CN113250872A - 一种自动对中的柱塞结构 - Google Patents

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武治平
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Abstract

本发明公开了一种自动对中的柱塞结构，柱塞工作段采用上小下大的锥形设计或者在柱塞工作段均匀布置均压环槽，使柱塞在工作过程中自动对中。自动对中后的柱塞在工作过程中能够减少磨损，增加柱塞的使用寿命。柱塞工作段采用氮化钛涂层处理，增加柱塞的耐磨性。涂层厚度控制在一定范围内，涂层不易脱落且保证柱塞的使用寿命和工作的可靠性。

Description

一种自动对中的柱塞结构
技术领域
本发明涉及发动机燃油技术领域，具体涉及一种自动对中的柱塞结构。
背景技术
柱塞是柴油机燃油系统的关键零件，无论是泵喷嘴、电控单体泵还是高压共轨，都需要柱塞来建立高喷油压力。柱塞的材料选择、结构设计以及加工工艺等都会影响供油系统的喷射压力、喷油量和喷油速率。
现有的柱塞结构，柱塞工作段是上下等直径的圆柱状设计，无法在泵体柱塞孔中自动对中，柱塞工作段会在径向力的作用下偏置，导致柱塞工作段一侧磨损严重，缩短柱塞的寿命，同时造成高压油泄漏，影响高压的建立。同时，现有柱塞的工作段精加工表面为一个整体，加工难度大。且现有的柱塞结构，柱塞工作段的表面耐磨性和耐腐蚀性都比较差，柱塞工作段涂层容易脱落，以至于柱塞的使用寿命和工作的可靠性比较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自动对中的柱塞结构，能够在柱塞工作过程中自动对中且减少磨损，增加柱塞的使用寿命和工作可靠性。
一种自动对中的柱塞结构，包括柱塞工作段和柱塞非工作段，其特征在于，柱塞工作段设计有自动对中结构和环带。自动对中结构为锥形柱塞工作段或在柱塞工作段设置的均压环槽。
锥形柱塞工作段采用上小下大的锥形设计，即靠近压油端小，远离压油端大的结构，均压环槽为n个分布于柱塞工作段表面的环形凹槽，用于形成环形油腔，使柱塞自动对中，其中n为大于或等于2的整数。
优选地，均压环槽的数量为3。
优选地，环带的位置在柱塞工作段1/2处，环带的宽度为柱塞工作段总长的1/6。
优选地，柱塞工作段的涂层进行氮化钛处理。
优选地，涂层的厚度为2.5μm～3.5μm，涂层厚度最佳为3μm。
有益效果：
(1)本发明的柱塞结构，柱塞工作段采用上小下大的锥形设计或者在柱塞工作段均匀布置均压环槽，使柱塞在工作过程中自动对中，自动对中后的柱塞在工作过程中能够减少磨损，增加柱塞的使用寿命。柱塞工作段加工环带，可以有效减小摩擦表面，减小精加工表面，降低加工难度。且当柱塞压油端建立高压时，高压油可通过柱塞与泵体柱塞孔的间隙进入环带中，充满环带，形成环形油腔，在柱塞上下运动中能极大改善柱塞工作段表面的润滑，延长柱塞使用寿命。
(2)环带设置在柱塞工作段1/2位置，以保证环带中心位置与泵体上的油道相对应，从而保证柱塞往复运动过程中环带始终都有油进行润滑。
(3)柱塞工作段采用氮化钛涂层处理，增加柱塞的耐磨性。涂层厚度为2.5～3.5μm，涂层不易脱落，且耐磨性和耐腐蚀性更强，能够保证柱塞的使用寿命和工作的可靠性。
附图说明
图1为柱塞工作段锥形设计示意图。
图2为柱塞在柱塞腔内的受力示意图。
图3为柱塞与柱塞腔壁面的示意图。
图4为柱塞工作段环带示意图。
图5为柱塞环带与泵体位置关系示意图。
图6为环带长度确定示意图。
图7为涂层仿真模型。
图8为涂层处理仿真结果。
图9为柱塞工作段均压环槽示意图。
图10为均压环槽与柱塞位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明通过对柱塞工作段结构的改进设计，使得柱塞在工作时能够实现自动对中，并且通过柱塞工作段的结构改进设计，降低了柱塞磨损，延长了柱塞的使用寿命。
实施例一
本实施例包括三个改进，分别是柱塞工作段上小下大的锥形设计、柱塞工作段加工环带和柱塞工作段的涂层处理。
改进一：柱塞工作段上小下大的锥形设计。
如图1所示，柱塞工作段采用上小下大的锥形设计，其中靠近压油端的为柱塞工作段的上端，远离压油端的为柱塞工作段的下端。上小下大的锥形设计即靠近压油端小，远离压油端大的结构。建立高压时，高压油会充入如图1所示的柱塞与柱塞孔的环形间隙中，使柱塞工作段径向所受压力相等，柱塞自动对中，解决了柱塞一侧磨损严重的问题。
柱塞工作段锥度的确定：
如图2所示，柱塞在柱塞腔内的受力分析。由于柱塞与柱塞腔存在配合间隙，且柱塞与柱塞弹簧和弹簧座存在配合公差，故柱塞在腔内会呈如图2所示的偏置状态，当柱塞顶部受到高压油的压力p时，会产生一个使柱塞偏置更为严重的力矩Mp。
图3为柱塞与柱塞腔壁面的示意图，柱塞直径为d，则柱塞与柱塞腔壁面缝隙任意一点的压强为
Figure BDA0003037185130000041
缝隙泄露量为q，q应小于要求值，pt为柱塞与柱塞腔壁面缝隙的压强，p1为柱塞锥面后端与壁面间缝隙压强，u为缝隙中的流速，d为柱塞直径，α为柱塞锥面倾斜角度，h1为柱塞锥面后端与柱塞腔壁面的垂直距离，h为柱塞锥面任意一点与柱塞腔壁面的垂直距离。
当柱塞锥面后端到柱塞锥面任意一点的轴向距离x等于柱塞锥面总长度l时，h＝h2，p＝p2，h2为柱塞锥面前端与柱塞腔壁面的垂直距离，p2为柱塞锥面前端与壁面间缝隙压强，并以tanα代入上式可得
Figure BDA0003037185130000042
则可计算出柱塞所受缝隙中高压油的压力Ft，如图2所示，Ft会产生一个与Mp方向相反的力矩Mt，当Mp与Mt相等时，柱塞自动对中，由此可以计算出柱塞工作段的锥度。
改进二：柱塞工作段加工环带。
如图4所示，在柱塞工作段加工环带，环带在柱塞工作段1/2位置，环带长度为柱塞工作段总长的1/6。环带可以有效减小摩擦表面，减小精加工表面，降低加工难度。且当柱塞压油端建立高压时，高压油可通过柱塞与泵体柱塞孔的间隙进入环带中，充满环带，此时环带可看成是一个环形油腔，在柱塞上下运动中能极大改善柱塞工作段表面的润滑，延长柱塞使用寿命。
环带位置的确定：
如图5所示，当柱塞上升至上止点时，柱塞上的环带与泵体上的油道相连，从而与低压油腔连通，低压油腔中的油进入环带，以保证柱塞往复运动过程中环带中始终都有油进行润滑。所以，环带中心位置应与泵体上的油道相对应，即环带在柱塞工作段1/2位置。
环带长度的确定：
如图6所示，由上述倾斜壁面缝隙流动压强公式
Figure BDA0003037185130000051
可计算出在要求的最小泄露量q下的柱塞工作段的L段的最小长度。由于环带中心位置已经确定，故可计算出环带最大长度为柱塞工作段总长的1/6。
环带的深度可以根据往复运动的密封润滑理论，结合多次可靠性实验以及经验确定。
改进三：柱塞工作段涂层处理。
本发明对柱塞工作段进行了氮化钛(TiN)涂层处理，柱塞工作段氮化钛涂层厚度为2.5～3.5μm。
(1)柱塞工作段进行氮化钛(TiN)涂层处理。
氮化钛涂层具有良好的耐磨性、减震性、耐腐蚀性与更低的表面摩擦系数。王海梅等人通过实验研究，表明进行氮化钛涂层处理能将零件的磨损寿命提高5～10倍；Kaushik等人的研究表明，在振动测量中，进行了氮化钛涂层的梁比未涂层的梁阻尼比大一到两个数量级，具有氮化钛涂层梁的阻尼振幅能更快降至零，说明氮化钛涂层具有良好的减振性能；研究还表面在室温下，氮化钛具有较低的腐蚀电流密度和较高的腐蚀电位，说明氮化钛涂层能显著提高基体金属的耐腐蚀性能；王尧等人研究发现进行氮化钛涂层的零件表面摩擦系数约为0.425，而基体金属Cr12MoV钢的表面摩擦系数约为0.5。
本发明中柱塞基体金属采用Cr12MoV，在其工作段表面进行氮化钛涂层处理，处理后的柱塞表面硬度为2300±200HV，表面更加致密光滑，能有效增加柱塞的磨损寿命，减小供油凸轮引起的振动，增加柱塞的耐磨性。
(2)柱塞工作段氮化钛涂层厚度为2.5～3.5μm。
由于涂层和基体之间的热力学性能和物理性能存在差异，涂层在从沉积温度冷却到室温的过程中会产生残余应力，残余应力对涂层的质量和状态有着重要的影响，直接关系到涂层的结合强度、断裂强度和硬度等诸多力学性能。通常，涂层的失效形式为大面积剥落，这是由于残余拉应力会导致涂层在柱塞表面垂直方向开裂，最终在裂纹终端形成切应力集中，致使涂层分层；而残余压应力则为涂层的屈曲和最终剥落提供驱动力。对于涂层/基体系统来说，涂层厚度是一个非常重要的参数，它对涂层残余应力有着重要影响。涂层太薄，起不到提高耐磨性与延长使用寿命的作用且易产生表面裂纹；涂层太厚，容易造成涂层剥落且容易产生界面裂纹；所以将涂层厚度控制在最佳范围内才能保证柱塞的使用寿命和工作的可靠性。
采用ansys workbench对不同涂层厚度残余应力进行仿真，采用如图7所示的仿真模型，柱塞基体厚度为1mm，涂层厚度分别为0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm。涂层与柱塞基体之间采用固结(无滑动)的接触方式，涂层表面不存在裂纹，涂层的制备温度即初始温度为400℃，柱塞基体与涂层同时从初始温度降至室温22℃。
仿真结果如图8所示，涂层中的残余应力均为负值，为残余压应力。随着涂层厚度增加，残余压应力从厚度为0.5μm时的-0.73GPa逐渐增大到5μm时的-2.56Gpa，因此涂层厚度不宜太厚。
考虑到太薄的涂层在柱塞往复运动时容易被磨损殆尽，起不到延长柱塞寿命的效果。当涂层厚度为3μm时，涂层残余压应力为-1.99GPa，为合理值；通过500小时可靠性试验，测试涂层厚度为3μm时柱塞的磨损情况，试验结果发现涂层经过500小时的连续摩擦后，表面虽有磨损但仍然比较完好，不存在涂层磨损殆尽露出柱塞基体的情况。所以，将涂层厚度范围确定为3±0.5μm。
实施例二
本实施例主要是针对实施例一的改进一进行替代方案实施。在柱塞工作段设置均压环槽，替代上下大小的锥形设计。而实施例一中的环带设计和涂层处理在实施例二中依然保留。
如图9所示，采用匀布置于柱塞工作段的均压环槽替代工作段上下大小的锥形设计，同样可以实现柱塞自动对中，解决柱塞一侧磨损严重的问题，均压环槽为n个分布于柱塞工作段表面的环形凹槽，用于形成环形油腔，使柱塞自动对中，其中n为大于或等于2的整数。
压油端的高压油充入均压环槽中，工段端圆周所受的径向力相等，实现自动对中。均压环槽因宽度小，远远小于环带的宽度，所以只能形成环形油腔使柱塞自动对中，不能起到和环带相同的减小接触面积和减小磨损的作用。因此均压环槽不能替代环带。
均压环槽的半径，数量，位置的确定：
如图10所示，图中剖面线的部分是柱塞的局部。与确定锥度类似，柱塞锥面后端与柱塞腔壁面间缝隙的压强为
Figure BDA0003037185130000071
缝隙泄漏量为q，可计算出柱塞所受环槽中中高压油的压力Ft，Ft所产生的力矩Mt应等于高压油所产生的力矩Mp，确定环槽直径，可计算出一道环槽的压力所产生的力矩小于Mp，假设每道环槽的p1相等，由此可求得用于柱塞自动对中的均压环槽的数量为3。如图9所示，3个均压环槽分布在环带两侧，靠近压油端的分布1个，远离压油端的分布2个。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自动对中的柱塞结构，包括柱塞工作段和柱塞非工作段，其特征在于，柱塞工作段设计有自动对中结构和环带；所述自动对中结构为锥形柱塞工作段或在柱塞工作段设置的均压环槽；
所述锥形柱塞工作段采用上小下大的锥形设计，即靠近压油端小，远离压油端大的结构；所述均压环槽为n个分布于柱塞工作段表面的环形凹槽，用于形成环形油腔，使柱塞自动对中，其中n为大于或等于2的整数。
2.如权利要求1所述的柱塞结构，其特征在于，所述均压环槽的数量为3。
3.如权利要求1所述的柱塞结构，其特征在于，所述环带的位置在柱塞工作段1/2处，所述环带的宽度为柱塞工作段总长的1/6。
4.如权利要求1所述的柱塞结构，其特征在于，所述柱塞工作段的涂层进行氮化钛处理。
5.如权利要求4所述的柱塞结构，其特征在于，所述涂层的厚度为2.5μm～3.5μm。
6.如权利要求5所述的柱塞结构，其特征在于，所述涂层的厚度最佳为3μm。
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