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1、中北大学2010届毕业设计说明书1 绪论1.1 柴油机的优势活塞是汽车发动机的“心脏”，只有活塞高效可靠的工作，才能使活塞式内燃机具有旺盛的生命力1。在环境保护和能源危机呼声越来越高的今天，汽车柴油化成了不可抗拒的历史潮流。在欧洲能源危机相对严重的国家，“汽改柴”已经取得了很大进展。在欧洲国家，轿车已有40使用柴油发动机，客车中有80使用柴油发动机，载货车则100使用柴油发动机。尽管柴油机比汽油机的功率密度(发动机单位重量的功率)小，但它的油耗低、耐久性好,但根据行驶工况，有时柴油机的油耗只有汽油机的60左右，另一方面，柴油机的寿命也在直线上升。所以，柴油机在国民经济和国防上得到了最为广泛的应
2、用。活塞是柴油机燃烧室中的重要零件，它所处的工作条件相当严酷。活塞受燃气周期性的加热作用，燃气的最高瞬时温度一般都高达16002500，燃气平均温度也高达7001000左右2、3。高温、高负荷、高运动速度、润滑不良、和冷却困难等，使其成为发动机中故障较多的零件之一。活塞不仅与整机的性能、排放指标和经济性密切相关，同时还制约着可靠性。活塞在工作过程中直接与高温高压燃气接触，承受着较高的热负荷，并在润滑条件较差的缸套内进行高速往复运动，由热负荷和运转工况频繁变化引起的活塞热疲劳是影响柴油机可靠性的主要因素。这就给设计发动机活塞的人员提出这样一个课题，即如何在提高发动机性能的前提下，提高活塞工作的可
3、靠性和耐久性。随着环境污染的日益严重，对作为重灾区的传统发动机的环境要求也越来越高，我们国家也会在最近实行欧标准，对发动机的环保要求越来越高，表1-1为排放标准。表1-1 欧及欧车用柴油机排放指表 g/(kwb) COHCNOPM欧4.01.17.00.15欧2.10.665.00.10试验表明，摩擦焊接锻钢活塞较铝合金活塞有效的降低了发动机的漏气量、机油耗，提高了发动机的可靠性，可成功的应用于中重型柴油发动机。与整体锻钢活塞相比，摩擦焊接锻钢活塞在降低漏气量等方面也有着显著的效果。1.2 内燃机行业现状内燃机行业是一个技术密集型的行业，虽然其自身存在噪音大、污染严重的缺陷，但是由于其热效率高
4、、动力性优、功率范围宽广、可靠耐久等优点，已经被广泛用于工业、农业、交通运输业和国防建设事业。内燃机的不断发展，从根本上来说，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进提高的基础上的2。活塞为内燃机的心脏零件，也随着内燃机的发展而发展。建国以来，经过半个世纪的发展，在我国建立了一个比较完整的内燃机工业体系。基本上满足了当时国民经济各部门配套需要。改革开放后，内燃机行业根据国民经济发展要求，不断对产品结构和企业结构进行调整。通过自行研制开发和引进国外先进技术，发展了一大批新产品，特别是在国家出台有关排放法规和节能要求后，通过各种途径先后开发出一批满足欧、欧、欧工的发动机。现在，全国内燃机行业(包括主机
5、及配件)约有1000家左右，其中生产主机近200家，配附件约700家。据中国内燃机工业协会对2004年不完全统计：2004年全国共生产内燃机约3837万台、6.65亿千瓦；销售约3789万台、6.53亿千瓦。工业总产值1346.5亿元。2004年我国内燃机生产总量中，柴油机1118万台，3.18亿千瓦3。基本满足了当年国内生产的各种汽车、工程建设机械等国民经济各个部门的需求，同时也满足了大量在用机械的维修服务需求，还有一定数量产品出口。“十一五”期间是内燃机行业在新产品和新技术开发方面取得最好的时期之一。新产品开发主要集中在为汽车、工程机械、船舶、铁路机车配套的节能、节材、低污染的可靠性好的产
6、品。柴油机通过增压中冷技术、燃油喷射系统的优化、工作过程优化来满足欧要求，有的还采用电控高压共轨燃油喷射系统、废气再循环(EGR)技术、多气门技术、可变涡轮增压(VNT)技术，为满足欧工排放标准及进一步产品升级做好准备。为农机配套内燃机基本上都是柴油机，为满足非道路用内燃机排放标准，在优化内燃机进气、喷射、燃烧系统方面做了大量工扮作，并在减重、降噪方面都对原有产品进行了改进提高。但是，由于我国国民经济尚处于转型阶段，制约内燃机行业发展的一些结构性矛盾和问题尚未解决。从行业整体来看，内燃机行业的产品结构、企业组织结构、工艺装备水平、经营管理水平、企业的创新开发能力和人员素质等都存在不同的差距和问
7、题。自主开发能力薄弱，创新能力不足，高新技术仍然依靠国外，特别是内燃机配件行业，很多企业都没有自己的技术开发能力，只能进行简单的来图加工，竞争力薄弱。1.3 中重型柴油机的技术要求由于环境污染日益严重，能源危机愈演愈烈，因此为了节省能源、降低排放，国家制定了严格的排放法规，以便与国际接轨。随着排放法规日益严格要求，汽车用内燃机主要集中在开发能满足欧、欧工排放标准的内燃机;这就对内燃机的设计开发提出了更高的要求，特别是对中重型柴油内燃机，因为中重型柴油机在国民经济发展中占有非常重要的地位。降低内燃机排放，提高其燃油经济性和可靠性成为目前内燃机工作者的当务之急4。对中重型柴油机设计的具体技术要求：
8、l)具有更高的喷射压力，以优化燃烧2)废气再循环(EGR)系统3)降低排放4)燃烧系统的进一步优化5)升功率的进一步提高6)寿命提高：100万公里7)更长的大修期：10万公里1.4 柴油机活塞的发展方向现在，柴油机通过增压中冷技术、工作过程优化、高压共轨燃油喷射系统、废气再循环(EGR)技术、多气门技术、可变涡轮增压(VNT)技术等来满足不断严格的排放标准，由于以上技术的应用，活塞作为发动机的的核心部件承受了更高的热负荷和机械负荷，因此对活的结构及材料的要求更加严格。但是，目前柴油机主要使用的是由铝硅合金制造的铝制活塞，由于铝合金作为有色轻金属材料，虽然具有重量轻等特点，但是铝合金材料只能在3
9、50下稳定的工作，并且由于铝活塞大多使用重力铸造的工艺生产，造成缺陷率较高，虽然现在采用多种强化措施，如：第一环槽镶高镍奥氏体环座，以提高环槽抗磨损能力，燃烧室喉口镶陶瓷复合材料以提高燃烧室抗热裂能力，但是铝活塞仍然难以满足欧、欧标准的发动机要求。鉴于此，许多公司在多年前己纷纷投入活塞的基础性研究工作，试图寻找一种性能更高、工作更稳定、生产过程更为环保、废气排放更低、可靠性更高的可替代产品。目前主要选用钢铁材料，钢铁材料由于其具有高的热力学性能和优良抗磨损性能以及好的热加工和机械加工工艺性，成为进一步提高活塞性能的首选材料。特别是锻钢活塞材料的开发代表了当前活塞发展的最新方向。锻钢材料活塞作为
10、一种全新材料的活塞，在活塞的设计、制造方面都有别于铝合金活塞，目前，我国还不能批量生产锻钢活塞，也没有锻钢活塞的设计标准，所以研发具有我国自主知识产权的锻钢活塞变得越来越重要。1.5 活塞材料的发展历史与现状活塞作为内燃机重要零件之一，从其开发之日起人们就非常重视。早期活塞材料主要是以灰铸铁为主。铸铁活塞有较高的抗拉强度和耐磨性，热膨胀系数小，且价格便宜，但密度大，导热性差5。1903年内燃机开始试用铝活塞，1921年“Y合金”(含4%Cu、1.5%Mg、2%Ni，其余Al)作为正式的耐热铝合金问世。“Y合金”以其高耐热性、较好的铸造和锻造性能而作为典型的活塞用铝合金盛行于世。1924年德国K
11、S公司研制成功膨胀系数低于“Y合金”的AlSi系活塞合金，即最早的KS245合金，并发现该合金中过共晶的组分，因而为研制活塞用过共晶A1Si系合金奠定了基础。由于共晶AlSi合金具有热膨胀系数小、高温强度高、体积稳定性好、耐磨性好、工艺性能好、成本较低等优点，因此在活塞材料中逐步占据统治地位，但是，由于铝合金材料高温强度低的弱点使它不能适应强化指标peCm值很高的发动机，因此整体铸铁活塞或钢顶铝裙的组合活塞在这些发动机中还有应用，在组合活塞的活塞顶和铝裙之间有冷却油腔。组合活塞的活塞顶可采用耐热钢或球墨铸铁以解决活塞的机械负荷和热负荷问题，活塞裙部仍采用铝合金，两部分用机械方法(如螺钉连接等)
12、装配成一体。一般组合活塞的质量约为整体铝合金活塞的1.11.3倍，且成本也较普通铝合金活塞高。目前，国外许多知名的活塞生产公司把钢质材料作为活塞材料研究开展得较早且深入，并且申请了多项专利，且有多种锻钢活塞进行了批量生产。但是，在中重型柴油机上锻钢活塞的应用也是在近年才开展的。1.6 钢制活塞与铝合金活塞的比较钢质活塞材料与传统铝质活塞材料的比较首先，钢质材料具有比铝质材料更高的机械强度：根据国家标准GB11731986，铸造铝合金各种合金状态的抗拉强度在133MPa到437MPa之间，大部分在 150MPa到250MPa之间；而普通的合金结构钢各种热处理状态的抗拉强度绝大部分在780MPa以
13、上，有的可高达2200MPa以上。由于铁的熔点较高，以铁元素为主的各种钢铁材料的高温力学性能也明显比铝合金材料要好得多。再者，钢质材料具有比铝合金更小的热膨胀系数，可以使活塞和气缸间隙做得更小。纯铝的热膨胀系数为 22.410/K，而纯铁的热膨胀系数仅为1110/K；传统活塞用铝合金ZL109的热膨胀系数为19.510/K到2110/K，而普通合金结构钢的热膨胀系数一般1310/K到1510/K之间。还有，钢质材料具有更好的耐磨性能，用来制造发动机活塞可以获得更长的使用寿命。钢质材料经过适当的热处理和表面强化，可以获得极高的表面硬度和强度，比铝合金更耐磨损。例如42CrMo钢经860淬火，56
14、0回火后可获得220HBS以上的硬度,抗拉强度可达1080MPa。另外，钢质的种类繁多，可供选择的空间巨大。同时，钢质材料也具有自身的缺点：钢铁的密度偏大，导热性不及铝合金，加工也比较困难。但是通过合理的结构设计和选用适宜的刀具和加工工艺，以上缺点完全可克服。2 活塞结构设计所设计活塞的基本参数如下表2-1表2-1活塞基本参数活塞高度H110mm活塞直径D109mm压缩高度H177mm火力岸高度h110mm第一环岸高度c18mm第二环岸高度c24mm销孔直径d45mm销座间距B44mm气缸间隙0.05mm以上为我设计的活塞的基本尺寸，设计理由由下文一一列出。2.1 活塞的主要作用活塞是由活塞连
15、杆组(由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦)组成的，其主要功用是：1)与气缸盖、气缸壁组成的燃烧室承受燃气作用力并把它传递给连杆，连杆传来的侧压力也通过活塞传递给气缸壁。2)将活塞顶部接受的热量通过气缸壁传人冷却介质中。3)密封气缸以防燃气泄漏及润滑油窜入燃烧室。2.2 活塞的工作条件通常活塞是在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作的，活塞在工作中承受着很高的热负荷，热量通过对流、辐射等方式传到活塞顶6。活塞的温度在顶面中央及边缘最高，在中等尺寸的铁/钢活塞上达400450，铝合金活塞上则达到3003507(较小尺寸时)或400左右(较大尺寸时)，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大。目前，由于高压强化，柴油机的最高爆发力已达到1320MPa，有的甚至更高。同时，在高速内燃机中，工作循环的变化频率也很高，这样就使作用在活塞上的载荷具有冲击性。活塞在气缸里高速运动(816m/s)，还会产生很大的往复运动惯性力(最大值可等于活塞重力的几百倍甚至更高)。活塞在沿气缸作往复运动的过程中，还会在气缸内横向摆动。一般活塞横向摆动相当猛烈，会造成与气缸壁的撞击。活塞在这种恶劣的条件下工作，将产生变形并加速磨损，产生附加载荷和热应力。同时活塞还要
