[發(fā)明專利]一種基于空腔隔熱的鈦合金活塞及其設(shè)計(jì)方法

無(wú)效

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• 申請(qǐng)日: 2012-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN102996280A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉雨薇;張衛(wèi)正;袁彥鵬;秦朝舉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): F02F3/26
• 分類號(hào): F02F3/26;F02F3/16;G06F17/50
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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。?

技術(shù)背景

目前，柴油機(jī)都朝著高強(qiáng)化、超高強(qiáng)化的趨勢(shì)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(wèn)題嚴(yán)重，同時(shí)影響活塞與缸套之間的潤(rùn)滑性能，對(duì)缸套的磨損也會(huì)加劇，所以對(duì)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、保證可靠性的前提下，能承受更高的機(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(wú)法滿足比功率大于0.3kW/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(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求的問(wèn)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(duì)于鋼活塞)、更輕(相對(duì)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(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：?

一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(guò)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(duì)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(duì)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℃。?

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(guò)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(guò)高導(dǎo)致冷卻油結(jié)焦、甚至燃燒而無(wú)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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。?