朱禎

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是，活塞的剛度和強(qiáng)度能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載要求。在工作過(guò)程中，活塞的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷比較大，甚至不需要活塞的設(shè)計(jì)使用高溫高質(zhì)量材料高強(qiáng)度和低的熱膨脹系數(shù)。一個(gè)在其工作過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件是活塞，活塞的頂部部分是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的其中一部分。與此同時(shí)，壁厚和形狀的參數(shù)應(yīng)合理，以盡可能減少加熱區(qū)域及其自身質(zhì)量。根據(jù)柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)的最佳需求，以四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步分析其基本零部件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);活塞設(shè)計(jì);強(qiáng)度校核

1 ?某款新型柴油機(jī)的活塞設(shè)計(jì)研究

該柴油機(jī)的活塞材料應(yīng)該滿足下面的要求：機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性比較好、重量輕、導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性比較好、穩(wěn)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(shè)計(jì)

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(dǎo)熱性。對(duì)于4個(gè)工作強(qiáng)度低的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇未填充的平頂活塞頂蓋。

為了將活塞環(huán)安裝在活塞頭上，必須加厚側(cè)壁，這也有利于熱傳遞。在過(guò)渡半徑中就是（0.05-0.1），其中d是7mm，側(cè)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(qiáng)度。當(dāng)滿足強(qiáng)度要求時(shí)，應(yīng)盡可能取最小值。

1.1.2 分析環(huán)槽的確定

事實(shí)證明，第一環(huán)的磨損最大，發(fā)動(dòng)機(jī)大修與活塞組之間的間隔很大程度上取決于第一環(huán)的使用壽命。為了降低氣環(huán)，尤其是第一個(gè)氣環(huán)的溫度，可以考慮采取以下措施：

①第一環(huán)排列在活塞頂?shù)暮穸纫韵隆?/p>

②隔熱槽就是在第一環(huán)的上方開(kāi)了一個(gè)槽。

③將滑塊插入鋁制活塞環(huán)的凹槽中。

④活塞頂部涂有等離子噴涂陶瓷。

某些發(fā)動(dòng)機(jī)在第二個(gè)環(huán)形槽的底部有兩個(gè)槽，它們不僅僅可以使用背面帶有尖銳邊緣的活塞環(huán)，這樣還可以起到減壓室的作用，防止了機(jī)油由燃燒室而流出，因此減少油耗。

環(huán)槽的高度取決于環(huán)的高度。在具有較高機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，增加到第一轉(zhuǎn)的側(cè)隙為0.1-0.2mm。其余約為0.04-0.13mm。氣環(huán)的后部間隙通常為0.5mm。環(huán)形凹槽底部過(guò)渡的圓角通常為0.1-0.4mm。

在活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具體如下：

①一種推力側(cè)與反側(cè)是非對(duì)稱設(shè)計(jì)的。

②為了減小活塞銷的長(zhǎng)度，這樣優(yōu)化了活塞銷的形狀。

③優(yōu)化活塞銷座上部的壁厚并減少質(zhì)量。

在以上分析的基礎(chǔ)上，柴油機(jī)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(shè)計(jì)

在銷座的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能考慮活塞銷的直徑，以使銷座之間能夠相互適應(yīng)。當(dāng)D值非常小時(shí)，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(qiáng)銷座的支承強(qiáng)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?；钊N座也可以根據(jù)上下長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)采用了內(nèi)外雙喇叭銷形狀，中間為圓柱狀。不同的銷孔形狀對(duì)于針孔的表面與燃燒室喉管的應(yīng)力有著不同的影響。通常，外徑的增加為0.012-0.018，內(nèi)徑的增加為0.010-0.016。銷孔表面的峰值應(yīng)力比桶形針孔表面的峰值應(yīng)力低25%。

1.3 分析活塞在外圓型面之中的設(shè)計(jì)

1.3.1 橫截面型線設(shè)計(jì)

工作狀態(tài)下裙部為熱變形與機(jī)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(shè)計(jì)要依據(jù)其中主要來(lái)抵消活塞的。如果在變化規(guī)律中，活塞裙部截面上方的輪廓被視為單個(gè)橢圓規(guī)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(duì)長(zhǎng)軸，mm。

G——橢圓度，即長(zhǎng)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(yīng)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(jī)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?？紤]到這一過(guò)程，橢圓度和裙擺的高度成線性的關(guān)系。

那么裙長(zhǎng)L段的橢圓度GL是：

GL=Go-KL ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中系數(shù)K——沿裙長(zhǎng)橢圓度的變化。

根據(jù)公式（1）與（2）中可以得出柴油機(jī)在活塞的裙部計(jì)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(shè)計(jì)

活塞裙部縱剖面的設(shè)計(jì)是基于裙壁縱的斷面在工作狀態(tài)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(dòng)態(tài)潤(rùn)滑效應(yīng)，減少兩壁之間的磨損與摩擦。

首先，在設(shè)計(jì)裙部線時(shí)，應(yīng)選擇氣缸間隙來(lái)確定活塞裙部d的最大直徑（即凸點(diǎn)直徑）。正常冷間隙Δ（0.0007～0.0016）D。

在設(shè)計(jì)中的縱剖面時(shí)，中間凸點(diǎn)的選擇還應(yīng)考慮當(dāng)活塞位于底部死中心時(shí)，中間凸點(diǎn)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(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，中間凸活塞裙部縱向輪廓規(guī)則選擇拋物線規(guī)則，即裙部縱向輪廓規(guī)則可表示如下：

Δz=aZb ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中的Z——型線上任一點(diǎn)與中間凸點(diǎn)的軸向距離;Δz——型線上距中間凸點(diǎn)軸向距離為Z處的徑向縮減量;b——常數(shù)。

2 ?活塞的強(qiáng)度計(jì)算

2.1 第一環(huán)的強(qiáng)度計(jì)算

活塞的頂部受到最大氣體的壓力PZ影響的時(shí)候，根據(jù)實(shí)驗(yàn)值，通過(guò)第一個(gè)環(huán)作用在第一個(gè)環(huán)上的平均壓力為p1=0.9PZ，環(huán)下氣體的壓力為p2=0.22PZ。因此在環(huán)槽中的深度就是t，環(huán)岸的高就是C1，槽底的直徑就是d=d-2t。

與屈服的強(qiáng)度為255MPa的ZL111相比，滿足了ZL111的要求，可以適當(dāng)減小活塞銷的長(zhǎng)度。

3 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)活塞強(qiáng)度的分析計(jì)算，達(dá)到了強(qiáng)度載荷理論設(shè)計(jì)的基本要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。本文設(shè)計(jì)了一款新型柴油機(jī)活塞。設(shè)計(jì)環(huán)槽，考慮漏氣和摩擦的處理，設(shè)計(jì)第一個(gè)環(huán)的形狀;裙邊設(shè)計(jì)注重變形的影響，裙邊表面涂層;銷孔設(shè)計(jì)，考慮潤(rùn)滑方式。

參考文獻(xiàn)：

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