柴油机活塞结构与设计yc

Hardness 100%
+23% +29%
Ceramic fiber reforcement piston
Material-BH135 gravity casting Low pressure casting Squeeze casting
Tensile strength (RT) 100%
+4.9% +8.3%
设计与分析
温度测量
6 活塞温度测量
测量位置 顶部 一槽 二槽
温度测量!!重要
喉口 内腔顶
内冷油腔 销孔
BH H S
谢谢
BH135材料 低压铸造复合材料 挤压铸造复合材料
整体式铝活塞燃烧室强化技术
硬氧处理
燃烧室喉口（及底部） 陶瓷纤维强化
燃烧室重熔技术
CMR技术
活塞的结构类型
3 关键部位结构与设计
•活塞销孔
承载能力及提高措施
• 销孔比压计算：
非精确计算，未考虑惯性力 的影响。
销孔比压计算：F-峰值压力， A-活塞顶面积
• 双槽
背面
超声波探伤
粘结失效
耐久性
柴油机：
铝活塞：镶环设计 氧化 钢活塞：环槽侧面激光/感应淬火 大直径钢活塞：渗（碳）氮处理、镀铬处理、激光/感应淬火
汽油机： 阳极氧化 镶环设计
环槽耐磨性
• 钢活塞，可考虑激光淬火
下侧面淬火区域
上下侧面淬火区域
微焊（铝环槽氧化）
性能（机油耗、漏气量、排放）
活塞环
环槽下侧面
机油或气通过
活塞的结构类型
3 关键部位结构与设计
•活塞外圆
外圆结构及设计
一、活塞外圆的功用
•导向作用
活塞工作过程中，不但上下往复运动，同时进行着复 杂的横向运动，靠活塞裙部起稳定导向作用。
•承受侧向推力
活塞工作过程中，由于曲柄连杆的旋转运动，使活塞裙 部承受着交变的侧向推力。
•传递部分热量
挠度
位置°
环槽宽度变化
环岸变形
膨胀量
• 0.66mm at top of piston • 0.51mm at top of 2nd land •0.40 mm at bottom of 2nd land
（运行状态下环岸间隙设计依据）
Ni-Resist 镶圈
Alfin 渗铝层
上面 下面
镶圈:
• 单槽
抗拉强度(350℃) 100%
+27% +41%
线膨胀系数对比
线膨胀系数/10-6/℃
22
21
20.07
20
21.16
21.67
21.70
19
18.88
18.99
18.29
18 17.53
17
17.50
18.06
18.25
16.69
16
20-100℃ 20-200℃ 20-300℃ 20-350℃
Low pressure casting
500×
squeezing
500×
纤维
硬度/HBW
160
150
146
140
142
130
120
115
110
148 139 114
146 141
114
147 141
114
BH135材料 低压铸造复合材料 挤压铸造复合材料
100
1#
2#
3#
均值
Material-BH135 gravity casting Low pressure casting Squeeze casting
• 4.耐久
– 磨损 – 穴蚀
• 结构性问题
– 裂纹 – 破碎
• பைடு நூலகம்靠性问题
– 拉伤 – 粘着
• 耐久性问题
– 磨损 – 穴蚀
活塞关键影响部位
温度 环与槽间隙
外圆形状与 间隙
间隙与形状
外圆精度
活塞关键影响部位
燃烧室形状 设计与加工精度
环岸形状与 间隙
油孔 泄油通道
活塞的结构类型
3 关键部位结构与设计
活塞结构
镶环+内冷+ 铜套+燃烧室强化
镶环+内冷
活塞的结构类型
柴油机铝活塞
汽油机铝活塞
铰接式活塞
组合活塞
镶环内冷一体铝活塞
铸铁活塞(FCD)
锻钢活塞
活塞的结构类型
2 活塞功能及常见失效
活塞设计考虑
• 1.结构性
– 裂纹 – 破碎
• 2.可靠性
– 拉伤 – 粘着
• 3.性能
– 漏气量 – 机油耗 – 摩擦功 – 排放
铝活塞
镶圈式铝活塞
铸铁活塞
内冷油腔式铝活塞 复合材料铝活塞
锻钢活塞 钢顶铝裙组合活塞 钢顶钢裙组合活塞
镶钢片式铝活塞 镶钢筒式铝活塞 隔热槽式铝活塞 单环槽镶圈式铝活塞
双环槽镶圈式铝活塞 整体铸造式内冷油腔铝活塞 电子束焊接式内冷油腔铝活塞 镶筒管式内冷油腔铝活塞
柴油机活塞发展趋势
爆发压力
整体锻钢
燃烧室形状 设计与加工精度
环岸形状与 间隙
油孔 泄油通道
机油耗、漏气量
一环槽下侧倒角
第二环岸形状 一环槽
增大漏气通道面积
二环槽
机 第二环岸采用以上泄压槽设计，使 油 一二环间气压降低，利于一环运行 耗
平稳，同时增大了机油储油容积， 使机油耗、漏气量同时减小
漏气量
活塞二环岸增加泄压槽结果对比
槽侧加工精度
活塞头部接收的热量，约6%通过裙部向外传递。
二、活塞外圆的设计要求
•可靠性高—避免拉缸 •结构强度高—防止开裂 •低噪声—运行平稳 •低摩擦损失—贴合良好，润滑充分，
防止拉缸——
• 合理确定活塞与缸套的间隙（根据相对膨胀量） • 考虑缸套变形
• 避免局部产生大的接触压力） – 裙部刚度 – 裙部型面 • 纵向型线（轴向的） • 横向型线（圆周的）
销孔偏移对敲击动能的影响对比
4 活塞材质
材料分类
铝硅合金材料 BH122A BH135
BH135+
高强度球墨铸铁： QT700-2或QT600-3
锻钢： 42CrMoA or 38MnVS6
81
热疲劳强度 （低周)
性能对比
BH135+
提高Cu、Ni 增加 Zr、V、Ti
BH135
BH122A
3 关键部位结构与设计
•活塞环槽
关键部位结构及设计 活塞环槽与环
一、作用
密封 导热 控油 支撑
二、活塞环槽、环岸（与活塞环）设计要求及目标
可靠性—避免干涉，防止环岸断裂及环卡滞 耐久性—提高耐磨性，防止微焊出现 低漏气量、低机油耗、低排放
活塞变形
环槽与环间隙设计考虑变形的影响
环槽变形（热+机）
Bowl base
mm
Bowl rim
销孔设计应考虑的因素
1.要兼顾对燃烧室的影响（1/2减压腔设计-折中设计） 2.考虑活塞与活塞销的变形 3.与活塞销合理的配合间隙 4.注意压缩高的影响
承载能力与压缩高
镶铜套
异型孔 圆柱孔
销孔表面改善-钢活塞
磷化层
Figure B
石墨层
基
填
体
料
活塞的结构类型
活塞二阶运动
• 导致穴蚀原因 – 活塞与缸套撞击 – 水套间隙 – 冷却液中的添加剂
活塞横向运动
侧向力
-1.5
-1
TS
kinetic energy of piston[N.mm]
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-0.5
0
0.5
1
1.5
Pin Offset[mm]
ATS
kinetic energy of piston
柴油机活塞结构与设计
20150312
主要内容
1 活塞的结构类型 2 活塞功能及常见失效
3 关键部位结构及设计-燃烧室/销孔/环槽/外圆 4 活塞材质 5 活塞表面处理技术 6 活塞温度测量
活塞的结构类型
1 活塞的结构类型
1、整体式活塞
2、组合式活塞 3、铰接式活塞
活塞的结构类型
普通铝活塞 可控膨胀式铝活塞
圆形
减压腔
圆柱孔
内侧曲线
销孔内侧
• Bowl hoop stress（pin bore plane）
Bowl base
Bowl rim
Banana+oval与banana比较，bowl rim部位hoop stress增加1.2MPa.
• Bowl hoop stress（thrust plane）
Specimen: Ring Φ120/90X8mm Taken from bowl rim area
Tensile stress
Crack initiation
Tensile stress
23
Bowl rim test result BH135+
CMR与Standard 拉伸试验曲线
CMR： 3 4 7 8 Standard： 1 2 5 6
Rim remelting tech. X200
CMR tech. X200
26
燃烧室喉口强化技术-纤维强化技术
挤压铸造（大于 50MPa） 压力铸造（5MPa左 右）
纤维增强活塞
130P 压力铸造机
挤压铸造机>300 ton
Ceramic fiber microstructure under pressure casting
•销孔承载能力
影响因素：①材料②销孔/销外形/销变形③销座处温度④缸径⑤压缩高/缸径值
接触情况
活塞 销
ConRod
•优化措施
销座形状优化--增大承载面积
•斜销座 •圆弧形销座 •阶梯形销座 •连杆小头定位（销座内挡定位）
•不同销孔形状类型
圆柱形销孔 镶铜套销孔
卸荷腔销孔 椭圆形销孔
单曲线销孔 双曲线销孔
纤维增强活塞
350℃抗拉强度/MPa
140
130
121.40
126.30
123.70
123.80
120
110 100
113.65
108.16
111.71
111.17
BH135材料
90
86.83
85.77
90.40
87.67
低压铸造复合材料 挤压铸造复合材料
80
70
60
1#
2#
3#
均值
BH135 重力铸造 低压铸造纤维增强 挤压铸造纤维增强
standard（100X）
CMR（100X）
燃烧室喉口部位抗拉强 度，CMR比standard平均 提升10.8% 。
24
燃烧室喉口强化技术-重熔技术 •燃烧室重熔技术--疲劳寿命成倍提高
重熔
重熔前
重熔后
重熔& CMR
metallographic phase comparison between remelting and CMR(Combustion bowl Microstructure Refinement) technology
•燃烧室
喉口（销孔方向） - 机械强度
喉口（推力方向） - 热强度
孔轴线
热应力–活塞由热到冷 热活塞
（压应力下产生塑性变形
冷活塞
推力轴方向因拉应力而产生裂 缝，一般活塞不会裂开。
热裂纹
喉口电涡流探伤检测
1.铸造缺陷（氧化物、夹渣、缩孔 难以避免 2.重点控制销孔上方区域。
燃烧室喉口强化技术-顶面氧化
目的：燃烧室喉口热疲劳
燃烧室喉口强化技术-CMR技术
PLC冷却控制系统
21
CMR技术金相结果对比
距离燃烧室喉口2mm的金相 The microstructure 2mm away from bowl rim （100X）
CMR活塞 CMR piston
22
普通活塞 Normal piston
喉口力学测试 Bowl rim test set up
• 纵向形线 --考虑到活塞裙部的受热变形及实现流体动力润 滑，裙部纵向形线一般设计为中凸形线。 --关注第二环岸的间隙及形状。
裙部纵向形状
• 横向椭圆 合理的接触区域：
NO&DO
优化裙部接触压力
裙上部纵向 形线收缩量不 足
裙部横向椭 圆度偏小
优化裙部横向运动
二阶运动主要影响因素：
销孔偏移 质心位置 纵向形线 配缸间隙 曲柄连杆比
机械疲劳强度 （高周)
82
对活塞材料的要求：
•密度小 •热膨胀系数低 •高耐磨性 •强度高，特别是高温强度 •优良的热传导性 •铸造及加工工艺性好。
关键：组织致密、金相细化
活塞表面处理技术 5 活塞表面处理技术
镀锡
印刷MoS2
印刷石墨
局部硬氧
Mn-P+石墨处理
印刷Fe（或石墨 +Fe）
•各种表面处理的不同作用