1.1目的及意义

活塞是汽车发动机的“中枢神经”，与曲柄及连杆等形成曲柄连杆机构，在气体压力的作用下，活塞通过活塞销将自身的往复运动输出为曲柄连杆机构的旋转运动。在这一工作过程中，活塞在气缸内以一个很大的且不断变化的速度做往复运动，这一运动产生的惯性力使得活塞承受了很大的机械负荷；同时燃油燃烧过程中会产生高温高压气体，这些气体直接作用在活塞表面，导致活塞温度升高且各部分温度分布不均匀，使得活塞更容易承受额外的热应力和热变形。活塞在这种高温、高压、高速、且受力不均匀的恶劣环境下工作，容易产生变形和加速自身的磨损。

近年来随着日益严格的排放法规，发动机活塞技术逐渐向环保方面发展，低排放、超低排放、准零排放、零排放的技术成为了当今世界发动机生产企业主要研究方向。这就使得发动机工作过程中缸内压力不断增加，从国Ⅲ排放到Ⅵ排放，缸内最高压力提高了超过百分之十，过高的热负荷带来的热变形和热应力使得活塞容易出现顶面开裂穿孔等故障。为了避免这些故障的的发生，研究如何制造高温强度的活塞是最关键的问题。

因此在设计活塞的时候刚度和强度要足够的大，形状和壁厚要合理，散热性要好，质量、受热面积以及比重都要尽可能的小，材料热膨胀系数也要小，导热性好，并且具有良好的热强度和减摩性。

1.2国内外研究现状

目前国内外对于发动机活塞的的设计主要包括活塞头部、活塞裙部、活塞销座以及活塞材料选择几个方面的设计以及通过有限元对活塞的热应力和温度场进行分析。

在活塞材料选择方面，目前总体趋势是从铝合金到钢-铝合金到钢合金。王凯等人针对4L132柴油机活塞材料选择进行分析，发现4L132柴油机活塞的材料应满足如下要求：重度小、导热系数大、线膨胀系数小、机械强度高、减磨性好、稳定性好、耐腐蚀性好、易于加工等。

在活塞头部设计方面，周娜等人分析了活塞的顶面和顶岸的受力散热情况，选择平顶不带加强筋的活塞顶；吴东兴等人主要提出了采用没有面积突变的圆滑过渡和避免过于尖锐的棱边两种想法以及采用有限元方法实现喉口结构的优化设计；赵世来等人在位于活塞头部油环岸的下沿与面窗交汇处，四处分别采用凹坑结构形式，主要是减轻质量，并且通过FEA进行分析，W=F.S，质量减轻后，能量损失也会减少，以此来实现头部轻量化设计。

在活塞裙部设计方面，张治国等人采用短裙结构，不仅减少了活塞本体的质量，而且还会降低活塞的惯性力；周娜等人通过分析活塞在工作状态下受机械变形和热变形影响所产生的裙部椭圆变形，选择单椭圆规律的裙部横截面设计以及中凸鼓形曲线的纵截面设计来解决内凹型；张春英等人补充了在裙部设计时，对于裙部表面纹理的研究。活塞裙部表面波纹形状直接影响活塞摩擦，随波纹的长度增加，活塞的接触摩擦快速增加，因此要在设计中适当减小波纹长度

在活塞销座设计方面，曹志芬提出了一种活塞销座异型销孔的设计，可避免两端尖角应力集中，提高了销座的实际承载能力，同时采用下窄上宽的楔形销座，加大销座上侧与销的接触面积，提高销座承载能力；李波等人则在现有的销座处增加了1条小凹槽以此来储存机油从而改善其润滑效果，起到降低应力的作用；刘涛等人依据已有的参数确定活塞销座间距，根据销孔承载面积计算出销孔的比压，还采用了内外两侧双曲线的结构设计方案，进一步增强销孔部位的承压能力，提高销孔部分的可靠性。