4L132柴油機活塞設計及強度分析

王凱，周娜，蘇鐵熊，張俊躍

（1.中北大學機電工程學院，太原030051；2.中國北方發動機研究所，大同037036）

4L132柴油機活塞設計及強度分析

王凱1，周娜1，蘇鐵熊1，張俊躍2

（1.中北大學機電工程學院，太原030051；2.中國北方發動機研究所，大同037036）

伴隨著現代柴油機的高強化發展需求，提高最大爆發壓力是強化柴油機的一種措施。隨著柴油機的最大爆發壓力越來越大，結構要求越緊湊，作為柴油機重要零部件的活塞從結構設計到材料上都有新的發展。本文對4L132柴油機活塞的材料、頭部、銷部、裙部分別進行設計，并對該活塞強度計算驗證，從而為強化柴油機活塞部分提供相關的理論依據。

柴油機活塞強度

1 引言

活塞是汽車發動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一。活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉，活塞頂部還是燃燒室的組成部分[1]。活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作。活塞直接與高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2 500 K以上。因此，受熱嚴重，而散熱條件又很差，所以活塞工作時溫度很高，頂部高達600～700 K，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程壓力最大，這就使得活塞產生沖擊，并承受側壓力的作用[2]；活塞在氣缸內以很高的速度（8～12 m/s）作往復運動，且速度在不斷地變化，這就產生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的工作條件下，會產生變形和加速磨損，還會產生附加載荷和熱應力，同時受到燃氣的化學腐蝕。

更高的高溫強度和更低的熱膨脹系數是優質活塞的關健問題，而這些都屬于材料的屬性。因此，活塞都是伴隨著材料的發展而發展的。近年來，許多新的設計理念和設計方法被引入到活塞的開發中，一些新型活塞材料的采用和新結構的誕生使活塞不但沒有成為制約柴油機發展的瓶頸，而且成為推動其快速發展的強大動力。

所以在活塞設計上一個具有足夠強度和剛度，合理的形狀和壁厚，質量盡可能小，受熱面積小、散熱好，材料熱膨脹系數小、導熱性好、比重小，具有良好的減摩性和熱強度，質量小的活塞是最佳的設計[3]。

2 活塞材料選擇

4L132柴油機活塞的材料應滿足如下要求：重度小、導熱系數大、線膨脹系數小、機械強度高、減磨性好、穩定性好、耐腐蝕性好、易于加工等。目前鋁活塞材料有亞共晶Al-Si-Cu-Mg合金、共晶Al-Si-Cu-Mg合金、共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg合金、共晶Al-Si-Cu-Mg-RE合金、過共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、陶瓷纖維增強復合材料鋁合金及各類不同組分不同配比的合金等。對于現代高性能汽車發動機鋁活塞，采用金屬型重力鑄造成形的質量足以滿足性能的要求，高性能鋁活塞的發展方向是采用共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg合金[4]。綜合加工制造因素選12%的共晶鋁硅合金ZL111，液態模鍛方法制造[5]。

3 活塞基本尺寸確定

活塞可分為3個部分：（1）活塞頭部,（2）活塞裙部,（3）活塞銷座。

（1）活塞頭部——活塞頂、頂岸及活塞環帶。活塞頂與氣缸蓋、氣缸壁組成燃燒室，承受燃氣壓力，接受高溫氣體的作用。活塞環帶又稱密封部，其作用是保證工作容積的密封性。安裝氣環和油環的溝槽稱為環槽，環槽下支撐環的部分稱為環岸。環帶部分經受機械磨損和高溫燃氣的腐蝕作用，也受燃油和機油不完全燃燒產物的微粒影響使其磨損。

（2）活塞裙部——環帶以下的部分，起導向作用。發動機工作時，與活塞銷軸線垂直的兩側裙部由于側壓力的影響，磨損特別嚴重。

（3）活塞銷座——位于裙部中央上方，銷座中安裝活塞銷。活塞通過銷座上半部將燃氣作用力傳給活塞銷，因此銷座也是活塞上容易產生裂紋的部位。

在強化程度不斷提高的情況下，活塞的結構設計應著重注意活塞銷座的載荷及潤滑、活塞承受機械及熱負荷的疲勞現象、活塞頂及環帶的適當冷卻，并盡量減輕重量等等。活塞的設計取決于機械負荷及熱負荷、燃燒室的形狀和布置、活塞環的數目、加強筋的安排、活塞頂的厚度、活塞銷的直徑與第一環的位置等。柴油機活塞的主要尺寸范圍及擬選擇值參見圖1和表1。

（1）活塞高度H：由頂岸高度、環帶高度及裙部高度確定。其確定原則是要盡可能小，這樣可以減小往復運動質量，降低內燃機高度。

（2）壓縮高度H1：決定活塞銷位置，在保證氣環較好工作條件下，應盡量縮短，這樣可以降低內燃機的高度。另外在制造時必須保證很高精度，這是由于其精度對壓縮比有直接影響。

（3）頂岸高度h1：頂岸高度確定了第一環位置。保證第一環的工作溫度不超過180～220℃的條件下盡可能取小。這是因為第一環槽溫度超過240℃時，容易使環槽處的潤滑油結膠。

（4）環帶高度h2：取決于活塞環數、環高及環岸高度。環岸高度主要根據機械強度來確定。其中第一環岸由于氣體壓力較大且工作溫度又較高，其高度會稍大于其他環岸。

圖1 活塞的主要尺寸參數

表1 發動機活塞的主要尺寸范圍及擬選擇值

4 活塞頭部設計

4.1 活塞頂部

4L132柴油機的活塞頂部的形狀取決于燃燒室的形狀。而活塞頂的厚度根據最高燃氣壓力決定，使之有足夠的剛度及良好的導熱能力。一般對非冷卻的活塞，活塞頂的厚度與活塞直徑之比不應小于0.1～0.2，活塞頂吸收熱量的85%通過活塞環和裙部經氣缸壁散入冷卻介質中，為了保證沿這一途徑流過的阻力盡可能小些，活塞頂的厚度應自中心到邊緣逐漸增大。在工作強度不高的4L132柴油機中選擇平頂不帶加強筋的活塞頂。

活塞頭部要安裝活塞環，側壁必須加厚，這也有利于熱量通過。鋁合金活塞頂，內部輪廓應注意從頂部到側壁采用較大的過渡半徑以避免應力集中和減少熱阻。過渡半徑可采用（0.05～0.1）D=7mm；側壁厚度一般取（0.05～0.1）D=7mm。活塞頂的厚度δ是根據強度、剛度及散熱條件來確定的。在滿足強度要求下，應盡量取小值。

4.2 環槽的確定

實踐證明，第一道環磨損最大，因此發動機檢修活塞組的時間間隔，在很大程度上決定于第一道環的壽命。為了達到減少氣環區，特別是第一道環的溫度，可以考慮如下措施：

（1）將第一道環安排在活塞頂厚度以下。

（2）在第一道環之上開一個槽，稱為隔熱槽。

（3）在鋁活塞環槽處加鑲塊。

（4）在活塞頂部采用等離子噴鍍陶瓷。

（5）提高活塞環槽加工質量和正確選擇環與環槽的側隙Δ1。

活塞環岸的銳邊必須有適當倒角，環槽根部也應有一定倒角。某些發動機在第二環槽底部有2道溝槽，既可以采用背面為尖棱的活塞環，又可以充當減壓腔防止機油竄入燃燒室，達到降低機油消耗量的目的，如圖2所示。

圖2 環槽根部

活塞環帶的高度取決于氣環與油環的數目以及各環槽和環岸的寬度。活塞的壓縮高度與活塞質量的關系很大，減少活塞的壓縮高度，活塞的質量便可以得到減輕。在一般情況下活塞壓縮高度以上部分的質量要占活塞總質量的80%之多。降低頂環高度、優化二環和油環的環岸高度、減小活塞銷直徑是傳統的減輕質量的措施[6]。

活塞環數取決于密封的要求。漏氣量隨氣體壓力和氣缸直徑的增大而增加，隨內燃機轉速的增加而減少。一般來說，汽油機采用2道氣環、1道油環，柴油機為3道氣環、1道油環；低速柴油機采用3～4道氣環、1～2道油環。為了減少摩擦損失，降低環帶高度，應在保證密封的條件下力爭減少環數[7]。

環岸高度主要根據機械強度來確定。環槽高度取決于環高。在熱負荷和機械負荷都很高的柴油機中，常把第一環側隙增大到0.1～0.2 mm；其余約為0.04～0.13 mm；活塞環與環槽的背隙一般較大，以避免環與槽底圓角干涉。氣環的背隙一般取0.5 mm。環槽底部的過度圓角一般為0.1～0.4 mm，如圖3所示。

圖3 環槽底部過渡圓角

還在活塞的結構上做出了如下設計：（1）采用推力側與反推力側非對稱的設計；（2）優化活塞銷形狀，減少活塞銷長度，改變活塞銷座為楔形形狀，從而使活塞銷座的總長度最短；（3）對于活塞銷座上面部分，優化其壁厚，以達到減輕質量的目的。

根據以上分析，4L132柴油機擬采用凹頂活塞，在活塞頂上噴鍍厚度0.2～0.3 mm的陶瓷，由于柴油機工作強度不是太大，所以活塞的冷卻方法采用自由噴射冷卻法[8]。

5 銷座設計

銷座之間的距離B=0.4D，取決于連桿襯套和活塞銷座的材料。加大銷座的承壓面，同時也減小了活塞銷的跨度，有利于提高它的彎曲剛度。

銷座的設計應盡量兼顧活塞銷直徑d的大小，使銷與銷座有相互適應的變形。當d小時，希望銷座有較好的彈性。為了減輕銷孔內側的應力集中，在設計時應使活塞銷有較大的剛度，以此減小它的彎曲變形，但從局部來說應使它有一定的彈性，以適應局部變形。具體可采用以下一些措施：可將銷孔邊緣加工成斜面、圓角或倒棱。也有將銷孔中心相對銷座外圓向下偏心3～4 mm，使銷座的厚度上面比下面大些，以加強銷座承壓強度。也可將活塞銷座設計成上長下短的形式。

不同銷孔形狀對銷孔表面及燃燒室喉口等部位的應力影響不同，本設計中采用內外側雙喇叭形銷孔形狀，中間為圓柱形，如圖4所示。外側直徑增大量一般為0.012～0.018，內側為0.010～0.016，銷孔表面峰值應力與圓柱形銷孔相比可降低25%。

圖4 活塞銷孔形狀示意圖

6 活塞外圓型面設計

活塞裙部的作用首先是承受曲柄-連桿機構的側推力；其次是引導活塞沿氣缸壁作往復滑移運動，而且要求在摩擦面間能夠維持一層潤滑油膜層；第三是將活塞所接受熱量的一部份經裙部傳給氣缸壁。如果裙部制成正圓形，活塞裙部推力面與氣缸壁僅有80～100°弧面接觸，由于受到側壓力的作用，裙部有被壓扁的趨勢，迫使銷座軸向延長。加上活塞頂部燃氣壓力的作用，使活塞頂部在銷座跨度內發生彎曲，導致相應的裙部向外擴張。同時活塞受熱膨脹后產生圓環效應，由于銷座的金屬較多，蓄積的熱量也多，故裙部在銷座中心線平面內的熱膨脹大于在垂直于銷座中心線平面內的熱膨脹。因此活塞在工作時，正圓形的裙部就會變形，形成銷座方向為長軸的橢圓形，這樣一來就不能使活塞與氣缸套很好地貼合，還容易產生拉缸、竄氣、竄油現象[8]。

中凸變橢圓活塞裙部外形的結構特點就是徑向外形為橢圓形狀，長軸在垂直于銷座孔中心線平面內，短軸在銷座孔中心線平面內，即裙部橫截面上呈橢圓，而且在不同裙高處的橢圓度值不同，其橫向型線的橢圓度值是沿裙高呈線性變化的，而在縱向上呈鼓形或叫中凸形[9]。

6.1 橫截面型線設計

活塞裙橫截面型線的設計依據主要是抵消活塞在工作狀態下由于機械變形和熱變形所產生的裙部橢圓變形。如將活塞裙部橫截面上外型線的變化規律視為單橢圓規律（圖5），則可以用下式來表示：

式中，

Δ——橢圓相對長軸的徑向縮減量，mm；

G——橢圓度，即長短軸之差，mm。

由于活塞裙面橢圓度與機型類別、大小和強化程度等關系不大，橢圓度G的大小主要由側推力、活塞結構和材料等因素決定，其數值一般隨裙高變化而變。由于裙頂溫度比裙底溫度高且壁較厚，一般認為裙頂熱膨脹較大。為改善裙部與氣缸壁的貼合性，防止咬缸，裙頂G值應較大。據有關資料介紹，鋁活塞裙面的G值范圍為0.05～0.5 mm，且其裙頂與裙底值之差取0～0.25 mm。4L132柴油機活塞裙部上端截面橢圓度取值為G0=0.25 mm，下端截面G59.5=0.18 mm，即整個活塞裙面上的橢圓度增大值ΔG為0.07 mm。從工藝上考慮，取橢圓度隨裙高成線性關系變化[10]。

圖5 設計橢圓截面示意

則裙長L截面處的橢圓度GL為：

其中，K為橢圓度沿裙長的變化系數。

根據式(1)、(2)即可計算出柴油機活塞裙部各橫截面隨圓周角變化的徑向縮減量，如圖6所示(圖中D1為裙底活塞直徑，為裙頂活塞直徑）。

圖6 裙部橫截面橢圓坐標

6.2 縱截面型線設計

活塞裙縱截面型線的設計依據主要是使活塞在工作狀態時受熱膨脹后的裙壁縱向型線保持良好的中凸鼓形曲線，在裙壁和氣缸套壁之間形成一楔形油隙，充分利用雙向油楔形成的動力潤滑效應，從而降低兩壁面間的摩擦和磨損[11]。

在裙部型線設計中，首先要選定配缸間隙，從而決定活塞裙部最大直徑D（即中凸點處直徑）。減小配缸間隙，可以減輕活塞換向時的橫向運動與敲氣缸套的現象。但在減少配缸間隙的同時還要考慮活塞工作時受到的熱膨脹和機械變形的影響。通常情況下冷態間隙Δ=(0.0007～0.0016)D。

在設計縱向型線時，裙部中凸點位置的選擇非常重要。有關資料表明，中凸點的位置宜選在銷孔中心以下，使中凸點以上裙部長度大于中凸點以下裙部長度，有利于減輕活塞在橫向運動時的傾斜，減少環的磨損，增加封油、封氣的有效能力[11]。中凸點位置選擇還要考慮到當活塞位于下止點時，裙部中凸點位置不可露出氣缸套。一般中凸點位置選擇在銷孔中心線以下(0～0.3)D處較為理想。當熱態變形后，中凸點位置上移至銷孔中心附近，這就可避免活塞換向時裙部在氣缸套壁上的滾動。根據國內外有關資料介紹，中凸活塞裙縱向型線規律選擇拋物線規律（圖7），即裙部縱向型線規律可用下式表示：

式中，

Z——型線上任一點與中凸點軸向距離；

Δz——型線上距中凸點軸向距離為Z處的徑向縮減量；

a、b——常數。

圖7 裙部縱向型線結構示意圖

通常情況下，中凸點上下型線不為同一拋物線。中凸點以上部位拋物線b值取2～3.4，中凸點以下部位拋物線b值取1.2～2，裙頂徑向削減量CT取0.03～0.15 mm，裙底徑向削減量CB取0～0.04 mm。根據選定的參數，再按式（3），就可計算出縱向型線上任意一點的徑向縮減量。在連桿擺動平面即α=0處（裙部截面橢圓長軸方向）的活塞縱向型線，稱為基線。在裙部縱向型線設計中，當基線一定時，其它角度處的縱向型線就是在此基線的基礎上，再計及不同裙長處橢圓度的變化后單值地決定的，這一系列縱向型線決定了整個活塞裙部外形型面的規律。至此，整個活塞裙部外形型面設計完畢[12]。

在裙部設計時必須盡量滿足以下要求：具有足夠的承壓面積；（1）保證裙部在工作時具有正確的圓柱形狀，并保持與氣缸之間的最小間隙；正確安排銷孔位置，防止活塞在氣缸中傾斜；（2）活塞裙部與氣缸內表面之間應保持最小的間隙，小的氣缸間隙還可以降低噪聲并減小缸套穴蝕[13]；（3）裙部的橫斷面通常做成橢圓形，長軸垂直于活塞銷中心線。工作時活塞裙部在活塞銷中心線方向增大，在垂直方向減小。

橢圓形長短軸的差，一般為0.3～1.45 mm。橢圓形狀的活塞裙因曲率變化平滑，壓力分布均勻，工作比較可靠。可以考慮偏心車削的辦法把銷孔附近不承壓的裙部車掉一層，并在正對著銷座附近的表面制成凹坑或切去部分金屬。

為保持間隙小且均勻，活塞外圓表面原則上應設計成上小下大的錐形或階梯形[9]。最理想的活塞外表面形狀應根據裙部變形情況來確定，圖8為4L132柴油機裙部的外表面型線。

解決內凹型最理想的裙部形狀是中凸形。為使活塞裙部和氣缸之間保持最小間隙，采用了裙部鑲入鋼片或輕鋼筒的鋁活塞[13]。裙部高度從減小比壓及減輕磨損來說應取得大些，但從減小活塞高度來說則應取得小些，這應根據內燃機的具體情況來考慮。

圖8 4L132柴油機活塞外表面型線

考慮裙部高度時，必須照顧到活塞銷孔相對于活塞裙部的位置，合理分配上裙部與下裙部的高度，以防活塞工作時發生傾斜，造成局部強烈磨損[4]。

由一般公式考慮得：

頂部間隙δ1=0.006D=0.46 mm

銷孔側面間隙δ2=0.0014D=0.1 mm

7 活塞的強度計算

7.1 第一環岸的強度計算

第一環岸的強度計算用圖如圖9所示。當活塞頂受到最大燃氣壓力pz時，通過第一道環作用在第一道環岸上面的平均壓力p1，據實際經驗可取p1=0.9 pz，環岸下面所受的燃氣壓力p2，可取為p2= 0.22 pz。于是，環槽深度為t，環岸高為C1，槽底直徑為D'=D-2t[4]。

圖9 活塞第一環岸

環岸根部所受的彎矩則M為

其抗彎斷面系數W為

此時環岸根部的彎曲應力為

環岸根部的剪切應力為

所以τ=8.2 MPa

根據第三強度理論，其合成應力為

所以有σΣ=21.4 MPa。

該處的合成應力不應超過許用應力。許用應力的大小與活塞材料有關，一般范圍是：鋁合金為30～40 MPa；鑄鐵為60～80 MPa；鋼為100～150 MPa。第一環岸滿足強度要求。

7.2 活塞裙部比壓的校核

裙部比壓一般按下式進行校核，即

其中，Nmax為最大側作用力，可近似取8%～12%的最大氣體壓力。則可得到

所以有q=2.91 MPa。

本活塞所用材料ZL111的條件屈服強度為255 MPa，所以該活塞的裙部校核合格。

7.3 活塞銷座比壓校核

銷座比壓q1按下式計算，即

式中，

Pjz——活塞與活塞環的最大往復慣性力，單位為N；

l'——活塞銷的作用長度。

即

上式中，2l'為銷座工作面長度，所以有l'=18 mm。

為計算簡便，可以略去Pjz，計算結果偏安全。可以使用

所以有q1=25.4 MPa

與ZL111的條件屈服強度255 MPa相比，符合要求。而且活塞銷長度可以適當減小。

8 結論

本文對4L132活塞進行設計時，在活塞頭部處設計了活塞頂面與頂岸，考慮了溫度影響和頂岸間隙對排氣污染的影響；環槽的設計，考慮漏氣及摩擦的處理，第一環的設計形狀；裙部的設計注意了變形后的結果，裙部表面鍍層；對銷孔的設計，兼顧了潤滑方式。在對活塞材料選擇需滿足重度小、導熱系數大、線膨脹系數小、機械強度高、減磨性好、穩定性好、耐腐蝕性好、易于加工等條件。并通過對活塞進行強度計算分析，從而達到理論設計上的強度負荷要求，為高強化發動機設計中活塞設計部分提供了理論依據。

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4 Park J O,.Kim K J,Kang D Y,et al.An experimental study on the optimization of powder forging process parameters for an aluminum-alloy piston.Journal of Materials Processing Technology, 2001,113(1):486-492．.

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8葛郢漢．活塞的材料分析[J]．2006（5）：52-53．

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13張衛正，薛劍青，吳思進等．高升功率柴油機鑄鐵活塞的設計與計算分析[J]．1999，17（3）：228-232．

衷心感謝廣大讀者和作者多年來對《柴油機設計與制造》期刊的支持和關愛。歡迎訂閱，踴躍投稿。

新年快樂！

《柴油機設計與制造》編輯部全體人員

Design and Strength Analysis of 4L132 Diesel Engine Piston

Wang Kai1,Zhou Na1,Su Tiexiong1,Zhang JunYue2
（1.Electromechanical engineering college,The North University Of China,Taiyuan 030051,China; 2.North China institute of engine,Datong 037036,China)

With the development of modern diesel engine,improving the peak firing pressure is a kind of measure to strengthen the diesel engine.With the increase of peak firing pressure and more compact structure required,piston as an important part of a diesel engine,has a new development from structure design to material.This paper presents the design of the piston of the 4Ll132 diesel engine from material selection to the designs of piston head,piston pin seat,and piston skirt,and the calculation verification of piston strength so as to provide a relevant theoretical basis for strengthening the piston of 4Ll132 diesel engine.

diesel engine,piston,strength,design

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.003

來稿日期：2012-09-06

王凱（1987-），男，碩士，主要研究方向為發動機總體設計。