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1、F E A T U R E S 汽车工艺与材料 AT&M 5 专 题报道 2008年第1期近年来由于环保的要求越来越 严格，不仅对汽车排放有害气体及 微粒的要求越来越高，而且对CO 2 的排放也提出了相应的要求。汽车 发动机在开发新技术的同时，也正 在推进减重、减摩技术的实用化， 与此同时控制噪声、振动的要求也 日益严格，这种趋势今后将更加强 化。本文从材料、形状、表面处理 等角度出发介绍车用柴油机、汽油 机的关键零部件活塞及其减摩、降 低振动和噪声技术的现状以及今后 的发展趋势。 1 活塞所要求的性能减轻曲轴、活塞、连杆等运动 件的质量，从减少摩擦的角度来看 观点是非常重要的。发动机往复质
2、量（包括活塞、活塞环、活塞销及 连杆小头的质量）的降低可直接导 致往复惯性力的降低，同时减轻了 曲轴、连杆的负荷，而进一步的效 果会发生连锁反应，对减轻发动机 的整体质量和缩小体积以及减少发 动机整机的摩擦损失都有很好的效 果。据相关文献介绍，活塞、活塞 环的摩擦损失占发动机整体摩擦的 40%50%，所以降低这些零部件的 摩擦损失对降低燃油消耗很重要。 此外，由于高功率发动机提高了爆 发压力、惯性力和热负荷，还要求 活塞具备避免发生疲劳破坏、烧 损、咬死的高可靠性。 2 活塞结构在气缸内的活塞暴露在高温、 高压的燃烧气体中做高速的往复运 动，要求其具有充分的承受交变爆 发压力的强度和高耐磨性，
3、且质量 要轻。(1) 汽油机活塞欧洲公司典型的汽油机活塞的K 值（将活塞的质量除以活塞直径的 三次方的表征比重）见图1。从图1 中可看出，在开发汽油发动机新机 型时应积极地推进活塞减重技术。活塞的压缩高度与活塞质量的 关系很大，减少活塞的压缩高度， 活塞的质量便可以得到减轻。在一 般情况下活塞压缩高度以上部分的 质量要占活塞总质量的80%之多。 降低顶环高度、优化二环和油环的 环岸高度、减小活塞销直径是传统 的减轻质量的措施。随着顶环岸高 度的上移，活塞环远离水套，活塞 的热量不易被散出，这样顶岸环槽 的温度上升，易使机油焦结，导致 顶环卡死，因此气缸体结构设计时 应采用开式顶面结构。另外，对
4、环 槽表面进行阳极氧化处理，这种处 理除防止活塞环槽结焦外，对防止 活塞顶面热开裂也很有好处，顶环 岸高度与活塞直径的比值一般为5% 左右。为了进一步减轻活塞的质量， 近年来欧美的一些活塞设计公司， 除了采取以上措施外，还在活塞的 结构上作出了如下创新设计。a.采用推力侧与反推力侧非对称 的设计。由于活塞在气缸内上下运 动的过程中，推力侧受力大于反推 力侧，因此在设计活塞的过程中， 便可以将反推力侧的面积设计的小 一些，从而达到降重的目的。b.优化活塞销形状，减少活塞销 长度，改变活塞销座为楔形形状， 从而使活塞销座的总长度最短。c.对于活塞销座上面部分，优化 其壁厚，以达到减轻质量的目的。典
5、型的降重活塞与传统设计的 活塞对比见图2。以某发动机活塞降重改进设计为 例，经过减轻质量设计，一款活塞压 缩高度为30.3 mm，缸径为84 mm的 传统结构的活塞，经改进设计后活塞 压缩高度降为27.9 mm，采用降重结 构活塞其质量从原来的的300 g降到 280 g，而总体的往复质量也由541 g 降到479 g，降低约11%。不同结构 的活塞降重效果比较见图3。活塞裙部在活塞往复运动时起 汽车发动机活塞设计的现状及发展趋势 中国第一汽车集团公司技术中心 李 鹏 图1 汽油机活塞的K值及质量发展趋势汽车工艺与材料 AT&M 2008年第1期 6 F E A T U R E S 专 题报道
6、 导向作用，裙部的长度和刚度是根 据活塞销以上部分的质量等因素来 决定的，故降低活塞的压缩高度， 短裙活塞已经成为活塞设计的主 流。短裙活塞除了具有质量轻的优 点外，由于裙部的面积小而具有良 好的减摩效果。但由于短裙活塞的 稳定性差，造成活塞在发动机上止 点附近做换向运动时的敲击变大， 从而引起噪声变大，为了将这种敲 击降至最低，要对活塞裙部型线和 裙部刚度的分配进行细致的优化。 而这种优化仅仅建立在设计经验的 基础上还往往不够，今年AVL公司 和RICARDO公司开发了专门的分析 软件用来优化活塞的裙部和刚度分 布，以达到最佳的设计效果。AVL公 司专业软件GLIDE的计算模型及部 分分析结
7、果见图4。另一方面，随着接触表面的比 压增大，活塞拉缸的倾向变大，以 往镀锡的方式已经不能满足防止初 期拉缸的设计要求，为了达到减摩 及抗拉缸目的，裙部表面处理以喷 涂石墨及二硫化钼等固体润滑材料 为主。几种常用的润滑材料及其相 关参数见表1。（2）轿车柴油机活塞车用柴油机的气缸爆发压力比 汽油机高的多，其结构与汽油机有 很大的不同。由于工况和燃烧系统 的差异导致了柴油机活塞在设计的 过程中考虑的重点与汽油机有所不 同。有关轿车柴油机与汽油机的相 关主要参数的比较见表2。从表2可以看出，柴油机由于负 荷及工况的要求，结构尺寸和质量 都比汽油机大得多。随着柴油机的 爆发压力越来越大，结构要求越来
8、 越紧凑，柴油机活塞从结构设计和 材料上都有新的发展。在过去十年 中，轿车柴油机升功率由30 kW/L发 展到现在的60 kW/L，气缸的爆发压 力由13 MPa发展到18 MPa。在这种 条件下，轿车柴油机活塞的一切设 计都是围绕着降低活塞销座应力， 降低活塞温度，特别是燃烧室喉口 及一环槽温度，加强活塞冷却等方 面进行。因此，对于轿车用柴油机 来讲有以下发展趋势。a.由于爆发压力的增加，活塞 销座处的应力也随之提高，而活塞 销座开裂是活塞的重要失效形式之 一，为降低活塞销座处的应力，活 塞销座采用楔形结构和阶梯形结 构。为了进一步保证销孔的安全， 销孔中加衬套的设计实例在逐年增 加。而活塞
9、的异形销孔也由以前的 单边异形销孔演变为双边异形销 孔。b.活塞的冷却已经由冷却活塞内 腔发展到内冷油道，最新的进展是 为了达到更好的冷却效果而开发出 波浪型的内冷油道。也有个别设计 图2 典型的降重活塞与传统设计的活塞对比 图3 不同结构的活塞降重效果比较 图4 活塞运动的CAE动态模拟 表1 固体润滑材料的种类 种类 分子式 颜色 密度/gcm -3 摩擦因数 使用温度极限/ 二硫化钼 MoS 2 灰 4.8 0.04 400 石墨 C 黑 2.232.25 0.06 550 聚四氟乙烯 PTFE 无色 2.2 0.04 260 表2 四冲程轿车用柴油机与汽油机的主要参数比较 参数 汽油机
10、 柴油机 气缸直径D/mm 65105 6595 总高/气缸直径(GL/D) 0.60.7 0.800.95 压缩高度/气缸直径(KH/D) 0.300.45 0.50.6 活塞销孔直径/气缸直径(BO/D) 0.200.26 0.320.40 火力岸高度F/mm 284 15 一环及油环高度/气缸直径(Dt/D) 0.0400.055 0.050.09 活塞裙部长度/气缸直径(SL/D) 0.40.5 0.500.65 K系数（G/D 3 ）/gcm -3 0.40.5 0.500.65F E A T U R E S 汽车工艺与材料 AT&M 7 专 题报道 2008年第1期 实例，即为了加
11、强对活塞一环槽的 冷却，将活塞环槽的耐磨镶圈与冷 却油道设计成一体，极大地降低了 活塞一环槽和活塞顶面的温度。c.为解决燃烧室喉口因爆发压力 及火焰的冲刷而产生的开裂，燃烧 室喉口采用陶瓷镶圈设计实例已经 出现。另外，活塞顶面进行阳极氧 化而在销孔方向保留相应的面积不 氧化，从而产生拉应力，用来抵消 一部分因爆发压力产生的压应力， 降低燃烧室喉口的应力幅，从而达 到避免燃烧室开裂的目的，也是一 项重要的设计措施之一。图5是一个 典型的轿车柴油机的设计实例。（3）重型车用柴油机活塞随着道路的发展，重型柴油机 的功率、扭矩不断提高，爆发压力 已经从过去的14 MPa发展到了20 MPa以上。为了适
12、应高爆发压力， 除了采取与轿车柴油机相同的加强 强度及冷却的措施外，钢顶铝裙的 铰接活塞和整体锻钢活塞便成为高 功率重型柴油机的重要选择。整体 锻钢活塞具有冷却性好、强度高、 配缸间隙小等铝活塞不具备的优 点，最重要的一点是它能满足高爆 发压力及高可靠性(100万km)的要 求。北美市场重型柴油机的活塞设 计方案随爆发压力和年份的变化见 图6，不同排放要求及爆发压力及活 塞设计趋势的变化见图7。从图6中 可以看出，随着爆发压力的不断提 高，整体锻钢活塞将是重型车用柴 油机的首选。就锻钢活塞而言，MAHLE和 F-M公司分别申请了相应的设计专 利，MAHLE公司采取整体锻造结 构，具体结构见图8
13、。而F-M公司的锻钢活塞采用分体 焊接形式，用摩擦焊接的方式将活 塞头部和裙部焊接起来，内部形成 内冷油腔。最近的报道表明F-M公司 已经改进了工艺，采用激光焊接的 方法，进一步优化了结构。F-M公司 锻钢活塞的结构见图9。 目前，我公司新开发的 CA6DL-35系列发动机，采用 MAHLE公司生产的整体锻钢活塞。 经试验表明，整机振动、可靠性等 指标均优于铝活塞。 图5 典型的轿车柴油机活塞 图6 北美市场重型柴油机活塞的设计方案随爆发压力和年份的变化 图7 不同排放要求的爆发压力及活塞设计的变化趋势 图9 F-M公司的整体锻钢式活塞 图8 MAHLE 公司的整体锻钢活塞汽车工艺与材料 AT
14、&M 2008年第1期 8 F E A T U R E S 专 题报道 3 活塞的材料及热处理随着发动机的强化和整机轻量 化的要求，对活塞材料的高温疲劳 强度和导热性能的要求也有了进一 部的提高。各活塞专业公司积极 地研发新型的活塞用硅铝合金， 下面以MAHLE公司为例简要地介 绍活塞材料的发展。为了满足高 爆发压力的要求，MAHLE公司在 MAHLE142材料的基础上最新开发 了MAHLE145和MAHLE174材料， 与MAHLE142相比，后两种材料在 力学性能和高温力学性能方面有一 定的提高，为目前铝活塞中最高的 材料牌号。MAHLE145由于拥有出 色的耐磨性能，一般应用于高速强 化
15、的汽油机，而MAHLE174由于其 高的力学性能而应用于高强化的柴 油机，这3种材料的成分及相关性能 对比见表3。另外，目前利用陶瓷纤维增强 原理而发展起来的铝基复合材料在 高强化的发动机上也屡有应用。整 体锻钢活塞的材料有36MnVS非调质 钢和42CrMo4调质钢2种，36MnVS 非调质钢材料的应用逐渐增多。 4 未来发展方向汽车发动机的未来发展方向是 高动力输出和低燃油耗，因此活塞 在保持其高可靠性的同时要求其更 轻、摩擦损失更低。对于汽油机活 塞而言，采用超短裙的锻造铝活塞 是未来的发展方向和目标，图10为 超短裙的锻造铝活塞。对于轿车用 表3 MAHLE公司高牌号铝活塞材料的主要性
16、能 材料化学成分/% M142 M145 M174 Si 1113 1446 1114 Cu 2.54.0 2.54.0 4.06.0 Mg 0.51.2 0.51.2 0.51.2 Ni 1.753.0 1.753.0 1.753.0 Fe 0.7max 0.7max 0.7max Mn 0.3max 0.3max 0.3max Ti 0.2max 0.2max 0.2max Zn 0.3max 0.3max 0.3max Cr，Pb，Sn，Ca 微量 Al 其余 硬度（T5人工时效后）HBS 100150 100150 100150 硬度（T7热稳定型处理后）HBS 100150 100150 100150 抗拉强度（T5人工时效后）/Nmm -2 190 200 120 抗拉强度（T7热稳定型处理后）/Nmm -2 200 215 230 图10 轿车用超短裙锻造铝活塞 柴油发动机，使用铝基复合材料能 很好地适应未来轿车柴油机的高爆 发压力、高耐磨的设计要
