王凱，周娜，蘇鐵熊，張俊躍

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，大同037036）

4L132柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

王凱1，周娜1，蘇鐵熊1，張俊躍2

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，大同037036）

伴隨著現(xiàn)代柴油機(jī)的高強(qiáng)化發(fā)展需求，提高最大爆發(fā)壓力是強(qiáng)化柴油機(jī)的一種措施。隨著柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力越來越大，結(jié)構(gòu)要求越緊湊，作為柴油機(jī)重要零部件的活塞從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到材料上都有新的發(fā)展。本文對(duì)4L132柴油機(jī)活塞的材料、頭部、銷部、裙部分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)該活塞強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證，從而為強(qiáng)化柴油機(jī)活塞部分提供相關(guān)的理論依據(jù)。

柴油機(jī)活塞強(qiáng)度

1 引言

活塞是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一?；钊墓τ檬浅惺軞怏w壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂部還是燃燒室的組成部分[1]。活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時(shí)溫度可達(dá)2 500 K以上。因此，受熱嚴(yán)重，而散熱條件又很差，所以活塞工作時(shí)溫度很高，頂部高達(dá)600～700 K，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，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用[2]；活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度（8～12 m/s）作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷?；钊谶@種惡劣的工作條件下，會(huì)產(chǎn)生變形和加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時(shí)受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕。

更高的高溫強(qiáng)度和更低的熱膨脹系數(shù)是優(yōu)質(zhì)活塞的關(guān)健問題，而這些都屬于材料的屬性。因此，活塞都是伴隨著材料的發(fā)展而發(fā)展的。近年來，許多新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法被引入到活塞的開發(fā)中，一些新型活塞材料的采用和新結(jié)構(gòu)的誕生使活塞不但沒有成為制約柴油機(jī)發(fā)展的瓶頸，而且成為推動(dòng)其快速發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。

所以在活塞設(shè)計(jì)上一個(gè)具有足夠強(qiáng)度和剛度，合理的形狀和壁厚，質(zhì)量盡可能小，受熱面積小、散熱好，材料熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、比重小，具有良好的減摩性和熱強(qiáng)度，質(zhì)量小的活塞是最佳的設(shè)計(jì)[3]。

2 活塞材料選擇

4L132柴油機(jī)活塞的材料應(yīng)滿足如下要求：重度小、導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高、減磨性好、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性好、易于加工等。目前鋁活塞材料有亞共晶Al-Si-Cu-Mg合金、共晶Al-Si-Cu-Mg合金、共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg合金、共晶Al-Si-Cu-Mg-RE合金、過共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、陶瓷纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋁合金及各類不同組分不同配比的合金等。對(duì)于現(xiàn)代高性能汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞，采用金屬型重力鑄造成形的質(zhì)量足以滿足性能的要求，高性能鋁活塞的發(fā)展方向是采用共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg合金[4]。綜合加工制造因素選12%的共晶鋁硅合金ZL111，液態(tài)模鍛方法制造[5]。

3 活塞基本尺寸確定

活塞可分為3個(gè)部分：（1）活塞頭部,（2）活塞裙部,（3）活塞銷座。

（1）活塞頭部——活塞頂、頂岸及活塞環(huán)帶?；钊斉c氣缸蓋、氣缸壁組成燃燒室，承受燃?xì)鈮毫Γ邮芨邷貧怏w的作用。活塞環(huán)帶又稱密封部，其作用是保證工作容積的密封性。安裝氣環(huán)和油環(huán)的溝槽稱為環(huán)槽，環(huán)槽下支撐環(huán)的部分稱為環(huán)岸。環(huán)帶部分經(jīng)受機(jī)械磨損和高溫燃?xì)獾母g作用，也受燃油和機(jī)油不完全燃燒產(chǎn)物的微粒影響使其磨損。

（2）活塞裙部——環(huán)帶以下的部分，起導(dǎo)向作用。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，與活塞銷軸線垂直的兩側(cè)裙部由于側(cè)壓力的影響，磨損特別嚴(yán)重。

（3）活塞銷座——位于裙部中央上方，銷座中安裝活塞銷?；钊ㄟ^銷座上半部將燃?xì)庾饔昧鹘o活塞銷，因此銷座也是活塞上容易產(chǎn)生裂紋的部位。

在強(qiáng)化程度不斷提高的情況下，活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)著重注意活塞銷座的載荷及潤滑、活塞承受機(jī)械及熱負(fù)荷的疲勞現(xiàn)象、活塞頂及環(huán)帶的適當(dāng)冷卻，并盡量減輕重量等等?；钊脑O(shè)計(jì)取決于機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷、燃燒室的形狀和布置、活塞環(huán)的數(shù)目、加強(qiáng)筋的安排、活塞頂?shù)暮穸?、活塞銷的直徑與第一環(huán)的位置等。柴油機(jī)活塞的主要尺寸范圍及擬選擇值參見圖1和表1。

（1）活塞高度H：由頂岸高度、環(huán)帶高度及裙部高度確定。其確定原則是要盡可能小，這樣可以減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，降低內(nèi)燃機(jī)高度。

（2）壓縮高度H1：決定活塞銷位置，在保證氣環(huán)較好工作條件下，應(yīng)盡量縮短，這樣可以降低內(nèi)燃機(jī)的高度。另外在制造時(shí)必須保證很高精度，這是由于其精度對(duì)壓縮比有直接影響。

（3）頂岸高度h1：頂岸高度確定了第一環(huán)位置。保證第一環(huán)的工作溫度不超過180～220℃的條件下盡可能取小。這是因?yàn)榈谝画h(huán)槽溫度超過240℃時(shí)，容易使環(huán)槽處的潤滑油結(jié)膠。

（4）環(huán)帶高度h2：取決于活塞環(huán)數(shù)、環(huán)高及環(huán)岸高度。環(huán)岸高度主要根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度來確定。其中第一環(huán)岸由于氣體壓力較大且工作溫度又較高，其高度會(huì)稍大于其他環(huán)岸。

圖1 活塞的主要尺寸參數(shù)

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的主要尺寸范圍及擬選擇值

4 活塞頭部設(shè)計(jì)

4.1 活塞頂部

4L132柴油機(jī)的活塞頂部的形狀取決于燃燒室的形狀。而活塞頂?shù)暮穸雀鶕?jù)最高燃?xì)鈮毫Q定，使之有足夠的剛度及良好的導(dǎo)熱能力。一般對(duì)非冷卻的活塞，活塞頂?shù)暮穸扰c活塞直徑之比不應(yīng)小于0.1～0.2，活塞頂吸收熱量的85%通過活塞環(huán)和裙部經(jīng)氣缸壁散入冷卻介質(zhì)中，為了保證沿這一途徑流過的阻力盡可能小些，活塞頂?shù)暮穸葢?yīng)自中心到邊緣逐漸增大。在工作強(qiáng)度不高的4L132柴油機(jī)中選擇平頂不帶加強(qiáng)筋的活塞頂。

活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，這也有利于熱量通過。鋁合金活塞頂，內(nèi)部輪廓應(yīng)注意從頂部到側(cè)壁采用較大的過渡半徑以避免應(yīng)力集中和減少熱阻。過渡半徑可采用（0.05～0.1）D=7mm；側(cè)壁厚度一般取（0.05～0.1）D=7mm?；钊?shù)暮穸圈氖歉鶕?jù)強(qiáng)度、剛度及散熱條件來確定的。在滿足強(qiáng)度要求下，應(yīng)盡量取小值。

4.2 環(huán)槽的確定

實(shí)踐證明，第一道環(huán)磨損最大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)檢修活塞組的時(shí)間間隔，在很大程度上決定于第一道環(huán)的壽命。為了達(dá)到減少氣環(huán)區(qū)，特別是第一道環(huán)的溫度，可以考慮如下措施：

（1）將第一道環(huán)安排在活塞頂厚度以下。

（2）在第一道環(huán)之上開一個(gè)槽，稱為隔熱槽。

（3）在鋁活塞環(huán)槽處加鑲塊。

（4）在活塞頂部采用等離子噴鍍陶瓷。

（5）提高活塞環(huán)槽加工質(zhì)量和正確選擇環(huán)與環(huán)槽的側(cè)隙Δ1。

活塞環(huán)岸的銳邊必須有適當(dāng)?shù)菇?，環(huán)槽根部也應(yīng)有一定倒角。某些發(fā)動(dòng)機(jī)在第二環(huán)槽底部有2道溝槽，既可以采用背面為尖棱的活塞環(huán)，又可以充當(dāng)減壓腔防止機(jī)油竄入燃燒室，達(dá)到降低機(jī)油消耗量的目的，如圖2所示。

圖2 環(huán)槽根部

活塞環(huán)帶的高度取決于氣環(huán)與油環(huán)的數(shù)目以及各環(huán)槽和環(huán)岸的寬度。活塞的壓縮高度與活塞質(zhì)量的關(guān)系很大，減少活塞的壓縮高度，活塞的質(zhì)量便可以得到減輕。在一般情況下活塞壓縮高度以上部分的質(zhì)量要占活塞總質(zhì)量的80%之多。降低頂環(huán)高度、優(yōu)化二環(huán)和油環(huán)的環(huán)岸高度、減小活塞銷直徑是傳統(tǒng)的減輕質(zhì)量的措施[6]。

活塞環(huán)數(shù)取決于密封的要求。漏氣量隨氣體壓力和氣缸直徑的增大而增加，隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而減少。一般來說，汽油機(jī)采用2道氣環(huán)、1道油環(huán)，柴油機(jī)為3道氣環(huán)、1道油環(huán)；低速柴油機(jī)采用3～4道氣環(huán)、1～2道油環(huán)。為了減少摩擦損失，降低環(huán)帶高度，應(yīng)在保證密封的條件下力爭(zhēng)減少環(huán)數(shù)[7]。

環(huán)岸高度主要根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度來確定。環(huán)槽高度取決于環(huán)高。在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷都很高的柴油機(jī)中，常把第一環(huán)側(cè)隙增大到0.1～0.2 mm；其余約為0.04～0.13 mm；活塞環(huán)與環(huán)槽的背隙一般較大，以避免環(huán)與槽底圓角干涉。氣環(huán)的背隙一般取0.5 mm。環(huán)槽底部的過度圓角一般為0.1～0.4 mm，如圖3所示。

圖3 環(huán)槽底部過渡圓角

還在活塞的結(jié)構(gòu)上做出了如下設(shè)計(jì)：（1）采用推力側(cè)與反推力側(cè)非對(duì)稱的設(shè)計(jì)；（2）優(yōu)化活塞銷形狀，減少活塞銷長度，改變活塞銷座為楔形形狀，從而使活塞銷座的總長度最短；（3）對(duì)于活塞銷座上面部分，優(yōu)化其壁厚，以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。

根據(jù)以上分析，4L132柴油機(jī)擬采用凹頂活塞，在活塞頂上噴鍍厚度0.2～0.3 mm的陶瓷，由于柴油機(jī)工作強(qiáng)度不是太大，所以活塞的冷卻方法采用自由噴射冷卻法[8]。

5 銷座設(shè)計(jì)

銷座之間的距離B=0.4D，取決于連桿襯套和活塞銷座的材料。加大銷座的承壓面，同時(shí)也減小了活塞銷的跨度，有利于提高它的彎曲剛度。

銷座的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量兼顧活塞銷直徑d的大小，使銷與銷座有相互適應(yīng)的變形。當(dāng)d小時(shí)，希望銷座有較好的彈性。為了減輕銷孔內(nèi)側(cè)的應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使活塞銷有較大的剛度，以此減小它的彎曲變形，但從局部來說應(yīng)使它有一定的彈性，以適應(yīng)局部變形。具體可采用以下一些措施：可將銷孔邊緣加工成斜面、圓角或倒棱。也有將銷孔中心相對(duì)銷座外圓向下偏心3～4 mm，使銷座的厚度上面比下面大些，以加強(qiáng)銷座承壓強(qiáng)度。也可將活塞銷座設(shè)計(jì)成上長下短的形式。

不同銷孔形狀對(duì)銷孔表面及燃燒室喉口等部位的應(yīng)力影響不同，本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)外側(cè)雙喇叭形銷孔形狀，中間為圓柱形，如圖4所示。外側(cè)直徑增大量一般為0.012～0.018，內(nèi)側(cè)為0.010～0.016，銷孔表面峰值應(yīng)力與圓柱形銷孔相比可降低25%。

圖4 活塞銷孔形狀示意圖

6 活塞外圓型面設(shè)計(jì)

活塞裙部的作用首先是承受曲柄-連桿機(jī)構(gòu)的側(cè)推力；其次是引導(dǎo)活塞沿氣缸壁作往復(fù)滑移運(yùn)動(dòng)，而且要求在摩擦面間能夠維持一層潤滑油膜層；第三是將活塞所接受熱量的一部份經(jīng)裙部傳給氣缸壁。如果裙部制成正圓形，活塞裙部推力面與氣缸壁僅有80～100°弧面接觸，由于受到側(cè)壓力的作用，裙部有被壓扁的趨勢(shì)，迫使銷座軸向延長。加上活塞頂部燃?xì)鈮毫Φ淖饔?，使活塞頂部在銷座跨度內(nèi)發(fā)生彎曲，導(dǎo)致相應(yīng)的裙部向外擴(kuò)張。同時(shí)活塞受熱膨脹后產(chǎn)生圓環(huán)效應(yīng)，由于銷座的金屬較多，蓄積的熱量也多，故裙部在銷座中心線平面內(nèi)的熱膨脹大于在垂直于銷座中心線平面內(nèi)的熱膨脹。因此活塞在工作時(shí)，正圓形的裙部就會(huì)變形，形成銷座方向?yàn)殚L軸的橢圓形，這樣一來就不能使活塞與氣缸套很好地貼合，還容易產(chǎn)生拉缸、竄氣、竄油現(xiàn)象[8]。

中凸變橢圓活塞裙部外形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是徑向外形為橢圓形狀，長軸在垂直于銷座孔中心線平面內(nèi)，短軸在銷座孔中心線平面內(nèi)，即裙部橫截面上呈橢圓，而且在不同裙高處的橢圓度值不同，其橫向型線的橢圓度值是沿裙高呈線性變化的，而在縱向上呈鼓形或叫中凸形[9]。

6.1 橫截面型線設(shè)計(jì)

活塞裙橫截面型線的設(shè)計(jì)依據(jù)主要是抵消活塞在工作狀態(tài)下由于機(jī)械變形和熱變形所產(chǎn)生的裙部橢圓變形。如將活塞裙部橫截面上外型線的變化規(guī)律視為單橢圓規(guī)律（圖5），則可以用下式來表示：

式中，

Δ——橢圓相對(duì)長軸的徑向縮減量，mm；

G——橢圓度，即長短軸之差，mm。

由于活塞裙面橢圓度與機(jī)型類別、大小和強(qiáng)化程度等關(guān)系不大，橢圓度G的大小主要由側(cè)推力、活塞結(jié)構(gòu)和材料等因素決定，其數(shù)值一般隨裙高變化而變。由于裙頂溫度比裙底溫度高且壁較厚，一般認(rèn)為裙頂熱膨脹較大。為改善裙部與氣缸壁的貼合性，防止咬缸，裙頂G值應(yīng)較大。據(jù)有關(guān)資料介紹，鋁活塞裙面的G值范圍為0.05～0.5 mm，且其裙頂與裙底值之差取0～0.25 mm。4L132柴油機(jī)活塞裙部上端截面橢圓度取值為G0=0.25 mm，下端截面G59.5=0.18 mm，即整個(gè)活塞裙面上的橢圓度增大值ΔG為0.07 mm。從工藝上考慮，取橢圓度隨裙高成線性關(guān)系變化[10]。

圖5 設(shè)計(jì)橢圓截面示意

則裙長L截面處的橢圓度GL為：

其中，K為橢圓度沿裙長的變化系數(shù)。

根據(jù)式(1)、(2)即可計(jì)算出柴油機(jī)活塞裙部各橫截面隨圓周角變化的徑向縮減量，如圖6所示(圖中D1為裙底活塞直徑，為裙頂活塞直徑）。

圖6 裙部橫截面橢圓坐標(biāo)

6.2 縱截面型線設(shè)計(jì)

活塞裙縱截面型線的設(shè)計(jì)依據(jù)主要是使活塞在工作狀態(tài)時(shí)受熱膨脹后的裙壁縱向型線保持良好的中凸鼓形曲線，在裙壁和氣缸套壁之間形成一楔形油隙，充分利用雙向油楔形成的動(dòng)力潤滑效應(yīng)，從而降低兩壁面間的摩擦和磨損[11]。

在裙部型線設(shè)計(jì)中，首先要選定配缸間隙，從而決定活塞裙部最大直徑D（即中凸點(diǎn)處直徑）。減小配缸間隙，可以減輕活塞換向時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)與敲氣缸套的現(xiàn)象。但在減少配缸間隙的同時(shí)還要考慮活塞工作時(shí)受到的熱膨脹和機(jī)械變形的影響。通常情況下冷態(tài)間隙Δ=(0.0007～0.0016)D。

在設(shè)計(jì)縱向型線時(shí)，裙部中凸點(diǎn)位置的選擇非常重要。有關(guān)資料表明，中凸點(diǎn)的位置宜選在銷孔中心以下，使中凸點(diǎn)以上裙部長度大于中凸點(diǎn)以下裙部長度，有利于減輕活塞在橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)的傾斜，減少環(huán)的磨損，增加封油、封氣的有效能力[11]。中凸點(diǎn)位置選擇還要考慮到當(dāng)活塞位于下止點(diǎn)時(shí)，裙部中凸點(diǎn)位置不可露出氣缸套。一般中凸點(diǎn)位置選擇在銷孔中心線以下(0～0.3)D處較為理想。當(dāng)熱態(tài)變形后，中凸點(diǎn)位置上移至銷孔中心附近，這就可避免活塞換向時(shí)裙部在氣缸套壁上的滾動(dòng)。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料介紹，中凸活塞裙縱向型線規(guī)律選擇拋物線規(guī)律（圖7），即裙部縱向型線規(guī)律可用下式表示：

式中，

Z——型線上任一點(diǎn)與中凸點(diǎn)軸向距離；

Δz——型線上距中凸點(diǎn)軸向距離為Z處的徑向縮減量；

a、b——常數(shù)。

圖7 裙部縱向型線結(jié)構(gòu)示意圖

通常情況下，中凸點(diǎn)上下型線不為同一拋物線。中凸點(diǎn)以上部位拋物線b值取2～3.4，中凸點(diǎn)以下部位拋物線b值取1.2～2，裙頂徑向削減量CT取0.03～0.15 mm，裙底徑向削減量CB取0～0.04 mm。根據(jù)選定的參數(shù)，再按式（3），就可計(jì)算出縱向型線上任意一點(diǎn)的徑向縮減量。在連桿擺動(dòng)平面即α=0處（裙部截面橢圓長軸方向）的活塞縱向型線，稱為基線。在裙部縱向型線設(shè)計(jì)中，當(dāng)基線一定時(shí)，其它角度處的縱向型線就是在此基線的基礎(chǔ)上，再計(jì)及不同裙長處橢圓度的變化后單值地決定的，這一系列縱向型線決定了整個(gè)活塞裙部外形型面的規(guī)律。至此，整個(gè)活塞裙部外形型面設(shè)計(jì)完畢[12]。

在裙部設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量滿足以下要求：具有足夠的承壓面積；（1）保證裙部在工作時(shí)具有正確的圓柱形狀，并保持與氣缸之間的最小間隙；正確安排銷孔位置，防止活塞在氣缸中傾斜；（2）活塞裙部與氣缸內(nèi)表面之間應(yīng)保持最小的間隙，小的氣缸間隙還可以降低噪聲并減小缸套穴蝕[13]；（3）裙部的橫斷面通常做成橢圓形，長軸垂直于活塞銷中心線。工作時(shí)活塞裙部在活塞銷中心線方向增大，在垂直方向減小。

橢圓形長短軸的差，一般為0.3～1.45 mm。橢圓形狀的活塞裙因曲率變化平滑，壓力分布均勻，工作比較可靠?？梢钥紤]偏心車削的辦法把銷孔附近不承壓的裙部車掉一層，并在正對(duì)著銷座附近的表面制成凹坑或切去部分金屬。

為保持間隙小且均勻，活塞外圓表面原則上應(yīng)設(shè)計(jì)成上小下大的錐形或階梯形[9]。最理想的活塞外表面形狀應(yīng)根據(jù)裙部變形情況來確定，圖8為4L132柴油機(jī)裙部的外表面型線。

解決內(nèi)凹型最理想的裙部形狀是中凸形。為使活塞裙部和氣缸之間保持最小間隙，采用了裙部鑲?cè)脘撈蜉p鋼筒的鋁活塞[13]。裙部高度從減小比壓及減輕磨損來說應(yīng)取得大些，但從減小活塞高度來說則應(yīng)取得小些，這應(yīng)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的具體情況來考慮。

圖8 4L132柴油機(jī)活塞外表面型線

考慮裙部高度時(shí)，必須照顧到活塞銷孔相對(duì)于活塞裙部的位置，合理分配上裙部與下裙部的高度，以防活塞工作時(shí)發(fā)生傾斜，造成局部強(qiáng)烈磨損[4]。

由一般公式考慮得：

頂部間隙δ1=0.006D=0.46 mm

銷孔側(cè)面間隙δ2=0.0014D=0.1 mm

7 活塞的強(qiáng)度計(jì)算

7.1 第一環(huán)岸的強(qiáng)度計(jì)算

第一環(huán)岸的強(qiáng)度計(jì)算用圖如圖9所示。當(dāng)活塞頂受到最大燃?xì)鈮毫z時(shí)，通過第一道環(huán)作用在第一道環(huán)岸上面的平均壓力p1，據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可取p1=0.9 pz，環(huán)岸下面所受的燃?xì)鈮毫2，可取為p2= 0.22 pz。于是，環(huán)槽深度為t，環(huán)岸高為C1，槽底直徑為D'=D-2t[4]。

圖9 活塞第一環(huán)岸

環(huán)岸根部所受的彎矩則M為

其抗彎斷面系數(shù)W為

此時(shí)環(huán)岸根部的彎曲應(yīng)力為

環(huán)岸根部的剪切應(yīng)力為

所以τ=8.2 MPa

根據(jù)第三強(qiáng)度理論，其合成應(yīng)力為

所以有σΣ=21.4 MPa。

該處的合成應(yīng)力不應(yīng)超過許用應(yīng)力。許用應(yīng)力的大小與活塞材料有關(guān)，一般范圍是：鋁合金為30～40 MPa；鑄鐵為60～80 MPa；鋼為100～150 MPa。第一環(huán)岸滿足強(qiáng)度要求。

7.2 活塞裙部比壓的校核

裙部比壓一般按下式進(jìn)行校核，即

其中，Nmax為最大側(cè)作用力，可近似取8%～12%的最大氣體壓力。則可得到

所以有q=2.91 MPa。

本活塞所用材料ZL111的條件屈服強(qiáng)度為255 MPa，所以該活塞的裙部校核合格。

7.3 活塞銷座比壓校核

銷座比壓q1按下式計(jì)算，即

式中，

Pjz——活塞與活塞環(huán)的最大往復(fù)慣性力，單位為N；

l'——活塞銷的作用長度。

即

上式中，2l'為銷座工作面長度，所以有l(wèi)'=18 mm。

為計(jì)算簡(jiǎn)便，可以略去Pjz，計(jì)算結(jié)果偏安全。可以使用

所以有q1=25.4 MPa

與ZL111的條件屈服強(qiáng)度255 MPa相比，符合要求。而且活塞銷長度可以適當(dāng)減小。

8 結(jié)論

本文對(duì)4L132活塞進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在活塞頭部處設(shè)計(jì)了活塞頂面與頂岸，考慮了溫度影響和頂岸間隙對(duì)排氣污染的影響；環(huán)槽的設(shè)計(jì)，考慮漏氣及摩擦的處理，第一環(huán)的設(shè)計(jì)形狀；裙部的設(shè)計(jì)注意了變形后的結(jié)果，裙部表面鍍層；對(duì)銷孔的設(shè)計(jì)，兼顧了潤滑方式。在對(duì)活塞材料選擇需滿足重度小、導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高、減磨性好、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性好、易于加工等條件。并通過對(duì)活塞進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，從而達(dá)到理論設(shè)計(jì)上的強(qiáng)度負(fù)荷要求，為高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中活塞設(shè)計(jì)部分提供了理論依據(jù)。

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Design and Strength Analysis of 4L132 Diesel Engine Piston

Wang Kai1,Zhou Na1,Su Tiexiong1,Zhang JunYue2
（1.Electromechanical engineering college,The North University Of China,Taiyuan 030051,China; 2.North China institute of engine,Datong 037036,China)

With the development of modern diesel engine,improving the peak firing pressure is a kind of measure to strengthen the diesel engine.With the increase of peak firing pressure and more compact structure required,piston as an important part of a diesel engine,has a new development from structure design to material.This paper presents the design of the piston of the 4Ll132 diesel engine from material selection to the designs of piston head,piston pin seat,and piston skirt,and the calculation verification of piston strength so as to provide a relevant theoretical basis for strengthening the piston of 4Ll132 diesel engine.

diesel engine,piston,strength,design

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.003

來稿日期：2012-09-06

王凱（1987-），男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)。