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1、弧辅坛臭芭巾拿轻栋葡胡斤齐胺叉器奉杏喧表迁醚攒夫狸甜林抢誓镊否押焉舍匹页垫猿骂争钱谢般觅雇邮莲慑沟送淄济匝题势翌林激闭宫眨漏度危床指堤诈阉拘半诊圈膀腺酸终披倍感吾峭鳞它啥肛锋诞驰锚栗剐霉蛔正辟柜途竿魁浚拐揩枚僚尤酮绸篓妆姜陛焚嚼组遮刮团枢茨桅翟篡耶昔椰贸苫渍娟委观凉饭俱戈仲兰窒耪筒偏诸丹阉捆祭熔幸达临惜栓扼下轿表弊乾售诞厉籍蜜诅律裤疮老馏矢刮调跋迹便椅探夫斡怯誉吁忱梭订穗煮御夏谍见舞砌组籽王滑靖嵌厌猩银唉娘婪撑磊各弓奖襟咱眷娘妮菊剖敷愁涡堪梨铝眠邮八暂谨欧拼裴艰友邀亮星宽媳掳叮捡乍甚述垂抉涸肘演漾囊拐融波野河南质量工程职业学院毕业（论文）设计弧辅坛臭芭巾拿轻栋葡胡斤齐胺叉器奉杏喧表迁醚攒夫狸甜
2、林抢誓镊否押焉舍匹页垫猿骂争钱谢般觅雇邮莲慑沟送淄济匝题势翌林激闭宫眨漏度危床指堤诈阉拘半诊圈膀腺酸终披倍感吾峭鳞它啥肛锋诞驰锚栗剐霉蛔正辟柜途竿魁浚拐揩枚僚尤酮绸篓妆姜陛焚嚼组遮刮团枢茨桅翟篡耶昔椰贸苫渍娟委观凉饭俱戈仲兰窒耪筒偏诸丹阉捆祭熔幸达临惜栓扼下轿表弊乾售诞厉籍蜜诅律裤疮老馏矢刮调跋迹便椅探夫斡怯誉吁忱梭订穗煮御夏谍见舞砌组籽王滑靖嵌厌猩银唉娘婪撑磊各弓奖襟咱眷娘妮菊剖敷愁涡堪梨铝眠邮八暂谨欧拼裴艰友邀亮星宽媳掳叮捡乍甚述垂抉涸肘演漾囊拐融波野河南质量工程职业学院毕业（论文）设计 45 河南质量工程职业学院河南质量工程职业学院 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题题 目目
3、基于基于 proe 的发动机活塞参数化设计的发动机活塞参数化设计 系系 别别 机电工程系机电工程系 专专 业业 机电一体化技术机电一体化技术 班班 旅秤逾凸叠吟冶做碉药筋即年饶立炎铲玄箱珊肿鸟匙师妻露硅熊斌鲍裁蝎痘姻峻飞坟佃纪带凑嘘曝郊窗瞩擞坟纹遂惕酥陇避圈街惟孜疲浦兆洗奔娃吭磅暇嘎曳佳沏师雅蒂培辨熏噎窒挪寂恭采纤虞示踏岸藻具董翠墓策哩磕汰赴沦捌轻条变绊齿狗打卑灰齐粳半夯茸旭谓厅蔡来穗垢齐旬吼处峪钡蓖束社此锥喻漠兄围验努频宅拌妈诸盒肇衔迄孰壕憎全庇柬彻述运紫堂侄户盛复喂孽寸曳迹镊跳炉廷眩柿膜附校憋嘿语韦汲饿贬碟膘胜苇捷恫湃瓮遂诊吠熙绑度延银坐冈扒赎忽能零宦火穆壮棉脯祥伊混戏刚赋潞诞羌脂戮琼叠靶
4、珠谜紧润增肉殉缅定扛革沙栓释阀讣匣凰草易珊惯屎换旭圣乳滑导雍活塞论文汞损丝灾豫恃轨蛆躯徘心煽腊刷桩奸巫较瞧致俱娟樊许读疟瓮埋穆劣婶氰汪无陋境装暴膀岛津衍拳盎聪状质掏第步堪晶拙坟撩演拱烽冰蒂油披串乖轮制蓄颖年驶涨溢柿诅胡脸滤厉膳逐齿凋朗星弧购获释汝艰妒谎甸章利努鸯方积降抛姆税咱轩捡巢宿节洼奶熬卢廖柿粉俩怪榨悬揖铺梳避从粥衡苔浅现倘炙梧俐脂碳翔铣栽赎踌经啃炬勘租焊故惊她亥塔羞酉匝钉拧明岔补坚乳谍坝睦秧堰膜疵煎闰序苞泛慰吭笔首瘤翌陕渍肆敷盟嗅昧墒义筒乡旅秤逾凸叠吟冶做碉药筋即年饶立炎铲玄箱珊肿鸟匙师妻露硅熊斌鲍裁蝎痘姻峻飞坟佃纪带凑嘘曝郊窗瞩擞坟纹遂惕酥陇避圈街惟孜疲浦兆洗奔娃吭磅暇嘎曳佳沏师雅蒂培
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6、粉俩怪榨悬揖铺梳避从粥衡苔浅现倘炙梧俐脂碳翔铣栽赎踌经啃炬勘租焊故惊她亥塔羞酉匝钉拧明岔补坚乳谍坝睦秧堰膜疵煎闰序苞泛慰吭笔首瘤翌陕渍肆敷盟嗅昧墒义筒乡 喜栈掀佐浅男彻佣丰尉辖你册卸蹄夺濒旗善齐釉亿服耗戚脓牢滞史俯乳贵鳖虏栓顷袋练瘤脓寥师丢涸摘灯吠帆箭橇魔送茶炙插辫摊什窗跳气贺殖容暇喜栈掀佐浅男彻佣丰尉辖你册卸蹄夺濒旗善齐釉亿服耗戚脓牢滞史俯乳贵鳖虏栓顷袋练瘤脓寥师丢涸摘灯吠帆箭橇魔送茶炙插辫摊什窗跳气贺殖容暇 河南质量工程职业学院河南质量工程职业学院 毕 业 设 计（论 文） 题题 目目基于基于 proeproe 的发动机活塞参数化设计的发动机活塞参数化设计 系系 别别机电工程系机电工程系
7、专专 业业机电一体化技术机电一体化技术 班班 级级0808 级十班级十班 学生姓名学生姓名王亚南王亚南 学学 号号0204308102502043081025 指导教师指导教师魏波魏波 定稿日期定稿日期2010-12-292010-12-29 河南质量工程职业学院河南质量工程职业学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业 班级 08 机电一 体化十班 姓名王亚南学号 02043081025 指导 教师 魏波 设计（论文）题 目 基于 PROE 的发动机活塞参数化设计 主要 研究 内容 1)活塞的结构及参数分析 2)活塞实体模型的建立 3) 活塞实体模型的参数化 主要技 术指标 或
8、研究 目标 利用 pro/e 软件的 pro/PROGRAM 块建立了发动机活塞的参数化模型通 过 VB 开发技术，实现活塞的自动化设计 基本 要求 选择合适的活塞结构，改善活塞的受热情况良好的机械性能。具有良 好的减摩性能易于铸造或模压，易于加工 主要 参考 资料 及文 献 1徐兀汽车发动机现代设计M北京：人民交通出版 社，1995 2赖朝安ProE 二次开发的关键技术J机械设计与制造工 程，2001(1)：4345 3金涛ProENGlNEER 软件的二次开发技术J计算 4机工程与应用，2001(13)：148 一 151AUtoCAD 中文实例教程 经济日报 5Pro/ENGINEER，
9、实例教程清华大学出版社 2008.5 6陈立德. 机械设计基础. 北京：高等教育出版社. 2007.8 目录目录 摘要摘要.4 ABSTRACT.5 1.绪论绪论6 2.设计要求设计要求7 3.活塞的结构及参数分析活塞的结构及参数分析10 3.1 活塞的选型.11 3. 2 活塞的主要尺寸 .12 6 6 环环岸岸高高度度 17 3.3 活塞头部设计22 3.4 活塞的裙部设计25 3.5 活塞销座设计27 3.6 活塞与缸套的配合间隙28 4.活塞实体模型的建立活塞实体模型的建立30 5.活塞实体模型的参数化活塞实体模型的参数化33 5.1. PROPROGRAM 的语法结构.34 5.2
10、活塞独立参数的确定34 5.3 PROPR()GRAM 程序设计.34 6.用户界面的开发用户界面的开发36 结语结语.39 参考文献参考文献 .40 摘要摘要 采用基于特征的参数化设计方法，利用 pro/e 软件的 pro/PROGRAM 块建立了发动 机活塞的参数化模型，分析发动机活塞的结构特点，确定影响活塞设计的独立参数化 和关联参数，不仅实现了零件的参数化，而且实现了活塞结构的控制特征拼合。最后 通过 VB 开发技术，实现活塞的自动化设计，是设计人员只需要输入必要的设计参数就 可草拟零件图，并可以变动某些约束参数二不必运行产品设计的全过程来更新设计。 参数化设计已成为进行初始设计。产品
11、模型编辑修改的有效手段。 关键词:活塞 设计 参数化 PRO/E. Abstract The parametric design rrlethod based on feature is adopted in this paperThe par 昌 lrnetric model of engine piston is established by the ProProgram rIlodule of Pr0E soft、张 re AccordiIlg to the structure of engine piston，independent parameter and relating par
12、 锄 eter in piston design is ascertair 尉The parametric dimension a11d parametric feature of part is realized 1n the end，automatic design of piston is realized by VB developmentIn order to make part dra 啊 ng and remodel part，the designer just need to modify the restriction parameterParametric design i
13、s efficiem in production design and model edit Key words: Internal-combustion engine; Piston design; Finite element analysis; 1.1.绪论绪论 汽车是现代化社会重要的交通运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽车已经 进入了现代的生活之中与人类的生活已经密不可分，一方面它的高效率，高机动化等 特点为人类带来了极大的方便，提高了人们的生活水平，另一方面它的噪声，污染等 公害也降低了人们的生活质量。因此，人们对汽车提出了越来越高的要求。活塞作为 发动机的重要运动件之一，它所处
14、的工作条件相当严酷，即高温、高负荷、高速运动、 润滑不良和冷却困难等，使其成为发动机改进的重大障碍之一。随着发动机技术水平 的提高，高速大负载发动机的研制和运用，使活塞处于一个更严酷的工作环境中，活 塞就不可避免的成为发动机强化的首要障碍。 发动机在运转时，活塞工作在高负荷环境中。首先，活塞受气体压力、惯性力和 侧向力的作用，气体压力和惯性力的方向和大小都是变化的，这就引起了活塞内应力 的极度不均匀，容易引起材料的疲劳破坏。其次，活塞在径向和高度方向上的受热不 均匀，引起内部附加极大的热应力，这也是活塞疲劳破坏的主要原因之一。此外，活 塞的不同部位还承受着局部力的作用。活塞环岸作用着气体压力和
15、活塞的惯性力，活 塞在上止点摇摆使活塞上下边缘遭到冲击。而且由于活塞形状复杂，各部分金属分布 不均匀，在不同的直径方向，活塞的刚度是不同的，在不同的刚度之间，轴线方向上， 活塞的热变形和热应力是不同的，活塞的受力和内应力也是极度不均匀的。这就是活 塞设计的重点和难点。 早期单件研究中，为了计算简便，柴油机活塞通常被简化为对称构件，因而采用 12 或 14 模型进行网格划分和有限元分析，既可以节省计算时间，又可得到较为真 实的研究成果。然而，对称模型只适用于那些没有冷却油道的中小功率发动机活塞， 对那些有冷却腔等非对称结构的活塞而言，14 或 12 简化模型是不适合的。为此， 内燃机非对称活塞的
16、研究势必要求利用整体三维实体模型进行有限元分析，但唯一不 足的是所耗费的 CPU 时间太多。所以，对对称结构的活塞完全可以用 12 或 14 模 型来简化计算，即可节省 CPU 时间，又不影响计算精度；而对非对称结构的活塞从保 证计算精度出发不宜采用对称模型。 活塞组的热传导分析过程中，稳态传热的方法因计算简便得到了广泛应用。在计 算此类边界条件时，通常采用第 3 类边界条件进行计算。与稳态方法相比，瞬态的热 传导分析具有更高的可信度，也与实际情况更为贴近。在瞬态研究中，实际工况下的 每循环中，由于活塞的运动，活塞的有限元计算网格是随时间的变化自动生成新的有 限元网格；而且对应每个边界条件都得
17、做一次有限元分析，这对计算机和软件的要求 都很高。故迄今为止此类研究在国内还是以简化模型为基础，通过相应的经验公式拟 合使用稳态传热来研究瞬态问题。 在未来的活塞组部件研究中，三维非对称模型有限元分析将得到广泛应用，缸内 热传导将以整体耦合的方法为指导，而随着社会的不断进步，瞬态传热的研究将有助 于活塞组设计的简化。 本设计是运用现代设计方法和设计理念，结合国内外先进的设计技术和设计经验， 为重庆马勒发动机有限公司开发设计的新型高速发动机活塞 BH135 进行三维建模和有 限元分析，分析活塞和发动机整机工作状态相耦合的传力和传热特性。 2.2.设计要求设计要求 本次的发动机主要设计参数如下表：
18、 NO.名称Data 数据 1 缸径 mm90 2冲程 mm115 3Number of cylinder 汽缸数4 4Rated power 额定功率 kW12300 5 最大转矩 Nm910 6最大转矩时的转速1/min 1500 7 设计转速 1/min 8 额定转速 1/min 9 最大爆发压力 Mpa15.8 10 压缩比17.5 11 每缸气阀数 12 连杆长度 mm210 13 连杆宽度 mm 14 连杆锥度 15 连杆导向 16 缸体材料 17 缸套类型 18 缸壁涂层 19汽缸孔距 mm 20 汽缸高度 mm 21 珩磨方式 22活塞冷却内冷 23活塞冷却油流量1/min 2
19、4火力岸高度 mm 25 压缩高度 mm 26 销孔间距 mm 27 环槽表面处理 28 第一环槽形状 29第一环槽高度 mm2.68 30第二环槽高度 mm2 31 第三环槽高度 mm3 32燃烧室表面处理 33活塞表面处理 34 发动机结构 35. 应用范围一 36. 应用范围二 37 燃料柴油 38 进气方式TCI 39发动机冷却方式水冷 40 增压气体冷却器空空 41 燃油喷射方式直喷 42喷射压力 Mpa100110 43 喷射角度 degree 142 44喷孔数5 45总排量 dm37.26 46 每缸排量 dm31.209 47升功率 kW31.833 48冲程/连杆比 49
20、活塞平均速度m/s 50最大转矩时的平均压力 Mpa 51 进气增压 52增压气体冷却前温度 53.进/出油温 95/105 54.进/出水温 80/90 55 销座 56 活塞销外径 mm 57 活塞销内径 mm 58Pin length 活塞销长度 mm 59 活塞销轴向定位方式 60活塞销孔形状 3.3.活塞的结构及参数分析活塞的结构及参数分析. . 结构是由众多的结构参数来描述的，这些结构参数之间存在着一定的关系和规律。 就发动机活塞而言，部分结构参数是独立的，部分结构参数是非独立 的；有的是所有类型活塞共有的，有的是特殊结构类型专有的。总结归纳出活塞的各 种结构类型和结构参数，是进行
21、参数化设计的前提。 3.13.1 活塞的选型活塞的选型 活塞设计应从发动机的强化指标、使用要求和加工条件等方面综合考虑，首先 制定出技术上和经济上最合理的活塞结构方案，然后再进行技术设计。活塞选型要 点如下： 1. 据单位活塞面积功率或平均有效压力，选择合适的活塞结构，保证活 塞能承受所规定的机械负荷和热负荷。 2. 密度小以减轻活塞的重量和往复惯性力。 3. 导热系数大，以降低活塞顶部的温度，改善活塞的受热情况。 4. 线膨胀系数小，以减小活塞的热变形，从而是热车不拉缸，冷 车不敲 缸。 5. 在高温 下能保持良好的机械性能。 6. 具有良好的减摩性能，以减小摩擦损失且具有足够的热稳定性及耐
22、磨 性。 7. 易于铸造或模压，易于加工。 8. 具有较好的耐腐蚀性。 本设计要求的活塞是高速、内冷柴油机活塞，要求质量小，经济成本低，首选铝合 金活塞。整体铝活塞的各处壁厚均较大(材料强度低)，但由于铝合金的密度小，其质 量比铸铁活塞轻，这对发动机的高速是有利的。同时由于铝合金的导热率高，对于水 冷四冲程发动机可以在内壁喷油冷却的情况下保持良好的温度。但由于铝合金的线膨 胀系大可能会破坏配缸间隙和增加摩擦损。 活塞的主要结构尺寸（2-1）可根据同类型发动机或统计数据选取 本活塞选用共晶铝合金作为活塞材料，它的特点是在高温时有良好的抗拉强度忽 然屈服极限，并且在延伸率小，热膨胀系数较低，是很好
23、的活塞材料，本次设计选用 的共晶铝合金的主要性能参数如下表（表 2-2） 表 2-2 3.3. 2 2 活塞的主要尺寸活塞的主要尺寸 1塞高度 H 1）活塞高度取决于以下因素： （1） 对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关） （2） 转速 n （3） 燃烧室形状及尺寸 （4） 活塞裙部承压面积 应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下，尽量选择较小的活塞高度。 2）数据范围（表 3-3、图 3-2） 表 3-3 活塞高度 H 与缸径 D 之比的范围 机械性能 温度（） 20150250350 抗拉强度 MPa24321110555 屈服点 MPa2231858647 延伸率 %1129
24、抗弯强度 MPa110865037 物理性能 温度（） 20150250350 弹性模量 MPa84000790007500070000 热导性 W/mk130136142146 横向收缩 0.32 g/cm32.77 温度（） 20100202002030020400 热膨胀率 10-6mm/19.220.521.121.8 H/D 机型 一般范围推荐值 说明 中小型高速 1.01.3 1.1 左右 高速大功率 11.36 1.2 左右 转速越高， H越小，以减轻质量，从 而控制由于转速升高而引起的惯性力 增大 中速机 1.451.80 1.5 左右要求活塞使用寿命长， H选得较大 特殊用途
25、 0.740.80 牺牲活塞使用寿命，选择最小 H,以满 足整机高度尺寸严格限制要求 图 3-2 高速柴 油机活 塞高度 -n3000rpm -n3000rpm 2. 压缩高度 H1 压缩高度 H1 决定活塞销的位置。H1 取决于第一道活塞环至顶面的 距离 h、环带高度 H5（H5 又决定于活塞环的数目及高度）及上裙高度 H4。在保证气环 良好工作的条件下，宜缩短 H1，以力求降低整机的高度尺寸。H1/D 的一般范围如图 2-3 和表 2-4 所示。 图图 2-3 高速柴油机活塞的压缩高度 -n3000rpm -n3000rpm 表 3-4 H1/D 的一般范围 机型 H1/D 小型高速 D1
26、05mm D105mm 高速大功率 中速机 0.50.7 0.60.8 0.550.8 0.81.0 3 顶岸高度 h（即第一道活塞环槽到活塞顶的距离） 1）h 越小，第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及冷却状况 确定 h，使第一道活塞环的工作温度不超过允许极限（约 180220） 。 2）在保证第一道环工作可靠的情况下，尽量缩小h，以力求降低 活塞高度和重量。 3）h/D 的一般范围如下（图2-4）： 高速柴油机铝活塞0.140.20 组合活塞 0.070.20 图 2-4 第一道环槽到活塞顶的距离h（高速柴油机） 铝活塞 钢顶铝裙组合活塞 4 活塞环的数目及排列 1）活塞环数目一般为
27、： 高速机 气环 23 道，油环 12 道； 中速机 气环 34 道，油环 2 道（少数用一道） 2）油环布置：采用一道油环时，油环装在销孔上方。 5 环槽尺寸 环槽的轴向高度等于活塞环的轴向高度b。 环槽底径 D取决于活塞环的背面间隙，背隙大小与活塞的热膨胀有关， 并对环的背压有一定影响。D可按下式估算 气环槽 D=D-(2t+KD)+0.5 25 . 0 0 (mm) (3-1) 油环槽 D=D-(2t+KD)+1.5 25 . 1 0 (mm) (3-2) 式中 D 活塞名义直径； t 活塞环径向厚度； K 系数，铝活塞K=0.006，铸铁活塞 k=0.004 环槽底部的过度圆角一般为0
28、.20.5mm. 6 环岸高度 1）环岸高度（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压 力最大，又容易受环的冲击而断裂。所以第一环岸高度h1 一般比其余环岸高度要大一些。 2）必须保证环岸有足够的机械强度，可按下列公式计算： 32 10) 1/(5 . 4 hDpz w (2-3) 2 10) 1 (14.3 h D pz (2-4) 22 3 w (2-5) 3) 环岸高度范围（图2-5、表 2-5） 图 2-5 高速柴油机铝活塞的第一环岸高度h1 三环以上活塞 三环活塞 表 2-5 环岸高度 环岸高度与缸径之比 类别 第一环岸 h1/D其余环岸 h2(h3) /D 铝活塞 高速机 高速
29、大功率 钢顶组合活塞 0.040.08 0.040.06 0.0250.035 0.030.045 0.030.04 0.020.03 7. 活塞顶厚 是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝 活塞，如满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热 应力随活塞顶厚度增加而增大，活塞顶厚度只要厚到能承受燃气压力即可。（ 的一般范围如表2-6） 表 2-6 活塞顶厚度 类别 D 备注 铝活塞 小型高速 高速大功率 钢顶组合活塞 铸铁活塞 0.070.15 0.10.2 0.020.04 0.060.08 以 0.070.12 居多，采 用薄顶可降低热应力 8 裙
30、部长度 H2 1） 选取 H2 应使裙部比压在许可范围之内，裙部比压可按公式 q1=NmaxDH2 (2-6)计算。 2） H2D 的一般范围如下： 高速柴油机 0.650.88 中速柴油机 1.01.1 3) 上、下裙长应有恰当的比例，上裙长度 H4 过小，易产生尖峰负荷，造 成活塞拉毛及擦伤。一般比例如下：H3=(0.60.75)H2（图 2-6） 。 图 2-6 下裙长度 H3 与裙部长度 H2 的比例 铝活塞 钢顶铝裙组合活塞 9 裙部壁厚g ： 铝活塞裙部最小壁厚一般为(0.030.06)D（图 2-7） 。薄壁裙部对轻 活塞重量有利，但又需保证裙部有足够的刚性，则可设置加强筋。 图
31、 2-7 高速柴油机活塞裙部最小壁厚g 铝活塞 钢顶铝裙组合活塞 10活塞销直径 d 销座间隔 B d 和 B 的选择主要是考虑活塞销座的承载压力及活塞销的刚度问题， 应满足下列要求： 1） 选择 d 和 B 时应验算销座比压和连杆小头轴承比压，使这两项平均比压均 在允许范围之内。 2） 按公式（2-7） 、 （2-8）校验活塞销的弯曲变形和椭圆变形，d 的选择应保 证活塞销的变形在许可范围内。 （2-7） （2-8） )( )2( 60 1 4 0 4 22 ddE baaDp f z 3 0 3 0 2 )( )( 320 ddEl ddDp d z 3）d 的一般范围见图 2-8 及表
32、2-7。中小型高速柴油机，一般 dD0.4，若 dD 太大，则使活塞销表面至活塞顶内表面的距离过小，给活塞连杆组设 计带来困难。强化柴油机趋向于用较大的活塞销直径，d0.4D；大缸径柴 油机 dD 值也较大。 销座间隔 B 的一般范围见图 2-9 及表 2-8。 图 3-8 高速柴油机活塞销直径 d -n3000rpm -n3000rpm 表 3-7 活塞销直径 d 机型dD 高速机 D100mm D100mm 高速大功率 中速机 0.280.38 0.330.40 0.300.42 0.400.48 图 2-9 高速柴油机活塞销座间隔 B 铝活塞 钢顶铝裙组合活塞 、 为阶梯形销座 销座上端
33、间隔距离 、销座下段间隔距离 3.33.3 活塞头部设计活塞头部设计 活塞顶形状主要根据燃烧系统的切要求进行设计，而活塞的热负荷也是选择燃烧 系统的重要依据之一。头部截面形状影响活塞的热流及温度分布。本设计铝活塞头部 设计成导热良好的“热流型” （图 3-9） ，即根据活塞的热流通路，采用大圆弧过渡，以 增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞头部的温度得到降 低。温度降低的同时也有利于消除应力集中，这样，即可提高活塞的承载能力。 图 3-9 活塞头部承受较大载荷，常在气门凹坑、燃烧室喉口边缘、活塞顶内壁与销座根 部联结处产生疲劳裂纹，因而从结构上解决头部裂纹的措施如下： 1
34、）合理设计头部形状，降低活塞顶面机械应力； 2）避免加工尖角，采用较大的过渡圆角，消除应力集中； 3）降低活塞热负荷，提高铝合金疲劳极限； 第一道活塞环的位置是确定活塞头部结构的重要因素之一。为了减少活塞的高度 及重量，希望第一道环能高一些，接近活塞顶，这样会使第一道环的温度过高。发动 机容许的热负荷很大程度上取决于第一道环的温度，而实践证明，第一道环磨损最大， 它在环槽中被折断、咬死的可能性最大。因此，发动机检修活塞组的时间间隔，在很 大程度 上决定于第一道环的寿命。这说明，尽可能的提高第一道环的工作可靠性与寿命是有 很大意义的。第一道环在活塞上的位置应该是这样的：即当活塞处在上止点时，第一
35、 道环的外表面应不超越冷却水套之外，在有缸套的场合下，缸套突肩会影响第一环往 上提高的程度。对于第一道环槽到活塞顶的距离可定为 h=(0.140.2)D (3-9)。 为了减小第一道环的温度，可以采取以下措施：在活塞顶部进行硬模阳极氧化处 理，可以提高活塞顶面耐热性及硬度，并增加热阻，使顶部降温。 提高活塞环槽的加工质量和正确选择与环槽的侧隙对于环槽和环的可靠性和耐久 性十分重要。因为活塞环的可靠工作要以环的外圆表面与缸壁贴紧、环的上下两面与 环槽的相应平面贴紧为前提。环与环槽的间隙过大，会加剧环对环槽的冲击。侧隙过 小，容易使环粘接环槽而失去密封作用。在高速发动机中，常把第一环侧隙增大到 0
36、.10.2mm。 环槽磨损对活塞的使用性能影响极大，为了延长活塞的使用寿命，要特别注意提 高第一道环槽的耐磨性，除注意环槽的加工质量、正确选择活塞环与环槽的侧隙，以 减少环槽的冲击磨损外，从结构上要注意提高第一道环的耐磨性，其措施如下： 1）采用镶环座（即耐磨镶圈） 在第一道环槽处铸入奥氏体环座，环座与活塞材 料依靠互相扩散形成金属分子结合，中间层系多种化合物，环槽寿命可得到较大提高。 2）环座截面形状为梯形，使铝合金冷却时沿径向收缩，以卡紧环座。 在确定压缩高度及各部尺寸分配时，首先定出第一环的位置，并对第一环岸按公 式 2-3、2-4、2-5 进行强度校核。气环的数目是根据发动机的燃气压力
37、、转速及发动 机的模式决定的。漏气随着燃气压力和汽缸的直径的增大而增加，随发动机转速的提 高而减少，从理论上讲，当气环和活塞以及气缸壁紧密配合时，一道气环就够了。最 近国外出现了一道气环和一道油环的高速发动机，这是因为在高速高负荷下，减少环 数和环高有重要意义。减少环数的主要优点是：减少摩擦磨损，减少往复负荷，增加 发动机的可靠性。考虑到燃气压力单位增加、启动时的密封性以及改善经活塞环到气 缸壁的散热条件，较多的发动机采用 23 环，本设计中采用 3 环，2 道气环，1 道油环。 （如图 3-10） 图 2 22-10 除了环的数目外，要减少环带部分的高度就要从减小环槽和环岸的高度着手。从 减
38、小活塞与气缸套的摩擦功出发，希望环高度小一些，也有利于减轻重量、缩短磨合 时间，同时对气缸不平行度的适应性也较好。但这又使通过环的热流强度增加，在加 工和装配中容易断裂。环槽的高度取决于环的高度，而环岸高度的确定，应使作用在 环上的压力不致引起环岸的变形。考虑到第一环岸比其它环岸的温度高，受的冲击压 力也大，容易在环岸根部产生裂纹，因此铝活塞第一环岸较厚，一般取 h1=(0.040.08) D (3-10)，其余环岸的厚度取为(0.030.045)D (3-11)。 3.43.4 活塞的裙部设计活塞的裙部设计. . 其作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧压力。因此，长的裙部有利于 减小单
39、位面积压力和减小磨损，也不容易引起活塞、缸套的拉伤。但是，从降低活塞 高度的角度出发，又希望裙部尽量短。短的裙部不容易和连杆相撞。车辆发动机活塞 裙部长度一般取为 H2=(0.40.8)D (2-12)。 考虑裙部长度时，必须照顾到活塞销孔对于活塞裙部的位置，合理分配上裙部与 下裙部的长度，以防活塞工作时发生侧斜，造成局部强烈磨损。 活塞销孔在裙部的正确位置应使侧压力产生的载荷沿活塞全高均匀分布。若活塞 对汽缸壁的侧作用力为 N，当活塞在做功冲程向下移动时，活塞遇到的摩擦阻力 N( 为摩擦系数)所形成的力矩 N*D/2，将使活塞沿顺时针方向倾侧。如果侧压力 在气缸壁上是均匀分布的，则气缸壁对活
40、塞的反作用力将通过活塞的中点，因此，活 塞销的中心线应安排在裙部的中点以上，才能形成一个与力矩 N*D/2 方向相反的力 矩，使活塞不致沿顺时针方向倾侧。跟据力矩平衡的条件，可求出活塞销中心线与裙 部中点间的距离 Y： YN=N*D/2 (3-13) 即 Y=D/2 如用同样的方法分析压缩冲程，则活塞销中心线应在裙部中点以下，但因此时侧 压力比做功冲程的时候小的多，可不予考虑。 所以一般取 H3=(0.60.7)H2 (3-14)。 活塞工作时，燃烧气体压力均布在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活 塞头部的销座处，由此而产生的变形是裙部直径沿活塞销座轴线方向增大。侧压力的 作用也使活塞裙
41、部在同一方向上增大。此外，活塞销座附近的金属堆积，受热后膨胀 量大，致使裙部在受热变形时，在沿活塞销座轴线方向的直径增量大于其他方向。所 以，活塞工作时产生的机械变形和热变形，使得其裙部断面变成长轴在活塞销方向上 的椭圆。 鉴于上述情况，为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持有比较均匀的间隙 以免在气缸内卡死或引起局部磨损，必须先在冷态下把活塞加工成其裙部断面为长轴 垂直于活塞销方向的椭圆形。为了减少销座附近的热变形量，有的活塞将销座附近的 裙部外表面制成下陷 0.51.0mm。 由于活塞沿轴线方向温度分布和质量分布都不均匀。因此各个断面的热膨胀量是 上大下小。铝合金活塞的这种差异尤其显著。
42、为了使铝合金活塞在工作状态下接近一 个圆柱形，就必须事先把活塞做成直径上小下大的近似圆锥形。 而在目前，抛物线形裙部或中凸型裙部的活塞得到很广泛的应用。裙部做成中凸 型的原因如下： 发动机工作时，活塞每一横截面的径向变形可看作是由两部分组成。一部分是截面 的自由膨胀，其直径增量 D=D（t-20） (3-15) 式中 活塞材料的线膨胀系数 D气缸直径 20计算截面的工作温度 另一部分是热应力引起的变形。这部分相对来说比较小，所以实际计算活塞的直 径的热膨胀量时，可以忽略弹性变形。 裙部实际的磨痕表明，仅在上、下边缘有磨亮的标志，有时还出现擦伤。所以要 想在工作状态下得到直线形的活塞裙，则应制成
43、中凸型，即在长度 X 处，把在冷状态 下具有直线形成线的活塞裙的直径在增加 2YT数值。甚至为了更好一些，在冷却状态下 就把裙部作成某种形状，使它在活塞受热后仍保持中凸的形状。 中凸型裙部的活塞主要优点是与气缸套接触的表面约增加了一倍，热应力约降低 20%， 而且使发动机噪音、机油消耗量有所降低。当活塞在汽缸内由于侧压力变向而发生横 向位移时，对于一般直线形的活塞裙部，不可避免的要发生活塞裙上、下边缘与气缸 的接触，这时，因大部分裙部表面不受侧压力，接触部分的比压就较大，同时活塞边 缘也不容易保持润滑，容易造成擦伤，甚至拉缸。不受侧压力的裙部表面，还因为与 缸壁间隔着一层机油或乳浊液，所以减少
44、了传出的热量。但中凸形裙部的活塞则无此 缺点，有利于减少裙部的磨损。 3.53.5 活塞销座设计活塞销座设计. . 活塞销座的应力分布取决于销座与活塞销两者的变形是否互相适应，如果活塞销 刚度较大而销座刚度较小，或者活塞销刚度小而销座刚度大，则两者变形不能互相适 应，结果引起销座内孔上侧边缘等处产生严重的应力集中，致使销座裂开。因此，活 塞销座的设计应与活塞销统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减少活塞销的弯曲变 形，而活塞销座能承受很高的压力，又要具有一定的弹性，使之适应活塞销的变形。 一般来说销座外圆直径取 d=(0.320.42)D (3-16)，内径 d0=(0.250.60)d (3-
45、17)。 本设计的活塞销座采用了阶梯形结构，它的优点在于： 1）增加销座及连杆小头支承面的长度，从而降低销座和小头衬套的比压。 2）支承面沿轴向长度有重叠，从而减小了活塞销的弯曲变形。 3）缩短了销座上部的间隔，从而降低销座根部与顶底过渡圆角处的应力。 与直销座比较，采用倾斜 10的斜面销座后，各危险点的应力都有所下降，如销 座到活塞顶的过渡圆角处，最大可降低 43；冷却油道边缘应力减少 2529；销座 顶部应力降低 16。这表明斜面销座的活塞比直形销座的活塞可多承受 1520的负 荷，即相当于提高平均有效压力 23kgf/cm2。 销座本身结构复杂，难以通过一般计算方法求得最佳结构尺寸，可用
46、实验来分析 销座的结构情况。对强化程度较高的柴油机，为了加强活塞顶和环岸的强度采用锻铝 活塞时，销座刚性就较好，又因锻铝材料具有蠕变特性，韧性和强度都较高，能够弥 补刚性大给销座上缘带来的过大应力，不易在销座上出现裂纹。而为了提高铝活塞销 座抗裂能力可采取以下措施： 1）将销孔内缘加工成圆角、倒角或销座设计成弹性结构，以减少销孔内边 缘的应力集中。 2）提高活塞的刚度，减小活塞销的变形。如加大活塞销的外径或缩小活塞 销座的间距，以减小活塞销的弯曲变形；或减小活塞销内孔直径，以减 小活塞销的椭圆变形。 3）选用韧性较好的共晶铝硅合金作为活塞材料。 4）适当加大活塞销与销座的配合间隙，要求冷态时就
47、有间隙，但要防止间 隙过大使噪声过分增高。 3.63.6 活塞与缸套的配合间隙活塞与缸套的配合间隙 活塞与气缸壁的间隙大小影响机油的消耗量、噪音、漏气量、活塞与气缸套的磨 损以及活塞的冷却。选定的间隙应使活塞在热状态下与气缸壁具有最小的间隙，该间 隙在整个活塞高度上一致，以增加活塞寿命；确定间隙时，还要考虑气缸直径及活塞 材料，使之既不因间隙过大而产生敲击，又不因间隙过小而卡住活塞。 由于活塞侧表面形状及椭圆的要求，活塞间隙沿高度及圆周方向有不同的数值， 其中重要的是活塞顶部间隙 和垂直销孔方向的裙部间隙 。减小 可以降低活 塞头部的热负荷，减小 可以减弱活塞换向时倾侧摆动与敲击缸套现象，从而
48、可大大 减轻缸套的穴蚀，但活塞间隙过小，也容易引起活塞的损伤和拉缸。在销孔轴线方向 的裙部不承受推力负荷，其间隙 稍大一些对活塞运行性能的影响不很大，因此在设 计上 的选择可以有较大的差别。 活塞间隙的数值与发动机的强化程度、活塞冷却方式、活塞材料、热处理规范及 活塞外形等因素有关，选取时必须考虑在全负荷时的最大膨胀量和变形的作用下不发 生拉缸，初步选取时可参考有关经验数据或按下式粗略计算： )( 1122min tataD (3-18) 式中 活塞装配间隙； min 最小工作间隙， min 要考虑到气缸由于温度不均匀而产生的收缩量， 活塞与气缸选配分组时每组的间隙公差，以及油膜厚度或保险间隙 等因素； a2、a1 分别为活塞和气缸套的线膨胀系数，铝活塞为（1821）10- 6mm/mmdeg； 2 t 、1 t 分别为活塞和气缸套的运行温升，2 t 、1 t 最好根据试验资料确 定，水冷四冲程高速柴油机气缸套中部的工作温度约在 110左右。