柴油機的活塞設(shè)計分析以及強度校核的研究

朱禎

摘要：柴油發(fā)動機活塞的優(yōu)化設(shè)計準則是，活塞的剛度和強度能夠滿足發(fā)動機的負載要求。在工作過程中，活塞的熱負荷和機械負荷比較大，甚至不需要活塞的設(shè)計使用高溫高質(zhì)量材料高強度和低的熱膨脹系數(shù)。一個在其工作過程中的發(fā)動機的核心部件是活塞，活塞的頂部部分是發(fā)動機燃燒室的其中一部分。與此同時，壁厚和形狀的參數(shù)應(yīng)合理，以盡可能減少加熱區(qū)域及其自身質(zhì)量。根據(jù)柴油機活塞設(shè)計的最佳需求，以四缸發(fā)動機的活塞設(shè)計為例，進一步分析其基本零部件的設(shè)計標(biāo)準和強度。

關(guān)鍵詞：柴油機;活塞設(shè)計;強度校核

1 ?某款新型柴油機的活塞設(shè)計研究

該柴油機的活塞材料應(yīng)該滿足下面的要求：機械強度高，耐磨性比較好、重量輕、導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性比較好、穩(wěn)定性比較好、加工也比較方便，該工藝總共12%的共晶鋁硅合金ZL111被選擇用于處理。

1.1 分析活塞的頭部設(shè)計

1.1.1 分析在活塞的頂部

活塞頂部的厚度也由最大氣壓決定，所以它具有足夠的剛度和良好的導(dǎo)熱性。對于4個工作強度低的柴油發(fā)動機，選擇未填充的平頂活塞頂蓋。

為了將活塞環(huán)安裝在活塞頭上，必須加厚側(cè)壁，這也有利于熱傳遞。在過渡半徑中就是（0.05-0.1），其中d是7mm，側(cè)壁的厚度為（0.05-0.1）d=7mm。另外，活塞頂部的厚度由散熱與剛度的條件決定，取決于強度。當(dāng)滿足強度要求時，應(yīng)盡可能取最小值。

1.1.2 分析環(huán)槽的確定

事實證明，第一環(huán)的磨損最大，發(fā)動機大修與活塞組之間的間隔很大程度上取決于第一環(huán)的使用壽命。為了降低氣環(huán)，尤其是第一個氣環(huán)的溫度，可以考慮采取以下措施：

①第一環(huán)排列在活塞頂?shù)暮穸纫韵隆?/p>

②隔熱槽就是在第一環(huán)的上方開了一個槽。

③將滑塊插入鋁制活塞環(huán)的凹槽中。

④活塞頂部涂有等離子噴涂陶瓷。

某些發(fā)動機在第二個環(huán)形槽的底部有兩個槽，它們不僅僅可以使用背面帶有尖銳邊緣的活塞環(huán)，這樣還可以起到減壓室的作用，防止了機油由燃燒室而流出，因此減少油耗。

環(huán)槽的高度取決于環(huán)的高度。在具有較高機械負荷和熱負荷的柴油發(fā)動機中，增加到第一轉(zhuǎn)的側(cè)隙為0.1-0.2mm。其余約為0.04-0.13mm。氣環(huán)的后部間隙通常為0.5mm。環(huán)形凹槽底部過渡的圓角通常為0.1-0.4mm。

在活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計中具體如下：

①一種推力側(cè)與反側(cè)是非對稱設(shè)計的。

②為了減小活塞銷的長度，這樣優(yōu)化了活塞銷的形狀。

③優(yōu)化活塞銷座上部的壁厚并減少質(zhì)量。

在以上分析的基礎(chǔ)上，柴油機采用了凹形頂部活塞，活塞表面涂有0.2-0.3mm的陶瓷。

1.2 銷座設(shè)計

在銷座的設(shè)計中應(yīng)盡可能考慮活塞銷的直徑，以使銷座之間能夠相互適應(yīng)。當(dāng)D值非常小時，我們想要的是銷座具有良好的彈性。具體可以采取以下的措施：可以將銷孔的邊緣加工成圓角或倒角。為了增強銷座的支承強度，從銷孔的中心到銷座的外圈的底部到偏心的距離為3-4mm，從而銷座的厚度更大，比銷座的底部要大。活塞銷座也可以根據(jù)上下長度進行設(shè)計。

設(shè)計采用了內(nèi)外雙喇叭銷形狀，中間為圓柱狀。不同的銷孔形狀對于針孔的表面與燃燒室喉管的應(yīng)力有著不同的影響。通常，外徑的增加為0.012-0.018，內(nèi)徑的增加為0.010-0.016。銷孔表面的峰值應(yīng)力比桶形針孔表面的峰值應(yīng)力低25%。

1.3 分析活塞在外圓型面之中的設(shè)計

1.3.1 橫截面型線設(shè)計

工作狀態(tài)下裙部為熱變形與機械的變形所引起的橢圓形變形，即活塞裙部橫截面中線的設(shè)計要依據(jù)其中主要來抵消活塞的。如果在變化規(guī)律中，活塞裙部截面上方的輪廓被視為單個橢圓規(guī)則（圖1），那么具體表示公式如下：

Δ=G（1-cos2α）/4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

在式中Δ——橢圓的相對長軸，mm。

G——橢圓度，即長短軸之差，mm

為了提高裙擺與缸壁的配合程度，防止缸咬，裙擺的頂部的g值應(yīng)該比較大。鋁活塞在裙部的g值在0.05-0.5mm之間，裙部上下差就是0-0.25。Sl105系列柴油機活塞裙部的下端橢圓度是g59.50.18mm，為活塞裙部橢圓度的附加值也就是Go=G0.07mm?？紤]到這一過程，橢圓度和裙擺的高度成線性的關(guān)系。

那么裙長L段的橢圓度GL是：

GL=Go-KL ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中系數(shù)K——沿裙長橢圓度的變化。

根據(jù)公式（1）與（2）中可以得出柴油機在活塞的裙部計算出了截面隨圓角的變化呈徑向減小。如圖1所示，D1是裙座頂部活塞的直徑，D2是裙座底部活塞的直徑。

1.3.2 分析縱截面中型線的設(shè)計

活塞裙部縱剖面的設(shè)計是基于裙壁縱的斷面在工作狀態(tài)之下活塞熱膨脹之后保持了其良好的脹形曲線，并在缸套壁與裙壁之間形成楔形油隙。充分利用在雙向油楔中形成的動態(tài)潤滑效應(yīng)，減少兩壁之間的磨損與摩擦。

首先，在設(shè)計裙部線時，應(yīng)選擇氣缸間隙來確定活塞裙部d的最大直徑（即凸點直徑）。正常冷間隙Δ（0.0007～0.0016）D。

在設(shè)計中的縱剖面時，中間凸點的選擇還應(yīng)考慮當(dāng)活塞位于底部死中心時，中間凸點在裙部的位置不能露出氣缸套。在一般的情況之下，最好要選擇銷孔的中心線以下的中間凸起位置就是（0～0.3）d。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料，中間凸活塞裙部縱向輪廓規(guī)則選擇拋物線規(guī)則，即裙部縱向輪廓規(guī)則可表示如下：

Δz=aZb ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中的Z——型線上任一點與中間凸點的軸向距離;Δz——型線上距中間凸點軸向距離為Z處的徑向縮減量;b——常數(shù)。

2 ?活塞的強度計算

2.1 第一環(huán)的強度計算

活塞的頂部受到最大氣體的壓力PZ影響的時候，根據(jù)實驗值，通過第一個環(huán)作用在第一個環(huán)上的平均壓力為p1=0.9PZ，環(huán)下氣體的壓力為p2=0.22PZ。因此在環(huán)槽中的深度就是t，環(huán)岸的高就是C1，槽底的直徑就是d=d-2t。

與屈服的強度為255MPa的ZL111相比，滿足了ZL111的要求，可以適當(dāng)減小活塞銷的長度。

3 ?結(jié)語

通過對活塞強度的分析計算，達到了強度載荷理論設(shè)計的基本要求，為發(fā)動機活塞的設(shè)計提供了理論依據(jù)。本文設(shè)計了一款新型柴油機活塞。設(shè)計環(huán)槽，考慮漏氣和摩擦的處理，設(shè)計第一個環(huán)的形狀;裙邊設(shè)計注重變形的影響，裙邊表面涂層;銷孔設(shè)計，考慮潤滑方式。

參考文獻：

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