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发动机活塞裙部分析与设计

来源: 作者: 时间:2010-05-30 点击:

1 活塞裙部变形情况分析

    活塞裙部做成椭圆称为反椭圆设计,是防止裙部变形的方法之一。
    活塞裙部的主要作用是导向和承受侧向力,所以活塞裙部的设计要求是保证与气缸的配合间隙。
    早期活塞裙部做成正圆形,但在发动机运转时活塞裙部与气缸在活塞销方向上经常发生拉毛现象,主要就是由于裙部销轴方向在工作时的变形比较大所引起的。7 w, T9 T5 }8 ^+ P% T( {0 F2 D
    活塞在发动机中工作时裙部活塞销轴方向会产生三种变形情况:3 @# ^+ |7 d. X
    1.侧向力。承受侧向力的是裙部的表面,这样裙部就有被压扁的倾向,使它在活塞销方向上的尺寸增大。
    2.活塞顶上的爆发压力和惯性力。这两个力的联合作用使活塞顶在活塞销的跨度内发生弯曲,使整个活塞在活塞销座方向上的尺寸变大。
    3.由于高温引起热膨胀。其中活塞销座部分因壁厚比其他部分要厚,刚度大,所以发生热膨胀时变形比较严重。
    基于上述三种情况共同作用,使活塞在工作时沿销轴方向胀大,使裙部横截面的形状变成为椭圆形,这样会使椭圆形长轴方向上的两个端面与气缸间的间隙消失,从而造成拉毛现象。
    为了防止裙部变形,一般采取以下方法:选择膨胀系数小的材料;进行反椭圆设计;采用绝热槽;销座采用恒范钢片,裙部加钢筒等。

2.设计原则 
    裙部与缸套在工作状态下只有保持适当的接触面积和合理的比压, 才能保证活塞工作的平稳性和耐久性, 有效防止拉缸, 提高发动机的性能。因此, 在活塞裙部外形型面设计时, 要充分考虑活塞在工作状态下受热负荷作用和机械负荷作用发生变形, 使裙部外型能与缸套壁面始终保持流体润滑状态。目前, 内燃机活塞裙部横截面一般采用椭圆形状, 纵向截面则普遍由一般的圆锥面发展到中凸曲面( 桶形曲面) 。根据实测结果并通过活塞 C A E分析, 即机械变形、 热变形和二阶运动等各项因素的分析,确定在裙部上端主要考虑主推力面的径向收缩量大, 裙部下端主要考虑次推力面的内缩, 将两者结合并拟合成为一个主、 次推力面统一的纵向中凸形型面, 亦即主、 次推力面的中凸形裙部采用同一种纵向型线。这种型线在裙部高度上存在中凸点, 即最大直径点。型线上半段基本上遵循主推力面的实际磨合规律, 而下半段则遵循次推力面的实际磨合规律。一般来讲, 小缸径发动机整体铝活塞若为非增压机型, 可采用中凸等椭圆型面, 而增压及增压中冷强化机型则普遍的采用中凸变椭圆型面, 大缸径中速机 型也较多采用中凸变椭圆型面。中凸变椭圆型面母线可近似看作两条曲线相接构成。裙部横截面为椭圆, 椭圆度为销轴截面内的型面对圆周最大直径的偏差值, 且椭圆度沿活塞裙部变化。这就确定了在接触处型面对润滑油影响的基本要素。冷态活塞的中凸形状, 裙部上端收缩量较下端收缩量大, 可使活塞在热状态下裙部不同高度有不同的热膨胀时, 与缸套贴合良好; 有利于活塞与缸套间的液体润滑, 改善活塞裙部表面的磨擦和磨损; 当活塞发生倾斜 , 特别是换向时, 可避免产生裙部边棱负荷, 减少活塞对缸壁冲击。必须注意, 椭圆度较小时, 润滑油膜厚度较小, 可能发生临界摩擦; 若椭圆度较大, 则活塞承压性能降低, 导致连杆摆动平面方向的润滑油层厚度减少。润滑油层最小厚度值取决于裙部上端桶形变化值。当型面呈直线或变化不大时, 油层厚度将急剧减少。  
 

3.活塞裙部横截面规律 
    因侧压力作用下的裙部变形和裙部不均匀的热膨胀, 裙部横截面可以取作单一椭圆、 双椭圆、 椭圆和偏心圆、 椭圆和椭圆的不同组合。椭圆规律应据发动机的具体情况进行设计、 修正, 比较常用的设计为单椭圆形状规律 
        △R=(1一cos2a)G/4
    式中 △ 为相对于椭圆长轴的半径收缩量; G为椭圆度, G=椭圆长轴处直径 一椭圆短轴处直径; a为△R处所在位置与椭圆长轴的夹角。
    为了改善裙部与缸套的贴合, 满足制造过程的工艺可行性, 如在工作中发现活塞 = 4 5 。 左右有擦伤痕迹, 需要对上述公式进行修正, 采用双椭圆公式 
        △R=[(1一cos2a)+B(1一cos4a)]G/4
    式中B为椭圆修正系数。在椭圆设计过程中,B一般应取 一0.25< B <0.25 。但在实际设计中, 有时会出现 B>0.25 或 B<一0.25 的情况 。  
    当B>0.25时,通常将△R>G/2 范围内的椭圆曲线修订为 △R=G/2 。即 在ag< a <9 0范围内按正圆加工( a 为 △R=G/2位置处的角度) 。   
    由△R=G/2=[(1一cos2a)+B(1一cos4a)]G/4,得  
       ag=arccos(1一1/2B)/2
    当B<一0.25时,椭圆长轴附近各点大于椭圆长轴尺寸,应将椭圆长轴附近修订为正圆形。即将 0 ≤a ≤a0 范围内△R值修订为0,即 
       △R=0=[(1一cos2a0)+B(1一cos4a0)]G/4 
    式中a0为△R=0位置处的角度,a0=arccos(-1一1/2B)/2。
 

4.椭圆度G及修正系数的确定J  
    随着现代发动机强化程度的不断提高, 活塞裙部椭圆度取值一般比较大, 汽油机活塞椭圆度值 G一般取0 . 5左右。对于裙部镶有可控膨胀钢片的活塞, 由于钢片主要控制椭圆长轴方向的膨胀, 在配缸间隙减小的情况下, 其椭圆度值应适当增大。统计表明, 活塞裙部椭圆度一般为 0 . 1 5 —0 . 5 5 mm 。

    汽油机活塞由于结构强度弱、 柔性大,工作状态下裙部的弹性变形相对增强, 裙部与缸套间的侧向推力相对柴油机要小, 接触面积不需要太大。所以为保持活塞与缸套问合理的表面比压, 通常使长轴两侧椭圆收缩量比标准椭圆( 单椭圆) 大, 即B取正值。一般B取 0 . 1 — 0 . 1 5 。  
 

5.活塞裙部纵截面规律 
    裙部纵截面形状与活塞裙部壁厚、 材料的弹性系数、 活塞所受到的侧压力等密切相关, 现在多采用中凸型线规律b ] 。中凸型线规律一般采用反复修正法或复合材料法获得。活塞裙部纵向型线方程可如下描述 :  
    上半段纵向基线方程 
    Y=AnXn+An-lXn-1+An-2Xn-2+......+A1X+A(注意A后小写字母为下标,X后小写字母为上标--即n次方)  
    下半段纵向基线方程Y=K(Z0一Z)n(n表示n次方)  
    式中 K为系数;Z0为从裙部上端点到最大点的距离;Z为从裙部上端点起的裙长值。

6.活塞表面微观轮廓设计 
    目前对活塞裙部表面粗糙度也有了新的认识。试验已证实, 活塞裙部表面加工成有规则状凹凸刀纹, 凹纹可储油, 向摩擦表面带去足够的润滑油, 凸纹可加速磨合, 自动适应裙部与缸套的尺寸配合。当然, 粗糙度值( 裙部刀纹) 也不宜过大, 否则将加速加大发动机配缸间隙。现代活塞设计中, 镀锡活塞的粗糙度值多采用 R a 1 . 6~R a 3 . 2左右, 也有的采用 R a 3 . 2~B a 4 . 8 ; 印刷石墨活塞在表面处理前一般为R a 3 . 2 ~B a 4 . 8或直接标注刀纹形状。

7.结 语 
    活塞结构的局部细微改进影响发动机的性能, 裙部形状影响着动态油膜的形成与保持。因此, 研究活塞裙部型面设计, 改善与缸套问的配合, 是提高发动机动力性、 经济性和可靠性的重要途径。具体的活塞设计, 应根据其承受的负荷采取不同的设计方案来具体实施, 进行活塞裙部流体动力润滑复合型面设计, 满足发动机低机油耗、 高性能、 低排放等要求, 为开发高新性能活塞奠定良好基础。 
 
 
 

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