内燃机活塞机构的优化设计研究

内燃机活塞机构的优化设计研究

刘建，齐广体，李海健

滨州渤海活塞有限公司，山东省滨州市，256500

摘要：现代化的生产依赖于机械制造，科技水平是生产的第一动力，内燃机作为生产的关键要素，在大众的生活生产中具有很重要的价值，对于内燃机的优化具有很重要的必然性，随着时代发展的需要，对于内燃机的优化具有现实性的价值。通过对于内燃机活塞机构的优化设计研究，能够了解到内燃机活塞的受力与结构，并阐述出内燃机活塞机构的优化设计。

关键词：内燃机；优化设计；机械设备

引言：内燃机在大众的生产中具有极高的重要性，随着社会的需要内燃机经过了多次的发展改革。在当下的发展来看，内燃机的设计还有很长远的发展路径，同时由于我国使用内燃机的时间较其他国家短，还有很大的进步空间。对于内燃机活塞机构的优化在当下具有现实性的价值，利用PRO/E软件计算出活塞的机械应力，显示出活塞具有进一步的优化可能。

一、内燃机活塞的受力与结构

（一）活塞受力分析

活塞在实际的使用当中承受很大的压力，在受力的过程中一瞬间的气压产生的力在4到5t的重力之间，同时活塞承受的压力在工作的过程中将燃烧后产生的压力全部的传递到了活塞销座上，这就带来了很大的压力，使得活塞销座受到使用寿命的挑战，在整个零部件当中不光是活塞会受到压力，活塞还承担着压力转化的功能，需要将动能转化到连杆小头上。在这一基础之上，全部的活塞零部件的构成上，活塞销与活塞座负责整个内燃机的工作，受到的机械负荷也较为大。在当下的内燃机活塞机构的发展中，发动机的转速随着设计的精进越来越快，对于内燃机的承受能力要求也是越来越高，根据这一发展的需要，精进内燃机内部结构来提升内燃机的工作效率具有现实性的意义。由于活塞销座的长度发生了改变，活塞销座可变形长度也更加的小，导致活塞销座与活塞销间润滑程度和接触配合的情况进一步的恶劣。也就导致了销座内孔边缘尖角部位具有很大的应力峰值，甚至是出现受挤压产生的裂纹。根据相关的数据和实践能够得出，提升活塞的顶部承受压力的性能，能够大大的提升对于销座处裂纹预防的效果，其意义在于能够有效减轻内燃重量[1]。

（二）结构设计分析

根据内燃机的结构功能继而实用性的发展需要，内燃机活塞设计和整体活塞具有很大的不同之处，在实际的组合活塞设计过程当中，不光是需要考虑到整体活塞设计的内容，还要考虑到对于优化顶、裙当中的间隙设计，这两个方面都是组合活塞设计的关键要素。总的来说，在实际的活塞设计当中，需要考虑到整个内燃机的工作强度需要；同时还要满足机械设备具有的刚度和机械强度；还需要在散热性方面做到提升，保证温差小，防止活塞在工作时会出现过大的热变形；还要保证设计具有实用性，减少内燃机的重量。从而提升内燃机的工作效率。根据活塞的设计要求，需要尽可能的减少活塞顶部构件的厚度，减少由于过热带来的不良影响，需要设计出内腔容积大，顶部薄壁的活塞。

二、内燃机活塞机构的优化设计

（一）活塞机构的三个主要参数优化

在活塞优化设计的过程中，想要有效的改善活塞的应力集中，更加符合活塞结构的发展需要，要在活塞顶壁厚、活塞销座长度与活塞销座加强筋与顶壁的连接处圆角半径这三个方面进行处理，从而能够满足内燃机高速工作的需要，减少活塞运动中的惯性力对于活塞销座与连接杆带来的负面影响。要考虑到活塞的质量优化，将活塞最大应力设置在120MPa的下限，从而优化参数为顶壁厚、销座长度与圆角半径，在这样的优化之下，不光是能够满足提升活塞机构质量的需要，更是能够满足活塞销座内壁应力的最小目标，由此能够很好地保证使用的安全性能，根据优化带来的效果，活塞最大应力值会显著的下降。另外，活塞机构会常常出现疲劳破坏的情况产生，为了能够解决这个问题，满足活塞的轻量化与高速化的发展需要，利用有限元分析方法优化活塞进行设计，不光是能够满足自动化的要求，更是满足产品的开发需要。

（二）活塞机构的材料及表面优化

在实际的内燃机活塞机构的优化设计当中，需要对于活塞环的材料和表面进行优化，依据活塞材料的特点进行分析，具有一定的耐磨性、强度以及弹力，就算是在高温的环境之下进行作业，也可以维持很好的机械性能，另外，想要减少环同气缸套间工作带来的磨损，还需要活塞环具有一定的耐油性。耐热材质的不锈钢制活塞环更有很好的抗腐蚀性，并且具有极好的耐热性，选择作为第一道和第二道气环具有很好的优化效果。实际的提升活塞环抗磨、耐热的性能，需要在表面进行相关的处理，主要在于镀铬、等离子喷镀、磷酸盐被膜处理和渗流处理这三个方面。在环表面镀铬硬铬层，能够有效的提升环的使用效果，想要改善早期的磨合性能，还可以镀上一层铜和锡。将金属氧化物用等离子喷镀覆盖在环表面，能够获得很好地抗溶性和抗磨损性能。将活塞环浸泡在磷酸盐溶液当中，环的表面就能够产生出金属磷酸盐薄膜，处理以后具有防锈的性能，使用渗流处理的方式在铸铁表面产生出硫化铁与氮化铁，可以很好地改善初期磨合的效果，并且具有很好地防腐蚀的性能

[2]。

（三）活塞机构的工作过程优化

对于活塞机构的工作过程优化，需要在内燃机的工作上进行优化，主要的内容在于内燃机动力学优化设计、内燃机摩擦学优化设计、内燃机工作过程优化设计这几个方面进行优化。在具体的活塞机构工作中，需要对于最大爆发力和最大惯性力进行实际要求分析，满足内燃机高速运转的发展需要，减少惯性力带来的负面影响。当活塞机构在进行机械运动的过程中，活塞机械负荷会随着活塞运动到气缸顶时所产生的压力是最大的，运动到最低的位置，压力是最小的，并且带来最大的动能。所以，活塞的机械负荷是在不断地变化当中的，在这个过程中活塞的机械负荷由于燃油燃烧产生出惯性力，在这样的往复当中，对于活塞进行运动过程的最大爆发和最大惯性来当做两个界值进行分析，从而能够将在实际工作中的活塞机构进行优化。

结语：综上所述,为了满足活塞的高速化和轻量化的发展要求，利用有限元分析方式对于活塞进行设计，实现了活塞的自动化，从而满足了产品优化的开发过程，并且缩短了设计的周期。内燃机活塞机构的优化设计主要在活塞环的三个主要参数优化、活塞环的材料及表面优化、活塞的工作过程优化这三个主要的方面，提升了活塞环的实际使用价值。

参考文献：

[1]胡新宇.内燃机活塞机构的优化设计[J].内燃机与配件,2022(01):13-15.

[2]伦冠德.内燃机活塞机构的建模及仿真分析[J].拖拉机与农用运输车,2019(03):73-74+80.