基于有限元方法的活塞裙部结构设计及应用研究

发布时间：2020-04-10 07:28

【摘要】：近些年来,随着汽车的不断普及,汽车发动机的拉缸、烧机油成为汽车故障的重要问题而日益受到人们的普遍关注,而发动机拉缸、烧机油问题通常与活塞的裙部的设计密切相关。因此,有必要对涉及活塞裙部设计基础理论问题进行深入研究,从活塞开发阶段就应当要考虑到活塞裙部型面的设计问题,从而降低发动机故障问题。目前,关于活塞裙部结构设计问题,学术界及工程界尚不能提供明确的理论依据,在实际的活塞正向开发过程中,关于活塞裙面结构的相关参数是否能够满足发动机各种工况,设计人员尚无完全把握。因此,运用现代有限元方法对活塞裙面结构涉及的热力学、变形等问题进行分析研究,获得较好的裙面结构设计方案。研究成果不仅能降低正向开发过程中的诸多繁杂工作,也在降低发动机故障率等方面具有实际的工程价值,而且对于提高企业核心竞争力及促进我国活塞设计研发方面具有积极的意义。本文首先从汽油机活塞设计的基本概念及理论基础入手,结合现实中的裙部拉缸故障形态,找出与裙部拉缸故障相关的因素,采用CAE方法及模拟活塞运动的手段,分析其在工况下受热变形规律,从而掌握活塞变形规律,进而为改进活塞设计提供依据。主要研究内容包括:1.介绍了活塞结构及裙面形状,分析了活塞拉缸失效主要影响因素,探讨了活塞裙部设计不合理导致的拉缸失效故障,对活塞裙面拉缸机理进行研究。2.建立活塞有限元分析3D模型,确立计算活塞温度场和受力变形场的理论依据;构建活塞热传递、边界载荷施加模型,确立活塞热变形、热边界条件、载荷、位移边界条件;基于主机厂提供的发动机相关参数及边界条件的确立,通过热载荷及静态载荷的耦合变形分析计算出活塞热态变形量,最终得出了活塞裙面相关参数。3.以一款某汽车发动机活塞为实例,验证本文的研究成果。通过本文研究,基本上实现了活塞裙部型面的优化设计,并通过设计结果验证了活塞裙部容易拉缸的位置,有利于降低因活塞型面结构设计不合理导致的拉缸事故。
【图文】：

示意图,活塞结构,示意图,活塞裙部

域加工出三道槽，分别为第一、第二、第三环槽，用于妄装活塞环；活塞第三平逡逑面下平面至最下端面之间与气缸接触的区域称为活塞裙部；在短轴处加工的孔为逡逑活塞销孔，用于安装活塞销。具体见（图２－１）。活塞裙部在发动机工作阶段起着逡逑引导活塞沿缸壁来回往复运动的作用，承受着缸壁的挤压力、连杆的支撑力及侧逡逑向推力，也起着将热量传递出去的作用。裙部表面的油膜起着润滑和承压的作用，逡逑７逡逑

活塞裙部,型面,拖板

而销孔中心至最下方端面的距离称为销裙高。逡逑按照裙部设计形式来划分，活塞裙部可划分为三种：分别为全裙式、半拖板逡逑式、拖板式结构。具体如（图２－２）所示。全裙式结构活塞裙部无窗口，为圆柱逡逑形薄壁结构；半拖板式裙部结构是在全裙式结构基础上在短轴处下方去掉一部分逡逑实体，这样能够减轻重量，降低活塞的往复惯性力及摩擦力；拖板式活塞结构目逡逑前运用最为广泛，将整个短轴处实体去除，具体作用和半拖板式活塞作用类似。逡逑拖板式活塞重量轻，，裙部壁薄，弹性足，与气缸之间的间隙更小，而去除实体的逡逑部分不承受压力，对活塞的整体运动没有任何影响，但是刚度略有下降，因此广逡逑泛运用于小型内燃机上［２°］。逡逑ａｇ逡逑＾邋＾邋■逡逑拖板式逦半拖板式逦全裙式逡逑图２－２活塞裙部型面结构逡逑２．１．２活塞裙部型面结构逡逑活塞裙部整体形状称为活塞裙部型面。活塞裙面又可分为椭圆面（横截面）逡逑及型线面（纵截面）。椭圆面是垂直活塞轴线的，因为活塞不同角度受力及受热状逡逑况存在差异，因此其曲率也是随着角度的变化而变化；型线面是指在活塞轴线方逡逑向，尺寸随着高度的变化而变化，其原理与椭圆面是类似的。逡逑活塞裙面结构在早期设计中是正圆柱形的
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464

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