淺析發動機活塞裙部設計

吳陽

摘 要：目前發動機的活塞總成上，裙部是重中之重，裙部形狀和表面粗糙度直接影響了動態油膜的形成與維持，對發動機的機械效率和漏氣量也有很大關系。通過數值模擬，對活塞裙部的變形情況進行分析，通過對活塞裙部外形橫截面、縱截面變形規律的分析，確定裙部型面整體設計。

關鍵詞：發動機；活塞裙部；變形；優化設計

一般情況下，活塞與缸套間的過度摩擦損失會導致表面接觸不良、間隙增大，產生振動和噪音，使內燃機機械效率下降、使用壽命降低。活塞裙部與之關系較大。由于該部受到機械負荷和熱負荷的共同作用，產生較大的變形，使得活塞裙部與缸套實際上只在不大的區域上接觸，容易造成潤滑狀態惡化，裙部磨損嚴重，甚至出現拉缸現象，活塞敲缸現象也與裙部的設計有關。

一、活塞裙部變形情況分析

活塞在運動過程中，承受著熱負荷、氣體壓力、慣性力及缸壁的側推力作用。在氣體壓力作用下，活塞頂在銷座跨度內發生彎曲，導致裙部部位擴張變形。在側推力作用下，裙部垂直于銷座方向被壓扁，銷座軸向裙部尺寸伸長。氣體壓力使得活塞裙部有上部收縮下部向外擴張的趨勢，熱負荷則使活塞裙部上部膨脹大于下部膨脹。在工作狀態下，大部分裙部表面不承受活塞側推力。

二、活塞裙部外形型面概況

（一）設計原則

裙部與缸套在工作狀態下只有保持適當的接觸面積和合理的比壓，才能保證活塞工作的平穩性和耐久性，有效防止拉缸，提高發動機的性能。在活塞裙部外形型面設計時，要充分考慮活塞在工作狀態下受熱負荷作用和機械負荷作用發生變形，使裙部外型能與缸套壁面始終保持流體潤滑狀態。目前，內燃機活塞裙部橫截面一般采用橢圓形狀，縱向截面則普遍由一般的圓錐面發展到中凸曲面（桶形曲面）。根據實測結果并通過活塞CAE分析，確定在裙部上端主要考慮主推力面的徑向收縮量大，裙部下端主要考慮次推力面的內縮，將兩者結合并擬合。一般來講，小缸徑發動機整體鋁活塞若為非增壓機型，可采用中凸等橢圓型面，而增壓及增壓中冷強化機型則普遍的采用中凸變橢圓型面，大缸徑中速機型也較多采用中凸變橢圓型面。裙部橫截面為橢圓，橢圓度為銷軸截面內的型面對圓周最大直徑的偏差值，且橢圓度沿活塞裙部變化。冷態活塞的中凸形狀，裙部上端收縮量較下端收縮量大，可使活塞在熱狀態下裙部不同高度有不同的熱膨脹時，與缸套貼合良好；有利于活塞與缸套間的液體潤滑，改善活塞裙部表面的磨擦和磨損；當活塞發生傾斜，特別是換向時，可避免產生裙部邊棱負荷，減少活塞對缸壁沖擊。潤滑油層最小厚度值取決于裙部上端桶形變化值。當型面呈直線或變化不大時，油層厚度將急劇減少。

（二）活塞裙部

橫截面規律因側壓力作用下的裙部變形和裙部不均勻的熱膨脹，裙部橫截面可以取作單一橢圓、雙橢圓、橢圓和偏心圓、橢圓和橢圓的不同組合。橢圓規律應據發動機的具體情況進行設計、修正，比較常用的設計為單橢圓形狀規律，

式中ΔR為相對于橢圓長軸的半徑收縮量；G為橢圓度，G=橢圓長軸處直徑-橢圓短軸處直徑；α為ΔR處所在位置與橢圓長軸的夾角。考慮到制造過程工藝性，采用雙橢圓公式，式中β為橢圓修正系數。在橢圓設計過程中，β一般應取-0.25<β<0.25。但在實際設計中，有時會出現β>0.25或β<-0.25的情況。當β>0.25時，通常將ΔR>G/2范圍內的橢圓曲線修訂為ΔR=G/2。即αgΦαΦ90°在范圍內按正圓加工（αg為ΔR=G/2位置處的角度）。由ΔR=G2=G4[（1- cos2αg）+β（1-cos4αg）] ，得αg=12arc cos（1-12β）當β<-0.25時，橢圓長軸附近各點大于橢圓長軸尺寸，應將橢圓長軸附近修訂為正圓形。即將0ΦαΦα0范圍內ΔR值修訂為0，即ΔR=0=G4[（1-cos2α0）+β（1-cos4α0）]式中α0為ΔR=0位置處的角度，α0=12arccos（-1-12β）。

（三）活塞裙部橫截面橢圓設計

1、橢圓度G及修正系數β的確定

目前發動機活塞裙部橢圓度值G一般取0.5左右。統計表明，活塞裙部橢圓度一般為0.15～0.55mm?；钊捎诮Y構強度弱、柔性大，工作狀態下裙部的彈性變形相對增強，裙部與缸套間的側向推力相對柴油機要小，接觸面積不需要太大。所以為保持活塞與缸套間合理的表面比壓，通常使長軸兩側橢圓收縮量比標準橢圓（單橢圓）大，一般β取0.1～0.15。

2、裙部主、次推力面不對稱橢圓設計

為了改善磨損情況，活塞裙部橢圓設計有主、次推力面不對稱設計形式。汽油機活塞主推力面橢圓收縮量一般要大于次推力面的橢圓收縮量，即Δ1>Δ2，主推力面瘦一些。柴油機活塞則相反，即在主推力面上橢圓度較小，活塞與缸壁接觸面積較大，側壓力產生的彎矩也較小，因而能承受較大的負荷。這樣裙部推力面與銷座平面接轉角處的總直徑間隙增大了，，工作可靠性因而提高。

3、裙部橢圓度的軸向變化

根據活塞的工作狀況和結構特點，G上

（四）活塞裙部縱截面規律

裙部縱截面現在多采用中凸型線規律。中凸型線規律一般采用反復修正法或復合材料法獲得。活塞裙部縱向型線方程可如下描述：上半段縱向基線方程Y=AnXn+An- 1Xn- 1+An- 2Xn- 2+An- 3Xn- 3+…+A1X+A。下半段縱向基線方程Y=K（Z1-Z）n，式中K為系數； Z0為從裙部上端點到最大點的距離； Z為從裙部上端點起的裙長值。也可設計縱向中凸型線，如圖所示。1、活塞在高溫下成正圓柱，中凸型線呈現超越函數RZ=R0+Δ0（1- e-MZ），式中R0為活塞裙部上端半徑；M為材料物理性能系數。2、按流體動力潤滑的概念，設計成中凸鼓形，在高溫工況下適應活塞與缸壁的貼合。表達方程式為RZ=R1-d|Z-Z1|n，式中R1為裙部最大直徑；d，n為按同類活塞的理想類型選取。工作狀態下，中凸點的位置接近于活塞銷孔中心或稍偏高一些，有利于潤滑油膜的壓力分布，使圍繞活塞銷孔中心的油膜支承力矩改變，有利于缸內傾斜角的減少和平穩運動性的提高，但在活塞機械變形和熱變形的影響下，裙部中凸點的位置將向銷孔中心方向上移一段距離。

（五）活塞表面微觀輪廓設計

通過試驗表明，裙部表面加工成有規則狀凹凸刀紋，凹紋可儲油，向摩擦表面帶去足夠的潤滑油，凸紋可加速磨合，自動適應裙部與缸套的尺寸配合。現代活塞設計中，鍍錫活塞的粗糙度值多采用Ra1.6～Ra3.2左右。印刷石墨活塞在表面處理前一般為Ra3.2左右，或直接標注刀紋形狀。

三、結語

活塞結構的局部細微改進直接影響發動機的性能，裙部形狀影響著動態油膜的形成與保持。因此，對活塞裙部型面設計的研究、改善與缸套間的配合，在提高發動機動力性、經濟性和可靠性等方面，有著重要意義。具體到各類發動機的活塞設計，應根據其承受的負荷來采取不同的設計方案，更好地滿足發動機低機油耗、高性能、低排放等要求，為開發高新性能活塞奠定良好基礎。

參考文獻：

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