[发明专利]一种活塞及其裙部截面形状的优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及发动机活塞技术领域，特别涉及一种外圆截面曲线光滑的活塞及其裙部截面形状的优化方法。

背景技术

为了满足未来汽车的要求，发动机强化程度日益提高，活塞所承受的负荷也日益严峻，对活塞外圆形状的要求也逐步提高，活塞外圆横截面形状因种种因素的影响变得复杂起来，如不对称椭圆、局部偏心椭圆、数次偏心及叠加椭圆等等，而国内对活塞横截面形状设计与加工研究不足，造成国内在活塞横截面形状的设计与加工上存在很大的局限性。

另外，对于外圆形状复杂的活塞往往通过逐点调整进行控制，造成在加工过程中，调整困难和曲率变化带来的尺寸的波动，在对活塞要求日益提高的今天，将存在着严重的质量隐患。

活塞在内燃机里的作用主要是传递力、密封、导向和传热。活塞裙部截面在实际工作时最理想的状态是趋近于圆，这样能更好的与缸套贴合，完成均压承力和导向等作用。

活塞在高温、高压、高速的环境下工作，由于受到机械应力和热应力的共同作用，活塞就会产生变形。这样在活塞设计时，需要把活塞外圆设计成非圆形状，以弥补机械变形、热变形产生的形变。

活塞外圆截面的数学模型有偏心圆、标准椭圆、二次椭圆以及偏心圆弧与正矢曲线结合等。

如图1所示，数学模型为偏心圆的活塞外圆截面为两圆弧段加上两偏心圆弧段组成，通过采用偏心车削得到近似椭圆。

其关系式为：

偏距ε＝Δ/(1-cos(0.5φ))；

偏心圆半径R＝(0.5D1+ε)-Δ。

其中，Δ为标准圆到偏心圆的距离；φ为偏心圆起点与终点的夹角。如附图2所示，数学模型为标准椭圆的活塞外圆截面为正矢曲线椭圆。

(1-cos2α)；

在上式中，椭圆度＝a-b；ΔD＝a-c(直径减薄量)；

其中，a为椭圆长轴；

b为椭圆短轴；

α为截面角度(截面处与长轴的夹角)；

c为截面角度为α处的椭圆两点间的距离。

如图3所示，数学模型为二次椭圆的活塞外圆截面为椭圆时，在α＝±45°进行修正，可加厚，也可减薄，则得到二次椭圆截面。

ΔD＝ΔD₁±ΔD₂，其中，(1-cos2α)，

(1-cos4α)；

其中，正叠加取“-”号(减薄)，负叠加取“+”号(加厚)，(1-cos2α)为标准椭圆方程，(1-cos4α)为二次椭圆方程。

在上式中：

ΔD为直径减薄量，ΔD₁为直径为长轴a的基圆上减薄成椭圆时的减薄量，ΔD₂为在上述椭圆的基础上减薄成二次椭圆的减薄量。

上述几种外圆截面模型过于简单，已不适用于高速、高压工作环境，达不到低排放、低能耗的要求。

活塞外圆截面采用偏心圆的缺点是在圆弧与偏心圆连接处突变，存在尖角，易造成过度磨损，外圆直径变化量过于简单，只能适应于低档、低压、低速的内燃机。

标准椭圆活塞大大增加了活塞裙部与气缸的贴合面积，降低了比压，减少了磨损，但活塞裙部时常在工作中发生α＝±45°处存在擦伤痕迹，表明活塞外圆设计不理想。

活塞裙部椭圆度不足可能导致活塞卡死，但椭圆度过大，会使裙部与汽缸的实际接触面减小，磨损与拉毛的倾向增大。活塞工作时，受到机械应力和热应力共同作用，其变形量往往是不规则的，不是椭圆、二次椭圆、或者偏心圆加椭圆就能表达清楚的。

所以，上述偏心段圆线都存在：横截面交点处存在尖点；纵截面过渡不平滑；偏心部分车削材料过多等产品质量问题。抛物线、过渡曲线在其连接端存在加速度跃变，引起切削过程有震颤，影响到加工质量，加工质量往往达不到设计要求。在高效率加工时，机床高速运转，加速度也大，易引起加工尺寸不稳定，波动大，因此要求机床的响应能力相当强，一般的机床很难实现产品要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种活塞，以拥有较小的最大加速度和有限的阶跃值。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种活塞，该活塞的截面曲线为如下椭圆直径变量参数方程：