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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，导热性好的突出优点，但同时又有膨胀系数比较大
2、，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
3、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
4、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。 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
5、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
6、结构设计 发动机型号: 100系列柴油机活塞直径:D=100 2.1活塞的主要尺寸一.活塞总长 176二.压缩高1. 顶岸高度 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6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5环带高度3. 环区高度 4. 上裙高度 三. 裙部长度四. 活塞销直径与销座间距1. 活塞销直径 2. 活塞销座间距 五. 活塞重量2.2 活塞头部设计一. 活塞顶形状与厚度活塞顶选用活塞顶厚度 取二. 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
7、载能力2.4.活塞裙部设计 活塞裙部采用椭圆形2.5 活塞的强度计算2.5.1活塞最大爆发压力的计算：环境压力环境温度几何压缩比有效压缩比燃烧过量空气系数参与废弃系数参与非其温度增压空气压力最大燃烧压力Z点热利用系数B点热利用系数燃烧室扫其系数燃料质量分数 燃料低热值（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指数（2） 压缩始点温度 式中，新气预热度，=5K; -比热修正系数，=1.11（3） 压缩始点压力（4） 充气系数压缩过程参数（5） 平均多变压缩指数 式中，a，b常数，对于空气（忽略残余废气），a= 19.26 ，b=0.0025 第一次试算
8、，式（1）等号右端代入=1.37 , 第二次试算，式（1）等号右端代入=1.369, 最后得（6） 压缩终点温度（7） 压缩终点压力（8） 燃料燃烧所需理论空气量 （9） 燃烧所需的实际空气量（10） 理论分子变化系数（11） 实际分子变化系数（12） Z点烧去的燃料质量分数（13） Z点处分子变化系数（14） Z点燃烧产物的平均摩尔比定容热容 式中，（15） b点燃烧产物的平均摩尔比定容热容式中，（16） z点燃烧产物的平均摩尔比定压热容（17） 燃料发热量（18） 压力升高比（19） cyz段的燃料燃烧公式，就最大燃烧温度简化后得 第一次试算，取式（2）等号右端的= 1850K 得第二次试
9、算，取式（2）等号右端的=1824K 得第三次试算，取式（2）等号右端的= 1828K 得最后取膨胀过程参数：（20） 初膨胀比（21） 后膨胀比（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， （3） （4）将式子（3）与式子（4）联立，得 （5）第一次试计算，取=1800K 得， 第二次试计算，取1763K 得， K 最后取 （23） 膨胀终点压力 （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)（25） 实际平均指示压力（以全行程为准）式中， 示功图丰满系数，=0.98（26） 指示油耗（27） 指示效率（28） 增压器中绝热压缩功（29） 增压器中绝
10、热效率 式中，k-比热容比，=1.4，;-多变指数，。（30） 增压器实际压缩功式中，-增压器机械效率，=0.96（31） 增压器的相对作功率（三） 柴油机有效效率（32） 柴油机总机械效率式中， ；-增压器相对功率； 。（33） 柴油机平均有效压力（34） 柴油机有效油耗（35） 有效功率（四） 计算示功图的绘制活塞形成容积比例尺 代表 ;压力比例尺代表0.1Mpa。压缩容积： =15.3表 压缩终点压力： 代表压缩始点容积 代表 压缩始点压力 代表最大压力的容积 代表 ，计算压缩曲线ac上各点压力，即式中，在1至之间选定。计算膨胀曲线zb上各点压力，即式中，x在1至之间选定。根据以上两式，
11、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点坐标参数序号压缩线上的膨胀线上的1234567891011123456789101118994.563.047.337.831.527.023.621.018.917.212.584.486.639.0011.5414.2417.0920.0723.1726.393.358.615.022.230.138.747.757.312.033.074.115.166.227.288.349.4022.1444.9467.9791.00114.24137.72161.18184.65201.12根据上表画出示功图 图2-1示
12、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：60sin10=200sina 所以=600.1736/200=0.0521所以=3度其中：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 曲轴转速对活塞销的校核：1、画出活塞销的Q、M图 图2-2活塞销Q M图活塞销直径选活塞销材料为45号钢，调质处理，得 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
13、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
14、孔销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,我想这都是这次设计的价值所在,以后的日
15、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!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，1999.82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，2005.74甘永立主编 .几何量与课程设计. 上海：上海科学技术出版社，2005.75陆耀祖主编 .内燃机构造与原理. 北京：中国建材工业出版社，2004.16李凤平等主编 .机械图学. 沈阳：东北大学出版社，2003.97唐大放等主编 .机械设计工程学. 徐州：中国矿业大学出版社，2001.98单辉祖编 .材料力学. 北京：高等教育出版社，2004.49陈家瑞主编 .汽车构造. 北京：机械工业出版社，2005.110李凤平等主编 .机械图学. 沈阳：东北大学出版社，2003.915