【正文】 活塞承受的機(jī)械負(fù)荷 活塞組承受的機(jī)械負(fù)荷包括燃?xì)鈮毫?，往?fù)慣性力及側(cè)向力 [9]?；钊谶@種惡劣的條件下工作，將產(chǎn) 生變形并加速磨損，產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力?；钊谘貧飧鬃魍鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，還會(huì)在氣缸內(nèi)橫向擺動(dòng)。同時(shí)，在高速內(nèi)燃機(jī)中，工作循環(huán)的變化頻率也很高，這樣就使作用在活塞上的載荷具有沖擊性?；钊臏囟仍陧斆嬷醒爰斑吘壸罡?，在中等尺寸的鐵 /鋼活塞上達(dá) 400℃～ 450℃，鋁合金活塞上則達(dá)到 300℃～ 350℃[7](較小尺 寸時(shí) )或 400℃左右 (較大尺寸時(shí) )，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程壓力最大。 3)密封氣缸以防燃?xì)庑孤┘皾?rùn)滑油竄入燃燒室。 活塞的主要作用 活塞是由活塞連桿組 (由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸瓦 )組成的，其主要功用是： 1)與氣缸蓋、氣缸壁組成的燃燒室承受燃?xì)庾饔昧Σ阉鼈鬟f給連桿，連桿傳來(lái)的側(cè)壓力也通過活塞傳遞給氣缸壁。但是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用適宜的刀具和加工工藝，以 上缺點(diǎn)完全可克服。另外，鋼質(zhì)的種類繁多，可供選擇的空間巨大。鋼質(zhì)材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗捅砻鎻?qiáng)化，可以獲得極高的表面硬度和強(qiáng)度，比鋁合金更耐磨損。 106? /K 之間。 106? /K，而普通合金結(jié)構(gòu)鋼的熱膨脹系數(shù)一般 13179。 106? /K；中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 5 頁(yè) 共 75 頁(yè) 傳統(tǒng)活塞用鋁合金 ZL109 的熱膨脹系數(shù)為 179。純鋁的熱膨脹系數(shù) ? 為 179。由于鐵的熔點(diǎn)較高，以鐵元素為主的各種鋼鐵材料的高溫力學(xué)性能也明顯比鋁合金材料要好得多。但是，在中重型柴油機(jī)上鍛鋼活塞的應(yīng)用也是在近年才開展的。一般組合活塞的質(zhì)量約為整體鋁合金活塞的 — 倍，且成本也較普通鋁合金活塞高。 Cm 值很高的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此整體鑄鐵活塞或鋼頂鋁裙的組合活塞在這些發(fā)動(dòng)機(jī)中還有應(yīng)用，在組合活塞的活塞頂和鋁裙之間 有冷卻油腔。 1924 年德國(guó) KS 公司研制成功膨脹系數(shù)低于 “Y 合金 ” 的 Al— Si 系活塞合金，即最早的 KS245 合金，并發(fā)現(xiàn)該合金中過共晶的組分，因而為研制活塞用過共晶 A1— Si 系合金奠定了基礎(chǔ)。 1903 年內(nèi)燃機(jī)開始試用鋁活塞， 1921 年 “Y 合金 ”( 含 4%Cu、%Mg、 2%Ni，其余 Al)作為正式的耐熱鋁合金問世。早期活塞材料主要是以灰鑄鐵為主。鍛鋼材料活塞作為一種全新材料的活塞，在活塞的設(shè)計(jì)、制造方面都有別于鋁合金 活塞，目前，中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 4 頁(yè) 共 75 頁(yè) 我國(guó)還不能批量生產(chǎn)鍛鋼活塞，也沒有鍛鋼活塞的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鍛鋼活塞變得越來(lái)越重要。目前主要選用鋼鐵材料，鋼鐵材料由于其具有高的熱力學(xué)性能和優(yōu)良抗磨損性能以及好的熱加工和機(jī)械加工工藝性，成為進(jìn)一步提高活塞性能的首選材料。但是，目前柴油機(jī)主要使用的是由鋁硅合金制造的鋁制活塞，由于鋁合金作為有色輕金屬材料，雖然具有重量輕等特點(diǎn)，但是鋁合金材料只能在 350℃ 下穩(wěn)定的工作，并且由于鋁活塞大多使用重力鑄造的工藝生產(chǎn)，造成缺陷率較高，雖然現(xiàn)在采用多種強(qiáng)化措施，如 ： 第一環(huán)槽鑲高鎳奧氏體環(huán)座，以提高環(huán)槽抗磨損 能力，燃燒室喉口鑲陶瓷復(fù)合材料以提高燃燒室抗熱裂能力，但是鋁活塞仍然難以滿足 歐 Ⅳ 、 歐 Ⅴ 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)要求。降低內(nèi)燃機(jī)排放，提高其燃油經(jīng)濟(jì)性和可靠性成為目前內(nèi)燃機(jī)工作者的當(dāng)務(wù)之急 [4]。隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格要求，汽車用內(nèi)燃機(jī)主要集中在開發(fā)能滿足 歐 Ⅱ 、 歐 工 Ⅲ 排放標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)燃機(jī) 。自主開發(fā)能力薄弱，創(chuàng)新能力不足，高新技術(shù)仍然依靠國(guó)外，特別是內(nèi)燃機(jī)配件行業(yè)，很多企業(yè)都沒有自己的技術(shù)開發(fā)能力，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的來(lái)圖加工，競(jìng)爭(zhēng)力薄弱。但是，由于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尚處于轉(zhuǎn)型階段，制約內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展的一些結(jié)構(gòu)性矛盾和問題尚未解決。柴油機(jī)通過增壓中冷技術(shù)、燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)化、工作過程優(yōu)化來(lái)滿足 歐 Ⅲ 要求，有的還采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、廢氣再循環(huán) (EGR)技術(shù)、多氣門技術(shù)、可變渦輪增壓 (VNT)技術(shù)，為滿足歐 工 Ⅲ 排放標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)一步產(chǎn)品升級(jí)做好準(zhǔn)備。 “ 十 一 五 ” 期間是內(nèi)燃機(jī)行業(yè)在新產(chǎn)品和新技術(shù)開發(fā)方面取得最好的時(shí)期之一。 2021 年我國(guó)內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)總量中，柴油機(jī) 1118 萬(wàn)臺(tái)， 億千瓦 [3]。據(jù)中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì) 2021 年不完全統(tǒng)計(jì) ： 2021 年全國(guó)共生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)約 3837 萬(wàn)臺(tái)、 億千瓦 ； 銷售約 3789 萬(wàn)臺(tái)、 億千瓦。通過自行研制開發(fā)和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，發(fā)展了一大批新產(chǎn)品，特別是在國(guó)家出臺(tái)有關(guān)排放法規(guī)和節(jié)能要求后，通過各種途徑先后開發(fā)出一批滿足 歐 Ⅰ 、 歐 Ⅱ 、歐 工 Ⅲ 的發(fā)動(dòng)機(jī)?；旧蠞M足了當(dāng)時(shí)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門配套需要?；钊麨閮?nèi)燃機(jī)的心臟零件，也隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展而發(fā)展。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 2 頁(yè) 共 75 頁(yè) 內(nèi)燃機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀 內(nèi)燃機(jī)行業(yè)是一個(gè)技術(shù)密集型的行業(yè)，雖然其自身存在噪音大、污染嚴(yán)重的缺陷，但是由于其熱效率高、動(dòng)力性優(yōu)、功率范圍寬廣、可靠耐久等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和國(guó)防建設(shè)事業(yè)。 b) CO HC NOx PM 歐Ⅱ 歐Ⅲ 試驗(yàn)表明，摩擦焊接鍛鋼活塞較鋁合金活塞有效的降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量、機(jī)油耗，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，可成功的應(yīng)用于中重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，對(duì)作為重災(zāi)區(qū)的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境要求也越來(lái)越高，我們國(guó)家也會(huì)在最近實(shí)行歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保要求越來(lái)越高，表 11為排放標(biāo)準(zhǔn)?；钊诠ぷ鬟^程中直接與高溫高壓燃?xì)饨佑|，承受著較高的熱負(fù)荷，并在潤(rùn)滑條件較差的缸套內(nèi) 進(jìn)行高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由熱負(fù)荷和運(yùn)轉(zhuǎn)工況頻繁變化引起的活塞熱疲勞是影響柴油機(jī)可靠性的主要因素。高溫、高負(fù)荷、高運(yùn)動(dòng)速度、潤(rùn)滑不良、和冷卻困難等，使其成為發(fā)動(dòng)機(jī)中故障較多的零件之一。 活塞是柴油機(jī)燃燒室中的重要零件，它所處的工作條件相當(dāng)嚴(yán)酷。盡管柴油機(jī)比汽油機(jī)的功率密度 (發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量的功率 )小，但它的油耗低、耐久性好 ,但根據(jù)行駛工況，有時(shí)柴油機(jī)的油耗只有汽油機(jī)的 60％左右，另一方面 ，柴油機(jī)的壽命也在直線上升。在歐洲能源危機(jī)相對(duì)嚴(yán)重的國(guó)家，“汽改柴”已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 1 頁(yè) 共 75 頁(yè) 1 緒論 柴油機(jī)的優(yōu)勢(shì) 活塞是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”， 只有活塞高效可靠的工作，才能使活塞式內(nèi)燃機(jī)具有旺盛的生命力 [1]。在環(huán)境保護(hù)和能源危機(jī)呼聲越來(lái)越高的今天，汽車柴油化成了不可抗拒的歷史潮流。在歐洲國(guó)家，轎車已有 40％使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，客車中有 80％使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，載貨車則 100％使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。所以，柴油機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防上得到了最為廣泛的應(yīng)用?；钊苋?xì)庵芷谛缘募訜嶙饔?，燃?xì)獾淖罡咚矔r(shí)溫度一般都高達(dá) 1600℃～ 2500℃，燃?xì)馄骄鶞囟纫哺哌_(dá)700℃～ 1000℃左右 [ 3]?；钊粌H與整機(jī)的性能、排放指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，同時(shí)還制約著可靠性。這就給設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的人員提出這樣一個(gè)課題，即如何在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下，提高活塞工作的可靠性和耐久性。 表 11 歐Ⅱ及歐Ⅲ車用柴油機(jī)排放指表 g/(kw178。與整體鍛鋼活塞相比，摩擦焊接鍛鋼活塞在降低漏氣量等方面也有著顯著的效果。內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，從根本上來(lái)說(shuō)，是建立在主 要零部件性能和壽命不斷改進(jìn)提高的基礎(chǔ)上的 [2]。 建國(guó)以來(lái)，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，在我國(guó)建立了一個(gè)比較完整的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)體系。改革開放后，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，不斷對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和企業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。 現(xiàn)在，全國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè) (包括主機(jī)及配件 )約有 1000 家左右，其中生 產(chǎn)主機(jī)近 200 家，配附件約 700 家。工業(yè)總產(chǎn)值 億元?；緷M足了當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的各種汽車、工程建設(shè)機(jī)械等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門的需求，同時(shí)也滿足了大量在用機(jī)械的維修服務(wù)需求，還有一定數(shù)量產(chǎn)品出口。新產(chǎn)品開發(fā)主要集中在為汽車、工 程機(jī)械、船舶、鐵路機(jī)車配套的節(jié)能、節(jié)材、低污染的可靠性好的產(chǎn)品。為農(nóng)機(jī)配套內(nèi)燃機(jī)基本上都是柴油機(jī)，為滿足非道路用內(nèi)燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，在優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣、噴射、燃燒系統(tǒng)方面做了大量工扮作，并在減重、降噪方面都對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)提高。從行業(yè)整體來(lái)看，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、企業(yè)組織結(jié)構(gòu)、工藝裝備水平、經(jīng)營(yíng)管理水平、企業(yè)的創(chuàng)新開發(fā)能力和人員素質(zhì)等都存在不同的差距和問題。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 3 頁(yè) 共 75 頁(yè) 中重型柴油機(jī)的技術(shù)要求 由于環(huán)境污染日益嚴(yán)重，能源危機(jī)愈演愈烈，因此為了節(jié)省能源、降低排放，國(guó)家制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)，以便與國(guó)際接軌。這就對(duì)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提出了更高的要求，特別是對(duì)中重型柴油內(nèi)燃機(jī)，因?yàn)橹兄匦筒裼蜋C(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有非常重要的地位。 對(duì)中重型柴油機(jī)設(shè)計(jì)的具體技術(shù)要求 ： l)具有更高的噴射壓力，以優(yōu)化燃燒 2)廢氣再循環(huán) (EGR)系統(tǒng) 3)降低排放 4)燃燒系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化 5)升功率的進(jìn)一步提高 6)壽命提高 ： 100 萬(wàn)公里 7)更長(zhǎng)的大修期 ： 10 萬(wàn)公里 柴油機(jī)活塞的發(fā)展方向 現(xiàn)在，柴油機(jī)通過增壓中冷技術(shù)、工作過 程優(yōu)化、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、廢氣再循環(huán) (EGR)技術(shù)、多氣門技術(shù)、可變渦輪增壓 (VNT)技術(shù)等來(lái)滿足不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，由于以上技術(shù)的應(yīng)用，活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的的核心部件承受了更高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此對(duì)活的結(jié)構(gòu)及材料的要求更加嚴(yán)格。鑒于此，許多公司在多年前己紛紛投入活塞的基礎(chǔ)性研究工作，試圖尋找一種性能更高、工作更穩(wěn)定、生產(chǎn)過程更為環(huán)保、廢氣排放更低、可靠性更高的可替代產(chǎn)品。特別是鍛鋼活塞材料的開發(fā)代表了當(dāng)前活塞發(fā)展的最新方向。 活塞材料的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 活塞作為內(nèi)燃機(jī)重要零件之一，從其開發(fā)之日起人們就非常重視。鑄鐵活塞有較高的抗拉強(qiáng)度和耐磨性，熱膨脹系數(shù)小，且價(jià)格便宜，但密度大，導(dǎo)熱性差 [5]。 “ Y 合金 ” 以其高耐熱性、較好的鑄造和鍛造性能而作為典 型的活塞用鋁合金盛行于世。由于共晶 Al— Si合金具有熱膨脹系數(shù)小、高溫強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定性好、耐磨性好、工藝性能好、成本 較低等優(yōu)點(diǎn)，因此在活塞材料中逐步占據(jù)統(tǒng)治地位，但是，由于鋁合金材料高溫強(qiáng)度低的弱點(diǎn)使它不能適應(yīng)強(qiáng)化指標(biāo) pe178。組合活塞的活塞頂可采用耐熱鋼或球墨鑄鐵以解決活塞的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷問題，活塞裙部仍采用鋁合金，兩部分用機(jī)械方法 (如螺釘連接等 )裝配成一體。 目前，國(guó)外許多知名的活塞生產(chǎn)公司把鋼質(zhì)材料作為活塞材料研究開展得較早且深入，并且申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，且有多種鍛鋼活塞進(jìn)行了批量生產(chǎn)。 鋼制活塞與鋁合金活塞的比較 鋼質(zhì)活塞材料與傳統(tǒng)鋁質(zhì)活塞材料的比較首先，鋼質(zhì)材料具 有比鋁質(zhì)材料更高的機(jī)械強(qiáng)度 ： 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB1173— 1986，鑄造鋁合金各種合金狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度 b? 在133MPa 到 437MPa 之間，大部分在 150MPa 到 250MPa 之間 ； 而普通的合金結(jié)構(gòu)鋼各種熱處理狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度 b? 絕大部分在 780MPa 以上，有的可高達(dá) 2200MPa 以上。再者，鋼質(zhì)材料具有比鋁合金更小的熱膨脹系數(shù)，可以使活塞和氣缸間隙做 得更小。 106? /K，而純鐵的熱膨脹系數(shù) ? 僅為 11179。 10 6? /K 到 21179。 106? /K 到 15179。還有，鋼質(zhì)材料具有更好的耐磨性能，用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞可以獲得更長(zhǎng)的使用壽命。例如 42CrMo鋼經(jīng) 860℃淬火， 560℃ 回火后可獲得 220HBS 以上的硬度 ,抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1080MPa。同時(shí)，鋼質(zhì)材料也具有自身的缺點(diǎn) ： 鋼鐵的密度偏大，導(dǎo)熱性不及鋁合金，加工也比較困難。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 6 頁(yè) 共 75 頁(yè) 2 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 所設(shè)計(jì)活塞的基本參數(shù)如下表 21 表 21活塞基本參數(shù) 活塞高度 H 110mm 活塞直徑 D 109mm 壓縮高度 H1 77mm 火力岸高度 h1 10mm 第一環(huán)岸高度 c1 8mm 第二環(huán)岸高度 c2 4mm 銷孔直徑 d 45mm 銷座間距 B 44mm 氣缸間隙 以上為我設(shè)計(jì)的活塞的基本尺寸，設(shè)計(jì)理由由下文一一列出。 2)將活塞頂部接受的熱量通過氣缸壁傳人冷卻介質(zhì)中。 活塞的工作條件 通?；钊窃诟邷?、高壓、高速、潤(rùn)滑不良的條件下工作的，活塞在工作中承受著很高的熱負(fù)荷，熱量通過對(duì)流、輻射等方式傳到活塞頂 [6]。目前，由于高壓強(qiáng)化，柴油機(jī)的最高爆發(fā)力已達(dá)到13～ 20MPa，有的甚至更高?；钊跉飧桌锔咚龠\(yùn)動(dòng) (8～ 16m/s)，還會(huì)產(chǎn)生中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 7 頁(yè) 共 75 頁(yè) 很大的往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力 (最大值可等于活塞重力的幾百倍甚至更高 )。一般活塞橫向擺動(dòng)相當(dāng)猛烈，會(huì)造成與氣缸壁的撞擊。同時(shí)活塞還要受到燃?xì)獾母g作用，產(chǎn)生小孔腐蝕 [8]。目前，汽油機(jī)最高爆發(fā)壓力約為 5～ 8MPa，非增壓柴油機(jī)約為 8～ 11MPa，而增壓柴油機(jī)約為 13～ 20MPa，甚至更高。由于機(jī)械負(fù)荷的作用，活塞各部位產(chǎn)生如下應(yīng)力：頂部的動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力；銷座承受拉壓及彎曲應(yīng)力；環(huán)岸承受彎曲及剪切應(yīng)力。 活塞承受的熱負(fù)荷 活塞頂直接受到高溫燃?xì)庵芷谛约訜?。圖 2— 1(a)為平頂?shù)匿X