淺析發(fā)動機(jī)活塞裙部設(shè)計(jì)

吳陽

摘 要：目前發(fā)動機(jī)的活塞總成上，裙部是重中之重，裙部形狀和表面粗糙度直接影響了動態(tài)油膜的形成與維持，對發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率和漏氣量也有很大關(guān)系。通過數(shù)值模擬，對活塞裙部的變形情況進(jìn)行分析，通過對活塞裙部外形橫截面、縱截面變形規(guī)律的分析，確定裙部型面整體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；活塞裙部；變形；優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般情況下，活塞與缸套間的過度摩擦損失會導(dǎo)致表面接觸不良、間隙增大，產(chǎn)生振動和噪音，使內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率下降、使用壽命降低。活塞裙部與之關(guān)系較大。由于該部受到機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的共同作用，產(chǎn)生較大的變形，使得活塞裙部與缸套實(shí)際上只在不大的區(qū)域上接觸，容易造成潤滑狀態(tài)惡化，裙部磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，活塞敲缸現(xiàn)象也與裙部的設(shè)計(jì)有關(guān)。

一、活塞裙部變形情況分析

活塞在運(yùn)動過程中，承受著熱負(fù)荷、氣體壓力、慣性力及缸壁的側(cè)推力作用。在氣體壓力作用下，活塞頂在銷座跨度內(nèi)發(fā)生彎曲，導(dǎo)致裙部部位擴(kuò)張變形。在側(cè)推力作用下，裙部垂直于銷座方向被壓扁，銷座軸向裙部尺寸伸長。氣體壓力使得活塞裙部有上部收縮下部向外擴(kuò)張的趨勢，熱負(fù)荷則使活塞裙部上部膨脹大于下部膨脹。在工作狀態(tài)下，大部分裙部表面不承受活塞側(cè)推力。

二、活塞裙部外形型面概況

（一）設(shè)計(jì)原則

裙部與缸套在工作狀態(tài)下只有保持適當(dāng)?shù)慕佑|面積和合理的比壓，才能保證活塞工作的平穩(wěn)性和耐久性，有效防止拉缸，提高發(fā)動機(jī)的性能。在活塞裙部外形型面設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮活塞在工作狀態(tài)下受熱負(fù)荷作用和機(jī)械負(fù)荷作用發(fā)生變形，使裙部外型能與缸套壁面始終保持流體潤滑狀態(tài)。目前，內(nèi)燃機(jī)活塞裙部橫截面一般采用橢圓形狀，縱向截面則普遍由一般的圓錐面發(fā)展到中凸曲面（桶形曲面）。根據(jù)實(shí)測結(jié)果并通過活塞CAE分析，確定在裙部上端主要考慮主推力面的徑向收縮量大，裙部下端主要考慮次推力面的內(nèi)縮，將兩者結(jié)合并擬合。一般來講，小缸徑發(fā)動機(jī)整體鋁活塞若為非增壓機(jī)型，可采用中凸等橢圓型面，而增壓及增壓中冷強(qiáng)化機(jī)型則普遍的采用中凸變橢圓型面，大缸徑中速機(jī)型也較多采用中凸變橢圓型面。裙部橫截面為橢圓，橢圓度為銷軸截面內(nèi)的型面對圓周最大直徑的偏差值，且橢圓度沿活塞裙部變化。冷態(tài)活塞的中凸形狀，裙部上端收縮量較下端收縮量大，可使活塞在熱狀態(tài)下裙部不同高度有不同的熱膨脹時(shí)，與缸套貼合良好；有利于活塞與缸套間的液體潤滑，改善活塞裙部表面的磨擦和磨損；當(dāng)活塞發(fā)生傾斜，特別是換向時(shí)，可避免產(chǎn)生裙部邊棱負(fù)荷，減少活塞對缸壁沖擊。潤滑油層最小厚度值取決于裙部上端桶形變化值。當(dāng)型面呈直線或變化不大時(shí)，油層厚度將急劇減少。

（二）活塞裙部

橫截面規(guī)律因側(cè)壓力作用下的裙部變形和裙部不均勻的熱膨脹，裙部橫截面可以取作單一橢圓、雙橢圓、橢圓和偏心圓、橢圓和橢圓的不同組合。橢圓規(guī)律應(yīng)據(jù)發(fā)動機(jī)的具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)、修正，比較常用的設(shè)計(jì)為單橢圓形狀規(guī)律，

式中ΔR為相對于橢圓長軸的半徑收縮量；G為橢圓度，G=橢圓長軸處直徑-橢圓短軸處直徑；α為ΔR處所在位置與橢圓長軸的夾角?？紤]到制造過程工藝性，采用雙橢圓公式，式中β為橢圓修正系數(shù)。在橢圓設(shè)計(jì)過程中，β一般應(yīng)取-0.25<β<0.25。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有時(shí)會出現(xiàn)β>0.25或β<-0.25的情況。當(dāng)β>0.25時(shí)，通常將ΔR>G/2范圍內(nèi)的橢圓曲線修訂為ΔR=G/2。即αgΦαΦ90°在范圍內(nèi)按正圓加工（αg為ΔR=G/2位置處的角度）。由ΔR=G2=G4[（1- cos2αg）+β（1-cos4αg）] ，得αg=12arc cos（1-12β）當(dāng)β<-0.25時(shí)，橢圓長軸附近各點(diǎn)大于橢圓長軸尺寸，應(yīng)將橢圓長軸附近修訂為正圓形。即將0ΦαΦα0范圍內(nèi)ΔR值修訂為0，即ΔR=0=G4[（1-cos2α0）+β（1-cos4α0）]式中α0為ΔR=0位置處的角度，α0=12arccos（-1-12β）。

（三）活塞裙部橫截面橢圓設(shè)計(jì)

1、橢圓度G及修正系數(shù)β的確定

目前發(fā)動機(jī)活塞裙部橢圓度值G一般取0.5左右。統(tǒng)計(jì)表明，活塞裙部橢圓度一般為0.15～0.55mm?；钊捎诮Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱、柔性大，工作狀態(tài)下裙部的彈性變形相對增強(qiáng)，裙部與缸套間的側(cè)向推力相對柴油機(jī)要小，接觸面積不需要太大。所以為保持活塞與缸套間合理的表面比壓，通常使長軸兩側(cè)橢圓收縮量比標(biāo)準(zhǔn)橢圓（單橢圓）大，一般β取0.1～0.15。

2、裙部主、次推力面不對稱橢圓設(shè)計(jì)

為了改善磨損情況，活塞裙部橢圓設(shè)計(jì)有主、次推力面不對稱設(shè)計(jì)形式。汽油機(jī)活塞主推力面橢圓收縮量一般要大于次推力面的橢圓收縮量，即Δ1>Δ2，主推力面瘦一些。柴油機(jī)活塞則相反，即在主推力面上橢圓度較小，活塞與缸壁接觸面積較大，側(cè)壓力產(chǎn)生的彎矩也較小，因而能承受較大的負(fù)荷。這樣裙部推力面與銷座平面接轉(zhuǎn)角處的總直徑間隙增大了，，工作可靠性因而提高。

3、裙部橢圓度的軸向變化

根據(jù)活塞的工作狀況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，G上

（四）活塞裙部縱截面規(guī)律

裙部縱截面現(xiàn)在多采用中凸型線規(guī)律。中凸型線規(guī)律一般采用反復(fù)修正法或復(fù)合材料法獲得。活塞裙部縱向型線方程可如下描述：上半段縱向基線方程Y=AnXn+An- 1Xn- 1+An- 2Xn- 2+An- 3Xn- 3+…+A1X+A。下半段縱向基線方程Y=K（Z1-Z）n，式中K為系數(shù)； Z0為從裙部上端點(diǎn)到最大點(diǎn)的距離； Z為從裙部上端點(diǎn)起的裙長值。也可設(shè)計(jì)縱向中凸型線，如圖所示。1、活塞在高溫下成正圓柱，中凸型線呈現(xiàn)超越函數(shù)RZ=R0+Δ0（1- e-MZ），式中R0為活塞裙部上端半徑；M為材料物理性能系數(shù)。2、按流體動力潤滑的概念，設(shè)計(jì)成中凸鼓形，在高溫工況下適應(yīng)活塞與缸壁的貼合。表達(dá)方程式為RZ=R1-d|Z-Z1|n，式中R1為裙部最大直徑；d，n為按同類活塞的理想類型選取。工作狀態(tài)下，中凸點(diǎn)的位置接近于活塞銷孔中心或稍偏高一些，有利于潤滑油膜的壓力分布，使圍繞活塞銷孔中心的油膜支承力矩改變，有利于缸內(nèi)傾斜角的減少和平穩(wěn)運(yùn)動性的提高，但在活塞機(jī)械變形和熱變形的影響下，裙部中凸點(diǎn)的位置將向銷孔中心方向上移一段距離。

（五）活塞表面微觀輪廓設(shè)計(jì)

通過試驗(yàn)表明，裙部表面加工成有規(guī)則狀凹凸刀紋，凹紋可儲油，向摩擦表面帶去足夠的潤滑油，凸紋可加速磨合，自動適應(yīng)裙部與缸套的尺寸配合?，F(xiàn)代活塞設(shè)計(jì)中，鍍錫活塞的粗糙度值多采用Ra1.6～Ra3.2左右。印刷石墨活塞在表面處理前一般為Ra3.2左右，或直接標(biāo)注刀紋形狀。

三、結(jié)語

活塞結(jié)構(gòu)的局部細(xì)微改進(jìn)直接影響發(fā)動機(jī)的性能，裙部形狀影響著動態(tài)油膜的形成與保持。因此，對活塞裙部型面設(shè)計(jì)的研究、改善與缸套間的配合，在提高發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面，有著重要意義。具體到各類發(fā)動機(jī)的活塞設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)其承受的負(fù)荷來采取不同的設(shè)計(jì)方案，更好地滿足發(fā)動機(jī)低機(jī)油耗、高性能、低排放等要求，為開發(fā)高新性能活塞奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].長春：吉林工業(yè)大學(xué)出版社，1981.306-308.

[2]劉達(dá)利，齊丕驤.新型鋁活塞[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.42 -48.