（机械工程专业论文）钢质活塞结构工艺分析及制造.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 自1 8 6 0 年第一台发动机问世以来，活塞应用于发动机的历史已经延续了近一 个半世纪。发动机发展的历史是一个低功率、低效率、低转速向大功率、高效率、 高速度发展的过程。特别是近几十年来，由于更多的新技术、新材料被应用，发 动机性能有了进一步的提高。活塞作为发动机心脏零件，必须具有承受更高热负 荷和机械负荷的能力。而铝合金用作活塞材料，其性能几经优化与改善，已经达 到极限，已经不能满足发动机进一步提高功率的要求，采用新的活塞材料和新结 构成为必然趋势。 钢铁材料由于其高强度、高的热力学性能和优良的热加工和机械加工工艺性， 成为迸一步提高活塞性能的首选材料。其中4 0 c r 和4 2 c r m o 、h t 2 5 0 、q t 一6 0 0 等材 料已经被应用于中低速、大马力内燃机车活塞制造，并表现出了优良的特性。但 是，钢铁材料由于具有较大的密度，不经过特殊的结构设计，不易满足发动机轻 量化设计的要求，所以在中小缸径大马力发动机上的应用还不多见。 本文结合国内外钢铁材料在活塞上的应用，提出了一种适用于中小缸径发动 机的钢质活塞结构摩擦焊接组合式活塞，并利用几种活塞分析软件和发动机 台架试验，对该种钢质活塞结构进行了认真分析和试验对比。同时结合材料成型 与加工原理，分析了各种活塞结构工艺性的优劣，从理论和实践上确定了中小缸 径发动机进一步提高功率的途径。 关键词：发动机活塞建模有限元分析摩擦焊热模锻 v 山尔大学硕十学俯论文 a b s tr a c t e a r l ys i n c e1 8 6 0 ，w h e nt h ef i r s te n g i n ec s _ i n eo u t ，t h eh i s t o r yo fp i s t o n h a sa l r e a d yc o n t i n u e dn e a r l yf o rh a l fac e n t u r y t h ep h y l o g e n yo ft h e e n g i n e si sac o u r s et h a tl o wp o w e r ，l o we f f i c i e n c ya n dl o ws p e e dc h a n g e t ot h eh i g h e r e s p e c i a l l yn e a rt h e s ed e c a d e s ，b e c a u s em o r en e wt e c h n o l o g i e s ， n e wm a t e r i a la r eu s e d ，e n g i n e s p e r f o r m a n c eh a sf u r t h e ri m p r o v e m e n t t h e p i s t o n , a st h ek e yp a r to ft h ee n g i n e ，m u s tb e a rm o r eh y p e r p y r e x i aa n d m e c h a n i c a ll o a d t h ep e r f o r m a n c eo fa l u m i n u mh a sb e e no p t i m i z e da n d i m p r o v e ds e v e r a lt i m e s ，a n dn o wh a sa l r e a d yr e a c h e di t s1 i m i t i ta l r e a d y c o u l dn o tm e e tt h en e e dt h a tt h ee n g i n ee n h a n c e si t sp o w e r u s i n gt h en e w p i s t o nm a t e r i a la n dt h en e ws t r u c t u r eb e c o m e st h ei n e v i t a b l et r e n d t h es t e e la n di r o nm a t e r i a lh a sh i g hs t r e n g t h ，t h eh i g ht h e r m o d y n a m i c s p e r f o r m a n c ea n dt h ef i n eh o t - w o r k i n ga n dt h em a c h i n e f i n i s h i n gt e c h n o l o g y c a p a b i l i t y t h e yh a v eb e c o m et h ef i r s tc h o i c em a t e r i a lt oe n h a n c et h ep i s t o n p e r f o r m a n c e 4 0 c r ，4 2 c r m o ，h t 2 5 0 ，q t 一6 0 0a n ds o o nh a v ea l r e a d ya p p li e d i nt h et r a i ne n g i n ep i s t o n 。a n dd i s p l a y e dt h ef i n ec h a r a c t e r i s t i c b u tt h e s t e e la n di r o nm a t e r i a lh a sh i g h e rd e n s i t y ：i tc o u l dn o tm e e tt h en e e do f t h et e n d e n c yt h a tt h ee n g i n e sa r eb e c o m i n gl i g h t e ra n dl i g h t e r ，a n di ti s r a r e l yu s e do nt h em i d d l ea n ds m a l ls c a l eh i g hp o w e r e de n g i n e n o w ，w ed e s i g nak i n do fs t e e lp i s t o ns t r u c t u r ew h i c hi ss u i t a b l ef o r t h em i d d l eo rs m a l lc y l i n d e re n g i n e s ，w ec a l li tf r i c t i o nw e l d i n gs t e e l p i s t o n w eh a v ec a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n dt h ee n g i n ep e d e s t a le x p e r i m e n t k e yw o r d s ：e n g i n e ，p i s t o n ，m o d e l i n g , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f r i c t i o nw e l d i n g ， p r e s s u r ef o r g i n g &fel 山东大学硕士学位论文 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：抛 日期：2 ! 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) 论文作者签名：越导师签名：盈鸶! l 日 期：2 五! ：2 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钢质活塞开发的意义 1 1 1 国内市场对大马力发动机的需求日趋迫切 我国载货汽车领域多年来主要以生产中型车辆为主。随着近年来高速公路的 不断增加，以及现代物流业的兴起，国内载货汽车市场发生了由中型向重型的转 变。近两年，国内重型卡车的销量急剧上升，但配套重卡的大马力发动机一直是 个软肋，品牌少、厂家少。国内各发动机生产企业也充分认识到了这种现状，自 2 0 0 4 年以来，纷纷上马大马力发动机，与重型卡车生产企业结成战略合作伙伴关 系0 1 ：庆铃汽车发布与日本五十铃共投资5 0 亿元，设立发动机合资公司；陕西重 型汽车有限公司与全球知名动力设备制造商康明斯有限公司签署了相关协议，合 ， 资组建西安康明斯发动机有限公司，生产康明斯1 1 升重型柴油发动机；东风康明 斯开发了全新1 3 升重型卡车用全电控柴油发动机，产品将用于总重4 0 吨以上的 。 重型卡车。该产品将于2 0 0 9 年在东风康明斯公司正式投产。通过借助中国市场的 巨大容量，东风康明斯的1 3 升发动机可以迅速实现规模化生产。 近几年来，国家实施扩大内需和西部大开发战略，高等级公路建设快速增长，喜 积极发展集装箱运输，中长途货运量加大等，将进一步提高重型车量的需求量嗍。 2 0 0 2 年重型卡车销售数量超过了中型卡车的销售数量，成为业内关注的焦点伽。 潍柴、重庆康明斯生产的功率l l k w 以上的重型柴油机，被业内人士称为“未来的 贵族”。但是，我国目前真正能适应重型汽车使用的柴油机品种较少，大多数品种 排放标准低( 仅能满足欧i ) 、排量小、功率低、油耗高、可靠性差。为适应市场 需求，我国重型柴油机发展的重点放在排量1 2 l 以上，输出功率2 6 0 3 6 0 k w 、排放 达欧i i 和欧i i i 标准的高性能、低排放重型车用柴油机上。预计2 0 0 6 年，重卡 市场将平稳增长，实现2 7 万辆的产销总量。但我们相信，这个市场的容量至少在 5 0 万辆以上，届时，我国的重卡市场将迎来新的消费热潮。 发动机竞争实力的提升，必将大大增强整车的竞争优势。国内重型卡车市场 的争夺战，势必从重型卡车发动机的争夺开始。这给具有技术自主创新开发能力 山东大学硕士学位论文 的发动机活塞生产企业带来了新的商机。同时也给我国众多起步较晚，以来图加 工为主的活塞企业带来了新的挑战。 1 1 2 传统铝合金活塞发动机现状 随着国内重型卡车市场的进一步扩大，柴油机向高强度化方向发展，对活塞 提出了更高的要求，而普通的铸造铝合金活塞，由于受材料本身特性和工艺生产 条件的限制，虽经采用多种强化措施，仍然难以满足要求，热疲劳。1 损伤现象日益 突出，已经成为影响整机可靠性的主要因素之一。活塞热疲劳破坏所造成的后果 是非常严重的：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， 在发动机各零部件中，活塞的损伤率远远大于其他部件加，铝合金活塞出现的故障 约占整个柴油机故障的半数以上。仅从其直接经济效益来讲，活塞的价格在整台 发动机中所占的比例仅为i 5 左右，如果活塞出现热疲劳损坏，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万元，若考虑到发动机的使用数量 及间接损失，则不堪设想。考虑到我国西部大开发的需要，发动机行业正面临着 前所未有的越来越严峻的考验。路况、加载与卸载、车用与野外作业的工作环境 更加恶劣。因此，非常有必要采取措施，进一步提高活塞强度，降低活塞热疲劳 开裂事故的发生。选用更适合发动机工作状况的新型活塞材料、采用新的活塞结 构，成为各活塞生产企业竞相努力的方向。钢铁材料由于其高强度、高的热力学 性能和优良的热加工和机械加工工艺性，成为进一步提高活塞性能的首选材料。 1 1 3 钢铁材料在活塞制造方面具有明显的优势 首先，钢铁材料具有比铝合金更高的机械强度：根据国家标准g b1 1 7 3 1 9 8 6 ， 铸造铝合金各种合金状态的抗拉强度o 。在1 3 3 m p a 到4 3 7 m p a 之间，大部分在1 5 0 m p a 到2 5 0 m p a 之间；而普通的合金结构钢各种合金状态的抗拉强度o 。绝大部分在 7 8 0 m p a 以上，有的可高达2 2 0 0 m p a 以上。由于铁的熔点较高，以铁元素为主的各 种钢铁材料的高温力学性能也明显比铝合金材料要好得多。 再者，钢铁材料具有比铝合金更小的热膨胀系数，可以便使活塞和汽缸间隙 做得更小：纯铝的热膨胀系数为q 为2 2 4 xi 0 。6 k ，而纯铁的热膨胀系数a 仅为 2 山东大学硕士学位论文 1 lx1 0 。6 k 。传统活塞用铝合金z l l 0 9 的热膨胀系数为1 9 5 1 0 1 k 到2 1 1 0 。6 k ， 而普通合金结构钢的热膨胀系数一般1 3 1 0 1 k 到1 5 1 0 1 k 之间。 还有，钢铁材料具有更好的耐磨性能，用束制造发动机活塞_ j 以获得更长的 使用寿命。钢铁材料经过适当的热处理和表面强化，可以获得极高的表面硬度和 强度，比铝合金更耐磨损。例如4 2 c r m o 钢经8 6 0 淬火，5 6 0 回火后可获得2 2 0 h b s 以上的硬度，抗拉强度可达1 0 8 0 m p a 。 另外，钢铁的种类繁多，可供选择的空间巨大。 同时，钢铁材料也具有自身的缺点：钢铁的密度偏大，导热性不及铝合金， 加工也比较困难。但是通过合理的结构设计和选用适宜的刀具和加工工艺，以上 缺点完全可克服。 1 2 本课题研究的主要工作 ； 掌 本课题“钢质活塞结构工艺分析及制造”是2 0 0 6 年山东滨州渤海活塞公司受 国内某知名发动机公司委托而开展的重点自筹项目，目前已经完成了设计样件的 发动机台架试验，项目将于2 0 0 6 年8 月份进行首期实验总结并推广，届时将形成 挚 5 0 0 0 只活塞月的小批生产能力。 本文所做的工作主要有：毒， 参考国外成功经验，确定钢质活塞的材质、基本结构和工艺路线以及钢质 活塞摩擦焊接的基本原理和工艺参数的选择与实验验证。 进行活塞热负荷有限元分析工作。通过建立活塞三维模型，计算活塞温度 场分布、热应力分布，预测活塞热疲劳寿命，对拟定的活塞结构的可靠性进行初 步评价。 将设计样件与国外同型异构活塞分别进行台架试验，在发动机动力性指标 ( 有效转矩、有效功率、转速等) 和经济性指标( 燃油消耗率) 等方面进行对比。 山东大学硕士学位论文 第2 章活塞的工作状况及其结构与材料 2 1 活塞的主要作用 活塞是活塞连杆组( 由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成，如 图2 - 1 ，图2 - 2 ) 的组成部分，其主要功用是： 与气缸盖、气缸壁组成的燃烧室承受燃气作用力并把它传递给连杆，连杆 传来的侧压力也通过活塞传递给气缸壁。 将活塞顶部接受的热量通过气缸壁传人冷却介质中。 密封气缸以防燃气泄漏及润滑油窜入燃烧室。 图2 - 1 活塞组 2 2 活塞的工作条件 图2 _ 2 活塞做功示意图 ；活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞在工作中承受着很。 高的热负荷m ：活塞顶与燃烧室的最高温度约为1 8 0 0 2 6 0 0 c ，每一个工作循环。 的平均温度为5 0 0 - - 8 0 0 c 的灼热气体直接接触而受到强烈的加热作用。热量通过 对流、辐射等方式传到活塞顶。活塞的温度在顶面中央及边缘最高，在中等尺寸 4 山东大学硕士学位论文 的铁钢活塞上达4 0 0 - 4 5 0 ，铝合金活塞上则达到3 0 0 3 5 0 c 0 1 ( 较小尺寸时) 或 4 0 0 左右( 较大尺寸时) ，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特 别是做功行程压力最大，汽油机高达3 - 6 m p a ，柴油机高达6 - 9 m p a 。目酌，由于高 压强化，柴油机的气体最高爆发力已达到1 3 1 5 m p a ，有的甚至更高。同时，在高 速内燃机中，工作循环的变化频率也很高，这样就使作用在活塞上的载荷具有冲 击性。活塞在汽缸里高速运动( 8 1 2 m s ) ，还会产生很大的往复运动惯性力( 最大 值可等于活塞重力的几百倍甚至更高) 。活塞在沿汽缸作往复运动的过程中，还会 在汽缸内横向晃动。一般活塞横向晃动相当猛烈，甚至会造成与汽缸壁的撞击。 活塞在这种恶劣的条件下工作，将产生变形并加速磨损，产生附加载荷和热应力。 同时活塞还要受到燃气的化学腐蚀作用。 2 2 1 活塞承受的机械负荷 活塞组承受的机械负荷包括燃气压力，往复惯性力及侧作用力。目前，汽油 机最高爆发压力约为3 - 6 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 5 m p a 。 喾 上述机械负荷不仅数值很大，而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；销座承受拉压及弯曲应力； 譬 环岸承受弯曲及剪切应力。此外，在环槽和裙部还有较大磨损。 2 2 2 活塞承受的热负荷 活塞项直接受到高温燃气周期性加热。由于活塞中的热流，使得温度分布不 均匀。图2 3 ( a ) 伽为平顶的铝活塞与铸铁活塞的典型温度分布，图2 3 ( b ) 为带燃 烧室的铝活塞顶部温度分布。从中看出，平顶活塞的最高温度在顶部中心，带燃 烧室的活塞最高温度在燃烧室边缘。活塞温度过高将产生如下不良影响“： 活塞的热应力与热变形过大； 材料强度急剧下降； 易引起润滑油变质结胶，致使活塞环卡死。 5 山幕大学硼士学位论宜 最蝽靛牺馨4 0 ( 0嬲 豪 l o o j w 蜮精纛 | 餐耩誊罢妒缝磊磊函 s 静l m pl l 2 r 口 乜 铡黼强帑l 御 ” |磬 誉弱攥 紫铀机( 左举黼 渣极靠牛田j 图2 3 活塞温度分帮 一般索谗，柴潴巍耩寨熬热负荷皱汽油辊活塞黟垂，这是困垮其受热条髂霆 热恶窦；蠢覆，桨油撬鹩王质密度夫，莪巍强，裰离静匿力羚商率 莛慧鄹鳓 气流振荡，偶进了对流按热；另一方嘶，燃烧形成的碳粒使火熵的热辐射能力太 先提高；姥井，然耩喷浚嚣使溪塞浆溢液分布更不均留，镁鲡颈燃室或涡流室僚 强气缸一憾，赜鑫魏灭缡使活塞局郝过熬，直接喷射式荣弦爨滔器顼土翦燃裟塞 凹坑使活塞潞热面积大为增加，其热熊旖更为严熏，随着发动机强化程度的挝商， 活塞承受黪盛力痊太旗发搓蕊，在囊潼状态下材鹳躺弹性极限梭超蓬之后，将在 燃烧室速拣( 主要莛在澄瓣厨方向) 产生塑整变形，这种变形穗警予揍缩8 ”，经 过一定次数的温度变化腊燃烧室边缘产生裂纹。槎平顶活塞中一裂纹没有一定的 秀岛。臻都竣话燃烧室麴活塞。其裂绞蹇多半垂矗予燃烧室强漶途豢，裂纹毪建 与活塞销藐成蓬直方商发雕，且夫部分聚集在气门坑附近。强争4 所示为话辩预 部开裂示例。铝合金活褰顶部允许温虚值从铝合垒i 拖损来说不成嘲于3 5 0 一4 舯 ；款嚣禽盘疆搂激采漭，羞湿度超过3 鹦，鄹套慧斟下跨茳考，礁3 鼯 高温条件下目g 达到材料允许极碗( 袭2 - i ：铝台众活塞温度隈憾) 。高温蒋镣致 榜料的抗弹性变形和抗塑性变形能力的下降，出现高温蠕变，甚焱会在局部区域嫩 耀捺熹，考惑活塞熬受棼颡对壅控裁溪褰嚣糟戆瀑震，耩囊是第一道霹= 攮潺囊* 6 山东大学硕士学位论文 图2 4 活塞顶部开裂 表2 - 1 铝合金活塞温度限值 活塞典型部位温度限值 活塞顶部 3 5 0 第一道环槽1 8 0 2 2 0 活塞销座1 2 0 1 8 0 活塞裙部 1 1 0 1 3 0 环槽磨损，同时润滑油将变质甚至碳化，造成活塞环胶着、卡死，失去活动性， 导致漏气、窜油。同时，炽热的燃气可能会通过活塞环下窜，造成发动机输出功t 率下降，活塞的热应力和热变形过大，引起活塞开裂、拉缸等故障。现在柴油机 最高平均有效压力已超过2 m p a ，升功率也有显著提高，随着发动机强化程度的提 高及环保法规的严格要求，发动机趋于柴油化、直喷化方向发展，这更增加了活 塞热疲劳开裂的可能性。 2 2 3 磨损严重 工作过程中活塞组的工作表面都会产生摩擦，由于润滑条件差，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 常比现的故障有：第一环岸断裂，严重时甚至整团脱落；环槽、销座和裙部的严 重磨损；销座内侧上部出现裂纹以及燃烧室边缘被烧蚀。 7 姐笨大学硪意学靛论文 2 3 诿塞魏熟凝褥遥及蠡部熊熬重鏊搿 o f 潜枣可分为碳部、环槽隧( 溅称为头部) 糊糟部三部分。 x ， 至+ 蔑 蓠塞袋嚣 壤熟直接承爨黼温、离聪气体驹作用，并与汽缸蔬的底4 面一起形成燃烧室， 羹辫靛、整餮、大枣蒸蓉爨潦筵簿吴箨黪蕊寄美，蒸避凳滤莲霹燃蔼鸯气爱囊帮 燃僦的要求，蒸项部形状可分内西大类。甲项活塞、凸灏活塞、凹礤潞塞和成整 顼滤溪，见图黔5 ， 霪争器誊蕊蕊罄粪鍪 毕顶活塞顶踯是一个平脯。结构茼单，制造容品，辫热面积小，攒部应力分 毒技为均匀，黢用在汽浊枫七，柴油帆慑咖采用；n 骥溉塞顶都曲起星球顶形， 黎袋帮甏囊离。黢导褰露舞，骞鬈子蔑藩羲冬遂翟，= 姆餐蠹囊魏鬻袋蓬曩囊囊。 辫；凹顶活骞碱部呈凹陷瑙，凹坑的形状辅位置岿须谢鞠于可燃漏奋气的燃烧， 静域滠流驾坑、昧形驾坑、u 黼凹坑等等，般类活塞预热璐式在柴油机滔塞上应用 棱露广疰。 4 t 2 8 。2 活塞群恺送 辩塞环稽释精第一遵鼹寨鞲潜到灞帮销毙鞋土豁努+ 宅胃羲遴鞲饕，霹鞋囊 装黼塞环，起镦封作用，叉猕为防漏部。然油机压缀池黼，一般有湖邋环槽，上 帮兰避安装气帮；下帮安装滋醛。囊囊瓤鼗鸯三建蛛糖，箕孛蠹嚣遵避骂接雾 一邀油环稽，巍漓环藩病藤。镭有许多携穗小露，健虢漓环葳气懿虢主帮下蘸穰 山东大学硕士学位论文 油经过这些小孔流回油底壳。第一道环槽工作条件最恶劣，从保证使用寿命的观 点出发，一般应离顶部较远些。活塞顶部吸收的热量主要也是经过防漏部经活塞 环传给气缸壁，再由冷却水传出去。总之，活塞环槽区的作用除了用来安装活塞 环外，还有密封作用和传热作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到 曲轴箱内，同时还将( 7 0 8 0 ) 的热量通过活塞环传给气缸壁。 2 3 3 活塞裙部 活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括装活塞销的销座 孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力，将活塞承 受的部分热量传给气缸壁，控制机油耗量。裙部的长短取决于侧压力的大小和活 塞直径。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力 的水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体的侧压力方向正好相反， ，n 由于燃烧压力大大高于压缩压力，所以，作功行程中的侧压力也大大高于压缩行 程中的侧压力。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销 轴线相垂直的方向上。 9 i ，二一 2 4 活塞材料及其结构类型 2 。4 1 活塞材料的要求 鉴于活塞的恶劣的工作条件，对于活塞材料提出以下主要要求： 具有高的机械强度，尤其是应具有较高的高温强度： 具有小的较为恒定的热膨胀系数，以便使活塞和汽缸间在各种工况下都能 有合适的间隙，并减少机器运行的噪音； 吸热性要差，导热性要好； 密度小，以减少活塞的质量及往复运动的惯性力； 具有良好的减摩性能与耐磨、耐蚀性能，以减少摩擦损失并延长使用寿命； 容易加工，成本低。根据内燃机的缸径、速度及功率的大小，活塞材料除 了最基本的铝合金外，铸铁和结构钢以及新近开发并投入使用的陶瓷及复合材料 山东大学硕士学位论文 等也开始推广应用。 2 4 2 活塞材料的发展历史与现状 活塞作为内燃机重要零件之一，从其开发之日起人们就非常重视。早期活塞 材料主要是以灰铸铁为主。铸铁活塞有较高的抗拉强度和耐磨性，热膨胀系数小， 且价格便宜，但密度大，导热性差“”。1 9 0 3 年内燃机开始试用铝活塞，1 9 2 1 年“y 合金”( 含4 c u 、1 5 m g 、2 n i ，其余a 1 ) 作为正式的耐热铝合金问世。“y 合 金”以其高耐热性、较好的铸造和锻造性能而作为典型的活塞用铝合金盛行于世。 1 9 2 4 年德国k s 公司研制成功膨胀系数低于“y 合金”的a l - s i 系活塞合金，即最 早的k s 2 4 5 合金，并发现该合金中过共晶的组分，因而为研制活塞用过共晶a 卜s i 系合金奠定了基础。由于共晶a 卜s i 合金具有热膨胀系数小、高温强度高、体积 稳定性好、耐磨性好、工艺性能好、成本较低等优点“”，因此在活塞材料中逐步 占据统治地位，直到今天，受发动机发展趋势的影响，共晶a 1 - s i 合金将要被更 适合发动机工作状况的材料所取代。 ， 2 4 3 活塞的结构类型 迄今为止，发动机活塞材料主要是铝硅系和铝铜系合金，在高温下，铝合金 的强度相对较低，为了强化与补偿，必须通过对活塞的横截面给予足够的尺寸和 合理的造型。为使活塞造型与活塞材料的性能相适应，根据柴油机与汽油机的强 化程度和使用要求，活塞大体上可分为以下基本结构类型，见表2 2 。 ，： ， v 1 0 墨 争 ， 萝 ， # 山东大学硕士学位论文 表2 - 2 活塞的结构类型 整裙式整体铝活寒 窗式裙整体铝活寒 小喷曲或喷油冷却普通铝后搴 箱a 研整体铝后采 开u 支撑、p 裙铠岳塞 鄂带活塞 开槽热膨胀控制活塞 熟膨胀控制活塞 币开槽热膨胀挣制活塞 铝活塞 热膨胀双重控制活塞 整体活塞单环槽镶圈铝活塞 镶圈铝活塞 双环槽镶嘲锚活塞 活塞镶钢片的镶圈铝活塞 阿曼尔活塞 复合材料活塞 盐芯铝活塞 带内冷油道的铝活塞电子束焊接活塞 蛇形管冷却铝活塞 铸铁活塞 钢顶铝裙活塞 球铁顶铝裙活塞 组合活塞 钢项铸铁裙活塞 球铁顶铸铁裙活塞 最简单的话塞，即普通铝硅合金制造的整体铝活塞在汽油机与中小功率高速 柴油机上应用较广。随着内燃机强化程度的提高，热膨胀控制活塞和镶圈铝活塞、 带冷却油道的镶圈铝活塞等正在得到广泛应用。在负荷较高的柴油机上，可采 用组合活塞，其活塞顶可用铸钢、锻钢或球铁，下体( 裙部与销座) 可用铸铝或锻 铝制造，如转速低时仍要求很高，下体可采用灰铸铁、球墨铸铁或钢：组合活塞， 要求强制冷却，制造成本较高，目前只在机车、大型船舶及特殊用途的柴油机上 得到了应用。 2 ，4 3 ，1 整体铝合金活塞 铝合金是目前应用最为普遍的活塞材料。铝合金的密度比钢铁的要小，从而 可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力，因此铝合金活塞常常应用于中、小 缸径的中、高速内燃机上，活塞顶部的温度也常常限制在4 0 0 以下。铝合金活塞 可以采用铸造工艺生产，也可以采用锻造工艺制得。适合于做活塞的铝合金主要 有铝硅合金和铝铜合金，其中金属型铸造的z l l 0 9 铝硅合金，因其具有很好的流 动性，很好的气密性和抗热裂性，好的高温强度和低的热膨胀系数，是铝合金活 塞的最常用材料。铝合金的高温力学性能及减磨、耐磨性能相对较低，因此，为 山东大学硕士学位论文 了提高铝合金活塞顶部的耐热性能及裙部的减磨、耐磨性能，有时需要对加工好 的铝合金活塞进行表面处理。活塞顶部的处理方法主要有：阳极氧化处理“”镀 铬：陶瓷喷镀嘲；活塞裙部的处理方法主要有：镀锡：涂石墨：涂二硫化钼。 2 4 3 2 整体铸铁活塞 目前铸铁仅应用于柴油机活塞。“”， 铸铁具有较大的密度( 大约为7 5 - 7 9 9 c m s ) 较小的热膨胀系数和较高的常 温及高温强度。铸铁活塞主要应用在大、中缸径( 据有关资料介绍，最大缸径已达 到1 0 0 0 砌以上) 的低速、中速内燃机上。整体式铸铁活塞整个活塞为薄壁结构， 壁厚仅6 - 8 毫米，顶部采用非常大低内冷油腔，可以大幅度降低活塞的最高温度， 减小活塞机械应力集中，最大限度地减小热负荷与机械负荷的影响。该类活塞 在最初均采用普通的灰口铸铁，如h t 2 5 0 。由于普通的h t 2 5 0 及高牌号灰铸铁的碳、 硅含量低，铸造性能差，加之往往要用c r ，m o , c u 等做合金化处理，从而使灰铸 铁活塞的生产成本有时比蠕墨铸铁的还高。在日本的大、中缸径柴油机生产厂中， 球墨铸铁活塞或蠕墨铸铁活塞的产量要远远大于灰铸铁活塞的产量，山东滨州渤 海活塞股份有限公司也在生产蠕墨铸铁活塞方面进行了积极尝试，并取得了较好 的效果。与铝合金相比、活塞重量的增加不利于发动机的轻量化，但因铸铁材料 对活塞的热强度的提高，使活塞设计时可大大减少截面积；铸铁的热膨胀系数约 为铝合金的2 3 ，在增压、中冷、强化柴油机中，活塞的第一道环允许布置得极高， 活塞的配缸间隙也可减少，从而减轻了发动机的振动，降低了机油消耗。因此， 整体铸铁活塞仍然不失为活塞未来发展的一个方向。 2 4 3 3 组合式活塞 所谓组合式活塞就是分别铸造锻造活塞头部及裙部，而后再组装，为了加工 工艺性需求、降低成本、或满足其它性能要求。根据具体的组合方式不同，可分 为钢铁顶铝裙铰接活塞、钢铁顶铝裙螺栓组合式活塞、钢顶铸铁裙组合式活塞 等。 钢铁顶铝裙铰接活塞。 1 2 山东大学硕士学位论文 如图2 - 6 ，钢铁顶铝裙式铰接活塞设计思路如下：根据功能不同将活塞分为 上下两部分：上部材料为铸铁或钢，只承受气体压力，没有侧向力：下部材料为 铝合金，只有侧向力，不承受气体压力。与传统活塞相比，摩擦降低，有更好的 效果：由于锻钢铸铁有低的热传导率及小的壁厚，所以我们可以做到与工作气体 有更低的热量交换，获得更好的效率，使活塞环温度更低；较低的热膨胀，使得 在冷态时可以有更小的间隙，会有更好的启动能力；更低的燃油喷射，允许降低 零部件的公差要求；大容量的机油震荡腔，充分冷却，有较低的环区温度，使喷 射冷却油嘴的位置更加灵活( 不必与活塞钻孔精确对正) 。 圈2 - 6 钢项铝裙铰接活塞 合金结构钢是目前最重要的工程材料之一，与铸铁及铸铝相比，它的机械强 度高、耐磨性能好，但加工麻烦，密度大，成本高，对缸套的磨损严重“”。在一 些强化程度高的柴油机上特别是机车用内燃机上用合金结构钢( 4 2 c r m o ， 4 c r l o s i 2 m o ，3 8 m n v s 6 等) 做活塞头部，用铸铝做活塞裙部，从而构成了所谓的钢 顶铝裙的组合式活塞。该结构的活塞已经在超长冲程中、低速机车发动机上得到 了较广泛的应用。 钢铁顶铝裙螺检组合式活塞。 山东大学硕士学位论文 图2 7 钢铁顶铝裙螺栓组合式活塞 钢顶铝裙螺栓组合式活塞的典型结构如图2 - 7 所示，钢质活塞顶通过螺栓与 铝质的活塞裙部紧密地联结在一起，形成刚性结构。该结构的活塞具有优良的综 合性能，在大缸径高强化柴油机上得到越来越广泛的应用，成为我国机车用柴油 机的主体类型。 钢顶球铁裙组合活塞是在钢顶铝群组合活塞的基础上为适应大功率中速柴油 机进一步强化而采用的新型高承载活塞结构，它综合了钢顶铝裙组合活塞和整 体球铁活塞的优点，充分利用不同材料的特性来满足柴油机运转时，对活塞不同部 位的苛刻要求。另外，为了进一步提高活塞的最大载荷容量和可靠性，德国马勒 公司还开发了一种钢钢组合式活塞嘲一f e r r o c 唧g ，直径从2 0 0 毫米到4 8 0 毫米 不等。该活塞于2 0 0 3 年5 月获得了专利权。钢钢活塞顶部采用优质合金结构钢 4 2 c r m 0 4 ，裙部采用3 8 m n v s 6 1 e 调质钢，经野外装机试验表明，该活塞结构可以有 效减小甚至消除活塞头部与裙部接触面之间的磨损，能获得更高的气缸峰值压力 和运行速度。据预测，该活塞将在未来十年内的内燃机车用发动机活塞领域处于 领先地位。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 4 3 4 整体锻钢活塞 2 0 0 2 年国外某活塞公司为适应高负载、大马力柴油机的要求，开发出了一种 新型的钢质活塞，称为带内冷油腔的一体式活塞，见图3 一l 。该活塞由钢材整体锻 造而成。与组合式活塞相比，设计强度高，在高压力区域具有较大的安全系数。 另外，由于刚性好，缩减了活塞的运动行程，减少了磨损、降低了油耗，同时也 降低了气穴现象发生的风险。活塞整体可以做得很短，接近于铝活塞的重量，适 应发动机轻量化的要求。目前此类活塞在美国大马力载重汽车上已进入批量应用 阶段。 2 4 3 5 其他类型 在满足内燃机轻量小型化、可靠性和耐久性的情况下、发动机燃烧室内温度 和压力变得更高，以往使用的铝合金已达到或接近使用极限。为此，新型材料活，。 塞的开发，例如陶瓷复合材料局部增强铝活塞阻儿川、陶瓷活塞、石墨活塞“吡” 等，近年来受到了高度重视。美、日及欧洲的工业发达国家在这方面已取得了重：。、? 。 要进展，并在车用柴油机上得到了迅速推广。 2 4 4 本章小节 本章通过描述活塞组的主要组成部件和活塞组的主要作用，对活塞组的工作 状况进行了较为详细的说明：活塞组是在一个机械负荷、热负荷都十分严酷的环 境下工作的。活塞一般由活塞顶部、活塞环槽区和活塞裙部三部分构成。头部主 要作用是与气缸盖底部形成燃烧室，环槽区通过活塞环形成密封，裙部主要起导 向作用。其中头部由于直接受高温气体冲击，工作环境最为恶劣。为适应不同的 工作状况和使用要求，广大科技工作者，结合不同材质的性能特点和适宜的加工 手段，设计了数十种结构类型的活塞。这所有类型的活塞的设计目的是通过对活 塞局部或整体进行强化，以适应活塞日益苛刻的工作环境，进一步提高工作可靠 性。 山东大学硕士学位论文 第3 章摩擦焊接式锻钢结构活塞方案的确定 3 1 问题的提出 。目前国内外柴油机活塞仍普遍采用整体铸铝结构，随着对柴油机排放要求的 提高，其强化程度亦日趋提高，目前国内开发的车用柴油机的爆发压力有的已超 过1 8 m p a 。传统铸铝活塞虽然也采用了顶部燃烧室喉口镶陶瓷、环槽镶铸铁环座及 采用内冷油腔等局部强化措施，但有时仍难以满足柴油机可靠性的要求。表3 - 1 为国内某著名发动机公司最近开发成功的6 d 型柴油机的主要参数。 表3 - 16 d 柴油机主要参数 项目参数 缸径1 1 2 行程1 4 5 爆发压力 1 7 m p a 最大转矩 1 3 5 0 n m 额定转速2 1 0 0 r p m 额定功率 2 5 7 k w 由于受发动机结构设计的限制，活塞压缩高度要求很小。 当时国内还没有整体锻钢活塞的设计先例，该产品的结构设计第一步仍采用 了镶环、带内冷的铸铝活塞结构。有限元分析及以后的装机性能开发试验都验证 了该铝活塞不能满足发动机的强化要求，特别是活塞销座部位容易出现裂纹现象。 为解决这一难题，经认真分析以及调研国外活塞行业的发展方向，决定采用 具有更高强度的锻钢结构活塞，与传统铝活塞相比，在可靠性方面具有根本性的 提高。 3 2 国外活塞结构方案的分析 如图3 - 1 所示，为目前国外某知名活塞公司采用的典型锻钢活塞结构，并在 国内外均有专利保护”4 盯。 1 6 山东大学硕士学位论文 1 头部2 燃烧室3 内冷油腔4 碟形弹簧片5 环形横槽6 销孔7 裙部8 环槽 图3 - i 国外锻钢活塞结构 该活塞采用整体锻造方式，在环槽背部加工出环形凹槽，并应用碟形弹簧片。： 形成冷却油腔。该结构存在以下不足或不适应我国目前的工艺现状： 锻件采用整体锻造方式，毛坯变形量大，锻造工艺复杂。 环岸部位强度低，工作状态下易产生变形，影响发动机的性能。 冷却腔结构复杂，对刀具的要求苛刻，加工成本较高。 3 3 新式锻钢活塞结构方案的初步选定 通过对国外典型的整体锻钢活塞进行分析与借鉴，提出了适合我国工艺发展 水平的新式钢质活塞结构方案，如图3 2 所示。 1 7 山东大学硕士学位论文 i i 头部2 燃烧室3 内冷油腔4 连接区5 环形横槽6 销孔7 裙部8 进出油孔9 环槽 图3 - 2 新式锻钢活塞结构示意 整个活塞采用基本等壁厚的薄壁结构，活塞头部与裙部分别锻造或铸造成型， 经粗加工后通过某种连接方式结合在一起，形成一个整体，在活塞头部环槽( 9 ) 与燃烧室( 2 ) 之间形成环形冷却油腔，并且冷却油腔通过进、出油孔与活塞内腔 相通，当活塞在发动机中工作时，机油从进油孔中喷入，并在环形冷却腔内振荡， 从出油孔流出，带走活塞本体的热量，以降低活塞本体的工作温度，保证活塞及 活塞环的工作可靠性。 头部与裙部分别制造并连接后再加工，与毛坯整体锻造成型后再加工相比工 艺性更好。活塞裙部上方加工出环形槽，不仅减轻了重量，而且有利于油环槽部 位机油回油，同时增加了裙部柔性，有利于配缸间隙的减小和机油耗降低。 山东大学硕士学位论文 3 4 活塞毛坯制造工艺与材料选择 活塞材料的选择与毛坯制造工艺是不可分割的，要统一考虑。为了保证活塞 的强度，我们初步决定采用活塞头部与裙部分别锻造成型的方式。锻造是利用金 属材料的塑性变形特点，通过对金属材料施加特定的压力，使材料变形，得到预 期形状零件的工艺方法，金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸 造组织经过锻造方法热) j u - r 变形后，由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝 晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、 疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力 学性能。一般说来，铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻造 加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金 属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。采用精密模锻、 冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的。 图3 3 中描述了锻 造件、机加工件与铸造件组织的区别。 o ， 适合锻造工艺生产的钢材品种繁多，考虑到活塞的加工工艺性，材料初步定 为锻造性能与加工性能优良的非调质钢嘲。非调质钢是一种可在锻后直接冷却即 基本达到经调质( 淬火、高温回火) 处理力学性能和完全满足零件服役性能的一种” 钢种删，工程应用中具有节能、节材、降低成本、提高产品性能的优点，应用 范围日益扩展，尤其在汽车工业中已成为锻件、热处理件用材的发展趋势啪4 ”。风 靡全球的易切削非调质钢- - 3 8 m n v s 6 在此次钢质活塞研制中成为首选目标。表3 2 介绍了该钢种的成分、热加工规范、力学性能、应用范围等。该钢为高等级低合 金化锰钒钢，具有良好的机械m t 性能。 山东大学硕士学位论文 暂曹皙 曲” c ) a 锻造件( 完整流线)b 机加工件( 断裂的流线) c 铸造件( 枝晶组织) 图3 _ 3 不同加工方法零件的组织 表3 屯3 8 i “n v s 6 的基本信息 m a t e r t 砒g r o u d ：d i s p e l r s l o l lh a r d e n i 悃l 细州c 巾n m c 咖ia c c o r d 啦t od i n e n a p p l i c a t i o n ： 慧- 黔潞耥赫s c o t e n t m r o i s 俐al 删o w ! a ? l 鼍l o y 嬲h i g 茄hg p r a d e h e a tb yi r e a b e e n lc o l 。l l t j o n a c c o r d i n gt ou i n ( + r e ni u z d j a p p l i c o b l ef o ra u t o m o t i v ec o m p o n e n t sa sc h r a n k s h e f t s 。p u s h r o d s ，r o t a u n gb e a n n g s a x l ej o u r n a l s ，h u b sa n d p i s t o nh e a d s m i c r o s t r u c t g r e ：t 眺m d i t e a n d l 0 3 0 妇m 协 3 5 活塞头部与裙部的连接 * 考虑到该活塞的结构特点和连接方式的经济性、实用性，我们选择了摩擦焊 接方式。图3 - 4 为6 3 吨摩擦焊机。摩擦焊是一种压焊方法，它是在外力作用下， 利用焊件接触面之问的相对摩擦和塑性流动所产生的热量，使接触面及其邻近区 7 。域金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散 2 0 山东大学硕士学位论文 和动态再结晶而完成焊接的啪”1 。该焊接方式具有焊接质量高、可靠、焊件尺寸精 度高；能耗低、效率高；不用焊条、焊丝、焊药、不用保护性气氛和适用范围广 等特点。由于摩擦，焊件接触表面的氧化膜和杂质被清除，使焊接接头组织致密， 不产生气孔和夹渣等缺陷。该焊接方式在航空、航天、核能、海洋开发等高技术 领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等产业部门得到广泛应用嘲。结合 计算机闭环控制系统的应用，可以实现焊接过程的实时监测与控制，使活塞头部 与裙部焊接精度( 主要是同轴度和轴向误差) 得到有效保证。 3 6 活塞各部位设计 图3 - 46 3 吨摩擦焊机 活塞各部位的具体设计尺寸特别是相关配合尺寸的确定，要经过严格的设计 计算和模拟分析，不断优化改进，既要满足强度要求，又要追求整机性能的最佳。 活塞燃烧室设计主要从优化燃烧过程、改进整机性能方面考虑。本活塞采用 了四气门顶部结构和高穹顶大直径形缩口燃烧室嘲。形缩口燃烧室结构简单， 相对散热面积小，还可以形成强烈的双向涡流，能促进燃料的微观混合，而且在 2 l 山东大学硕士学位论文 合适的余隙空间内的燃料能与余隙内的空气进行良好的混合，使燃烧变得很活跃， 产生反向涡流( 持续涡流) ，可以改善后燃期的燃烧，对抑制碳烟有很大的效果， 同时减少了对进、排气的限制，可大大降低废气排放量，其合理的设计影响着发 动机的动力性和经济性，提高燃烧效率，降低发动机排放。 活塞环槽设计既要考虑活塞使用过程的热变形和机械变形，又要考虑与活塞 环的配合。本活塞采用两气环一油环的三环结构，第一环槽设计为单梯形碟形形 状，活塞环采用偏桶面设计。第二环槽采用矩形形状，活塞环为锥形环。油环仍 为内