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论文活塞设计
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；
Abstract
Thedevelopmentofsciencetechnologyforcedtheindustryofinternal-combustionenginetodevelop,thestrengthtargetofenginewasgraduallyheightened,themechanicalandthermalloadofpistonandsubassemblyofpistonwashigherandhigher.Whethertheirdesignwereinreason,relatedtothereliability、naturallife、let、economyandsoon.Therefore,withownconditions,throughtrueandeffectivecalculationandanalysis,gettingusefulprojectbecomesthemostimportanttaskoftheindustryofinternal-combustionengine.
Insevereenvironmentoftheinternalthermalandmechanicalload,theexperimentisdifficulttogetapprovingeffect.Forthesakeofrealizationofdesigntarget,adaptingincreasinghighpressure,improvingstrength、wearandnaturallifeofproduct,needingtoadoptadvanceddesignandanalysismeasure,analyzingconstructofpistonisgoodforpistonreliabilityandnaturallife.Designingpistonwithexcellentqualityimprovesenginetoworkbetter.ThesimulationmethodofCAEwillbeappliedtothedesignandcheckfieldofpistonstructuresinthisarticle.ThroughthenumericanalysisandFEM,thestrengthandfatiguelifeleveletc,areestimatedforthesubassembly.Thearticledescribesthedesignmethodandprocessofdieselenginepiston.Thetheoryresearchandengineeringapplication,showthesuperiorityofCAEtoproductdesign:
oneisinstructingthedesignthroughthecomputeranalysismodel;theotheristoprovideamodelingreferencetovirtualplatform,andtopromotetheself-exploitationabilityfortheenterprise.
Keywords:
Internal-combustionengine;Pistondesign;Finiteelementanalysis;
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H
3.22压缩高度H1
3.23顶岸高度h
3.24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H2
3.29裙部厚度
3.10活塞销直径d和销座间隔B
3.3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1∕2或1∕4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，1∕4或1∕2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1∕2或1∕4模型来简化计算，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：
Listofrequirementsfortruckpiston
NO.
Name名称
Data数据
1
Cyldiameter缸径[mm]
90
2
Stroke冲程[mm]
115
3
Numberofcylinder汽缸数
4
4
Ratedpower额定功率[kW]
12300
5
Max.torque最大转矩[Nm]
910
6
Speedatmax.torque
最大转矩时的转速[1/min]
≤1500
7
Designspeed设计转速[1/min]
8
Ratedspeed额定转速[1/min]
9
Designpeakpressure
最大爆发压力[Mpa]
15.8
10
Compressionratio压缩比
17.5
11
Numberofvalves/Cyl.
每缸气阀数
12
Conrodlength连杆长度[mm]
210
13
Conrodwidth连杆宽度[mm]
14
Keyst.Angleofconrod连杆锥度
15
Conrodguidance连杆导向
16
Cyl.Blockmaterial缸体材料
17
Cyl.Bushing缸套类型
18
Cyl.Surf缸壁涂层
19
Cyl.-distance汽缸孔距[mm]
20
Cyl.Blockheight汽缸高度[mm]
21
Honingstructure珩磨方式
22
Pistoncooling活塞冷却
内冷
23
Pistoncoolingoilflow活塞冷却油流量[1/min]
24
Toplandheight火力岸高度[mm]
25
Compressionheight压缩高度[mm]
26
Bossspacing销孔间距[mm]
27
Groovecover环槽表面处理
28
Shapeofgroove1st第一环槽形状
29
1stgrooveheight第一环槽高度[mm]
2.68
30
2ndgrooveheight第二环槽高度[mm]
2
31
3rdgrooveheight第三环槽高度[mm]
3
32
Bowlcover燃烧室表面处理
33
Pistonsurface活塞表面处理
34
Consur.ofengine发动机结构
35
1stapplic.应用范围一
36
2ndapplic.应用范围二
37
Combustion燃料
柴油
38
Aircharge进气方式
TCI
39
Enginecooling发动机冷却方式
水冷
40
Intercooler增压气体冷却器
空~空
41
Injection燃油喷射方式
直喷
42
Injectionpressure喷射压力[Mpa]
100~110
43
Injectionangle喷射角度[degree]
142°
44
Numberofsprayholes喷孔数
5
45
Totaldisplacement总排量[dm3]
7.26
46
Displacement/Cyl.每缸排量[dm3]
1.209
47
Spec.poweroutput升功率[kW]
31.833
48
Stroke/conrodradio冲程/连杆比
49
Meanpistonspeed活塞平均速度[m/s]
50
Meaneff.pressatmax.torq
最大转矩时的平均压力[Mpa]
51
Chargeairpressure进气增压
52
Chargeairtemp.beforeCAC
增压气体冷却前温度[℃]
53
In-/outletoiltemp.进/出油温[℃]
95/105
54
In-/outletwatertemp.进/出水温[℃]
80/90
55
Support销座
56
Pinouterdiameter活塞销外径[mm]
57
Pininnerdiameter活塞销内径[mm]
58
Pinlength活塞销长度[mm]
59
Pinsupport活塞销轴向定位方式
60
Pinboss活塞销孔形状
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，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
密度（g/cm2）
导热率（W/m×℃）
线膨胀系数×10-6/℃
300℃下的抗拉强度（N/mm2）
共晶铝硅合金
2.69~2.74
104.6~167.48
20～21.5
60～100
过共晶铝硅合金
2.65～2.68
117.2~146.55
17～19.5
60～90
铝铜合金
2.8—2.85
138.17~159.1
23~24
150~260
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）：
机械性能
温度（℃）
20
150
250
350
抗拉强度
MPa
243
211
105
55
屈服点
MPa
223
185
86
47
延伸率
%
<1
1
2
9
抗弯强度
MPa
110
86
50
37
物理性能
温度（℃）
20
150
250
350
弹性模量
MPa
84000
79000
75000
70000
热导性
W/mk
130
136
142
146
横向收缩
0.32
ρ
g/cm3
2.77
热膨胀率
温度（℃）
20~100
20~200
20~300
20~400
10-6mm/℃
19.2
20.5
21.1
21.8
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3-1
1．塞高度H
1）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
机型
H/D
说明
一般范围
推荐值
中小型高速
1.0~1.3
1.1左右
转速越高，H越小，以减轻质量，从而控制由于转速升高而引起的惯性力增大
高速大功率
1~1.36
1.2左右
中速机
1.45~1.80
1.5左右
要求活塞使用寿命长，H选得较大
特殊用途
0.74~0.80
牺牲活塞使用寿命，选择最小H,以满足整机高度尺寸严格限制要求
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
表3-4H1/D的一般范围
机型
H1/D
小型高速D＜105mm
D＞105mm
高速大功率
中速机
0.5~0.7
0.6~0.8
0.55~0.8
0.8~1.0
3．顶岸高度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180~220℃）。
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
0.14~0.20
组合活塞
0.07~0.20
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2~3道，油环1~2道；
中速机气环3~4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）+0.5]
（mm）（3-1）
油环槽D`=[D-（2t+KD）+1.5]
（mm）（3-2）
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0.2~0.5mm.
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）必须保证环岸有足够的机械强度，可按下列公式计算：
（3-3）
（3-4）
（3-5）
3）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
类别
环岸高度与缸径之比
第一环岸h1/D
其余环岸h2（h3）/D
铝活塞
高速机
高速大功率
钢顶组合活塞
0.04~0.08
0.04~0.06
0.025~0.035
0.03~0.045
0.03~0.04
0.02~0.03
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
类别
∕D
备注
铝活塞
小型高速
高速大功率
钢顶组合活塞
铸铁活塞
0.07~0.15
0.1~0.2
0.02~0.04
0.06~0.08
以0.07~0.12居多，采用薄顶可降低热应力
8．裙部长度H2
1）选取H2应使裙部比压在许可范围之内，裙部比压可按公式q1=Nmax∕DH2（3-6）计算。
2）H2∕D的一般范围如下：
高速柴油机0.65~0.88
中速柴油机1.0~1.1
3）
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=（0.6~0.75）H2（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
铝活塞裙部最小壁厚一般为（0.03~0.06）D（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
铝活塞钢顶铝裙组合活塞
10．活塞销直径d销座间隔Bd和B的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）
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直径，d≥0.4D；大缸径柴油机d∕D值也较大。
销座间隔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
表3-7活塞销直径d
机型
d／D
高速机
D＜100mm
D＞100mm
高速大功率
中速机
0.28~0.38
0.33~0.40
0.30~0.42
0.40~0.4
升级会员 