汽油机活塞结构设计及分析.pdf

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1、6内燃机与配件2010年第8期汽油机活塞结构设计及分析王树青1郑洪国2(1．烟台中集来福士海洋工程有限公司2．山东滨州渤海活塞股份有限公司)(摘要]根据样机参数在结合整体铝合金活塞基本设计规律的基础上完成了活塞结构设计。并建立了活塞组件的三维模型；确定了活塞组件温度场、应力分析计算过程中的边界条件；采用接触对方法完成了活塞热分析、热机耦合分析及疲劳分析的数值模拟计算。为台架试验验证和产品设计定型打下良好的基础。(关键词]活塞结构设计有限元分析疲劳O概述活塞是内燃机的重要零部件之一，它的工作状况直接影响到内燃机的性能、工作可靠

2、性和排放等指标。尤其是随着客户对发动机性能的要求越来越苛刻，产品推向市场的紧迫性13趋迫切，活塞的设计合理与否成为制约发动机开发成败的关键因素。如何在项目初期．在保证发动机性能的前提下能较快的设计出接近目标参数的活塞组件。并准确的分析出活塞各部位结构强度。进而评价出所设计活塞各部位的疲劳寿命指标，将为台架试验验证和产品设计定型打下良好的基础。本文以某N型汽油机活塞的设计开发为例．在结合整体铝合金汽油机活塞基本设计规律的基础上．采用Catia软件完成了活塞初期的结构设计。并建立了活塞组件的三维模型。利用Ansys软件进行了活塞

3、组件的网格划分及数值模拟计算工作。通过对活塞组件的温度场、应力场和安全系数等进行模拟计算，在结构强度上保证了该轿车活塞的结构可靠性。1活塞结构设计概述某N型样机的基本性能参数为：欧III轿车汽油机，直列4缸、水冷、4冲程、电子节气门，行程77．4mm，缸径为83mm，压缩比10，标定功率为75kW／5500r／rain、排量1．7L。活塞为全新设计。1．1结构形式针对样机的性能参数活塞设计采用平顶．考虑到气门、火花塞的位置，以及保证压缩比为10．活塞顶确定为：凹坑形燃烧室，喉口R1过渡，活塞顶厚度为6．3mm，活塞顶部向环区

4、的过渡设计成“热流型”断面，以利于传热，减小活塞的热负荷。头部设计两道气环槽和一道油环槽。油环槽内有回油槽，裙部为椭圆形。活塞销孔的中心线偏向发动机的主推力侧，减少了活塞通过上止点换向时的敲击。第一道环槽到活塞顶的距离即顶岸高度h根据热负荷确定。在保证第一道环工作可靠的条件下，尽量缩小h，以力求降低活塞高度和质量．这里取h=7mm。活塞示意图见图1。根据头部受热膨胀和机械变形，活塞采用锥形一椭圆形方案，如图2。将头部型面设计成上小下大的锥形．椭圆度为0．10mm、长轴在与销孑L垂直方向的椭圆锥形。这样可以大大减小活塞头部与气

5、缸套的配合间隙．燃气热量能够较容易地传递到缸套。减小燃气的流通面积．从而增强传热效果，防止引起擦伤、拉缸等不良后果。在保证工作可靠的情况下，缩小间隙量，能改善环岸对缸壁的传热，减小有害容积，改善CO、HC排放。国外有关发动机试验数据表明ill[2I：当活塞火力岸配合间隙从0．42mm增加到1．Omm时，环槽底部温度将增高10—15qC．其他部位温度将增加4—6℃。因此减小活塞与缸套的配合间隙．是有效降低活塞温度的～项结构技术措施。1．2活塞材料及毛坯由于活塞的工作条件恶劣．对于活塞材料，要王树青郑洪国：汽油机活塞结构设计及分

6、析7求其具有较高的机械性能、高温强度和导热系数，较小的线膨胀系数、密度以及良好的减摩性、耐磨、耐蚀性能等。该活塞采用共晶硅铝合金材料，硅含量1l％一13％，并添加少量的Mg、Mn、Cu等元素。合金中硅元素能使线膨胀系数和密度下降。耐磨性、耐蚀性、硬度、刚度和疲劳强度提高，铸造流动性改善。活塞毛坯用金属模铸造，以保证毛坯具有良好的铸造质量

7、3I。活塞毛坯出炉后进行热处理。消除活塞铸件的内应力。增加体积稳定性、强度和刚度，热处理后HBW硬度为100～130，体积稳定性0．02％*D，常温抗拉强度大于196MPa，高温不小于69M

8、Pa。活塞表面处理方法：表面镀锡，以改善活塞与缸壁的磨合性能。图1活塞示意图图2活鬈型线不意图2活塞有限元计算模型的确立与基于试验的方法相比，有限元计算能够提供零部件表面的疲劳寿命分布，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，避免不合理的寿命分布1415]。对活塞的应力与变形作三维分析．通常多采用1／4的活塞摩擦副组模型141．这主要是为了计算简便而采取的简化措施【51。并且可以非常容易的施加位移约束。由于活塞的结构较为复杂，为避免计算结果的不收敛性，应对细微结构予以简化，建立相对准确的几何模型作为研究对象。利用法国Da

9、ssault公司CatiaV5R18软件，建立活塞三维模型。如图1所示Z轴为活塞中心线。X轴为销孔中心线。取活塞、活塞销和连杆小头的四分之一模型为有限元分析模型。活塞网格划分采用10节点的4面体实体单元和销、连杆划分采用20节点的6面体实体单元，在进行应力分析的边界条件设置中。活塞和活塞销