[发明专利]一种基于空腔隔热的钛合金活塞及其设计方法

说明书

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。