【《某汽油机活塞轻量化设计案例》5800字】

某汽油机活塞轻量化设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21774某汽油机活塞轻量化设计案例 1285871.1设计背景及来源 112531.2发动机基本参数 1314121.3活塞设计流程 227541.4活塞的材料选择 241791.5活塞结构设计 3327391.5.1活塞总高 430971.5.2活塞内腔顶设计 59481.5.3活塞环背凹腔设计 53501.5.4活塞销孔及销座设计 6285131.5.5活塞裙部设计 8294461.5.6活塞结构改进分析 10140791.6活塞表面处理 1057711.6.1活塞环槽阳极氧化 10278881.6.2裙部涂层 11256811.7小结 121.1设计背景及来源现阶段内燃机面临前所未有的挑战。在未来内燃机行业的发展过程中，如何做到节能减排，提高发动机性能将成为行业亟需解决的课题。活塞在发动机中处于最恶劣的位置，高的燃气压力，高的温度负荷，对活塞的可靠性提出来挑战。本章主要研究了一款75缸径汽油机活塞的轻量化设计。1.2发动机基本参数在活塞设计开发过程中，需要与发动机工程师多交流，多联系。发动机参数是活塞设计的基础和重要依据，根据参数大小以及活塞前期的设计经验，才能更好地选择活塞的结构，确定活塞轻量化的方向，发动机的主要参数如表1.1所示。通过活塞的参数可以看出，活塞功率和爆压都比较大，转速高，性能要求比较高，这也对活塞轻量化带来了很大的难度，需要综合考虑。表1.1发动机参数序号项目单位参数值1发动机结构形式直列、四缸2缸径/行程mm75/863额定功率kW1104额定转速r/min60005设计爆发压力MPa106升功率kW/L737压缩比118发动机用途乘用车9燃料汽油10排放指标国6b11寿命100万公里（b10）1.3活塞设计流程渤海活塞有着多年的活塞设计经验，图1.1为常用的活塞设计流程，该流程广泛应用实际生产中，并取得了很好的效益。图1.1活塞设计流程图1.4活塞的材料选择随着发动机强化程度的提高，初始的共晶铝硅合金材料的强度已不能满足需要，特别表现在高温强度，活塞选用了新型铝合金材料。新型材料添加微量元素锆等元素有效细化了合金组织，强化了合金元素，高温抗拉强度明显提高。添加了硅、镁等元素提高了活塞的耐磨性。改进活塞材料线膨胀系数降低初始活塞材料与改进活塞材料对比如图1.2和表1.2所示。(a)初始活塞材料金相(b)改进活塞材料金相图1.2材料金相组织表1.2活塞材料性能材料性能初始方案材料改进方案材料高温(300℃)抗拉强度(MPa)83100常温抗拉强度(MPa)196200体积稳定性(%)≤0.025≤0.025硬度(HBW)100-130-105-135材料密度（g/cm3）2.72.7热膨胀系数（1/℃）22x10-621x10-61.5活塞结构设计活塞初始设计方案，活塞重量245g；根据客户要求，此次优化目标值为220g。重量减轻25g为改进方案，在重量减轻的同时，各部分结构必须满足强度要求，本次改进面临不小的挑战。如图1.3及表1.3所示，针对目前类似汽油机活塞订单情况及结合其结构分析，结合以上统计结果显示，以下五种极限减重优化设计方案在现有活塞结构基础上优化利用空间比较大，尤其JZ5减重方案可利用空间最为明显。图1.3活塞轻量化方案统计表1.3活塞轻量化方案说明减重优化方案JZ1JZ2JZ3JZ4JZ5改进说明主次推力侧由对称设计改为非对称设计减小活塞总高度活塞头部增加环背凹腔设计减小活塞销长度弧形或平行顶面改进为均匀等顶厚1.5.1活塞总高活塞总高与缸径有关，活塞压缩高以及活塞裙部长度确定后，活塞总高也就基本确定。活塞压缩高度直接对汽油机活塞以及发动机体重量产生影响，压缩高设计也越来越小，但也不能一味减小，压缩高度变小后，活塞头部以及销孔热负荷升高，强度也会下降增加活塞失效的风险。活塞压缩高的最小值由环槽数量，环岸高度以及活塞销孔大小综合决定。活塞的火力岸高度越大，一环槽所受热负荷越小，但却不利于汽油机的燃烧以及排放。需要与客户综合考虑发动机冷却以及散热，水套位置后确定。活塞二环岸受到一环的拍击，是活塞环岸断裂的主要位置，设计时主要考虑强度影响，后期通过热力学分析验证强度，活塞火力岸及二环岸影响因素较多，很难减少高度。活塞三环岸相对受力比较小，距离活塞头部较远，热负荷也较小，三环岸很少发生因为强度不足引起的失效，三环岸高度可以适当减小。目前同类型活塞三环岸最小为2.2mm，活塞裙部主要受到侧向力。足够的裙长可以使活塞运行平稳，减小裙部面压，从轻量化角度考虑，活塞裙长可以缩短，但最小不能超过活塞直径的40%。综合以上两点，改进活塞裙长由30.5mm减小为30mm，在裙部下端可以设置避让弧避免与平衡块发生干涉，也有减轻重量的作用。综合以上几点，活塞总高由初始48mm减小为47.2mm，通过此次更改，活塞重量减轻2.5g。1.5.2活塞内腔顶设计活塞顶部燃烧室为半球形，这种燃烧室结构紧凑能够提高燃烧速率，降低燃烧室的面容比。该燃烧室与活塞顶面过度良好，避免热点的形成，并且可利用车削回转加工，燃烧室表面光洁度好，燃烧室加工简单有利于提高生产节拍，在汽油发动机上应用广泛。活塞顶厚需要满足承受燃气压力以及爆燃爆震而不发生开裂；活塞内腔顶采用大圆弧过渡，这种设计既有良好的散热也能避免尖角，避免顶部烧蚀；内腔顶还需要与连杆小头保证间隙不发生干涉，根据顶厚计算公式，对于缸径75mm活塞，顶厚最小4.875mm，考虑到发动机负荷较高，对比数据库同类型活塞，设计顶厚5.5mm。活塞初始方案内腔顶部采用平面结构，活塞边缘位置，最大厚度可以达到7.5mm。优化方案内腔顶部采用图1.4所示等强度设计，内腔顶部随燃烧室的改变而改变，保证活塞顶部每一处壁厚都在5.5mm，这种结构不仅对活塞顶厚强度没有影响，而且增加了散热面积，采取这种等强度设计，活塞重量减轻5g。(a)初始方案(b)改进方案图1.4活塞内腔改进1.5.3活塞环背凹腔设计活塞初始设计没有环背凹腔设计，环背凹腔是去除不必要的材料，来达到轻量化的设计。经模拟分析该减重腔体积占到活塞整体体积的5％-10％，环背凹坑首先要保证的是活塞强度可以满足要求。环背凹腔需要保证到活塞环槽底部的不小于2mm，这一部分需要通过后期进行热力学分析来确定该部位的强度是否可以满足需要；而且环背凹腔需要铸造工艺来保证，需要设定合适的出模角度和深度，α最小为9°，有利于铸造时出模。同时环背凹腔采用弧面设计，这样可以满足强度以及工艺的要求。活塞裙部上侧设计较窄可利于环背凹腔的布置，活塞轻量化设计环背凹腔结构，对环槽的支撑会有一定影响。活塞环与活塞环槽贴合不好，这可以通过在环背凹腔添加支撑筋来改善。通过该设计，活塞减轻重量8.2g。具体形状见图1.5。图1.5环背凹腔方案1.5.4活塞销孔及销座设计活塞高爆压以及轻量化的设计要求，活塞销孔的负荷都在上限，所以在传统活塞销孔的设计之上，需要增加一些优化设计来减小销孔比压，优化销孔的应力分布，减小销孔开裂的风险。（1）销孔直径随着发动机强化程度的提高，汽油机活塞销孔直径可达到气缸直径的30%，但过大的销孔直径会使得燃烧室部位由于热应力较高产生开裂。高功率发动机现在基本采用全浮式配合，可以降低活塞的噪声，活塞销两端依靠卡簧固定，针对全浮式活塞销孔，冷态发动机的典型间隙为2~12um。在暖机阶段及热条件下，钢销的热膨胀系数约为铝的二分之一，活塞与活塞销的间隙会有所加大。现在的设计会增大间隙，减少销孔咬合的风险。根据活塞销公差Φ19（0，-0.005），活塞销孔直径初步定为Φ19（+0.012，+0.004）。（2）销孔减压腔设计在发动机运行过程中活塞与销孔只做摆动并不会整周旋转，活塞销孔的润滑不容易实现。活塞销孔常见的失效模式是由于润滑不良产生异常磨损。汽油机活塞会在销孔两侧设计减压腔，销孔减压腔可以改善应力在销孔上的分布，也可以增加销孔的润滑，是汽油机活塞常用设计。（3）销座长度计算活塞销座总长度是活塞销长度L1，卡簧槽宽度L2的以及2倍卡簧槽外侧到销座外侧距离L3的2倍的总和。在满足销孔比压的前提下可以减小活塞销座长度减轻活塞重量。由于卡簧是标准件，卡簧槽宽度L2也是标准设计不能更改。活塞销座长度还需要保证卡簧槽与销座外侧L3留有最小1.5mm的余量。初始方案的活塞销长度L1为53mm，经计算销孔比压为65MPa，汽油机活塞限值为82MPa，可以对活塞销轻量化改进，不同活塞销长度销孔比压如图1.6，表1.4所示。三种方案均可满足强度要求，确定活塞销的长度为50mm作为最终方案，内档设计销孔上方为5°，销孔下方采用大角度10°，可以减小销孔下方的面积。在满足强度需求的同时降低了活塞的重量，有利于活塞的轻量化设计，经初步认定为合格，后期热力学分析重点关注，活塞重量减小6g。图1.6活塞销座长度表1.4不同活塞销销孔比压活塞销长度L（mm）525150销孔承压面积（mm2）579.6056560.6056537.8056销孔比压（MPa）767981（4）销孔型线设计在发动机的实际运行过程中，活塞销会发生弯曲变形导致活塞销孔上侧面受力较大，如图1.7所示。为了适应活塞销的变形，需要在活塞销孔位置增加型线设计，异形销孔呈喇叭口扩展，减小销座区域的最大边部压力，优化活塞销孔应力分布，销孔承载能力也会提高。异形销孔同时被证实对降低结构噪声有好处。图1.7活塞销弯曲变形示意图一般活塞销孔型线用双曲线表示，销孔外侧、内侧型线根据公式来确定：Y1Y2其中，a1、b1、a2、b2为系数。对改进后活塞进行销孔优化，设计如表1.5所示两个优化方案，选取不同的系数，通过后期进行热力学分析计算销孔压力，选取最佳方案。表1.5销孔型线方案改进方案改进方案1改进方案2销孔直径(mm)1919外侧直径(mm)+0.008+0.008内侧直径(mm)+0.013+0.023（5）销孔椭圆活塞销在受力作用下，变为椭圆，如图1.8所示。所以为了适应活塞销的变形，改进活塞销孔采用椭圆设计，使活塞销孔成为均压横向型线，使活塞销孔与活塞销变形后的曲率半径接近，接触时压力可以均匀分布。椭圆较小油膜润滑厚度不足。椭圆度较大会削减销孔的承压面积，导致活塞失效。根据同类型活塞设计经验横向设计椭圆度0.02mm。图1.8活塞销椭圆变形示意图1.5.5活塞裙部设计活塞在往复运动过程中，活塞裙部会受到随曲轴转角变化的侧向力，主推力侧受力要大一些。如图1.6可以将次推力面的壁厚设计的小些。大多数情况下位于次推力面的接触部位是引起活塞噪音的接触部位，通过该种活塞结构设计，在容许范围内增大活塞的配缸间隙，同时尽可能限制活塞的倾斜，起到降低噪声和重量的双重作用。短裙设计也是常用的减重方式，过小的裙部高度会使运动摆角增大，需要结合动力学调整。裙部可以改为无拔模斜度，铸造模具更改为分瓣设计，保证壁厚的同时可以减轻活塞重量。（1）裙部横截面活塞顶裙支撑面的设计，关系到活塞的使用寿命。汽油机活塞设计中，活塞裙部两个支撑面受力是不均等的，活塞主推力侧承受约75%的纵向压力，活塞侧推力侧只需要承受25%的压力，如图1.9所示。初始设计采取裙部等壁厚设计，裙部壁厚1.2mm，支撑筋厚度两侧尺寸都为4.6mm。改进方案采取主推力侧壁厚不对称设计，主推力侧壁厚1.2mm，次推力侧壁厚减小为2.9mm，改进后的方案主推力侧支撑筋厚度为4.6mm，次推力侧厚度减小为设计为1.6mm，在纵向方向设计10°的拔模角度，改进后方案使得活塞重量减轻7.3g。。(a)初始方案(b)改进方案图1.9裙部截面方案对比（2）裙部型线设计活塞裙部型线设计可以改善活塞与缸套间的接触摩擦，减小因为应力集中而导致的活塞裙部拉缸变形等失效。根据活塞裙部变形，活塞型线设计为中凸曲线，可以使活塞运动过程中油膜保持楔形，保持动力润滑。轻量化改进后裙部面积减小所承受的压力增加，这就需要设计优化型线。对轻量化改进后活塞设计表1.6，图1.10所示的1、2两个改进方案，方案1为常规设计，考虑发动机强化指标高，裙部上部受温度影响大变形量升高，方案2在15高度位置设置拐点，适当加大裙部上部的收缩量。表1.6裙部型线方案改进方案改进方案1改进方案2大点高度（mm）101025mm高度收缩量（mm）0.0750.0960mm高度收缩量（mm）0.060.06椭圆度0.50.45图1.10裙部型线方案对比1.5.6活塞结构改进分析经过对初始活塞进行轻量化改进，总重量减小29g，满足最初设计目标。其中具体各部位减重结构见表1.7。环背凹腔设计对该活塞轻量化贡献最大，减重8.2g占总减重的28.3%；其次为裙部非对称设计减重7.3g占总减重量的25.2%；活塞销座长度减少3mm，活塞重量减轻6g占总减重量的20.7%；活塞内腔顶采用均匀顶厚设计，重量减轻5g占总减重量的17.2%；活塞总高由于各方面影响因素较多，高度减少0.8mm，重量减轻2.5g占总减重量的8.6%。活塞总高环背凹腔内腔顶销孔裙部初始活塞48mm无内腔顶为平顶，壁厚不均销长53mm对称改进活塞47.2mm有均匀等顶厚销长50mm主次侧非对称重量减少（g）2.58.2567.3减重百分比（%）8.6%28.3%17.2%20.7%25.2%表1.7活塞结构减重结果1.6活塞表面处理1.6.1活塞环槽阳极氧化阳极氧化的原理是在电流作用下，活塞作为阳极，惰性铝板或铅板作为阴极，将铝活塞氧化成三氧化二铝。阳极氧化模具如图1.11所示。阳极氧化膜有很好的绝热、隔热性，能够有效防止汽油燃烧产生的热量向裙部传导，从而延长活塞使用寿命。膜层的导热性很低,约为纯铝的三分之一，可以提高顶部的疲劳强度。图1.11阳极氧化模具如图1.12所示，阳极氧化后活塞环槽硬度达到352.72HV，阳极氧化能够提高环槽硬度，并且膜层具有一定的孔隙率,可以吸附各种润滑剂,增加减磨能力,提高耐磨性。图1.12阳极氧化硬度检测1.6.2裙部涂层国内活塞行业中常用的裙部涂层有传统的石墨涂层D10，马勒公司的AF涂层，KS公司涂层以及添加了二硫化钼的D-6024。渤海活塞新开发的YS03是性能比较优异的一种添加陶瓷颗粒和碳纤维的新型涂层，耐磨性能与传统石墨相比，大幅度