论文-活塞设计

1、BH135柴油机活塞的设计与分析技术中文摘要科技进步推动了内燃机行业的持续发展，发动机的强化指标逐渐提高，活塞及其组件所受的机械负荷与热符合也越来越高，它们的设计是否合理，将直接关系到内燃机的可靠性、寿命、排放、经济性等。因此在已有条件下，通过真实有效地计算分析，得出有益的解决方案成为目前内燃机行业的首选课题。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，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，需要采用先进的设计和分析手段，科学的分析活塞的结构对活塞寿命以及工作的可靠性的影响，设计品质优良的活塞，从而使内燃

2、机更好地工作。本文把计算机辅助工程建模仿真技术应用到活塞结构设计及校核的实例领域，通过三维建模和有限元分析方法，为活塞建立了合适的数字模型，从而预估产品的强度负荷及寿命水平等，提高其设计效率和科学性。本文还描述了柴油机活塞的设计方法和过程，并通过对BH135柴油机活塞的三维建模和有限元分析的实例应用体现出计算机辅助工程技术在产品设计初期的优越性：即一方面建立一种基本的计算机分析模型，对其进行仿真模拟，从而指导产品设计；另一方面以此为虚拟分析平台并提供一些规范化或经验性的建模参考，同时也为提高企业在技术上的自主开发及创新能力而奠定基础。关键词：内燃机；活塞设计；有限元分析；AbstractThe

3、 development of science technology forced the industry of internal-combustion engine to develop, the strength target of engine was gradually heightened, the mechanical and thermal load of piston and subassembly of piston was higher and higher. Whether their design were in reason, related to the reli

4、ability 、natural life 、let 、economy and so on. Therefore, with own conditions, through true and effective calculation and analysis, getting useful project becomes the most important task of the industry of internal-combustion engine.In severe environment of the internal thermal and mechanical load,

5、the experiment is difficult to get approving effect. For the sake of realization of design target, adapting increasing high pressure, improving strength、wear and natural life of product, needing to adopt advanced design and analysis measure, analyzing construct of piston is good for piston reliabili

6、ty and natural life. Designing piston with excellent quality improves engine to work better. The simulation method of CAE will be applied to the design and check field of piston structures in this article. Through the numeric analysis and FEM, the strength and fatigue life level etc, are estimated f

7、or the subassembly. The article describes the design method and process of diesel engine piston. The theory research and engineering application, show the superiority of CAE to product design: one is instructing the design through the computer analysis model; the other is to provide a modeling refer

8、ence to virtual platform, and to promote the self-exploitation ability for the enterprise.Key words: Internal-combustion engine; Piston design; Finite elementanalysis;目录中文摘要英文摘要1绪论2设计要求3. 活塞的基本设计3 .1 活塞的选型3. 2 活塞的主要尺寸3.21 活塞的高度H3.22 压缩高度H13.23 顶岸高度h3.24 活塞环的数目及排列3.25 环槽尺寸3.26 环岸高度3.27 活塞顶厚度3.28 裙部长度

9、H23.29 裙部厚度 g 3.10 活塞销直径d 和销座间隔B3.3 活塞头部设计3.4 活塞的裙部设计3.5 活塞销座的设计3.6 活塞与缸套的配合间隙3.7 活塞大体尺寸一 绪论汽车是现代化社会重要的交通运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽车已经进入了现代的生活之中与人类的生活已经密不可分，一方面它的高效率，高机动化等特点为人类带来了极大的方便，提高了人们的生活水平，另一方面它的噪声，污染等公害也降低了人们的生活质量。因此，人们对汽车提出了越来越高的要求。活塞作为发动机的重要运动件之一，它所处的工作条件相当严酷，即高温、高负荷、高速运动、润滑不良和冷却困难等，使其成为发动机改进的重大障

10、碍之一。随着发动机技术水平的提高，高速大负载发动机的研制和运用，使活塞处于一个更严酷的工作环境中，活塞就不可避免的成为发动机强化的首要障碍。发动机在运转时，活塞工作在高负荷环境中。首先，活塞受气体压力、惯性力和侧向力的作用，气体压力和惯性力的方向和大小都是变化的，这就引起了活塞内应力的极度不均匀，容易引起材料的疲劳破坏。其次，活塞在径向和高度方向上的受热不均匀，引起内部附加极大的热应力，这也是活塞疲劳破坏的主要原因之一。此外，活塞的不同部位还承受着局部力的作用。活塞环岸作用着气体压力和活塞的惯性力，活塞在上止点摇摆使活塞上下边缘遭到冲击。而且由于活塞形状复杂，各部分金属分布不均匀，在不同的直径

11、方向，活塞的刚度是不同的，在不同的刚度之间，轴线方向上，活塞的热变形和热应力是不同的，活塞的受力和内应力也是极度不均匀的。这就是活塞设计的重点和难点。早期单件研究中，为了计算简便，柴油机活塞通常被简化为对称构件，因而采用12或14模型进行网格划分和有限元分析，既可以节省计算时间，又可得到较为真实的研究成果。然而，对称模型只适用于那些没有冷却油道的中小功率发动机活塞，对那些有冷却腔等非对称结构的活塞而言，14或12简化模型是不适合的。为此，内燃机非对称活塞的研究势必要求利用整体三维实体模型进行有限元分析，但唯一不足的是所耗费的CPU 时间太多。所以，对对称结构的活塞完全可以用12或14模型来简化

12、计算，即可节省CPU 时间，又不影响计算精度；而对非对称结构的活塞从保证计算精度出发不宜采用对称模型。活塞组的热传导分析过程中，稳态传热的方法因计算简便得到了广泛应用。在计算此类边界条件时，通常采用第3类边界条件进行计算。与稳态方法相比，瞬态的热传导分析具有更高的可信度，也与实际情况更为贴近。在瞬态研究中，实际工况下的每循环中，由于活塞的运动，活塞的有限元计算网格是随时间的变化自动生成新的有限元网格；而且对应每个边界条件都得做一次有限元分析，这对计算机和软件的要求都很高。故迄今为止此类研究在国内还是以简化模型为基础，通过相应的经验公式拟合使用稳态传热来研究瞬态问题。在未来的活塞组部件研究中，三

13、维非对称模型有限元分析将得到广泛应用，缸内热传导将以整体耦合的方法为指导，而随着社会的不断进步，瞬态传热的研究将有助于活塞组设计的简化。本设计是运用现代设计方法和设计理念，结合国内外先进的设计技术和设计经验，为重庆马勒发动机有限公司开发设计的新型高速发动机活塞BH135进行三维建模和有限元分析，分析活塞和发动机整机工作状态相耦合的传力和传热特性。二 设计要求本次的发动机主要设计参数如下表： 三. 活塞的选型活塞设计应从发动机的强化指标、使用要求和加工条件等方面综合考虑，首先制定出技术上和经济上最合理的活塞结构方案，然后再进行技术设计。活塞选型要点如下：1据单位活塞面积功率或平均有效压力，选择合

14、适的活塞结构，保证活塞能承受所规定的机械负荷和热负荷。 2 密度小以减轻活塞的重量和往复惯性力。3 导热系数大，以降低活塞顶部的温度，改善活塞的受热情况。 4 线膨胀系数小，以减小活塞的热变形，从而是热车不拉缸，冷 车不敲缸。5 在高温 下能保持良好的机械性能。6 具有良好的减摩性能，以减小摩擦损失且具有足够的热稳定性及耐磨性。7 易于铸造或模压，易于加工。 8 具有较好的耐腐蚀性。本设计要求的活塞是高速、内冷柴油机活塞，要求质量小，经济成本低，首选铝合金活塞。整体铝活塞的各处壁厚均较大(材料强度低 ，但由于铝合金的密度小，其质量比铸铁活塞轻，这对发动机的高速是有利的。同时由于铝合金的导热率高

15、，对于水冷四冲程发动机可以在内壁喷油冷却的情况下保持良好的温度。但由于铝合金的线膨胀系数大，可能会破坏配缸间隙和增加摩擦损。表3-1 铝合金活塞材料主要性能对比 本活塞选用共晶铝合金作为活塞材料，它的特点是在高温时有良好的抗拉强度忽然屈服极限，并且在延伸率小，热膨胀系数较低，是很好的活塞材料，本次设计选用的共晶铝合金的主要性能参数如下表（表3-2）：表3-2 选用共晶铝合金主要性能参数 活塞的主要尺寸活塞的主要结构尺寸（图3-1）可根据同类型发动机或统计数据选取。 图3-11塞高度H1）活塞高度取决于以下因素：（1） 对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关） （2） 转速n（3） 燃烧室形状

16、及尺寸 （4） 活塞裙部承压面积应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下，尽量选择较小的活塞高度。2）数据范围（表3-3、图3-2）表3-3 活塞高度H 与缸径D 之比的范围 图3-2 高速柴油机活塞高度 -n 3000rpm -n 3000rpm 2. 压缩高度H1 压缩高度H1决定活塞销的位置。H1取决于第一道活塞环至顶面的距离h 、环带高度H5（H5又决定于活塞环的数目及高度）及上裙高度H4。在保证气环良好工作的条件下，宜缩短H1，以力求降低整机的高度尺寸。H1/D的一般范围如图3-3和表3-4所示。 图3-3 高速柴油机活塞的压缩高度-n 3000rpm -n 3000rpm 3 顶

17、岸高度h （即第一道活塞环槽到活塞顶的距离）1） h 越小，第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及冷却状况确定h ，使第一道活塞环的工作温度不超过允许极限（约180220）。2） 在保证第一道环工作可靠的情况下，尽量缩小h ，以力求降低活塞高度和重量。 3） h/D的一般范围如下（图3-4）： 高速柴油机铝活塞0.140.20组合活塞0.070.20 图3-4 第一道环槽到活塞顶的距离h （高速柴油机） 铝活塞 钢顶铝裙组合活塞 4 活塞环的数目及排列1）活塞环数目一般为：高速机 气环23道，油环12道；中速机 气环34道，油环2道（少数用一道）2）油环布置：采用一道油环时，油环装在销孔上

18、方。5 环槽尺寸 环槽的轴向高度等于活塞环的轴向高度b 。环槽底径D取决于活塞环的背面间隙，背隙大小与活塞的热膨胀有关，并对环的背压有一定影响。D可按下式估算气环槽 D=D-(2t+KD+0.525. 00-+(m-1 油环槽 D=D-(2t+KD+1.525. 10-+(m-2式中 D 活塞名义直径； t 活塞环径向厚度；K 系数，铝活塞K=0.006，铸铁活塞k=0.004 环槽底部的过度圆角一般为0.20.5mm. 6 环岸高度1） 环岸高度（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂。所以第一环岸高度h1一般比其余环岸高度要大一些。2） 必须保证环岸有足

19、够的机械强度，可按下列公式计算：3210 1/(5. 4-=h D p z w (3-3210 1(14. 3-=p z (3-4223+=w (3-53 环岸高度范围（图3-5、表3-5） 图3-5 高速柴油机铝活塞的第一环岸高度h1三环以上活塞三环活塞 表3-5 环岸高度 7. 活塞顶厚是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞，如满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随活塞顶厚度增加而增大，活塞顶厚度只要厚到能承受燃气压力即可。（的一般范围如表3-6）表3-6 活塞顶厚度 8 裙部长度H21） 选取H2应使裙部比压在许可范围之内，裙部比压

20、可按公式q 1=Nma x DH 2 (3-6计算。 2） H2D 的一般范围如下：高速柴油机0.650.88 中速柴油机 1.01.13） 上、下裙长应有恰当的比例，上裙长度H4过小，易产生尖峰负荷，造成活塞拉毛及擦伤。一般比例如下：H3=(0.60.75H2（图3-6）。 图3-6 下裙长度H3与裙部长度H2的比例铝活塞钢顶铝裙组合活塞 9 裙部壁厚g 铝活塞裙部最小壁厚一般为(0.030.06D（图3-7）。薄壁裙部对减轻活塞重量有利，但又需保证裙部有足够的刚性，则可设置加强筋。 图3-7 高速柴油机活塞裙部最小壁厚g 铝活塞钢顶铝裙组合活塞 10 活塞销直径d 销座间隔B d 和B 的

21、选择主要是考虑活塞销座的承载压力及活塞销的刚度问题，应满足下列要求：1）选择d 和B 时应验算销座比压和连杆小头轴承比压，使这两项平均比压均在允许范围之内。2）按公式（3-7）、（3-8）校验活塞销的弯曲变形和椭圆变形，d 的选择应保证活塞销的变形在许可范围内。（3-7）（3-8）( 2(60140422d d E b a a D p f -=3032 ( (320d d El d d D p d -+=3） d 的一般范围见图3-8及表3-7。中小型高速柴油机，一般d D 0.4，若d D 太大，则使活塞销表面至活塞顶内表面的距离过小，给活塞连杆组设计带来困难。强化柴油机趋向于用较大的活塞销

22、直径，d 0.4D ；大缸径柴油机d D 值也较大。 销B 的一般范围见图3-9及表3-8。 图3-8 高速柴油机活塞销直径d-n 3000rpm-n 3000rpm 图3-9 高速柴油机活塞销座间隔B铝活塞钢顶铝裙组合活塞 、为阶梯形销座 销座上端间隔距离、销座下段间隔距离 活塞头部设计活塞顶形状主要根据燃烧系统的切要求进行设计，而活塞的热负荷也是选择燃烧系统的重要依据之一。头部截面形状影响活塞的热流及温度分布。本设计铝活塞头部设计成导热良好的“热流型”（图3-9），即根据活塞的热流通路，采用大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞头部的温度得到降低。温度降低

23、的同时也有利于消除应力集中，这样，即可提高活塞的承载能力。 图3-9活塞头部承受较大载荷，常在气门凹坑、燃烧室喉口边缘、活塞顶内壁与销座根部联结处产生疲劳裂纹，因而从结构上解决头部裂纹的措施如下：1）合理设计头部形状，降低活塞顶面机械应力；2）避免加工尖角，采用较大的过渡圆角，消除应力集中；3）降低活塞热负荷，提高铝合金疲劳极限；第一道活塞环的位置是确定活塞头部结构的重要因素之一。为了减少活塞的高度及重量，希望第一道环能高一些，接近活塞顶，这样会使第一道环的温度过高。发动机容许的热负荷很大程度上取决于第一道环的温度，而实践证明，第一道环磨损最大，它在环槽中被折断、咬死的可能性最大。因此，发动机

24、检修活塞组的时间间隔，在很大程度上决定于第一道环的寿命。这说明，尽可能的提高第一道环的工作可靠性与寿命是有很大意义的。第一道环在活塞上的位置应该是这样的：即当活塞处在上止点时，第一道环的外表面应不超越冷却水套之外，在有缸套的场合下，缸套突肩会影响第一环往上提高的程度。对于第一道环槽到活塞顶的距离可定为h=(0.140.2D (3-9。为了减小第一道环的温度，可以采取以下措施：在活塞顶部进行硬模阳极氧化处理，可以提高活塞顶面耐热性及硬度，并增加热阻，使顶部降温。提高活塞环槽的加工质量和正确选择与环槽的侧隙对于环槽和环的可靠性和耐久性十分重要。因为活塞环的可靠工作要以环的外圆表面与缸壁贴紧、环的上

25、下两面与环槽的相应平面贴紧为前提。环与环槽的间隙过大，会加剧环对环槽的冲击。侧隙过小，容易使环粘接环槽而失去密封作用。在高速发动机中，常把第一环侧隙增大到0.10.2mm 。环槽磨损对活塞的使用性能影响极大，为了延长活塞的使用寿命，要特别注意提高第一道环槽的耐磨性，除注意环槽的加工质量、正确选择活塞环与环槽的侧隙，以减少环槽的冲击磨损外，从结构上要注意提高第一道环的耐磨性，其措施如下：1）采用镶环座（即耐磨镶圈） 在第一道环槽处铸入奥氏体环座，环座与活塞材料依靠互相扩散形成金属分子结合，中间层系多种化合物，环槽寿命可得到较大提高。2）环座截面形状为梯形，使铝合金冷却时沿径向收缩，以卡紧环座。在

26、确定压缩高度及各部尺寸分配时，首先定出第一环的位置，并对第一环岸按公式3-3、3-4、3-5进行强度校核。气环的数目是根据发动机的燃气压力、转速及发动机的模式决定的。漏气随着燃气压力和汽缸的直径的增大而增加，随发动机转速的提高而减少，从理论上讲，当气环和活塞以及气缸壁紧密配合时，一道气环就够了。最近国外出现了一道气环和一道油环的高速发动机，这是因为在高速高负荷下，减少环数和环高有重要意义。减少环数的主要优点是：减少摩擦磨损，减少往复负荷，增加发动机的可靠性。考虑到燃气压力单位增加、启动时的密封性以及改善经活塞环到气缸壁的散热条件，较多的发动机采用23环，本设计中采用3环，2道气环，1道油环。（

27、如图3-10） 图3-10除了环的数目外，要减少环带部分的高度就要从减小环槽和环岸的高度着手。从减小活塞与气缸套的摩擦功出发，希望环高度小一些，也有利于减轻重量、缩短磨合时间，同时对气缸不平行度的适应性也较好。但这又使通过环的热流强度增加，在加工和装配中容易断裂。环槽的高度取决于环的高度，而环岸高度的确定，应使作用在环上的压力不致引起环岸的变形。考虑到第一环岸比其它环岸的温度高，受的冲击压力也大，容易在环岸根部产生裂纹，因此铝活塞第一环岸较厚，一般取h1=(0.040.08D (3-10，其余环岸的厚度取为(0.030.045D (3-11。活塞裙部其作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧

28、压力。因此，长的裙部有利于减小单位面积压力和减小磨损，也不容易引起活塞、缸套的拉伤。但是，从降低活塞高度的角度出发，又希望裙部尽量短。短的裙部不容易和连杆相撞。车辆发动机活塞裙部长度一般取为H2=(0.40.8D (3-12。考虑裙部长度时，必须照顾到活塞销孔对于活塞裙部的位置，合理分配上裙部与下裙部的长度，以防活塞工作时发生侧斜，造成局部强烈磨损。活塞销孔在裙部的正确位置应使侧压力产生的载荷沿活塞全高均匀分布。若活塞对汽缸壁的侧作用力为N ，当活塞在做功冲程向下移动时，活塞遇到的摩擦阻力N(为摩擦系数 所形成的力矩N*D/2，将使活塞沿顺时针方向倾侧。如果侧压力在气缸壁上是均匀分布的，则气缸

29、壁对活塞的反作用力将通过活塞的中点，因此，活塞销的中心线应安排在裙部的中点以上，才能形成一个与力矩N*D/2方向相反的力矩，使活塞不致沿顺时针方向倾侧。跟据力矩平衡的条件，可求出活塞销中心线与裙部中点间的距离Y ：YN=N*D/2 (3-13即 Y=D/2如用同样的方法分析压缩冲程，则活塞销中心线应在裙部中点以下，但因此时侧压力比做功冲程的时候小的多，可不予考虑。 所以一般取H3=(0.60.7H2 (3-14。活塞工作时，燃烧气体压力均布在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活塞头部的销座处，由此而产生的变形是裙部直径沿活塞销座轴线方向增大。侧压力的作用也使活塞裙部在同一方向上增大。此外，

30、活塞销座附近的金属堆积，受热后膨胀量大，致使裙部在受热变形时，在沿活塞销座轴线方向的直径增量大于其他方向。所以，活塞工作时产生的机械变形和热变形，使得其裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆。鉴于上述情况，为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持有比较均匀的间隙以免在气缸内卡死或引起局部磨损，必须先在冷态下把活塞加工成其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。为了减少销座附近的热变形量，有的活塞将销座附近的裙部外表面制成下陷0.51.0mm。由于活塞沿轴线方向温度分布和质量分布都不均匀。因此各个断面的热膨胀量是上大下小。铝合金活塞的这种差异尤其显著。为了使铝合金活塞在工作状态下接近一个圆柱形，就

31、必须事先把活塞做成直径上小下大的近似圆锥形。而在目前，抛物线形裙部或中凸型裙部的活塞得到很广泛的应用。裙部做成中凸型的原因如下：发动机工作时，活塞每一横截面的径向变形可看作是由两部分组成。一部分是截面的自由膨胀，其直径增量D=D （t-20） (3-15式中 活塞材料的线膨胀系数D 气缸直径20计算截面的工作温度另一部分是热应力引起的变形。这部分相对来说比较小，所以实际计算活塞的直径的热膨胀量时，可以忽略弹性变形。裙部实际的磨痕表明，仅在上、下边缘有磨亮的标志，有时还出现擦伤。所以要想在工作状态下得到直线形的活塞裙，则应制成中凸型，即在长度X 处，把在冷状态下具有直线形成线的活塞裙的直径在增加

32、2Y T 数值。甚至为了更好一些，在冷却状态下就把裙部作成某种形状，使它在活塞受热后仍保持中凸的形状。 中凸型裙部的活塞主要优点是与气缸套接触的表面约增加了一倍，热应力约降低20%，而且使发动机噪音、机油消耗量有所降低。当活塞在汽缸内由于侧压力变向而发生横向位移时，对于一般直线形的活塞裙部，不可避免的要发生活塞裙上、下边缘与气缸的接触，这时，因大部分裙部表面不受侧压力，接触部分的比压就较大，同时活塞边缘也不容易保持润滑，容易造成擦伤，甚至拉缸。不受侧压力的裙部表面，还因为与缸壁间隔着一层机油或乳浊液，所以减少了传出的热量。但中凸形裙部的活塞则无此缺点，有利于减少裙部的磨损。活塞销座活塞销座的应

33、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=(0.320.42D (3-16，内径d 0=(0.250.60d (3-17。本设计的活塞销座采用了阶梯形结构，它的优点在于： 1）增加销座及连杆小头支承面的长度，从而降低销座和小头衬套的比压。 2）支承面沿轴向长度有

34、重叠，从而减小了活塞销的弯曲变形。 3）缩短了销座上部的间隔，从而降低销座根部与顶底过渡圆角处的应力。与直销座比较，采用倾斜10的斜面销座后，各危险点的应力都有所下降，如销座到活塞顶的过渡圆角处，最大可降低43；冷却油道边缘应力减少2529；销座顶部应力降低16。这表明斜面销座的活塞比直形销座的活塞可多承受1520的负荷，即相当于提高平均有效压力23kgf/cm2。销座本身结构复杂，难以通过一般计算方法求得最佳结构尺寸，可用实验来分析销座的结构情况。对强化程度较高的柴油机，为了加强活塞顶和环岸的强度采用锻铝活塞时，销座刚性就较好，又因锻铝材料具有蠕变特性，韧性和强度都较高，能够弥补刚性大给销座上缘带来的过大应力，不易在销座上出现裂纹。而为了提高铝活塞销座抗裂能力可采取以下措施：1）将销孔内缘加工成圆角、倒角或销座设计成弹性结构，以减少销孔内边缘的应力集中。 2） 提高活塞的刚度，减小活塞销的变形。如加大活塞销的外径或缩小活塞销座的间距，以减小活塞销的弯曲变形；或减小活塞销内孔直径，以减小活塞销的椭圆变形。3） 选用韧性较好的共晶铝硅合金作为活