CN103485923B - 一种活塞、活塞外圆截面优化方法和活塞型线优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞，该活塞的外圆型线为中凸三维曲线，即活塞外圆型线采用三维空间曲线设计方法和原理，并且，活塞采用型线倾斜的方法，既活塞各椭圆截面的长轴不在同一平面内，型线为一三维空间曲线，非常契合缸套失圆变形其各截面变形长轴不在同一平面内，彼此之间存在一定角度的情况，因此，本发明所提供的活塞为当缸套失圆变形其各截面长轴不在同一平面内的时候，设计的相应的活塞外圆，以间隙配缸间隙，且使其间隙量更均匀，从而获得优异的活塞性能。从而适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙，并且，间隙距离更均匀，形成润滑油膜质量更高。本发明还公开了一种实现上述活塞制作的活塞外圆截面优化方法和活塞型线优化方法。

Description

一种活塞、活塞外圆截面优化方法和活塞型线优化方法

技术领域

本发明涉及发动机活塞技术领域，特别涉及一种活塞、活塞外圆截面优化方法和活塞型线优化方法。

背景技术

为了满足未来汽车的要求，发动机强化程度日益提高，活塞所承受的负荷也日益严峻，并且随着发动机排放、噪声等要求的不断提高，活塞与缸套的配缸间隙设计越来越小，缸套在工作条件和非工作条件等因素的影响下，其内孔轴线方向和横截面的圆周方向出现径向尺寸不均匀性波动，既缸套的失圆变形。

目前，活塞外圆型面设计与活塞内腔、销座形状、内冷油道、燃烧室等的布局有关。其热量非均匀梯度变化分布，从而引起活塞壁各位置材料的热膨胀量不同；受燃气交变压力以及活塞销的惯性推力，从而产生应力变形；为了适应缸套的变形，从而主动设计了匹配性变形；各种形变叠加在一起，从而成为活塞冷态下的设计型面。

因此，活塞裙部外圆型面设计时横向一般呈椭圆；纵截面方向为中凸鼓形。各个截面的椭圆长轴在同一平面内，把所有的长轴端点连接起来，既构成活塞外圆的型线。

在现有技术方案中，活塞型线为一平面中凸曲线，活塞各截面椭圆型值点的笛卡尔坐标值表示为如下参数方程：

$\left.\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ y_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ Z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}$

其中：

θ_i——各截面i等分处角度；

R_ni——第n个截面上第i等分处的活塞椭圆半径长度；

h_ni——第n个截面上第i等分处的活塞外圆型值点高度；

x_ni——第n个截面上第i等分处的活塞外圆型值点的x轴坐标值；

y_ni——第n个截面上第i等分处的活塞外圆型值点的y轴坐标值；

z_ni——第n个截面上第i等分处的活塞外圆型值点的z轴坐标值；

该方法生成的活塞裙部椭圆截面俯视图如图4所示（半径减量放大100倍），请参考图4，图4现有技术中活塞裙部椭圆截面俯视图。

由于现有活塞裙部截面椭圆长轴都在一个平面内，而缸套失圆变形有时实际情况并非如此，其各截面变形长轴不在同一平面内，彼此之间存在一定角度，请参考图3，图3为缸套不同部位变形示意图，可以看到，缸套的上部、下部和中部的变形量是不同的。因此，在这种情况下，活塞外圆设计采用现有技术，势必增大活塞与缸套的配缸间隙，而且工作时间隙量大小不同。

因此，如何提供一种活塞，以适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种活塞，以适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙；本发明的另一目的是提供一种实现上述活塞制作的活塞外圆截面优化方法和活塞型线优化方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下方案：

一种活塞，该活塞的截面椭圆型值点为如下参数方程：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×(h_n-h_1)+{\mathrm{\θ}}_1\\ x_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ y_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}$

其中：

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度；

θ_i—各截面长轴偏移前的i等分处角度；

R_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞椭圆半径长度；

h_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞外圆型值点高度；

x_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的x轴坐标值；

y_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的y轴坐标值；

z_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的z轴坐标值。

优选的，该活塞的外圆型线为一倾斜直线投影在外圆上的投影线，所述倾斜直线的起始点到终止点的角度差为5°-60°。

本发明还提供一种活塞型线优化方法，根据如下参数方程进行建模，该方程为：

${\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×(h_n-h_1)+{\mathrm{\θ}}_1$

其中，

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度。

本发明还提供一种活塞外圆截面优化方法，根据如下参数方程进行建模，该方程为：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×(h_n-h_1)+{\mathrm{\θ}}_1\\ x_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ y_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}$

其中：

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度；

θ_i—各截面长轴偏移前的i等分处角度；

R_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞椭圆半径长度；

h_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞外圆型值点高度；

x_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的x轴坐标值；

y_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的y轴坐标值；

z_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的z轴坐标值。

上述本发明所提供的活塞的外圆型线为中凸三维曲线，即活塞外圆型线采用三维空间曲线设计方法和原理，并且，活塞采用型线倾斜的方法，如图2所示，既活塞各椭圆截面的长轴不在同一平面内，如图1所示，型线为一三维空间曲线，非常契合缸套失圆变形其各截面变形长轴不在同一平面内，彼此之间存在一定角度的情况，因此，本发明所提供的活塞为当缸套失圆变形其各截面长轴不在同一平面内的时候，设计的相应的活塞外圆，以间隙配缸间隙，且使其间隙量更均匀，从而获得优异的活塞性能。从而适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙，并且，间隙距离更均匀，形成润滑油膜质量更高。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的活塞的裙部椭圆截面俯视图；

图2为本发明实施例所提供的活塞的型线示意图；

图3为缸套不同部位变形示意图；

图4现有技术中活塞裙部椭圆截面俯视图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种活塞，以适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例所提供的活塞的裙部椭圆截面俯视图；图2为本发明实施例所提供的活塞的型线示意图。

本发明实施例提供一种活塞，该活塞的截面椭圆型值点为如下参数方程：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×(h_n-h_1)+{\mathrm{\θ}}_1\\ x_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ y_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}$

其中：

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度；

θ_i—各截面长轴偏移前的i等分处角度；

R_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞椭圆半径长度；

h_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞外圆型值点高度；

x_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的x轴坐标值；

y_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的y轴坐标值；

z_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的z轴坐标值。

上述本发明所提供的活塞的外圆型线为中凸三维曲线，即活塞外圆型线采用三维空间曲线设计方法和原理，并且，活塞采用型线倾斜的方法，如图2所示，图2中的粗实线表示型线，既活塞各椭圆截面的长轴不在同一平面内，如图1所示，型线为一三维空间曲线，非常契合缸套失圆变形其各截面变形长轴不在同一平面内，彼此之间存在一定角度的情况，因此，本发明所提供的活塞为当缸套失圆变形其各截面长轴不在同一平面内的时候，设计的相应的活塞外圆，以间隙配缸间隙，且使其间隙量更均匀，从而获得优异的活塞性能。从而适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙，并且，间隙距离更均匀，形成润滑油膜质量更高。

其中，该活塞的外圆型线为一倾斜直线投影在外圆上的投影线，所述倾斜直线的起始点到终止点的角度差为5°-60°。如果角度差太小或者过小，那么会不太契合缸套失圆变形其各截面变形长轴不在同一平面内，彼此之间存在一定角度的情况，也就是实际实用意义不大。

本发明还提供一种能够实现上述活塞制作的活塞型线优化方法，根据如下参数方程进行建模，该方程为：

${\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×(h_n-h_1)+{\mathrm{\θ}}_1$

其中，

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度。

具体的是活塞截面椭圆的各长轴的起始位置角度按上述方程进行设计，通过使得活塞外圆型线的倾斜，建立的活塞外圆截面效果图如图3所示（半径减量放大100倍），使得型线为一倾斜直线投影在外圆上的投影线，也是一条三维空间曲线，非常契合缸套失圆变形其各截面变形长轴不在同一平面内，彼此之间存在一定角度的情况，因此，本发明所提供的活塞为当缸套失圆变形其各截面长轴不在同一平面内的时候，设计的相应的活塞外圆，以间隙配缸间隙，且使其间隙量更均匀，从而获得优异的活塞性能。从而适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙，并且，间隙距离更均匀，形成润滑油膜质量更高。

本发明还提供一种实现上述活塞制作的活塞外圆截面优化方法，根据如下参数方程进行建模，该方程为：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×(h_n-h_1)+{\mathrm{\θ}}_1\\ x_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ y_{\mathrm{ni}}=R_{\mathrm{ni}}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n)\\ z_{\mathrm{ni}}=h_{\mathrm{ni}}\end{array}\right\}$

其中：

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度；

θ_i—各截面长轴偏移前的i等分处角度；

R_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞椭圆半径长度；

h_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞外圆型值点高度；

x_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的x轴坐标值；

y_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的y轴坐标值；

z_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的z轴坐标值。

该方程为活塞型面型值点的数学模型，能够使得活塞型线为一三维空间曲线，非常契合缸套失圆变形其各截面变形长轴不在同一平面内，彼此之间存在一定角度的情况，因此，本发明所提供的活塞为当缸套失圆变形其各截面长轴不在同一平面内的时候，设计的相应的活塞外圆，以间隙配缸间隙，且使其间隙量更均匀，从而获得优异的活塞性能。从而适应缸套的失圆，获得更小的配缸间隙，并且，间隙距离更均匀，形成润滑油膜质量更高。

以上对本发明所提供的活塞、活塞外圆截面优化方法和活塞型线优化方法进行了详细介绍。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种活塞，其特征在于，该活塞的截面椭圆型值点为如下参数方程：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×\left(h_n-h_1\right)+{\mathrm{\θ}}_1\\ x_{ni}=R_{ni}\×\cos \left({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n\right)\\ y_{ni}=R_{ni}\×\cos \left({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n\right)\\ z_{ni}=h_{ni}\end{array}\right\}$

其中：

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度；

θ_i—各截面长轴偏移前的i等分处角度；

R_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞椭圆半径长度；

h_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞外圆型值点高度；

x_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的x轴坐标值；

y_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的y轴坐标值；

z_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的z轴坐标值。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该活塞的外圆型线为一倾斜直线投影在外圆上的投影线，所述倾斜直线的起始点到终止点的角度差为5°至60°。

3.一种活塞型线优化方法，其特征在于，根据如下参数方程进行建模，该方程为：

${\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×(h_n-h_1)+{\mathrm{\θ}}_1$

其中，

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度。

4.一种活塞外圆截面优化方法，其特征在于，根据如下参数方程进行建模，该方程为：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{h_1-h_2}\×\left(h_n-h_1\right)+{\mathrm{\θ}}_1\\ x_{ni}=R_{ni}\×\cos \left({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n\right)\\ y_{ni}=R_{ni}\×\cos \left({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_n\right)\\ z_{ni}=h_{ni}\end{array}\right\}$

其中：

θ₁—已知第1截面长轴偏移角度；

θ₂—已知第2截面长轴偏移角度；

θ_n—第n个截面长轴偏移角度；

h₁—已知第1偏移长轴截面的高度；

h₂—已知第2偏移长轴截面的高度；

h_n—第n个偏移长轴截面的高度；

θ_i—各截面长轴偏移前的i等分处角度；

R_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞椭圆半径长度；

h_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处偏移前的活塞外圆型值点高度；

x_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的x轴坐标值；

y_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的y轴坐标值；

z_ni—第n个偏移长轴截面上第i等分处的活塞外圆型值点的z轴坐标值。