高强化柴油机锻钢活塞设计

作     者：石小明 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡玉平;马学军

授予年度：2017年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：锻钢活塞 有限元分析 轻量化 低摩擦磨损 一体化加工 

摘      要：随着全球能源危机和环境危机的日益严峻,作为石油消耗最大的内燃机,必须在提高其机械效率和热效率的同时提高其排放水平。要达到上述目的,提高发动机的升功率和爆发压力成为关注的焦点。活塞是发动机的心脏,承受着发动机燃料燃烧带来的巨大热负荷和机械负荷。传统的铝活塞在进行结构优化和材料性能优化后,最多也只能承受20MPa的发动机最高爆发压力。而随着现有发动机水平的日益提高,发动机的最大爆发压力可以达到25MPa,将来甚至能达到30MPa。因此,现有的铝活塞受到铝硅合金材料强度本身的限制已经远远不能满足发动机高强化指标的性能要求,亟需开发一种各项性能指标均能满足高强化发动机性能要求的新活塞来与之匹配。为满足上述要求,国内外陆续对钢活塞展开研究。钢活塞具有以下优势:较低的热膨胀系数、较低的热传导率、较低的热损失、强度更高、能承受更高的爆发压力和温度、排放更低。结合国内外锻钢活塞发展现状,本文设计开发了一种高强化柴油机锻钢活塞,该活塞通过头部的一道焊缝和环岸部位的阶梯结构将活塞的头部和裙部连接成为一个整体。该活塞具有结构强度高、重量轻、低摩擦磨损及可靠性高的特点,可以满足爆发压力超过20MPa的发动机的使用要求;经过台架试验测试,新开发的装配了钢活塞的发动机整机性能稳定、效率高、经济性好。相比较同平台装有铝活塞的发动机,测试得到的发动机各项指标如机油耗、漏气量等均得到不同程度地改善。本文主要从活塞的整体结构设计、有限元分析、成型技术和表面处理以及高强化柴油机锻钢活塞的试验验证这几个方面进行介绍。首先采用轻量化设计理念对高强化柴油机锻钢活塞进行结构设计,通过采用低压缩高设计、等强度薄壁、热流型内腔结构、大容积内冷油腔结构设计以及活塞组件的轻量化设计,较好地控制了活塞的总体重量。通过设计较小的配缸间隙、优化活塞销孔型线和裙部型线以及活塞整体磷化和裙部喷涂二硫化钼,降低了发动机的噪声,尤其是冷启动时的噪声,减小了活塞组件的摩擦磨损,提高了发动机的机械效率。发动机的各项性能指标和经济指标均有一定的提升。根据设计方案绘制活塞三维模型,然后对活塞进行有限元分析,评估其各部位的结构强度是否满足设计要求。重点对活塞的温度分布以及活塞在最大爆压工况、最大侧向力工况和最大惯性力工况下活塞的受力和变形情况进行了分析,然后通过疲劳分析软件分析了上述工况下活塞的疲劳安全系数。采用双定位止口设计和环槽外圆一体化加工技术进行高强化柴油机锻钢活塞的加工制造,保证了活塞的加工精度,减小了定位误差和二次装夹带来的误差;活塞整体磷化和裙部喷涂二硫化钼,提高了销孔的自润滑性能和发动机的冷启动性能,降低了发动机的摩擦磨损。高强化锻钢结构活塞顺利通过焊缝强度试验、活塞温度场测试试验、最小拉缸试验和2000小时耐久试验验证。