一种节能延寿的发动机活塞的制作方法

本发明涉及一种发动机活塞，特别是涉及一种基于增润、耐磨、延寿功效的节能延寿的发动机活塞，可应用于各种发动机中如汽油机、柴油机。

背景技术：

汽车已经是人们日常生活中必不可少的代步、交通、运输工具。在如今全球节能减排、治霾抗污的大背景下，新能源汽车的研制推广成为首要任务，但其配套设施的不完善以及高昂的价格使其完成普及仍需要一段时间。发动机是汽车的动力源，也是汽车有害废气排放的主源。经多项研究证明发动机燃烧能量中有10％～20％消耗在机械损失，而机械损失中有45％～65％能量消耗在活塞、活塞环与气缸的摩擦副中，故发动机研究重点多在降低活塞摩擦力、提高活塞外表面耐磨性能以及提高活塞抗疲劳功能上，如公开号为“CN100516490C”的中国专利文献，公开了一种内燃机的节油活塞；公开号为“CN 104763550 A”的中国专利文献，公开了一种节能环保的内燃机活塞；公开号为“CN 103410626 B”的中国专利文献，公开了一种带有表面织构形态的内燃机活塞。经过对捷达XL-2V汽车发动机活塞的工况解读和有限元分析，发现应力较集中的部位为活塞顶部第三环槽，此处由于回油孔的设计加之其距离高温活塞顶部较近，必然导致应力集中于此，回油孔处的集中应力也较大。其次应力较大的部位为活塞顶部，高温、燃气高压都将导致活塞顶部应力变大，活塞顶部应力分布由中心向四周逐渐减小。活塞裙部应力从上至下逐渐增加，由中间向两边先减小再增加，这是由于裙部上端距离环槽较近应力被分散转移到环槽上，裙部下端虽然温度最低但此处壁厚较薄且无加强筋设计，裙部周向方向应力较大部位距离全活塞应力最大的销孔最近所以承担了更大的负载，现有技术中提及的三种活塞设计虽能在一定程度上解决上述技术问题，但在保证延长活塞疲劳寿命方面和节油方面尚有欠缺，考虑到巨大的发动机使用量，即使将活塞-缸套系统的摩擦损耗降低很小幅度，也可以对减少能源消耗和改善环境产生较大影响。同时将易加工、低成本的节能延寿型发动机活塞作为新能源汽车普及前的过渡产品，前景巨大。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于减小发动机在活塞与缸套做功过程中因摩擦产生的机械能损失，同时延长活塞疲劳寿命，提供一种基于增润、耐磨、延寿功效的节能延寿的发动机活塞。

为达到上述技术目的，本发明提出了一种节能延寿的发动机活塞，包括活塞顶部和活塞裙部，其特征是：所述活塞裙部分为主应力承载区和次应力承载区，在活塞裙部外表面等间距均匀布置有相互平行的竖状内凹条纹，所述竖状内凹条纹包括第一竖状内凹条纹和第二竖状内凹条纹，

其中第一竖状内凹条纹位于次应力承载区，所述第一竖状内凹条纹为等宽等深凹槽形结构，凹槽截面呈圆角矩形、圆角三角形或圆弧形；

其中第二竖状内凹条纹位于主应力承载区，所述第二竖状内凹条纹为等宽凹槽形结构，凹槽截面呈圆角矩形、圆角三角形或圆弧形，第二竖状内凹条纹的深度从活塞裙部上部到下部呈线性递减变化，线性关系为Y＝-X(H1-H0)/L3，X和Y分别为平面内点的横坐标和纵坐标，H1为活塞顶端端面槽深，H1为活塞裙部厚度的35％～40％，H0为活塞底端端面槽深，活塞底端端面槽深为活塞顶端端面槽深的70％～80％，L3为第二竖状内凹条纹的长度。

进一步，相邻两列竖状内凹条纹间距为活塞裙部周长的2％～4％。

进一步，所述第一竖状内凹条纹的宽度为活塞裙部周长的0.3％～0.4％；所述第二竖状内凹条纹的宽度为第一竖状内凹条纹宽度的80％。

优选的，在任意相邻两列竖状内凹条纹间的活塞裙部上开设有通孔，所述通孔一列纵向排列在两列竖状内凹条纹之间，每列通孔中的相邻通孔的间距为活塞裙部裙长的13％～15％，且排布在次应力承载区内的通孔直径为第一竖状内凹条纹宽度的70％～80％，排布在主应力承载区的通孔直径为第二竖状内凹条纹宽度的70％～80％。

优选的，在任意相邻两列竖状内凹条纹间设置有第三竖状内凹条纹，第三竖状内凹条纹与竖状内凹条纹相互平行布置，排布在次应力承载区内的第三竖状内凹条纹宽度为第一竖状内凹条纹宽度的60％～70％，深度为其两侧第一竖状内凹条纹深度的60％～70％；排布在主应力承载区的第三竖状内凹条纹宽度为第二竖状内凹条纹宽度的60％～70％，深度为其两侧第二竖状内凹条纹深度为60％～70％。

更进一步，所述第三竖状内凹条纹截面呈圆角矩形、圆角三角形或圆弧形。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明在活塞裙部外表面等间距均匀布置有相互平行的竖状内凹条纹，竖状内凹条纹为变宽度和变深度设计，活塞裙部上应力较小的部位设计有等宽等深的第一竖状内凹条纹，活塞裙部上应力较大的部位设计有上深下浅的变深度等宽第二竖状内凹条纹。

本发明通过试验和有限元分析发现加工于高速运动活塞上的竖状内凹条纹内存有低速流动的润滑油，越接近竖状内凹条纹内底端润滑油流速越慢，从而在富油情况下竖状内凹条纹内存储了润滑油，在乏油情况下竖状内凹条纹内存储的润滑油补充供给给摩擦界面，改善了润滑条件。有效的防止了拉缸、爆缸现象的发生，延长了活塞和气缸的使用寿命。

本发明通过改变活塞裙表面形态的方式，改善活塞裙部与缸套间润滑条件，减小摩擦阻力，卸载活塞裙部集中应力，以达到提高活塞润滑效果，延长活塞和气缸使用寿命的目的。竖状内凹条纹在活塞裙部的设计，使整个活塞实现了轻量化，降低了油耗，起到节能作用。

综上所述，本发明考虑到活塞裙部在工作状态下受力是不均匀的，在活塞裙部外表面等间距均匀布置有相互平行的竖状内凹条纹，竖状内凹条纹为变宽度和变深度设计，活塞裙部上应力较小的部位设计有等宽等深的第一竖状内凹条纹，活塞裙部上应力较大的部位设计有上深下浅的变深度等宽第二竖状内凹条纹，从而使活塞在运动过程中应力分布更均匀，同时竖状内凹条纹将集中于活塞第三道环槽回油孔处的应力进行卸载，延长了活塞的疲劳寿命。竖状内凹条纹可以存储润滑油和磨屑，使活塞在缸套内往复运动过程中润滑油可以供给充分，分布均匀，分散摩擦热，提高润滑效果，减小摩擦阻力，防止拉缸和敲缸，延长了活塞和气缸的使用寿命。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1是本发明一种节能延寿的发动机活塞的第一实施例侧视图。

图2是图1的俯视方向活塞裙部的剖面图。

图3是本发明的第二实施例侧视图，竖状内凹条纹间具有通孔。

图4是本发明的第三实施例侧视图，竖状内凹条纹间具有第三竖状内凹条纹。

图5是第一竖状内凹条纹示意图。

图6是第二竖状内凹条纹示意图。

图7是第一实施例中的裙长和竖状内凹条纹间距示意图。

图8是第一实施例的剖视图，显示竖状内凹条纹的深度、宽度及活塞裙部裙厚。

图9是第二实施例的剖视图，显示通孔的直径。

图10是第三实施例的剖视图，显示第三竖状内凹条纹的深度和宽度。

图11是截面呈圆角矩形状态的示意图。

图12是截面呈圆角三角形状态的示意图。

图13是截面呈圆弧形状态的示意图。

图中：1-活塞裙部、2-第一竖状内凹条纹、3-第二竖状内凹条纹、4-通孔、5-第三竖状内凹条纹、L-裙长；S-竖状内凹条纹间距；T-裙厚；H2-第一竖状内凹条纹的深度、W2-第一竖状内凹条纹的宽度、H3-第二竖状内凹条纹的深度、W3-第二竖状内凹条纹的宽度、D-通孔直径、H5-第三竖状内凹条纹的深度、W5-第三竖状内凹条纹的宽度。

具体实施方式

如图1、图2、图5、图6和图7所示，本发明是在活塞裙部1外表面等间距均匀布置有相互平行的竖状内凹条纹，所述竖状内凹条纹包括第一竖状内凹条纹2和第二竖状内凹条纹3，活塞裙部1上应力较小的部位设计具有等深度的第一竖状内凹条纹2，活塞裙部1上应力较大的部位设计上深下浅的第二竖状内凹条纹3，第二竖状内凹条纹3距离活塞顶部端较深，距离活塞底部端较浅，深度从活塞裙部1上部到下部呈线性递减变化，线性关系为Y＝-X(H1-H0)/L3，X和Y分别为平面内点的横坐标和纵坐标，H1为活塞顶端端面槽深，H1为活塞裙部1厚度的35％～40％，H0为活塞底端端面槽深，活塞底端端面槽深为活塞顶端端面槽深的70％～80％，L3为第二竖状内凹条纹3的长度。所述活塞裙部1分为主应力承载区和次应力承载区，第一竖状内凹条纹2位于次应力承载区，第二竖状内凹条纹3位于主应力承载区。

如图3和图9所示，本发明是在任意相邻两列竖状内凹条纹间的活塞裙部1上开设有通孔4，所述通孔4一列纵向排列在两列竖状内凹条纹之间，每列通孔4中的相邻通孔4的间距为活塞裙部1裙长L的13％～15％，且排布在次应力承载区内的通孔4直径D为第一竖状内凹条纹2宽度的70％～80％，排布在主应力承载区的通孔4直径D为第二竖状内凹条纹3宽度的70％～80％。

如图4、图8和图10所示，本发明是在活塞裙部1外表面等间距均匀布置有相互平行的竖状内凹条纹，在任意相邻两列竖状内凹条纹间设置有第三竖状内凹条纹5，第三竖状内凹条纹5的深度H5和宽度W5为两侧竖状内凹条纹深度和宽度的60％～70％，排布在次应力承载区内的第三竖状内凹条纹5形状和尺寸参照第一竖状内凹条纹2，宽度为第一竖状内凹条纹2宽度的60％～70％，深度为其两侧第一竖状内凹条纹2深度的60％～70％；排布在主应力承载区的第三竖状内凹条纹5形状和尺寸参照第二竖状内凹条纹3，宽度为第二竖状内凹条纹3宽度的60％～70％，深度为其两侧第二竖状内凹条纹3深度为60％～70％。

如图1、图2、图3、图4和图11所示，第一竖状内凹条纹2、第二竖状内凹条纹3和第三竖状内凹条纹5的截面形状为圆角矩形，圆角矩形截面的设计可规避直角矩形在尖角处的应力集中。

如图12所示，第一竖状内凹条纹2、第二竖状内凹条纹3和第三竖状内凹条纹5的截面形状可为圆角三角形，圆角三角形截面的设计可规避尖角三角形在尖角处的应力集中。

如图13所示，第一竖状内凹条纹2、第二竖状内凹条纹3和第三竖状内凹条纹5的截面形状可为圆弧形，可规避应力集中问题。

第一竖状内凹条纹2、第二竖状内凹条纹3、通孔4和第三竖状内凹条纹5的总面积占活塞裙部1面积的10％～27％。

第一竖状内凹条纹2的深度H2为活塞裙厚T的35％～40％，第二竖状内凹条纹3的最深端深度等于第一竖状内凹条纹2的深度H2，最浅端深度为最深端深度H2的70％～80％。

第一竖状内凹条纹2的宽度W2为活塞裙部周长的0.3％～0.4％，第二竖状内凹条纹3的宽度W3为第一竖状内凹条纹2宽度W2的80％。

相邻两列竖状内凹条纹间距S为活塞裙部1周长的2％～4％。

第一竖状内凹条纹2、第二竖状内凹条纹3和第三竖状内凹条纹5在活塞裙1外表面的分布为全部或局部。

本发明为一种节能延寿的发动机活塞，可应用于各种发动机中如汽油机、柴油机，其使用方式、方法同普通标准活塞，无特殊使用要求，具体尺寸根据活塞裙部1尺寸大小进行调整。

本发明基于本课题组的前期研究成果(申请号2015101557464)一种节能环保的内燃机活塞的发明专利，进行了进一步改进研究，使发动机活塞结构更加完善且增润、减磨、延寿功效进一步提高。针对标准活塞、前期研究活塞和本发明活塞进行仿真分析和台架试验，试验方法和试验数据结果对比如下。

以XL-2V汽车发动机活塞为受试对象。活塞外径：80.985mm；裙厚T：2.4mm；裙长L：35.16mm；活塞材料：铝合金；试验时间：800小时；标定功率：80kW/6000r/min；试验室内温度：20℃。首先根据前期研究活塞和本发明活塞设计试验活塞，条纹尺寸和排布如表1和表2所示。根据受试发动机的实际工况，对活塞进行受力分析，通过有限元分析得到标准活塞、前期研究活塞和本发明活塞的热-机耦合有限元分析应力分布结果、活塞各部位变形结果以及疲劳寿命结果、润滑油膜在活塞裙部1各部位分布结果，如表4、表5、表6和表7所示。

表1前期研究活塞(mm)

表2本发明活塞(mm)

注，第三竖状内凹条纹5在次应力承载区内的条纹宽度为0.7mm，在主应力承载区设计为上深下浅竖状内凹条纹5，宽度为0.55mm、深端深度为0.7mm、浅端深度为0.55mm。通孔4分布在次应力承载区内的直径为0.7mm，在主应力承载区的直径为0.55mm。

为方便下文表述，将上述试验用活塞进行编号，如表3所示。

表3试验用活塞编号

表4中数据为本发明活塞以及前期研究活塞各个部位针对标准活塞热-机耦合有限元分析的应力排布对比，下表中数据为应力百分率即发明活塞应力与标准活塞应力之商，该值越小说明应力被卸载分散的越好。由于本发明活塞竖向内凹条纹截面带圆角的设计，规避了前期研究活塞截面设计应力在尖角处集中的现象，故在表4中可以看到活塞裙部1应力明显减小，保证了活塞工作的稳定性。

表4热-机耦合有限元分析应力分布结果(％)

表5中数据为本发明活塞以及前期研究活塞各个部位针对标准活塞热-机耦合有限元分析的变形排布对比，下表中数据为变形百分率即发明活塞变形与标准活塞变形之商，该值越小说明发明活塞针对标准活塞变形越小，活塞敲缸、拉缸几率越小。可看出本发明活塞变形明显小于标准活塞和前期研究活塞。

表5活塞各部位变形结果(％)

表6中数据为本发明活塞以及前期研究活塞各个部位针对标准活塞疲劳寿命排布对比，下表中数据为疲劳寿命百分率即发明活塞疲劳寿命与标准活塞疲劳寿命之商，该值越大说明发明活塞针对标准活塞疲劳寿命越长。可看出本发明活塞疲劳寿命明显大于标准活塞和前期研究活塞。

表6活塞各部位疲劳寿命结果(％)

表7中数据为本发明活塞以及前期研究活塞各个部位针对标准活塞裙部油膜厚度排布对比，下表中数据为油膜厚度百分率即发明活塞裙部1油膜厚度与标准活塞油膜厚度之商，该值越大说明发明活塞裙部针对标准活塞油膜厚度越厚。可以看出本发明活塞润滑效果优于标准活塞和前期研究活塞。

表7润滑油膜厚度结果(％)

在吉林大学工程仿生教育部重点实验室搭建了汽车发动机冷试验台，对本发明中的活塞进行台架试验，以考察本发明的使用效果。在相同试验条件下，考虑到每次拆装发动机的误差，在每次试验中的四个气缸中放入三个前期研究活塞或本发明活塞和一个标准活塞进行试验。做两组试验，每组试验用活塞与该组标准活塞数据对比如表8、表9和表11所示，进行分析比较。

本试验为台架冷试验，活塞表面不会形成积碳，为了检验活塞试验前后磨损情况，对活塞试验前和试验后的质量进行称重，称重6次取平均值，将试验前后活塞重量的平均值相减便得到磨损量。发明中活塞与标准活塞磨损量差值再比标准活塞磨损量，便得到发明中活塞磨损量减小比率，该比率越大说明活塞磨损越小。详见表8。从表中可以看出本发明活塞耐磨性优于标准活塞和前期研究活塞。总体耐磨率提高了5％。

表8试验用活塞磨损量检测

为了验证竖向内凹条纹在活塞正常运行时的散热作用。本试验采用Fluketi32型红外热成像仪(温度检测范围-20℃～600℃)对工作中的活塞进行热成像采集(采集过程均符合国标)，对每个活塞捕捉其运动到气缸最顶端位置时活塞顶部最高温度，采集6次求平均值。配套软件可以准确的提取每个点的温度值和区域的平均值。发明中活塞与标准活塞温度差值再比标准活塞温度，便得到发明中活塞温度减小比率，该比率越大说明活塞温度减小越多、散热效果越好。详见表9。由于本发明活塞进一步改善了活塞与缸套间的摩擦状况，减小了摩擦热，故对活塞顶部温度的检测均低于标准活塞和前期研究活塞，总体温度降低了35.2％。

表9第二组活塞顶部最高温度(℃)

活塞在运动过程中，分布在销孔两侧的裙部表面均发生摩擦、磨损，但由于活塞销孔的偏心设计，使活塞运动过程中主推力面受力更大，试验效果更明显，所以本试验数据均针对主推力面采集。通过对试验后活塞裙部1主推力面的粗糙度检测，来对比研究标准活塞和发明活塞的摩擦、磨损情况。

采用粗糙度检测仪进行采样，采样参数设置：取样长度0.25mm；粗糙度测量：曲面；测量范围：-0.25mm～0.25mm；触针半径：2μm；杆长：50000μm。试验活塞取样位置相同，每个采样位置到活塞底边距离见表10，图中距离为各个位置距离活塞底边长度。表11中是检测Ra值标准活塞与发明活塞的对比百分率，即发明活塞粗糙度与标准活塞粗糙度之商，该值越小说明发明活塞磨损度越小、工作过程中油膜排布越均匀、活塞耐磨性越优越。可以看出本发明活塞润滑效果优于标准活塞和前期研究活塞。进一步验证了有限元的分析结果。

表10活塞采样位置说明

表11活塞粗糙度检测值对比(％)