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1、1 绪论1.1 柴油机的优势活塞是汽车发动机的“心脏”，只有活塞高效可靠的工作，才能使活塞式内燃机具有旺盛的生命力1。在环境保护和能源危机呼声越来越高的今天，汽车柴油化成了不可抗拒的历史潮流。在欧洲能源危机相对严重的国家，“汽改柴”已经取得了很大进展。在欧洲国家，轿车已有40使用柴油发动机，客车中有80使用柴油发动机，载货车则100使用柴油发动机。尽管柴油机比汽油机的功率密度(发动机单位重量的功率)小，但它的油耗低、耐久性好,但根据行驶工况，有时柴油机的油耗只有汽油机的60左右，另一方面，柴油机的寿命也在直线上升。所以，柴油机在国民经济和国防上得到了最为广泛的应用。活塞是柴油机燃烧室中的重要零
2、件，它所处的工作条件相当严酷。活塞受燃气周期性的加热作用，燃气的最高瞬时温度一般都高达16002500，燃气平均温度也高达7001000左右2、3。高温、高负荷、高运动速度、润滑不良、和冷却困难等，使其成为发动机中故障较多的零件之一。活塞不仅与整机的性能、排放指标和经济性密切相关，同时还制约着可靠性。活塞在工作过程中直接与高温高压燃气接触，承受着较高的热负荷，并在润滑条件较差的缸套内进行高速往复运动，由热负荷和运转工况频繁变化引起的活塞热疲劳是影响柴油机可靠性的主要因素。这就给设计发动机活塞的人员提出这样一个课题，即如何在提高发动机性能的前提下，提高活塞工作的可靠性和耐久性。随着环境污染的日益
3、严重，对作为重灾区的传统发动机的环境要求也越来越高，我们国家也会在最近实行欧标准，对发动机的环保要求越来越高，表1-1为排放标准。表1-1 欧及欧车用柴油机排放指表 g/(kwb) COHCNOPM欧4.01.17.00.15欧2.10.665.00.10试验表明，摩擦焊接锻钢活塞较铝合金活塞有效的降低了发动机的漏气量、机油耗，提高了发动机的可靠性，可成功的应用于中重型柴油发动机。与整体锻钢活塞相比，摩擦焊接锻钢活塞在降低漏气量等方面也有着显著的效果。1.2 内燃机行业现状内燃机行业是一个技术密集型的行业，虽然其自身存在噪音大、污染严重的缺陷，但是由于其热效率高、动力性优、功率范围宽广、可靠耐
4、久等优点，已经被广泛用于工业、农业、交通运输业和国防建设事业。内燃机的不断发展，从根本上来说，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进提高的基础上的2。活塞为内燃机的心脏零件，也随着内燃机的发展而发展。建国以来，经过半个世纪的发展，在我国建立了一个比较完整的内燃机工业体系。基本上满足了当时国民经济各部门配套需要。改革开放后，内燃机行业根据国民经济发展要求，不断对产品结构和企业结构进行调整。通过自行研制开发和引进国外先进技术，发展了一大批新产品，特别是在国家出台有关排放法规和节能要求后，通过各种途径先后开发出一批满足欧、欧、欧工的发动机。现在，全国内燃机行业(包括主机及配件)约有1000家左右，其中
5、生产主机近200家，配附件约700家。据中国内燃机工业协会对2004年不完全统计：2004年全国共生产内燃机约3837万台、6.65亿千瓦；销售约3789万台、6.53亿千瓦。工业总产值1346.5亿元。2004年我国内燃机生产总量中，柴油机1118万台，3.18亿千瓦3。基本满足了当年国内生产的各种汽车、工程建设机械等国民经济各个部门的需求，同时也满足了大量在用机械的维修服务需求，还有一定数量产品出口。“十一五”期间是内燃机行业在新产品和新技术开发方面取得最好的时期之一。新产品开发主要集中在为汽车、工程机械、船舶、铁路机车配套的节能、节材、低污染的可靠性好的产品。柴油机通过增压中冷技术、燃油
6、喷射系统的优化、工作过程优化来满足欧要求，有的还采用电控高压共轨燃油喷射系统、废气再循环(EGR)技术、多气门技术、可变涡轮增压(VNT)技术，为满足欧工排放标准及进一步产品升级做好准备。为农机配套内燃机基本上都是柴油机，为满足非道路用内燃机排放标准，在优化内燃机进气、喷射、燃烧系统方面做了大量工扮作，并在减重、降噪方面都对原有产品进行了改进提高。但是，由于我国国民经济尚处于转型阶段，制约内燃机行业发展的一些结构性矛盾和问题尚未解决。从行业整体来看，内燃机行业的产品结构、企业组织结构、工艺装备水平、经营管理水平、企业的创新开发能力和人员素质等都存在不同的差距和问题。自主开发能力薄弱，创新能力不
7、足，高新技术仍然依靠国外，特别是内燃机配件行业，很多企业都没有自己的技术开发能力，只能进行简单的来图加工，竞争力薄弱。1.3 中重型柴油机的技术要求由于环境污染日益严重，能源危机愈演愈烈，因此为了节省能源、降低排放，国家制定了严格的排放法规，以便与国际接轨。随着排放法规日益严格要求，汽车用内燃机主要集中在开发能满足欧、欧工排放标准的内燃机;这就对内燃机的设计开发提出了更高的要求，特别是对中重型柴油内燃机，因为中重型柴油机在国民经济发展中占有非常重要的地位。降低内燃机排放，提高其燃油经济性和可靠性成为目前内燃机工作者的当务之急4。对中重型柴油机设计的具体技术要求：l)具有更高的喷射压力，以优化燃
8、烧2)废气再循环(EGR)系统3)降低排放4)燃烧系统的进一步优化5)升功率的进一步提高6)寿命提高：100万公里7)更长的大修期：10万公里1.4 柴油机活塞的发展方向现在，柴油机通过增压中冷技术、工作过程优化、高压共轨燃油喷射系统、废气再循环(EGR)技术、多气门技术、可变涡轮增压(VNT)技术等来满足不断严格的排放标准，由于以上技术的应用，活塞作为发动机的的核心部件承受了更高的热负荷和机械负荷，因此对活的结构及材料的要求更加严格。但是，目前柴油机主要使用的是由铝硅合金制造的铝制活塞，由于铝合金作为有色轻金属材料，虽然具有重量轻等特点，但是铝合金材料只能在350下稳定的工作，并且由于铝活塞
9、大多使用重力铸造的工艺生产，造成缺陷率较高，虽然现在采用多种强化措施，如：第一环槽镶高镍奥氏体环座，以提高环槽抗磨损能力，燃烧室喉口镶陶瓷复合材料以提高燃烧室抗热裂能力，但是铝活塞仍然难以满足欧、欧标准的发动机要求。鉴于此，许多公司在多年前己纷纷投入活塞的基础性研究工作，试图寻找一种性能更高、工作更稳定、生产过程更为环保、废气排放更低、可靠性更高的可替代产品。目前主要选用钢铁材料，钢铁材料由于其具有高的热力学性能和优良抗磨损性能以及好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。特别是锻钢活塞材料的开发代表了当前活塞发展的最新方向。锻钢材料活塞作为一种全新材料的活塞，在活塞的设计
10、、制造方面都有别于铝合金活塞，目前，我国还不能批量生产锻钢活塞，也没有锻钢活塞的设计标准，所以研发具有我国自主知识产权的锻钢活塞变得越来越重要。1.5 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5。1903年内燃机开始试用铝活塞，1921年“Y合金”(含4%Cu、1.5%Mg、2%Ni，其余Al)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。1924年德国KS公司研制成功膨胀系数低于“Y合
11、金”的AlSi系活塞合金，即最早的KS245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A1Si系合金奠定了基础。由于共晶AlSi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，但是，由于铝合金材料高温强度低的弱点使它不能适应强化指标peCm值很高的发动机，因此整体铸铁活塞或钢顶铝裙的组合活塞在这些发动机中还有应用，在组合活塞的活塞顶和铝裙之间有冷却油腔。组合活塞的活塞顶可采用耐热钢或球墨铸铁以解决活塞的机械负荷和热负荷问题，活塞裙部仍采用铝合金，两部分用机械方法(如螺钉连接等)装配成一体。一般组合活塞的质量约
12、为整体铝合金活塞的1.11.3倍，且成本也较普通铝合金活塞高。目前，国外许多知名的活塞生产公司把钢质材料作为活塞材料研究开展得较早且深入，并且申请了多项专利，且有多种锻钢活塞进行了批量生产。但是，在中重型柴油机上锻钢活塞的应用也是在近年才开展的。1.6 钢制活塞与铝合金活塞的比较钢质活塞材料与传统铝质活塞材料的比较首先，钢质材料具有比铝质材料更高的机械强度：根据国家标准GB11731986，铸造铝合金各种合金状态的抗拉强度在133MPa到437MPa之间，大部分在 150MPa到250MPa之间；而普通的合金结构钢各种热处理状态的抗拉强度绝大部分在780MPa以上，有的可高达2200MPa以上
13、。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，钢质材料具有比铝合金更小的热膨胀系数，可以使活塞和气缸间隙做得更小。纯铝的热膨胀系数为 22.410/K，而纯铁的热膨胀系数仅为1110/K；传统活塞用铝合金ZL109的热膨胀系数为19.510/K到2110/K，而普通合金结构钢的热膨胀系数一般1310/K到1510/K之间。还有，钢质材料具有更好的耐磨性能，用来制造发动机活塞可以获得更长的使用寿命。钢质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42CrMo钢经860淬火，560回火后可获得220HBS以上的
14、硬度,抗拉强度可达1080MPa。另外，钢质的种类繁多，可供选择的空间巨大。同时，钢质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。2 活塞结构设计所设计活塞的基本参数如下表2-1表2-1活塞基本参数活塞高度H110mm活塞直径D109mm压缩高度H177mm火力岸高度h110mm第一环岸高度c18mm第二环岸高度c24mm销孔直径d45mm销座间距B44mm气缸间隙0.05mm以上为我设计的活塞的基本尺寸，设计理由由下文一一列出。2.1 活塞的主要作用活塞是由活塞连杆组(由活塞、活塞环、活塞销、连
15、杆、连杆轴瓦)组成的，其主要功用是：1)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。2)将活塞顶部接受的热量通过气缸壁传人冷却介质中。3)密封气缸以防燃气泄漏及润滑油窜入燃烧室。2.2 活塞的工作条件通常活塞是在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作的，活塞在工作中承受着很高的热负荷，热量通过对流、辐射等方式传到活塞顶6。活塞的温度在顶面中央及边缘最高，在中等尺寸的铁/钢活塞上达400450，铝合金活塞上则达到3003507(较小尺寸时)或400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。目前
16、，由于高压强化，柴油机的最高爆发力已达到1320MPa，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。活塞在气缸里高速运动(816m/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)。活塞在沿气缸作往复运动的过程中，还会在气缸内横向摆动。一般活塞横向摆动相当猛烈，会造成与气缸壁的撞击。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腐蚀作用，产生小孔腐蚀8。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，往复惯性力及侧向力9。目前，汽油机最高爆发压力约为
17、58MPa，非增压柴油机约为811MPa，而增压柴油机约为1320MPa，甚至更高。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；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顶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21(a)为平顶的铝活塞与铸铁活塞的典型温度分布10，图21(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。因此对采用大直径活塞的发动机来说，应注意采用多
18、种冷却方式以便更有效地降低活塞的温度11。活塞温度过高将产生如下不良影响12：l)活塞的热应力与热变形过大；2)材料强度急剧下降；3)易引起润滑油变质结胶，致使活塞环卡死。 一般来讲，柴油机活塞的热负荷较汽油机活塞严重，这是因为其受热条件更加恶劣：图2-1活塞的温度分布图一方面，柴油机的工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流振荡，促进了对流换热；另一方面，燃烧形成的碳粒使火焰的热辐射能力大为提高；此外，燃料喷注常使活塞的温度分布更不均匀，例如预燃室或涡流室偏置气缸一侧，喷出的火焰使活塞局部过热，直接喷射式柴油机活塞顶上的燃烧室凹坑使活塞受热面积大为增加，其热负荷更为严重， 图2-2
19、活塞顶开裂示意图随着发动机强化程度的提高，活塞承受的应力亦大幅度提高，在高温状态下材料的弹性极限被超过之后，将在燃烧室边缘(主要是在沿圆周方向)产生塑性变形，这种变形相当于挤缩13，经过一定次数的温度变化后燃烧室边缘产生裂纹14。在平顶活塞中，裂纹没有一定的方向。顶部设计燃烧室的活塞，其裂纹则多半垂直于燃烧室凹坑边缘，裂纹往往与活塞销孔成垂直方向发展，且大部分聚集在气门坑附近。图22所示为活塞顶部开裂示例。铝合金活塞顶部允许温度值从铝合金烧损来说不应高于350450;从铝合金机械强度来讲，若温度超过300，则会急剧下降50%左右，在350高温条件下则达到材料允许极限(表22：铝合金活塞温度限值
20、)。高温将导致材料的抗弹性变形和抗塑性变形能力的下降，出现高温蠕变，甚至会在局部区域出现热点。考虑活塞热负荷同时应控制活塞环槽的温度，特别是第一道环槽温度。表2一2铝合金活塞温度限值活活塞典型部位位温度限值值活活塞顶部部延350第一道环槽180240活活塞销座120200活活塞裙部110180第一道环槽温度过高(超过240)，不仅会引起环槽部分材料强度降低，加速环槽磨损，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2M
21、Pa，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。2.3 活塞失效形式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：熔着磨损、磨料磨损及其它磨损等。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，活塞常见的故障有：活塞销座开裂、环槽早期磨损、顶面烧损以及燃烧室喉口边缘热裂等故障10。2.4 发动机平台的选择为适应市场发展的需求，某柴油机公司开发了6D系列柴油机，该机型设计方案为六缸直列水冷四冲程，采用废气涡轮增压及中冷技术，额定功率257KW，动力强劲，可
22、靠耐用，排放达到欧n标准，并具备欧m的潜力，主要配套于1530吨重型载货车和1012米的高速公路车以及工程机械车辆。为适应国内市场需要，此柴油机公司要完成活塞国产化开发工作。发动机平台参数项目内容发动机型号6D发动机结构水冷直列6缸四气门燃油型式柴油缸径110mm续表项目内容发动机额定转速2100r/min最高转速2730r/min最大扭矩/转速1450/1350最大爆发压力17MPa升功率33.4kW/L活塞寿命80万公里发动机用途车用2.5 活塞材料的选择为满足高负荷最高燃烧压力高的发动机的苛刻要求，一种新的融合铰接式活塞及整体式锻钢活塞的优点的锻钢结构被应用在发动机活塞的设计中。现有一种
23、摩擦焊接成型的锻钢活塞结构。该结构活塞的头部与裙部分别锻造成型，经粗加工后通过摩擦焊接技术连接在一起。锻钢活塞的锻造材料多采用38MnVS6与42CrM04V，38MnVS6由于具有良好的耐久性和可加工性得到广泛应用。2.6 活塞的选型鉴于活塞的恶劣的工作条件，对于活塞设计提出以下主要要求：1)轻量化设计，以减少活塞的质量及往复运动的惯性力；2)具有小的较为恒定的热膨胀系数，以便使活塞和气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12；3)吸热性要差，导热性要好；4)具有高的机械强度，尤其是应具有较高的高温强度；5)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；
24、6)较低的油耗及机油耗，满足排放及用户经济性考虑；7)可靠性好；8)容易加工，成本低。为了满足以上要求，在活塞设计时一定要考虑周全。综合考虑到我国制造业的加工能力及加工成本，我参考了马勒公司设计完善的活塞来参考它的结构。上图为马勒公司所设计的锻钢活塞，我们设计的新式活塞如下：这个设计的活塞特点是: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成型，经粗加工后通过摩擦焊接方式结合在一起，形成一个整体，在活塞头部环槽(9)与燃烧室(2)之间形成环形封闭冷却油腔，并且冷却油腔通过进、出油孔(通过加工实现)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
25、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15。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。一般，锻钢活塞顶面的气体压力集中在约0.7D的圆环上，通过合理分配材料和结构设计，此力的作用线传递到支撑活塞销的中间区域，再由此传递给连杆小头，使活塞销的受力大大减轻，不承受剪切应力和弯曲应力作用，因此活塞销直径可大大减小，长度也可缩短16。这样可以减轻活塞组件的重量。为减少传热损失和提高发动机热效率，锻钢
26、活塞采用隔热结构设计，顶部和环槽部的连接仅用很窄的材料带，这就限制了热量向环槽部的传送，从而使发动机传给缸壁的热损失大大减少。活塞第一环岸的温度可降低，实测结果表明，锻钢活塞比传统铰接结构活塞下降3060。2.7 活塞燃烧室设计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弯顶大直径形缩口燃烧室17。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
27、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18。优化柴油机燃烧室是优化其工作过程的基础，也是排放控制技术应用的基础。采用缩口燃烧室，并在保证活塞热负荷可承受的前提下，减小燃烧室缩口直径，尽可能使燃烧室趋向中央布置，以提高燃烧室和空气的混合效果，有效减少PM和HC的排放，同时降低对涡流的要求，减少滞燃期内与空气混合的燃油量，因而降低了NOx的排放。随着喷射压力的提高，燃烧室形状将由深坑型向浅盆型发展。针对6D发动机要求，设计了此形状燃烧室。2.8 活塞环槽设计2.8.1 活塞环的数量活塞环槽设计首先选择环槽的数量及布置位置，现代高速柴油机，
28、气环一般为23道，油环为12道。本活塞采用两气环一油环的三环结构，三个环槽都布置在销孔上方。考虑到此机型排放达到欧标准，并具备欧的潜力，活塞环由仪征活塞环公司直接按欧设计。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，第一环槽设计为单梯形碟形形状，活塞环采用偏桶面设计，这种设计可减少漏气量。第二环槽采用矩形形状，活塞环为锥形环。油环仍为内撑弹簧结构。这样可减少机油耗。在活塞环组的优化设计中，经常要求测量工作状态下各道环之间的气体压力，目的是保证头道环与二道环之间的压力平衡，这种力学的平衡是非常必要的，否则由于环运动的惯性产生波动、振荡，导致活塞环在动力系统上(力学上)的不稳定，从
29、而破坏整个密封系统。柴油机活塞环组的稳定性可能要求二道环的工作间隙扩大，有时是头道环的23倍。只有在动力系统上平衡稳定的环组才能获得让人满意的气体密封和机油消耗，表23为仪征活塞环公司为锻钢活塞所做的活塞环组设计。表2-3锻钢活塞活塞环组设计尺寸2.8.2 活塞环的侧隙与背隙环槽的轴向高度(名义尺寸)等于活塞环的轴向高度。环槽底径取决于活塞环的背面间隙(即活塞环内圆面与环槽底之间的间隙)，背隙大小与活塞的热膨胀有关，并与环的背压有一定影响，还要考虑到环槽底部圆弧的影响和活塞实际运行时的侧摆。由于锻钢结构活塞环槽部位的实际冷却效果要优于整体铝活塞，虽然膨胀系数小，但侧隙、背隙与铝活塞相当即可。可
30、以根据活塞环尺寸和此表设计锻钢活塞环槽的具体尺寸。表2-4环与环槽配合间隙 单位（mm)侧隙背隙（半径）一环0.080.140.71.2二环0.040.080.851.3油环0.020.060.51.1所以，取第一、第二、第三环的侧隙分别为0.1、0.05、0.05（mm）。背隙取1.0、1.0、0.08（mm）。至于活塞环的径向高度t,一般的推荐值为缸径为100200mm时取D/t=242819，所以我取 D/t=25，所以t=4.4一槽采用单梯形结构，这样，工作时环侧隙发生变化，环与环槽的相对运动可防止环积碳结胶，寿命长，并且由于气体压力的径向分力作用，增强了密封性能；且下侧面具有1525
31、的碟形，下侧面边缘具有0.145度的倒角，这样更有效的密封气体，减少了漏气量。根据活塞环尺寸，选择合适的环与环槽配合间隙。同理，选择合适的环与环槽配合间隙，设计出二、三环槽结构尺寸。为了减小槽底应力集中，在一、二槽底设计出R0.3士0.lmm的圆角，因为三环槽活塞环采用两组合螺旋撑簧油环，所以三槽底设计出R0.5士0.1mm的较大圆角。2.8.3 各个环岸的设计火力岸高度选择10mm，要低于铝活塞，因为锻钢具有更高的强度，这样，减少了燃烧死区，对发动机性能有利。第一环岸(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，所以第一环岸的高度一般比其它环岸要大一些。在这里
32、，第一环岸的高度设计为8mm，比理论高度大，因为焊接时的焊缝设计在此处。二环岸高度取为4mm，因为二、三环岸受力相对小一些。当然对于环槽参数的选择要凭一定的经验，还要通过经验公式和试验验证来修正。2.9 活塞销座的设计活塞销座设计首先要考虑与连杆小头的干涉情况，即考虑当连杆在运行时，不能与活塞销座内档产生干涉，还要考虑到摆动和加工公差，这样要留有4mm左右的空间才能保证不产生干涉。特别在设计斜档销座时更要注意斜连杆小头在运行到在活塞中的最高位置时与活塞销座内档的间距。同时还要考虑应力分布，销座的应力分布取决于销座与活塞销两者之间的变形是否相适应，如果活塞销刚度较大而销座刚度较小，或者活塞销刚度
33、小而销座刚度大，则两者之间变形不能相互适应，结果引起销座内孔上侧边缘等处产生严重的应力集中，致使销座开裂。因此销座的设计应与活塞销统一考虑，要求活塞销有足够的刚度，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。所以在设计锻钢活塞销座时，充分考虑了这些因素，设计销座形状为弹性销座形式，即在销座上方与活塞顶部留有一定的空间以增加销座的弹性，以增加销座的寿命。2.9.1 活塞销孔形式选择不同销孔形状对销孔表面及燃烧室喉口等部位的应力影响不同，现在主要有完全圆柱形、单侧异型销孔、内外侧双喇叭形销孔三种形式。对于锻钢活塞主要采用内外侧双喇叭形销孔形状设计，中
34、间为圆柱形，如图25所示。外侧直径增大量一般为0.0120.020mm，内侧为0.0060.016mm，销孔表面峰值应力与圆柱形销孔相比可降低25%。图25活塞销孔形状示意图下一步要确定活塞销孔直径，必须综合考虑活塞销的直径、活塞销座处的温度来计算二者之间的间隙。现己知活塞销的外径为中450-0.006mm，活塞销孔处工作状态时的温度为140(有限元分析结果)，活塞销材料为20Cr，其线膨胀系数为11xl0一6/K，活塞材料为38MnVs6，其线膨胀系数也为11x10一6/K，则热负荷工作状态下，活塞销孔的膨胀量为：D1= D。(tt。)=11106 45(14020)=0.0594mm同样，
35、活塞销的膨胀量为：D2= D。(tt。)=11106 45(14020)=0.0594mm二者差值：=DlD2=0.05940.0594=0.0mm以上数值只是在热负荷状态下的理论计算值，而实际情况是销孔变形还受机械负荷的影响，同样，活塞销也产生弯曲变形和椭圆变形。2.9.2 销孔直径的确定根据经验，一般增压柴油机的活塞销和销孔之间工作状态为间隙配合，配合间隙为 (0.0004士0.0001)D时，活塞和活塞销之间能够可靠工作。锻钢活塞直径中110mm，按中间值计算，配合间隙应为0.0440士0.0110mm。综合考虑工作状态下活塞销的变形、销孔的变形影响，活塞销、销孔的制造精度，冷态情况下，
36、活塞销在销孔中在冷磨合和冷起动时不存在预应力，活塞销在销孔中能自由转动，根据实际的设计经验，锻钢活塞销孔和活塞销间隙值应该为0.050.07mm左右才能保证销座减少开裂的危险。已知活塞销的直径为中45-0.006mm，这样，最终确定活塞销孔内径冷态值为中45(+0.050，+0.065)mm。活塞在工作状态时，销孔表面发生弯曲变形，成为外侧小、内侧大的圆椎梯形，而活塞销的变形量相对较小，基本保持平直，这样，为了保证工作状态时销孔和活塞销之间的接触面积足够大，活塞销孔表面也应该是平直的。这样，冷态时的销孔表面就应该设计成外侧大、内侧相对小的圆锥梯形。销孔纵向素线形状可按幂函数公式Y= aXb来计
37、算。活塞销孔直线段理论长度为(5440.4)/2=6.8mm，外侧68.8处比销孔圆柱部分直径大0.018mm，可求出曲线方程为:Y=1.643510-4X2内侧34.4处比销孔圆柱部分直径大0.006mm，可求出曲线方程为:Y=3.33310-4X2这两段曲线和直线段圆滑过渡，比两段斜线和直线尖角过渡减少了应力集中，增加了销孔寿命。这种销孔结构是当今活塞设计中最先进的销孔形式。2.9.3 销座径向高度对于活塞的径向结构的设计，我取两个活塞销座平行，这样不仅容易加工，而且能降低成本，提高生产效率。活塞两个销座平行，我取的是两个活塞销座活塞销座间距取0.4D=0.4110mm=44mm。所以，活
38、塞销孔总长度为（8044）/2=18mm2.10 活塞外圆型面设计首先，要选择合适的配缸间隙，因为活塞材料为锻钢，其热膨胀系数与缸套相当，所以，受热时，活塞的热膨胀与缸套相当。这样，可设计的配缸间隙是铝活塞的1/2左右便可。由于工作时活塞头部要比其它部分温度高，在冷态时其头部间隙大于裙部。但配缸间隙大了，会使环和环岸产生很大的应力，因此希望配缸间隙尽可能小些。活塞火力岸区与缸套之间的配合间隙可以较铝活塞减小，使两者之间形成油膜润滑，减少了磨擦磨损，同时对燃气有更好的密封作用，第一环免受了燃气冲击，减轻了活塞环的负载，与一般铝活塞相比，摩擦减少了5%10%。由于配合间隙的减少，使燃烧室有害容积减
39、少，HC排放和油耗降低，一般测试结果表明HC下降2050%。对于小缸径柴油机由于死区容积占有比例较大，因此效果更为明显。死区容积减少使柴油机冷起动性能大大改善。根据缸套尺寸110(0， +0.02)mm，设计配缸间隙为0.040.08mm，由此确定活塞最大直径尺寸为109.95士0.0lmm。小的裙部配缸间隙可减弱活塞换向时的倾斜摆动和敲缸现象，从而大大减轻缸套穴蚀，同时对柴油机性能十分有利，其动力性和经济性都有明显改善。活塞裙部是活塞设计中特别重要的部位，在活塞的往复运动过程中，活塞裙部起导向作用。裙部形状和表面粗糙度影响着动态油膜的形成与保持，直接影响到发动机机械效率和漏气量，尤其体现在现
40、代高速、高性能发动机上。内燃机工作时，各零件之间存在着相对运动，其运动形式有活塞组与缸套之间的往复运动，有滑动轴承间的旋转运动等，这些零件间不仅有很高的相对运动速度，而且存在着很大的作用力，锻钢活塞平均运动速度达到14m/s，活塞侧向推力达数千公斤，在相互接触之间就会产生切向运动阻力一摩擦力，因而造成摩擦损失。一般情况下，内燃机的机械效率为7590%，有1015%的功率消耗在摩擦损失上，摩擦力导致内燃机的有效效率下降、机体的温度上升、材料性能下降，摩擦还使机体表面磨损，造成表面接触不良，间隙增大，产生振动和噪音，并且降低使用寿命。活塞与缸套间的摩擦，无论是对内燃机的有效效率，还是对活塞与缸套磨
41、损的影响都是很严重的，它使有效效率下降，活塞与缸套间的间隙增大，使燃烧性能降低。由于工作状态下，活塞裙部要受到机械负荷和热负荷的共同作用，而产生较大的变形，使得裙部与缸套实际上只在不大的区域上接触，因此容易造成润滑状态恶化，使活塞裙部磨损严重，甚至出现擦伤、拉缸的情况。因此活塞外圆型面设计，既充分考虑活塞的热变形、机械变形、二阶运动以及缸孔的热变形，又要保证活塞与缸孔间实现流体动力润滑20。目前，内燃机活塞裙部横截面一般采用椭圆形状，纵向截面则普遍由一般的圆锥面发展到中凸曲面(桶形曲面)21。根据实测结果并通过活塞CAE分析即机械变形、热变形和二阶运动等各项因素的分析，确定在裙部上端主要考虑主
42、推力面的径向收缩量大，裙部下端主要考虑次推力面的内缩，将二者结合并拟合成为一个主、次推力面统一的纵向中凸形型面，亦即主、次推力面的中凸形裙部采用同一种纵向型线。这种型线在裙部高度上存在中凸点，即最大直径点。型线上半段基本上遵循主推力面的实际磨合规律，而下半段则遵循次推力面的实际磨合规律。一般来讲，增压中冷强化机型则普遍的采用中凸变椭圆型面。中凸变椭圆型面母线可近似看作两条曲线相接构成。裙部横截面为椭圆，椭圆度为销轴截面内的型面对圆周最大直径的偏差值，且椭圆度沿活塞裙部变化。这就确定了在接触处型面对润滑油影响的基本要素。冷态活塞的中凸形状，裙部上端收缩量较下端收缩量大，这可保证活塞在热状态下裙部
43、不同高度有不同的热膨胀时，与缸套贴合良好，也有利于活塞与缸套间的液体润滑，改善活塞裙部表面的磨擦和磨损，当活塞发生倾斜，特别是换向时，可避免产生裙部边棱负荷，改善活塞对缸壁冲击。必须注意，椭圆度较小时，润滑油膜厚度较小，可能发生临界摩擦;若椭圆度较大，则活塞承压性能降低，导致连杆摆动平面方向的润滑油层厚度减少。润滑油层最小厚度值取决于裙部上端桶形变化值。当型面呈直线或变化不大时，油层厚度将急剧减少。工作状态下，中凸点的位置接近于活塞销孔中心或稍偏高一些，有利于润滑油膜的压力分布，使围绕活塞销孔中心的油膜支承力矩改变，有利于缸内倾斜角的减少和平稳运动性的提高，但在活塞机械变形和热变形的影响下，裙
44、部中凸点的位置将向销孔中心方向上移一段距离。因此从综合考虑满足活塞热变形的需求和冷态下的平稳运动来考虑，将中凸点在冷态下布置在销孔中心以下一小段距离是合适的。根据这些原理，所设计的锻钢活塞外圆型面为椭圆型，为减少漏气量和机油耗，活塞第一环岸由原来的锥形改进为中凸形，与缸孔间隙减小，使工作状态下该部位参与导向，不仅改善了该部位的润滑状态，而且减小了活塞的二阶运动，使活塞运行更平稳。裙部纵向形线为中凸形，凸点偏下方。因侧压力作用下的裙部变形和裙部不均匀的热膨胀，裙部横截面可以取作单一椭圆、双椭圆、椭圆和偏心圆、椭圆和椭圆的组合。椭圆规律应据发动机的具体情况进行设计、修正，比较常用的设计为：单椭圆形
45、状规律22：R=G/4( lcos2)=G/2sin2式中：R相对于椭圆长轴的半径收缩量G椭圆度(G=椭圆长轴尺寸椭圆短轴尺寸)R处所在位置与椭圆长轴的夹角为了改善裙部与缸套的贴合情况，又能满足制造过程的工艺可行性，如在工作中发现活塞=45左右有擦伤痕迹，采用双椭圆公式22：R=G/4(1cos2)+(1cos4)=G/2(sin2+sin2)式中：椭圆修正系数在椭圆设计过程中，一般应取0.25p0.25。锻钢活塞裙部横向为变修正椭圆设计，椭圆度自上而下逐渐增大，修正系数为0.10。其椭圆半径收缩量公式：R= G/4(1cos2)0.10( lcos4)目前对活塞裙部表面粗糙度也有了新的认识。
46、试验己证实，活塞裙部表面加工成有规则状凹凸刀纹，凹纹可储油，向摩擦表面带去足够的润滑油，凸纹可加速磨合，自动适应裙部与缸套的尺寸配合。当然，粗糙度值(裙部刀纹)也不宜过大否则将加速加大发动机配缸间隙。锻钢活塞设计中，粗糙度值采用 Ral.6-3.2左右。2.11 活塞结构强度确定因为所设计的锻钢活塞为薄壁结构，各部位结构强度的确定，要结合发动机的热负荷及机械负荷情况选择合理的结构参数值，同时要考虑与活塞相邻零件的配合情况。也就是各部位的壁厚一定要选择合适的数值。在满足强度及可靠性的基础上，壁厚越薄越好，因为薄了能够节省材料，并且能够减轻活塞重量，符合活塞轻量化设计要求。如图2-6所示，为我公司
47、为锻钢活塞设计所出的一般规范，各关键部位的壁厚可以在以下参数范围内进行选择。 图2-6活塞各部位壁厚示意图1.）冷却油腔距顶面的最小距离Kl:K1=D(3.58.5)% D发动机缸径，以下同。所设计活塞缸径D=110mm。Kl=D(3.58.5)%=110(3.58.5)%=3.89.4考虑到可靠性，取K1=6；2.）冷却油腔距环槽底最小距离K2K2=D(2.53.2)%=110(2.53.2)%=2.83.6在此范围内选择中间值K2=3；3.）冷却油腔距燃烧室最小距离K3K3=D(3.54.5)%=110(3.54.5)%=3.905.0在此范围内选择K3=5；4）.燃烧室底部最小壁厚K4(顶厚)K4=D(4.57.0)%=110(4.57.0)%=5.007.
