專利名稱：一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞及其設(shè)計方法
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)計方法，適用于高速高強化柴油機，屬于熱能與動力工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，柴油機都朝著高強化、超高強化的趨勢發(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，必將造成柴油機的振動和噪聲問題嚴重，同時影響活塞與缸套之間的潤滑性能，對缸套的磨損也會加劇，所以對這種高速運動件的質(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，能承受更聞的機械負荷和熱負荷。鋁合金活塞質(zhì)量輕，導熱性好。然而，鋁合金固有的熱強度較低、熱膨脹系數(shù)大、耐磨性差的缺點使整體鋁活塞無法滿足比功率大于O. 3kff/cm的中速柴油機的使用要求，尤其在燃用重油時，其可靠性、壽命均不理想。全鋼活塞的強度高，膨脹系數(shù)小，能夠承受很高的機械負荷和熱負荷，但是由于鋼材的密度偏大，導熱性不及鋁合金，使得全鋼活塞的質(zhì)量偏大，導致其運行慣性偏大；導熱性差又導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)量超重或者強度無法滿足發(fā)動機的要求的問題，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手，為高速高強化柴油機提供一種更高熱強度(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?；钊喜宽斆驽円粚幽透邷夭牧?。所述第三環(huán)槽以下的環(huán)岸部分加工有環(huán)形槽，以達到減輕活塞重量，同時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)計成拱形，使得銷孔承力更均勻；同時，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，達到減輕活塞質(zhì)量，同時提高承力強度的目的。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以下，根據(jù)鈦合金活塞的特點，設(shè)計成單異型，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合涂層。一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞的設(shè)計方法，包括如下步驟步驟1，對傳統(tǒng)活塞的結(jié)構(gòu)模型進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。采用傳統(tǒng)的活塞結(jié)構(gòu)作為拓撲優(yōu)化的設(shè)計空間，以活塞所有實體單元的單元密度為設(shè)計變量，以總?cè)犴樁葹樵O(shè)計目標，將體積百分比轉(zhuǎn)化作為拓撲優(yōu)化的約束條件。從結(jié)構(gòu)承力框架的角度計算分析得到機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)計成薄壁結(jié)構(gòu)，設(shè)計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)計要求中的高轉(zhuǎn)速、高功率密度發(fā)動機性能與熱邊界條件，對步驟2得到的結(jié)構(gòu)形式進行有限元計算，對活塞關(guān)鍵部位的溫度、耦合應(yīng)力以及變形情況進行分析。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，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進行步驟7 ;若溫度及強度沒有達到系統(tǒng)設(shè)計要求，則轉(zhuǎn)到步驟4。步驟4，進一步考慮熱負荷問題，利用空氣的導熱系數(shù)遠小于金屬導熱系數(shù)的特點，在活塞頭部設(shè)計一個大容量的隔熱空腔。改變隔熱空腔的容積，以及處于活塞頭部的位置，對改進后的結(jié)構(gòu)形式進行有限元分析，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)計成單異型，進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同時進行或者順序進行，結(jié)合上述三個步驟的分析結(jié)果，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進行步驟7。步驟7，按照設(shè)計得到的最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式加工得到鈦合金活塞，并進行表面保護設(shè)計，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，其熱傳導過程為高溫燃氣產(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)導熱來研究，可將其導熱過程簡化為平壁中的一維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源的導熱問題
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以下，設(shè)計成單異型。
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)模型進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化；采用傳統(tǒng)的活塞結(jié)構(gòu)作為拓撲優(yōu)化的設(shè)計空間，以活塞所有實體單元的單元密度為設(shè)計變量，以總?cè)犴樁葹樵O(shè)計目標，將體積百分比轉(zhuǎn)化作為拓撲優(yōu)化的約束條件；從結(jié)構(gòu)承力框架的角度計算分析得到機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)計成薄壁結(jié)構(gòu)，設(shè)計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)計要求的高轉(zhuǎn)速、高功率密度發(fā)動機性能與熱邊界條件，對步驟2 得到的結(jié)構(gòu)形式進行有限元計算，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，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進行步驟7 ;若溫度及強度沒有達到系統(tǒng)設(shè)計要求，則轉(zhuǎn)到步驟4 ； 步驟4，進一步考慮熱負荷問題，利用空氣的導熱系數(shù)遠小于金屬導熱系數(shù)的特點，在活塞頭部設(shè)計一個大容量的隔熱空腔；改變隔熱空腔的容積，以及處于活塞頭部的位置，對改進后的結(jié)構(gòu)形式進行有限元分析，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)計成單異型，進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同時進行或者順序進行，結(jié)合上述三個步驟的分析結(jié)果，得到最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式，進行步驟7 ； 步驟7，按照設(shè)計得到的最優(yōu)活塞結(jié)構(gòu)形式加工得到鈦合金活塞，并進行表面保護設(shè)計，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)計方法，適用于高速高強化柴油機，屬于熱能與動力工程技術(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，以解決溫度過高導致冷卻油結(jié)焦、甚至燃燒而無法采用噴油冷卻的難題。基于本結(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