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高爆压重型柴油机钢活塞与活塞销匹配性能研究

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高爆压重型柴油机钢活塞与活塞销匹配性能研究

作者：吴玉霞山东大学

学位级别：硕士

随着2018年6月重型柴油车国六排放标准的发布,各大柴油机企业选择采用EGR废气再循环排放路线来减少NOx排放。在2030碳达峰、2060碳中和目标的进一步指引下,提高柴油机爆发压力降油耗、减少碳排放需求更加迫切。钢材料具有强度高、热膨... 详细信息

随着2018年6月重型柴油车国六排放标准的发布,各大柴油机企业选择采用EGR废气再循环排放路线来减少NOx排放。在2030碳达峰、2060碳中和目标的进一步指引下,提高柴油机爆发压力降油耗、减少碳排放需求更加迫切。钢材料具有强度高、热膨胀系数小、热传导率低等优点,是高爆压重型柴油机活塞选择的首选材料。利用前期积累的活塞设计经验、结合国内外钢活塞研究开发现状设计的21MPa高爆压12L重型国六柴油机用钢活塞,在首轮整机试验验证中出现了活塞拉缸、活塞销孔与活塞销抱死、连杆小头与活塞销抱死等故障。通过分析拆检后的故障零部件状态,确定源发故障为活塞销孔与活塞销咬合抱死,活塞拉缸为从发故障。因钢活塞材料38MnVS6与活塞销材料20CrMnTi的材料特性相近,与传统铝活塞销孔配副相比,钢活塞的活塞销轴承匹配面临更大的挑战。由于对钢活塞使用特性了解不足和缺乏应用经验,在开发过程容易出现销孔拉伤和咬合的问题。为了解决这一问题,本文就钢活塞销孔与活塞销的匹配进行了深入的研究。本文针对耐久验证中出现的活塞销孔抱死故障进行了重点攻关,列出所有可能的故障原因,并逐项排查和分析各原因,最后确定故障原因。通过仿真软件Abaqus分析不同配合间隙对活塞销孔面压的影响,将最小配合间隙加大到0.08mm。根据拆检结果分析对销孔型线进行优化,通过仿真软件Abaqus分析对比改进前后销孔应力和面压,通过仿真软件Excite Power Unit分析考虑油膜时的轴承总压,确定销孔型线改进方案。通过对活塞销弯曲变形、失圆变形和应力状况进行计算,对活塞销内孔结构进行了分段设计,既保证了活塞销的整体刚度又进一步优化了活塞销与销孔的匹配。改进后活塞及活塞销顺利通过整机磨合,并通过1000h耐久试验和钢活塞销孔咬合试验验证。为快速验证极限状态下改进后活塞销孔与活塞销的匹配,定制活塞及活塞销在最小设计间隙值下进行验证,顺利通过钢活塞销孔咬合试验。通过该项工作积累了钢活塞销孔与活塞销匹配的设计仿真及开发经验,对钢活塞设计应用有很大的指导意义。

关键词：高爆压钢活塞活塞销配合间隙销孔型线

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热障涂层钢活塞和硅铝合金活塞的热分析

热加工工艺 2017年第18期46卷 182-186页

作者：李闯张翼蔡强邹润胡定云中北大学机械与动力工程学院山西太原030051 中国北方发动机研究所(天津) 天津300400

为降低活塞基体温度,提高柴油机性能,分别在硅铝合金活塞和钢活塞上喷涂稳定的氧化镁-氧化锆等离子体。讨论了热障涂层对两种材料活塞的温度场和热应力的影响。分析了有无陶瓷涂层活塞温度场和应力场的变化。结果表明,和无涂层活塞相比... 详细信息

为降低活塞基体温度,提高柴油机性能,分别在硅铝合金活塞和钢活塞上喷涂稳定的氧化镁-氧化锆等离子体。讨论了热障涂层对两种材料活塞的温度场和热应力的影响。分析了有无陶瓷涂层活塞温度场和应力场的变化。结果表明,和无涂层活塞相比,热障涂层活塞表面的最高温度明显升高,钢活塞和硅铝合金活塞表面的最高温度分别增加了31%和54%,但是对应的基体最高温度分别下降了27.55%和26.91%。

关键词：热障陶瓷涂层钢活塞硅铝合金活塞温度分布热应力

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基于热—结构耦合的钢活塞抗疲劳设计与寿命预测研究

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基于热—结构耦合的钢活塞抗疲劳设计与寿命预测研究

作者：吕良恺中北大学

学位级别：硕士

随着柴油机持续向高的功率密度方向发展，活塞作为柴油机的心脏，它的工作条件变得更加恶劣，因此活塞需要在材料、结构和工艺上均有所突破。本文针对上述问题，在有限元分析及抗疲劳设计理论的基础上，开展了钢活塞热-结构耦合分析、... 详细信息

随着柴油机持续向高的功率密度方向发展，活塞作为柴油机的心脏，它的工作条件变得更加恶劣，因此活塞需要在材料、结构和工艺上均有所突破。本文针对上述问题，在有限元分析及抗疲劳设计理论的基础上，开展了钢活塞热-结构耦合分析、抗疲劳结构设计及疲劳寿命预测研究，于钢活塞结构抗疲劳的研究部分施展了有效的帮助与更新。本文在建立钢活塞三维几何模型的基础上，利用有限元软件HYPERMESH对钢活塞三维模型进行了几何清理，并确定了网格划分的合理方案，定义了材料属性，确立了热负荷边界条件、机械负荷边界条件、热-结构耦合边界条件，进而运用有限元分析软件ANSYS对模型分别进行了热负荷、机械负荷、热-结构耦合的计算，得到了钢活塞稳态温度场的温度分布云图、温度梯度云图、热流密度云图、热负荷作用下的应力及变形、机械负荷作用下的应力及变形、热-结构耦合作用下的应力及变形，通过建立钢活塞参考点应力及变形柱形图，得出了钢活塞不同负荷作用下的危险点位置，为下一步的抗疲劳结构设计及疲劳寿命预测研究打下了基础。活塞设计上既要保证安全耐久抵抗热负荷和机械负荷，又要力求重量最小。活塞轻量化主要取决于结构形式和尺寸的合理选择,由于正交设计方法可以较少时间算出最优方案，本文抗疲劳结构设计在不对活塞做大的改动条件下，通过对活塞冷却油腔的平均高度、顶部厚度和销座间距三个结构尺寸定义设计变量控制因素，并设定各因素的3个水平值，采用L(3)正交表安排了9组实验方案进行优化设计，最终确定抗疲劳设计方案，以达到减轻活塞质量、降低危险点应力、提高抗疲劳能力的目的。并根据以上实验结果算出各因素的极差值，构造F统计量，生成正交方差分析表，对各因素效应的显著性作了对比研究，为钢活塞的继续减重、抗疲劳能力的进一步提高提供了参考。通过对结构疲劳分析理论的探索，选取疲劳寿命估算方法中的有限寿命法进行疲劳寿命预测研究，并以基于材料的S-N曲线为准则的名义应力法来进行活塞疲劳寿命的估算。利用疲劳寿命分析软件FE-SAFE，通过输入结构几何特征、疲劳载荷信息、材料疲劳属性三项信息，以求得在额定工况下，抗疲劳结构设计后钢活塞在热负荷、机械负荷、热-结构耦合作用下的疲劳寿命云图，并建立抗疲劳结构设计后钢活塞额定工况下各负荷作用的疲劳寿命柱形图，对钢活塞的疲劳寿命预测研究作了有益的探索。

关键词：柴油机钢活塞热-结构耦合抗疲劳设计寿命预测

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天然气发动机钢活塞设计与开发

天然气发动机钢活塞设计与开发

作者：孟栋栋山东大学

学位级别：硕士

随着2019年7月1日载重车用天然气发动机国家第Ⅵ阶段排放标准正式施行,发动机开发企业选择当量燃烧+三元催化器路线加以应对。相比于国V阶段稀薄燃烧,当量燃烧造成缸内燃气温度升高,燃气压力增大,爆震倾向增大,活塞等缸内零部件需要作... 详细信息

随着2019年7月1日载重车用天然气发动机国家第Ⅵ阶段排放标准正式施行,发动机开发企业选择当量燃烧+三元催化器路线加以应对。相比于国V阶段稀薄燃烧,当量燃烧造成缸内燃气温度升高,燃气压力增大,爆震倾向增大,活塞等缸内零部件需要作出全新结构的优化改进。在此形势下,天然气发动机用钢活塞应运而生。与原天然气发动机铝活塞相比,钢活塞需要全新的材料与结构选型。为了兼顾高性能、低成本和易加工的原则,最终选择38MnVS6钢材料,通过激光焊接方式最终成型活塞成品。根据发动机性能参数要求,结合原有天然气发动机铝活塞以及柴油机钢活塞设计经验,对新型天然气钢活塞进行了针对性设计。对活塞结构、裙部尺寸、销孔销座和环槽环岸等各部位方案均进行了探索与选择,最终完成了活塞初步设计方案。根据有限元计算分析方法,将制成的活塞组件模型导入有限元分析软件,分别预测量了活塞温度场分布,热应力与热机耦合应力分布,裙部与销孔接触应力分布,活塞头部以及环槽环岸变形量,各部位疲劳安全系数等。对比分析了不同销孔型线对销孔接触应力影响的差异。利用活塞动力学分析软件,进行了活塞裙部累计磨损量的预测。在活塞制造过程中,在成功应用激光焊接成型技术,形成无焊缝飞边的新型冷却油道钢活塞。采用亚微米加工技术提高销孔加工质量,降低了活塞销孔部位粗糙度。细化活塞磷化层晶粒,采用新研发的新型耐磨石墨材料涂层,最终活塞设计要求的活塞样件。经过激光焊接强度验证试验与温度塞试验,证实活塞设计满足发动机台架试验前准备。通过性能试验,拉缸试验,销孔咬合试验与耐久试验等装机台架试验,对耐久试验后的活塞样件进行了全方面的检测,特别针对销孔、裙部、环槽部位的磨损进行了检测,对试验后冷却油道内积碳厚度与积碳的化学成分进行了检测,得出机油内Cu含量影响活塞积碳效果的试验结论。通过20万公里整车装机道路测试。经过对试验后活塞样件的检测与评审,认定活塞设计方案满足发动机性能要求,活塞方案符合批量生产条件。

关键词：天然气发动机钢活塞当量燃烧有限元分析动力学分析

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柴油机钢活塞的摩擦特性

汽车与新动力 2012年第2期 46-51页

作者：金達雨佐藤俊介石川泰裕瀧口雅章大澤克幸岩崎義幸李建新赵宏榜段金栋

据预测,卡车柴油机功率的提高会进一步增加铸铁活塞和钢活塞的需求量,因而对活塞的润滑状态进行了研究。采用浮动衬套法对铸铁活塞和钢活塞的摩擦特性进行了测量分析,为了便于比较,也给出了传统铝活塞的摩擦特性。为了分析活塞的摩擦特... 详细信息

据预测,卡车柴油机功率的提高会进一步增加铸铁活塞和钢活塞的需求量,因而对活塞的润滑状态进行了研究。采用浮动衬套法对铸铁活塞和钢活塞的摩擦特性进行了测量分析,为了便于比较,也给出了传统铝活塞的摩擦特性。为了分析活塞的摩擦特性及研究中的新发现,对活塞的二阶运动也进行了测量分析。研究结果表明,铸铁活塞在压缩上止点为边界润滑状态,其原因可能是活塞与气缸套间隙过大导致活塞倾斜角度过大,钢活塞由于裙部机油润滑充分,在上止点及下止点处于流体润滑状态。

关键词：柴油机活塞试验摩擦润滑活塞二阶运动钢活塞铸铁活塞

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轿车柴油机用钢活塞

汽车与新动力 2012年第3期 55-57页

作者： Ottliczky E Voigt M Weimar H J Weiss E 孙丹红

近几十年来,铝活塞已被成功应用于轿车柴油机。然而,不断升高的热负荷和机械负荷使得钢用作活塞材料更具吸引力。为满足负载能力和性能日益增长的需求,KS Kolbenschmidt公司为轿车柴油机开发了钢活塞。

关键词：钢活塞铝活塞轿车柴油机热负荷机械负荷

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某高效低排放柴油机钢活塞设计与实验验证

内燃机 2021年第2期37卷 29-33页

作者：谭祖健韦良锦广西玉柴机器股份有限公司广西玉林537005

本文设计开发了一种适用于高效低排放、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。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... 详细信息

本文设计开发了一种适用于高效低排放、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。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,评估其各部位的结构强度可以满足爆发压力超过18 MPa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,满足整机性能与排放及可靠性要求。

关键词：柴油机钢活塞轻量化高强化

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高速柴油机用TopWeld钢活塞

汽车与新动力 2015年第6期47卷 45-49页

作者： D.Gabriel T.Hettich 孙丹红

燃油经济性法规要求进一步减小活塞的摩擦和提高热效率。将活塞材料由铝改成钢能在这两方面都得到改善。此外,钢材料的特性可提高活塞的强度、坚固性和耐久性。所有这些好处都能在比铝活塞更小的压缩高度下得以实现。因此,尽管材料密度... 详细信息

燃油经济性法规要求进一步减小活塞的摩擦和提高热效率。将活塞材料由铝改成钢能在这两方面都得到改善。此外,钢材料的特性可提高活塞的强度、坚固性和耐久性。所有这些好处都能在比铝活塞更小的压缩高度下得以实现。因此,尽管材料密度有所增加,活塞质量可以减小。鉴于钢活塞与铝活塞一样,需要对燃烧室凹坑和环槽区域进行冷却,马勒公司采用1种创新的金属连接技术——激光焊接来形成冷却通道。TopWeld®理念能提供较好的设计灵活性,这是其他任何焊接工艺所无法匹敌的。这种设计灵活性对于复杂的燃烧室几何形状尤为有利,而现代柴油机采用复杂的燃烧室结构是满足燃油经济性和排放要求的必须手段。

关键词：钢活塞激光焊接柴油机

Mercedes-Benz车用柴油机钢活塞

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汽车与新动力 2016年第1期48卷 48-51页

作者： J.Schommers V.Lagemann J.Bhm S.Binder 范明强

长期以来,钢活塞一直用于载货车用柴油机。2014年,Daimler公司作为最早的汽车制造商将钢活塞应用于轿车柴油机。现在钢活塞不仅用于Daimler公司OM626和OM607柴油机的传统灰铸铁气缸套曲轴箱,还首次用于OM642-V6柴油机全铝气缸体曲轴箱与... 详细信息

长期以来,钢活塞一直用于载货车用柴油机。2014年,Daimler公司作为最早的汽车制造商将钢活塞应用于轿车柴油机。现在钢活塞不仅用于Daimler公司OM626和OM607柴油机的传统灰铸铁气缸套曲轴箱,还首次用于OM642-V6柴油机全铝气缸体曲轴箱与"Nanoslide"气缸工作表面涂层的组合。

关键词：钢活塞铝活塞降低摩擦柴油机