課程設計說明書柴油機活塞建模與結構設計

1、遼寧工程技術大學課 程 設 計題 目： 柴油機活塞建模與結構設計班級：汽車05-1班 學 號：姓名：指導教師：完成日期：2009-01-05一、設計題目（學生空出，由指導教師填寫）柴油機活塞建模與結構設計二、設計參數(shù)CY4100ZLQ柴油機，活塞直徑D=100mm，工作行程S=118mm，直接噴射方式,發(fā)動機轉速n=3200r/min，額定功率Pe=70KW，最大扭矩Ttqmax=235N.m,幾何壓縮比=17.5，最大燃燒壓力PZ=6.1Mpa，增壓空氣壓力PK=0.1518Mpa。三、設計要求（1）總裝圖 1張（2）零件圖 2張（3）課程設計說明書（50008000字） 1份四、進度安排（

2、參考）（1）熟悉相關資料和參考圖 2天（2）確定基本參數(shù)和主要結構尺寸 2天（3）設計計算 3天（4）繪制總裝配草圖 4天（5）繪制總裝配圖 2天（6）繪制零件圖 2天（7）編寫說明書 3天（8）準備及答辯 3天五、指導教師評語成績：指導教師日期摘要本課程設計的主要內(nèi)容是柴油機活塞建模與結構設計，在課程設計中完成的工作有：給定參數(shù)下活塞的結構設計和三維建模。在繪圖上，采用CAXA軟件，提高了工作效率。在三維建模上，采用Pro/ENGINEER軟件，完成了活塞實體、活塞環(huán)和活塞銷的建模工作，及時的發(fā)現(xiàn)了結構設計中的錯誤。在課程設計過程中，通過查閱相關資料，初步掌握了活塞設計的步驟和方法。在查找資

3、料過程中，深刻體會到書籍檢索的重要性，在實踐中也摸索出一套自己的資料檢索方法。同時，也熟悉了各大專業(yè)技術論壇?；钊O計涉及到的知識面比較廣，需要在良好掌握工程材料、材料力學、發(fā)動機原理、工程熱力學、機械加工和汽車構造等課程的基礎上，才能較好的完成設計任務。同時，對于各種軟件的熟練操作也十分必要。通過本次課程設計，使我對所學的知識做了一個較為全面的回顧，有助于從中找出自己的不足之處。認識到在工程材料及工程熱力學方面知識結構較為淺薄，實際計算能力較差，急需加強。自己在查閱資料方面，也存在明顯不足，尤其是對于外文資料的查閱上，更是力不從心。關鍵字：柴油機活塞；實體建模；結構設計AbstractThe

4、 main content of the curriculum design is the diesel engine piston modelingandstructural design, in terms of course design works completed are: In a given parameters,Pistons structural design and three-dimensional modeling. In the drawing, using CAXA software, improved work efficiency. In thethree-d

5、imensional modeling, using Pro / ENGINEER software, completedthe modeling work of Pistons entity、piston rings and piston pin, and timely discovery the errors of structure design.In terms of curriculum design process, through access to relevant information, Mastered the piston design of the initial s

6、teps and methods. In the course of find informations, profoundly understand the importance of books searchable, in explorepractice set a owns information retrieval methods. At the same time, also familiar with the major professional and technical forums.Piston design involved a broader range of know

7、ledge, needed in a good grasp of engineering materials,mechanics of materials, engine principle, engineering thermodynamics, machining and automotive structuraland so on. On basis of such courses to better complete the design task. At the same time, for a variety of software proficiency is also very

8、 necessary.Through the curriculum design, gives me a more comprehensive review ofknowledgeI have knowled, help to find owns inadequacies. Aware ofthe knowledge structure of engineering materials and engineering thermodynamics aspects of myselfsis more shallow, the actualcomputing power is very poor,

9、 urgent need to strengthen. In access to information, there is obviously insufficient, especiallyon the inspectionof foreignlanguage information, it is unable to.Key words：Diesel Engine Pistons；Solid Modeling；Structural design目錄1 設計參數(shù)11.1 給定參數(shù)11.2 計算參數(shù)1活塞運動學11.2.2 活塞動力學22 活塞的結構與選型42.1活塞基本結構42.2活塞選型4

10、3 活塞基本設計63.1 活塞的主要尺寸6活塞銷直徑與銷座間距6壓縮高KH7裙部長度SL8活塞總長GL83.2 活塞頭部設計8活塞頂形狀與厚度8活塞頭部截面形狀93.2.3 提高活塞頭部可靠性93.3 活塞銷座設計93.3.1 銷座結構103.3.2 活塞銷在銷孔中的定位103.3.3 銷座強度驗算103.3.4 活塞銷孔潤滑103.4 活塞銷設計103.4.1 活塞銷結構113.4.2 活塞銷強度驗算113.5 活塞裙部設計113.5.1 裙部橢圓113.5.2 活塞側表面形狀12裙部強度驗算123.6 氣環(huán)與油環(huán)設計123.6.1 氣環(huán)設計123.3.2 油環(huán)設計133.7 配合間隙133

11、.7.1 活塞與氣缸間的間隙133.7.2 活塞環(huán)與環(huán)槽間的間隙143.7.3 活塞銷與銷孔間的間隙144 活塞鑲圈的設計154.1 鑲圈的必要性154.2 鑲圈的結構形式155 活塞冷卻165.1 活塞冷卻的必要性165.2 活塞冷卻方式166 三維實體建模177 結論20參考文獻211 設計參數(shù)1.1 給定參數(shù)CY4100ZLQ柴油機，活塞直徑D=100mm，工作行程S=118mm，連桿長度L=178mm，四沖程，水冷，直接噴射方式,發(fā)動機轉速n=3200r/min，額定功率Pe=70kW，最大扭矩Ttqmax=235N.m(1600r/min),幾何壓縮比=17.5，最大燃燒壓力PZ=6

12、.1Mpa，增壓空氣壓力PK=0.1518Mpa。1.2 計算參數(shù)增壓比=Pk/P0=1.52/1.01=1.50；平均有效壓力Pme=(30Ttq)/(VSi9550)= 0.797Mpa，從汽車發(fā)動機原理（吳建華主編）中表1-12可知，該柴油機為汽車用柴油機1。 活塞運動學(1) 活塞的位移活塞上止點對應的曲柄位置作為曲軸轉角的起點，此時活塞的位移等于零（圖1-1）。曲柄OB以O點為圓點作等速旋轉運動，活塞（A點）沿氣缸中心線作往復直線運動，其速度與加速度呈周期性變化?；钊麖纳现裹cA1到下止點A2的距離，稱為活塞行程S，為曲軸半徑R與連桿長度L的比值。在本設計中，R=59mm，L=178m

13、m，=59/178=0.33。從新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖1-1可看出，活塞位移x為：x=R(1-cos+sin2/2) (1-1)即本設計中，活塞位移x=59(1-cos+0.33sin2/2)，也就是說活塞位移是隨曲軸轉角值和值的改變而變化的。(2)活塞的速度活塞平均速度活塞平均速度Cm是表示單位時間內(nèi)，活塞來回運動所經(jīng)過的路程。式中，S活塞行程（m）；t活塞運行一周所需時間（s）；n內(nèi)燃機轉速（r/min）。Cm=46m/s為低速，Cm=69m/s為中速，Cm>9m/s為高速。所以由該柴油機的Cm=12.59m/s，從表1-1中可知，該柴油機為轎車用柴油機?；钊矔r速度活塞速度

14、是指活塞瞬時速度，所以按式(1-1)對時間微分，便可求得活塞速度V：V=R(sin+sin2/2) (1-2)式中的=2n/60=334.93rad/s，即在本設計中，活塞速度V=19761(sin+sin2/2)，當活塞處于上、下止點位置，活塞速度等于零。(3)活塞的加速度按式(1-2)對時間微分，便可求得活塞的加速度：a=R2(cos+cos2) (1-3)所以在本設計中，活塞的加速度為a=6618508(sin+sin2/2)，其最大值為amax=R2(1+)=8803m/s2。 活塞動力學(1)往復慣性力內(nèi)燃機的往復運動質量為活塞質量mp和連桿組往復質量m1之和。按前面計算所得的加速度

15、，即可求得往復慣性力Pj，它作用在氣缸中心線上，其變化規(guī)律和活塞加速度相同，只是方向恰好與加速度相反：Pj=-mj·a=(Gp+G1)·a/g (1-4)式中，mj往復運動慣性質量；a加速度；Gp活塞組重量；G1連桿組小頭重量。在計算中，活塞組重量參考表2-1選取，Gp=0.91.4D3，可知GP=0.91.4Kg，初步選取活塞組重量GP=1.4Kg；連桿小頭重量G1根據(jù)查找資料選取，初步選取G1=0.4Kg。經(jīng)計算可知，Pjmax=(1.4+0.4)8803=15845.4N。(2)氣體作用力內(nèi)燃機運轉過程中，不斷變化的燃氣壓力作用于活塞上，通過活塞、連桿傳遞給曲軸而輸出

16、功率。作用在活塞上的作用力Pg為：Pg=D2(P-P)/4 (1-5)式中，P氣缸內(nèi)氣體壓力；P內(nèi)燃機曲軸箱內(nèi)氣體壓力；D內(nèi)燃機活塞直徑。一般P為常數(shù)，Pg完全取決于氣缸內(nèi)的氣體壓力。給定參數(shù)中，給出了最大燃燒壓力PZ=13.5Mpa，經(jīng)計算可知，Pg=3.14×0.12×6100000/4=47885N。(3)活塞上的總作用力在活塞中心處，同時作用著氣缸內(nèi)氣體壓力Pg和往復慣性力Pj，由于作用力的方向都是沿著氣缸中心線，故可求得合力P：P=Pg+Pj(1-6)由此可知，合力Pmax=Pg+Pjmax =47885+15845.4=63730.4N。(4)總作用力的分解與傳

17、遞活塞上總作用力P可分解為沿連桿方向上的連桿作用力Pk和垂直于氣缸避的側作用力PN(見新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖1-2)。Pk=P/cos(1-7)PN=P·tan(1-8)連桿作用力Pk使連桿受到壓縮和拉伸，側作用力PN，當連桿對氣缸中心線傾斜時，氣缸壁受到活塞的側向推力，它影響到活塞與氣缸壁之間的摩擦磨損，用于活塞裙部計算。由式(1-8)可知，PNmax=Pmax×tan10o=63730.4×0.12=7647.648N。2 活塞的結構與選型2.1活塞基本結構由給定參數(shù)該柴油機額定功率為70kW，轉速為3200r/min，可知該柴油機屬于中功率高速柴油機

18、，按照新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）推薦，該柴油機活塞材料選用鑄造共晶Al-Si合金，所設計的活塞為整體鋁活塞。同時考慮到該柴油機為車用柴油機，對噪聲的要求較為嚴格，所以選取活塞的基本結構為熱膨脹控制鋁活塞。所謂熱膨脹控制活塞，就是在鋁活塞裙部鑲入熱膨脹系數(shù)比鋁合金小的材料，減少裙部承壓面上的熱膨脹量，減少活塞配缸間隙，減輕氣缸穴蝕，降低發(fā)動機噪聲。熱膨脹控制活塞分三種形式，分別是：開槽熱膨脹控制活塞、不開槽熱膨脹控制活塞、熱膨脹雙重控制活塞和鑲筒形鋼片活塞，綜合考慮其特點，選用鑲筒形鋼片活塞。鑲筒形鋼片活塞，是一種在活塞裙部鑲入筒形鋼片的結構，它可使整個裙部具有均勻的較小熱膨脹。與普通活塞相比

19、，這種活塞的裙部在全長上保持等橢圓，從而使裙部配缸間隙在各種工況下均能保持較小間隙。2.2活塞選型將根據(jù)柴油機強化指標、使用要求和加工條件等方面綜合考慮活塞的選型，主要方法如下：(1)根據(jù)單位活塞面積功率NF或平均有效壓力Pme，選擇合適的活塞結構，參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖1-7和表1-4,保證活塞能承受所規(guī)定的機械負荷與熱負荷。該柴油機平均有效壓力Pme=0.797Mpa，轉速n=3200r/min，由圖1-7(a)可知，選用鑄造鋁活塞足以承受機械負荷和熱負荷。(2)從控制慣性負荷考慮，應限制活塞組重量。參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖1-8，可知在直徑為100mm時，鑄造鋁活塞

20、的重量是最輕的，所以從這減輕活塞組重量的角度考慮，選用鑄造鋁活塞是合理的。(3)從經(jīng)濟上考慮，組合活塞的成本為簡單整體活塞的數(shù)倍。從經(jīng)濟角度出發(fā)，選擇熱膨脹控制活塞是最經(jīng)濟的。(4)根據(jù)柴油機強化程度，即平均有效壓力與活塞平均速度的乘積(Pme·Cm值)考慮是否鑲圈。對于缸徑小于150mm的各種柴油機活塞的統(tǒng)計結構表明：Pme·Cm<7.0Mpa·m/s時不鑲圈；Pme·Cm=7.08.5Mpa·m/s時鑲圈與不鑲圈各占一半；Pme·Cm>8.5Mpa·m/s時一般鑲圈，只有極少數(shù)不鑲圈。該柴油機的Pme

21、3;Cm=0.797×12.59=10.03Mpa·m/s，根據(jù)以上原則，該柴油機的活塞應該鑲圈。(5)使用條件對活塞結構選型的影響。對噪聲要求嚴格的汽車柴油機活塞，往往選用熱膨脹控制活塞。從以上5點選用原則可知，該柴油機活塞選用熱膨脹控制活塞，并且在環(huán)帶應鑲圈，且在裙部應鑲筒形鋼片，鋼片選用低碳優(yōu)質鋼板，厚度一般為1.21.8mm，在本設計中選取厚度2mm。3 活塞基本設計活塞設計有如下要求：在保證活塞強度、剛度及散熱良好的前提下，盡量縮短活塞總高度，減輕活塞重量。保證密封良好并盡量減少摩擦損失。減少活塞頂吸收的熱量，并良好冷卻，將活塞吸收的熱量迅速導出，使活塞各部位的溫

22、度不超過下列極限數(shù)值：活塞頂，375oC；第一道環(huán)槽，180-220oC；活塞頂內(nèi)表面，250oC；振蕩冷卻油腔內(nèi)側，220oC；活塞銷座，180oC。保證導向部分潤滑可靠，同時防止?jié)櫥蜕细Z，盡可能降低潤滑油耗量?；钊h(huán)槽與活塞環(huán)、銷孔與活塞銷應具有良好耐磨性，特別是第一道環(huán)槽?；钊共颗c氣缸壁之間的接觸面積要盡可能大，且有良好抗拉缸性能。活塞與氣缸的配合間隙小，以減少對氣缸的撞擊和噪聲，以及使變工況適應性好。易于制造，成本低2。3.1 活塞的主要尺寸活塞主要尺寸由沖程、缸徑、連桿長度和氣缸高度決定。在新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）中的圖2-1和表2-1給出了活塞的主要尺寸及選用范圍。 活塞銷

23、直徑與銷座間距活塞銷直徑BO活塞銷孔直徑一般就是活塞銷直徑(除銷孔加襯套外)，銷孔大小決定銷座與連桿小頭所承受的比壓大小及活塞銷工作的應力值。為提高活塞銷抗彎能力及降低銷座與連桿小頭的比壓，希望活塞銷外徑盡量大些。但過分加大其外徑將使慣性力加大，帶來許多不利?；钊N直徑數(shù)據(jù)范圍參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-8和表2-1選取。由表2-1可知，BO/D=0.300.40，BO的范圍為3040mm；由圖2-8可知，BO的范圍為3141mm。參考表2-3初步選定活塞銷直徑BO=32mm，最終尺寸將在活塞銷設計一節(jié)中確定?；钊N座間距AA在考慮活塞銷座承壓面積或長度時，必須同時考慮連桿小頭襯套要

24、有足夠承壓面積或長度。由于襯套承受負荷能力高于銷座，且連桿小頭溫度較低，因此要把活塞銷承壓面積或長度與連桿小頭襯套的承壓面積或長度定為9:8。為避免加工誤差與熱膨脹引起連桿小頭側面與銷座相碰，兩者之間要留25mm間隙。銷座間距數(shù)據(jù)范圍參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-9和表2-1選取。由表2-1可知，AA/D=0.300.42，AA的范圍為3042mm；由圖2-9可知，AA的范圍為3150mm。初步選定活塞銷座間距AA=36mm，最終尺寸將在活塞銷座設計一節(jié)中確定。 壓縮高KH壓縮高影響內(nèi)燃機總高度，而且影響氣缸、機體的尺寸和重量。壓縮高由環(huán)區(qū)高度hf(即頂岸高度F加環(huán)帶高度)和上裙高度構

25、成，其數(shù)據(jù)范圍參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-3和表2-1。由表2-3可知，KH的范圍為5080mm；由圖2-3可知，KH的范圍為5382mm。從減少活塞尺寸的角度出發(fā)，初步選定KH=63mm。頂岸高度F頂岸(第一環(huán)槽上端至活塞頂端距離)越小，第一環(huán)本身的熱負荷越高。應根據(jù)熱負荷及活塞冷卻情況確定F，使第一環(huán)槽溫度不超過允許極限。頂岸高度數(shù)據(jù)范圍參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-4和表2-1選取。由圖2-4可知，F(xiàn)的范圍為1422mm；由表2-1可知，F(xiàn)/D=0.100.20，F(xiàn)的范圍為1020mm?？紤]到該柴油機為中功率，初步選定F=12mm。環(huán)帶高度環(huán)帶高度取決于活塞環(huán)數(shù)目與高度

26、及環(huán)岸高度，參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-5選取。高速柴油機一般裝23道氣環(huán)，12道油環(huán)。發(fā)展趨勢是盡量減少活塞環(huán)數(shù)，目前中小型高速柴油機采用三環(huán)結構日益增多。中小功率柴油機的氣環(huán)高度為23mm,油環(huán)為46mm。第一環(huán)岸溫度較高，承受的氣體壓力最大，且易受環(huán)的沖擊，因此更易斷裂。所以第一環(huán)岸要比其余環(huán)岸高一些，其高度推薦值參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-6。其余環(huán)岸高度可設計得小些，柴油機不低于直徑的3.5%-4%。因此，該柴油機選用2道氣環(huán)，1道油環(huán)。由圖2-6選取第一環(huán)岸高度為6mm，其余環(huán)岸為4mm,氣環(huán)高度為3mm，油環(huán)高度為5mm。由此可知環(huán)岸高度=3+6+3+4+5=

27、21mm。上裙高度選取上裙高度一般是使油環(huán)槽的位置能處于銷座上方，目的是保證銷座強度不因開槽而消弱，且避免油環(huán)槽開在厚度不均的銷座處，使環(huán)槽產(chǎn)生不均勻變形?？紤]到活塞銷直徑BO初選為32mm，為了使油環(huán)槽的位置處于銷座上方，初步選定上裙高度為30mm。 裙部長度SL根據(jù)裙部功用對不同類型內(nèi)燃機活塞裙長應考慮如下三點：裙部應有一定長度和足夠的承壓面積，使裙部比壓QS（最大側壓力與裙部投影面積之比）控制在0.61.4Mpa之間。銷孔上下兩部分裙長要有一定比例，防止活塞工作時發(fā)生傾斜造成局部劇烈磨損。裙長確定后，還應從整體布置角度對尺寸進行校核。如：活塞在下止點時，裝在下裙的油環(huán)不應露出氣缸，及連桿

28、和曲軸的平衡塊不要和下裙相碰。裙長SL由上下裙長構成，其數(shù)據(jù)范圍參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-7和表2-1選取。此外，裙部剛度也很重要，它取決于裙部壁厚。一般柴油機活塞的裙部壁厚取活塞直徑的3%，在本設計中，取裙部壁厚為4mm。由圖2-7可知，SL的范圍為4080mm；由表2-1可知，SL/D=0.500.90，SL的范圍為5090mm。初步選定SL的范圍為63mm，根據(jù)計算，裙部比壓QSmax=PNmax/（0.1×0.066）=1.16Mpa，在0.61.4Mpa之間，滿足要求。 活塞總長GL活塞總長是壓縮高和下裙長之和，高速柴油機的發(fā)展趨勢是不斷縮短活塞總長?；钊傞L的

29、選取范圍參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）表2-1和圖2-2。由圖2-2可知，GL=80150mm；由表2-1可知，GL/D=0.91.3，GL的范圍為90130mm。在本設計中，活塞總長初步選取值為：GL=KH+SL-上裙長=63+63-30=96mm?？梢娝踹x的各尺寸基本正確，較好的滿足了設計要求。3.2 活塞頭部設計 活塞頂形狀與厚度活塞頂形狀主要取決于燃燒室的選擇與設計，而燃燒室的選擇取決于活塞直徑、轉速、經(jīng)濟性、功率、可靠性和公害等，詳參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）表2-2。柴油機活塞頂部選型要點如下：活塞直徑D>200mm，轉速n<1000r/min的大型增壓柴油機幾

30、乎都采用開式燃燒室。D>100mm，n<30003500r/min的高速柴油機為降低油耗，改善起動性，有廣泛采用直噴式燃燒室的趨向。分開式燃燒室具有對轉速不敏感、高速性好、噪聲及排氣污染低等優(yōu)點，在D<100mm的小型高速柴油機上仍廣泛應用。在160<D<200mm的增壓大功率柴油機上，直噴式和預燃室均有應用。因此，根據(jù)本設計中D=100mm，n=3200r/min的條件，以及該柴油機用于車用，對起動性能要求較高，所以選取的活塞頂形狀為半開式型燃燒室，具體形狀參考圖2-11第16圖?；钊敽穸雀鶕?jù)強度、剛度和散熱條件來確定，對于鋁活塞值，柴油機一般為(0.10.2

31、)D，即1020mm，在活塞零件圖繪制過程中，將按此范圍選取合適的值。在繪圖過程中，選取=12mm。 活塞頭部截面形狀活塞頭部截面形狀將影響活塞熱流及溫度分布，具體溫度分布可參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-12。從而可知型燃燒室的活塞頂最高溫度較圖2-12(e)高，所以，對于型燃燒室，對活塞的冷卻十分必要。本設計的活塞頭部截面形狀可以參考圖2-11第16圖。 提高活塞頭部可靠性活塞頂部吸入的熱量主要通過環(huán)帶部和裙部散發(fā)，由環(huán)帶部散發(fā)的熱量大多由第一環(huán)槽傳出。這使得第一環(huán)槽的熱負荷增高，強度降低，并使機油炭化而造成積炭，使環(huán)槽磨損嚴重。因此，采取有利措施提高活塞頭部可靠性十分有必要，主要方

32、法有3：活塞頂岸高度要使活塞在上止點時，第一環(huán)要處在水冷區(qū)域內(nèi)。減小頂岸與氣缸之間的配合間隙，降低通往第一環(huán)的氣流，使第一環(huán)槽溫度有所降低。為防止間隙過小引起故障，可在頂岸車出退讓槽。在第一或第一、二道環(huán)槽鑲鑄耐磨圈，可使活塞壽命提高3-7倍。在鋁活塞頂部噴鍍0.2-0.3mm厚陶瓷，能起到耐高溫、防腐蝕和減少吸熱的作用。在活塞頭部合理布置冷卻油道，使其有效地隔斷熱流，提高第一環(huán)槽冷卻效果。3.3 活塞銷座設計銷孔與活塞銷組成一對摩擦副，它將活塞頂部燃氣壓力通過銷座傳給活塞銷，然后再傳遞到連桿和曲軸。銷座與活塞銷必須有足夠的強度、足夠的承壓面積和耐磨性。銷座的應力分布取決于銷座和活塞銷兩者變形

33、是否相互適應，因此銷座設計與活塞銷統(tǒng)一考慮，要求活塞銷有較高的剛度，減少彎曲變形，要求銷座能承受高的壓力，且有一定彈性，使之適應活塞銷的變形。 銷座結構為使作用在活塞頂部的氣體壓力傳遞到銷座上，而又盡可能不引起活塞變形，所以在頂部與銷座之間要設置加強筋。典型的帶筋銷座結構如新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-15所示。在本設計中，選擇圖2-15(d)所示的斜面銷座結構。這種銷座能增加與連桿小頭支承面的長度，降低活塞銷與連桿小頭襯套的比壓；支承面沿軸向長度有重疊，減少了活塞銷的彎曲變形；縮短銷座上部間距，降低銷座根部與頂?shù)走^渡圓角處的應力。這種結構是提高銷座承載能力的有效辦法，在強化柴油機上普遍采

34、用。 活塞銷在銷孔中的定位本設計中，活塞銷與銷孔有相對滑動。為防止其軸向竄動擦傷氣缸，需采用一定的定位措施。共有三種定位方法，如下：彈性擋圈定位、擋塞定位和擋蓋定位?？紤]使用活塞工作條件、制造成本和適用原則，在本設計中對于活塞銷在銷孔中的定位采取彈性擋圈定位，詳見新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-17(a)。 銷座強度驗算在本說明書3.1.1中，初步選取了活塞銷直徑和活塞銷座間距，初選結果為：活塞銷直徑BO=32mm，活塞銷座間距AA=36mm。參考表2-3，可知選擇活塞銷外徑d=32mm，活塞銷內(nèi)徑d0=15mm時，銷座抗裂能力較好。按照活塞銷承壓面積或長度與連桿小頭襯套的承壓面積或長度為9

35、:8可知，銷座單邊的承壓長度可選為21mm。已知條件如下：銷座材料為鑄造共晶Al-Si合金，其許用擠壓應力b=200Mpa；銷座中承壓面投影面積St=0.042×0.1=0.0042m2；活塞上的總作用力Pmax=Pg+Pjmax =63730.4N。因此利用材料力學公式可求得銷座的擠壓應力bs=Pmax/St=63730/0.0042=151.6Mpa<b。由此可知，經(jīng)過強度驗算，按照以上尺寸設計的銷座的強度足夠，滿足使用要求。 活塞銷孔潤滑由于本活塞設計中采用的是浮式活塞銷，所以要進行潤滑。銷孔表面溫度過高或比壓過高，會破壞潤滑油膜，可能使活塞銷咬住。銷孔潤滑結構參考新型鋁

36、活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-18，考慮到該柴油機的給定參數(shù)，選取如圖2-18(a)所示油孔潤滑方式。3.4 活塞銷設計通過查閱相關資料，并考慮到活塞銷所受的較大切應力，活塞銷材料采用20Cr。 活塞銷結構參考新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）表2-3，可知選擇活塞銷外徑d=32mm，活塞銷內(nèi)徑d0=15mm時，銷座抗裂能力較好。按照活塞銷承壓面積或長度與連桿小頭襯套的承壓面積或長度為9:8可知，銷座單邊的承壓長度可選為21mm。因此，活塞銷的長度為銷座承壓長度+活塞銷座間距AA+連桿小頭與銷座間距=42+36+4=82mm。 活塞銷強度驗算查相關數(shù)據(jù)得知，20Cr的許用切應力=230Mpa，活塞銷所

37、受的主要是切應力，根據(jù)材料力學公式，=Pmax/A=4Pmax/(d2-d02)=101.6Mpa<，由此可知，該活塞銷有足夠的強度，能滿足工作要求。3.5 活塞裙部設計活塞裙的功用是：在氣缸中為活塞本身起導向作用；承受側壓力；將活塞承受的部分熱量傳給氣缸壁；控制機油耗量等。從導向角度考慮，裙部應盡可能長，但這與內(nèi)燃機機構緊湊性的要求相矛盾。裙部橢圓裙部橢圓是指垂直于氣缸中心線的裙部截面的外形輪廓線為橢圓。裙部做成橢圓的理由是因為活塞工作時，由于下列原因使活塞沿銷座方向會拉長。由于活塞裙部推力面與氣缸壁僅有=80o100o的圓弧能接觸，故在側向力的作用下，有將圓的裙部壓扁的趨勢，同時迫使

38、銷座軸向的裙部伸長?；钊斏鲜艿饺細鈮毫Φ淖饔?，使活塞頂部在銷座跨度內(nèi)發(fā)生彎曲，并使活塞裙部有向外擴張的趨勢?；钊N座處材料堆積，使裙部的銷座方向上產(chǎn)生大于其垂直方向的熱變形。因此，為防止活塞在氣缸內(nèi)卡死或引起局部加速磨損，必須在設計時使銷座方向的金屬多削去一些，把活塞銷軸作為橢圓的短軸。在高速柴油機的裙部設計上，大多采取偏心圓弧與正失曲線結合的方法，如新型鋁活塞（國防工業(yè)出版社）圖2-22所示。一般在裙部下端=±45o處，裙部上端=±35o45o的弧面上用正失曲線，其余部分為偏心圓弧。此方法使裙部有較大的貼合面積，同時橢圓度可取得較大。橢圓度沿活塞高度有不變化和變化兩種，

39、將在活塞側表面形狀中討論。對于此次柴油機活塞設計，活塞采用的材料是鑄造共晶Al-Si合金，活塞基本結構為鑲筒形鋼片熱膨脹控制活塞，這種活塞的裙部在全長上保持等橢圓。因此此次活塞設計其裙部橢圓度選用相同。推薦如下：上、下裙部的橢圓度均為0.0022D，即上、下裙部的橢圓度均為0.22mm。 活塞側表面形狀活塞工作時沿高度方向溫度分布很不均勻，越接近頂部溫度越高，且環(huán)帶部分溫度梯度比裙部大。因此，各斷面的膨脹量也不一樣，上大下小。為使活塞在工作狀況下接近圓柱形，保持小而均勻的間隙，就必須把活塞做成上面略小下面略大的一系列型面。本活塞基本結構為鑲筒形鋼片熱膨脹控制活塞，是一種在活塞裙部鑲入筒形鋼片的

40、結構，它可使整個裙部具有均勻的較小熱膨脹。與普通活塞相比，這種活塞的裙部在全長上保持等橢圓，從而使裙部配缸間隙在各種工況下均能保持較小間隙，其側表面形狀采用圖2-23(f)所示的正圓柱形狀。裙部強度驗算活塞裙部的要求如下：裙部應有一定長度和足夠的承壓面積，使裙部比壓QS（最大側壓力與裙部投影面積之比）控制在0.61.4Mpa之間。初步選定SL的范圍為70mm，根據(jù)計算，裙部比壓QSmax=PNmax/（0.1×0.07）=1.09Mpa，在0.61.4Mpa之間，滿足要求。3.6 氣環(huán)與油環(huán)設計 氣環(huán)設計氣環(huán)的主要功用是密封和傳熱。保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸內(nèi)的可燃混合氣和高

41、溫燃氣漏入曲軸箱，并將活塞頂部接受的熱傳給氣缸壁，避免活塞過熱。氣環(huán)不同開口形狀，性能也不一樣。直開口工藝性好，但密封性差；階梯形開口密封性好，工藝性差；斜開口的密封性和工藝性介于前兩種開口之間，斜角一般為30°或45°。氣環(huán)的斷面形狀多種多樣，根據(jù)發(fā)動機的結構特點和強化程度，選擇不同斷面形狀的氣環(huán)組合，可以得到最好的密封效果和使用性能。氣環(huán)的斷面形狀多種各樣，根據(jù)發(fā)動機的結構特點和強化程度，選擇不同斷面形狀的氣環(huán)組合，可以得到最好的密封效果和使用性能4。在本柴油機活塞設計中，第一道氣環(huán)采用桶面環(huán)，第二道氣環(huán)采用錐面環(huán)，在壓縮高KH中，氣環(huán)高度選則為3mm。桶面環(huán)，環(huán)的外圓

42、面為外凸圓弧形。其密封性、磨合性及對氣缸壁表面形狀的適應性都比較好。桶面環(huán)在氣缸內(nèi)不論上行或下行均能形成楔形油膜，將環(huán)浮起，從而減輕環(huán)與氣缸壁的磨損。錐面環(huán)，環(huán)的外圓面為錐角很小的錐面。理論上錐面環(huán)與氣缸壁為線接觸，磨合性好，增大了接觸壓力和對氣缸壁形狀的適應能力。當活塞下行時，錐面環(huán)能起到向下刮油的作用。當活塞上行時，由于錐面的油楔作用，錐面環(huán)能滑越過氣缸壁上的油膜而不致將機油帶入燃燒室。在壓縮高KH選取過程中，選取了氣環(huán)軸向公稱高度為3mm，只是各氣環(huán)公差不同。氣環(huán)的徑向厚度t=D/23.5D/25=44.255mm，取t=4.2mm5。 油環(huán)設計油環(huán)的主要功用是刮除飛濺到氣缸壁上的多余的

43、機油，并在氣缸壁上涂布一層均勻的油膜。油環(huán)類型：油環(huán)有槽孔式、槽孔撐簧式和鋼帶組合式3種類型。在本柴油機活塞設計中，選用鋼帶組合式油環(huán)，在壓縮高KH中，油環(huán)高度選則為5mm。鋼帶組合油環(huán)由上、下刮片和軌形撐簧組合而成，撐簧不僅使刮片與氣缸壁貼緊，而且還使刮片與環(huán)槽側面貼緊。這種組合油環(huán)的優(yōu)點是接觸壓力大，既可增強刮油能力，又能防止上竄機油。另外，上下刮片能單獨動作，因此對氣缸失圓和活塞變形的適應能力強。查閱相關資料得知一般活塞設計中，氣環(huán)與油環(huán)的環(huán)槽徑向尺寸相同，所以油環(huán)的徑向厚度取為3.8mm。3.7 配合間隙3.7.1 活塞與氣缸間的間隙活塞用鋁合金的熱膨脹系數(shù)比氣缸用鑄鐵要大，因此受熱時

44、活塞的熱膨脹大于氣缸，這一差值必須在冷態(tài)時采用一定間隙來補償。由于在工作時活塞頭部要比下面其它部分熱，因此在冷態(tài)時其頭部間隙大于裙部。但大的間隙會使環(huán)和環(huán)岸產(chǎn)生很大應力，因此又希望間隙要盡可能小些。因此，常在柴油機活塞的頂岸或環(huán)岸上制出圖2-13所示退讓槽，這種結構既能減少間隙，又能防止拉缸。裙部間隙主要取決于活塞結構，熱膨脹控制活塞的間隙要小于普通整體鋁活塞。共晶Al-Si合金活塞各個重要部位與氣缸之間的間隙值參考圖2-25取值。圖2-25(d)為水冷柴油機各重要部位與氣缸間隙取值范圍，查圖得出各自范圍如下：活塞火力岸頂端D3=0.370.50mm；裙部上端D2=0.190.27mm；裙部下

45、端D1=0.110.16mm?？紤]到本活塞采用鑲筒形鋼片熱膨脹控制活塞，裙部在全長上保持等橢圓，所以對于活塞與氣缸間的間隙選擇如下：活塞火力岸頂端D3=0.42mm；裙部間隙D2=D1=0.22mm。3.7.2 活塞環(huán)與環(huán)槽間的間隙活塞環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙活塞環(huán)在環(huán)槽中的軸向間隙是環(huán)槽高與活塞環(huán)高的差值。環(huán)槽尺寸由基本尺寸(環(huán)的公稱高度)和一個附加值組成，這一附加值可根據(jù)不同需要而變。表2-9為不同內(nèi)燃機活塞環(huán)與環(huán)槽的軸向間隙，本活塞設計參考表2-9選取活塞環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙。選取結果如下：上氣環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙為0.08mm；下氣環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙為0.06mm；油環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙

46、為0.06mm?；钊h(huán)與環(huán)槽間的徑向間隙當活塞環(huán)裝入環(huán)槽進入工作狀態(tài)時，不允許與環(huán)槽底徑相碰，因此需有一最小徑向間隙。表2-10給出不同矩形環(huán)、油環(huán)與環(huán)槽底徑徑向間隙的推薦值。此外還要考慮環(huán)槽底面與側面之間要有0.3mm的圓角半徑。選取結果如下：氣環(huán)與環(huán)槽間的徑向間隙為1.2mm；油環(huán)與環(huán)槽間的徑向間隙為1.6mm。3.7.3 活塞銷與銷孔間的間隙活塞銷與活塞及連桿小頭之間一般采用浮動方式連接，即在內(nèi)燃機運轉過程中，活塞銷會緩慢地轉動，這樣活塞銷的磨損較均勻。這種活塞銷因間隙過大會引起額外沖擊，過小不能保證潤滑，使活塞銷被鎖死，所以對銷孔的配合精度要求高?，F(xiàn)代高速內(nèi)燃機鋁活塞要求活塞銷冷態(tài)就要

47、有間隙，其目的是使活塞銷在冷磨合和冷起動時不存在預應力，活塞銷能自由轉動，降低銷孔開裂的危險。由于活塞與活塞銷材料不同，溫度升高時，不同的熱膨脹系數(shù)會使兩者之間的間隙加大。由圖2-27(a)可直接得出不同活塞材料在不同溫度下，活塞銷與銷孔之間的熱態(tài)間隙。Sw=Sk+S式中：Sw熱態(tài)間隙；Sk冷態(tài)間隙；S升溫后間隙增大量。具體間隙可以根據(jù)公式計算，一般均為m級的。4 活塞鑲圈的設計4.1 鑲圈的必要性由于活塞在氣缸中上下運動的接觸面是不斷變換的，而且氣缸的實際形狀及幾何基準形狀也總是有偏差的，這樣在活塞運動時，活塞環(huán)相對于環(huán)槽在徑向上存在著徑向運動；而且由于環(huán)與環(huán)槽之間有間隙，所以在交變氣體作用

48、力、慣性力和氣缸摩擦力的作用下，環(huán)就在環(huán)槽兩側來回運動。這兩種運動使得環(huán)槽和環(huán)側面出現(xiàn)磨損。當環(huán)槽磨損到一定程度時，環(huán)槽與活塞環(huán)之間的間隙迅速擴大，對燃氣不再能起到有效的密封作用，這就將導致活塞與活塞環(huán)的同時損壞。因此，對活塞使用壽命起決定作用的是環(huán)槽的耐磨性，特別是第一、二到環(huán)槽6。本活塞設計中，活塞材料選用的是共晶Al-Si合金。共晶Al-Si合金平均磨損速度為0.030.08mm/1000h，在使用條件稍苛刻時，其平均磨損速度還要大。為了提高活塞環(huán)槽的耐磨性，1931年德國人馬勒設計了鑲圈鋁活塞。這種活塞大大提高了環(huán)槽的使用壽命，因此本活塞設計中的環(huán)槽有必要采用鑲圈。4.2 鑲圈的結構形

49、式鑲圈鋁活塞的鑲圈結構有如下幾種：單環(huán)槽及雙環(huán)槽鑲圈；帶燃燒室鑲塊的鑲圈；鍛造活塞用成形鑲圈和滾裝鋼片。由于該活塞采用型燃燒室，所以選用帶燃燒室鑲塊的鑲圈。在圖6-3中，表示出了標準單環(huán)槽鑲圈與活塞基體的聯(lián)結位置，在本活塞設計中，鑲圈與活塞采用齊平式，這樣可以增大環(huán)槽下側表面的工作面，其最大倒角為0.1mm，有減少積炭的作用。本活塞采用的帶燃燒室鑲塊的鑲圈材料選用高鎳鑄鐵，其典型磨損率為525m/1000h。鑲圈的具體形狀及尺寸，將在零件圖中詳細說明。5 活塞冷卻5.1 活塞冷卻的必要性絕大部分高速柴油機采用整體鑄造鋁活塞，特別是鑲圈鋁活塞，不僅提高了活塞的使用性能，而且兼顧了活塞的強度、重量、耐磨、承載、高溫性能和成本。為保證活塞頂有足夠的強度及第一環(huán)槽溫度不超過230oC左右，在強化的大功率中、高速柴油機上普遍采用機油噴射冷卻活塞頂部，或者把機油直接引入活塞油腔，因此在活塞設計上出現(xiàn)油冷活塞和組合活塞7。油冷活塞和組合活塞