论文题目：基于某汽油机活塞轻量化及铸造工艺优化设计
摘要：在发动机运行过程中,活塞做高速周期性的往复运动,将燃气产生的热能转化为曲轴旋转的机械能。往复运动并不是匀速的,运动加速度的存在会产生巨大的往复惯性力和惯性力矩。这些力和力矩是引起发动机机械损失以及发动机振动的重要因素。对于高速汽油发动机,活塞进行轻量化设计后,活塞重量的减小可以有效减小往复惯性力,提升发动机的经济性、舒适性、可靠性;同时减少活塞某些冗余部位,从而减少制造材料的投入,降低活塞原材料成本。因此活塞轻量化改进十分重要。首先,本文以活塞轻量化设计理论为基础,完成了某汽油机活塞轻量化设计。通过实际生产中轻量化方法与先进的活塞设计理论相结合,对活塞初始方案进行优化改进。活塞选用强度性能更优的新型铝合金材料。结构方面分别对活塞总高,活塞内腔顶,活塞环背凹腔,活塞销孔以及活塞裙部进行轻量化设计,活塞重量减轻29g,完成设计目标。活塞一环槽采用阳极氧化,裙部采用新型耐磨涂层,从而提升环槽和裙部的耐磨性。其次,运用ansys软件进行活塞热力学优化;运用Pisdyn及Glide动力学分析软件对活塞进行动力学分析。通过销孔及裙部接触应力计算选用更优的销孔及裙部型线。最初方案环背凹腔疲劳系数略低,改进其形状更圆滑的向面窗过渡,改进后结构疲劳系数得到提升。轻量化改进后活塞的敲击动能,运动摆角以及裙部摩擦损失均得到改善。然后,通过MAGMA软件铸造模拟分析优化活塞铸造过程以及铸造工艺,减少因轻量化设计引起的铸造缺陷。采用先进的CMR技术,铸造过程细化活塞金相,提高材料性能。铸造完成毛坯通过检验,证明之前的模具及铸造过程是合理的。最后,通过活塞温度场试验、活塞销孔疲劳试验、活塞最小间隙拉缸试验、活塞耐久试验、发动机振动试验对轻量化前后活塞进行对比。采用硬度塞法进行活塞测温,结果与热力学温度场分析结果基本一致。通过销孔疲劳试验检验活塞销孔设计的合理性,对试验后活塞进行染色检验,销孔无裂纹满足发动机要求。活塞最小间隙拉缸试验验证活塞裙部设计合理性。活塞耐久试验是活塞开发试验的最主要试验,其结合了高低负荷疲劳循环工况以充分反映发动机的耐久能力。试验数据表明,活塞轻量化裙部、销孔、环槽关键部位磨损量减小,对试验后活塞进行着色探伤,未发现裂纹,证明活塞强度满足要求。发动机振动试验验证活塞轻量化改进对发动机振动有改善。本文主要创新点如下:（1）对某汽油机活塞进行了轻量化改进设计,减少了活塞重量,减少制造材料的投入,降低活塞原材料成本。为以后汽油机活塞轻量化设计提供设计方案和依据。（2）首次将轻量化活塞改进与活塞工艺改进相结合,可以为轻量化活塞实际生产提供可行性方案。（3）运用热力学、动力学全面的模拟计算了轻量化前后活塞温度、强度、二阶性能的变化,并通过活塞试验对计算结果进行了验证。
关键词：汽油机活塞;轻量化;活塞设计;工艺优化
学科专业：机械工程（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 汽油发动机现状
1.2.2 活塞理论研究现状
1.2.3 汽油机活塞轻量化研究现状
1.3 本文的研究内容
第二章 汽油机活塞设计的基本理论
2.1 活塞的受力载荷
2.1.1 活塞的热负荷
2.1.2 活塞的机械负荷
2.2 活塞的摩擦磨损
2.3 振动与噪声
2.4 活塞结构设计理论
2.4.1 燃烧室结构
2.4.2 环槽与环岸结构
2.4.3 销孔结构
2.4.4 裙部结构
2.4.5 活塞其他部位设计
2.5 本章小结
第三章 某汽油机活塞轻量化设计
3.1 设计背景及来源
3.2 发动机基本参数
3.3 活塞设计流程
3.4 活塞的材料选择
3.5 活塞结构设计
3.5.1 活塞总高
3.5.2 活塞内腔顶设计
3.5.3 活塞环背凹腔设计
3.5.4 活塞销孔及销座设计
3.5.5 活塞裙部设计
3.5.6 活塞结构改进分析
3.6 活塞表面处理
3.6.1 活塞环槽阳极氧化
3.6.2 裙部涂层
3.7 本章小结
第四章 某汽油机活塞热力学及动力学分析
4.1 热力学分析
4.1.1 热力学模型建立
4.1.2 热力学网格划分
4.1.3 边界条件的确定
4.1.4 活塞分析工况
4.1.5 温度场
4.1.6 热应力和热机耦合应力
4.1.7 销孔及裙部接触压力
4.1.8 疲劳系数预测
4.2 动力学分析
4.2.1 活塞动力学分析的边界条件
4.2.2 动力学输出结果
4.2.3 动力学结果分析
4.3 本章小结
第五章 轻量化活塞铸造可行性分析
5.1 MAGMA分析
5.1.1 活塞模拟计算主要参数设置
5.1.2 活塞模拟计算结果分析
5.2 铸造模具
5.3 毛坯制造
5.4 铸造毛坯检验
5.5 本章小结
第六章 活塞试验
6.1 活塞测温试验
6.1.1 硬度塞
6.1.2 活塞表面测量点
6.1.3 发动机运行数据
6.1.4 活塞试验结果
6.2 销孔疲劳试验
6.3 最小配缸间隙拉缸试验
6.4 发动机耐久试验
6.5 发动机振动试验
6.5.1 试验条件
6.5.2 试验输出结果
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 本文总结
7.2 展望
参考文献
致谢