1引言

1.1 概述

发动机是一种将燃油化学能转变成为机械功的动力机械。这种能量转换是燃油在气缸中与空气充分混合进行燃烧，产生高温高压的工作气体，推动活塞、连杆、曲轴，从而使燃油化学能转变成机械功向外输出的。发动机经历了一百多年发展，虽然基本构造变化不大，但其性能和设计水平一直在不断提高，其燃油经济性、升功率、紧凑性、制造成本、可靠性和使用寿命等主要技术指标不断得到改善。近年来，为适应环境保护的要求，在减少其有害排放物、减

少振动与噪声等方面也在不断地进步。

伴随着发动机转速和功率的提高，必然会带来缸内燃气爆发压力和温度增高。燃气爆发压力增加，一方面使得活塞、缸体和缸盖承受的机械负荷增大，导致活塞、缸体和缸盖因强度不足而产生破坏。另一方面压力升高过大，还会产生敲缸现象和增加发动机燃烧噪声。燃气温度升高，导致组成发动机燃烧室的受热零件热负荷增加，产生极大的热应力和热变形，温度过高还会导致受热零件材料强度和硬度急剧下降，降低其可靠性和使用寿命。

活塞是发动机工作条件最苛刻的零件之一，它在高速往复运动中传递着整个发动机原动

力,承受着非常高的机械负荷和热负荷。活塞是制约发动机进一步强化的瓶颈之一。活塞设计好坏、加工精度的高低都会直接影响发动机经济性、可靠性、检修周期和使用寿命。温度过高会降低材料许用应力和强度，从而缩短活塞使用寿命和降低发动机性能。另外在热负荷和机械载荷作用下，活塞整体会发生变形，从而影响活塞与缸套之间的配合精度。

发动机工作时，各零件之间存在着多种运动形式，而且有的大运动组件之中还包含着微小的运动，在曲柄连杆机构中，活塞和缸套之间的往复运动过程中，就同时存在着活塞销和销

孔间的旋转运动、活塞环和活塞环槽之间的旋转运动，这些零件间虽然没有很高的相对运动速度，但是存在着很大的作用力，这样,在相互接触之间就会产生接触应力和切向运动阻力一摩擦力，因而会造成摩擦损失，严重时,会在摩擦力的作用下造成零件的损坏。

活塞销与销孔间既然有相互运动且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。这种摩擦力，虽然对发动机的有效效率没有多大的影响，但是，如果活塞销孔处的温度过高（活塞销孔温度超

过1 8 0 0 C ),活塞销与销孔之间的接触应力过大，就会破坏了二者之间存在的润滑油膜，使 销孔表面和活塞销在局部形成干摩擦，将有可能导致活塞销孔表面拉毛、拉伤，使之不能正 常工作；同时作用在销孔上机械应力过大，而此时活塞材料在高温下性能下降， 有可能使活塞 销孔产生裂纹，严重时会导致活塞销孔开裂、破碎，甚至损坏发动机机体。

对活塞进行热、力分析研究方法有多种，近年来，利用有限元技术对活塞进行热、力耦

合研究越来越普遍。在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元法(

FEM FIN I T E EL E MENT M 田HOD 为解决发动机各零部件的分析计算问题提供了有效途径 ,它具有试验 方法和理论解析方法无可比拟的优势，己经成为发动机性能研究的重要手段。在发动机产品 设计实践中，有限元分析软件与 C2系统集成应用，缩短了发动机产品设计和分析周期，降

低了发动机产品成本，提高了发动机产品可靠性。同时在发动机新产品制造前，通过模拟各种 试验方案,预先发现潜在问题，从而减少试验时间和经费。如今有限元分析方法在活塞开发设 计中已得到广泛应用，大大提高了活塞设计的可靠性，缩短了开发周期。

1 . 2国内外研究现状

基于计算机技术发展和应用的普及，目前国外公司对活塞的机械疲劳研究多采用对比发

动机耐久试验与活塞液压脉冲疲劳试验数据，以计算机仿真建模和有限元计算为支持，模拟热 负荷及机械负荷等对活塞结构的影响，计算活塞的热机械应力，判定活塞的可靠性能。但由于 技术保密的原因，国外研究机构对2 0世纪末期以后的活塞机械疲劳可靠性研究及相关文献处

N 曲线规律、新材料的研制、机械疲劳研究中的新技术等鲜见

相关的文献报道。

国外对活塞销孔机械疲劳可靠性的试验研究包括发动机耐久性试验及活塞液压脉冲疲劳 试验两种形式，部分研究机构还进行了销座部位的应力测试工作。国内外发动机公司对发动 机强化试验的考核也有所不同。英国 WEL W O R TH 公司以11 0%g 定功率运转5 00小时，然

后再进行500小时1100 K 最大扭矩试验，考核活塞销座、燃烧室边缘等部位是否出现裂纹 日本小松制作所对工程机械用柴油机进行了强化对比试验，柴油机以标定工况运转 时后活塞销座出现裂纹,当以120%负荷运转时,230 0小时活塞销座就出现了裂纹。国内各发

动机公司及国家标准也有相关的试验考核规范。与发动机耐久性试验相比，考虑到高效、节能 于保密状态，活塞材料S 800 0小