活塞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 2

1、目 錄摘 要IIIAbstractIV1 前 言11.1選題背景和意義11.2 論文的主要工作12 95系列柴油機(jī)活塞的設(shè)計(jì)22.1活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求22.1.1活塞的機(jī)械負(fù)荷42.1.2活塞組的作用與特點(diǎn)52.1.3活塞的潤(rùn)滑52.1.4設(shè)計(jì)要求62.2活塞的材科62.3活塞頭部的設(shè)計(jì)72.3.1壓縮高度的確定72.3.2活塞頂和環(huán)帶斷面92.3.3環(huán)岸的強(qiáng)度校核92.3.4活塞頭部與氣缸的配合112.3.5提高活塞頭部及第一道環(huán)工作可靠性的結(jié)構(gòu)措施112.4活塞裙部的設(shè)計(jì)122.4.1裙部的尺寸和稍孔的位置122.4.2裙部的膨脹控制132.4.3活塞裙的配合間隙143 95系列柴油

2、機(jī)活塞銷和活塞銷座的選型設(shè)計(jì)153.1活塞銷和銷座的強(qiáng)度和剛度153.1.1活塞銷尺寸的確定153.1.2活塞銷座的設(shè)計(jì)173.2活塞銷和銷座的耐磨性173.2.1承壓面積173.2.2配合間隙和潤(rùn)滑183.3活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料和工藝184 95系列柴油機(jī)活塞環(huán)的設(shè)計(jì)194.1活塞環(huán)的工作情況194.1.1活塞環(huán)的密封作用194.1.2活塞環(huán)的不正常運(yùn)動(dòng)顫振204.2活塞環(huán)的計(jì)算214.2.1均壓環(huán)的自由形狀214.2.2活塞環(huán)的彈力、應(yīng)力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系234.2.3活塞環(huán)參數(shù)的選擇與驗(yàn)算254.2.4活塞環(huán)材料的檢驗(yàn)254.3活塞環(huán)斷面形狀的設(shè)計(jì)264.3.1桶面環(huán)264.3.2扭曲環(huán)26

3、4.3.3錐面環(huán)264.4油環(huán)的設(shè)計(jì)274.4.1普通槽孔式油環(huán)284.4.2彈簧脹圈油環(huán)284.4.3鋼片組合油環(huán)295結(jié) 束 語(yǔ)30謝 辭31參考文獻(xiàn)32摘 要柴油機(jī)活塞是柴油機(jī)重要運(yùn)動(dòng)件之一, 由于它所處的工作條件相當(dāng)嚴(yán)酷, 即高溫、高負(fù)荷、高速運(yùn)動(dòng)、潤(rùn)滑不良和冷卻困難等, 使其成為柴油機(jī)常見(jiàn)故障較多的零件之一。隨著柴油機(jī)技術(shù)水平的提高,高速柴油機(jī)活塞的研制和運(yùn)用, 氣缸內(nèi)平均有效壓力、最高燃?xì)鈮毫蜏囟染眲〉靥岣? 使活塞處在更嚴(yán)酷的工作環(huán)境中。活塞已成為柴油機(jī)強(qiáng)化的一個(gè)最大障礙。這就給設(shè)計(jì)高速柴油機(jī)活塞的人員提出了一個(gè)這樣的課題, 如何在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下, 提高活塞工作的可靠

4、性和耐久性。分析表明：通過(guò)合理的活塞設(shè)計(jì)，可以有效的提高活塞工作的可靠性，以及活塞的耐久性，充分發(fā)揮180F柴油機(jī)活塞的耐久性。本次設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是180F柴油機(jī)活塞組的設(shè)計(jì)，包括活塞頭，活塞環(huán)，活塞銷座，活塞裙部，活塞銷的設(shè)計(jì)。其中180F柴油機(jī)活塞活塞頭部設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)重中之重，因?yàn)樗惺苤芷谛宰兓臍鈮毫χ苯幼饔茫瑱C(jī)械符合高達(dá)62000牛頓的機(jī)械負(fù)荷；活塞在汽缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頭部承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔?，燃?xì)獾淖罡邷囟雀哌_(dá)2000-2500度，而且活塞頭部溫度梯度分布極不均勻，這就造成活塞頭部熱應(yīng)力分布不均，180F柴油機(jī)活塞組頭部承受極大熱負(fù)荷。本次設(shè)計(jì)活塞頭部通過(guò)采用耐高溫，熱膨脹系數(shù)

5、小，比重小的共晶鋁硅合金材料以及合理的頭部高度設(shè)計(jì)，將有效減輕活塞機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，增強(qiáng)活塞壽命以及耐磨性。關(guān)鍵字：柴油機(jī)；活塞；活塞裙；活塞銷1 前 言1.1選題背景和意義活塞組主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)，它的工作情況在很大程度上影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和使用的耐久性?；钊M要求有可靠的密封性，從而保證活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；钊M包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)。其中活塞的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。由于活塞組零件工作的條件都是在高溫情況下，并且在很高的機(jī)械負(fù)荷下做高速滑動(dòng)。同時(shí)由于周期性運(yùn)動(dòng)中連桿產(chǎn)生擺動(dòng)，作用在活塞上的力傳給連桿時(shí)，活塞還受一個(gè)交變側(cè)壓力，致使活塞不斷撞擊缸套，常導(dǎo)致活塞裙部變形。一般的活塞

6、設(shè)計(jì)要在保證強(qiáng)度和剛度的情況下，向著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，且截面變化處的過(guò)度要圓滑，從而減少應(yīng)力集中1?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)向著大功率高負(fù)荷方向發(fā)展，在高強(qiáng)度情況下更容易磨損，提高活塞組零件的工作可靠性和耐久性至關(guān)重要。本次設(shè)計(jì)基于此，活塞的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)工作的重中之重。1.2 論文的主要工作（1 180F柴油機(jī)活塞組的工作條件分析和設(shè)計(jì)；（2）180F柴油機(jī)活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括活塞設(shè)計(jì)要求，材料選擇，活塞頭部的設(shè)計(jì)與計(jì)算（壓縮高度的確定，活塞頂和斷面的設(shè)計(jì)，環(huán)岸的強(qiáng)度校核，頭部與汽缸的配合等），活塞裙部的設(shè)計(jì)與計(jì)算；（3）180F柴油機(jī)活塞銷和活塞銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括活塞銷和活塞銷座的尺寸確定，

7、材料選擇，強(qiáng)度和剛度計(jì)算；（4）180F柴油機(jī)活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。2 180F柴油機(jī)活塞的設(shè)計(jì)2.1活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求圖2-1 活塞的受力簡(jiǎn)圖2.1.1活塞的機(jī)械負(fù)荷活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，一般在膨脹沖程上止點(diǎn)附近達(dá)到最大值P P=F (p-1)= D (p-1)10（牛頓） （2-1） 式中F活塞投影面積(厘米)；D氣缸直徑(毫米)；p氣缸內(nèi)工質(zhì)的最高燃燒壓力(巴)，可由實(shí)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖得出。柴油機(jī)為6090巴。直徑為80毫米p7.8MPa的柴油機(jī)活塞頂上就作用著高達(dá)62000牛頓的氣壓力?？梢?jiàn)活塞的機(jī)械負(fù)荷很大，它使活塞各部分產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使活塞

8、銷座從內(nèi)側(cè)開(kāi)始縱向開(kāi)裂，第一道環(huán)岸斷裂等等。有時(shí)與它相配合的活塞銷也會(huì)因此而卡死或斷裂。目前發(fā)動(dòng)機(jī)向高速發(fā)展活塞組的最大慣性力一般已達(dá)活塞本身重量的10002000倍(汽油機(jī))和300600倍(柴油機(jī))。周期性變化的慣性力引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，并使連桿組、曲軸組零件特別是軸承負(fù)荷加重，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性下降。為適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強(qiáng)度、剛度前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)便、輕巧，截面變化處的過(guò)渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中采用強(qiáng)度低比重小的材料1。2.1.2活塞組的作用與特點(diǎn)一般活塞都是圓柱形體，根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件和要求，活塞本身的構(gòu)造有各種各樣，一般將活塞

9、這個(gè)小東西分為頭部、裙部和活塞銷座三個(gè)部分。頭部是指活塞頂端和環(huán)槽部分。活塞頂端完全取決于燃燒室的要求，頂端采用平頂或接近平頂設(shè)計(jì)有利于活塞減少與高溫氣體的接觸面積，使應(yīng)力分布均勻。多數(shù)汽油機(jī)采用平頂活塞，有些發(fā)動(dòng)機(jī)（例如直噴式柴油機(jī)和新型的缸內(nèi)噴注汽油機(jī)）為了混合氣形成的需要，提高燃燒效率，將爆燃減少到最小程度，需要活塞頂端具有較復(fù)雜的形狀，設(shè)有一定深度的凹坑作為燃燒室的一部分?；钊陌疾鄯Q為環(huán)槽，用于安裝活塞環(huán)。活塞環(huán)的作用是密封，防止漏氣和防止機(jī)油進(jìn)入燃燒室。 活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是盡量保持活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中垂直的姿態(tài)，也就是活塞的導(dǎo)向部分?；钊共康男螤顦O有講究，尤其是象轎

10、車一類的輕型乘用車，設(shè)計(jì)者從發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能出發(fā)，常在活塞裙部上動(dòng)腦筋，以盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊運(yùn)行平穩(wěn)活塞銷座是活塞通過(guò)活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷座的特別之處在于銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向一側(cè)偏移一點(diǎn)點(diǎn)，即向作功行程時(shí)活塞接觸缸壁的一側(cè)偏移，這樣當(dāng)活塞到上止點(diǎn)變換方向后活塞敲擊缸壁的程度會(huì)減少，從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。汽車中有上萬(wàn)個(gè)零件，大至如曲軸、變速箱體，小至彈簧墊圈、螺栓螺帽。每一個(gè)零件都有它的作用，象活塞環(huán)這樣的“小不點(diǎn)”，從形狀上看似簡(jiǎn)單，重量很輕，價(jià)格也很便宜，但作用卻非同小可。缺少了它固然汽車動(dòng)彈不得，甚至它有一點(diǎn)什么小毛病，

11、汽車也會(huì)不正常，要么耗油大，要么動(dòng)力不足。在整個(gè)活塞組與氣缸的配合中，活塞組中真正與氣缸缸壁接觸的是活塞環(huán)，它填補(bǔ)了活塞與氣缸壁間的空隙，以封閉燃燒室，因此它也是發(fā)動(dòng)機(jī)中最容易磨損的零件?；钊h(huán)一般由鑄鐵做成，有一定彈性，截面有多種形狀，表面有涂層以增加磨合性能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)活塞會(huì)受熱膨脹，因此活塞環(huán)有開(kāi)口間隙，安裝時(shí)為了保持密封性，要將各活塞環(huán)的開(kāi)口間隙位置錯(cuò)開(kāi)。一個(gè)活塞往往有三至四個(gè)活塞環(huán)，它們按照作用的不同，分為氣環(huán)和油環(huán)兩大類。氣環(huán)裝在活塞頭部上端的環(huán)槽內(nèi)，用來(lái)防止漏氣，將活塞頭部的熱量傳遞到氣缸壁，疏散活塞的熱量。油環(huán)的作用是防止?jié)櫥透Z入燃燒室，將氣缸壁上過(guò)量的潤(rùn)滑油刮回到油底殼

12、，它安裝在氣環(huán)的下方環(huán)槽內(nèi)。只要保證密封功能的要求，活塞環(huán)數(shù)目少比數(shù)目多好，活塞環(huán)數(shù)目少既保持了最小的摩擦面積，減少功率損耗，又縮短了活塞的高度，相應(yīng)也就降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，目前高速汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一般是兩道氣環(huán)和一道油環(huán)?；钊倔w結(jié)構(gòu)型式可分為整體式和組合式；按有無(wú)專門冷卻介質(zhì)冷卻可分為冷卻式活塞和非冷卻式活塞。中小型柴油機(jī)多用筒形非冷卻式整體活塞。 特點(diǎn)：頂板與圓周壁有較大的過(guò)度圓弧，且有較厚尺寸，使熱流有較大的傳遞截面。這種活塞對(duì)活塞環(huán)的傳熱可靠性要求較高；多用鋁合金（如ZL109等）制造，它導(dǎo)熱好，活塞溫度分布較均勻，熱應(yīng)力小，質(zhì)量小，往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力也?。粸榉乐垢邷貢r(shí)頭部與缸壁大面積接觸和低

13、溫時(shí)因間隙過(guò)大而漏氣太大，往往在頭部制有螺紋外圓等結(jié)構(gòu)。隨著功率及最高爆發(fā)壓力的提高，活塞的熱負(fù)荷越來(lái)越大，特別在大型低速機(jī)中，一般都采用冷卻式活塞，且較多采用鑄鐵薄壁結(jié)構(gòu)或鑄鋼鑄鐵組合活塞。筒形活塞利用潤(rùn)滑油冷卻的型式有圖多種形式。有從連桿小端向活塞頂壁內(nèi)側(cè)噴出壓力潤(rùn)滑油。有從設(shè)置在曲軸箱的壓力油管對(duì)活塞噴油冷卻，有活塞長(zhǎng)裙壁中鉆油孔將壓力油引入活塞冷卻腔，還有活塞頭部埋設(shè)（鑄設(shè)）冷卻盤管。還有從連桿經(jīng)活塞銷上油孔至活塞頂部冷卻腔，由于冷卻油不充滿油腔，故在活塞作變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油腔中潤(rùn)滑油產(chǎn)生振蕩，對(duì)活塞振蕩冷卻。十字頭式采用潤(rùn)滑油冷卻活塞實(shí)例。其結(jié)構(gòu)由活塞頭1、活塞裙3用柔性螺栓6緊固于

14、活塞桿4而形成。用固定在活塞上的油管將曲軸箱壓力潤(rùn)滑油引入活塞頂內(nèi)膛腔，振蕩冷卻后由較高的出油管泄入曲軸箱。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：頂較薄，內(nèi)外溫差應(yīng)力較小，頂板下有8根徑向加強(qiáng)筋，這樣形成薄壁強(qiáng)背結(jié)構(gòu)型式，使冷卻效果提高。活塞頂壁與圓周壁面過(guò)度圓角厚度也小，熱量由頂壁傳向圓周壁較少，使活塞環(huán)溫度不高。活塞頭部裝有五道氣封活塞環(huán)，活塞裙部裝有四道青銅承磨環(huán)，用以改善裙部與氣缸套磨合性能?；钊馆^長(zhǎng)，保證活塞在上止點(diǎn)時(shí)遮閉進(jìn)排氣口。組合式結(jié)構(gòu)，頂部用耐熱合金鋼，裙部用耐磨合金鑄鐵制造，這樣使材質(zhì)合理使用，制造簡(jiǎn)化?；钊斉c裙部用柔性螺栓從裙部倒擰入活塞頂，細(xì)長(zhǎng)螺栓采用球面墊圈，使螺栓抗疲勞強(qiáng)度提高，防止因?qū)χ?/p>

15、誤差造成的螺栓附加彎曲力矩。活塞頂與裙部安裝支承面必須精密加工并拂刮，使接觸面積大于85；活塞頂外圓圈與裙部接合部位軸向間隙將影響到工作后活塞頂?shù)淖冃渭皯?yīng)力分布，故有明確規(guī)定。 在大功率中高速柴油機(jī)中，近幾年開(kāi)始應(yīng)用新型整體的鑄鐵活塞。它用球墨鑄鐵制造、壁部較薄，也稱“薄壁球鐵”活塞。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：采用薄壁桁架結(jié)構(gòu)，依靠設(shè)在頂壁的筋肋來(lái)承受最高燃燒壓力。因剛度大質(zhì)量小，已與鋼頂鋁裙組合活塞質(zhì)量接近。活塞銷座與活塞頂壁用筋肋與活塞銷轂水平方向筋肋相聯(lián)，最高爆發(fā)力經(jīng)筋肋傳給銷座而不影響裙部圍壁。這種懸掛式彈性銷座使活塞裙部可以做成薄壁圓筒。冷卻油腔做得較大，振蕩冷卻效果顯著。與缸套配合間隙僅為鋁

16、合金活塞的一半，且冷熱態(tài)幾乎一樣，活塞對(duì)缸套晃動(dòng)、敲擊得以防止和減輕2。2.1.3活塞的潤(rùn)滑 活塞在側(cè)壓力作用下，在氣缸內(nèi)高速滑動(dòng)(活塞平均速度已高達(dá)12米秒)，而缸壁一般均靠飛濺潤(rùn)滑，因此潤(rùn)滑條件差，摩擦損失大(活塞組的摩擦損失約占發(fā)動(dòng)機(jī)全部摩擦損失的40），磨損嚴(yán)重，易使活塞和活塞環(huán)磨損失效。由于活塞在不同工況下具有非常不同的溫度，所以在不同工況下始終保持最佳的配合間隙成為十分復(fù)雜的問(wèn)題。2.1.4設(shè)計(jì)要求 活塞是在高負(fù)荷、高溫、高速、潤(rùn)滑不良的條件下工作的，對(duì)它的設(shè)計(jì)要求： （1）要選用熱強(qiáng)度好、耐磨、比重小、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料； （2）有合理的形狀和壁

17、厚。使散熱良好，強(qiáng)度、剛度符合要求，盡量減輕重量，避免應(yīng)力集中；（3）保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失；（4）在不同工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合；（5）減少活塞從燃?xì)馕盏臒崃?，而已吸收的熱量則能順利地散走；（6）在較低的機(jī)油耗條件下，保證滑動(dòng)面上有足夠的潤(rùn)滑油。當(dāng)進(jìn)行活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重解決的問(wèn)題是：（1）改善活塞頂及第一環(huán)的工作條件，防止頂部熱裂和環(huán)粘結(jié)、卡死和過(guò)度磨損；（2）改善活塞銷和銷座的實(shí)際承載能力，減少磨損，防止破裂；（3）確定合適的裙部外形和熱膨脹控制措施，提高裙部承載能力和減小配缸間隙，改善磨損并使運(yùn)轉(zhuǎn)平順2。2.2活塞的材科 根據(jù)上述對(duì)活

18、塞設(shè)計(jì)的要求，活塞材料應(yīng)滿足如下要求： （1）熱強(qiáng)度高。即在300400C高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞；（2）導(dǎo)熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力；（3）膨脹系數(shù)小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙；（4）比重小。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重；（5）有良好的減磨性能(即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較小)，耐磨、耐蝕；（6）工藝性好，價(jià)廉。由于上述要求往往是互相矛盾的，因此，到目前為止，還沒(méi)有一種能全面滿足上述要求的單一材料，現(xiàn)在常用的活塞材料是鑄鐵、鋁合金和鋼。所以，選鋁合金作為活塞材料。在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐解性、耐蝕性好、

19、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。在更嚴(yán)重的負(fù)荷條件下，則用珠光體可鍛鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵等。在強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)中可以來(lái)用鍍錫鋁合金活塞。共晶鋁硅合金是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。含硅9%作用的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能良好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣3。根據(jù)以上分析，本次180F柴油機(jī)活塞組活塞材料選用共晶鋁硅合金。2.3活塞頭部的設(shè)計(jì)活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過(guò)銷座把它傳給連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。因此，活塞頭部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：（1）保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛

20、度，以免開(kāi)裂和產(chǎn)生過(guò)大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過(guò)大勢(shì)必影響活塞環(huán)的正常工作；（2）保證溫度不過(guò)高，溫差小，防止產(chǎn)生過(guò)大的熱變形和熱應(yīng)力，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件，并避免頂部熱疲勞開(kāi)裂；（3）尺寸盡可能緊湊，因?yàn)橐话銐嚎s高度H縮短l單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度可以縮短1.52單位，并顯著減輕活塞重量。而H則直接受頭部尺寸的影響。2.3.1壓縮高度的確定活塞壓縮高度H(圖22)系由火力岸高度h1、環(huán)帶高度h2和上裙高度h3三部分組成的?；钊h(huán)的數(shù)目、環(huán)的位置和軸向高度、環(huán)與環(huán)之間的環(huán)岸高度等都直接影響尺寸H。. 圖2-2 95活塞的設(shè)計(jì)尺寸（1）第一環(huán)位置根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第

21、一環(huán)的位置，即所謂火力岸的高度h1。為縮小H，當(dāng)然希望h1盡可能小，但h1過(guò)小會(huì)使第一環(huán)溫度過(guò)高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。一般柴油機(jī)h1=（0.150.25）D=1220， 選h1=0.2D=16毫米（2）環(huán)帶高度為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度b應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。般氣環(huán)高b23毫米，油環(huán)高b46毫米,選第一氣環(huán)高b=第二氣環(huán)高b=3毫米，油環(huán)高b=6毫米，環(huán)岸高c=4毫米，c=3毫米。（3）活塞環(huán)數(shù)活塞環(huán)數(shù)目對(duì)活塞頭部的高度H 1有很大影響。因其轉(zhuǎn)速為3000r/min為高速柴油機(jī)，因此選2道氣環(huán)，1道油環(huán)。（4）活塞銷上面

22、的裙部長(zhǎng)度確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，高度H最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽（一般是油環(huán)槽）的距離h3 (圖22)。為了保證油環(huán)工作良好，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會(huì)使油環(huán)卡住而失效?；钊N上面裙部長(zhǎng)度對(duì)于活塞裙部在氣缸內(nèi)的良好導(dǎo)向也有很大影響。如果能使裙部與缸壁配合間隙很小，裙兩端的尖角負(fù)荷就不會(huì)太嚴(yán)重，那么h3小些也無(wú)妨。不然，就希望h3適當(dāng)大些4。 一般柴油機(jī)H=（0.60.8）D，選H=0.7D=56毫米；所以h3=H h12b c c = 20毫米。2.3.2活塞頂和環(huán)帶斷面(1)活塞頂活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)角度，為了減輕活塞組的熱負(fù)

23、荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀，即平頂。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用乎項(xiàng)活塞，非直接噴射的高速柴油機(jī)，也采用平頂或接近平頂?shù)男螤?。鋁制活塞頂部的最少厚度，柴油機(jī)，選=0.15D=12毫米；(2)環(huán)帶斷面與環(huán)槽尺寸為了使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過(guò)多地集中在最高一環(huán)，應(yīng)保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚，其平均值=（23），本次180F柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)選=0.77D=61.6毫米，=2.5 ；=3.9毫米,=9.75毫米。2.3.3環(huán)岸的強(qiáng)度校核在膨脹沖程開(kāi)始時(shí)，在爆發(fā)壓力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力p比下面壓力p大得多(圖23)，不平衡力會(huì)

24、在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力p=7.8MPa時(shí)，p=0.9 p=7.02MPa，p=0.2p=1.56MPa。圖2-3 第一環(huán)岸的受力情況環(huán)岸是一個(gè)厚度為c,內(nèi)外圓直徑為D、的圓環(huán)行板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算固定面的應(yīng)力比較復(fù)雜，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行大致計(jì)算。(p-p)(D-)=0.0026pD而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于c*0.9D=0.47cD所以環(huán)根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 =0.055p()()同理得剪切應(yīng)力 =0.37p()按合成應(yīng)力公式 =而

25、環(huán)岸根端面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 =0.0055x7.8（80/4)x(80/4)=17.16MPa同理得剪切應(yīng)力 t=0.0037xD/c x p=0.5772按合成應(yīng)力公式 =17.16MPa 考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力可取。計(jì)算得在此范圍之內(nèi)，所以本次180F柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)符合要求。2.3.4活塞頭部與氣缸的配合活塞頭部直徑應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，環(huán)帶不與缸壁直接接觸，以免溫度較高的鋁合金表面磨壞。故活塞頭部的裝配間隙必須考慮鋁活塞與鑄鐵氣缸在工作溫升下熱膨脹的差別，即 式中和分別是鋁活塞頭部和鑄鐵氣缸在工作

26、狀態(tài)下相對(duì)裝配狀態(tài)溫度的升高量，稱為工作溫升，初步計(jì)算可假設(shè)：汽油機(jī)=250 ，=100 。再令膨脹系數(shù)=20，=10則當(dāng)D=80毫米時(shí)，按公式有： 800.32mm這是與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相符的。2.3.5提高活塞頭部及第一道環(huán)工作可靠性的結(jié)構(gòu)措施在強(qiáng)化的柴油機(jī)活塞工作過(guò)程中，隨著熱負(fù)荷的增加，頂部的穩(wěn)態(tài)及循環(huán)熱應(yīng)力會(huì)引起熱疲勞裂紋，而第一環(huán)也是經(jīng)常發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，諸如粘結(jié)、卡死、嚴(yán)重磨損、彈性松弛等情況，對(duì)此必須予以重視，一般可采取以下結(jié)構(gòu)措施來(lái)改善：（1）將活塞頭部設(shè)計(jì)成具有良好導(dǎo)熱能力的變截面所謂“熱流型”。盡量降低熱應(yīng)力，并且不使熱量過(guò)多地集中在第一環(huán)。（2）在第一環(huán)槽或燃燒室喉

27、口，鑄入耐熱護(hù)圈，以增強(qiáng)環(huán)槽的耐磨性，防止喉頭開(kāi)裂。此時(shí)，允許稍增大環(huán)的側(cè)隙，有利于防止環(huán)的粘結(jié)和卡死。（3）活塞在上止點(diǎn)時(shí)，第一道活塞環(huán)應(yīng)處于良好的冷卻區(qū)域。如水冷式發(fā)功機(jī)活塞第一環(huán)位置不高于水套冷卻水區(qū)域。對(duì)風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)則應(yīng)保證第一環(huán)處在有足夠放熱筋片地區(qū)域。（4）減小活塞頭部與缸套的配合間隙，使活塞頂所接受的熱量有一部分直接通過(guò)環(huán)岸傳給缸壁，改善活塞頭部及環(huán)的熱負(fù)荷。（5）第一環(huán)采用梯形環(huán)，以防粘結(jié)。（6）在活塞第一環(huán)槽上方車隔熱槽，使部分熱流偏離第一環(huán)，減輕其熱負(fù)荷。（7）在活塞頂部噴鍍陶瓷或進(jìn)行硬膜陽(yáng)極氧化處理，形成高硬度的隔熱層，增加了熱阻，減少頭部吸收的熱量。（8）對(duì)活塞頭部采取冷

28、卻措施。2.4活塞裙部的設(shè)計(jì)活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊古c氣缸直接接觸并高速滑動(dòng)，同時(shí)承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力P(圖21)。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，其有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)滑油膜。既不因間隙過(guò)大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過(guò)小而在氣缸中咬住，導(dǎo)致重大事故。因此，活塞裙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本思想，是如何在發(fā)動(dòng)不同工況下始終保持它與氣缸間有最合適的間隙。但是因?yàn)榛钊牧箱X合金的熱膨脹系數(shù)比較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)從冷起動(dòng)到全負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的不同工況下活塞的工作溫度又在很大幅度內(nèi)變化，所以要完全實(shí)現(xiàn)上述要求是不容易的7。2.4.

29、1裙部的尺寸和銷孔的位置活塞裙部是側(cè)壓力P（圖21)的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其表面比壓p不應(yīng)超過(guò)一定的數(shù)值。裙部的長(zhǎng)度H(圖22)影響活塞工作的穩(wěn)定性、噪音和耐久性， 目前一般就根據(jù)p來(lái)估計(jì) =式中 P最大側(cè)壓力(牛頓)； F活塞活塞裙投影面積（厘米)。在考慮活塞裙長(zhǎng)度與活塞銷位置的相互關(guān)系時(shí)，可以把活塞裙看作鉸支在活塞銷上的滑塊。如果活塞側(cè)壓力P的作用線與活塞膨脹沖程時(shí)油膜合力R一致，則沿滑塊就可在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙許用比壓p=612巴(高速柴油機(jī))。此比壓值越大，則在活塞材料的選擇、設(shè)計(jì)、加工、表面處理等方面越要仔細(xì)。故本次180F柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)選裙部長(zhǎng)度

30、H2 選取H2時(shí)應(yīng)是裙部比壓在許可范圍內(nèi)H2/D的范圍一般如下高速柴油機(jī) 0.650.68 中速柴油機(jī)1.01.1綜合考慮取0.65既裙部長(zhǎng)0.65x80=52上下裙部應(yīng)有恰到的比例，上裙長(zhǎng)度H3過(guò)小易產(chǎn)生尖峰負(fù)荷，造成活塞拉毛及擦傷，一般的比例如下，H3=（0.650.75）H2=33.8392.4.2裙部的膨脹控制因此，在設(shè)計(jì)活塞裙時(shí)一方面必須盡量減少?gòu)幕钊^部傳給裙部的熱量，采用膨脹系數(shù)小的材料或采用限制膨脹的專門措施；另一方面使括塞裙部的形狀與活塞的溫度分布、金屬分布相適應(yīng)，與機(jī)械變形造成的失圓相適應(yīng)。根據(jù)上述認(rèn)識(shí)，在生產(chǎn)實(shí)踐中采取下列三類結(jié)構(gòu)措施。（1） 橫向絕熱槽和縱向補(bǔ)償槽在活塞

31、裙上端，或者最下面一道油環(huán)槽底加工出橫槽，以減少?gòu)幕钊^部傳到裙部的熱量，降低裙部的溫度。與此同時(shí)還在活塞裙的次推力面上加工出縱向(帶不大的斜度)直槽使裙部有一定的彈性。直檔與上述橫糟成T形或成倒u形，而在非推力面的銷孔出口附近鑄有深0.51毫米的凹陷面。（2）橢圓裙活塞工作時(shí)在銷軸方向尺寸伸長(zhǎng)相對(duì)較多，為使裙部在工作時(shí)具有比較均勻的間隙，不致在銷孔附近卡住，在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部做成長(zhǎng)軸位于垂直銷鈾方向，短軸位于平行銷軸方向的橢圓形（圖2-4a,b）。圖2-4 典型活塞裙部橢圓形狀公式 e=(1-cos2)式中 D、d分別是橢圓的長(zhǎng)短軸。修正公式 e=(1-cos2)+(1-cos4)式中 =1.7

32、82.4.3活塞裙的配合間隙活塞裙部和氣缸套配合標(biāo)準(zhǔn)間隙為0.130.195毫米。故180F柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)選配合間隙為0.16毫米。3 180F柴油機(jī)活塞銷和活塞銷座的選型設(shè)計(jì)活塞工作時(shí)頂部承受很大的氣壓力，它們?nèi)客ㄟ^(guò)銷座傳給活塞銷，再傳到連桿。因而，活塞銷與銷座必須有足夠的強(qiáng)度、足夠的承壓面積和耐磨性。其中活塞銷的剛度有著關(guān)鍵意義，如果縱向剛度不足，則引起負(fù)荷分布不均勻，使銷座疲勞破壞，導(dǎo)致活塞縱向開(kāi)裂橫向剛度不足，使銷的失圓變形過(guò)大，潤(rùn)滑油膜遭受破壞，引起活塞銷咬住8。3.1活塞銷和銷座的強(qiáng)度和剛度3.1.1活塞銷尺寸的確定（1）180F柴油機(jī)活塞銷設(shè)計(jì)尺寸確定決定銷尺寸時(shí)，按計(jì)算項(xiàng)目

33、重要性的排列次序如下：活塞銷的彎曲變形；活塞銷的橢圓變形；銷座上的表面壓力；活塞銷的應(yīng)力。如圖:根據(jù)180F系列柴油機(jī)活塞銷的工作條件故180F系列柴油機(jī)活塞銷設(shè)計(jì)選d=0.37D=29.6毫米；d=0.60d=48毫米；l=0.84D=67.2毫米；l=0.63d=18.648毫米；B=0.97d=28.712毫米；=B+2=30.712毫米；公式 =1.54 得 R=24.34毫米； e=2.72毫米。 圖3-1 柴油機(jī)活塞銷結(jié)構(gòu)1活塞 2活塞銷 3連桿 4連桿小頭油孔 5活塞銷座油孔（2）應(yīng)力計(jì)算活塞銷的應(yīng)力是縱向變形所產(chǎn)生的縱向彎曲應(yīng)力勺銷的橫斷面失圓產(chǎn)生的橫向彎曲應(yīng)力的組合。活塞銷的

34、縱向彎曲應(yīng)力可表示為 =0.093（牛頓/毫米）活塞銷的橫向彎曲應(yīng)力=0.0685*（牛頓/毫米）由于總彎曲應(yīng)力=，因此 =0.093=295（牛頓/毫米）算出的總應(yīng)力應(yīng)在200400牛頓/毫米范圍內(nèi)。計(jì)算得出在范圍之內(nèi)，所以符合要求。3.1.2活塞銷座的設(shè)計(jì)活塞工作時(shí)頂部承受很大的氣壓力，它們?nèi)客ㄟ^(guò)銷座傳給活塞銷，再傳到連桿。因而，活塞銷與銷座必須有足夠的強(qiáng)度、足夠的承壓面積和耐磨性。其中活塞銷的剛度有關(guān)鍵意義，如果縱向剛度不足，則引起負(fù)荷分布不均勻，使銷座疲勞破壞，導(dǎo)致活塞縱向開(kāi)裂橫向剛度不足，使銷的失圓變形過(guò)大，潤(rùn)滑油膜槽受破壞，引起活塞銷咬住。要盡量提高銷座的實(shí)際承裁能力，就須使它適

35、應(yīng)活塞銷的變形，這一適應(yīng)能力與下列三個(gè)因素有關(guān)：（1）活塞銷座的可變形長(zhǎng)度。它決定于銷座軸線到活塞頂?shù)木嚯x，即活塞壓縮高度H；（2）活塞銷座的結(jié)構(gòu)和它的壁厚比；（3）活塞材料及其狀態(tài)?；钊膲嚎s高度H=56毫米活塞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，首先是改變加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式，另一個(gè)結(jié)構(gòu)措施是在銷孔內(nèi)壓入襯套，這就在活塞銷直徑不變的前提下，提高了銷座的實(shí)際承載能力9。本次設(shè)計(jì)選用鋁合金做材料。3.2活塞銷和銷座的耐磨性活塞銷和銷座無(wú)疑是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作情況最惡劣的軸和軸承。一是負(fù)荷很大而承壓面積很??；二是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)活塞銷與銷座(或連桿襯套)之間只在不大的角度內(nèi)相對(duì)擺動(dòng)，無(wú)法形成充分的油膜；三是溫度可達(dá)到150C左右，潤(rùn)滑油性

36、能下降；四是由于前面分析過(guò)的變形，壓力分布很不均勻。因此要保證工作可靠，必須在承壓面積、配合間隙、摩擦表面質(zhì)量等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究10。3.2.1承壓面積一般銷的全長(zhǎng)實(shí)際上為l=(0.70.85)D,本次180F柴油機(jī)活塞銷選L=0.84D=67.2毫米，因此銷座的承壓面積 F=0.02ld=11.03毫米連桿襯套承壓面積 F=0.01Bd=8.49毫米3.2.2配合間隙和潤(rùn)滑活塞銷和連桿襯套配合標(biāo)準(zhǔn)間隙為0.0350.057毫米。本次設(shè)計(jì)選配合間隙為0.046毫米。摩擦速度較小，潤(rùn)滑間隙也較小，不需要大量機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑，只要能維持薄層油膜就行。3.3活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料和工藝活塞銷的結(jié)構(gòu)，正如前

37、面所指出的，為了在最輕的重量下獲得最大的剛度，一般都呈中空的圓柱形(圖32a)，柴油機(jī)活塞銷由于負(fù)荷大，外徑很大，而壁厚考慮到失圓變形問(wèn)題也不能太薄，因而往往很笨重。但是實(shí)際上銷座的負(fù)荷是向外逐漸減小的，所以在銷座長(zhǎng)度內(nèi)活塞銷的壁厚可以向外逐漸減小，而不致使失圓變形超出允許值，因此，為了減輕重量，柴油機(jī)活塞銷內(nèi)孔應(yīng)制成錐形的(圖32b)，但是錐孔部分不應(yīng)該延伸到活塞銷中央，而應(yīng)只比銷座支承長(zhǎng)度稍深一些，銷端部的最小壁厚可以減小到原壁厚的一半。故本次180F柴油機(jī)活塞銷設(shè)計(jì)，活塞銷的材料選用高級(jí)合金鋼。制作工藝使用冷擠壓的加工工藝。95系列高速柴油機(jī)活塞銷結(jié)構(gòu)4 180F系列柴油機(jī)活塞環(huán)的設(shè)計(jì)活

38、塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件之一，活塞環(huán)工作的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。按其功用不同，活塞環(huán)可分為氣環(huán)與油環(huán)兩類。氣環(huán)的主要作用是與活塞一起密封氣缸工作腔。在實(shí)現(xiàn)密封的條件下，環(huán)的另一作用是將活塞頭部熱量導(dǎo)出。因?yàn)榛钊h(huán)一旦密封失效，大量高溫燃?xì)鈴幕钊c氣缸間的縫隙中竄出，不但活塞從頂面接受的熱量不能借助活塞環(huán)傳給氣缸壁，而且活塞外圓表面和活塞環(huán)的全部表面還被燃?xì)鈴?qiáng)烈加熱，最后可能導(dǎo)致活塞和活塞環(huán)燒壞。所以對(duì)氣環(huán)的根本要求就是保證密封。油環(huán)的主要作用是使氣缸壁面的潤(rùn)滑油分布均勻，并避免多余的潤(rùn)滑油竄入燃燒室，造成積炭和增大潤(rùn)滑油消耗量。4.1活塞環(huán)的工作情況4.1.1活塞環(huán)的密封作用圖4-1 活塞環(huán)所承

39、受力 圖4-2 通過(guò)環(huán)系的漏氣通路Pr徑向不平衡力 Pa軸向不平衡力氣環(huán)要有良好的密封作用，首先應(yīng)以一定彈力P與氣缸壁壓緊，形成所謂第一密封面(圖41)，使氣體不易通過(guò)環(huán)周與氣缸之間， 而鉆入環(huán)與環(huán)槽間的空間。由三個(gè)氣環(huán)組成的迷宮式通道(圖856)將使氣缸中壓力為p的燃?xì)庠诮?jīng)過(guò)節(jié)流后，壓力迅速下降，正常情況下，其比例大致是： p086p, p020p， p0076p使正常漏氣量只有吸氣量的o21。這就是環(huán)式密封系統(tǒng)所以能成功地應(yīng)用，并使往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)具有強(qiáng)大生命力的重要因素之一。環(huán)端開(kāi)口的形狀以最簡(jiǎn)單的直角形狀(圖42。)最合理。因?yàn)榧词共捎幂^復(fù)雜的形狀如階梯形(圖b)，斜口(圖c)但環(huán)背漏

40、氣通路仍不變，只要端隙相同，關(guān)鍵性的最小自由漏氣通路面積就完全相同。4.1.2活塞環(huán)的不正常運(yùn)動(dòng)顫振圖4-3a)直角口 b) 階梯形 c) 斜口 d) 、e)帶防轉(zhuǎn)銷釘槽活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，至今尚未研究得很清楚，一般認(rèn)為其基本運(yùn)動(dòng)有：（1）上、下運(yùn)動(dòng)活塞環(huán)隨同活塞的上升、下降，在環(huán)槽內(nèi)作上、上運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)決定于氣壓力、摩擦力及其慣性。 （2）徑向運(yùn)動(dòng) 由于加工、磨損、緊固、溫差等引起的氣缸錐度和橢圓度，使活塞環(huán)在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然同時(shí)在環(huán)槽內(nèi)作一張縮的徑向運(yùn)動(dòng)。它是引起環(huán)槽磨損的主要原因。（3）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 它與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、氣缸的喇叭狀磨損、變形等密切關(guān)連?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)防止環(huán)的偏磨、局部

41、過(guò)熱或卡死是有利的，但它也可能引起各環(huán)開(kāi)口的重疊，使工作過(guò)程惡化。除上述基本運(yùn)動(dòng)外，活塞環(huán)還存在不規(guī)則的鈾向和徑向振動(dòng)，以及扭曲振動(dòng)，它們使漏氣量加大，磨損加劇，并造成斷環(huán)。為提高活塞環(huán)的抗顫振性，可采取以下措施：（1）使用開(kāi)口部分有較高徑向壓力的高點(diǎn)環(huán)；（2）減小環(huán)寬b，以減輕環(huán)本身重量，減少慣性力；（3）增大環(huán)厚t，以增加環(huán)的剛度和彈力p。（4）增加環(huán)的軸向不平衡，氣壓力(圖42)圖4-4 環(huán)的扭曲和壓力分布a)不扭曲，P900牛頓 b)反扭曲，P=0 c)正扭曲，P1800牛頓故本次設(shè)計(jì)采用扭曲環(huán)等辦法來(lái)解決顫振現(xiàn)象；4.2活塞環(huán)的計(jì)算 活塞環(huán)計(jì)算的第一項(xiàng)任務(wù)為使活塞環(huán)置于氣缸后環(huán)周即對(duì)

42、缸壁產(chǎn)生必需的壓力，環(huán)在置入氣缸前的自由狀態(tài)該是什么形狀？環(huán)的第二項(xiàng)計(jì)算是確定活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。第三項(xiàng)是驗(yàn)算既定參數(shù)的環(huán)從自由狀態(tài)收攏裝入氣缸后，所產(chǎn)生的應(yīng)力是否超過(guò)材料的許用應(yīng)力值；環(huán)從自由狀態(tài)掰開(kāi)套過(guò)活塞頭部時(shí)引起的套裝應(yīng)力。4.2.1均壓環(huán)的自由形狀均壓活塞環(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)，就是梁在外周均布負(fù)荷作用下的一種彎區(qū)(圖4-3)。根據(jù)曲梁的彎曲基本方程，自由環(huán)中線某一點(diǎn)的曲率半徑與它從自由狀態(tài)彎到工作狀態(tài)時(shí)所受彎矩M之間有如下關(guān)系 -= （4-1）式中 r工作狀態(tài)中線曲率半徑，r=(D-t)/2； I環(huán)斷面軸慣性矩，對(duì)b矩形斷面環(huán)，I=bt/12。圖4-5 均壓環(huán)的彎距圖為確定環(huán)任意斷

43、面BB中的彎矩，可把環(huán)看成在開(kāi)口對(duì)面的對(duì)稱斷面AA固定的懸臂梁，因?yàn)檫@一斷面在環(huán)變形時(shí)不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。于是，作用在單元環(huán)段rd上的單元力dP-pbrd對(duì)斷面BB產(chǎn)生的彎矩為 dMdPrsin(-)=pbrsin(-)d （4-2）式中ppr/r,為換算到環(huán)中線的環(huán)周壓力。因此環(huán)從到一段上的壓力對(duì)斷面BB的總彎矩為 M=pbrd=pbr(1+cos)=158N/mm把公式（4-2）帶入（41），即得活塞環(huán)自由狀態(tài)下的中線（簡(jiǎn)稱自由型線）上任一點(diǎn)的曲率半徑公式 = =0.38 （43）式中=（-1）由此可見(jiàn)，對(duì)于t常數(shù)的均壓環(huán)來(lái)說(shuō),自由型線曲率半徑隨位置()而變，所以活塞環(huán)自由形狀不是圓形。知道了曲率

44、半徑變化規(guī)律，曲線本身就完全確定了。4.2.2活塞環(huán)的彈力、應(yīng)力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系(1)活塞環(huán)的彈力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系環(huán)的工作性能與它在工作狀態(tài)下的彈力有很大關(guān)系。在材料及直徑D既定的條件下，環(huán)彈力與其開(kāi)口端距S和徑向厚度t有關(guān)。當(dāng)活塞環(huán)從自由狀態(tài)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)時(shí)，長(zhǎng)度為dS=rd的單元AB（圖4-5）的曲率半徑由于彎矩M的作用以減小到r，這時(shí)B點(diǎn)繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)一角度d=d-d=d(1-)=r(-)d=圖4-6 活塞環(huán)自由端距的計(jì)算據(jù)公式（4-2）。有 d=(1+cos)d在B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，環(huán)槽C點(diǎn)的移動(dòng)量 =Ad它在x方向的投影，即周向位移 d=d=r(1+cos)d所以 d=(1+cos)d=(1+

45、cos)d活塞環(huán)一段總周向位移 x=D(-1)d=0.025mm得環(huán)自由端距 S=2x=2D(-1)=12.215mm 于是可知，活塞環(huán)平均彈力（壁壓）p與環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)S/t、D/t、材料參數(shù)E之間有如下的關(guān)系 p=E=0.141E =1.5巴(2)工作應(yīng)力、安裝應(yīng)力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系活塞環(huán)置入氣缸后，環(huán)周受均勻壓力p，任意截面所受彎矩如公式(820)，最大彎矩發(fā)生在環(huán)的切口對(duì)面的斷面0處圖43AA斷面)，其值為M0.5bp(-1)=6740N.mm所以最大工作應(yīng)力 =3p(-1)將公式(8-25)中的p代入此式，則有 =E0.425E=0.425E4=152N/mm2 4.2.3活塞環(huán)參數(shù)的選

46、擇與驗(yàn)算(1)參數(shù)的選擇選擇活塞環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)的步驟大致如下：選擇徑向壓力p。按徑向壓力不同，可將活塞環(huán)分為三類：高壓環(huán)。中壓環(huán)(普通環(huán))。低壓環(huán)確定自由端距S。選S=810%D。確定徑向厚度t。選t=（2428）/D。環(huán)的軸向?qū)挾萣。選b=3毫米。裝配端隙。它越小，環(huán)的密封作用越好。（2）活塞環(huán)彈力的檢驗(yàn)檢驗(yàn)力 Q=0.76=2=12.85N Q=bDp=12.1-13.2N4.2.4活塞環(huán)材料的檢驗(yàn) 環(huán)材料抗彎強(qiáng)度為 =3（D/t-1）=82 N/mm4.3活塞環(huán)斷面形狀的設(shè)計(jì) 根據(jù)活塞環(huán)的工作情況，其斷面形狀的設(shè)計(jì)要求是： （1）增強(qiáng)密封性能，特別是在環(huán)工作條件很不利時(shí)也不易漏氣；（2）改善

47、磨合性能；（3）提高刮油能力；（4）提高抗傷性，即避免出現(xiàn)熔著磨損(活塞環(huán)“拉缸”)等不正常磨損現(xiàn)象的性能11。4.3.1桶面環(huán)特點(diǎn)是活塞環(huán)外圓表面制成凸圓弧形，現(xiàn)己在高速高負(fù)荷強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。桶面環(huán)具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）保證良好的潤(rùn)滑。（2）避免棱緣負(fù)荷。（3）密封性好。（4）磨合性好。4.3.2扭曲環(huán)微錐面環(huán)工藝性較差，而斷面不對(duì)稱的環(huán)裝入氣缸后，由于彈性內(nèi)力的作用使斷面扭轉(zhuǎn)，也可起到同樣作用。這種環(huán)稱為扭曲環(huán)，在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用極廣。4.3.3錐面環(huán)錐面環(huán)和與其類似的倒角環(huán)斜角角度要比光為改善磨合的微錐面環(huán)大，因而可保留錐面到相當(dāng)一段正常運(yùn)轉(zhuǎn)期。根據(jù)以上各環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)，95系列柴油機(jī)活

48、塞組設(shè)計(jì)第一道氣環(huán)采用桶面環(huán)，材料是球墨鑄鐵；第二道氣環(huán)采用錐面環(huán)，材料是合金鑄鐵；第三道氣環(huán)采用扭曲環(huán)，材料是合金鑄鐵，他能夠有效修復(fù)柴油機(jī)缸體的顫振。 第一道氣環(huán) （桶面環(huán)） 第二道氣環(huán)（錐面環(huán)） 圖4-7 活塞組氣環(huán) 4.4油環(huán)的設(shè)計(jì) 在現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)中，機(jī)油消耗最大常常是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。如果機(jī)油大量上竄到燃燒空中燒掉，其危害性不僅在機(jī)油損失本身，而且還在于易使火花塞污染，活塞環(huán)膠結(jié)失效，氣缸活塞組積炭，磨損劇增，反過(guò)來(lái)活塞環(huán)及相關(guān)組件的磨損又嚴(yán)重影響機(jī)油消耗，兩者互為因果。因此，機(jī)油的控制不能不是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)值得注意的問(wèn)題?，F(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)活塞高度日益縮短，油環(huán)大多減少到一道，因而對(duì)

49、油環(huán)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為了保證油環(huán)在高速下的刮油能力，環(huán)的刮油口與缸壁的接觸壓力必須足夠高，同時(shí)回油的通道必須暢通。目前采用的油環(huán)分為三類：普通槽孔式油環(huán)、彈簧脹圈油環(huán)、鋼片組合油環(huán)。圖4-7 彈簧脹圈油環(huán)a) 裝板彈簧b) 螺旋彈簧脹圈c) 軌型脹圈油環(huán)4.4.1普通槽孔式油環(huán)因?yàn)橛铜h(huán)基本上沒(méi)有環(huán)背氣壓力來(lái)幫助密封，其密封能力差不多全靠本身彈力，所以都人為減小環(huán)與氣缸的接觸面積以提高比壓，在環(huán)外圓面上開(kāi)有環(huán)形槽，形成二道刮油肩，控制滑肩高度即能改變平均壁壓P。這種普通油環(huán)的比壓為1.5-2.5巴。在轉(zhuǎn)速較高的發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)油環(huán)的刮油能力要求更高，所有常常把滑肩予以倒角或車成鼻形，進(jìn)一步減小接觸面積，刮油能力提高。倒角油環(huán)比壓為3-4巴。由于其制造成本低，我國(guó)目前主要仍采用這種普通油環(huán)。4.4.2彈簧脹圈油環(huán)脹圈油環(huán)是在普通油環(huán)向內(nèi)面安裝板彈簧(圖47a)或螺旋彈簧脹圈(圖4-7b)。這種油環(huán)可獲得更高的徑向壓力，一船前者p68巴，后者812巴。由于環(huán)背加了彈簧，就可以采用徑向厚度較小的柔性環(huán)，對(duì)氣缸失圓的適應(yīng)性好，在環(huán)外圓磨損時(shí)，彈力不會(huì)急速下降，所以加強(qiáng)了刮油能力及工作耐久性。板彈簧脹圈油環(huán)用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)居多。螺旋彈簧脹圈較板彈簧脹圈更富有柔軟性，因此油環(huán)對(duì)氣缸有更好的適應(yīng)性