CN102996280A - 一种基于空腔隔热的钛合金活塞及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用钛合金作为活塞材料，利用特殊的空腔结构隔热的活塞及其设计方法，适用于高速高强化柴油机，属于热能与动力工程技术领域。本发明的活塞具体包括活塞上部、活塞下部、活塞内腔、销孔、隔热空腔和冷却油腔。所述隔热空腔位于活塞上部中轴线上，处于燃烧室底面与活塞内腔以及冷却油腔中间，与销座相匹配，以形成传递爆发压力的最优承力结构，隔热空腔通过改变热量的传递路线，阻碍热量的传递，起到隔热的作用，从而大大降低活塞内腔顶面的温度，以解决温度过高导致冷却油结焦、甚至燃烧而无法采用喷油冷却的难题。基于本结构的钛合金活塞不需要冷却喷油，仅采用飞溅冷却即可。

Description

一种基于空腔隔热的钛合金活塞及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种用钛合金作为活塞材料，利用特殊的空腔结构隔热的活塞及其设计方法，适用于高速高强化柴油机，属于热能与动力工程技术领域。 

技术背景

目前，柴油机都朝着高强化、超高强化的趋势发展，升功率大幅度提高，活塞的平均速度也大幅度增加，如果质量不加以控制，惯性力很大，必将造成柴油机的振动和噪声问题严重，同时影响活塞与缸套之间的润滑性能，对缸套的磨损也会加剧，所以对这种高速运动件的质量必须加以控制并尽量减小。要求活塞在保持合适的尺寸和重量、保证可靠性的前提下，能承受更高的机械负荷和热负荷。 

铝合金活塞质量轻，导热性好。然而，铝合金固有的热强度较低、热膨胀系数大、耐磨性差的缺点使整体铝活塞无法满足比功率大于0.3kW/cm的中速柴油机的使用要求，尤其在燃用重油时，其可靠性、寿命均不理想。 

全钢活塞的强度高，膨胀系数小，能够承受很高的机械负荷和热负荷，但是由于钢材的密度偏大，导热性不及铝合金，使得全钢活塞的质量偏大，导致其运行惯性偏大；导热性差又导致活塞表面温度偏高。 

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的活塞由于质量超重或者强度无法满足发动机的要求的问题，从材料和结构两方面入手，为高速高强化柴油机提供一种更高热强度(相对于钢活塞)、更轻(相对于铝活塞)、更可靠，并且具有较好隔热特性的钛合金活塞。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种基于空腔隔热的钛合金活塞，包括活塞上部、活塞下部、活塞内腔、销孔、隔热空腔和冷却油腔。 

所述活塞上部和活塞下部通过摩擦焊接连接在一起，焊缝位置根据活塞内腔拱形曲率大小进行调整，且避开应力集中区域。 

所述活塞上部外表面上加工三道平行环槽，从上而下分别为第一环槽、第 二环槽和第三环槽；其中第三环槽位于活塞上部与活塞下部交界处、对应摩擦焊接面的位置，为减轻活塞的重量，缩短各环岸的高度，以减小活塞的整体高度。活塞上部顶面镀一层耐高温材料。 

所述第三环槽以下的环岸部分加工有环形槽，以达到减轻活塞重量，同时缓解活塞顶部及第二环槽以上部位的热变形约束。 

所述环形槽以下的部位形成活塞裙部；环形槽以上部位形成活塞头部。 

所述冷却油腔位于燃烧室与活塞头部的三个环槽之间，其顶部高于第一环槽上边缘，以降低第一环槽的温度；冷却油腔的容积在满足摩擦焊接工艺对其与环槽间距的要求下，加工制作为最大；并使得活塞第一环槽在正常工作情况下的平均温度＜260℃。 

所述活塞内腔位于隔热空腔以下，采用乌龟壳仿生结构，设计成拱形，使得销孔承力更均匀；同时，减薄活塞内腔与活塞头部之间的壁厚，以增大内部容积，达到减轻活塞质量，同时提高承力强度的目的。 

所述隔热空腔位于活塞头部中轴线上，处于燃烧室底面与活塞内腔以及冷却油腔中间，与销座相匹配，以形成传递爆发压力的最优承力结构，隔热空腔通过改变热量的传递路线，阻碍热量的传递，起到隔热的作用，从而大大降低活塞内腔顶面的温度，以解决温度过高导致冷却油结焦、甚至燃烧而无法采用喷油冷却的难题。隔热空腔下部开凿一小孔，以释放气体受热膨胀产生的压力。所述隔热空腔的容积在满足保证活塞具有良好传力路径的条件下，加工制作为最大。 

所述活塞销孔中心位于活塞裙部中点以下，根据钛合金活塞的特点，设计成单异型，有效降低销孔的最大应力，大幅度提高了活塞的承载能力。 

所述活塞通过去除活塞裙部沿销孔轴向两侧的部分材料，以缩短活塞销孔长度，减小销孔上承受的力矩，从而减小销孔与活塞销的不协调变形。 

所述活塞头部中，冷却油腔与三个环槽内侧面、燃烧室底面与冷却油腔及隔热空腔之间的壁厚均匀，有效减轻了活塞的质量。 

所述活塞材料为钛合金。为降低钛合金耐磨性差的不利影响，改善钛活塞表面的磨损状况，在活塞各环槽及活塞裙部表面镀有耐磨多层复合涂层。 

一种基于空腔隔热的钛合金活塞的设计方法，包括如下步骤： 

步骤1，对传统活塞的结构模型进行结构拓扑优化。 

采用传统的活塞结构作为拓扑优化的设计空间，以活塞所有实体单元的单元密度为设计变量，以总柔顺度为设计目标，将体积百分比转化作为拓扑优化的约束条件。从结构承力框架的角度计算分析得到机械载荷下活塞的最优材料分配路径。 

步骤2，根据步骤1得到的最优材料分配路径，结合活塞关键部位功能要求，去除活塞裙部沿活塞销轴向两侧的部分材料，并将活塞设计成薄壁结构，设计大容量冷却油腔及活塞内腔，得到符合轻量化要求的结构形式，该结构形式的钛合金活塞质量小于同等直径的铝合金活塞。 

所述关键部位包括第一环槽、活塞销孔楞缘、活塞内腔顶面和燃烧室喉口。 

步骤3，结合系统设计要求中的高转速、高功率密度发动机性能与热边界条件，对步骤2得到的结构形式进行有限元计算，对活塞关键部位的温度、耦合应力以及变形情况进行分析。若活塞第一环槽平均温度＜260℃，活塞内腔顶面温度＜300℃，且活塞销孔楞缘没有明显的应力集中，则完成活塞结构设计，得到最优活塞结构形式，进行步骤7；若温度及强度没有达到系统设计要求，则转到步骤4。 

步骤4，进一步考虑热负荷问题，利用空气的导热系数远小于金属导热系数的特点，在活塞头部设计一个大容量的隔热空腔。改变隔热空腔的容积，以及处于活塞头部的位置，对改进后的结构形式进行有限元分析，得到满足活塞热流分布、温度及热应力的最优隔热空腔结构。 

步骤5，改变冷却油腔的容积及位置，分析不同容积及位置对活塞温度、热应力的影响，根据第一环槽的平均温度要求，确定冷却油腔最终的尺寸及位置。 

步骤6，将活塞销孔设计成单异型，进一步分析活塞销孔楞缘的变形曲线，得到满足活塞承载能力要求的最优异型结构。 

所述步骤4、步骤5、步骤6同时进行或者顺序进行，结合上述三个步骤的分析结果，得到最优活塞结构形式，进行步骤7。 

步骤7，按照设计得到的最优活塞结构形式加工得到钛合金活塞，并进行表面保护设计，通过对活塞上部顶面镀耐高温材料，以及在活塞各环槽及活塞裙部表面镀耐磨多层复合涂层的方法来提高活塞的抗烧蚀及摩擦磨损特性。 

通过以上设计方法，得到能够承受高温高压、带有隔热空腔的钛合金活塞。 

一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其热传导过程为： 

高温燃气产生的热量从燃烧室底面向活塞上部传递，其中，隔热空腔中沿活塞中心轴线方向上传递的热量，可以用一维稳态导热来研究，可将其导热过程简化为平壁中的一维、稳态、无内热源的导热问题： 

$q=-\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂n}\stackrel{r}{n}=-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dx}}=\mathrm{\λ}\frac{t_{W1}-t_{W2}}{\mathrm{\δ}},$ W/m²

上式中，q为沿活塞中心轴线向下的热流密度，λ为导热系数，t_W1、t_W2分别为平壁两侧的温度，δ为平壁厚度。 

由于隔热空腔中为空气，空气的导热率远小于钛合金的导热率，前者约为后者的0.005倍，由上式可知：隔热空腔的导热量远远小于等体积的钛合金材料的导热量，阻碍了热量沿活塞轴线向下传递，从而降低了活塞内腔顶面的温度，使其＜300℃。因此，本发明的活塞不需要采用喷油冷却，仅飞溅冷却即可。 

有益效果 

本发明的技术方案相对于现有技术，具有以下优点： 

钛合金活塞中大容积的隔热空腔结构能够起到很好的隔热效果，大大降低活塞背侧(内腔顶面)的温度，且由于大部分热量被阻隔在活塞顶面，使得活塞顶面温度很高，有利于燃烧和壁面燃油的蒸发；该种结构的钛合金活塞不需要冷却喷油，仅采用飞溅冷却即可；钛合金的热膨胀系数小，可大幅度减小配缸间隙，从而减小漏气量，降低噪声和燃油消耗率；该种结构的钛合金活塞能够满足高功率密度柴油机对活塞高温力学性能的苛刻要求，同时制造工艺良好，易于实现。 

附图说明

图1为本发明的一种基于空腔隔热的钛合金活塞结构剖视图； 

图2为本发明的一种基于空腔隔热的钛合金活塞结构侧视图； 

图3为具体实施方式中实施例的技术路线流程图。 

1-活塞上部，2-活塞下部，3-燃烧室，4-冷却油腔，5-隔热空腔，6-活塞环区，包括6(a)-第一环槽、6(b)-第二环槽、6(c)-第三环槽，7(a)、7(b)、7(c)、7(d)-摩擦焊接面，8-销孔，9-气孔，10-活塞内腔，11-环形槽，A-活塞头部，B-活塞 裙部。 

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。 

钛合金高低温性能优良，高温下仍能保持良好的机械性能，工作温度可达600～650℃，其耐热性远高于铝合金。钛合金在500℃以下的比强度还明显地优于不锈钢和热强钢；钛合金的比强度高，密度比钢小很多。使用钛合金作为活塞材料，可制出单位强度高、刚性好、质量轻的活塞，满足轻量化、高强度的设计要求。 

本发明的活塞结构如图1和图2所示，包括1-活塞上部，2-活塞下部，3-燃烧室，4-冷却油腔，5-隔热空腔，6-活塞环区，包括6(a)-第一环槽、6(b)-第二环槽、6(c)-第三环槽，7(a)、7(b)、7(c)、7(d)-摩擦焊接面，8-销孔，9-气孔，10-活塞内腔，11-环形槽。 

本实施例中，首先从结构承力框架的角度进行活塞结构设计，应用优化分析软件OptiStruct计算分析得到机械载荷下活塞的最优材料分配路径，提出了符合轻量化设计要求的新结构形式；并基于此新结构形式，结合传统设计经验，进一步考虑热负荷问题，利用空气的导热系数远小于金属导热系数的特点，在活塞头部设计一个大容量的隔热空腔，同时优化冷却油腔的形状，设计出带有隔热空腔的钛合金活塞，使得该种活塞无需喷油冷却，仅采用飞溅冷却，即可承受高温、高压的恶劣工作环境。 

本实施例的技术路线如图3所示。 

冷却油腔内靠近三个环槽的侧面与燃烧室和环槽内表面的距离均小于5mm，冷却容积＞75cm³。冷却油腔与三个环槽内侧面、燃烧室底面与冷却油腔及隔热空腔之间，壁厚均匀，均小于5mm。 

活塞内腔与活塞头部之间的壁厚小于3mm。 

隔热空腔与冷却油腔间的壁厚＜10mm，隔热空腔的容积＞25cm³，以保证活塞内腔顶面温度＜300℃。 

活塞上部顶面镀TiAlN，各环槽和裙部表面镀多层复合膜。 

本实施例的钛合金活塞质量小于1.35kg，比同直径的铝合金活塞轻，能够有效减小活塞的惯性力，适用于高转速发动机。 

将本实施例的活塞用于高转速，高功率密度发动机工况下，经过仿真计算，得到活塞关键部位的温度和耦合应力数值，见表1和表2。 

表1活塞关键部位温度 

关键位置	单位：℃
		燃烧室中心	668
燃烧室喉口	603
		第一环槽平均温度	＜230
活塞内腔顶面	＜195
		销孔楞缘	＜186

表2活塞关键部位耦合应力 

关键位置	单位：MPa
		销孔	＜96
第一环槽	＜114
		第二环槽	＜95
第三环槽(焊缝处)	＜70

由表1和表2可知，活塞第一环槽平均温度＜230℃，内腔顶面温度＜195℃，销孔棱缘耦合应力＜96MPa。 

以上结果表明：隔热空腔起到了良好的隔热效果。本实施例的钛合金活塞强度高、隔热好、可靠性高，能够承受更高的机械负荷和热负荷，能够满足高速、高强化发动机的苛刻要求。 

本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用发明的精神和范围的情况下，具体形状尺寸还可以做出适当的变化和调整，因此所有等效的技术方案也属于本发明的范畴，其专利保护范围是由本申请权利要求书所限定的。 

Claims (5)

1.一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：包括活塞上部、活塞下部、活塞内腔、销孔、隔热空腔和冷却油腔；

所述活塞上部和活塞下部通过摩擦焊接连接，焊缝位置根据活塞内腔拱形曲率大小调整，且避开应力集中区域；

所述活塞上部外表面加工三道平行环槽，从上而下分别为第一环槽、第二环槽和第三环槽；其中第三环槽位于活塞上部与活塞下部交界处、对应摩擦焊接面的位置；活塞上部顶面镀一层耐高温材料；

所述第三环槽下的环岸部分加工环形槽；环形槽以下的部位形成活塞裙部，环形槽以上部位形成活塞头部；

所述冷却油腔位于燃烧室与活塞头部的三个环槽之间，其顶部高于第一环槽上边缘；

所述隔热空腔位于活塞头部中轴线上，处于燃烧室底面与活塞内腔以及冷却油腔中间，与销座相匹配，以形成传递爆发压力的最优承力结构，隔热空腔通过改变热量的传递路线，阻碍热量的传递，起到隔热的作用，从而大大降低活塞内腔顶面的温度，以解决温度过高导致冷却油结焦、甚至燃烧而无法采用喷油冷却的难题；隔热空腔下部开凿一小孔，以释放气体受热膨胀产生的压力；所述隔热空腔的容积在满足保证活塞具有良好传力路径的条件下，加工制作为最大；

所述活塞内腔位于隔热空腔以下，采用乌龟壳仿生结构，成拱形；

所述活塞销孔中心位于活塞裙部中点以下，设计成单异型。

2.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：冷却油腔的容积在满足摩擦焊接工艺对其与环槽间距的要求下，加工制作为最大，使得活塞第一环槽在正常工作情况下的平均温度＜260℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：所述活塞头部中，冷却油腔与三个环槽内侧面、燃烧室底面与冷却油腔及隔热空腔之间的壁厚均匀。

4.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：所述活塞材料为钛合金；活塞各环槽及活塞裙部表面镀有耐磨多层复合涂层。

5.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，对传统活塞的结构模型进行结构拓扑优化；

采用传统的活塞结构作为拓扑优化的设计空间，以活塞所有实体单元的单元密度为设计变量，以总柔顺度为设计目标，将体积百分比转化作为拓扑优化的约束条件；从结构承力框架的角度计算分析得到机械载荷下活塞的最优材料分配路径；

步骤2，根据步骤1得到的最优材料分配路径，结合活塞关键部位功能要求，去除活塞裙部沿活塞销轴向两侧的部分材料，并将活塞设计成薄壁结构，设计大容量冷却油腔及活塞内腔，得到符合轻量化要求的结构形式，该结构形式的钛合金活塞质量小于同等直径的铝合金活塞；

所述关键部位包括第一环槽、活塞销孔楞缘、活塞内腔顶面和燃烧室喉口；

步骤3，结合系统设计要求的高转速、高功率密度发动机性能与热边界条件，对步骤2得到的结构形式进行有限元计算，分析活塞关键部位的温度、耦合应力以及变形情况；若活塞第一环槽平均温度＜260℃，活塞内腔顶面温度＜300℃，且活塞销孔楞缘没有明显的应力集中，则完成活塞结构设计，得到最优活塞结构形式，进行步骤7；若温度及强度没有达到系统设计要求，则转到步骤4；

步骤4，进一步考虑热负荷问题，利用空气的导热系数远小于金属导热系数的特点，在活塞头部设计一个大容量的隔热空腔；改变隔热空腔的容积，以及处于活塞头部的位置，对改进后的结构形式进行有限元分析，得到满足活塞热流分布、温度及热应力的最优隔热空腔结构；

步骤5，改变冷却油腔的容积及位置，分析不同容积及位置对活塞温度、热应力的影响，根据第一环槽的平均温度要求，确定冷却油腔最终的尺寸及位置；

步骤6，将活塞销孔设计成单异型，进一步分析活塞销孔楞缘的变形曲线，得到满足活塞承载能力要求的最优异型结构；

所述步骤4、步骤5、步骤6同时进行或者顺序进行，结合上述三个步骤的分析结果，得到最优活塞结构形式，进行步骤7；

步骤7，按照设计得到的最优活塞结构形式加工得到钛合金活塞，并进行表面保护设计，通过对活塞上部顶面镀耐高温材料，以及在活塞各环槽及活塞裙部表面镀耐磨多层复合涂层的方法来提高活塞的抗烧蚀及摩擦磨损特性；得到能够承受高温高压、带有隔热空腔的钛合金活塞。

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