柴油机的活塞设计分析以及强度校核的研究

朱祯

摘要：柴油发动机活塞的优化设计准则是，活塞的刚度和强度能够满足发动机的负载要求。在工作过程中，活塞的热负荷和机械负荷比较大，甚至不需要活塞的设计使用高温高质量材料高强度和低的热膨胀系数。一个在其工作过程中的发动机的核心部件是活塞，活塞的顶部部分是发动机燃烧室的其中一部分。与此同时，壁厚和形状的参数应合理，以尽可能减少加热区域及其自身质量。根据柴油机活塞设计的最佳需求，以四缸发动机的活塞设计为例，进一步分析其基本零部件的设计标准和强度。

关键词：柴油机;活塞设计;强度校核

1  某款新型柴油机的活塞设计研究

该柴油机的活塞材料应该满足下面的要求：机械强度高，耐磨性比较好、重量轻、导热系数大、线膨胀系数小、耐腐蚀性比较好、稳定性比较好、加工也比较方便，该工艺总共12%的共晶铝硅合金ZL111被选择用于处理。

1.1 分析活塞的头部设计

1.1.1 分析在活塞的顶部

活塞顶部的厚度也由最大气压决定，所以它具有足够的刚度和良好的导热性。对于4个工作强度低的柴油发动机，选择未填充的平顶活塞顶盖。

为了将活塞环安装在活塞头上，必须加厚侧壁，这也有利于热传递。在过渡半径中就是（0.05-0.1），其中d是7mm，侧壁的厚度为（0.05-0.1）d=7mm。另外，活塞顶部的厚度由散热与刚度的条件决定，取决于强度。当满足强度要求时，应尽可能取最小值。

1.1.2 分析环槽的确定

事实证明，第一环的磨损最大，发动机大修与活塞组之间的间隔很大程度上取决于第一环的使用寿命。为了降低气环，尤其是第一个气环的温度，可以考虑采取以下措施：

①第一环排列在活塞顶的厚度以下。

②隔热槽就是在第一环的上方开了一个槽。

③将滑块插入铝制活塞环的凹槽中。

④活塞顶部涂有等离子喷涂陶瓷。

某些发动机在第二个环形槽的底部有两个槽，它们不仅仅可以使用背面带有尖锐边缘的活塞环，这样还可以起到减压室的作用，防止了机油由燃烧室而流出，因此减少油耗。

环槽的高度取决于环的高度。在具有较高机械负荷和热负荷的柴油发动机中，增加到第一转的侧隙为0.1-0.2mm。其余约为0.04-0.13mm。气环的后部间隙通常为0.5mm。环形凹槽底部过渡的圆角通常为0.1-0.4mm。

在活塞的结构设计中具体如下：

①一种推力侧与反侧是非对称设计的。

②为了减小活塞销的长度，这样优化了活塞销的形状。

③优化活塞销座上部的壁厚并减少质量。

在以上分析的基础上，柴油机采用了凹形顶部活塞，活塞表面涂有0.2-0.3mm的陶瓷。

1.2 销座设计

在销座的设计中应尽可能考虑活塞销的直径，以使销座之间能够相互适应。当D值非常小时，我们想要的是销座具有良好的弹性。具体可以采取以下的措施：可以将销孔的边缘加工成圆角或倒角。为了增强销座的支承强度，从销孔的中心到销座的外圈的底部到偏心的距离为3-4mm，从而销座的厚度更大，比销座的底部要大。活塞销座也可以根据上下长度进行设计。

设计采用了内外双喇叭销形状，中间为圆柱状。不同的销孔形状对于针孔的表面与燃烧室喉管的应力有着不同的影响。通常，外径的增加为0.012-0.018，内径的增加为0.010-0.016。销孔表面的峰值应力比桶形针孔表面的峰值应力低25%。

1.3 分析活塞在外圆型面之中的设计

1.3.1 橫截面型线设计

工作状态下裙部为热变形与机械的变形所引起的椭圆形变形，即活塞裙部横截面中线的设计要依据其中主要来抵消活塞的。如果在变化规律中，活塞裙部截面上方的轮廓被视为单个椭圆规则（图1），那么具体表示公式如下：

Δ=G（1-cos2α）/4                     （1）

在式中Δ——橢圆的相对长轴，mm。

G——椭圆度，即长短轴之差，mm

为了提高裙摆与缸壁的配合程度，防止缸咬，裙摆的顶部的g值应该比较大。铝活塞在裙部的g值在0.05-0.5mm之间，裙部上下差就是0-0.25。Sl105系列柴油机活塞裙部的下端椭圆度是g59.50.18mm，为活塞裙部椭圆度的附加值也就是Go=G0.07mm。考虑到这一过程，椭圆度和裙摆的高度成线性的关系。

那么裙长L段的椭圆度GL是：

GL=Go-KL                     （2）

式中系数K——沿裙长椭圆度的变化。

根据公式（1）与（2）中可以得出柴油机在活塞的裙部计算出了截面随圆角的变化呈径向减小。如图1所示，D1是裙座顶部活塞的直径，D2是裙座底部活塞的直径。

1.3.2 分析纵截面中型线的设计

活塞裙部纵剖面的设计是基于裙壁纵的断面在工作状态之下活塞热膨胀之后保持了其良好的胀形曲线，并在缸套壁与裙壁之间形成楔形油隙。充分利用在双向油楔中形成的动态润滑效应，减少两壁之间的磨损与摩擦。

首先，在设计裙部线时，应选择气缸间隙来确定活塞裙部d的最大直径（即凸点直径）。正常冷间隙Δ（0.0007～0.0016）D。

在设计中的纵剖面时，中间凸点的选择还应考虑当活塞位于底部死中心时，中间凸点在裙部的位置不能露出气缸套。在一般的情况之下，最好要选择销孔的中心线以下的中间凸起位置就是（0～0.3）d。根据国内外相关资料，中间凸活塞裙部纵向轮廓规则选择抛物线规则，即裙部纵向轮廓规则可表示如下：

Δz=aZb                         （3）

式中的Z——型线上任一点与中间凸点的轴向距离;Δz——型线上距中间凸点轴向距离为Z处的径向缩减量;b——常数。

2  活塞的强度计算

2.1 第一环的强度计算

活塞的顶部受到最大气体的压力PZ影响的时候，根据实验值，通过第一个环作用在第一个环上的平均压力为p1=0.9PZ，环下气体的压力为p2=0.22PZ。因此在环槽中的深度就是t，环岸的高就是C1，槽底的直径就是d=d-2t。

与屈服的强度为255MPa的ZL111相比，满足了ZL111的要求，可以适当减小活塞销的长度。

3  结语

通过对活塞强度的分析计算，达到了强度载荷理论设计的基本要求，为发动机活塞的设计提供了理论依据。本文设计了一款新型柴油机活塞。设计环槽，考虑漏气和摩擦的处理，设计第一个环的形状;裙边设计注重变形的影响，裙边表面涂层;销孔设计，考虑润滑方式。

参考文献：

[1]廖君慧.高强化柴油机活塞设计[D].清华大学，2014.

[2]王凯，周娜，苏铁熊，张俊跃.4L132柴油机活塞设计及强度分析[J].柴油机设计与制造，2012（04）：15-21.