浅析发动机活塞裙部设计

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摘 要：目前发动机的活塞总成上，裙部是重中之重，裙部形状和表面粗糙度直接影响了动态油膜的形成与维持，对发动机的机械效率和漏气量也有很大关系。通过数值模拟，对活塞裙部的变形情况进行分析，通过对活塞裙部外形横截面、纵截面变形规律的分析，确定裙部型面整体设计。

关键词：发动机；活塞裙部；变形；优化设计

一般情况下，活塞与缸套间的过度摩擦损失会导致表面接触不良、间隙增大，产生振动和噪音，使内燃机机械效率下降、使用寿命降低。活塞裙部与之关系较大。由于该部受到机械负荷和热负荷的共同作用，产生较大的变形，使得活塞裙部与缸套实际上只在不大的区域上接触，容易造成润滑状态恶化，裙部磨损严重，甚至出现拉缸现象，活塞敲缸现象也与裙部的设计有关。

一、活塞裙部变形情况分析

活塞在运动过程中，承受着热负荷、气体压力、惯性力及缸壁的侧推力作用。在气体压力作用下，活塞顶在销座跨度内发生弯曲，导致裙部部位扩张变形。在侧推力作用下，裙部垂直于销座方向被压扁，销座轴向裙部尺寸伸长。气体压力使得活塞裙部有上部收缩下部向外扩张的趋势，热负荷则使活塞裙部上部膨胀大于下部膨胀。在工作状态下，大部分裙部表面不承受活塞侧推力。

二、活塞裙部外形型面概况

（一）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。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CAE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。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。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。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。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。

（二）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，

式中ΔR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-椭圆短轴处直径；α为ΔR处所在位置与椭圆长轴的夹角。考虑到制造过程工艺性，采用双椭圆公式，式中β为椭圆修正系数。在椭圆设计过程中，β一般应取-0.25<β<0.25。但在实际设计中，有时会出现β>0.25或β<-0.25的情况。当β>0.25时，通常将ΔR>G/2范围内的椭圆曲线修订为ΔR=G/2。即αgΦαΦ90°在范围内按正圆加工（αg为ΔR=G/2位置处的角度）。由ΔR=G2=G4[（1- cos2αg）+β（1-cos4αg）] ，得αg=12arc cos（1-12β）当β<-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0ΦαΦα0范围内ΔR值修订为0，即ΔR=0=G4[（1-cos2α0）+β（1-cos4α0）]式中α0为ΔR=0位置处的角度，α0=12arccos（-1-12β）。

（三）活塞裙部横截面椭圆设计

1、椭圆度G及修正系数β的确定

目前发动机活塞裙部椭圆度值G一般取0.5左右。统计表明，活塞裙部椭圆度一般为0.15～0.55mm。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间合理的表面比压，通常使长轴两侧椭圆收缩量比标准椭圆（单椭圆）大，一般β取0.1～0.15。

2、裙部主、次推力面不对称椭圆设计

为了改善磨损情况，活塞裙部椭圆设计有主、次推力面不对称设计形式。汽油机活塞主推力面椭圆收缩量一般要大于次推力面的椭圆收缩量，即Δ1>Δ2，主推力面瘦一些。柴油机活塞则相反，即在主推力面上橢圆度较小，活塞与缸壁接触面积较大，侧压力产生的弯矩也较小，因而能承受较大的负荷。这样裙部推力面与销座平面接转角处的总直径间隙增大了，，工作可靠性因而提高。

3、裙部椭圆度的轴向变化

根据活塞的工作状况和结构特点，G上

（四）活塞裙部纵截面规律

裙部纵截面现在多采用中凸型线规律。中凸型线规律一般采用反复修正法或复合材料法获得。活塞裙部纵向型線方程可如下描述：上半段纵向基线方程Y=AnXn+An- 1Xn- 1+An- 2Xn- 2+An- 3Xn- 3+…+A1X+A。下半段纵向基线方程Y=K（Z1-Z）n，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。也可设计纵向中凸型线，如图所示。1、活塞在高温下成正圆柱，中凸型线呈现超越函数RZ=R0+Δ0（1- e-MZ），式中R0为活塞裙部上端半径；M为材料物理性能系数。2、按流体动力润滑的概念，设计成中凸鼓形，在高温工况下适应活塞与缸壁的贴合。表达方程式为RZ=R1-d"Z-Z1|n，式中R1为裙部最大直径；d，n为按同类活塞的理想类型选取。工作状态下，中凸点的位置接近于活塞销孔中心或稍偏高一些，有利于润滑油膜的压力分布，使围绕活塞销孔中心的油膜支承力矩改变，有利于缸内倾斜角的减少和平稳运动性的提高，但在活塞机械变形和热变形的影响下，裙部中凸点的位置将向销孔中心方向上移一段距离。

（五）活塞表面微观轮廓设计

通过试验表明，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。现代活塞设计中，镀锡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处理前一般为Ra3.2左右，或直接标注刀纹形状。

三、结语

活塞结构的局部细微改进直接影响发动机的性能，裙部形状影响着动态油膜的形成与保持。因此，对活塞裙部型面设计的研究、改善与缸套间的配合，在提高发动机动力性、经济性和可靠性等方面，有着重要意义。具体到各类发动机的活塞设计，应根据其承受的负荷来采取不同的设计方案，更好地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。

参考文献：

[1]杨连生.内燃机设计[M].长春：吉林工业大学出版社，1981.306-308.

[2]刘达利，齐丕骧.新型铝活塞[M].北京：国防工业出版社，1999.42 -48.

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