1、BH135 柴油机活塞的设计与分析技术 中文摘要 科技进步推动了内燃机行业的持续发展，发动机的强化指标逐渐提高，活塞及其组件所受的机械负荷与热符合也越来越高，它们的设计是否合理，将直接关系到内燃机的可靠性、寿命、排放、经济性等。因此在已有条件下，通过真实有效地计算分析，得出有益的解决方案成为目前内燃机行业的首选课题。 内燃机严酷的内部温度环境和负荷条件使得传统的设计实验很难取得令人满意的效果，为确保设计目标的实现、为了适应不断增长的高压环境和提高产品的强度和耐久性要求以及设计中的寿命要求，需要采用先进的设计 和分析手段，科学的分析活塞的结构对活塞寿命以及工作的可靠性的影响，设计品质优良的活塞，
2、从而使内燃机更好地工作。 本 文把 计算机辅助工程建模仿真技术 应用到 活塞 结构设计 及校核的实例领域 ， 通过三维建模和有限元分析方法，为活塞建立了合适的数字模型，从而 预估产品的强度 负荷及 寿命 水平等， 提高 其 设计效率 和 科学性。 本文还描述了柴油机活塞的设计方法和过程，并通过对 BH135 柴油机活塞的三维建模和有限元分析的实例应用 体现出 计算机辅助工程 技术在产品设计初期的优越性 ： 即一方面 建立一种基本的计算机分析模型，对其进行 仿真模拟 ，从而指导产 品设计 ； 另一方面 以此为 虚拟分析平台 并提供一些规范化或经验性的建模参考，同时也为提高企业在技术上的自主开发及
3、创新能力而奠定基础。 关键词： 内燃机；活塞设计；有限元分析； Abstract The development of science technology forced the industry of internal-combustion engine to develop, the strength target of engine was gradually heightened, the mechanical and thermal load of piston and subassembly of piston was higher and higher. Whether thei
4、r design were in reason, related to the reliability、 natural life、 let 、economy and so on. Therefore, with own conditions, through true and effective calculation and analysis, getting useful project becomes the most important task of the industry of internal-combustion engine. In severe environment
5、of the internal thermal and mechanical load, the experiment is difficult to get approving effect. For the sake of realization of design target, adapting increasing high pressure, improving strength、 wear and natural life of product, needing to adopt advanced design and analysis measure, analyzing co
6、nstruct of piston is good for piston reliability and natural life. Designing piston with excellent quality improves engine to work better. The simulation method of CAE will be applied to the design and check field of piston structures in this article. Through the numeric analysis and FEM, the streng
7、th and fatigue life level etc, are estimated for the subassembly. The article describes the design method and process of diesel engine piston. The theory research and engineering application, show the superiority of CAE to product design: one is instructing the design through the computer analysis m
8、odel; the other is to provide a modeling reference to virtual platform, and to promote the self-exploitation ability for the enterprise. Key words: Internal-combustion engine; Piston design; Finite element analysis; 目录 中文摘要 英文摘要 1 绪论 2 设计要求 3. 活塞的基本设计 3 .1 活塞的选型 3. 2 活塞的主要尺寸 3.21 活塞的高度 H 3.22 压缩高度 H
9、1 3.23 顶岸高度 h 3.24 活塞环的数目及 排列 3.25 环槽尺寸 3.26 环岸高度 3.27 活塞顶厚度 3.28 裙部长度 H2 3.29 裙部厚度 g 3.10 活塞销直径 d 和销座间隔 B 3.3 活塞头部设计 3.4 活塞的裙部设计 3.5 活塞销座的设计 3.6 活塞与缸套的配合间隙 3.7 活塞大体尺寸 一 绪论 汽车是现代化社会重要的交通运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽 车已经进入了现代的生活之中与人类的生活已经密不可分，一方面它的高效率，高机动化等特点为人类带来了极大的方便，提高了人们的生活水平，另一方面它的噪声，污染等公害也降低了人们的生活质量。因此，
10、人们对汽车提出了越来越高的要求。活塞作为发动机的重要运动件之一，它所处的工作条件相当严酷，即高温、高负荷、高速运动、润滑不良和冷却困难等，使其成为发动机改进的重大障碍之一。随着发动机技术水平的提高，高速大负载发动机的研制和运用，使活塞处于一个更严酷的工作环境中，活塞就不可避免的成为发动机强化的首要障碍。 发动机在运转时，活 塞工作在高负荷环境中。首先，活塞受气体压力、惯性力和侧向力的作用，气体压力和惯性力的方向和大小都是变化的，这就引起了活塞内应力的极度不均匀，容易引起材料的疲劳破坏。其次，活塞在径向和高度方向上的受热不均匀，引起内部附加极大的热应力，这也是活塞疲劳破坏的主要原因之一。此外，活
11、塞的不同部位还承受着局部力的作用。活塞环岸作用着气体压力和活塞的惯性力，活塞在上止点摇摆使活塞上下边缘遭到冲击。而且由于活塞形状复杂，各部分金属分布不均匀，在不同的直径方向，活塞的刚度是不同的，在不同的刚度之间，轴线方向上，活塞的热变形和 热应力是不同的，活塞的受力和内应力也是极度不均匀的。这就是活塞设计的重点和难点。 早期单件研究中，为了计算简便，柴油机活塞通常被简化为对称构件，因而采用 1 2 或 1 4 模型进行网格划分和有限元分析，既可以节省计算时间，又可得到较为真实的研究成果。然而，对称模型只适用于那些没有冷却油道的中小功率发动机活塞，对那些有冷却腔等非对称结构的活塞而言， 1 4
12、或 1 2 简化模型是不适合的。为此，内燃机非对称活塞的研究势必要求利用整体三维实体模型进行有限元分析，但唯一不足的是所耗费的 CPU 时间太多。所以，对对称结构的活塞完全 可以用 1 2 或 1 4 模型来简化计算，即可节省 CPU 时间，又不影响计算精度；而对非对称结构的活塞从保证计算精度出发不宜采用对称模型。 活塞组的热传导分析过程中，稳态传热的方法因计算简便得到了广泛应用。在计算此类边界条件时，通常采用第 3 类边界条件进行计算。与稳态方法相比，瞬态的热传导分析具有更高的可信度，也与实际情况更为贴近。在瞬态研究中，实际工况下的每循环中，由于活塞的运动，活塞的有限元计算网格是随时间的变化
13、自动生成新的有限元网格；而且对应每个边界条件都得做一次有限元分析，这对计算机和软件的要求都很高。故迄今 为止此类研究在国内还是以简化模型为基础，通过相应的经验公式拟合使用稳态传热来研究瞬态问题。 在未来的活塞组部件研究中，三维非对称模型有限元分析将得到广泛应用，缸内热传导将以整体耦合的方法为指导，而随着社会的不断进步，瞬态传热的研究将有助于活塞组设计的简化。 本设计是运用现代设计方法和设计理念，结合国内外先进的设计技术和设计经验，为重庆马勒发动机有限公司开发设计的新型高速发动机活塞 BH135 进行三维建模和有限元分析，分析活塞和发动机整机工作状态相耦合的传力和传热特性。 二 设计要求 本次
14、的发动机主要设计参数如下表： List of requirements for truck piston NO. Name 名称 Data 数据 1 Cyl diameter 缸径 mm 90 2 Stroke 冲程 mm 115 3 Number of cylinder 汽缸数 4 4 Rated power 额定功率 kW 12300 5 Max. torque 最大转矩 Nm 910 6 Speed at max. torque 最大转矩时的转速 1/min 1500 7 Design speed 设计转速 1/min 8 Rated speed 额定转速 1/min 9 Design
15、peak pressure 最大爆发压力 Mpa 15.8 10 Compression ratio 压缩比 17.5 11 Number of valves/Cyl. 每缸气阀数 12 Conrod length 连杆长度 mm 210 13 Conrod width 连杆宽度 mm 14 Keyst. Angle of conrod 连杆锥度 15 Conrod guidance 连杆导向 16 Cyl. Block material 缸体材料 17 Cyl. Bushing 缸套类型 18 Cyl. Surf 缸壁涂层 19 Cyl.-distance 汽缸孔距 mm 20 Cyl. B
16、lock height 汽缸高度 mm 21 Honing structure 珩磨方式 22 Piston cooling 活塞冷 却 内冷 23 Piston cooling oil flow活塞冷却油流量1/min 24 Top land height 火力岸高度 mm 25 Compression height 压缩高度 mm 26 Boss spacing 销孔间距 mm 27 Groove cover 环槽表面处理 28 Shape of groove 1st 第一环槽形状 29 1st groove height 第一环槽高度 mm 2.68 30 2nd groove heig
17、ht 第二环槽高度 mm 2 31 3rd groove height 第三环槽高度 mm 3 32 Bowlcover 燃烧室表面处理 33 Piston surface 活塞表面处理 34 Consur. of engine 发动机结构 35 1st applic. 应用范围一 36 2nd applic. 应用范围二 37 Combustion 燃料 柴油 38 Air charge 进气方式 TCI 39 Engine cooling 发动机冷却方式 水冷 40 Intercooler 增压气体冷却器 空 空 41 Injection 燃油喷射方式 直喷 42 Injection pr
18、essure 喷射压力 Mpa 100110 43 Injection angle 喷射角度 degree 142 44 Number of spray holes 喷孔数 5 45 Total displacement 总排量 dm3 7.26 46 Displacement/Cyl. 每缸排量 dm3 1.209 47 Spec.power output 升功率 kW 31.833 48 Stroke/conrod radio 冲程 /连杆比 49 Mean piston speed 活塞平均速度 m/s 50 Mean eff.press at max. torq 最大转矩时的平均压力
19、Mpa 51 Charge air pressure 进气增压 52 Charge air temp.before CAC 增压气体冷却前温度 53 In-/outlet oil temp.进 /出油温 95/105 54 In-/outlet water temp.进 /出水温 80/90 55 Support 销座 56 Pin outer diameter 活塞销外径 mm 57 Pin inner diameter 活塞销内径 mm 58 Pin length 活塞销长度 mm 59 Pin support 活塞销轴向定位方式 60 Pin boss 活塞销孔形状 三 . 活塞的选型
20、活塞设计应从发动机的强化指标、使用要求和加工 条件等方面综合考虑，首先制定出技术上和经济上最合理的活塞结构方案，然后再进行技术设计。活塞选型要点如下： 1 据单位活塞面积功率或平均有效压力，选择合适的活 塞结构，保证活塞能承受所规定的机械负荷和热负荷。 2 密度小以减轻活塞的重量和往复惯性力。 3 导热系数大，以降低活塞顶部的温度，改善活塞的受热情况。 4 线膨胀系数小，以减小活塞的热变形，从而是热车不拉缸，冷 车不敲缸。 5 在高温 下能保持良好的机械性能。 6 具有良好的减摩性能，以减小摩擦损失且具有足够的热稳定性及耐磨性。 7 易于铸造或模压，易于加 工。 8 具有较好的耐腐蚀性。 本设计要求的活塞是高速、内冷柴油机活塞，要求质量小，经济成本低，首选铝合金活塞。整体铝活塞的各处壁厚均较大 (材料强度低 )，但由于铝合金的密度小，其质量比铸铁活塞轻，这对发动机的高速是有利的。同时由于铝合金的导热率高，对于水冷四冲程发动机可以在内壁喷油冷却的情况下保持良好的温度。但由于铝合金的线膨胀系数大，可能会破坏配缸间隙和增加摩擦损。 表 3-1 铝合金活塞材料主要性能对比
