重型车⽤柴油机活塞销孔可靠性分析
吴义民王世利刘⼩斌
（⼭东滨州渤海活塞股份有限公司，⼭东滨州 256602）
摘要：活塞销孔/活塞销是发动机上⼯作条件最恶劣的摩擦副之⼀，随着柴油机的强化程度的不断提⾼，对活塞销孔/销座的可靠性要求也不断提⾼。本⽂通过介绍活塞销孔/销座的结构形式及活塞在柴油机中⼯作时的状态、失效形式及试验验证⽅法，从⽽揭⽰了影响活塞销孔承载能⼒的各种因素。 关键词：活塞；销孔；可靠性；柴油机
Piston pin bore reliability analysis of Diesel piston for heavy-duty vehicle
WANG Shi-li，WU Yi-min，LIU Xiao-bin
（shandong binzhou bohai piston co.,ltd, binzhou 256602,China）Abstract:Piston pin bore/piston pin is one of the assembly parts which are under most severe condition of engine. With the constantly enhan
cing of diesel engine strength, the reliability of piston pin bore/pin boss is also required to be enhanced constantly. This article introduces the structure of piston pin
bore/pin boss and the working state, failure mode and test validation methods of piston in diesel engine, which thus reveals all kinds of factors influenced piston pin bore bearing force.
Key words: Piston, Piston pin bore, reliability, Diesel engine
索道安装
引⾔
随着柴油机强化程度及排放指标的不断提⾼，活塞所承受的热负荷及机械负荷也不断的增加。活塞顶⾯承受的爆发压⼒是通过活塞销孔-活塞销传递到连杆曲柄机构的，活塞销孔/活塞销这对摩擦副不但承受着很⾼的机械压⼒，⽽且受到活塞温度、润滑条件不良等因素的影响，是发动机上⼯作条件最恶劣的摩擦副之⼀。特别是重型车⽤柴油机的⼯作地域⼴阔，使⽤功率范围宽，环境复杂，这给活塞销孔/销座的可靠性设计提出了更严格的要求，由疲劳破坏导致的活塞销孔/销座可靠性问题已成为社会和⽣产企业⾯临的严重问题，国内外研究⼈员对此给予了⾼度重视。
本⽂所提及的活塞专指重型车⽤柴油机活塞。
1 活塞销孔/销座的设计
活塞在⽓缸中⼯作时同时承受着热负荷和交变的机械负荷，活塞所承受的机械负荷来⾃汽缸的爆发压⼒、活塞组的往复惯性⼒及曲轴箱的压⼒，在发动机⼀个⼯作循环中，汽缸压⼒随曲轴转⾓的变化⽽变化，所以分析活塞销孔的机械负荷时不应⽤静态受⼒分析；同时活塞还是⼀个热的平衡体，活塞顶⾯吸收燃烧系统的热量，再通过环槽、活塞内腔、活塞裙部、震荡油腔的冷却机油向外传递。如果活塞散热不良或燃烧室内温度过⾼，将会导致活塞温度上升，外圆过度膨胀，承载⼒降低。引起拉缸、开裂等失效模式。
1.1活塞的变形
在以前的⽂献资料中所谈及的活塞变形只是最⼤爆发压⼒点的机械变形，并没有考虑热变形，活塞在汽缸压⼒作⽤下裙部向外偏转，⽽活塞销在⼒的作⽤下弯曲变形，由于两者的变形量相反，相互约束，造成活塞销孔内侧压⼒最⾼，在此理论指导下销孔内侧要设计成R弧或者R弧+锥形，以降低销孔内侧压⼒峰值，从⽽提⾼活塞销孔的承载能⼒。
图1 以往的活塞变形理论⽰意图
活塞实际⼯作状态下的变形分为两类：活塞的热变形和机械变形。由于活塞顶部受热，下端散热，活
塞头部温度⾼，基体组织厚，所以活塞头部的膨胀量要⽐下部膨胀量⼤，图2是活塞⼯作状态下的热变形。活塞在机械⼒的作⽤下也会变型，但其变形量要⼩于温度梯度造成的变形量。即便是在最⼤爆发压⼒点。图3是热变形和机械变形的复合。
图2 活塞的热变形图3 活塞的复合变形
综合以上三图可看出，活塞变形的主要还是热变形。
1.2 活塞销座的结构
谈到活塞销孔，就不能不涉及活塞销座结构，活塞销座是活塞销孔的承载体，直接关系到销孔的承载能⼒，重型柴油机活塞的销座⼀般采⽤刚性结构（刚性销座承载能⼒⾼），分为以下⼏种类型：
A、直销座
B、斜形销座
C、阶梯形销座
A直销座 B 斜形销座 C 阶梯形销座
图4 活塞销座结构类型
销孔的承载能⼒与销孔的承载投影⾯积成正⽐，从图4可以看出，在连杆⼩头中⼼宽度相同的情况下，阶梯形销座承载⾯积>斜形销座承载⾯积>直销座承载⾯积，所以阶梯型销座的承载能⼒最⾼，直销座承载能⼒最低。
1.3 销孔/销座的承载能⼒
1.3.1 销孔承载能⼒与结构有关
随着柴油机强化程度的提⾼，为了有效降低销孔的表⾯⽐压、增加销座强度，防⽌销座开裂，活塞销座⼀般采⽤斜形刚性实⼼结构，由于销座刚性的增加，对活塞销变形的适应性降低，导致销孔表⾯的峰值压⼒严重不均。为改善销孔表⾯的应⼒分布，必须采取⼀定的措施，如采⽤椭圆形销孔、带减压弧销孔、锥形销孔等。
锥形销孔椭圆销孔减压弧销孔
图5 销孔结构类型
发动机在⾮做功冲程，活塞和活塞销的机械变形⾮常⼩，这时活塞销的外段与销孔的外段相接触，为了减低外段的接触应⼒，活塞销孔设计成双曲线形，即：销孔内、外段都是喇叭⼝形，中间为圆柱形，⽬前，国内外在⾼强化柴油机活塞上普遍采⽤这种双曲线销孔设计。
图6 双曲线销孔
不同结构的活塞销孔的承载能⼒不同，经过⼤量的实验、装机使⽤验证，得出各种铝活塞销孔的承载能⼒如下：
圆柱形销孔：<55MPa
销孔内侧喇叭⼝销孔：<60MPa
双曲线销孔：<65MPa
双曲线+椭圆销孔：<67MPa冷凝器设计
1.3.2 销孔承载能⼒与活塞材料有关
活塞销孔的承载能⼒除与结构有关外，主要还是决定于活塞材料，对于铸造铝合⾦BH122A （ML124）、BH135(ML142)、BH136(ML174+)的性能有所区别，但没有质的变化。现在对于强化程度很⾼的柴油机，普遍采⽤钢活塞，钢活塞的销孔承载能⼒可达到115MPa。
钢活塞的头部和裙部⽑坯分别采⽤固态模锻成型，进⾏粗加⼯后采⽤摩擦焊的⽅式成为整体，然后再进⾏精加⼯。整体锻钢结构活塞较铝合⾦活塞具有更多的优点，如可承受更⼤的负荷、机油消耗低、配缸间隙⼩、发动机机体做的更低等，现阶段锻钢活塞的材料⼀般采⽤以下两种：
42CrMoV 需调质处理（并喷丸处理）
38MnVS6 ⾮调质钢，切削速度可提⾼30％。
图7 活塞头部与裙部的摩擦焊图8 整体钢活塞
1.3.3 销孔承载能⼒与活塞销的刚度有关
活塞销孔的承载能⼒还与活塞销的刚度有关，活塞销刚度越⾼，销孔的承载能⼒也随之提⾼，⼀般情况下活塞销的需⽤变形量为：
许⽤椭圆变形量：△d=0.013+0.000135*D
许⽤弯曲变形量：f = 0.00022*D （D为销孔直径）
1.3.4 销孔加衬套活塞
当铝合⾦活塞销孔⽐压超过65MPa时，还可以考虑采⽤低压铸造的同时销孔中加衬套结构。加衬套活塞的承载能⼒主要与衬套的外径有关，如直径为50mm的销孔，采⽤外径为55mm的衬套，其承载⾯积增加了10%，相应的销孔的承载能⼒也提⾼了10%。
图9 销孔镶铜套的活塞
2 活塞销孔/销座的可靠性试验分析
在活塞研制开发阶段确定活塞使⽤寿命（或者可靠性）的⽅法主要有两种：台架试验和模拟分析计算。
2.1 销孔疲劳试验
我公司采⽤电液压伺服疲劳试验装置进⾏了⼤量的实验研究，该实验设备主要由动⼒源、计算机控制系统、试验主机三部分构成，活塞样件在试验前通过检查确保没有裂纹，试验时，对活塞样件以⼀定频率施加规定波形的动态载荷(对于载荷的⼤⼩、试验总循环数没有统⼀的规定，不同的⽤户有不同的要求)。试验完成后进⾏着⾊检验销孔是否存在裂纹，以确定销孔的承载能⼒。
折叠音箱
图9 销孔疲劳试验机图10 施加在活塞上的压⼒波形活塞销孔疲劳试机试验与发动机台架试验有较⼤的区别，疲劳试验机所加的载荷仅是机械负荷，⽽活塞在发动机中还受到热负荷，通过以上介绍我们知道活塞是⼀个热平衡体，头部温度⾼⽽裙部温度低，热负荷对于活塞占的⽐重很⼤，所以疲劳试验机不能够完全替代发动机台架试验。做活塞销孔疲劳试验也并⾮没有意义，通过对某类型结构的发动机dc偏置
活塞⼤量的试验，可以出与活塞在发动机上实际使⽤相对应的数据，建⽴该类型活塞销孔承载能⼒的数据库。
2.2 有限元计算
由于发动机各零部件的可靠性试验时间长、费⽤很⾼的原因，疲劳寿命的仿真分析软件越来越受到产品设计⼈员的关注。我公司采⽤的是ANSYS结构分析和FE-SAFE疲劳分析软件，通过UGⅡ完成活塞、活塞销和连杆⼩头的三维造型，ANSYS完成相关分析计算后经后置处理程序，可得到多种形式的结果显⽰，主要有：温度场、应⼒场、活塞变形量、安全系数等。以下是对某活塞销孔的分析结果。
图11 活塞销孔的复合应⼒
图12 活塞销孔顶部的应⼒分布
gmr传感器
图13 活塞销孔的安全疲劳系数
3 活塞销孔/销座的主要失效模式及失效分析
活塞销孔的失效形式主要是开裂，开裂分为两种，⼀种是应⼒开裂，另⼀种是疲劳开裂，应⼒开裂主要原因是活塞销孔⽐压虽然不⾼于65MPa，但由于设计不合理或者制造过程中有缺陷，造成活塞销孔某⼀点应⼒集中，引起的活塞销孔开裂。疲劳开裂：虽然零件所承受的应⼒低于材料的屈服点，但销孔的⽐压超过了65MPa，在交变应⼒的作⽤下，但经过较长时间的⼯作⽽产⽣裂纹导致发⽣的断裂，称为疲劳断裂。
以下是某活塞销孔疲劳开裂的实例：
某发动机的设计最⼤爆发压⼒为17.5MPa，投放市场后有少部分发动机活塞出现销孔开裂，继⽽导致燃烧室穿孔（图14），经检测失效发动机，发现实际最⼤爆发压⼒超出了设计允许值，从⽽引起活塞销孔⽐压升⾼（见下表），最终导致活塞销孔疲劳开列。
活塞销孔⽐压数值如下：
图14 失效活塞裂纹断⾯（图⽚中标识处为裂纹源）
图15 活塞裂纹源处扫描电镜图⽚（没有发现材料缺陷）
4 结论
活塞销孔与活塞销是柴油机上⼯作状况最恶劣的摩擦副之⼀，活塞销孔不但承受着热负荷，同时还承受着交变的机械负荷，在设计活塞时应特别注意。铝合⾦活塞的销孔的⽐压应限制在65MPa 以内，锻钢活塞的销孔⽐压应限制在115MPa以内。同时还要明确以下观点：
A、活塞销孔的承载能⼒与销孔承载⾯积成正⽐，承载⾯积越⼤承载能⼒越⾼。
B、不同类型铝合⾦材料对销孔的承载能⼒虽有不同，但没有太⼤的变化，要想⼤幅度提⾼销
孔承载能⼒，应选⽤不同类别的活塞材料（如铸铁、锻钢、复合材料等）。
C、活塞销孔的微观结构能够改善销孔各部位的应⼒，使承载⼒在销孔⾯上分布的更加均匀。
D、活塞销孔的承载能⼒与温度有关，温度越⾼销孔承载能⼒越低。
E、销孔结构设计时应充分考虑热变型。高硅铝合金
参考⽂献
[1] 刘达利.新型铝活塞.北京：国防⼯业出版社，1999
[2] 刘世英.内燃机活塞机械疲劳损伤与可靠性研究[M].⼭东：⼭东⼤学，2007
[3] 郑永刚.有限元分析与疲劳评价在活塞开发中的应⽤.[M].内燃机.2005 №.3
1、作者简介：吴义民（1971-），男，⼭东滨州⼈，⼤学本科，研究员，主要研究⽅向为柴油机活塞的设计开发
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