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柴油机活塞设计分析及强度校核研究

内燃机与配件年第期

柴油机活塞设计分析及强度校核研究

王凯’周娜’苏铁熊’张俊跃中北大学中国北方发动机研究所

摘要伴随着现代柴油机的高强化发展需求,提高最大爆发压力是强化柴油

机的一种措施。

随着柴油机的最大爆发压力越来越大.结构要求越紧凑.作为柴油机重要零

部件的活塞从结构设

计和材料上都有新的发展。本文对柴油机的活塞从材料、头部、销部、裙部

分别进行设计.并

对该活塞强度计算验证.从而为强化柴油机活塞部分提供相关理论依据

关键词柴油机活塞强度活塞头部活塞裙部活塞销部:合理的形状和

壁厚,质量尽可能小,受热面积小、散

引言

热好,材料热膨胀系数小、导热性好、比重小,具有

活塞是汽车发动机的“心脏”,承受交变的机械

良好的减摩性和热强度,质量小的活塞是最佳的设

负荷和热负荷,是发动机中工作条件最恶劣的关键

计阁。

零部件之一。活塞的功用是承受气体压力,并通过
活塞销传给连杆驱使曲轴旋转,活塞顶部还是燃烧柴油机活塞设计

室的组成部分。活塞在高温、高压、高速、润滑不良柴油机活塞的材料应满

足如下要求:重

的条件下工作。活塞直接与高温气体接触,瞬时温

度小、导热系数大、线膨胀系数小、机械强度高、减

度可达以上,因此,受热严重,而散热条件又

磨性好、稳定性好、耐腐蚀性好、易于加工等。综合

很差,所以活塞工作时温度很高,顶部高达

加工制造因素选%的共晶铝硅合金,液态模,且温度分布很不均匀;活塞

顶部承受气体压

锻方法制造。

力很大,特别是作功行程压力最大,这就使得活塞

表发动机活塞主要尺寸的范围及拟选择值

产生冲击,并承受侧压力的作用;活塞在气缸内以

名称符号相对结构参数值拟取定值很高的速度~/往复运动,且速度在

不断地变

活塞高度.?.化,这就产生了很大的惯性力,使活塞受到很大的

压缩高度.一..

附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作.会产生

裙部高度.?.

变形并加速磨损,还会产生附加载荷和热应力,同

火力岸高.?..
时受到燃气的化学腐蚀作用。

更高的高温强度和更低的热膨胀系数是优质上裙部高.?.

活塞的关健问题。而这些都属于材料的属性。因此,

下裙部高.?.

活塞都是伴随着材料的发展而发展的。近年来.许

销孔直径~..

多新的设计理念和设计方法被引入到活塞的开发

第一环岸高.~..

中,一些新型活塞材料的采用和新结构的诞生使活

其他环岸高.?..

塞不但没有成为制约柴油机发展的瓶颈,而且成为

销座间距离~..

推动其快速发展的强大动力

注:一气缸直径。

所以在活塞设计上一个具有足够强度和刚度.王凯周娜苏铁熊张俊跃:

柴油机活塞设计分析及强度校核研究.活塞头部设计图所示:活塞顶部柴

油机的活塞顶部的形状取决于燃烧室

形式。而活塞顶的厚度根据最高燃气压力决定,使

之有足够的刚度及良好的导热能力。在工作强度不

高的柴油机中选择平顶不带加强筋的活塞

顶。

活塞头部要安装活塞环,侧壁必须加厚,这也
图环撬底部过渡圆角

有利于热量通过。铝合金活塞顶,内部轮廓应注意

还在活塞的结构上作出了如下设计:

从顶部到侧壁采用较大的过渡半径以避免应力集

.采用推力侧与反推力侧非对称的设计。

中和减少热阻。过渡半径可采用.?.;

.优化活塞销形状,减少活塞销长度,改变活塞

侧壁厚度一般取.?.。活塞顶的厚度

销座为楔形形状,从而使活塞销座的总长度最短。

是根据强度、刚度及散热条件来确定的。在满足强

.对于活塞销座上面部分。优化其壁厚.以达到

度要求下,应尽量取小值。

减轻质量的目的。

环槽的确定

根据以上分析柴油机拟采用凹顶活塞.

实践证明,第一道环磨损最大,因此发动机检

在活塞顶上喷镀.?.的陶瓷,由于工作强度不

修活塞组的时间间隔.在很大程度上决定于第一道

是太大所以活塞的冷却方法采用自由喷射冷却法】。

环的寿命。为了达到减少气环区,特别是第一道环

.销座设计‘

的温度,可以考虑如下措施:
销座的设计应尽量兼顾活塞销直径的大小.

将第一道环安排在活塞顶厚度以下。

使销与销座有相互适应的变形。当小时,希望销座

在第一道环之上开一个槽,称为隔热槽。

有较好的弹性。为了减轻销孔内侧的应力集中.在

在铝活塞环槽处加镶块。

设计时应使活塞销有较大的刚度以此减小它的弯

在活塞顶部采用等离子喷镀陶瓷。

曲变形,但从局部来说应使它有一定的弹性,以适提高活塞环槽加工质量和

正确选择环与环

应局部变形。具体可采用以下一些措施:可将销孔

槽的侧隙△。

缘加工成斜面、圆角或倒棱。也有将销孑中心相对

活塞环岸的锐边必须有适当倒角.环槽根部也