et h ep r o d u c td e s i g nc y c l e ， i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dh a sv e r ys i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d ：p i s t o n ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t ，d e s i g n i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢坶吼丝掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留，使用学位论文的规定，即学校有权保 留，送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部广鄂 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲坶翮签名蝉吼丛毕 武汉理_ 人学硕十学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 发动机性能的提高，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进的基础上的， 随着发动机强化程度的提高、功率的增大和转速的增加，零部件的工作环境变 得愈加恶劣，这对零部件的设计提出了更高的要求。同时，随着市场竞争的日 益激烈，内燃机产品更新换代的周期显著缩短，从而要求大大加快新产品的开 发与研制速度。对此，传统的设计方法与研制步骤已难以适应这种要求。 在传统的设计过程中，对每一个新的产品都要进行新的实体造型，再对其 实体造型通过反复试验，反复试制，不断修改才能最后定型，设计周期长，试 制费用高。如果过去从未造型过类似的零部件，进行一次实体造型无可厚非， 但是如果已进行过类似产品的造型，再对新产品重新造型的话，无疑会导致大 量不必要的重复劳动。因此，有必要探索一种方便、快捷、柔性化的建模方法 来指导内燃机零部件的c a d 建模工作。 在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元法( f e a ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 则为解决复杂的内燃机各零部件的分析计算问题提供了有效的 途径，它具有传统试验方法和理论解析方法无可比拟的优势，己经成为内燃机 及其零部件性能研究的重要手段。在内燃机设计中，有限元分析软件与c a d 系统 的集成应用，提升了内燃机产品的设计效能，缩短了产品设计和分析的周期， 降低了成本，提高了产品可靠性；同时在新产品制造前，通过模拟各种试验方 案，预先发现各种潜在问题，并可减少试验时间和经费。 有限元分析与c a d 系统的集成使得现代内燃机设计水平现代发生了质的飞 跃。如今，有限元分析方法在内燃机主要零部件的开发设计中已得到广泛应用， 大大提高了内燃机主要零部件的性能，缩短了设计周期，为现代高速内燃机的 进一步强化奠定了基础。 1 2 课题研究的意义 如何实现内燃机关键零部件的快速设计一直是国内外内燃机设计行业研究 武汉理t 大学硕士学位论文 的热点之一。在产品的传统设计时，设计人员须花费大量的时间和精力去查手 册、手工计算，然后再设计，尤其是初设以后的校核与工程分析也无法利用现 有的工程软件进行快速校核分析。发动机中的大部分零部件( 比如活塞、曲轴 等) ，其型号虽然众多，但外形多数相似，许多设计参数有相当的继承性与连 续性。因此，为了提高产品的设计效率，充分利用已有资源，参数化设计是较 好的选择。开发发动机关键零部件参数化特征模型，不但可提高产品的设计效 率，还可为后续的分析与仿真系统提供三维几何模型以及材料、质心等与仿真 和分析相关的物性信息，通过p d m ( 产品数据管理) 系统为综合信息管理分系统 和质量保证分系统提供产品配置、物料清单等信息。有限元法可以较合理的模 拟各种零部件的工作环境，因此在产品的设计过程中，可通过工程分析的方法 取代一些试验，找出零部件设计中的缺陷，进而改进设计，从而减小产品的开 发成本，缩短开发周期。 本课题的作用与意义可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 提高新产品的开发能力，缩短产品的设计周期。通过为设计人员提供 高效、实用的c a d ( 计算机辅助设计) 平台和快速的变型设计工具，不仅可以提 高新产品的开发能力，而且可将新产品的开发周期大大缩短。 ( 2 ) 帮助企业实现资源集成。通过对已有的设计对象进行分析、归纳，建 立对应的各大类关键零部件设计组件，便于在系统资源集成时直接调用，实现 企业资源集成。 ( 3 ) 保证产品质量、降低生产成本。把c a d 技术用于产品的设计，保证产 品设计后的各生产环节，女h c a p p 、c a m 、c a e 以及物流、销售等各环节几何模型 的一致性，减少传统生产方式中诸多中间环节、人为因素所造成的不利的影响， 避免冗余和重复劳动，进而提高产品质量，降低生产成本。 ( 4 ) 本零件参数化设计研究是对c a t i a 这个绘图设计软件的二次开发。绘 图设计软件的二次开发是对软件的用户化和专业化的有效手段，它可以使软件 更好地为用户服务，这对提高工作效率和工作质量有着不可低估的作用。c a t i a 为用户提供了二次开发接口和开放式的内部命令集合，给用户的二次开发带来 了方便。通过对其深入研究，可以开发出适用于企业和产品的工具和专用模块， 进一步提高工作效率和质量。 ( 5 ) 零部件参数化建模完成后，可有效的利用现有分析软件对模型进行工 程分析，发现设计缺陷，进而改进设计。如利用有限元软件在零部件的参数化 2 武汉理j 【：大学硕士学位论文 模型上分析其强度、刚度、流场、热负荷等，提高发动机零部件的可靠性及发 动机的使用性能。 1 3 国内外研究动态 1 3 1 c a d c a e 技术在汽车工程领域的应用 汽车行业是c a d c a e 技术最先应用的领域之一，国外一些著名的汽车公司 很早就自行开发c a d c a e 软件。到现在，c a d c a e 技术几乎被所有汽车公司所采 用，可以说c a d c a e 技术的应用水平，已经成为评价一个国家汽车工业水平的 重要指标。 美国福特汽车公司在上世纪8 0 年代初就开始c a d 系统的规划与实施，到了 1 9 8 5 年有一半以上的产品设计工作在图形终端上实现，至9 0 年代初其产品开发 全面采用c a d 。早期的c a d 系统已自行开发的p d g s 和c a d 为主，后来逐步过渡到以 i d e a s 为其核心主流软件。在c a d 技术发展初期，美国通用公司就自主研发以设 计车身为目标的d a c 一1 系统，来分析和综合车身的三维曲线设计。到上世纪9 0 年代初，美国通用汽车公司选中u g 作为全公司的c a d c a e c a m c i m 主导系统。 经过不断的发展，公司已1 0 0 采用c a d 来进行设计制造，并取消了中间过程，使 计算机与制造终端直接相连，最终实现了系统网格化。日本三菱汽车公司1 9 6 0 年从冲模的数控加工着手，以c a d c a e c a m 为动力，对从设计到制造的各项工程 踏踏实实地进行了改革，至今，已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型 开发的完整的c a d c a e c a m 系统。法国雷诺汽车公司应用e u c l i d 软件系统作为 c a d c a m 的主导软件，目前已有9 5 的设计工作量由该软件完成。雷诺公司在 e u c l i d 主导软件的基础上，开发出很多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉 检查的m e g a v i s i o n ，用于钣金成型分析的o p t r s 等。德国各大汽车公司普遍采用 c a t i a 作为其c a d c a m 系统的主导软件。1 9 9 4 年，德国大众集团决定用c a t i a 和 p r o e n g i n e e r 作为其将来开发新车型的主导c a d 系统。 我国从上世纪7 0 年代开始研究和推广c a d ，使得c a d 技术在国内得到了广泛 的应用，并取得了良好的经济效益。到目前为止，国内大型汽车制造型企业已 普遍实施了c a d 系统，其应用水平也接近国际先进水平。许多中小汽车生产厂家 应c a d c a m 技术在保证产品质量、提高劳动生产率等方面也取得了显著的经济效 益。一些科研院所陆续推出了一批c a d c a m 软件，并得到了一定的应用。但总的 3 武汉理l ：人学硕十学位论文 说来，国内汽车行业在c a d c a m 技术应用的深度和广度等方面与国外先进水平相 比还有很大的差距，尤其在c a d c a m 集成应用等方面的工作仍处于起步阶段。随 着我国市场化程度的加深，市场竞争的加剧，国有汽车生产厂家迫切需要对传 统的产品结构、生产设备和管理模式进行改造，以提高企业竞争力和适应市场 的应变能力。其中，首当其冲的是进行产品结构的调整，提高产品的技术档次， 缩短新产品的开发周期，提高产品的设计质量，降低成本。要实现上述目标， 采用c a d c a m 技术是最有效的方法之一。 1 3 2c a d c a e 技术在发动机设计中的应用 计算机软、硬件技术的迅猛发展给工业设计领域带来了惊人变革，发动机 设计领域也不例外。现代设计方法的引进打破了发动机结构设计长期停滞不前 的状态，为这一古老的机械增添了无限活力。近年来，发动机的设计理论和方 法已取得了很大进展：有限元分析技术代替了传统的发动机零件强度计算；根 据发动机工况的变化，采用动态设计代替原有的静态设计；在系统优化设计的 基础上进行局部优化设计代替了可行性设计；以可靠性设计和有限寿命设计代 替了安全系数法设计；以计算机辅助设计代替人工和经验设计等等。现代设计 方法使发动机设计产生了可喜的飞跃，尤其是c a d 技术与c a e 技术的集成更使得 工程技术人员如鱼得水，充分利用这一技术提高发动机各零部件的设计水平， 在减少研制时间和成本，给企业带来巨大的经济效益的同时，也为现代高速内 燃机的进一步强化奠定了基础。 c a d c a e 技术的应用遍及内燃机各种零件，从内燃机缸体、缸盖，曲柄连杆 机构、配气机构，n d , d , 的橡胶密封圈，无不包含其中。从相关文献中了解到， 有限元技术在内燃机领域已进入了广泛工程应用阶段，利用三维有限元技术较 准确分析活塞的变形、机械应力、热应力；并利用其高效的前处理技术和高配 置的硬件环境进行了内燃机最复杂零部件如缸体、缸盖、曲轴等的应力和结构 分析。 有限元技术的广泛应用，也促进了其本身技术的发展。如有限元网格生成 技术由不基于几何模型手工建模发展为基于几何模型自动生成网格模型，同时 丰富了复杂边界条件的施加办法，可直接按照工程实际情况将载荷边界条件、 约束边界条件加在实体模型上。另外，基于实体直接建立接触算法可解决装配 4 武汉理一r 人学硕+ 学位论文 分析问题或系统整体分析问题；动态响应分析法使得发动机零部件的优化设计 成为可能。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 研究分析发动机活塞的设计要求、方法，总结归纳活塞的各种结构类 型和结构参数，确定独立参数和关联参数以进行参数化设计。 ( 2 ) 对c a t i a 软件两种常用的二次开发方法进行了比较分析，采用自动化 对象接口a u t o m a t i o n 技术开发方法建立了活塞的参数化特征模型。 ( 3 ) 开发人机交互的活塞参数化设计系统，用户只需根据界面提示输入相 应的参数值，随后系统会自动完成参数替换、零部件的生成操作，从而实现了 活塞设计和生成工作的自动化。 ( 4 ) 利用a n s y s 软件对活塞的参数化设计模型进行温度场分析，分析活塞 热流分布规律，计算获取活塞热应力和热应变的基础数据，其对选择活塞设计 方案和判断现有活塞设计的合理性很有帮助。 ( 5 ) 利用a n s y s 软件对活塞的参数化设计模型进行强度分析，本文主要是 指静力分析，通过静力分析可以得知结构的应力、位移分布情况。 ( 6 ) 在温度与强度分析的基础上，进行热一结构耦合分析，利用直接耦合 方法，对在温度载荷和机械载荷共同作用下的活塞进行模拟计算，得到近似活 塞真实工作情况下的应力和变形，即耦合应力和变形。 5 武汉理t 人学硕十学位论文 第二章活塞结构设计理论 2 1 活塞的工作条件m ( 1 ) 承受很大的机械负荷 活塞承受的机械负荷包括燃气压力只，往复惯性力只及侧作用力r 。目前， 汽油机最高爆发压力约为3 7 5 k i p ，非增压柴油机约为6 9 m p ，而增压柴。 油机约为1 3 - 一1 8 m p o ，更高的己达到2 5mp以上。上述机械负荷不仅数值很大，o 且还带有很大的冲击性。这些机械负荷作用在形状复杂的活塞上会造成不均匀 的应力和变形。严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一道环岸断裂， 变形卡死。 ( 2 ) 承受很高的热负荷 活塞顶直接受到瞬变高温燃气( 最高温度可达2 0 0 0 。c 2 5 0 0 。c 的作用。活 塞不仅温度很高，而且温度分布很不均匀。图2 1 为平顶的铝活塞与铸铁活塞的 典型温度分布。 j v v p v v 葳的铁活塞4 0 0 。 l f l l u 哂k t 0 0 。 此彭 l l _ 捧t - 卜兰毫黧： ：黝勿裂矗 厌胃职砸a 黝黝 3 0 0 i飞z 坩铝活塞 r3 泔2 0 0 1 0 d 1 0 0 。2 0 h o 3 0 0 一 z 哇 豫别 燃 瓣 函 田 ，” x鼢科u q 鳝 r 翊 y 耖 毽 f 埝缈一 柴油机( 左半困 汽油觇( 右毕船) 图2 1平项的铝活塞与铸铁活塞的典型温度分布 6 武汉理t 大学硕士学位论文 从中看出，平顶活塞的最高温度在顶部中心，带燃烧室的活塞在燃烧室边 缘。 活塞温度过高将产生如下不良影响： 1 活塞的热应力与热变形过大； 2 温度超过3 0 0 。c 3 5 0 。c 时，铝活塞材料强度急剧下降； 3 第一道环槽温度超过2 2 0 。c 时，易引起润滑油变质结胶，致使活塞环卡死， 造成漏气和拉缸。 热负荷过高的活塞，必须采取冷却措施，将活塞的热量迅速传出，使温度 降到能容许的范围内。活塞内的热流及散热比例见表2 1 所列。 表2 一l活塞内热流与散热的百分比 散出热量不冷却铝活自由喷射冷 蛇形管冷却盐芯铝活塞组合活塞 塞却铝活塞 铝活塞 活塞环q l 6 2 4 13 61 5 2 02 活塞本体q l 1 466 冷却油q l 4 55 06 5 7 08 6 9 2 表面空气q l 2 488 注：传入活塞页的热量q 约占燃料总发热量的2 4 。 散出热量o 7 = ：q l + q 2 + q 3 + q 4 。 ( 3 ) 磨损严重 现代高速内燃机活塞上下运动速度很高( 现代高速内燃机活塞平均速度 v = 1 5 - - - 2 0 r n s ) ，在侧压力作用下，工作过程中的活塞工作表面都会产生较大的 摩擦磨损，加之活塞润滑条件较差，故各部位的磨损较严重。磨损的形式有： 腐蚀性磨损，磨料磨损和机械磨损等。 由于活塞长期处于高机械负荷、高热负荷和剧烈磨损的情况下工作，活塞 经常出现的故障有：第一环岸断裂，严重时甚至整圈脱落；销座开裂；环槽和 裙部的严重磨损；销孔表面磨损拉毛、销孔内侧上部出现裂纹以及燃烧室边缘 7 武汉理i j 大学硕士学位论文 被烧蚀、活塞外圆表面磨损、拉伤等。 2 2 活塞材料 目前常用的活塞材料有铝合金、铸铁和钢，其中铝合金应用最为普遍。 ( 1 ) 铝合金 铝合金强度、刚度相对较高，工艺性能优良，成形方便，成本低廉，所以 广泛用作高速发动机的材料。其中应用最广泛的是含1 l 1 3 的共晶铝硅合 金，其密度和膨胀系数都比铝铜合金低一些，同时其铸造性能很好，容易做到 铸件无疏松，由于硅晶体细小而分布均匀，其切削性能也较好。我国常用的共 晶铝硅合金有z l l 0 8 ，z l l 0 9 和6 6 - 1 三种。铝合金材料的弱点是高温强度差( 图 2 2 ) ，热膨胀系数大( 图2 3 ) 。 ，、 桨 瑚 骚 廿 列 疑 诅 档 型 球 温崖c 缈 图2 2典型活塞材料的高温强度 1 一珠光体铸铁2 一过共晶铝合金3 一。一e 共晶铝合金 8 武汉理i ：人学硕十学位论文 】0 d2 0 0 3 c 0【】a 沮度1 c 图2 _ 3活塞材料的线膨胀系数 ( 2 ) 铸铁 与铝合金相比，铸铁的强度高，耐磨性好，工艺性好，热膨胀系数小，价 格便宜。虽然其抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度极限比钢差，但抗压强度不 亚于钢。常用作活塞材料的铸铁有灰口铸铁和球墨铸铁。铸铁的主要缺点是密 度大，导热性差，与铸铁气缸套匹配时的减磨性不如铝合金好。近年来球墨铸 铁的制造工艺有了改进，采用薄壁结构可以克服其密度大的缺点，使球墨铸铁 活塞得以应用在转速较高的柴油机上。 ( 3 ) 钢 钢具有良好的机械性能、机加工性能和较好的高温强度。钢的密度较大， 铸造性能差且价格较高。在活塞上它主要用作组合活塞的活塞顶。 ( 4 ) 其它材料 用作活塞的其它材料还有铁合金、陶瓷等。 铁合金具有密度小( 大约为铁的6 0 左右) 、高温强度好、耐腐蚀等一系列优 点，近三十年来己经发展成为主要的飞机及其发动机金属材料，并已开始在车 用内燃机上应用，但其价格太昂贵，不宜广泛推广使用。 9 p啦0一一j：一蔫昨蕾画d手；ji，舅士釜 武汉理工人学硕+ 学位论文 陶瓷作为一种新兴的活塞材料近年也得到很快的发展，其主要优点为：高 温强度高、导热系数和热膨胀系数小、密度小、硬度高、耐腐蚀性好等。但由 于陶瓷材料对缺陷和应力集中很敏感，抗冲击性差，脆性高，缺少高效率的制 造工艺和有效的无损探伤手段，制造成本高，所以现阶段还处在实验研究阶段， 并未得到普及使用。 2 3 活塞的设计要求 活塞工作条件及其恶劣，作为内燃机的主要零件之一，其设计质量直接关 系到整个发动机的工作性能与可靠性。因此，活塞的设计有一定的要求： ( 1 ) 在保证活塞强度、刚度及散热良好的前提下，尽量缩短活塞总高度， 减轻活塞重量。 ( 2 ) 保证密封良好并尽量减少摩擦损失。 ( 3 ) 减少活塞顶吸收的热量，并良好冷却，将活塞吸收的热量迅速导出，使 活塞各部位的温度不超过下列极限数值： 活塞项3 7 5 。c 第一道环槽 2 2 0 。c 活塞顶内表面 2 5 0 。c 活塞销孔 1 8 0 。c ( 4 ) 保证导向部分润滑可靠，同时防止润滑油上窜，尽可能降低润滑泊耗量。 ( 5 ) 活塞环槽与活塞环、销孔与活塞销应具有良好耐磨性，特别是第一道环 槽。 ( 6 ) 活塞裙部与气缸壁之f b j 的接触面积要尽可能大，且有良好抗拉缸性能。 ( 7 ) 活塞与气缸的配合间隙小，以减少对气缸的撞击和噪声，以及使变工况 适应性好。 ( 8 ) 易于制造，成本低。 在进行活塞的结构设计时，应着重解决如下问题： 1 改善活塞顶及第一环的工作条件、防止顶部热裂和环粘结、卡死和过度 磨损： 2 改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂； 3 确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减小配缸 1 0 武汉理一r = 大学硕七学何论文 间隙，改善磨损并使运转平顺。 图2 4 活塞名称和尺寸 0 1 一活塞顶；0 2 一燃烧室；0 3 一环带；0 4 一销座；0 5 一裙；0 6 一裙下部；0 7 一 镶圈；0 8 一第一环槽；0 9 一油环槽；1 卜回油孔：1 1 一挡圈槽；1 2 一顶岸；1 3 一顶部厚度；1 4 一环岸；1 5 一压缩高度；1 6 一内腔深度；1 7 一总长；1 8 一销直 径；1 卜裙长；2 卜下裙长：2 1 一销座间距；2 2 一活塞直径；2 3 一定位止口。 2 4 活塞结构设计分析 活塞主要由活塞头部和裙部组成。 活塞头部包括活塞顶和环带部分。活塞顶是燃烧室的组成部分，所以它的 形状与选用的燃烧室形式有关，通常有平顶、凹顶、凸项等形状。环带区一般 有三道环槽，上面两道为气环槽，下面一道为油环槽。气环的主要作用是与活 塞一起密封气缸工作腔，在实现密封的条件下，环的另一作用是将活塞头部的 武汉理- i ：人学硕十学位论文 热量导出。油环的主要作用是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并避免多余的润 滑油窜入燃烧室，造成积碳和增大润滑油消耗。 裙部是最后一道环槽以下的部分，起承受侧压力和导向作用。裙部设计较 为复杂，需要考虑机械应力引起的弹性变形及与温度相关的热变形，中凸变椭 圆或中凸等椭圆裙面活塞是目前活塞裙外型面设计的主流。图2 4 列出了活塞 的主要尺寸乜1 。 2 4 1 活塞顶厚度及形状 活塞顶厚度6 对传热影响很大， 周围传递的热量增加，使顶温下降； 活塞惯性质量也随之增加。 6 增加，传热面积增大，由活塞顶中心向 同时也有利于克服活塞项穿孔，但6 增加， 图2 5 活塞顶部热流( 实线) 和等温线( 虚线) 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 活塞内侧过渡圆角r 的大小，对活塞顶温及环带温度都有很大的影响。加 大r 可降低活塞顶温度，具有热流线形状有较佳的降温效果。大的r 可以利用 大的热流通道将热量通过下面的活塞环导出，从而降低第一环的热负荷。图2 5 示出了活塞顶部的热流线及等温图。 活塞项的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。如果仅从活塞设计的角度 考虑，为了减小活塞组的热负荷和应力集中，一般采用受热面积最小、加工最 简单的活塞顶形状，即平顶。大多数汽油机正是采用平项活塞，非直接喷射的 高速柴油机，也采用平顶或接近平顶的形状。但是直接喷射式的高速柴油机， 由于混合气形成的需要，活塞顶上应设有一定深度的凹坑作为燃烧室。有的柴 油机活塞顶除有燃烧室外，还设有为防止活塞与气门干涉的浅坑。 中小型高速柴油机活塞项的厚度是由活塞结构决定的，主要考虑活塞向外 传热条件和活塞的刚度。顶部强度一般是足够的，通常并不对其进行强度校核。 实际统计数据表明活塞顶部最小厚度1 ：汽油机为6 = ( 0 0 6 - - - 0 1 ) d ，柴油机 为6 = ( 0 1 - - - - 0 2 ) d 。( o 为活塞直径，下同) 2 4 2 活塞销座设计口4 1 1 活塞销座位于活塞的裙部，用来安装活塞销。活塞销座和活塞销组成一对 摩擦副，它将活塞顶部的燃气压力通过销座传给活塞销，然后通过活塞销再传 给连杆和曲轴，输出动力。 活塞销座与活塞销必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。销座的 表面应力分布取决于销座和活塞销两者的变形是否相适应，活塞与活塞销受力 后的变形趋势分别如图2 “的a ，b ，所示。如果活塞销刚度较大而销座处刚度 较小，或者相反，两者变形将不能互相适应，会引起销座上侧边缘等处出现尖 峰负荷p 。和相应的应力集中，使销座开裂，如图2 6 ( c ) 所示。因此销座的 设计应与活塞销统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减小弯曲变形；要求销 座能承受高的压力，而且有一定的弹性，使之适应活塞销的变形。 一般活塞销座直径d 大小决定于销座与连杆小头所承受的比压大小及活塞 销工作的应力值。活塞销座直径参考范围：汽油机为( 0 2 2 - - - - 0 3 0 ) d ：柴油机为 ( 0 3 - - - - 0 4 ) o ；强化柴油机趋向于用较大的活塞销直径，约为o 4 d 。在考虑活塞 销座承压面积或长度时，必须同时考虑连杆小头要有足够承压面积或长度。由 于连杆小头材料一般为钢合金，承受负荷能力高于销孔，且连杆小头温度较低， 1 3 武汉理r ：大学硕士学位论文 因此要把活塞销座承压面积或长度与连杆小头的承压面积或长度之比定为9 ：8 或者更大。为避免加工误差与热膨胀引起连杆小头侧面与销座座侧面相碰，两 者之间要留2 - - 一5 m m 间隙，销座间距数据范围：汽油机为( 0 2 5 一- - 0 4 0 ) d ；柴油 机为( 0 3 0 - - 0 4 6 ) d 。 t ：_ 。_ _ _ 。- ：卫 l _ 、1、- j 。一 【 】 j 一、 b ) 图2 - 6 活塞与活塞销变形不协调引起应力集中 2 4 3 活塞裙部外型面设计m 1 1 3 1 3 9 1 删 p 。 c ) 活塞裙部是指活塞最后一道环槽以下的部分，它与气缸壁接触引导活塞在 气缸内作往复运动，并承受气缸壁给它的侧压力。随着内燃机性能和可靠性不 断提高，内燃机活塞裙部外形型面的设计要求越来越高，其设计方法也不断得 到发展与完善，以往简单的简形裙活塞已逐渐被淘汰，而中凸变椭圆或中凸等 椭圆裙面活塞近年来已成为活塞裙外型面设计的主流。采用中凸变( 等) 椭圆裙 活塞可以增加活塞与气缸套的接触面积，减少热应力，降低活塞和气缸套的敲 击声，减轻气缸套穴蚀，减少窜气窜油，从而降低整机噪声和机油消耗率，延 长发动机使用寿命。 中凸等椭圆活塞裙部外形的结构特点就是径向外形为椭圆形状，长轴在垂 直于销座孔中心线平面内，短轴在销座孔中心线平面内。即裙部横截面上呈椭 圆，且在裙高方向上的椭圆度值相同，而在纵向上呈鼓形或中凸形。 1 4 武汉理t 大学硕+ 学位论文 ( 1 ) 活塞裙部横向型线设计 由于气体压力、侧压力的作用和活塞销座附近的金属堆积，使活塞工作时 裙部沿活塞销孔方向变长，如图2 7 所示。同时，气缸在侧压力的作用下的变 形是沿活塞销轴线方向缩短。为了适应这种变形，需要将活塞裙部设计成椭圆， 使活塞在工作状态下不至于在销孔方向卡死，并使整个截面与缸壁间隙均匀。 活塞裙部横向外形型线设计计算模型是根据薄壁圆筒在径向对称正中载荷下产 生弹性变形理论建立的。1 活塞椭圆形状一般是按照单椭圆规律进行设计制造， 为了改善裙部与气缸套的贴合情况又能满足制造过程的工艺性，经常需要对上 述公式进行修正，即采用双椭圆公式。常用的椭圆规律有： - ) c b ) 图2 7 活塞裙部变形 图2 8 活塞裙部单椭圆规律 1 5 武汉理工人学硕十学位论文 1 单椭圆规律 单椭圆规律可以按式2 1 设计。单椭圆规律活塞裙部形状如图2 8 所示。 e = ( 1 一c o s 2 0 ) 4 ( 2 1 ) 式中符号见图4 5 ，e 为裙部削薄量；为裙部椭圆度，a = d - d 。 图2 9 主次推力面椭圆 2 双椭圆规律 双椭圆规律按式( 4 2 ) 设计 e = z x 0 一c o s 2 0 ) + k ( 1 一e o s 4 0 ) 4 ( 2 2 ) 式中k 修j 下系数。 根据侧压力和裙部结构，柴油机活塞一般设计为0 3 5 - 0 6 0 m m ，自上而下 直线减小，汽油机活塞一般设计为0 0 5 - - - 0 7 5 m m ，自上而下直线增大。 修正系数k 的作用是为了调整活塞裙部横截面的形状。当k = 0 时，裙部形 状为单椭圆规律；当k 0 时，裙部削减量增加，活塞变瘦；当k 0 时，裙部 1 6 武汉理i ：火学硕七学位论文 削薄量减少，活塞变胖。通常柴油机活塞k 0 ，即在4 5 。方向减小缩减量，而汽