張偉的文獻(xiàn)綜述

1、活塞設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)展?fàn)顩r(重慶汽車學(xué)院車0745-2張偉)摘要：活塞做為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，社會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)活塞要求越來越嚴(yán)格。本文主要從活 塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程、未來活塞設(shè)計(jì)的方向、以及有限元技術(shù)在活塞開發(fā)中的 應(yīng)用三個(gè)方面闡述了目前國(guó)內(nèi)外活塞開發(fā)的現(xiàn)狀.。關(guān)鍵詞：活塞 有限元分析 內(nèi)燃機(jī)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引言內(nèi)燃機(jī)嚴(yán)酷的內(nèi)部溫度環(huán)境和負(fù)荷條件使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)很難取得令人 滿意的效果，活塞作為內(nèi)燃機(jī)的心臟，一般要承受幾種載荷的同時(shí)作用，為確保 設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、為了適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的高壓環(huán)境和提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和耐久性要求 以及設(shè)計(jì)中的壽命要求

3、，需要采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和分析手段。而且其設(shè)計(jì)不僅要滿 足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)愈來愈向高功率、高速、 低油耗方向發(fā)展，社會(huì)對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和廢氣凈化的要求也日趨嚴(yán)格。下面就 一般活塞的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要介紹。設(shè)計(jì)的流程1.1產(chǎn)品分析活塞位于發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，一般要承受幾種載荷的同時(shí)作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的 每個(gè)循環(huán)中燃燒產(chǎn)生周期性壓力載荷，通常定義為“高周”分量，燃燒也產(chǎn)生熱 載荷，為靜態(tài)載荷，與發(fā)動(dòng)機(jī)功率有關(guān)，并隨發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化而變化，通常定義 為“低周”分量?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生慣性載荷，活塞與缸體之間摩擦而產(chǎn)生摩擦 載荷。需要對(duì)活塞所在的發(fā)動(dòng)機(jī)工況分析【1】：1、穩(wěn)定態(tài)分析:一般式千讓

4、表連續(xù)地全速度、額之功率或最大扭矩條件， 機(jī)械載荷疊加到常量熱載荷上。2、瞬時(shí)態(tài)分析:發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功幸變化，機(jī)械載荷疊加到波動(dòng)熱載荷上，這屬于非常復(fù)雜的情況，需要考慮高周和低周應(yīng)力分量。1.2活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活塞的基本結(jié)構(gòu)可以分成三部分：頭部、 裙部和銷座。四沖程摩托車、發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂多用 平頂。為了防止活塞頂在上止點(diǎn)時(shí)與氣門頭部相 碰，往往在頂面上與氣門對(duì)應(yīng)部分有凹坑。依靠設(shè) 計(jì)和制造技術(shù)，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)普遍采用三環(huán)短活塞。 圖5-1表示出了汽油機(jī)平頂活塞的各部分。圖-1四行程汽油機(jī)活塞各部分的尺寸比例1.2.1活塞頭部的設(shè)計(jì)活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過銷座把 它傳給

5、連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。因此，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：盡可 能改善活塞頂和第一環(huán)的工作條件，防止頂部熱裂和環(huán)粘結(jié)，以及環(huán)槽過度磨損。 1.2.2活塞裙部的設(shè)計(jì)活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊古c氣缸直接 接觸并高速滑動(dòng)，同時(shí)承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力PN。活塞裙部的設(shè)計(jì)要求有：保證活塞在缸內(nèi)得到良好的導(dǎo)向；具有足夠的承壓 面；能形成楔形潤(rùn)滑油膜；與缸孔的間隙適當(dāng)，既不過大引起活塞敲擊噪聲，也 不過小造成咬缸。1.2.3活塞銷座活塞銷座的應(yīng)力分布取決于銷座與活塞銷兩者的變形是否互相適應(yīng)，如果活 塞銷剛度較大而銷座剛度較小，或者活塞銷剛度小而銷座剛度大，則兩者變形不

6、 能互相適應(yīng)，結(jié)果引起銷座內(nèi)孔上側(cè)邊緣等處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，致使銷座裂 開。因此，活塞銷座的設(shè)計(jì)應(yīng)與活塞銷統(tǒng)一考慮，要求活塞銷有較高的剛度，減 少活塞銷的彎曲變形，而活塞銷座能承受很高的壓力，又要具有一定的彈性，使之適 應(yīng)活塞銷的變形。一般來說銷座外圓直徑取d=(0.320.42)D，內(nèi)徑d廳(0.250.60)d。1.3活塞優(yōu)化在活塞設(shè)計(jì)階段，可用有限元法計(jì)算活塞溫度場(chǎng)熱應(yīng)力和熱變形，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu) 化。從活塞溫度場(chǎng)確定活塞各部的熱流分配情況，以及對(duì)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的有限元分析多 合成可以評(píng)定是否滿足技術(shù)要求。2.活塞設(shè)計(jì)的研究方向當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)愈來愈向高功率、高速、低油耗方向發(fā)展，社會(huì)對(duì)降

7、低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲 和廢氣凈化的要求也日趨嚴(yán)格，這就要求活塞必須具備以下幾種性能【2】：良 好的耐久性，摩擦最小，產(chǎn)生廢氣污染最小，噪聲最小，給活塞環(huán)提供 穩(wěn)定工作的環(huán)槽條件。這些要求在不同穆度上隨發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性而定，也取決于 在活塞設(shè)計(jì)時(shí)以及在以后的設(shè)計(jì)開發(fā)中對(duì)裙部剛性、配缸間隙與活塞型線之間綜 合內(nèi)在關(guān)系如何解釋與確定。對(duì)于活塞材料，優(yōu)先推薦的是單金屬，單金屬活塞 的吸引力是質(zhì)量輕、成本低和具有良好的導(dǎo)熱性，內(nèi)嵌式活塞雖然能獲得類似的 性能，但在質(zhì)量和成本上欠缺些。活塞保險(xiǎn)系數(shù)的確定取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的用途，作 為基礎(chǔ)研究的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)不帶有一點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)了解越少，時(shí)間越緊迫，推 薦值越保守，對(duì)于其

8、他用途的發(fā)動(dòng)機(jī)可采用中等或較大的風(fēng)險(xiǎn)系因此活塞在保持其高可靠性的同時(shí)要求其更輕、摩擦損失更低。對(duì)于汽油機(jī) 活塞而言，采用超短裙的鍛造鋁活塞是未來的發(fā)展方向和目標(biāo)【4】，圖2為超短 裙的鍛造鋁活塞。對(duì)于轎車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用鋁基復(fù)合材料能很好地適應(yīng)未來 轎車柴油機(jī)的高爆發(fā)壓力、高耐磨的設(shè)計(jì)要求。而對(duì)于重型車用柴油機(jī)而言，由 于不能適應(yīng)高爆發(fā)壓力（大20MPa）的需要，鍛鋼活塞會(huì)逐漸地取代鋁活塞而 成為設(shè)計(jì)的主流。從活塞的工作條件可看出，為保證內(nèi)燃機(jī)的良好運(yùn)行特性，對(duì)活塞合金材料性能有如下要求【5】：1 .密度小由于活塞工作時(shí)是不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為使慣性力盡可能小，這就要求活塞材料 密度要小。鋁的密度

9、為2. 7g/cm3，約為鑄鐵的1/3，因此鋁就成為活塞用合金 的基本材料。熱膨脹系數(shù)小為降低活塞配缸問晾，活塞合金的熱膨脹系數(shù)要盡可能接近鑄鐵氣缸。因?yàn)?只有這樣，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工作溫度范圍內(nèi)有個(gè)良好的配缸間隙。鑄鐵的 熱膨脹系數(shù)約為9Kelven，純鋁約為24Kelven，通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，特別 是硅，可將活塞合金材料的熱膨脹系數(shù)降低到17Kelven，余下的差值 現(xiàn)一般是通過鑄入可控膨脹鋼片來補(bǔ)償。好的耐磨性活塞環(huán)是為封閉高壓燃?xì)夂吞峁?rùn)滑油而設(shè)置的，在工作時(shí)會(huì)對(duì)活塞的環(huán)槽 造成磨損。因此，環(huán)槽區(qū)的耐磨性比裙部和銷孔要重要得多，因?yàn)榇蠖鄶?shù)活塞是 環(huán)槽區(qū)的磨損限制了活塞的使用壽

10、命，故合金的耐磨性是重要酌。好的機(jī)械性能活塞在燃?xì)獗l(fā)壓力及其住復(fù)慣性力的聯(lián)合作用下，使活塞承受高溫交變負(fù) 荷和熱疲勞，尤其是活塞頂、銷座和環(huán)榴區(qū)的工作條件更為惡劣，因此需要采取 一系列強(qiáng)化措施，提高活塞材科的綜合機(jī)械性能。好的熱傳導(dǎo)性既要考慮到活塞的機(jī)械強(qiáng)度，又要照顧到活塞的尺寸穩(wěn)定性，這就要求活塞 材料的導(dǎo)熱性非常好?；钊娩X合金的導(dǎo)熱性是鑄鐵的三倍，這樣，高的導(dǎo)熱能 力可將高熱負(fù)荷區(qū)的熱量很快傳遞給冷卻油及氣缸和連桿曲鈾等，因此使得熔點(diǎn) 枷Y的鋁合金能在與峰值溫度高達(dá)2咖飛的高溫燃?xì)猓ㄆ骄鶞囟燃s700Y）相接觸的 情況下仍能正常工作。特殊情況下，通過冷卻油腔內(nèi)流動(dòng)的冷卻油可降低活塞頭 部

11、的溫度。好的加工性能活塞是精密零件，對(duì)尺寸精度和表面粗糙度的要求都很高。但活塞鋁合金為 具有好的耐磨性而必須制成在相對(duì)軟的基體材料中含有硬合金相，這種特定組織 結(jié)構(gòu)對(duì)刀具磨損嚴(yán)重，因此必須采取技術(shù)措施，如通過冶煉方面朗措施，使硬合 金相變得盡可能細(xì)而均勻。因而使其硬度相對(duì)均勻，便于機(jī)械加工?；钊邢拊治?.1活塞溫度場(chǎng)計(jì)算溫度場(chǎng)分穩(wěn)定溫度場(chǎng)和不穩(wěn)定溫度場(chǎng)，對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來說，了解活塞溫 度場(chǎng)的分布是非常重要的。內(nèi)燃機(jī)活塞在運(yùn)行中可近似認(rèn)為處于穩(wěn)定工況下，除 接近活塞表面極薄的一層外，均可認(rèn)為溫度分布與時(shí)間無關(guān)，因此可近似把活塞 的溫度分布當(dāng)成穩(wěn)定溫度場(chǎng)。活塞的溫度可以通過試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算求得

12、。如 果采用試驗(yàn)測(cè)試活塞的溫度，由于測(cè)點(diǎn)布置有限，試驗(yàn)難度大，而且只能測(cè)得活塞 表面一些點(diǎn)的溫度。如果采用有限元計(jì)算方法對(duì)活塞進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，則可以總 觀活塞溫度分布的全貌。特別是在內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)階段，還根本談不上實(shí)際測(cè)試， 此時(shí)針對(duì)各種設(shè)計(jì)方案計(jì)算得到的溫度場(chǎng)，則可作為選擇設(shè)計(jì)方案的參考。3.2活塞熱應(yīng)力應(yīng)變分析內(nèi)燃機(jī)活塞在工作過程中，不僅因爆發(fā)壓力等機(jī)械載荷而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，而 且還由于受熱極不均勻，活塞頂部、環(huán)岸區(qū)和活塞裙部間的溫差很大，導(dǎo)致活塞內(nèi) 部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力?；钊臒釕?yīng)力是一個(gè)非常突出的問題,在某種情況下比機(jī) 械應(yīng)力大好幾倍，因此在分析活塞時(shí)必須考慮活塞的熱應(yīng)力。活塞的熱應(yīng)力也是

13、研究活塞熱強(qiáng)度的前提，在求得了活塞溫度場(chǎng)后，將各點(diǎn)溫度作為已知值,計(jì)算活 塞的熱應(yīng)力和熱變形?；钊脑O(shè)計(jì)人員通過計(jì)算活塞的熱變形，可以了解在高溫高 壓下活塞在氣缸中具有的形狀,從而在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)活塞進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。而熱變形也 是設(shè)計(jì)活塞形狀和尺寸時(shí)的重要參考資料，可由此確定活塞與氣缸套間的合理裝 配間隙。3.3活塞傳熱分析傳熱分析可分為穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱兩種方式。穩(wěn)態(tài)傳熱中系統(tǒng)的凈熱流率 為零，系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。瞬態(tài)傳熱中系統(tǒng)的溫度、熱流率、 熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯的變化?；钊膫鳠岱治鍪茄芯炕钊麄?遞自高溫燃?xì)馕諢崃康倪^程，了解活塞熱流情況，從而能夠定量地分析活塞自

14、 燃?xì)馕諄淼臒崃堪丛鯓拥姆绞絺鹘o冷卻介質(zhì)。穩(wěn)態(tài)傳熱分析和模擬相對(duì)簡(jiǎn)單，溫度場(chǎng)和熱流參數(shù)易計(jì)算求得，而瞬態(tài)傳熱操作 起來很復(fù)雜,研究難度大。在瞬態(tài)傳熱分析研究中，實(shí)際工況下的每一循環(huán)中，要 求活塞的有限元計(jì)算網(wǎng)格隨時(shí)變化，即對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)必須能夠隨著時(shí)間的變 化自動(dòng)生成新的有限元網(wǎng)格，而且對(duì)應(yīng)每個(gè)新生成的計(jì)算網(wǎng)格都能給出新的邊界 條件做一次有限元分析，因此對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的要求都很高。瞬態(tài)傳熱分析 研究在國(guó)外一直是內(nèi)燃機(jī)研究的中心課題。3.4活塞機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷耦合分析活塞在高溫、高壓、高速的工作環(huán)境中，熱變形和熱應(yīng)力的分布對(duì)其影響很 大;但燃?xì)獗l(fā)壓力和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力等機(jī)械應(yīng)力對(duì)其影響也不可忽略； 因此為了能更真實(shí)地反映活塞應(yīng)力分布，需要綜合活塞熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的雙重 作用耦合分析求解。在對(duì)活塞進(jìn)行熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力耦合分析時(shí)，目前通常是先 對(duì)活塞施加機(jī)械載荷、位移載荷和約束并完成力學(xué)平衡，然后將活塞溫度場(chǎng)的分 析結(jié)果轉(zhuǎn)化而來的溫度載荷也加載到單元中，從而進(jìn)行機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的迭加 耦合分析?！?7】結(jié)論：活塞的設(shè)計(jì)越來越嚴(yán)格，朝著耐摩擦、質(zhì)