1、内燃机与配件33发动机活塞销孔受力分析及改善邵亚松，孙俊花，马辉（瑞立美联制动技术（廊坊）有限公司，河北廊坊0 6 50 0 0）摘要：活塞是发动机中最重要的零部件之一，工作中要承受周期性热负荷和机械负荷冲击，活塞的工作状态直接决定着发动机的使用寿命，高温、高压的工作环境使承载最大机械应力的活塞销孔部位面临着更大的考验。随着发动机性能的日益提高，活塞所承受的燃气压力和惯性力不断增大，作为支撑部分的活塞销孔负荷显著增加，在最高燃烧压力下，活塞销轴和销孔都会发生弯曲变形，活塞销与活塞销孔之间的摩擦还产生着高温负荷。因此有必要对活塞销孔处进行有限元分析，通过改变销孔的几何结构来改善应力分布情况，降低
2、销孔内侧应力集中，提高活塞的承载能力。关键词：活塞销孔；应力分布；机械应力；有限元中图分类号：U464.133十.1Force Analysis and Improvement of Engine Piston Pin Hole(Ruili Meilian Air Management Systems(Langfang)Co:,Ltd.Langfang Hebei 065000,China)Abstract:Piston is one of the most important parts in the engine,working to withstand the impact of per
3、iodicthermal load and mechanical load,the working state of the piston directly determines the service life of the en-gine,the high temperature,high pressure working environment makes the maximum mechanical stress bearingpiston pin hole parts face a greater test.With the increasing performance of the
4、 engine,the gas pressure and in-ertia force borne by the piston are increasing.As a supporting part,the load of the piston pin hole increases sig-nificantly.Under the highest combustion pressure,the piston pin shaft and the pin hole will be bent and de-formed,and the friction between the piston pin
5、and the piston pin hole also produces high temperature load.Therefore,it is necessary to carry out finite element analysis on the pin hole of the piston,improve the stressdistribution by changing the geometric structure of the pin hole,reduce the stress concentration inside the pinhole,and improve t
6、he bearing capacity of the piston.Key words:Piston pin hole;Stress distribution;Mechanical stress;Finite element0概述这是一款1.5VVT的发动机活塞，随着汽车整车对发动机的动力性、经济型、环保型及可靠性的要求越来越严格，活塞材料已经采用高铜高镍的铝合金新型材料，为提高活塞的承载能力，以提高发动机的升功率，已经将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或者正应力曲面型（异型销孔)。因为这款发动机的爆压比较高，活塞结构又属于轻量化设计,所以活塞的工作温度也会偏高。受活塞的结构特点，活塞的最大应力
7、出现在活塞销座孔上内侧和活塞销接触部位，所以对活塞销孔部位的设计进行了重点分析和改善。1通过有限元计算分析得到的活塞关键点的温度：从活塞温度场的计算分布得出活塞顶燃烧室部位最高温度2 7 9，活塞第一环槽部位温度2 2 3，活塞销座部位2 30，销孔部位2 2 5，活塞裙部温度较低约为18 0 左右。对铝合金的活塞，如温度超过30 0，机械强度会急剧下降50%左右。从该活塞的温度场分布图可以看出：活塞顶部的温度最高为2 7 9，温度较高，仍能够保证活作者简介：邵亚松（198 7 一），男，河北廊坊人，学士学位，助理工程师，主要研究方向为汽车用空气压缩机的设计和开发。文献标识码：AShao Ya
8、-song,Sun Jun-hua,Ma Hui可值可适当放宽。活塞采用的是一种高铜高镍的铸造铝合金材料，其材料性能参数如表1所示。从表中可以看出材料的导热系数是随温度变化的，考虑到活塞的实际温度，取导热系数入=145W/mK),弹性模量E=81X10Pa，泊松比为0.3，热膨胀系数为2.0 510-5K-1密度p=2770kg/m。密度热导系数350线膨胀系数（1/K x 10-6）2 0 2 0 0：抗拉强度(2 0)硬度弹性模量文章编号：16 7 4-9 57 X(2023)16-0033-03塞顶的热负荷在合理范围内。第一道环槽的温度大约为223左右，接近第一环槽允许的上限，销座和销孔
9、部位温度也较高，基本上接近了许可的最高温度。需要说明的是，由于不同的发动机差别很大，考虑到车用发动机一般不会总是在满负荷下工作，各部位温度许表1材料性能参数201502502.77g/cm3129W/(mK)136 W/(mK)141 W/(mK)145W/(mK)20.5240N/mmHB 110-14081000 N/mm34需要说明的是，由于不同的发动机差别很大。对铝合金的活塞，在37 5达到材料的允许极限，如温度超过300，机械强度会急剧下降50%左右。2活塞销孔部位受力分析：从图表2 看出为缸内气体力最高爆发压力大约出现在上止点后10 A，该时刻最高爆发压力为9.0 7 MPa，缸内
10、气体力约为39 7 2 0 N，活塞的往复加速度为一2 18 15m/s,活塞侧向力约为18 50 N，计算得到活塞销孔支反力为35405N，活塞中心线夹角为3.0，各种力的施加见分析：5000040000300002000010000061121181241301361421481541601661-10000-20001)活塞顶气体力：在有限元模型中活塞顶的气体力以均布压强的形式施加9.0 7 MPa的压强，除了活塞顶的气体力外，在气环环槽处也存在气体压力，第一环槽气体压力可取为缸内压力的7 6%,第二环环槽的压力取为缸内压力的2 0%。2)活塞的往复惯性力：活塞的往复惯性力以加速度的形式
11、施加在活塞的有限元模型上。3)活塞的侧向力：活塞的侧向力是分布力，主要作用于活塞裙部，结合该活塞裙部结构特点和经验处理方法，可以认为活塞侧向力在径向以余弦函数分布，作用在主推侧活塞裙部范围（该活塞为6 8 角范围），在活塞轴向是均布的，活塞的侧向力同活塞顶的气体力相比数值很小，其误差对计算结果影响很小，大多情况下可以甚至可以忽略侧向力的影响。4)活塞销孔支反力：活塞销座部分是受力最严重的部分，一般认为作用在活塞销座内表面的支反力沿圆周方向分布在销孔中心12 0 角范围内，且呈余弦分布。由于工作时活塞销会在活塞销座作用下产生如图表3的变形，因此活塞销孔支反力沿销孔轴向均布的，一般可取为线性分布。
12、销的变形图3活塞销的变形说明：由于活塞销承受的是支反力，所以在活塞模型中也可以包含活塞销和连杆小头，这样只需把连杆固定即可，无需考虑销孔力的施加，本次采用了这样的施加方式。3对应的活塞销孔部位的结构设计：销孔改善前属于喇叭口设计，因为这款发农机的抱缸试验和冷热冲击试验条件比较苛刻，担心喇叭口的设计在过渡区域会有拉伤风险，所以重点对销孔结构进行了改2023年第16 期善，改善后属于型线孔设计；具体见图表4。18+1515.514+0.813101000+L000(10)活塞中心Pisfon0.003气体力往复惯性力活塞侧向力表2 活塞组受力计算结果活塞销连杆小头+000+8000Z000图4改善
13、前后销孔的设计图4改进前后销孔间隙对比改进前销孔(喇叭口）和改进后（型线孔)活塞的销孔外廓形状如图表5，改进前的销孔间隙明显小于改进后的活塞，这样活塞销在销孔位置变化时可能形成的间隙过小，吸入的润滑油不足，难以形成挤压油膜，会造成干摩擦的风险。活塞内档面活密销图5改进前后活塞销孔外廓形状放大图5销孔润滑的分析活塞销和销孔间的润滑的作用主要是靠挤压油膜，在做功冲程上止点是活塞销座孔上部和活塞销接触，销座座孔下部和活塞销间隙增加。做进气冲程上止点，活塞组在往复惯性力的作用下，活塞销座孔下部和活塞销接触，销座孔上部间隙增加。这样活塞销座孔和活塞销间隙的反复变化形成挤压油膜。6应力分布图6 是活塞原销
14、孔设计的销孔处应力分布，可见销孔处的应力分布不太均匀，销孔外沿附近的应力虽小，但销孔内侧应力比较大，不利于挤压油膜的生成，发动机在极限工作状态下（高温高压时)会造成该处销孔润滑不良，活Patran2010(MD Enabled)05-Jun-1215:52.391.75-008Fringe:pressure-stress.A1:StaticSnSOr.VOnMises.(NON-LAYERED)图6 原来销孔设计的应力分布改善后的销孔改善前的销孔1.63+008+0051.51+0081.40+0081.28+0081.17+0081.05+0089.82+0078.16+0077.00+00
15、75.83+0074.67+0073.51+0072.34+0071.18+0071.66+006default_Fringe:Max1.75+008Nd8918Min1.66+005Nd8663内燃机与配件塞销和销孔干摩擦后进而造成销孔拉伤的风险。图7 是表8 高铜高镍铝合金材料在不同温度下的疲劳强度销孔设计改善后的销孔应力分布。可见采用这种型线孔项目后销孔处的应力分布更加均匀，销孔外沿附近的应力明显下降，销孔外沿附近的应力下降约2 0%左右。活塞销和销座孔的接触压比分布更加均匀。Patran2010(MDEnabled)05-Jun-1215:51:06Finge pressure-str
16、ess.A1 Static Subcase,Stress Tensor,on Mises.(NON-LAYERED)7疲劳强度分析活塞工作时是在受最大压力工况和受最大拉力工况之间反复变化的，活塞销孔两侧部位表现为拉应力，在这样的工况变化下可能产生疲劳。以下对活塞销孔部位的疲劳强度进行分析。1、活塞在最大往复惯性力工况下的热机耦合应力前面计算的活塞在机械载荷下的结果都是活塞最危险工况下一一一一缸内最高爆压出现的工况。活塞在进气冲程上止点时刻活塞的往复惯性力出现最大值，此时缸内气体力和活塞侧向力都很小，可以忽略，活塞只受往复惯性力和活塞销孔支反力，此时活塞的最大加速度为一22300m/s。活塞销孔
17、下部和销孔两侧均表现出较大的拉应力，最大拉应力6 0 MPa左右，而在活塞最高爆发压力时耦合应力约为30 MPa。2、活塞销孔两侧、活塞顶和活塞环岸的疲劳强度分析活塞材料的抗拉强度和疲劳强度高温下大大下降，具体数值如图表8 所示。活塞进在最大受压工况和最大受拉工况间反复变化，这两种工况下活塞销孔下部和销孔两侧均表现出较大的拉应力，需要校核该处的疲劳强度。疲劳破坏一般采用第一主应力来分析，Goodman公式比较简单，一般又偏安全，在工程上常被采用。根据前述各部位在不同工况下的第一主应力的变化，可以得到应力的变化幅度o和平均应力om，然后根据Goodman疲劳寿命准则计算安全系数。35温度结论20
18、240150211抗拉强度(MPa)250350201.82+0081501.24+008疲劳强度（MPa)循环510 71.15+0081.06+0089.72+0078.84+0077.96+0077.07+0076.190075.31+0074.43+0073.55+0072.66+0071.78+0078.98+0061.61+005defauit_Finge:Max1.32+008Nd1081Min1.61+005Nd59349图7 改进后销孔型线设计的应力分布10555111.387.52505035030.8可以计算出销孔两侧的疲劳强度安全系数：最大应力70MPa，最小应力35M
19、Pa，应力幅度2 1MPa，平均应力38MPa,安全系数1.8 9。该处疲劳安全系数较高，不会存在断裂的风险。8小结本文在分析改善过程中是利用三维CAD设计软件UG建立的活塞三维模型,利用PATRAN软件进行的有限元网格划分，用GT一POWER分析计算发动机的缸内燃烧温度以及相关部位的换热系数，用NASTRAN软件计算活塞的温度场、热变形和热应力分析，活塞的受力计算机分布力的数值积分用Excell十Origin软件，活塞销座部位的疲劳强度分析用的NASTRAN。采用了活塞型线孔的设计方案，针对改进设计方案进行了有限元分析，对活塞的受力以及活塞销孔两侧疲劳强度分析，结果表明销孔的型线结构设计能和
20、活塞销与销孔两者之间的变形相对应，使的活塞销和销孔之间压力分布更均匀，大大降低了销孔内侧的应力集中，提高了活塞的承载能力，同时更有利于挤压油膜的生成，避免了活塞在高温高压极限工作状态下销孔拉伤的风险，同时改进后的设计疲劳强度安全系数较高，不会存在断裂的风险。参考文献：1胡玉平.王恩浩，王任信，宫婷婷.活塞销座孔表面压力分布规律试验分析；上海交通大学学报；2 0 13年8 月。2汪奕帆，姚焕新.汽车发动机活塞受力有限元分析；宁波工程学院学报；2 0 12(0 2 4)0 0 3.3宋飞.基于ANSYSWorkbench的活塞静力学与热力学分析；中国科技博览；2 0 14.4 刘宏，李红珍，郭磊。重型高速柴油机活塞销座强度分析与优化；内燃机与配件；2 0 13.5陈永哲.基于数据分析的发动机活塞可靠性研究；山东大学；2 0 16.6卢熙群.内燃机活塞组件动力学与摩擦学耦合建模及应用研究；哈尔滨工程大学；2 0 13.
