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1、1 100 系列柴油机活塞设计 前言 活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸 盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内 燃发动机的工作过程。由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，又要考虑 到发动机的运行平稳及耐用，因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度，导热性好， 耐热性高，膨胀系数小（尺寸及形状变化要小） ，相对密度小（重量轻） ，耐磨及耐腐蚀， 还要成本低。由于要求多而高，有些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项要 求的活塞材料。现代发动机的活塞普遍用铝合金制造，因为铝合金材具有密度小，导热 性好的突出优
2、点，但同时又有膨胀系数比较大，高温强度比较差的缺点，这些缺点只能 通过合理的结构设计以满足使用要求。所以，发动机的质量优劣，不但要看采用的材料， 同时也要看设计的合理性。 1 活塞概述 活塞是发动机的“心脏” ，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶 劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋 转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。 1.1 活塞的工作条件 活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬 时温度可达 2500K 以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很 高，顶部高达 600700K，且温度分
3、布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作 功行程压力最大，汽油机高达 35MPa，柴油机高达 69MPa，这就使得活塞产生冲击， 并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(812m/s)往复运动，且速度在不断 地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条 件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学 腐蚀作用。 1.2 活塞的功用 活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是 2 燃烧室的组成部分。 1.3 活塞的结构 一般活塞都是园柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各
4、种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。 头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶 或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机 采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气 形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状， 设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活 塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。 活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就 是活塞的导向部分。
5、活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结 构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。 活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发 动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移 一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活 塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。 1.4 活 塞 的 设 计 要 求 及 材 料 选 择 (1) 要有足够的刚度和强度，传力可靠； (2) 导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损； (3) 质量小，重量轻，尽可能减小往
6、复惯性力。 铝合金材料基本上满足上面的要求，因此，活塞一般都采用高强度铝合金，但在 一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。 2 活塞的结构设计 发动机型号: 100 系列柴油机 活塞直径:D=100 m 2.1 活塞的主要尺寸 一.活塞总长 GL 3 176mDGL136052.16. 二.压缩高 KH8.8.0 1. 顶岸高度 F mD7.16302.362. 2. 环带高度 采用三道环（其中两道气环，一道油环） 气环高度取 5 ，油环高度取 6m 第一道环岸高度为 6 第二道环岸高度略小于第一道环岸高度为 5m 环带高度 285725 3. 环区高度 fh Ff 7.4.16环 带 高 度
7、 4. 上裙高度 mhKHf 382上 裙 高 度 三. 裙部长度 SLD54103.45.17.3.8上 裙 高 度下 裙 长 度 四. 活塞销直径与销座间距 1. 活塞销直径 BO mD401.4.0 2. 活塞销座间距 A 5.5. 五. 活塞重量 NGgD1001.1. 33 2.2 活塞头部设计 一. 活塞顶形状与厚度 活塞顶选用 型 4 活塞顶厚度 取mD2012.012.01 15 二. 活塞头部截面形状 椭圆形 2.3 活塞销座设计 采用镶衬套销座:销空压如断铝或青铜衬套,使得在不提高活塞销直径与重量的前提 下,能提高销座的承载能力 2.4.活塞裙部设计 活塞裙部采用椭圆形 2
8、.5 活塞的强度计算 2.5.1 活塞最大爆发压力的计算： 环境压力 0.13pMp 环境温度 29TK 几何压缩比 7 有效压缩比 5. 燃烧过量空气系数 参与废弃系数 0.2r 参与非其温度 7TK 增压空气压力 .18kpMpa 最大燃烧压力 56z Z 点热利用系数 0. B 点热利用系数 b 燃烧室扫其系数 1.s 燃料质量分数 87C.26H0.4O 燃料低热值 42ukJg （一） 热力过程计算 充气过程系数 （1） 增压器后空气温度 式中，去增压器内平均多变压缩0 11.80.293306knkpTK 指数 .8 （2） 压缩始点温度 30651.027311kcraTT K
9、5 式中， 新气预热度， =5K; -比热修正系数， =1.11kTkTcc （3） 压缩始点压力 1.0.180.18akpMpapa （4） 充气系数 5360.180.84172.2kvar 压缩过程参数 （5） 平均多变压缩指数 式中，a ，b 1118.358.3159.26074.nnnabT 常数，对于空气（忽略残余废气） ，a= 19.26 ，b=0.0025 第一次试算，式（1）等号右端代入 =1.37 , 1n18.350.627 第二次试算，式（1）等号右端代入 =1.369, . 最后得 1.365n （6） 压缩终点温度 11.365289caTK （7） 压缩终点压
10、力 1.0.84.30ncpMpa （8） 燃料燃烧所需理论空气量 0 1.8726.4=0.495.2432kmolkmolCHOL gg空 气 空 气 燃 料 燃 料 （9） 燃烧所需的实际空气量 01.659/0.1/kmolgkol空 气 燃 料 空 气 燃 料 （10） 理论分子变化系数 0.30.31.87 （11） 实际分子变化系数 01.87.2.5r （12） Z 点烧去的燃料质量分数 485zbx （13） Z 点处分子变化系数 01.03871.24.031zzrx （14） Z 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容 6 z zzr vrzrvrzvpmzTTxccxc037.
11、89.1824.06.2.1655.1984 .37004.16.1)6.( 式中， vacb （15） b 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容 .64(1)0.641.0.2.73.510.29.6025.264.83rvrvvpmb zbcTT 式中， vac （16） z 点燃烧产物的平均摩尔比定压热容 .159.80378.1528.037pmvz zzTT （17） 燃料发热量 2946.10.350.183291.260529329374/urvpmbvHLckJg 燃 料 （18） 压力升高比 5.8.260zcp （19） cyz 段的燃料燃烧公式，就最大燃烧温度 ZT 简化后得
12、649.872.032z zTT 第一次试算，取式（2）等号右端的 = 1850K 得649.87135zK 第二次试算，取式（2）等号右端的 =1824K 得z 0.318.3150.742() 9.260869.315.268952.8103zuvcrvpmbzrpmz zHTL 7 649.871235zTK 第三次试算，取式（2）等号右端的 = 1828K 得zT.7z 最后取 182zT 膨胀过程参数： （20） 初膨胀比 .03571.212689zc （21） 后膨胀比 .7 （22） 求多变膨胀指数 及膨胀终点温度 ，zb 膨胀线上的后燃公式， 2nbT 21.03858274
13、3.085.7134.50731824.0712b bTn T （3） （4）21589.6027bT 将式子（3）与式子（4）联立，得 （5）2 21 1.03588.9bzn nTK 第一次试计算，取 =1800K 得，bT 210.185n763b 第二次试计算，取 1763K 得，bT K 2301.28n1763b 最后取 76bTK2.0n 28.315zZbubzzvpmzvpbrnHcL 8 （23） 膨胀终点压力 21.0268.7389zbnpMpa （二） 柴油机的指示参数 （24） 理论平均指示压力( 以有效行程为准)2 112 0.20.365 14.630.6.71
14、.2.7.1089.36.8c nnp MpaMpa （25） 实际平均指示压力（以全行程为准） 1.4385.10.738.175.3.2ibai pMpaMpa 式中， 示功图丰满系数， =0.98 （26） 指示油耗 6612.540.8128.96973521vki ip gg KwhLTKwh （27） 指示效率 336016010.752.948.iiugH （28） 增压器中绝热压缩功 100.28615.29318426kTkSpWkJgkJg 9 （29） 增压器中绝热效率 10.2860 .410.13kkSTkSkp 式中，k-比热容比， =1.4， ; -多变指数，k1
15、.0.2864kn ， 。1.8kn1.80.4k （30） 增压器实际压缩功 8425.13.74069TkSkpmWkJgkJg 式中， -增压器机械效率， =0.96TkS mk （31） 增压器的相对作功率 301740.19742.0.28.9689656TkpkuiAHL （三） 柴油机有效效率 （32） 柴油机总机械效率 0.871.90.8513mEk 式中， ； -增压器相对功率； 。k0.197k （33） 柴油机平均有效压力 1.3520.81.5eimpMpa （34） 柴油机有效油耗 .9132.708513iemgkWhkh （35） 有效功率 .7.0.641ei
16、m 10 （四） 计算示功图的绘制 活塞形成容积比例尺 代表 ;20AmsV3 压力比例尺 代表 0.1Mpa。3B 压缩容积： =15.3 表 14c3 压缩终点压力： 代表6.308.9mcpMa 压缩始点容积 代表 1LaV 压缩始点压力 代表54Ba 最大压力的容积 代表 ，16.3Ama3 计算压缩曲线 ac 上各点压力，即11.362nnaaVppx 式中， ，在 1 至 之间选定。a 计算膨胀曲线 zb 上各点压力，即221.035nnabbVppx 式中，x 在 1 至 之间选定。 根据以上两式，计算出压缩曲线和膨胀曲线各点坐标参数兵列表如下: 表 2-1 压缩曲线和膨胀曲线各
17、点坐标参数 序号 eVxm1 nx压缩线上的 Pm2nx膨胀线上的 Pm 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 189 94.5 63.0 47.3 37.8 31.5 27.0 23.6 21.0 18.9 17.2 1 2.58 4.48 6.63 9.00 11.54 14.24 17.09 20.07 23.17 26.39 3.35 8.6 15.0 22.2 30.1 38.7 47.7 57.3 1 2.03 3.07 4.11 5.16 6.22 7.28 8.34 9.40 22.14 44.94 67.97 9
18、1.00 114.24 137.72 161.18 184.65 201.12 根据上表画出示功图 图 2-1 示功图 2.5.2 强度校核 活塞受力分析： 曲轴在 10 度转角时产生最大爆发压力，如图所示： 60 sin10=200 sina 所以 =60 0.1736/200=0.0521sin 所以 =3 度 12 602 3214cos3.1406.7.501.798935gj gjFDpmRN 其中：D活塞直径 R曲轴半径 mj往复运动 连杆比 =R/l=50/200=0.4 n=2200r/min 曲轴转速 23.14203.760nrads 对活塞销的校核： 1、画出活塞销的 Q
19、、M 图 图 2-2 活塞销 Q M 图 活塞销直径 40m33.162802dW 选活塞销材料为 45 号钢，调质处理，得 260BNm 62980.16M 所以该活塞销符合强度。 3 活塞的加工工艺 表 3-1 活塞加工工艺过程 工序号 工序名称 定位基准及技术条件 设备 工装 13 0 毛坯铸造 按活塞铸造工艺进行 1 粗车底面 B 止口 90 粗基准是毛坯外圆， 金属模铸造，壁厚均 匀有的用内腔做为 基准 车床 三角卡盘 自动定心 2 粗镗活塞 销孔 40 下端面 B，内止口及毛 坯销孔，活塞顶部压紧 镗床 镗刀 3 粗车顶面 C，外圆 100， 及环槽 下端面 B 内止口销孔处 半自
20、动车床， 液压、仿型、 多刀 专用刀具 4 钻销油孔 座，直油 孔 顶面 C 定位下端面、内 止口、销孔定位方向 台钻 钻模 5 精车下端 面 B，内 止口 110 精基准：外圆面环槽端 平面 车床 专用夹头 6 精车： 环槽 外圆面 顶面 精基准：下端面 B 内止 口销孔拉紧 仿型、多刀 车床 专用刀具 7 精车燃烧 室 基准“统一原则”同工 序 6 车床 成形刀 工序号 工序名称 定位基准及技术条件 设备 工装 8 铣裙部圆 弧 外圆面活塞销孔 专用铣床 铣刀 14 9 精细镗活 塞销孔 顶面圆柱销孔 专用镗床 精镗销孔 夹具 10 车锁环槽 销孔定位 车锁环车床 镗刀 11 液压销孔 销
21、孔定位 液压销孔车 床 液压器 12 精磨裙部 外圆 外圆面定位 仿型磨床 设计总结 本次课程设计是我们学完了大学的全部基础课、技术基础课以及专业课之后进行的. 这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习,也是一次理论 联系实际的训练,因此,它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。 就我个人而言，我希望能通过这次课程设计对自己的四年的大学生活做出总结,同时 为将来工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后自 己的学习和工作打下一个良好的基础。 总的说来,虽然在这次设计中自己学到了很多的东西,取得一定的成绩,但同时也存在 一定的不足和缺陷,我想这都
22、是这次设计的价值所在,以后的日子以后自己应该更加努力 认真,以冷静沉着的心态去办好每一件事情! 15 参考文献 1刘达利，齐丕骧编著 .新型铝活塞. 北京：国防工业出版社，1999.8 2刘永长主编 .内燃机原理. 武汉：华中科技大学出版社，2001.6 3吴建华，常绿主编 .汽车发动机原理. 北京：机械工业出版社，2005.7 4甘永立主编 .几何量与课程设计. 上海：上海科学技术出版社，2005.7 5陆耀祖主编 .内燃机构造与原理. 北京：中国建材工业出版社，2004.1 6李凤平等主编 .机械图学. 沈阳：东北大学出版社，2003.9 7唐大放等主编 .机械设计工程学. 徐州：中国矿业大学出版社，2001.9 8单辉祖编 .材料力学. 北京：高等教育出版社，2004.4 9陈家瑞主编 .汽车构造. 北京：机械工业出版社，2005.1 10李凤平等主编 .机械图学. 沈阳：东北大学出版社，2003.9