张伟的文献综述

1、活塞设计及相关技术应用的进展状况(重庆汽车学院车0745-2张伟)摘要：活塞做为发动机的心脏，社会对设计活塞要求越来越严格。本文主要从活 塞结构设计的一般流程、未来活塞设计的方向、以及有限元技术在活塞开发中的 应用三个方面阐述了目前国内外活塞开发的现状.。关键词：活塞 有限元分析 内燃机Abstract： as the heart of the internal engine, the society is strict with the design of piston。the article is setting forth at three sides(the process of de

2、signing a piston，the future of piston design，the application of the finite element analysis)to introduce the exploitation of piston .Keywords: piston finite element analysis IC Engine引言内燃机严酷的内部温度环境和负荷条件使得传统的设计实验很难取得令人 满意的效果，活塞作为内燃机的心脏，一般要承受几种载荷的同时作用，为确保 设计目标的实现、为了适应不断增长的高压环境和提高产品的强度和耐久性要求 以及设计中的寿命要求

3、，需要采用先进的设计和分析手段。而且其设计不仅要满 足发动机的性能要求，还要考虑其经济性。当今发动机愈来愈向高功率、高速、 低油耗方向发展，社会对降低发动机噪声和废气净化的要求也日趋严格。下面就 一般活塞的设计作简要介绍。设计的流程1.1产品分析活塞位于发动机的心脏，一般要承受几种载荷的同时作用。在发动机运行的 每个循环中燃烧产生周期性压力载荷，通常定义为“高周”分量，燃烧也产生热 载荷，为静态载荷，与发动机功率有关，并随发动机功率变化而变化，通常定义 为“低周”分量。活塞往复运动产生惯性载荷，活塞与缸体之间摩擦而产生摩擦 载荷。需要对活塞所在的发动机工况分析【1】：1、稳定态分析:一般式千让

4、表连续地全速度、额之功率或最大扭矩条件， 机械载荷叠加到常量热载荷上。2、瞬时态分析:发动机输出功幸变化，机械载荷叠加到波动热载荷上，这属于非常复杂的情况，需要考虑高周和低周应力分量。1.2活塞的结构设计活塞的基本结构可以分成三部分：头部、 裙部和销座。四冲程摩托车、发动机的活塞顶多用 平顶。为了防止活塞顶在上止点时与气门头部相 碰，往往在顶面上与气门对应部分有凹坑。依靠设 计和制造技术，现代内燃机普遍采用三环短活塞。 图5-1表示出了汽油机平顶活塞的各部分。图-1四行程汽油机活塞各部分的尺寸比例1.2.1活塞头部的设计活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把 它传给

5、连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此，其设计要点为：尽可 能改善活塞顶和第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结，以及环槽过度磨损。 1.2.2活塞裙部的设计活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。活塞裙与气缸直接 接触并高速滑动，同时承受由于连杆摆动所产生的侧压力PN。活塞裙部的设计要求有：保证活塞在缸内得到良好的导向；具有足够的承压 面；能形成楔形润滑油膜；与缸孔的间隙适当，既不过大引起活塞敲击噪声，也 不过小造成咬缸。1.2.3活塞销座活塞销座的应力分布取决于销座与活塞销两者的变形是否互相适应，如果活 塞销刚度较大而销座刚度较小，或者活塞销刚度小而销座刚度大，则两者变形不

6、 能互相适应，结果引起销座内孔上侧边缘等处产生严重的应力集中，致使销座裂 开。因此，活塞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 少活塞销的弯曲变形，而活塞销座能承受很高的压力，又要具有一定的弹性，使之适 应活塞销的变形。一般来说销座外圆直径取d=(0.320.42)D，内径d厅(0.250.60)d。1.3活塞优化在活塞设计阶段，可用有限元法计算活塞温度场热应力和热变形，对设计方案进行优 化。从活塞温度场确定活塞各部的热流分配情况，以及对热应力和机械应力的有限元分析多 合成可以评定是否满足技术要求。2.活塞设计的研究方向当今发动机愈来愈向高功率、高速、低油耗方向发展，社会对降

7、低发动机噪声 和废气净化的要求也日趋严格，这就要求活塞必须具备以下几种性能【2】：良 好的耐久性，摩擦最小，产生废气污染最小，噪声最小，给活塞环提供 稳定工作的环槽条件。这些要求在不同穆度上随发动机的动力性而定，也取决于 在活塞设计时以及在以后的设计开发中对裙部刚性、配缸间隙与活塞型线之间综 合内在关系如何解释与确定。对于活塞材料，优先推荐的是单金属，单金属活塞 的吸引力是质量轻、成本低和具有良好的导热性，内嵌式活塞虽然能获得类似的 性能，但在质量和成本上欠缺些。活塞保险系数的确定取决于发动机的用途，作 为基础研究的发动机应不带有一点风险，对于发动机了解越少，时间越紧迫，推 荐值越保守，对于其

8、他用途的发动机可采用中等或较大的风险系因此活塞在保持其高可靠性的同时要求其更轻、摩擦损失更低。对于汽油机 活塞而言，采用超短裙的锻造铝活塞是未来的发展方向和目标【4】，图2为超短 裙的锻造铝活塞。对于轿车用柴油发动机，使用铝基复合材料能很好地适应未来 轿车柴油机的高爆发压力、高耐磨的设计要求。而对于重型车用柴油机而言，由 于不能适应高爆发压力（大20MPa）的需要，锻钢活塞会逐渐地取代铝活塞而 成为设计的主流。从活塞的工作条件可看出，为保证内燃机的良好运行特性，对活塞合金材料性能有如下要求【5】：1 .密度小由于活塞工作时是不断往复运动，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

9、为2. 7g/cm3，约为铸铁的1/3，因此铝就成为活塞用合金 的基本材料。热膨胀系数小为降低活塞配缸问晾，活塞合金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间隙。铸铁的 热膨胀系数约为9Kelven，纯铝约为24Kelven，通过添加适当的合金元素，特别 是硅，可将活塞合金材料的热膨胀系数降低到17Kelven，余下的差值 现一般是通过铸入可控膨胀钢片来补偿。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孔要重要得多，因为大多数活塞是 环槽区的磨损限制了活塞的使用寿

10、命，故合金的耐磨性是重要酌。好的机械性能活塞在燃气爆发压力及其住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，尤其是活塞顶、销座和环榴区的工作条件更为恶劣，因此需要采取 一系列强化措施，提高活塞材科的综合机械性能。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 材料的导热性非常好。活塞用铝合金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铀等，因此使得熔点 枷Y的铝合金能在与峰值温度高达2咖飞的高温燃气（平均温度约700Y）相接触的 情况下仍能正常工作。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

11、的温度。好的加工性能活塞是精密零件，对尺寸精度和表面粗糙度的要求都很高。但活塞铝合金为 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金相，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，如通过冶炼方面朗措施，使硬合 金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。活塞有限元分析3.1活塞温度场计算温度场分稳定温度场和不稳定温度场，对于工程设计人员来说，了解活塞温 度场的分布是非常重要的。内燃机活塞在运行中可近似认为处于稳定工况下，除 接近活塞表面极薄的一层外，均可认为温度分布与时间无关，因此可近似把活塞 的温度分布当成稳定温度场。活塞的温度可以通过试验测试和计算求得

12、。如 果采用试验测试活塞的温度，由于测点布置有限，试验难度大，而且只能测得活塞 表面一些点的温度。如果采用有限元计算方法对活塞进行温度场计算，则可以总 观活塞温度分布的全貌。特别是在内燃机的设计阶段，还根本谈不上实际测试， 此时针对各种设计方案计算得到的温度场，则可作为选择设计方案的参考。3.2活塞热应力应变分析内燃机活塞在工作过程中，不仅因爆发压力等机械载荷而产生机械应力，而 且还由于受热极不均匀，活塞顶部、环岸区和活塞裙部间的温差很大，导致活塞内 部产生很大的热应力。活塞的热应力是一个非常突出的问题,在某种情况下比机 械应力大好几倍，因此在分析活塞时必须考虑活塞的热应力。活塞的热应力也是

13、研究活塞热强度的前提，在求得了活塞温度场后，将各点温度作为已知值,计算活 塞的热应力和热变形。活塞的设计人员通过计算活塞的热变形，可以了解在高温高 压下活塞在气缸中具有的形状,从而在设计时对活塞进行优化改进。而热变形也 是设计活塞形状和尺寸时的重要参考资料，可由此确定活塞与气缸套间的合理装 配间隙。3.3活塞传热分析传热分析可分为稳态传热和瞬态传热两种方式。稳态传热中系统的净热流率 为零，系统内任一节点的温度不随时间变化。瞬态传热中系统的温度、热流率、 热边界条件以及系统内能随时间都有明显的变化。活塞的传热分析是研究活塞传 递自高温燃气吸收热量的过程，了解活塞热流情况，从而能够定量地分析活塞自

14、 燃气吸收来的热量按怎样的方式传给冷却介质。稳态传热分析和模拟相对简单，温度场和热流参数易计算求得，而瞬态传热操作 起来很复杂,研究难度大。在瞬态传热分析研究中，实际工况下的每一循环中，要 求活塞的有限元计算网格随时变化，即对应每个时间步长必须能够随着时间的变 化自动生成新的有限元网格，而且对应每个新生成的计算网格都能给出新的边界 条件做一次有限元分析，因此对计算机硬件和软件的要求都很高。瞬态传热分析 研究在国外一直是内燃机研究的中心课题。3.4活塞机械负荷和热负荷耦合分析活塞在高温、高压、高速的工作环境中，热变形和热应力的分布对其影响很 大;但燃气爆发压力和活塞往复运动的惯性力等机械应力对其影响也不可忽略； 因此为了能更真实地反映活塞应力分布，需要综合活塞热应力和机械应力的双重 作用耦合分析求解。在对活塞进行热应力和机械应力耦合分析时，目前通常是先 对活塞施加机械载荷、位移载荷和约束并完成力学平衡，然后将活塞温度场的分 析结果转化而来的温度载荷也加载到单元中，从而进行机械负荷和热负荷的迭加 耦合分析。【67】结论：活塞的设计越来越严格，朝着耐摩擦、质