现代新型轿车活塞的设计开发与试验研究

摘要

活塞组件是内燃机的重要零部件之一，它的工作状况直接影响到内燃机的性能、工作可靠性和排放性能等指标。尤其是随着客户和社会对发动机性能的要求越来越苛刻，产品推向市场的紧迫性日趋迫切，活塞组件的合理设计与否成为制约发动机开发成败的关键因素。 本课题在综合国内外发动机活塞研究现状的基础上，以某高性能轿车发动机活塞83a的设计开发及试验研究为例，制定了一套较为完善的、有效的活塞组件设计方法。依据本课题总结的设计和分析流程，在确保该高性能活塞耐高温性能、热稳定性及保证活塞可靠性的前提下，有效的提高了发动机的机械效率，发动机的机油消耗量、漏气量等性能参数也均达到了设计目标。 本课题所开展的工作主要为： 总结了整体铝合金活塞的基本设计规律，提出了活塞组件集成的设计方法；利用Unigraphics软件设计并建立了活塞组件的三维数值模型，并利用Ansys软件进行了活塞组件的网格划分及数值模拟计算工作。通过对活塞组件的温度场、应力场和安全系数等进行模拟计算，在结构强度上保证了该轿车活塞的结构可靠性。 制定了基于活塞动力学和活塞环动力学的活塞摩擦副组件GLIDE模拟分析与评价工作规范：利用GLIDE动力学模拟分析软件，根据发动机机油耗、气体流动和摩擦函数方程等建立了活塞动力学的数学模型，同时对活塞裙部型线进行对比分析，研究不同参数对发动机动力性能、机油耗、噪音等指标的影响。 利用台架试验测试了发动机爆发压力随曲轴转角的变化规律，利用硬度塞法测量了活塞的表面温度，并进行了发动机活塞的拉缸试验、贴合试验、性能试验与可靠性试验等。试验结果表明，依据本课题所提供的活塞组件配合参数达到了发动机的预期设计目标，通过对活塞摩擦副组件进行模拟和优化，有效的提高了活塞组件的开发成功率。 通过本课题的研究，在保证活塞工作可靠性的前提下，提了产品开发成功率，缩短产品推向市场的时间，降低了试验所带来的巨额开发费，为其他新产品的设计与开发提供了经验。

目录

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第1章 绪论

1.1现代新型轿车活塞设计和试验研究的目的和意义

1.2国内外概况、发展趋势

1.3本课题主要研究工作

1.4主要技术内容创新及关键技术路线

1.5本章小结

第2章 活塞设计分析基本概念和理论

2.1活塞设计的基本要求

2.1.1活塞主要尺寸

2.1.2活塞头部形状设计

2.1.3活塞裙部设计

2.2活塞有限元分析的理论基础

2.2.1线弹性有限元法理论

2.2.2边界(接触)非线性有限元法

2.2.3热传导问题的有限元法

2.3活塞动力学模拟分析理论

2.3.1润滑计算

2.3.2弹流过程计算

2.3.3活塞系统二阶运动数值分析过程

2.4本章小结

第3章 活塞有限元分析及疲劳评价

3.1活塞结构设计描述

3.2活塞有限元计算模型的确立

3.3活塞热分析、热机耦合分析及疲劳评价

3.3.1活塞热分析、热机耦合分析边界条件的确定

3.3.2活塞结构有限元计算和分析

3.3本章小结

第4章 发动机活塞摩擦副组模拟分析

4.1数学模型

4.1.1机油耗数学模型

4.1.2气体流动模拟

4.1.3摩擦副部件的摩擦函数

4.2模拟分析

4.2.1运算过程

4.2.2活塞的模拟分析结果

4.3本章小结

第5章 发动机活塞试验研究

5.1活塞表面温度测量

5.2发动机爆发压力测量

5.3发动机活塞性能试验研究

5.3.1活塞型线贴合试验

5.3.2活塞拉缸试验

5.3.3可靠性试验

5.3.4发动机性能试验

5.4活塞试验结果评价

5.5本章小结

第六章 结论及展望

6.1全文总结

6.2后续工作展望

参考文献

在读期间发表的论文

致谢