发动机活塞销孔受力分析及改善.pdf
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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
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