中速柴油机活塞销的结构设计

赵飞，史乃祥

（1.镇江市高等专科学校，江苏镇江221028；2.合肥熔安动力机械有限公司，合肥230601）

0 引 言

活塞销是连接活塞与连杆的零件，在工作时，承受燃气压力和活塞连杆组件往复惯性力的交变冲击，因此，活塞销与活塞销座必须具备足够的强度、承压面积和耐磨性[1]。其中活塞销的刚度至关重要，如果纵向刚度不足，就会引起负荷分配不均匀，产生弯曲变形，使活塞销座产生疲劳破坏；如果横向刚度不足，则会使活塞销产生椭圆变形，润滑油膜产生破坏，引起活塞销咬住。活塞销座和连杆小头衬套边缘处还要承受剪切力，活塞销与活塞销座之间的相对转动角度小，难以实现完全的液体润滑，导致表面磨损严重。因此，要求活塞销有一定的强度和刚度，减小变形量；还要求表面有很高的硬度，芯部有良好的韧性，以提高抗疲劳和抗磨损能力。

1 活塞销与销座的配合特点

目前，大多数中速柴油机都采用浮动式活塞销，活塞销在连杆小头和活塞销座中浮动，其特点是减少活塞销和连杆小头衬套的磨损，销的缓慢转动使磨损均匀，载荷均布，相对地提高了销的疲劳强度。

浮动式活塞销必须轴向定位，以免擦伤气缸套。当活塞销内有冷却油流过时，两端必须有封油措施。

2 活塞销的结构设计

2.1 常规设计

活塞销与销座是一对摩擦副，二者在工作过程中的变形相互影响，由大量实践及实验应力分析得知，销座的最大应力数值及应力分布规律主要取决于活塞销的弯曲变形，为了保证活塞销和销座的可靠性，应从限制活塞销的弯曲变形入手，由此决定活塞销的机构型式。确定活塞销尺寸时，按重要性进行排列，顺序如下：1）活塞销的弯曲变形；2）活塞销的椭圆变形；3）销座上的表面压力；4）活塞销的应力。

设计活塞销时，首先根据柴油机的特点和要求选择材料和结构型式，确定活塞销外径D和长度L，并对活塞销的弯曲挠度和最大椭圆变形校核确定活塞销内径D0，同时进行强度校核，最后制订技术要求并绘制施工图样。

为了获得质量轻而刚度与强度高的结构，活塞销通常都做成空心，图1和图2是最常用的活塞销结构。其中图2为锥形内孔，即所谓等强度结构，具有质量轻的优点，在小缸径的高速机上用得较多[2]，在船用中速机上很少使用。此结构一般可减轻质量约10%左右，尺寸大约减轻6%，由于柴油机指标不断提高，对活塞销的强度和刚度也提高了要求，减重优势越来越不明显，因此也就不适用于中速强载柴油机。

2.2 油冷活塞的活塞销设计

2.2.1 带纵向油孔的活塞销

现在的中速柴油机，活塞头部大都采用油冷，滑油从主轴颈进入连杆体到活塞销，再从活塞销座到达活塞顶部，顶部的油腔内始终保持一定的油量，在活塞的往复运动中发生振荡，热量被回油带走，结构示意图如图3所示，销座往顶部供油如图4所示。

为保证销与销座之间充分润滑，销上钻有4排纵向孔，在圆周上均布，每排3孔，如图5所示。油孔口必须倒圆抛光，以防应力集中。这种结构的优点在于每排孔之间的夹角为90°，可缩小销座上油槽的角度，不至于油槽进入承压区，同时，也不会对销座的刚性影响太大。如图4所示，油槽的角度为110°，大于90°，可保证任意位置都有一孔与油槽相通。

此结构的缺点是：当有一对纵向油槽转到水平位置时，在活塞力的作用下，变形中性面正好是这一对油槽所在的平面，变形量大，刚性大为削弱，且横向孔易产生开裂倾向。纵向孔为盲孔，末端用M8的螺塞封住，加工后里面的铁屑不易清理。

如图6所示，为避免上述缺点，将纵向孔改为3个，间隔120°均布；盲孔改为通孔；内孔的两端面倒角为60°，磨削时可作为中心孔用。活塞销的磨削建议用外圆磨床，因无心磨常出现棱边，有时测量出的外圆直径很好，但实际上可能是一个多棱体。

油孔夹角由90°改为120°，则销座上的环形油槽包角要相应增大，因为销座工作时上面为主承压面，下面受到的力很小，因此，我们要把环槽向下方扩展[3]，使包角大于120°（如140°），这样就保证任何时候有一孔向环槽供油。

2.2.2 不带纵向油孔的活塞销

尽管对活塞销作了以上改动，可靠性和工艺性有所提高，经过多年的实践得知，平均有效压力达到2 MPa以上时仍然经常出问题。一方面是通用性结构尺寸上的限制；另一方面，纵向油孔确实危害太大，不但影响受力，而且影响加工工艺，因此出现了不带纵向油孔的活塞销。

如图7所示，活塞销取消了纵向油孔，从连杆体来的滑油经中间的径向孔进入内孔，再经两端的径向孔进入销座。采用此结构，内孔的两端必须密封，最简单的办法就是用铝板密封，然后用孔用弹性挡圈限位。

两端的挡油板不可只采用过盈式压入或采用图8所示结构，除非内孔尺寸较小。因为柴油机正常工作时滑油压力都为0.30～0.45 MPa，冷态下起动柴油机有时可能达0.6 MPa，挡板受到的轴向力很大，有可能脱开。假如滑油压力P为0.4 MPa，则图7中的挡板受到的轴向力为F=πD02×P/4=3.14×452×0.4/4≈636 N。式中：D0为活塞销内径。

图8中采用的是冲压件，压入后再进行滚压，在如此高压力作用下也容易变形脱落。

为了解决销孔两端的封油挡板受力问题，可采用图9所示的结构，在销孔中加一套管，两端开有R5的环槽，在此处进行滚压，同时端部进行滚压翻边。这样不但减小了套管的受力，还避免了开弹性挡圈槽产生局部应力集中。

以图9中的尺寸为例，则套管端部受到的力为

F=π（d12-d22）×P/4=3.14×（652-542）×0.4/4≈411 N。

式中：d1为活塞销两端密封孔内径；d2为套管外径。

若采用图8所示结构，则受到的力为

F′=πd12×P/4=3.14×652×0.4/4≈1327 N。

式中：d1为活塞销两端密封孔内径。

由此可见，F′是F的3倍多，内孔中加上整体套管之后，不但端面受到的力减小了，而且消除了轴向移动的力，因为两端受到的力大小相等、方向相反。它的特点是工艺上显得有点复杂，要事先做一个图10所示的套管，装入活塞销内孔后再进行滚压。

这种不带纵向油孔的活塞销还有一 个 优点，那就是可以对内孔处的径向油孔边进行倒角 或 修圆，从而避免尖角应力的产生。

2.2.3 不带油孔的活塞销设计

以上介绍了油冷活塞的活塞销设计，再具体一点就是整体油冷活塞的活塞销。当柴油机强化到一定程度，整体球铁的活塞的顶部强度、环槽的处理等已不能满足要求，因此出现了钢顶铁裙或钢顶铝裙的活塞。对活塞销也提出了更为严格的要求，以前那种带油孔的活塞销已很难满足要求，图11所示的无油孔活塞销又开始使用，它的使用是基于活塞顶冷却油路的变化。

如图11所示，冷却油从连杆的小头顶部进入活塞顶中部的导油管，对活塞顶进行冷却后经钻孔回流到外部油腔，再经销座上的油孔回到油底壳。销座的润滑靠回油来实现，其油路方向与以前的方向刚好相反。

这种结构的活塞销的强度、刚度和加工工艺都达到了最佳，是未来柴油机采用的趋势。使用的前提是组合式活塞，冷却油从顶部中间位置进入，连杆小头结构也要相应地调整。

3 合理的选材和结构选型

活塞销的结构是与销座、连杆小头的结构及材料分不开的，在满足要求的情况下要做到结构最简单、工艺良好、综合成本最低。

活塞销大都用含碳量较低的优质碳素钢和合金钢作材料，表面渗碳淬硬。强载度不高的柴油机活塞销一般选用20Cr、15CrA、20Mn2、20CrMo钢，高速强载柴油机活塞销一般采用18CrMnTi、20SiMnVB、18CrNiWA，以及18Cr2Ni4WA、12CrNi3A等高级合金钢作材料; 有些强载柴油机活塞销采用38CrMoAlA和30CrMoV等合金钢[4]作材料，表面经渗氮处理后可获得高的硬度，且不易咬死。

活塞销的主要尺寸一般在下列范围内：1）活塞销外径d=（0.35～0.45）D，D为气缸直径，缸径越大，强载度越高，d越趋上限。2）活塞销长度l=（0.80～0.88）D；3）活塞销内孔d0=（0.4～0.6）d。

4 结 论

活塞销的结构经历了一个循环的演变过程，但绝不是倒退，而是升华，是柴油机强化到一定阶段的必然产物。采用哪种结构要根据柴油机的具体指标要求，合理选择，以可靠性为出发点，兼顾经济性。同时，可靠性也是一个总体指标，不能顾此失彼。本文认为：平均有效压力在2.2 MPa以下的采用整体活塞或组合式活塞，配图7所示结构的活塞销，钻3排纵向孔为宜；平均有效压力在2.2 MPa以上的采用组合式活塞，中间供冷却油，采用图1所示结构的活塞销。