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活塞异形销孔的有限元强度计算及优化

何宝俊；李欣；黄凤琴；张志明；李相旺

(东风汽车公司技术中心,湖北武汉430058)

摘要:在某高爆压发动机开发过程中，针对活塞销孔可能因为应力过大而产生破坏的风险，采用

了异形销孔中的“喇叭形”销孔设计。为预测零件工作时应力水平,建立了活塞销孔有限元强度

分析模型，通过有限元计算,分别得到了选取不同“喇叭口”深度的情况下，活塞销孔与活塞销

接触应力的分布情况和应力峰值。结果表明：“喇叭形”销孔设计可以显著改善活塞销孔内侧上

边缘处的应力集中现象，使接触应力分布趋于均匀；针对本机型开发的机型，随着“喇叭口”深

度的增加增加，接触应力的峰值呈现出先下降后上升的趋势，15μm是一个相对优化的选择。

关键词:活塞销；异形销孔；有限元；优化；型线

引言

近年来，随着人们对汽车性能要求的不断提高，发动机爆发压力的不断增大成为一种趋势。

这满足了广大用户对动力性、经济性的追求，但不断增大的爆发压力载荷也给活塞、连杆、曲轴

等主要运动件的可靠性带来严峻的考验。其中，活塞销孔开裂破坏的案例就越来越多。

近年来活塞销座最大载荷发展趋势

140

120

100

80

60

40

20

0

发动机Ⅰ发动机Ⅱ发动机Ⅲ发动机Ⅳ

发动机开发年代

图1活塞销座载荷发展趋势

在某爆发压力很高的发动机（发动机Ⅳ）的开发过程中，活塞销孔最大载荷达到124200N(由

曲柄连杆机构动力学计算得到，本文不予展开)，这比常见机型明显增大；近年来，在高爆发压

力发动机中活塞销孔破坏的案例也越来越多。基于以上两点，在进行活塞销孔设计时须要重视其

可靠性。

1活塞销孔可靠性设计和优化的思路

进行活塞销座的可靠性设计和优化的具体思路如下：

a)了解活塞销孔的主要失效模式；

b)根据活塞销孔的主要失效模式，分析其失效的根本原因；

c)找出与“根本原因”相关的各个设计变量；

d)分析各个变量与发动机及零部件各项性能之间的正/负相关关系，发动机及零部件的各

项性能包括可靠性、动力性、经济性、排放性、可搭载性、NVH性能、工艺可行性、成

本、开发周期等；

e)结合该机型的设计构想中各性能的优先级，选定优化潜力较大、对其他性能负面影响尽

可能小的设计变量作为优化设计的着手点；

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f)建立有限元强度计算模型，研究设计变量与“根本原因”表征量之间的定性/定量关系，

进而选定该设计变量的值；

g)试验验证；

h)经验总结及方法推广。

2活塞销孔失效原因分析

2.1活塞销孔的主要失效模式

想要分析活塞销孔失效的原因，首先要了解活塞销孔的主要失效模式：

a)销孔表面拉毛。主要是由于活塞销孔和销表面之间的润滑油膜破坏引起；

b)销孔开裂。活塞销孔的开裂一般为高周疲劳失效【1】。主要是销孔与销接触的某些局部因

为应力过大而产生金属原子的位错，逐步萌生成微观裂纹，直至形成宏观工程裂纹，发

生失效；

c)销孔破碎。是销座开裂继续发展的结果，是销座主要失效模式中危害最大的一种，严重

时活塞销会轴向窜出打碎缸体，进而导致整个发动机报废；

d)销孔内外侧烧熔并延伸到活塞燃烧室。是销孔开裂继续发展的结果。

图2活塞销孔开裂案例

2.2活塞销孔失效的根本原因

分析活塞销孔的主要失效模式，引起活塞销孔失效的根本原因可归结为两个方面：油膜破坏

和销座边缘应力过大。而本机型开中的突出特点是爆发压力显著增大，因此主要从销座边缘应力

过大这个方面着手。

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图3活塞销孔失效原因分析

2.3影响活塞销座可靠性的关键设计变量

分析结果表明，可以从以下6个设计变量出发，降低销座边缘处的应力：

2.3.1使用承载能力更大的销座材料

根据销座供应商长期的经验，当前选取的销座材料能承受的最大压应力400MPa，已经是强

度很大的材料。这个方面没有可挖掘的潜力。

2.3.2提高活塞销刚度

在对其他性能负面影响尽可能小的前提下，为减小活塞销弯曲变形，活塞销的外径要尽可能

大；为减小活塞销椭圆变形，活塞销壁厚要尽可能大。

2.3.3减小发动机爆压

爆压的增加是为了提高发动机的高动力性和经济性，在机型开发的构想中优先级较高，因此

通过减小发动机爆压来避免销孔失效是不符合机型开发的最初构想的，是本末倒置的，不可取。

2.3.4增大活塞压缩高度

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在目前发动机转速日益提高，而冲程/缸径又趋向缩短的情况下，活塞压缩高度（即活塞销

轴线离活塞顶距离）越来越短，活塞销座的可变形长度也就越来越小了，这与保证活塞销座的柔

度的要求发生矛盾。因此只能说：在活塞总高度不断减小的条件下，从保证活塞销孔工作可靠性

出发，希望活塞压缩高度尽可能大，例如把活塞销位置适当降低到接近裙部中心。[2]

2.3.5使用刚度较小的活塞材料