柴油機的活塞設計分析以及強度校核的研究

朱禎

摘要：柴油發動機活塞的優化設計準則是，活塞的剛度和強度能夠滿足發動機的負載要求。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計使用高溫高質量材料高強度和低的熱膨脹系數。一個在其工作過程中的發動機的核心部件是活塞，活塞的頂部部分是發動機燃燒室的其中一部分。與此同時，壁厚和形狀的參數應合理，以盡可能減少加熱區域及其自身質量。根據柴油機活塞設計的最佳需求，以四缸發動機的活塞設計為例，進一步分析其基本零部件的設計標準和強度。

關鍵詞：柴油機;活塞設計;強度校核

1 ?某款新型柴油機的活塞設計研究

該柴油機的活塞材料應該滿足下面的要求：機械強度高，耐磨性比較好、重量輕、導熱系數大、線膨脹系數小、耐腐蝕性比較好、穩定性比較好、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熱性。對于4個工作強度低的柴油發動機，選擇未填充的平頂活塞頂蓋。

為了將活塞環安裝在活塞頭上，必須加厚側壁，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。當滿足強度要求時，應盡可能取最小值。

1.1.2 分析環槽的確定

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

①第一環排列在活塞頂的厚度以下。

②隔熱槽就是在第一環的上方開了一個槽。

③將滑塊插入鋁制活塞環的凹槽中。

④活塞頂部涂有等離子噴涂陶瓷。

某些發動機在第二個環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，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。

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

在活塞的結構設計中具體如下：

①一種推力側與反側是非對稱設計的。

②為了減小活塞銷的長度，這樣優化了活塞銷的形狀。

③優化活塞銷座上部的壁厚并減少質量。

在以上分析的基礎上，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 銷座設計

在銷座的設計中應盡可能考慮活塞銷的直徑，以使銷座之間能夠相互適應。當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上下長度進行設計。

設計采用了內外雙喇叭銷形狀，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力有著不同的影響。通常，外徑的增加為0.012-0.018，內徑的增加為0.010-0.016。銷孔表面的峰值應力比桶形針孔表面的峰值應力低25%。

1.3 分析活塞在外圓型面之中的設計

1.3.1 橫截面型線設計

工作狀態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計要依據其中主要來抵消活塞的。如果在變化規律中，活塞裙部截面上方的輪廓被視為單個橢圓規則（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。考慮到這一過程，橢圓度和裙擺的高度成線性的關系。

那么裙長L段的橢圓度GL是：

GL=Go-KL ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中系數K——沿裙長橢圓度的變化。

根據公式（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計

活塞裙部縱剖面的設計是基于裙壁縱的斷面在工作狀態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潤滑效應，減少兩壁之間的磨損與摩擦。

首先，在設計裙部線時，應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。

在設計中的縱剖面時，中間凸點的選擇還應考慮當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。根據國內外相關資料，中間凸活塞裙部縱向輪廓規則選擇拋物線規則，即裙部縱向輪廓規則可表示如下：

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。

2 ?活塞的強度計算

2.1 第一環的強度計算

活塞的頂部受到最大氣體的壓力PZ影響的時候，根據實驗值，通過第一個環作用在第一個環上的平均壓力為p1=0.9PZ，環下氣體的壓力為p2=0.22PZ。因此在環槽中的深度就是t，環岸的高就是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，可以適當減小活塞銷的長度。

3 ?結語

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

參考文獻：

[1]廖君慧.高強化柴油機活塞設計[D].清華大學，2014.

[2]王凱，周娜，蘇鐵熊，張俊躍.4L132柴油機活塞設計及強度分析[J].柴油機設計與制造，2012（04）：15-21.