（机械工程专业论文）活塞销孔结构设计与试验研究.pdf

出乐丈学硕士学位论文 摘要 本文主要提供了一个内燃机活塞销孔结构的现状，活塞销孔的破坏形式，销 魏结构设计的有关知识等，在此基础上，提爨了镄孔表面应力分露的耨理论移兹 嚣镑孑0 绫稳没诗静诗箕方法。穰瑶舂滠元分搿方法，诗算镑毳懿撬城交形、嚣塞 的温度场及销孔的热交澎，殿对验证销孔结构设计合理性的试验方法进行了描述。， 以l 3 7 5 活塞结构的设计为例，分别分析计算了不同设计方案下曲筒销孔各部位的 结构数德：销孔理论直径；销孔外侧曲丽结构方程；销孔内侧曲面结构 方程；销魏表露应力分奄；活塞销孔部袋鲍疲劳安全系数够，据_ l 龟，确定 了一耪最优豹镑孑l 表瑟设计方案，对今鑫的潘塞销孑l 设诗有一定熬指导 乍弼。 本沦文的主要内容如下： 1 、总结了活塞销孔结构以及销孑l 表面设计的熬本规律，包括销孔的横向形线规律 和纵向形线规律两个方蕊，并分析浼明了销我配合闻隙的确定方法。 2 、努氍t 活塞懿受力筵穗及镇毳载撬禳交影露热变形嫣嚣，确定了镑毳裰躐交 形、热变形及综合变形的计算方法。 3 、总结分析了活塞销孔结构的不同设计方案。并对比了不同结构谯降低销孔表面 成力峰值效果。 4 、分差瞎总缝了活塞硝钝瓣必效模式，蒡对不强弱失效形式分氍了愿骚。 5 、提溅销孑l 表瑟应力分南的颓观点，给出销孔麴藕结构设计的计镣方法，并剩爝 掇出的曲面销孔结构设计理论，对l 3 7 5 活塞销孔进行丌发设计，并优化设计 方案。设计的活塞通过了装机可靠性验证，并形成批量生产，遮对今后的活塞 销孔结构设计具有很大的指导作用。模拟分柝计算和各种销孑l 试验都表明合理 豹魏惑销强结稼爱谤筏绦证活塞镶嚣在工 擘逶程中窝活塞镇疑予羹努兹搂黩 状态，两者变形是一致的。 关键谰活塞；活塞销孔；曲面设计 。i v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i ss t a t e sc u r r e n ts t a t u so f p i nb o r ec o n s t r u c td e s i g no fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n ep i s t o n ，b r e a k a g ef o r mo fp i s t o np i nb o r e ，a n dt h ec o n c e r n e dk n o w l e d g eo f c o n s t r u c td e s i g no fp i nb o r e ，e t c i ti sb a s e do nt h ea b o v ek n o w l e d g e ，b r i n gf o r w a r da n e wt h e o r yt h a ti ss t r e s sd i s t r i b u t i o no np i nb o r es u r f a c ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o do f c u r v e df a c eo f p i nb o r ec o n f i g u r a t i o n ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dt oc a l c u l a t e m e c h a n i c a ld e f o r m a t i o no fp i nb o r e ，p i s t o nt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ld e f o r m a t i o n o fp i nb o r e ，a n di ta l s od e p i c t st h ev e r i f i c a t i o nm e t h o do fr a t i o n a l i t yo fp i nb o r e c o n s t r u c t t a k i n gd e s i g no fl 3 7 5p i s t o nc o n f i g u r a t i o nf o re x a m p l e ，i ta n a l y z e sa n d c a l c u l a t e st h ec o n s t r u c tv a l u eo fe a c hp a r to nc u r v e df a c eu n d e rd i f f e r e n tp i nb o r e c o n f i g u r a t i o nd e s i g n s ：( 1 ) p i nb o r et h e o r e t i cd i a m e t e r , ( 2 ) e q u a t i o no f o u t e rc u r v e df a c e o fp i nb o r e ，( 3 ) e q u a t i o no fi n n e rc u r v e df a c eo fp i nb o r e ，( 4 ) s t r e s sd i s t r i b u t i o no np i n b o r es u r f a c e ，( 5 ) f a t i g u es a f e t yf a c t o ro fe a c hp a r to np i s t o n ，e t c a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i sr e s u l t s ，d e f i n eao p t i m i z e dp i nb o r es u r f a c ed e s i g n ，w h i c hw i l lg u i d ep i s t o n p i nb o r ed e s i g ni nf u t u r e t h em a i nc o n t e n to f t h et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 、s u m m a r i z ee s s e n c er u l e so fp i s t o np i nb o s sc o n f i g u r a t i o na n dp i nb o r es u r f a c e d e s i g n ，i n c l u d i n gh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp r o f i l er u l e so fp i nb o r e ，a n a l y z ea n d s p e c i f yt h ed e f i n i t i o nm e t h o do f p i nb o r ef i t t i n gc l e a r a n c e 2 、a n a l y z ep i s t o nf o r c er e c e i p t e da n dm e c h a n i c a l & t h e r m a ld e f o r m a t i o no fp i nb o r e ， a s c e r t a i nc a l c u l a t i o nm e t h o do fm e c h a n i c a lf o r m a t i o n ，t h e r m a ld e f o r m a t i o na n d i n t e g r a t e dd e f o r m a t i o no fp i nb o r e 3 、a n a l y z ea n ds u m m a r i z ed i f f e r e n td e s i g n so fp i nb o r e ，a n dm a k ec o m p a r i s o n so f d i f f e r e n td e s i g no nd e c r e a s i n gm a x i m u mv a l u ee f f e c to f p i nb o r es u r f a c es t r e s s 4 、a n a l y z ea n ds u m m a r i z ew r e c k i n gf o r mo f p i s t o np i nb o r e ，a n da n a l y z et h er e a s o no f d i f f e r e n tb r e a k a g ef o r m 5 、b r i n gf o r w a r dn e wt h e o r yo fs t r e s sd i s t r i b u t i o no np i nb o r es u r f a c e ，p r e s e n ta c a l c u l a t i o nm e t h o do fp i nb o r ec u r v e df a c ec o n f i g u r a t i o n ，u s i n gt h et h e o r yt o d e s i g nl 3 7 5p i s t o n ，l 3 7 5p i s t o nh a v ep a s s e ds t a b i l i t yt e s ti ne n g i n et e s t ，a n di th a s v 山东大学硕士学位论文 b e e ni nt h es t a g eo f m a s sp r o d u c t i o nn o w , t h et h e o r yc a u s e df u r t h e r ，e f f e c t i v eg u i d e o np i s t o np i nb o r ed e s i g ni nf u t u r e s i m u l a t i o na n a l y s i sc a l c u l a t i o na n de n g i n et e s t h a v ev e d f i e dr e a s o n a b l ep i nb o r es u r f a c ed e s i g nt h a tc a l la s s u r et h ee x c e l l e n tf i t t i n g c o n d i t i o nb e t w e e np i s t o n p i n b o r ea n dp i ni n w o r k i n gp r o c e s s ，t h e s et w o d e f o r m a t i o n sa r ec o n s i s t e n t k e yw o r d s ：p i s t o n ；p i s t o np i nb o r e ；d e s i g nf o rc u r v e s h a p e dp i nb o r e v i 山东大学硕十学 奇论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：猁 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一：绯翎签秘日 | 期：巡i ! ! ! 兰 娃j 农大学硕士学位论文 第1 章绪论 l 。i 内燃枫活塞销孔结构可靠性疆究鸷景 对制造念业而言，机电产品双肖足够的工作可靠性意味着客观的经济效益和 竞争力方面的优势及其企业能够长期顺利发展的坚强厨盾。国际上，每年网产品 结穆设计不含瑗的琢困造成大量搬魄产品在有效寿命期内报疲，甚至造成严燕恶 往事袭：在审溺，赉于综合经济麓力懿琢困，疲劳瓣久瞧和可靠往不过关逸成敬 产品问题更鼹翡遍存在，严重影响了国内制造产品的圈际竞争力。 内燃机作为一种热能动力机械，它通过曲柄连杆机构的旋转运动，将化学能 转化为机械能。在这个运动副当中，活塞的可靠性至关重要。活塞是发动机的首 要动力源零 串，发魂瓿爨浇系统瓣潮爆发著释敖豹热熊簧先透过嚣塞转换为壤禳 能，即通过漭囊的往复菲匀速壹线运动，传递至g 连耗稠| 氇轴转纯为旋转运动，从 而使发动机输出扭矩和功率。活塞赢接面对发动机的爆发压力，承受交变的热负 荷和机械负荷，对于高性能柴油机活塞来讲，交变频率一般在1 6 - 5 0 h z 。尤其随着 发动机强化程度的提毫，功率的增大翻转速的增加，涵鏖工作环境变褥更加恶劣 了。 内燃机工律时，各零件之闯存程着多种运动形式，两且有的大运动缀俘之中 还包含着微小的运动，在曲柄连卡t 机构中，活塞和缸爨之问的往复运动过程中， 就同时存在着活塞销和销孔之间的旋转运动、活塞环和活塞环槽之日j 的旋转运动， 这些零孛 阁虽然没有缀裹豹糖露遮溯速瘦，但是存在蛰缀大豹 睾两力，这撵，在 撩互接触之溺藏会产生接触应力秘锈囱运动隘力摩擦力，因两会造成摩攘损 失，严重时，会在摩擦力的作用下造成零件的损坏。 一般情况下，内燃机的机械效率为7 5 - 9 0 ，有1 0 - 1 5 的功率消耗在摩擦损失 上，摩擦力导敷内燃枫的有效效率下降、零件的温度升禽、材料机械性能下辫等 摩擦还镬各程互嚣合熬零 孛毒季摹毒援棼表瑟瘗接，逢裁接霆蠡不蹇，舞骧碧大，产生 振动和嗓音，降低了使用寿命，摩擦对内燃机的影响怒不可低估的。 由于工作环境的关系，活塞怒发动机中的易损件，活塞的典型破坏形式可分 为活塞热疲劳铆支坏及机械疲劳破坏簿。对增压柴油机丽宣，随着排放标准的提高， 山东大学硕士学位论文 发动机的爆发压力越来越大，目前，国外先进的增压柴油机最高爆发压力已达 2 5 m p a 以上，国内的制造的增压柴油机的最高爆发压力也已达1 8 m p a 以上，并且 向更大的趋势发展。活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬时高温燃气作用，最 高燃气温度可达2 0 0 0 2 5 0 0 c 。活塞长期在高温高压的环境下工作，承受高温及 机械交变负荷，活塞销孔部位更容易发生由于温度与承受压力过大而引起的销孔 咬死及机械负荷过大引起的销孔丌裂事故，甚至整个活塞破碎，损伤率远远大于 其他部件。 活塞销与销孔之间既然有相互运动且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。 这种摩擦力，虽然对内燃机的有效效率没有多大的影响，但是，如果活塞销孔处 的温度过高( 活塞销孔温度超过1 8 0 ) ，活塞销与销孔之问的接触应力过大，就 会破坏了二之间存在的润滑油膜，使销孔表面和活塞销在局部形成干摩擦，将有 可能导致活塞销孔表面拉毛、拉伤，使之不能j 下常工作；同时作用在销孔上机械 应力过大，而此时活塞材料在高温下性能下降，有可能使活塞销孔产生裂纹，严 重时会导致活塞销孔丌裂、破碎，甚至损坏发动机机体。 如何分析、设计活塞销孔的结构，使活塞销孔在高温、高压、高频次的往复 运动中保持良好的承载能力和工作状念，最大限度的确保活塞的耐高温性能和热 稳定性能，最大限度的提高活塞的可靠性，是活塞设计中的技术关键。近年来， 随着柴油机向高排放、大马力方向的发展，活塞的可靠性已成为发动机整机可靠 性的关键环节，而确保活塞工作可靠的关键又在于活塞销孔的工作可靠性，因此， 活塞销孔的结构设计已成为柴油机设计者乃至活塞设计工作者必须首要考虑的问 题，活塞的销孔座及销孔表面的结构设计问题必须引起人们的高度重视。 1 2 提高活塞销子l 结构可靠性研究的必要性 随着世界各国对环境保护和能源节约的要求，柴油机向高强度化、高排放、 高可靠性的方向发展，柴油机的升功率越来越大，目f ； ，常见的增压柴油机爆发 压力为1 5 m p a 左右，升功率为3 0 k w l 左右，并且向更大的方向发展；欧洲先进的 柴油机爆发压力己达2 5 m p a ，升功率己超过6 0 k w l ，这样，活塞的可靠性问题就同 益突出，已经成为影响整机可靠性的主要因素之一。 2 山东大学硕士学位论文 柴油机活塞承受的热负荷、机械负荷带有显著的冲击性，无论是在起动、停 机以及其它突变工况下，对应柴油机工作过程就会出现燃油爆发燃烧这一瞬间， 此时活塞处于一种突发性极强的受热状态和快速导热过程，由于热量传播的速度 有限，使活塞头部的温度会保持在3 2 0 c 以上，活塞销孔处的温度也一直保持在 1 8 0 c 左右，这样就导致活塞销孔表面的温度在极短的时间内骤升。由于结构的关 系，活塞销孔处的材料较多，产生的膨胀变形量大，但是由于活塞销抵抗的反作 用，活塞销孔一直处于高压力状态。急速的膨胀变形受到约束，结果形成应力巨 变，产生峰值压应力。高温下活塞材料的机械性能下降，过高的峰值压应力会使 该处出现塑性变形；由于冷却的作用，活塞的温度下降，材料会产生收缩变形， 但由于销孔和活塞销之间的间隙有限，已形成的塑性变形不能完全回复，就会产 生拉应力。并且，即使峰值应力不太高，但由于周期性反复作用的结果也会使活 塞材料表面的机械性能下降，最终出现销孔的疲劳破坏。 销孔处的应力分布还取决于销孔和活塞销两者之间的变形是否相适应。由于 燃气压力的作用，活塞要产生弯曲变形，相应的销孔处也要产生变形。如果活塞 销刚度较大而销孔处的刚度较小，或者相反，则两者变形不能互相适应，结果引 起销孔上侧边缘等处产生严重的应力集中，使销孔丌裂。因此销孔设计与活塞销 应统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减小弯曲变形；要求销孑l 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。 活塞销孔处的失效模式往往是热负荷、机械负荷共同作用的结果，要分析设 计出合理的、可靠的活塞销孔结构，这两方面的因素要综合考虑。 活塞销孔的疲劳破坏所造成的后果是非常严重的。仅从其直接经济效益束讲， 活塞的价格在整台发动机中所占的比例仅为2 左右，如果活塞销孔出现疲劳损 坏，轻着造成发动机缸内运动副损坏，严重时将导致整台发动机报废，仅发动机 方面直接损失就达数力元。若考虑到发动机的使用数量及1 1 日j 接损失，则后果不堪 设想。考虑到对柴油机高排放、大功率发展的需要，发动机行业t f 面临着前所未 有的越束越严峻的考验。随着柴油机的使用范围越来越广，使柴油机要适应的工 作环境变得更加复杂、工况更加恶劣。因此，要提高活塞的工作可靠性，非常有 必要进行活塞销孔结构的研究与分析，通过合理的销孔结构设计、与活塞销合理 的配合尺寸设计等，来降低活塞销孑l 的各类失效模式。 3 山东大学硕士学位论文 1 3 活塞销孔结构的国内外研究现状 活塞销孔外形结构、销孔的表面形状、活塞销与销孔之间的应力与摩擦问题， 近年来国内外发表的论文不多，各科研院所、发动机公司的主要精力都放在了整 机性能研究方面，而在活塞以至活塞销孔的外形结构、销孔表面形状、活塞销的 结构等方面做的工作较少。 从所收集和掌握的国内外资料来看，目前国内在活塞销孔结构设计方面一直 保持在7 0 年代的研究水平，而且大多的文献资料数据都是从国外的技术资料翻译 而来，有关销孔疲劳的试验情况介绍较少。据了解，目前国内有活塞销孔疲劳试 验机只有山西大同7 0 研究所、东风汽车研究所和山东滨州渤海活塞股份有限公司 几家，但相关的试验规范、试验结果分析及相关的研究总结数掘少有公开。 国内大多数的活塞公司对于活塞销i l 结构的设计，由于基础研究薄弱和相关 的数掘库参数缺乏，又没有相关的试验手段，没有丌发出可靠的理论依据，不能 独立自主的丌发活塞销孔结构设计程序，主要是对国外的现有的设计方案进行分 析研究，并根掘经验进行对比、模仿设计，然后通过多次的装机试验柬进行修币， 从而最终确定销孑l 尺寸。这样，一是丌发周期长，已不能满足目l j 发动机公司对 活塞的丌发时问要求；另一方面，浪费大量的人力物力，而且存在偶然的因素， 最终确定的设计方案很可能不是最佳方案，潜在的影响发动机的可靠性。 从收集到的资料和作者长期从事活塞设计工作的经验束看，在降低活塞销孔 表面接触应力，提高销孔工作可靠性的方法主要有以下几种：一、改变销孔直径， 如加大活塞销和销孔的直径，来降低作用在销孔上的压应力；二、改变活塞销孔 座的结构形式，和连杆小头的设计相配合，采用梯形、阶梯形等不同的形状设计， 加大活塞销和活塞销i l 之间的接触面积，减小接触应力；三、改变销孔表面的型 面设计，如采用异型锥面销孑l 、带卸载荷槽销孔，椭圆销孔等。四、销孔镶衬套， 如销孔表面采用过盈配合镶入铜合会衬套，以提高销孔表面的承载能力和涧滑条 件，减小摩擦力。在实际的应用中，增大销孔直径和改变销孑l 的外形结构来降低 销孔表面压力的应用的比较多，也比较早；改变销孔表面型面设计早些主要是卸 载荷销孔和椭圆销孔，异型锥面销孔由于受机械加工设备精度的影响，应用的较 晚，国内应用从9 0 年代木j 大量应用；而销孔镶衬套国外应用的较多，国内很少。 一4 山东大学硕士学位论文 对于这些方法，大多数的文献资料只是描述活塞销孔采用何种方法降低了应力， 能够降低多大的应力，但是对为什么采用这种方法，采用这种方法原理的分析计 算介绍的较少。从目前的发展方向和笔者在对活塞设计开发过程有关活塞销孔所 进行的试验结果的分析来看，早些资料提供的理论和分析结果已经和目前实际的 试验结果相差较大。 目前国外活塞设计，如美国f m 、德国m a h l e 、k s 等活塞公司，借助其先进的 模拟分析技术和齐全的测试技术，形成了自己的理论开发体系以及丰富的数掘库 资源，根掘用户提出的发动机技术参数，能迅速的设计出活塞结构包括销孔表面， 一般一次成功，但是对于其中的理论依据、计算方法等介绍的极少。 i 4 本课题来源及主要研究工作 本课题是山东滨州渤海活塞股份有限公司的设计丌发试验研究项目。 由于活塞销孑l 的结构受与之配合活塞销和连杆小头的形状影响，销孔座外形 结构的变化不可能有太大的改变，要提高销孔的承载能力，只能从活塞销孔表面 的设计进行研究。 本文主要针对如何通过改变活塞销孔表面结构设计束降低作用在活塞销j l 上 的应力峰值和与活塞销之问的摩擦力，从而改善活塞销孔的工作状况，提高活塞 的工作可靠性进行研究与探讨。 本论文从以下几个方面进行了研究： 1 、对目前的活塞销孔相关设计、销孔的结构、销孔的失效模式进行归纳， 分析总结其规律性。 2 、利用有限元模拟分析技术，研究分析活塞销孔的受力和变形情况： 活塞变形主要是因活塞各部位的厚度不同，各部位的温度分布不均，在燃气 压力及活塞往复惯性力、侧推力等机械负荷的作用下产生。通过建立三维有限元 分析模型，合理确定力边界条件、热边界条件及约束条件，利用c a e 分析技术， 预测活塞销孔表面承受的热负荷和机械负荷以及变形情况，为活塞销孔的结构设 计提供依据。 3 、选定活塞销孔的外形结构，设计不同的销孔表面形状，利用活塞销孔疲 一5 山累大学硕士学位论文 劳试验机和发溯机台架试验，对不同表面结构设计进行试验，对试验结果谶行分 析对比，研究不同的结构设计对销张承载能力的影响。 4 、对影镝活塞镑建表瑟垂力分毒耪改善镑瑟霹纛瞧豹结筠参数遴露努褥， 在此基础上，掇出更为准确的、符含现代柴油机活塞铺张在工作状态下的变形理 论，同时根搦经验总结出满足高功率柴油机性能要求的活塞销孔表面结构，并给 出计算方法。 嚣鼗，邋道零课题兹碜 究，缨驹诗算辊寿疆元分掇技术，嚣鼹通过镄飘鹣骞 静试验设器，磷究总结活塞镑琵懿竣诗裁律，对活塞翡我袭嚣设计提供理论撰导。 1 5 本课题技术路线 本瀑题锋对蠲鸯提高活塞销孔工 蕈可靠牲静词题，避学活塞有疆元分辨、活 塞销孑l 疲劳试验、发动毒恁台粲试验镰，并对试验绩暴磷究分撰，提出满懋蠢增压 柴油机可靠性疆求的活塞销孔结构设计理论，减少销孑l 的磨损、丌裂现象。通过 本课题的实施，可以提高活塞销孔设计的一次成功率，从而提高活塞的工作可靠 性，缩短产品接向市场的时间，降低试验所带来的巨额开发费用。主要的技术路 线热霓图1 - 1 ： 圈卜1 活塞镑孔结搀研究技术鼹线 6 一 山东大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章主要对活塞销孔的研究背景，活塞销孔产生疲劳破坏的危害性，活塞销 孔结构研究的必要性，国内外研究状况及主要的研究工作等进行了初步的论述。 1 、针对活塞疲劳寿命问题的严重性，描述了活塞的工作环境、活塞销孔的基本 结构和目前的产品现状，初步说明了活塞销孔产生疲劳裂纹的可能性和研究 的必要性。 2 、对国内外活塞销孔的研究现状进行了简述及比较。 3 、对本文主要研究目的进行了细化，为下一步工作丌展打下了基础。 一7 山东大学硕士学位论文 第2 章典型活塞销孔结构特点和失效模式 2 1 活塞销孔相关知识 活塞销孔是活塞的一部分，要分析活塞销孔的结构特点和失效模式，首先需 要对活塞的有关知识进行说明。 2 1 1 活塞组工作条件 1 、承受很大的机械负荷 活塞组承受的机械负荷包括燃气压力p z ，往复惯性力p j 及侧作用力p n 。目 前，汽油机最高爆发压力p z ：约为3 7 5 m p a ，非增压柴油机约为6 - 9 m p a ，而增 压柴油机约为1 3 - 1 8 m p a ，更高的已达到2 5 m p 以上。“”。上述机械负荷不仅数值很 大，且还带有很大的冲击性。由于机械负荷的作用，活塞各部位产生如下应力： 顶部的动态弯曲应力：销孔承受拉压及弯曲应力：环岸承受弯曲及剪切应力“1 。 此外，在环槽、裙部、销孔等部位由于应力的存在，还有较大磨损“3 。 2 、承受很高的热负荷 活塞顶直接受到高温燃气( 一般达2 0 0 0 c 左右) 周期性加热。由于活塞中的热 流，使得温度分却不均 匀。图2 - 1 ( a ) 为平顶的 铝活塞与铸铁活塞的典 型温度分布，图2 - 1 ( b ) 为带燃烧室的铝活塞顶 4 部温度分巾。 a u u - v u 葳婚饫括塞4 0 0 6 1 1 1 1 4 0 0 3 0 u黝 咖k r 勿h 、 扶* 铁措a 韬j 香塞2 0 0 绁黝 3 0 v 纩飞2 0 扩铝活塞 ) 3 0 0 2 0 0 。1 0 0 1 0 0 。2 0 0 ) o o 皤豫 硷燃磁 萄酶曩y 睫 琶 铲肜 罚 簦 艮瓷 紫油机 左半圄) 汽油机 右半图) 幽2 1 ( a ) 平顶的锅活塞与铸铁活塞的典刷温度分布 8 山东大学硕士学位论文 t l ， ， t 、 f、 1 | | 峄 鼬鑫k 厂 、 星 幽2 - 1 ( b ) 带协烧室的锅活塞r 贞部温度分布 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 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 4 0 c 时，易引起润滑油变质结胶，致使活塞环卡 死。 活塞温度是内燃机转速、负荷、燃烧过程和冷却介质温度等的函数“”，见 表2 - i 。 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 2 所列。 3 、磨损严重 ， 工作过程中活塞组的工作表面都会产生摩擦，由于涧滑条件较差，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”“。 由于活塞组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；环槽、销座和裙部的 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被烧蚀、活 塞外圆表面磨损、拉伤等。 9 山东大学硕士学位论文 表2 - l 内燃机工作条件和冷却状况对汽车内燃机活塞温度的影响 上作状奎 t 作状态变化 顶环捂温度变化 转速。( 永爱jl o o t r a i n2 4 i b a r 约l o 甲均有效j j j 以( b 币变) ( 燃烧摩边缘约2 0 ) 5 ，1 0 i h r ( 带冷却油j n 】 ( 戢烧窜边缘约1 5 2 0 ) l 。2 喷射着火点竣逗点 i 曲轴角 ( 燃烧督边缘小于45 ) j 玉缩比 1 个单位4 1 2 冷却荆( 水) 温度i o 8 1 0 冷却刺( 水) 成分5 0 乙二醇5 。1 0 润滑油温度( f i e 槽)l o l 。3 喷嘴在人头 一8 一一l o ( 在一边) 固定喷嘴一1 0 一。3 0 3 06 0 活塞用油冷却油道 ( 燃烧宦边缘一8 0 ) 冷匀j 油温度1 0 4 8 c c ( 在带拎却油道活寨l j )( 能烧室边缘基本相同) 表2 2 活塞内热流与散热的百分比 做出热凝却镪话 自由喷射玲卸 错活塞 蛇形甘冷 却铝括霭 芯铝话合括 龋塞环q i 活瘩奉傩口2 拎却油9 ， 6 2 1 4 4 l 6 4 ， 3 6 6 5 0 妻里兰兰里! i型l! 泣：传人括寒厦的热量口约占燃料总发髌量的2 一4 。 教出热量p = ( ，i 十9 2 9 ，to 。 l j 一2 0 6 5 。7 0 2 8 6 _ 9 2 2 1 2 对活塞的设计要求 ( 1 ) 在保证活塞强度、刚度及散热良好的前提下减小总高度，减轻活塞重量。 ( 2 ) 和活塞环、缸套配合，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： 活塞顶 3 6 0 第一道环槽 2 6 0 1 0 山东大学硕士学位论文 活塞顶内表面2 5 0 振荡冷却油腔内 2 2 0 活塞销孔1 8 0 ( 4 ) 保证导向部分润滑可靠，同时防止润滑油上窜，尽量降低润滑油消耗量。 ( 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间的接触面积要尽可能大，要有良好抗拉缸性能。 ( 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，经济性好。 2 1 3 活塞材料 一、对活塞材料的要求 从活塞的工作条件可看出，为了保证内燃机的良好运行，对活塞合会材料性 能有如下要求“。 l 、密度小 由于活塞工作时是不断的往复运动，为使惯性力尽可能小，这就要求活塞材 料密度要小。铝的密度为2 7 9 c m ，约为铸铁的1 3 ，因此铝就成为活塞用合会 的基本材料。 2 、热膨胀系数小 为降低活塞配缸丑j 隙，活塞合会的热膨胀系数要尽可能接近铸铁气缸。因为 只有这样，才能保证发动机在所有工作温度范围内有个良好的配缸问隙，铸铁的 热膨胀系数约为1 9 x 1 0 1 ，纯铝约为2 4 x 1 0 ，通过添加适当的号会元素， 特别是硅，可将活塞合金材料的热膨胀系数降低到1 7 x 1 0 1 。 3 、好的耐磨性 活塞环是为封闭高压燃气和提供润滑油而设置的，在工作时会对活塞的环槽 造成磨损。因此，环槽区的耐磨性比裙部和销i l 要重要得多。因为大多数活塞是 环槽区的磨损限制了活塞的使用寿命，故合会的耐磨性是重要的。 4 、好的机械性能 山东大学硕士学位论文 活塞在燃气爆发压力及其往复惯性力的联合作用下，使活塞承受高温交变负 荷和热疲劳，尤其是活塞项、销孔和环槽区的工作条件更为恶劣，因此需要采取 一系列强化措施，提高活塞材料的综合机械性能。 5 、好的热传导性 既要考虑到活塞的机械强度，又要照顾到活塞的尺寸稳定性，这就要求活塞 材料的导热性能非常好。活塞用铝合会的导热性是铸铁的三倍，这样，高的导热 能力可将高热负荷区的热量很快传递给冷却油及气缸和连杆曲轴等，因此使得熔 点6 0 0 的铝合金能在与峰值温度高达2 0 0 0 。c 的高温燃气( 平均温度约7 0 0 ) 相 接触的情况下仍能正常工作“”1 。特殊情况下，通过冷却油腔内流动的冷却油可 降低活塞头部的温度“”。 6 、好的加工性能 活塞是精密零件，对尺寸精度和表面租糙度的要求都很高，但活塞铝合会为 具有好的耐磨性而必须制成在相对软的基体材料中含有硬合会相，这种特定组织 结构对刀具磨损严重，因此必须采取技术措施，如通过冶炼方面的措施，使硬合 会相变得尽可能细而均匀，因而使其硬度相对均匀，便于机械加工。 二、活塞的材料型号 根掘活塞对材料的要求，不同的国家有不同的活塞材料标准，但总的束晚， 活塞用铝合会在发展过程中主要形成了如下四类：共晶a 一s i 合会，过共晶a 卜s i 合会，a i - c u - n i m g 合会和a 卜c u s i 合会。在这四类合会中，运用最广泛的是共 晶a 卜s i 合会，由于活塞毛坯成型方式简单，广泛应用于汽油机和柴油机活塞上； 其次是过共晶a i - s i 合会，主要使用在摩托车活塞上。就具体型号来说，目| j i 国 外最常见的是德国m a i i l e 公司的m a h l e l 2 4 、m a h l e l 4 2 和m a h l e l 7 4 ；德国k s 公司 的k s l 2 7 5 和k s l 2 9 5 。国内应用最多的是国家标准材料牌号z l l 0 9 g 。山东滨州渤 海活塞股份有限公司经过多年的研究，形成了自己的b h 系列铝合会材料标准，目 前使用最多的是b h l 2 2 a 、b h l 3 5 、b h l 3 9 、b h l1 2 等。 活塞的材料跟随着内燃机的发展也再发展，随着柴油机向着高排放、大马力 方向发展，为了保证发动机的可靠性，近年来，陶瓷活塞、铸铁活塞、锻钢活塞 等特殊材料活塞的应用越束越广泛，国外，像康明斯公司、卡特匹 i | l 公司使用的 钢顶铝裙铰接式活塞、无锡柴油机厂d l 柴油机新丌发使用的锻钢活塞、上海柴油 机厂新丌发的薄壁铸铁活塞等。 1 2 。 山东大学硕士学位论文 表2 3 滨州活塞公司的不同的活塞材料性能对比 材料型号 材料性能 b h l 2 2 ab h l 3 5b h l 3 9 铝基复合 球墨铸铁 材料 高温抗拉强度 1 0 01 1 01 2 51 4 03 0 0 m p a ( 3 0 0 ) 线膨胀系数a 2 0 5 - 2 1 51 9 5 - 2 0 51 8 5 - 1 9 5 ( 2 0 - 2 0 0 ) 1 8 4 x 1 0 1 0 4x 1 0 “ x 1 0 1x 1 0 x 1 0 呻 体积稳定性 0 0 2 5o 0 2o 0 1 50 0 1 4 耐磨性( 平均磨 损失重g ) 0 0 2 7 90 0 2 5 90 0 2 3 9 0 0 2o 0 1 3 2 2 活塞 b i l b 勺结构特点 活塞销孑l 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孔传给 活塞销，然后通过活塞销再传给连打和曲轴，输出动力。 活塞销孔与活塞销必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。销孔的表 面应力分铂取决于销孔和活塞销两者的变形是否相适应，如果活塞销刚度较大而 销孔处刚度较小，或者相反，则两者变形不能互相适应，结果引起销孔上侧边缘 等处产生严重的应力集中，使销孔丌裂。因此销孔设计与活塞销应统一考虑，要 求活塞销有较高的刚度，减小弯曲变形：要求销j l 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。 2 2 1 活塞销孑l 结构设计要点 一般活塞销孔直径大小决定于销i l 与连杆小头所承受的比压大小及活塞销工 作的应力值。活塞销孔直径参考范围”1 ：汽油机为( 0 2 2 0 3 0 ) d ；柴油机为 ( 0 3 - 0 4 ) d ；强化柴油机趋向于用较大的活塞销直径，约为o 4 d 。( d ：缸径) 在考虑活塞销孔承压面积或长度时，必须同时考虑连卡t 小头要有足够承压面 积或长度。由于连卡t 小头材料一般为钢合会，承受负荷能力高于销孔，且连杆小 头温度较低，因此要把活塞销孔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卡t 小头侧面与销孔座侧面 一1 3 山东大学硕士学位论文 相碰，两者之间要留2 - 5 m 间隙，销孔间距数据范围：汽油机为( 0 2 5 - 0 4 0 ) d ； 柴油机为( 0 3 0 0 4 6 ) dm 1 。 2 2 2 典型活塞销孑l 外形结构 为使作用在活塞项部的气体压力传递到销孔上，而又尽可能不引起活塞变形， 所以在活塞顶部与销孔之间要设置加强筋。典型的销孔座结构如图2 - 2 所示。 l 、单筋销孔座( 见图2 2 ( a ) ) ：销孔座与活塞顶部用单筋连接，由于筋在中央， 因此销孑l 座弹性较差，易在销孔内侧边缘a 点出产生应力集中。 2 、弹性销孔座( 见图2 2 ( b ) ) ：销孔与活塞顶底部用双筋相连，并在销孔上方 可任意设计深浅不同的凹坑，使销孔具有较好的弹性，能降低销孔a 点出的 应力集中。这种销孔外形结构目l j 在铸铝活塞中应用较广，主要用在非增压 柴油机活塞和汽油机活塞上。 3 、刚性销孔座( 见图2 2 ( c ) ) ：这种加宽的销孔传力情况好，活塞变形小，铸 造和锻造工艺行均好。但销孔座刚性大，难以适应活塞销的变形，易在销孔a 点出产生应力集中，需要采取措施降低高峰应力，锻造活塞与内腔较小的活 塞多采用这种结构。 窜肆嗣 睁富曰 剀2 - 2 销库结构 ( a ) 单筋销孔庠( b ) 域筋销孔庳( c ) 刚性销孔座 ( d ) 斜面销孔庠( e ) 阶梯销孔库( f ) 镶衬套销孔庠 1 4 山东大学硕士学位论文 4 、斜面销孔座与阶梯形销孔座( 见图2 - 2 ( d ) 、( e ) ) ：这种销孔座能增加连杆小 头支撑面的长度，降低活塞销与连杆小头衬套的比压；支撑面延轴向长度有重 叠，减少了活塞销的弯曲变形；缩短销孔座上部间距，降低销孔座根部与顶部 过渡圆角处的应力。这种结构是提高活塞销孔承载能力的有效办法，一般可使 销孔承载能力提高1 5 2 0 ，所以普遍应用在强化柴油机上。 5 、镶衬套销孔座( 见图2 2 ( f ) ) ：销孔压入锻铝或青铜套，使得在不提高活塞 销直径的情况下，能提高销孔的承载能力。这种结构主要用在二冲程柴油机及 高速强化四冲程柴油机上。 2 2 3 典型活塞销子l 表面结构 一、汽油机活塞销孔表面结构 汽油机的爆发压力相对于柴油机来说较低，一般在3 7 5 y p a 之问，因此作用 在活塞销孔处的压力不是很大，而且从汽油机活塞销孔的失效模式统计来看，销 孔丌裂的机率很小，主要的失效模式是销孔表面拉毛、拉伤，因此，汽油机活塞 销孔表面设计主要在于改善表面的润滑状况。常用的销孑l 表面的润滑结构如图 2 3 所示，图( a ) 、( b ) 和( c ) 为油孔涧滑，主要用于四冲程内燃机：图( d ) 是销孑l 两侧 增设油槽， 图( e ) 是在 销孔中设计 许多油槽， 以储存润滑 油加强润 滑，主要用 于二冲程内 燃机。 1 厂、f 心抄 i 厂、f 迸戋 i ， v 、i 懿_矿 i ( 口)( 占， ( f ) 蟛坳 ( j ) “】 幽2 - 3 销孔的润滑方式 ( a ) 、( b ) 和( c ) 为油孔润滑：( d ) 、( e ) 为油枘润滑 1 5 山东大学硕士学位论文 二、柴油机活塞销孔表面结构 对于柴油机活塞，当和其相互配合的活塞销、连杆小头的尺寸已确定时，由 于受结构的限值，活塞销孔座的结构可变化的余地不大。当发动机爆发压力确定 时，作用在活塞销孔上的压力值已确定。对于高增压柴油机，销孔处的应力值已 超过了6 5 m p a 以上。为了防止活塞销孔丌裂，就只能通过改善销孔表面的结构设 计来均匀分布压力，使作用在活塞销孔表面各处的压力基本一样，避免在局部出 现应力集中而导致活塞销孔丌裂。 从理论上浼，活塞工作时，由于顶部燃气压力的作用，活塞和活塞销都要发 生弯曲变形，变形的规律是如图2 - 4 所示。 p g 幽2 5 异刑销孔的设计 ( a ) 椭圆形销孔；c o ) 卸载荷销孔；( c ) 喇叭形销孔 一1 6 山东大学硕士学位论文 l ，椭圆形销孔，其椭圆值一般为0 0 1 5 - 0 0 4 m m ，为销孔提供变形条件，可 降低应力集中约1 0 。 2 、卸载荷销孔，又称离隙销孔，其设计思想和椭圆形销孔基本相同。 3 、喇叭形销孔，又称锥形销孔，使降低应力集中最有效的办法，可降低应力 集中约3 0 。锥度值一般取0 0 0 5 - 0 0 3 m m ，具体数值根据发动机的燃气压 力下活塞销的变形和活塞的变形及有利于销孔的磨损来确定。 2 3 活塞销子l 失效模式 活塞顶所承受的气体压力通过活塞销孔和活塞销传给连杆，由于结构上的限 制，活塞销直径不可能超过活塞直径的4 0 “”。活塞销的承压面积还要在活塞销 孔与连卡t 小头衬套之间合理分配，结果不论在活塞销孔与活塞销之间，还是活塞 销与连杆之间，承压面积都极为有限，表面上的比压是内燃机所有零件中最高的。 加上活塞销与活塞销孔或活塞销与连杆小头衬套之间的相对运动速度很低，液体 涧滑的油膜不易形成，容易在活塞销孔表面产生干摩擦，造成损坏“”。活塞销孔 的失效模式主要有： l 、销孔表面拉毛，主要是由于活塞销与销孔表面之日j 的润滑油膜破坏，首 先在销孔表面的加工刀纹的波峰处产生，继而扩展到整个活塞销孔表面， 如图2 - 6 所示。这种失效模式主要发生在活塞的初期磨合阶段； 图2 - 6 销7 l 表面拉毛 2 、销孔丌裂，主要是由于作用在活塞销孔处的机械应力过大