活塞知识培训-C

内燃机活塞知识简介活塞的结构类型关键部位结构及设计主要内容活塞表面处理技术活塞技术发展展望活塞材质12345活塞的结构类型1活塞的结构类型1、整体式活塞2、组合式活塞3、铰接式活塞铝活塞单环槽镶圈式铝活塞双环槽镶圈式铝活塞复合材料铝活塞普通铝活塞可控膨胀式铝活塞镶钢片式铝活塞镶钢筒式铝活塞隔热槽式铝活塞镶圈式铝活塞内冷油腔式铝活塞铸铁活塞锻钢活塞整体铸造式内冷油腔铝活塞镶筒管式内冷油腔铝活塞电子束焊接式内冷油腔铝活塞钢顶铝裙组合活塞钢顶钢裙组合活塞活塞的结构类型活塞的结构类型柴油机铝活塞汽油机铝活塞铰接式活塞整体锻钢活塞组合活塞活塞的结构类型双环槽镶圈式铝活塞镶钢片式铝活塞汽油机减重铝活塞汽油机减重铝活塞汽油机镶环铝活塞汽油机内冷铝活塞经验设计+模拟分析+试验验证关键部位结构及设计2关键部位结构及设计燃烧室:排放强度环槽/环岸：漏气量机油耗裙部:拉伤摩擦噪音敲击销孔:活塞强度粘连关键部位结构及设计一、活塞环槽与环功用关键部位结构及设计密封导热控油支撑一环65%二环35%三环很少活塞环对由上而下的燃烧气体起密封作用。密封活塞约50%左右的热量是通过活塞环端面、外圆导入缸套。导热油环控油作用70%控油二环控油作用20%一环控油作用10%活塞、活塞环作同步往复运动时，活塞对活塞环施加往复惯性力。连杆对活塞产生侧压力，并使活塞偏摆，活塞环施加摩擦反作用力，从而对活塞起支撑作用。对于较大直径活塞，通过设计使第二环岸参与支撑导向。摩擦反作用力支撑二、活塞环槽、环岸（与活塞环）设计要求及目标可靠性—避免干涉，防止环岸断裂及环卡滞耐久性—提高耐磨性，防止微焊出现低漏气量低油耗拉伤风险!!侧隙小！可靠性避免环侧接触背隙小！避免环底接触接触!!接触!!接触!!柴油机：镶环设计（环槽侧面激光淬火/渗氮处理-大直径钢活塞）汽油机：阳极氧化镶环设计耐久性第二环岸形状一环槽一环槽二环槽二环槽漏气量机油耗第二环岸采用以上泄压槽设计，使一二环间气压降低，利于一环运行平稳，同时增大了机油储油容积，使机油耗、漏气量同时减小附：活塞二环岸增加泄压槽结果对比环槽侧面粗糙度、波纹度，影响机油耗、漏气量活塞环环槽下侧面机油、燃气通道环槽侧面粗糙度、波纹度一、活塞销孔销座功用销孔销座结构及设计将燃气压力通过活塞销传递给连杆，推动曲轴输出机械功销孔偏移的合理设计，有助于改善活塞的横向运动二、承载能力及提高措施销孔比压计算：F-峰值压力，A-活塞顶面积非精确计算，未考虑惯性力的影响。影响因素：①材料②销孔/销外形/销变形③销座处温度④缸径⑤压缩高/缸径值销孔比压计算销孔承载能力椭圆形销孔卸荷腔销孔镶铜套销孔圆柱形销孔单曲线销孔双曲线销孔不同销孔形状类型不同销孔形状的选择销孔形状的选择考虑：销孔应力分布的优化—活塞的热变形、机械变形（Pzmax）、活塞销的弯曲变形、椭圆变形销孔与销润滑状况的改善销孔应力分布的优化对活塞其它部位应力的影响，特别是燃烧室喉口部位销座形状优化--增大承载面积斜销座圆弧形销座阶梯形销座连杆小头定位（销座内档定位）优化措施直面锥面阶梯一、活塞裙部外圆的功用裙部外圆结构及设计导向作用承受侧向力传递部分热量二、活塞裙部外圆的设计要求可靠性高—避免拉缸低噪声-运行平稳低摩擦损失-贴合良好，润滑充分三、活塞裙部的设计裙部纵向形状1.设计的基本原则纵向形线考虑到活塞裙部的受热变形及实现流体动力润滑，裙部纵向形线一般设计为中凸形线横向椭圆根据薄壁圆筒弹性变形理论并结合活塞的受热变形情况，裙部横向一般设计为椭圆形状：椭圆半径收缩量公式：△R=G[(1-cos2a)+β(1-cos4a)]/42.借助模拟分析，优化裙部设计优化裙部接触压力—防止拉缸优化裙部的横向运动—降低噪声降低摩擦损失—提高燃油经济性裙部上部形线收缩量不足裙部横向随椭圆度偏小极限值不超过许用值并在合理的范围。（通常Pmax35MPa)接触区域的瞬时变化—pisdyn二阶运动主要影响因素：销孔偏移质心位置纵向形线配缸间隙曲柄连杆比优化裙部横向运动RockingAngle摆动角度KineticEnergy通过合理设计活塞纵向形线、配缸间隙、销孔偏移等，改善活塞的横向运动(二阶运动）。销孔偏移对敲击动能的影响对比kineticenergyofpiston[N.mm]0102030405060708090-1.5-1-0.500.511.5PinOffset[mm]kineticenergyofpistonTSATS配缸间隙的影响-glideMaxKinticEnergy(MPa)18.318.3118.3218.3318.3418.3518.3618.3700.010.020.030.040.050.06RadiusNominalClerence(mm)MaxKinticEnergy(MPa)MaxKE摩擦损失的主要影响因素：型面设计，润滑状况配缸间隙表面处理销孔偏移曲柄连杆比降低摩擦损失CumulativeWearLoadSkirtFrictionPowerLoss裙部摩擦损失TotalFMEP(MPa)0.089180.08920.089220.089240.089260.089280.08930.089320.089340.0893600.010.020.030.040.050.06RadiusNominalClerence(mm)TotalFMEP(MPa)TotalFMEP配缸间隙对摩擦损失的影响-glide销孔偏移对摩擦损失的影响-glideTotalFMEP[MPa]0.6950.70.7050.710.7150.720.725-1.5-1-0.500.511.5TotalFMEPkineticenergyofpiston[N.mm]0102030405060708090-1.5-1-0.500.511.5PinOffset[mm]kineticenergyofpiston对比：销孔偏移对敲击动能的影响-glide（同前图）活塞材质3对活塞材料的要求：密度小热膨胀系数低高耐磨性强度高，特别是高温强度优良的热传导性铸造及加工工艺性好42材料分类目前常用的活塞材质：共晶铝硅Al-Si合金ZL109（BH122A)铝材料种类BH122ABH135BH135+BH136对应国外材料牌号:BH122A---M124/KS1275/FM120BH135---M142/KS1295/FMS2NBH136---M174/FMB2陶瓷纤维复合材料高强度球墨铸铁和蠕墨铸铁：RuT420和QT400-17锻钢：42CrMoA或者38MnVS643BH122ABH135BH136成分BH122ABH135BH136Si11.5-1310.5-13Cu0.8-1.33.3-4.34.0-6.0Mg0.8-1.30.8-1.30.5-1.2Ni0.8-1.31.7-2.511-13铝合金比较材料强度对比（相对）活塞表面处理技术4活塞表面处理技术各种表面处理的不同作用为改善活塞的使用性能，采用了多种表面处理方式，常用的有以下几种：裙部石墨化处理:改善裙部磨合，降低摩擦损失整体镀锡：改善磨合，特别是初期磨合顶面氧化：减少导入活塞的热量，降低活塞热负荷环槽氧化：提高环槽耐磨性，防止微焊发生•表面处理及发展硬氧在表面形成拉应力有效防止热负荷开裂对防止机械负荷开裂作用不大不适合在销孔轴线方向应用活塞技术发展展望5活塞技术发展展望发动机升功率发展趋势图发动机技术发展展望BH136BH135+AlloysteelBH122ABH135活塞结构MaterialAl.basehighalloy重型柴油机发展趋势PeakCylinderPressureBH122ABH136BH135+镶环+内冷镶环+内冷+衬套镶环&内冷+陶瓷纤维(重熔)+销孔衬套)材料BH135活塞结构SteelAl.basedhighalloy轻型柴油机发展趋势锻钢升功率KW/l基本结构异形内冷活塞整体式铝活塞燃烧室喉口重熔燃烧室喉口镶陶瓷纤维整体式铝活塞:运用新材料和新工艺提高和优化活塞局部位置的强度压力铸造技术通过运用这项技术，燃烧室部位显微缩松明显减少，同时能够有效提高活塞的高温抗拉强度燃烧室喉口重熔技术提高燃烧室喉口部位的高温疲劳性能.真实图片重熔前重熔后重熔技术重熔陶瓷纤维内冷镶环铜套升功率：50KW/L集内冷，镶环，陶瓷纤维于一体的挤压铸造技术重型机活塞:挤压铸造，活塞顶部陶瓷纤维，异形内冷高性能铝活塞摩擦焊接激光焊接双内冷活塞锻钢活塞整体锻钢活塞：在摩擦焊和激光焊接的基础上,我们开发了全新的双内冷活塞BHHS谢谢