汽油机活塞结构设计及分析.pdf

6内燃机与配件 2 0 1 0 年第8 期 汽油机活塞结构设计及分析 王树青1 郑洪国2 1 烟台中集来福士海洋工程有限公司2 山东滨州渤海活塞股份有限公司 摘要 根据样机参数在结合整体铝合金活塞基本设计规律的基础上完成了活塞结构设计 并 建立了活塞组件的三维模型 确定了活塞组件温度场 应力分析计算过程中的边界条件 采用接触 对方法完成了活塞热分析 热机耦合分析及疲劳分析的数值模拟计算 为台架试验验证和产品设 计定型打下良好的基础 关键词 活塞结构设计有限元分析疲劳 O 概述 活塞是内燃机的重要零部件之一 它的工作状 况直接影响到内燃机的性能 工作可靠性和排放等 指标 尤其是随着客户对发动机性能的要求越来越 苛刻 产品推向市场的紧迫性1 3 趋迫切 活塞的设 计合理与否成为制约发动机开发成败的关键因素 如何在项目初期 在保证发动机性能的前提下能较 快的设计出接近目标参数的活塞组件 并准确的分 析出活塞各部位结构强度 进而评价出所设计活塞 各部位的疲劳寿命指标 将为台架试验验证和产品 设计定型打下良好的基础 本文以某N 型汽油机活塞的设计开发为例 在 结合整体铝合金汽油机活塞基本设计规律的基础 上 采用C a t ia 软件完成了活塞初期的结构设计 并 建立了活塞组件的三维模型 利用A n s y s 软件进行 了活塞组件的网格划分及数值模拟计算工作 通过 对活塞组件的温度场 应力场和安全系数等进行模 拟计算 在结构强度上保证了该轿车活塞的结构可 靠性 1 活塞结构设计概述 某N 型样机的基本性能参数为 欧I I I 轿车汽 油机 直列4 缸 水冷 4 冲程 电子节气门 行程 7 7 4 m m 缸径为8 3 m m 压缩比1 0 标定功率为 7 5 k W 5 5 0 0 r r a in 排量1 7 L 活塞为全新设计 1 1 结构形式 针对样机的性能参数活塞设计采用平顶 考虑 到气门 火花塞的位置 以及保证压缩比为1 0 活塞 顶确定为 凹坑形燃烧室 喉口R 1 过渡 活塞顶厚度 为6 3 m m 活塞顶部向环区的过渡设计成 热流型 断面 以利于传热 减小活塞的热负荷 头部设计两道气环槽和一道油环槽 油环槽内 有回油槽 裙部为椭圆形 活塞销孔的中心线偏向 发动机的主推力侧 减少了活塞通过上止点换向时 的敲击 第一道环槽到活塞顶的距离即顶岸高度h 根据热负荷确定 在保证第一道环工作可靠的条件 下 尽量缩小h 以力求降低活塞高度和质量 这里 取h 7 m m 活塞示意图见图1 根据头部受热膨胀和机械变形 活塞采用锥形 一椭圆形方案 如图2 将头部型面设计成上小下大 的锥形 椭圆度为0 1 0 m m 长轴在与销孑L 垂直方向 的椭圆锥形 这样可以大大减小活塞头部与气缸套 的配合间隙 燃气热量能够较容易地传递到缸套 减小燃气的流通面积 从而增强传热效果 防止引 起擦伤 拉缸等不良后果 在保证工作可靠的情况 下 缩小间隙量 能改善环岸对缸壁的传热 减小有 害容积 改善C O H C 排放 国外有关发动机试验数 据表明il l 2 I 当活塞火力岸配合间隙从0 4 2 m m 增加 到1 O m m 时 环槽底部温度将增高1 0 1 5 q C 其他 部位温度将增加4 6 因此减小活塞与缸套的配 合间隙 是有效降低活塞温度的 项结构技术措 施 1 2 活塞材料及毛坯 由于活塞的工作条件恶劣 对于活塞材料 要 王树青郑洪国 汽油机活塞结构设计及分析7 求其具有较高的机械性能 高温强度和导热系数 较小的线膨胀系数 密度以及良好的减摩性 耐磨 耐蚀性能等 该活塞采用共晶硅铝合金材料 硅含 量1 l 一1 3 并添加少量的M g M n C u 等元素 合 金中硅元素能使线膨胀系数和密度下降 耐磨性 耐蚀性 硬度 刚度和疲劳强度提高 铸造流动性改 善 活塞毛坯用金属模铸造 以保证毛坯具有良好 的铸造质量 3 I 活塞毛坯出炉后进行热处理 消除活塞铸件的 内应力 增加体积稳定性 强度和刚度 热处理后 H B W 硬度为1 0 0 1 3 0 体积稳定性0 0 2 D 常温 抗拉强度大于1 9 6 M P a 高温不小于6 9 M P a 活塞表面处理方法 表面镀锡 以改善活塞与 缸壁的磨合性能 图1 活塞示意图 图2 活鬈型线不意图 2 活塞有限元计算模型的确立 与基于试验的方法相比 有限元计算能够提供 零部件表面的疲劳寿命分布 可以在设计阶段判断 零部件的疲劳寿命薄弱位置 避免不合理的寿命分 布1 4 1 5 对活塞的应力与变形作三维分析 通常多采用 1 4 的活塞摩擦副组模型1 4 1 这主要是为了计算简便 而采取的简化措施 5 1 并且可以非常容易的施加位 移约束 由于活塞的结构较为复杂 为避免计算结果的 不收敛性 应对细微结构予以简化 建立相对准确 的几何模型作为研究对象 利用法国D a s s a u l t 公司 C a t ia V 5 R 1 8 软件 建立活塞三维模型 如图1 所示 Z 轴为活塞中心线 X 轴为销孔中心线 取活塞 活 塞销和连杆小头的四分之一模型为有限元分析模 型 活塞网格划分采用1 0 节点的4 面体实体单元 和销 连杆划分采用2 0 节点的6 面体实体单元 在 进行应力分析的边界条件设置中 活塞和活塞销之 间 活塞销与连杆之间定义为有摩擦的接触对 利 用A N S Y S 软件 活塞有限元单元划分如图3 所示 图3 淆墨有限7 1 单兀划分 3 活塞热分析 热机耦合分析及疲劳评 价 活塞作为发动机的主要受热件 具有受热面积 大 散热条件差的特点 其机械负荷与热负荷是影 响活塞结构 关系发动机性能的主要因素 热应力 与机械应力迭加可导致活塞破坏 而热变形与机械 变形迭加可导致拉缸等现象 热负荷往往成为柴油 机进一步强化的障碍 求得活塞温度场的数值解 可为考虑热应力和热变形的活塞优化设计提供依 据 3 1 活塞热分析 热机耦合分析边界条件的确定 1 在温度场的计算过程中 边界条件确定的 正确与否将直接影响计算结果与实测结果之间的 差异 从而影响到模拟计算的活塞热应力的准确 性 a 活塞温度场计算通常采用第三类边界条件 确定分析中的热传导系数等初始条件 使得每一节 点的热平衡方程具有唯一解 即首先假定已知物体 相接触介质的温度和换热系数 b 活塞的传热是 个复杂的过程 其热边界条 件包括活塞顶部 火力岸 环槽 内冷油道和内腔 等 其中最为复杂的是活塞顶部换热系数的确定 2 作用在活塞上的机械负荷有燃气压力P z 往复惯性力P i 销座孔内表面的支反力P i以及裙部 的侧压力P N 载荷处理选用活塞工作最危险时一最 8 内燃机与配件 2 0 1 0 年第8 期 大燃气压力时为计算工况 作用在活塞顶面的气体 压力按均布处理 最高燃气压力P z m a x 6 1 4 M P a 计 算时假定气体压力的9 0 j J I 于第一道环槽 2 0 的 气体残压加于第二道环槽 作用在活塞销座内表面 的支反力沿轴向呈线性分布 沿圆周方向呈余弦分 布 侧压力沿活塞轴向由上至下按线性分布 在垂 直于活塞轴的圆周方向呈余弦分布 其处理方法与 对销座支反力的处理方法相同 3 将活塞温度场的分析结果也加载到单元 中 进行机械负荷和热负荷的耦合分析 4 计算时进行了位移约束处理 两对称平面 上的结点受到约束 其对侧面方向上的结点位移为 零 同时为了防止活塞轴向的刚性位移 取活塞销 座内侧余弦作用角 p 1 8 0 0 处的轴向位移为零 3 2 活塞结构有限元计算和分析 1 活塞有限元分析和疲劳评价如下 a 热负荷导致了活塞内部的温度分布 活塞 关键部位的温度计算值如表1 所示 计算的活塞温 度分布 热应力 热变形如图4 一图6 所示 表1 活塞关键部位的温度 活塞部位温度计算值o C温度许可值 燃烧室2 9 7 3 7 5 第一环槽2 0 8 2 2 0 销座2 3 6 2 4 0 销孑L 2 1 02 3 0 裙部1 6 51 8 0 b 由热负荷和机械负荷共同作用的复合最大 主应力 复合变形如图7 一一图8 所示 图6 热变形分布 2 活塞疲劳寿命预测如图9 所示 活塞疲劳 系数 5 0 0 小时 如图1 0 所示 活塞关键部位的疲劳 系数如表2 所示 圈9 疲劳寿命预测图1 0 疲劳安全系数 表2 活塞关键部位的疲劳系数 活塞部位 预测值 许可值 燃烧室 1 7 0 31 3 第一环槽1 7 4 21 3 销座1 2 91 2 销孔 1 6 6 41 6 裙部2 7 2 7 1 5 3 3 通过分析可以看出 1 活塞最高温度是燃烧室2 9 7 工作温度处 于设计范围之内 活塞热流分配合理 活塞顶部和 环槽区热负荷适当 不会造成局部过热 2 活塞顶部受到拉 压应力的共同作用 3 计算表明活塞径向位移量数值合理 有效 地保证了活塞正常润滑和良好工作 4 由活塞的应力分析可以看出 活塞热应力 与机械应力对活塞不同部位的影响有所不同 热应 力主要集中在活塞第一环槽和活塞头部 机械应力 主要集中在活塞销座的棱缘处 活塞的热变形和由 于机械力而使活塞产生的变形方向相反 可以利用 热变形来削弱由于机械变形而引起的活塞销座棱 缘负荷 5 活塞疲劳安全系数较高 在工作周期内消 除了疲劳破坏的隐患 4 试验验证 为了验证热分析边界条件设置的合理性 将样 件装机进行了温度场试验 实验结果见表3 王树青郑洪国 汽油机活塞结构设计及分析 9 表3 活塞温度测试结果 测点1 缸2 缸3 缸4 缸 l 点2 8 92 8 92 8 62 8 6 2 点2 5 82 6 02 5 92 5 l 3 点2 5 52 5 92 5 42 5 5 4 点2 4 22 5 02 5 12 4 5 5 点2 5 0 2 6 0 2 5 6 2 5 9 6 点 2 4 02 3 42 3 92 3 7 7 点 2 3 12 3 22 3 02 2 9 8 点2 3 32 3 32 3 22 3 4 常复杂的过程 在活塞可靠性的各种因素中 热负 荷 材料性能 润滑不良所产生的粘着现象等对活 塞可靠性产生较大的影响 更主要的因素则是活塞 结构设计的合理性 活塞设计过程中采用热负荷与 机械负荷的协调性设计原则有利于提高产品的可 靠性 提高设计开发成功率 降低产品研发成本及 使用成本 三维有限元计算能有效地表征高速汽油机活 塞的温度 应力和应变情况 为设计提供理论依据 利用有限元计算对活塞的热负荷和机械负荷状况 进行预先评估是一种有效的手段 参考文献 1 W o o d w a r dAJ H o h mP M a b b e yA E n g in e I n s t r u m e n t a t io nf o rP is t o nS y s t e mD e v e l o p m e n t C T N S y m p o s iu m1 9 9 5 P a p e r l8 2 张朝 汽油机轻型活塞 经验交流 1 9 8 4 1 5 3 7 3 图1 1 测点布置图 3 赵士博 冯增建等 陶瓷纤维增强铝基复合材料活塞的研 从结果看 测量数据与有限元分析数据基本一究 材料 工 设簟 2 0 1 1 2 5 2 8 致 基本反映了所测部位的活塞温度场 验证了有 竺嚣譬篙 萼言内燃机设计申的应州m 北裁机械 限元分析边界条件输入的合理性和计算的准确性 1 5 郑永刚甫限元分析活塞温度场 山东内燃机 1 9 9 5 4 活塞能够满足该温度下的使用要求 作者简介 5 树青 1 9 7 4 一 男 汉族 山东利津人 硕士 工程 5 结语师 主要研究方向为发动机 活塞 试验及活塞优化设计 海工 活塞的机械变形及热变形情况分析是一个非 行业大型模块的吊装模拟及分析 上接第5 页 验手段 国产试验台一直存在问题 建议组织相关 科研院所 滤清器企业和试验台制造企业立项联合 攻关 尽快解决这一问题 3 3高性能的国 柴油滤纸是研发国 柴油滤清 器的关键原材料 目前国内滤纸生产企业尚不能生 产高精度 大容尘量 高水分离效率的复合柴油滤 纸 这导致目前国内使用的国 柴油滤纸 基本上 都是从国外进口 随着市场的逐步扩大 滤纸的用 量逐渐增加 全部依赖进口 不仅增加了产品的成 本 也制约了滤清器企业的发展 有必要组织相关 大专院校 科研院所和滤清器企业 共同攻关研发 国 柴油滤纸 4结语 国 及以上排放柴油机 对为其配套