汽车活塞设计及发动机试验

本书汇集了马勒公司专家们在汽车活塞设计、规划和发动机试验方面的广博知识。 许多图表直观可视化地表达了其鲜明的主题，在很大程度上展现了他们日常的工作和研究成绩。此前从没有任何国际法规和客户对现代发动机和活塞提出如此严苛的要求。在本书中可以找到关于汽车活塞功能、要求和结构类型、成型原理等方面的详细介绍，以及借助有限元分析计算模拟发动机运行能力的方法， 获得活塞材料、冷却以及零部件检测方面的知识。 发动机试验无疑是零部件检测中*重要的环节， 对于确认新的模拟程序和系统化设计规范尤为重要。

本书通过大量图表形象直观地表达了其鲜明的主题，具有前沿性和可靠性极强的特点。本书详细介绍了活塞的功能、要求、结构类型、成型原理及研发流程，以及活塞的材料、冷却及检测方面的知识， 展现了活塞研发、设计方面丰富的经验和广博的知识体系；阐述了在发动机试验过程中，借助 CAE 分析的方法计算和模拟发动机的运行，制定了科学的模拟程序和系统化试验规范，并从实践出发，针对发动机研发中的 NVH、气蚀形成原因、机油耗及影响因素提出了更为科学、缜密的分析思路和应对措施。

本书的翻译团队阵容强大，包括资深的德语翻译、大学相关专业教授及发动机研发设计一线的技术专家。本书的翻译和校审，承蒙西安工业大学和曲阜金皇活塞股份有限公司的大力支持，各位专家发挥专业特长，始终秉承一丝不苟的专业态度，体现了科学严谨的敬业精神。

目 录

1 活塞的功能、要求及结构类型 1

1.1 活塞的功能 1

1.1.1 活塞是传递力的零件 1

1.1.2 密封和散热 3

1.1.3 功能多样性 3

1.2 对活塞的要求 4

1.2.1 气体压力 5

1.2.2  温度要求 6

1.2.3 活塞质量 8

1.2.4 摩擦和磨损 9

1.2.5 窜气 11

1.3 活塞结构类型 11

1.3.1 四冲程汽油发动机活塞 11

1.3.1.1 自动热补偿活塞 11

1.3.1.2 箱式活塞 12

 1.3.1.3 EVOTEC®活塞（非对称面窗壁轻型活塞） 14

1.3.1.4 EVOTEC® 2型活塞 14

1.3.1.5 锻造铝合金活塞 15

1.3.2 二冲程发动机活塞 16

1.3.3 柴油发动机活塞 17

1.3.3.1 镶圈活塞 17

1.3.3.2 油冷通道活塞 17

1.3.3.3 冷却镶圈活塞 18

1.3.3.4 销孔内镶套式活塞 18

1.3.3.5 FERROTHERM®活塞 18

1.3.3.6 MONOTHERM®活塞 19

1.3.3.7 MONOTHERM®活塞优化设计 19

1.3.3.8 MonoWeld®活塞（焊接式） 20

1.3.3.9 电子束焊接活塞 20

1.3.4 组合式大功率活塞 21

1.3.4.1 应用范围及结构 21

1.3.4.2 活塞上部（顶部） 22

1.3.4.3 锻造铝合金活塞下部（裙部） 22

1.3.4.4 球墨铸铁活塞下部（裙部） 23

1.3.4.5 锻钢活塞下部（裙部） 24

2 活塞设计原则 25

2.1 基本概念及主要尺寸 25

2.1.1 顶部形状和厚度 26

2.1.2 压缩高 27

2.1.3 火力岸 28

2.1.4 环槽和环岸 28

2.1.5 总高 29

2.1.6 销孔 29

2.1.6.1 粗糙度 29

2.1.6.2 活塞销与销孔的装配间隙 29

2.1.6.3 公差 30

2.1.6.4 活塞中心线偏移量 30

2.1.7 活塞裙部 31

2.2 活塞形状 32

2.2.1 活塞间隙 32

2.2.2 椭圆形状 32

2.2.3 活塞裙部和活塞环区域缩进 33

2.2.4 尺寸和形位公差 34

2.2.5 气缸与活塞之间的装配间隙 34

2.2.6 尺寸链 35

2.2.7 裙部表面 35

3 借助有限元分析模拟活塞疲劳强度 36

3.1 建模型 36

3.2 发动机负荷的边界条件 37

3.2.1 热负荷 38

3.2.2 机械负荷 39

3.2.2.1 燃气压力 40

3.2.2.2 惯性力 40

3.2.2.3 侧向力 40

3.3 制造和装配边界条件 41

3.3.1 铸造过程/凝固 41

3.3.2 铸件 41

3.3.3 镶入件 41

3.3.4 螺栓连接 42

3.4 热负荷产生的温度场和热流量 42

3.5 应力特性 46

3.5.1 热负荷产生的应力 46

3.5.2 机械负荷应力 48

3.5.3 制造和装配应力 50

3.6 疲劳强度的计算验证 50

4 活塞材料 56

4.1 材料要求 56

4.2 铝合金材料 57

4.2.1 热处理 58

4.2.2 活塞用合金 59

4.2.3 纤维加强 65

4.3 黑色金属 66

4.3.1 铸铁 67

4.3.2 钢 69

4.4 销孔内铜衬套材料 73

4.5 活塞表面涂层 75

4.5.1 活塞裙部涂层 75

4.5.1.1 GRAFAL255®或EvoGlide（石墨浸润合成树脂涂层） 75

4.5.1.2 表面镀锡 76

4.5.1.3 Ferrostan / FerroTec®（表面镀铁） 76

4.5.1.4 FERROPRINT®（表面印刷） 76

4.5.1.5 *环槽镀硬质阳极氧化层 76

4.5.1.6 顶部硬质阳极氧化层 77

4.5.1.7 表面磷化 77

4.5.1.8 GRAFAL® 210（石墨浸润合成树脂涂层） 77

4.5.1.9 定位接触面镀铬 77

4.5.1.10 环槽镀铬 78

4.5.2 涂层应用列表 78

5 活塞冷却 79

5.1 热负荷 79

5.2 燃烧和火焰喷射 79

5.3 燃烧室喉口的温度曲线 80

5.4 活塞温度曲线 80

5.5 热负荷对活塞功能的影响 81

5.5.1 热变形 81

5.5.2 温度相关的材料特性参数 82

5.5.3 活塞环受热影响 82

5.6 影响活塞温度的因素 83

5.7 冷却方式 83

5.7.1 无冷却的活塞 83

5.7.2 采用喷射式冷却的活塞 83

5.7.3 带油冷通道的活塞 84

5.7.3.1 盐芯油冷通道活塞 85

5.7.3.2 带冷却镶圈的活塞 86

5.7.3.3 切削加工的油冷通道 87

5.7.4 采用冷却腔的组装式活塞 88

5.7.4.1 “振动冷却”方式 89

5.7.4.2 孔冷却方式 89

5.8 冷却油供给 89

5.8.1 采用射流方式供油 90

5.8.1.1 喷射冷却的喷嘴结构 91

5.8.1.2 活塞冷却油道/冷却腔供油的喷嘴结构 91

5.8.2 通过曲轴和连杆供油 91

5.8.2.1 活塞销和销座的供油 91

5.8.2.2 滑块的供油 92

5.9 作用在活塞上的热流 92

5.10 热负荷的测定 93

5.11 采用有限元分析方法进行计算分析 94

5.12 发动机外“振动冷却”试验 95

5.13 特性参数 95

5.14 试验装置 98

5.15 冷却油运动模拟 99

6 零部件检测 100

6.1 静态零部件检测 101

6.2 动态零部件检测 103

6.3 磨损检测 105

7 发动机试验 107

7.1 标准测试程序及其测试结果案例分析 107

7.1.1 标准测试程序 108

7.1.1.1 全负荷曲线 108

7.1.1.2 窜气特性 109

7.1.1.3 拉缸试验 109

7.1.1.4 研发运行计划 111

7.1.2 长周期测试程序 112

7.1.2.1 标准耐久性测试 112

7.1.2.2 冷热冲击耐久性试验 112

7.1.3 专项试验计划 113

7.1.3.1 冷启动试验 113

7.1.3.2 微焊现象试验 113

7.1.3.3 微振磨损试验 115

7.1.3.4 烧痕试验（burning mark） 115

7.2 确定活塞温度的测量方法 118

7.2.1 活塞温度测量的方法 119

7.2.1.1 活塞温度测量的热机械方法 119

7.2.1.1.1 熔融销的应用 119

7.2.1.1.2 专用测温塞的应用 120

7.2.1.2 活塞温度测定的热电方法 121

7.2.1.2.1 负温度系数（NTC） 传感器方法 121

7.2.1.2.2 镍铬-镍热电偶的应用 122

7.2.1.3 热电偶测量值的传输 123

7.2.1.3.1 把测量导线安装在辅助摇臂上传输数据 123

7.2.1.3.2 通过遥测技术输送热电偶测量值 124

7.2.1.4 马勒公司对活塞温度测量方法的评价 125

7.2.2 汽油和柴油发动机活塞温度测量 125

7.2.2.1 活塞典型位置的*温度值 127

7.2.2.2 不同运行参数对活塞温度的影响 127

7.2.2.3 冷却油量对活塞温度的影响 129

7.2.2.4 瞬态测试工况下活塞温度的测量 131

7.3 点火状态下发动机摩擦功率损失测试 132

7.3.1 确定平均摩擦压力的测量方法 134

7.3.1.1 Willans曲线 （总油耗曲线） 134

7.3.1.2 倒拖法 134

7.3.1.3 灭缸测试方法 135

7.3.1.4 滑行试验 136

7.3.1.5 浮动气缸套（floatingliner）方法 136

7.3.1.6 指示功测试法 137

7.3.2 通过指示功法测量摩擦功率万有特性 137

7.3.2.1 要求 137

7.3.2.2 轿车发动机摩擦功率试验台 138

7.3.2.3 测量和评价方法 141

7.3.3 轿车柴油发动机选定的测试结果 143

7.3.3.1 活塞装配间隙 143

7.3.3.2 活塞裙部表面粗糙度 145

7.3.3.3 活塞销对活塞中心线的偏移量 146

7.3.3.4 活塞环*环槽的高度 147

7.3.3.5 油环切向力 150

7.3.3.6 活塞销表面涂层 151

7.3.3.7 发动机机油黏度 152

7.3.3.8 活塞裙部型线 153

7.3.3.9 活塞裙部涂层 155

7.3.3.10 活塞裙部的刚度 156

7.3.3.11 活塞裙部的表面积 158

7.3.4 模拟发动机工作循环中燃油消耗和CO2排放值 159

7.3.5 结果比较 160

7.4 活塞组件磨损试验 164

7.4.1 活塞裙部 164

7.4.1.1 裙部塌陷和涂层磨损 164

7.4.1.2 椭圆度 166

7.4.2 活塞环和气缸工作表面 167

7.4.2.1 活塞环工作表面 167

7.4.2.2 螺旋弹簧 169

7.4.2.3 非正常磨损 169

7.4.2.4 气缸工作表面磨损和气缸抛光 170

7.4.3 活塞环端面和环槽 172

7.4.3.1 *活塞环端面 172

7.4.3.2 *活塞环槽端面 173

7.4.4 活塞销和销座 174

7.4.4.1 活塞销 174

7.4.4.2 活塞销座 176

 7.4.5 卡簧和卡簧槽 177

7.5 爆震导致的活塞负荷 178

7.5.1 爆震损伤和损伤评价 179

7.5.2 爆震检测技术和马勒KI测量仪 182

7.5.3 测量结果示例 186

7.5.4 爆震控制模块的质量检测 188

7.5.5 超级爆震和早燃 191

7.6 活塞噪音和横向运动 193

7.6.1 活塞系统性降噪的方法 193

7.6.2 汽油发动机的活塞噪音 195

7.6.2.1 噪音的主观评价 195

7.6.2.2 噪音的客观评价及量化 196

7.6.2.3 汽油发动机活塞横向运动及影响参数 202

7.6.3 轿车柴油发动机活塞噪音 205

7.6.3.1 噪音的主观评价 205

7.6.3.2 噪音的客观评价和量化 211

7.6.3.3 轿车柴油发动机活塞横向运动及影响参数 215

7.7 活塞销噪音 216

7.7.1 噪音的形成 216

7.7.2 结构辐射噪音传递路径和测量方法 217

7.7.3 时域分析方法 219

7.7.4 参数分析结果 221

7.7.4.1 活塞销间隙影响 221

7.7.4.2 活塞销座几何形状影响 222

7.7.4.2.1 油室和环形润滑槽 222

7.7.4.2.2 横向椭圆销孔和卸载槽 223

7.7.4.2.3 单边高椭圆度销孔 224

7.7.4.2.4 变形销孔 225

7.8 商用车柴油机湿式缸套气蚀 226

7.8.1 气蚀原理 228

7.8.2 气蚀的物理学现象 228

7.8.3 气蚀类型 229

7.8.3.1 气体气蚀 229

7.8.3.2 假性气蚀 230

7.8.3.3 蒸汽气蚀 230

7.8.3.4 流体气蚀 230

7.8.4 气蚀气泡动力学和气蚀气泡破裂 230

7.8.4.1 球体气蚀气泡破裂 231

7.8.4.2 非球体气蚀气泡破裂 231

7.8.5 湿式缸套上的气蚀损坏 232

7.8.6 气蚀检测技术 234

7.8.7 气蚀强度系数和信号分析 236

7.8.8 气蚀检测试验台 238

7.8.9 气蚀检测的试运行程序 239

7.8.10 气缸排列和位置与气蚀强度相关性 239

7.8.11 影响参数 240

7.8.11.1 发动机运行参数对气蚀的影响 241

7.8.11.1.1 发动机转速的影响 241

7.8.11.1.2 发动机负荷的影响 242

7.8.11.1.3 冷却系统压力的影响 242

7.8.11.1.4 冷却液体积流量的影响 243

7.8.11.1.5 冷却液温度的影响 243

7.8.11.1.6 冷却液成分的影响 244

7.8.11.1.7 燃烧室压力的影响 244

7.8.11.2 设计参数对气蚀的影响 245

7.8.11.2.1 活塞和气缸套装配间隙的影响 245

7.8.11.2.2 活塞结构类型和成型的影响 246

7.8.11.2.3 活塞其他相关参数的影响 247

7.8.11.2.4 气缸套和冷却通道设计合理性的影响 248

7.9 发动机机油耗和窜气量 248

7.9.1 发动机机油耗原理 249

7.9.1.1 活塞、活塞环、 气缸壁系统引起的油耗 251

7.9.1.2 气门挺杆密封引起的油耗 252

7.9.1.3 曲轴箱通风（窜气）引起的机油耗 252

7.9.1.4 涡轮增压机引起的机油耗和窜气量 253

7.9.2 机油耗测量方法 254

7.9.3 机油耗万有特性和动态机油耗特性 256

7.9.4 汽油发动机进气负压对机油耗的影响 261

7.9.5 摩擦功率和机油耗之间的权衡 262

7.9.5.1 油环切向力对机油排放的影响 262

7.9.5.2 油环切向力对机油排放和摩擦性能影响的比较 263

7.9.5.3 油环切向力对燃油消耗、机油排放及CO2平衡的影响 265

文献索引 266

我们希望从事发动机开发、设计和维护领域的工程师和科学家，以及机械工程专业、发动机技术、热力学和车辆结构方面的教授和学生，包括对现代汽油和柴油发动机感兴趣者，在阅读本书后都能够读有所获。活塞是发动机的心脏，而发动机是将其他形式的能量转化为动力的机械装置。