汽油机活塞结构设计及分析

的 锥 形 ， 圆 度 为 ０１ｒ 、 轴 在 与 销 孔 垂 直 方 向 椭 ．ａ 长 ０ｍ
建 立 了活塞 组件 的三维模 型 。利 用 Ａ ｓｓ ｎｙ 软件进 行
的椭 圆锥形 。这样 可 以大大减 小活塞 头部与气 缸套
了活塞组件 的 网格 划分及数 值模拟 计算＿ 作 。通 过 Ｔ 二
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 Ｉ 轿 车汽 Ｉ Ｉ 油 机 ， 列 ４缸 、 冷 、 直 水 ４冲 程 、 电子 节 气 门 ， 程 行 ７ ．ｍ ７ ｍ，缸 径 为 ８ ｒ ４ ３ ｍ，压 缩 比 ｌ ，标 定 功率 为 ａ ０
７ｋ ５０ ｄ ｉ、 ５ Ｗ／ ５ ０ ｍ ｎ 排量 １ Ｌ ． 。活塞 为全新设 计 。 ７
况 直接 影 响到 内燃机 的性 能 、 工作 可靠性 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 。 品推 向市 场 的紧 迫性 日趋 迫 切 ， 塞 的设 产 活
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 ， 保 证 发 动 机 性 能 的 前 提 下 能 较 在
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 ， 而评 价 出所 设 计 活塞 进
各 部位 的疲 劳寿命 指标 ， 为 台架试 验验 证 和产 品 将
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
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 、 度 以及 良好 的减 摩性 、 密 耐磨 、
Ｃ ｔ Ｖ Ｒ１ ａ ａ ５ ８软 件 ， ｉ 建立 活 塞 三维 模 型 ， 图 １所示 如 Ｚ轴 为活 塞 中心线 ， ｘ轴 为销孔 中心线 。取 活 塞 、 活
１１结 构 形 式 ．
合 间隙 ，是 有 效 降 低 活 塞 温度 的一项 结 构 技 术措
施。 １２ 活 塞 材 料 及 毛坯 ．
针 对样 机 的性 能 参数 活塞设 计 采用 平顶 ， 虑 考
由于 活塞 的工 作 条件恶 劣 ，对 于活 塞材 料 ． 要
王树 青 郑 洪 国 ： 油 机 活 塞结 构 设 计 及 分 析 汽
下， 缩小 间隙量 ， 改善 环岸 对缸 壁 的传热 ， 小有 能 减 害容 积 ， 善 Ｃ Ｈ 改 Ｏ、 Ｃ排放 。国外有关 发动机试 验数 据 表 明 ｌ当 活 塞火 力岸 配 合 间 隙从 ０４ ｒ 增 加 ： ．ａ ２ｍ 到 １ ｍｍ 时 ． 槽 底 部 温 度将 增 高 １— ５Ｉ， ． Ｏ 环 ０ １ ｃ 其他 Ｃ 部 位温 度将 增加 ４ ６Ｃ — ￣ 。因此 减小 活 塞与缸 套 的配
塞销 和连 杆 小 头 的 四分 之 一 模 型 为有 限 元分 析 模
耐 蚀性 能等 。该 活 塞 采用 共 晶硅 铝 合 金材 料 ， 含 硅 量 ｌ％～ ３ 并 添加 少量 的 Ｍｇ Ｍｎ Ｃ ｌ １ ％。 、 、 ｕ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 、 度 、 硬 刚度 和 疲 劳强 度提 高 ， 造 流 动性 改 铸
０ 概 述
活 塞 是 内 燃 机 的重 要 零 部 件 之 一 ． 的 工 作 状 它
到气 门 、 火花塞 的位 置 ， 以及保证 压缩 比为 １ ， Ｏ 活塞 顶确定 为： 凹坑形燃 烧 室 ， 口 Ｒｌ 喉 过渡 ， 活塞顶 厚度
为 ６ ｍ 活塞 顶 部 向环 区 的过渡 设 计成 “ 流 型” ． ｍ． ３ 热
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内 燃 机 与 配 件
２１ ０ ０年第 ８期
汽 油机 活塞 结构 设计 及 分 析
王 树 青 郑 洪 国
（． 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） １烟 ． ［ 要］ 摘 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
上 ． 用 Ｃｔ 采 ａ ａ软 件 完 成 了活 塞 初 期 的 结 构 设 计 ． ｉ 并
一
下 ． 量 缩小 ｈ 以力 求 降低 活 塞 高度 和质 量 ， 里 尽 ， 这
取 ｈ ７ ｍ。 活 塞 示 意 图 见 图 １ ＝ｍ 。
根 据头 部受 热膨 胀 和机 械变 形 ， 活塞 采用 锥形 椭 圆形 方案 ， 图 ２ 将头 部型 面设计 成上 小下大 如 ，
建立 了活塞组件 的三 维模 型 ； 定 了活塞组件 温度 场 、 确 应力分析 计 算过程 中的边界 条件 ； 用接 触 采
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 ， 台架试验 验证 和产 品设 为
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
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 孑 的 中心线 偏 向 Ｌ 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 ＿ 作 可靠 的条 件 Ｔ
对 活塞组 件 的温度 场 、 应力 场和 安全 系数 等进 行模
拟 计 算 ． 结 构 强 度 上 保 证 了 该 轿 车 活 塞 的 结 构 够较 容易地 传递 到缸套 ， 减 小 燃 气 的流 通 面 积 ， 而 增 强传 热 效 果 ， 从 防止 引 起 擦伤 、 缸等 不 良后 果 。在保 证工作 可 靠 的情况 拉