專利名稱：一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用鈦合金作為活塞材料，利用特殊的空腔結(jié)構(gòu)隔熱的活塞及其設(shè)計(jì)方法，適用于高速高強(qiáng)化柴油機(jī)，屬于熱能與動(dòng)力工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，柴油機(jī)都朝著高強(qiáng)化、超高強(qiáng)化的趨勢發(fā)展，升功率大幅度提高，活塞的平均速度也大幅度增加，如果質(zhì)量不加以控制，慣性力很大，必將造成柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲問題嚴(yán)重，同時(shí)影響活塞與缸套之間的潤滑性能，對缸套的磨損也會(huì)加劇，所以對這種高速運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量必須加以控制并盡量減小。要求活塞在保持合適的尺寸和重量、保證可靠性的iu提下，能承受更聞的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。鋁合金活塞質(zhì)量輕，導(dǎo)熱性好。然而，鋁合金固有的熱強(qiáng)度較低、熱膨脹系數(shù)大、耐磨性差的缺點(diǎn)使整體鋁活塞無法滿足比功率大于O. 3kff/cm的中速柴油機(jī)的使用要求，尤其在燃用重油時(shí)，其可靠性、壽命均不理想。全鋼活塞的強(qiáng)度高，膨脹系數(shù)小，能夠承受很高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，但是由于鋼材的密度偏大，導(dǎo)熱性不及鋁合金，使得全鋼活塞的質(zhì)量偏大，導(dǎo)致其運(yùn)行慣性偏大；導(dǎo)熱性差又導(dǎo)致活塞表面溫度偏高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)的活塞由于質(zhì)量超重或者強(qiáng)度無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求的問題，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手，為高速高強(qiáng)化柴油機(jī)提供一種更高熱強(qiáng)度(相對于鋼活塞)、更輕(相對于鋁活塞)、更可靠，并且具有較好隔熱特性的鈦合金活塞。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的—種基于空腔隔熱的鈦合金活塞，包括活塞上部、活塞下部、活塞內(nèi)腔、銷孔、隔熱空腔和冷卻油腔。所述活塞上部和活塞下部通過摩擦焊接連接在一起，焊縫位置根據(jù)活塞內(nèi)腔拱形曲率大小進(jìn)行調(diào)整，且避開應(yīng)力集中區(qū)域。所述活塞上部外表面上加工三道平行環(huán)槽，從上而下分別為第一環(huán)槽、第二環(huán)槽和第三環(huán)槽；其中第三環(huán)槽位于活塞上部與活塞下部交界處、對應(yīng)摩擦焊接面的位置，為減輕活塞的重量，縮短各環(huán)岸的高度，以減小活塞的整體高度。活塞上部頂面鍍一層耐高溫材料。所述第三環(huán)槽以下的環(huán)岸部分加工有環(huán)形槽，以達(dá)到減輕活塞重量，同時(shí)緩解活塞頂部及第二環(huán)槽以上部位的熱變形約束。所述環(huán)形槽以下的部位形成活塞裙部；環(huán)形槽以上部位形成活塞頭部。所述冷卻油腔位于燃燒室與活塞頭部的三個(gè)環(huán)槽之間，其頂部高于第一環(huán)槽上邊緣，以降低第一環(huán)槽的溫度；冷卻油腔的容積在滿足摩擦焊接工藝對其與環(huán)槽間距的要求下，加工制作為最大；并使得活塞第一環(huán)槽在正常工作情況下的平均溫度< 260°c。
所述活塞內(nèi)腔位于隔熱空腔以下，采用烏龜殼仿生結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成拱形，使得銷孔承力更均勻；同時(shí)，減薄活塞內(nèi)腔與活塞頭部之間的壁厚，以增大內(nèi)部容積，達(dá)到減輕活塞質(zhì)量，同時(shí)提高承力強(qiáng)度的目的。所述隔熱空腔位于活塞頭部中軸線上，處于燃燒室底面與活塞內(nèi)腔以及冷卻油腔中間，與銷座相匹配，以形成傳遞爆發(fā)壓力的最優(yōu)承力結(jié)構(gòu)，隔熱空腔通過改變熱量的傳遞路線，阻礙熱量的傳遞，起到隔熱的作用，從而大大降低活塞內(nèi)腔頂面的溫度，以解決溫度過高導(dǎo)致冷卻油結(jié)焦、甚至燃燒而無法采用噴油冷卻的難題。隔熱空腔下部開鑿一小孔，以釋放氣體受熱膨脹產(chǎn)生的壓力。所述隔熱空腔的容積在滿足保證活塞具有良好傳力路徑的條件下，加工制作為最大。所述活塞銷孔中心位于活塞裙部中點(diǎn)以下，根據(jù)鈦合金活塞的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)成單異型，有效降低銷孔的最大應(yīng)力，大幅度提高了活塞的承載能力。所述活塞通過去除活塞裙部沿銷孔軸向兩側(cè)的部分材料，以縮短活塞銷孔長度，減小銷孔上承受的力矩，從而減小銷孔與活塞銷的不協(xié)調(diào)變形。所述活塞頭部中，冷卻油腔與三個(gè)環(huán)槽內(nèi)側(cè)面、燃燒室底面與冷卻油腔及隔熱空腔之間的壁厚均勻，有效減輕了活塞的質(zhì)量。所述活塞材料為鈦合金。為降低鈦合金耐磨性差的不利影響，改善鈦活塞表面的磨損狀況，在活塞各環(huán)槽及活塞裙部表面鍍有耐磨多層復(fù)合涂層。一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟步驟1，對傳統(tǒng)活塞的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。采用傳統(tǒng)的活塞結(jié)構(gòu)作為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)空間，以活塞所有實(shí)體單元的單元密度為設(shè)計(jì)變量，以總?cè)犴樁葹樵O(shè)計(jì)目標(biāo)，將體積百分比轉(zhuǎn)化作為拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件。從結(jié)構(gòu)承力框架的角度計(jì)算分析得到機(jī)械載荷下活塞的最優(yōu)材料分配路徑。步驟2，根據(jù)步驟I得到的最優(yōu)材料分配路徑，結(jié)合活塞關(guān)鍵部位功能要求，去除活塞裙部沿活塞銷軸向兩側(cè)的部分材料，并將活塞設(shè)計(jì)成薄壁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)大容量冷卻油腔及活塞內(nèi)腔，得到符合輕量化要求的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式的鈦合金活塞質(zhì)量小于同等直徑的鋁合金活塞。所述關(guān)鍵部位包括第一環(huán)槽、活塞銷孔楞緣、活塞內(nèi)腔頂面和燃燒室喉口。步驟3，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求中的高轉(zhuǎn)速、高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)性能與熱邊界條件，對步驟2得到的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元計(jì)算，對活塞關(guān)鍵部位的溫度、耦合應(yīng)力以及變形情況進(jìn)行分析。若活塞第一環(huán)槽平均溫度< 260°C，活塞內(nèi)腔頂面溫度< 30(TC，且活塞銷孔楞緣沒有明顯的應(yīng)力集中，則完成活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行步驟7 ;若溫度及強(qiáng)度沒有達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，則轉(zhuǎn)到步驟4。步驟4，進(jìn)一步考慮熱負(fù)荷問題，利用空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，在活塞頭部設(shè)計(jì)一個(gè)大容量的隔熱空腔。改變隔熱空腔的容積，以及處于活塞頭部的位置，對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元分析，得到滿足活塞熱流分布、溫度及熱應(yīng)力的最優(yōu)隔熱空腔結(jié)構(gòu)。步驟5，改變冷卻油腔的容積及位置，分析不同容積及位置對活塞溫度、熱應(yīng)力的影響，根據(jù)第一環(huán)槽的平均溫度要求，確定冷卻油腔最終的尺寸及位置。步驟6，將活塞銷孔設(shè)計(jì)成單異型，進(jìn)一步分析活塞銷孔楞緣的變形曲線，得到滿足活塞承載能力要求的最優(yōu)異型結(jié)構(gòu)。所述步驟4、步驟5、步驟6同時(shí)進(jìn)行或者順序進(jìn)行，結(jié)合上述三個(gè)步驟的分析結(jié)果，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行步驟7。步驟7，按照設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式加工得到鈦合金活塞，并進(jìn)行表面保護(hù)設(shè)計(jì)，通過對活塞上部頂面鍍耐高溫材料，以及在活塞各環(huán)槽及活塞裙部表面鍍耐磨多層復(fù)合涂層的方法來提高活塞的抗燒蝕及摩擦磨損特性。通過以上設(shè)計(jì)方法，得到能夠承受高溫高壓、帶有隔熱空腔的鈦合金活塞。一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞，其熱傳導(dǎo)過程為高溫燃?xì)猱a(chǎn)生的熱量從燃燒室底面向活塞上部傳遞，其中，隔熱空腔中沿活塞中心軸線方向上傳遞的熱量，可以用一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱來研究，可將其導(dǎo)熱過程簡化為平壁中的一維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題
權(quán)利要求
1.一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞，其特征在于包括活塞上部、活塞下部、活塞內(nèi)腔、銷孔、隔熱空腔和冷卻油腔；所述活塞上部和活塞下部通過摩擦焊接連接，焊縫位置根據(jù)活塞內(nèi)腔拱形曲率大小調(diào)整，且避開應(yīng)力集中區(qū)域；所述活塞上部外表面加工三道平行環(huán)槽，從上而下分別為第一環(huán)槽、第二環(huán)槽和第三環(huán)槽；其中第三環(huán)槽位于活塞上部與活塞下部交界處、對應(yīng)摩擦焊接面的位置；活塞上部頂面鍍一層耐高溫材料；所述第三環(huán)槽下的環(huán)岸部分加工環(huán)形槽；環(huán)形槽以下的部位形成活塞裙部，環(huán)形槽以上部位形成活塞頭部；所述冷卻油腔位于燃燒室與活塞頭部的三個(gè)環(huán)槽之間，其頂部高于第一環(huán)槽上邊緣； 所述隔熱空腔位于活塞頭部中軸線上，處于燃燒室底面與活塞內(nèi)腔以及冷卻油腔中間，與銷座相匹配，以形成傳遞爆發(fā)壓力的最優(yōu)承力結(jié)構(gòu)，隔熱空腔通過改變熱量的傳遞路線，阻礙熱量的傳遞，起到隔熱的作用，從而大大降低活塞內(nèi)腔頂面的溫度，以解決溫度過高導(dǎo)致冷卻油結(jié)焦、甚至燃燒而無法采用噴油冷卻的難題；隔熱空腔下部開鑿一小孔，以釋放氣體受熱膨脹產(chǎn)生的壓力；所述隔熱空腔的容積在滿足保證活塞具有良好傳力路徑的條件下，加工制作為最大；所述活塞內(nèi)腔位于隔熱空腔以下，采用烏龜殼仿生結(jié)構(gòu)，成拱形；所述活塞銷孔中心位于活塞裙部中點(diǎn)以下，設(shè)計(jì)成單異型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞，其特征在于冷卻油腔的容積在滿足摩擦焊接工藝對其與環(huán)槽間距的要求下，加工制作為最大，使得活塞第一環(huán)槽在正常工作情況下的平均溫度< 260°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞，其特征在于所述活塞頭部中，冷卻油腔與三個(gè)環(huán)槽內(nèi)側(cè)面、燃燒室底面與冷卻油腔及隔熱空腔之間的壁厚均勻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞，其特征在于所述活塞材料為鈦合金；活塞各環(huán)槽及活塞裙部表面鍍有耐磨多層復(fù)合涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞的設(shè)計(jì)方法，其特征在于 包括如下步驟步驟1，對傳統(tǒng)活塞的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化；采用傳統(tǒng)的活塞結(jié)構(gòu)作為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)空間，以活塞所有實(shí)體單元的單元密度為設(shè)計(jì)變量，以總?cè)犴樁葹樵O(shè)計(jì)目標(biāo)，將體積百分比轉(zhuǎn)化作為拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件；從結(jié)構(gòu)承力框架的角度計(jì)算分析得到機(jī)械載荷下活塞的最優(yōu)材料分配路徑；步驟2，根據(jù)步驟I得到的最優(yōu)材料分配路徑，結(jié)合活塞關(guān)鍵部位功能要求，去除活塞裙部沿活塞銷軸向兩側(cè)的部分材料，并將活塞設(shè)計(jì)成薄壁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)大容量冷卻油腔及活塞內(nèi)腔，得到符合輕量化要求的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式的鈦合金活塞質(zhì)量小于同等直徑的招合金活塞；所述關(guān)鍵部位包括第一環(huán)槽、活塞銷孔楞緣、活塞內(nèi)腔頂面和燃燒室喉口 ；步驟3，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的高轉(zhuǎn)速、高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)性能與熱邊界條件，對步驟2 得到的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元計(jì)算，分析活塞關(guān)鍵部位的溫度、耦合應(yīng)力以及變形情況；若活塞第一環(huán)槽平均溫度< 260°C，活塞內(nèi)腔頂面溫度< 300°C，且活塞銷孔楞緣沒有明顯的應(yīng)力集中，則完成活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行步驟7 ;若溫度及強(qiáng)度沒有達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，則轉(zhuǎn)到步驟4 ； 步驟4，進(jìn)一步考慮熱負(fù)荷問題，利用空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，在活塞頭部設(shè)計(jì)一個(gè)大容量的隔熱空腔；改變隔熱空腔的容積，以及處于活塞頭部的位置，對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元分析，得到滿足活塞熱流分布、溫度及熱應(yīng)力的最優(yōu)隔熱空腔結(jié)構(gòu)； 步驟5，改變冷卻油腔的容積及位置，分析不同容積及位置對活塞溫度、熱應(yīng)力的影響，根據(jù)第一環(huán)槽的平均溫度要求，確定冷卻油腔最終的尺寸及位置； 步驟6，將活塞銷孔設(shè)計(jì)成單異型，進(jìn)一步分析活塞銷孔楞緣的變形曲線，得到滿足活塞承載能力要求的最優(yōu)異型結(jié)構(gòu)； 所述步驟4、步驟5、步驟6同時(shí)進(jìn)行或者順序進(jìn)行，結(jié)合上述三個(gè)步驟的分析結(jié)果，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行步驟7 ； 步驟7，按照設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式加工得到鈦合金活塞，并進(jìn)行表面保護(hù)設(shè)計(jì)，通過對活塞上部頂面鍍耐高溫材料，以及在活塞各環(huán)槽及活塞裙部表面鍍耐磨多層復(fù)合涂層的方法來提高活塞的抗燒蝕及摩擦磨損特性；得到能夠承受高溫高壓、帶有隔熱空腔的鈦合金活塞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用鈦合金作為活塞材料，利用特殊的空腔結(jié)構(gòu)隔熱的活塞及其設(shè)計(jì)方法，適用于高速高強(qiáng)化柴油機(jī)，屬于熱能與動(dòng)力工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的活塞具體包括活塞上部、活塞下部、活塞內(nèi)腔、銷孔、隔熱空腔和冷卻油腔。所述隔熱空腔位于活塞上部中軸線上，處于燃燒室底面與活塞內(nèi)腔以及冷卻油腔中間，與銷座相匹配，以形成傳遞爆發(fā)壓力的最優(yōu)承力結(jié)構(gòu)，隔熱空腔通過改變熱量的傳遞路線，阻礙熱量的傳遞，起到隔熱的作用，從而大大降低活塞內(nèi)腔頂面的溫度，以解決溫度過高導(dǎo)致冷卻油結(jié)焦、甚至燃燒而無法采用噴油冷卻的難題?；诒窘Y(jié)構(gòu)的鈦合金活塞不需要冷卻噴油，僅采用飛濺冷卻即可。
文檔編號F02F3/16GK102996280SQ20121019502
公開日2013年3月27日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者劉雨薇, 張衛(wèi)正, 袁彥鵬, 秦朝舉 申請人:北京理工大學(xué)