課程設(shè)計---2.0l四行程汽油機活塞組設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　0前言 ……………………………………………………………………………………………3</p><p>　　1汽油機結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計 ………………………………………………………………………3</p><p>　　1.1氣缸數(shù)和氣缸布置的選擇 …………………………………………………………

2、…3</p><p>　　1.2冷卻方式的選擇 ………………………………………………………………………4</p><p>　　2 汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 …………………………………………………………………4</p><p>　　2.1缸徑的確定 …………………………………………………………………………4</p><p>　　2.2行

3、程缸徑比S/D的選取 ……………………………………………………………5</p><p>　　2.3轉(zhuǎn)速n的確定 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2.4氣缸工作容積與升功率 ……………………………………………………………5</p><p>　　2.5曲柄半徑與連桿長度之比λ的選取 ………………………

4、………………………5</p><p>　　2.6 缸心距的確定 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2.7壓縮比、燃燒室容積及總?cè)莘e ……………………………………………………5</p><p>　　3熱力學(xué)計算 ……………………………………………………………………………………6</p><

5、p>　　3.1作出P-V圖 ……………………………………………………………………………6</p><p>　　3.1.1壓縮過程 …………………………………………………………………………6</p><p>　　3.1.2膨脹過程 …………………………………………………………………………6</p><p>　　3.2 P-V圖的繪制 ……

6、……………………………………………………………………7</p><p>　　4運動學(xué)計算 ……………………………………………………………………………………9</p><p>　　5動力學(xué)計算 …………………………………………………………………………………10</p><p>　　5.1曲柄連桿機構(gòu)的動力分析 ………………………………………………………10&

7、lt;/p><p>　　5.1.1沿氣缸中心線的總作用力 …………………………………………………12</p><p>　　5.1.2 P力的傳遞與分解 ……………………………………………………………13</p><p>　　6活塞設(shè)計 ……………………………………………………………………………………14</p><p>　　6.1

8、活塞的材料 ………………………………………………………………………15</p><p>　　6.2活塞主要尺寸設(shè)計 …………………………………………………………………15</p><p>　　6.2.1活塞高度 ……………………………………………………………………15</p><p>　　6.2.2壓縮高度 …………………………………

9、……………………………15</p><p>　　6.2.3火力岸高度 ……………………………………………………………………15</p><p>　　6.2.4環(huán)帶高度 ………………………………………………………………15</p><p>　　6.2.5活塞頂部厚度 …………………………………………………………………16</p>

10、<p>　　6.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計 …… ………………………………………………16</p><p>　　6.3.1裙部橢圓 …………………………………………………………………………17</p><p>　　6.3.2配缸間隙 …………………………………………………………………………17</p><p>　　6.4活塞頭的質(zhì)量計算 ……………

11、……………………………………………………… 17</p><p>　　7活塞銷的設(shè)計…………………………………………………………………………………18</p><p>　　7.1活塞銷的材料 …………………………………………………………………………18</p><p>　　7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 …………………………………………………………18</p&g

12、t;<p>　　7.3活塞銷與銷座的配合 …………………………………………………………………18</p><p>　　7.4活塞銷質(zhì)量 …………………………………………………………………………18</p><p>　　7.5活塞銷剛度和強度的校核 ……………………………………………………………19</p><p>　　8活塞環(huán)設(shè)計……………………………

13、………………………………………………………19</p><p>　　8.1活塞的密封機理 ………………………………………………………………………19</p><p>　　8.2氣環(huán)的設(shè)計 ……………………………………………………………………………20</p><p>　　8.3油環(huán)的設(shè)計 ……………………………………………………………………………21</p&g

14、t;<p>　　8.4強度校核 ………………………………………………………………………………22</p><p>　　10小結(jié) …………………………………………………………………………………………22 </p><p>　　參考文獻 ………………………………………………………………………………………23</p><p>　　附表1 ………………………

15、…………………………………………………………………24</p><p>　　附表2 …………………………………………………………………………………………24</p><p>　　附表3 …………………………………………………………………………………………25</p><p>　　附表4 …………………………………………………………………………………………30&

16、lt;/p><p>　　2.0L四行程汽油機活塞組設(shè)計</p><p><b>　　0前言</b></p><p>　　2012-2013大四學(xué)年上學(xué)期第十一周起，我們專業(yè)開始了為期三周的《汽車發(fā)動機涉及》課程設(shè)計。</p><p>　　發(fā)動機是汽車最重要的組成部分之一，評價汽車性能好壞時，發(fā)動機性能參數(shù)是最主要的標準，它能

17、決定一輛汽車的行駛速度、加速性、爬坡度、牽引力等許多方面。因此，《汽車發(fā)動機設(shè)計》對于我們汽車工程學(xué)院的學(xué)生們來說，是相當有必要的。這次的課程，通過親身設(shè)計與實踐，我們可以提前感受和熟悉日后走上工作崗位后的工作內(nèi)容，從中取得寶貴的經(jīng)驗。課程設(shè)計中，我們需要全面把握發(fā)動機的各項指標，充分調(diào)動自己的分析、計算、設(shè)計、繪圖等能力，并學(xué)會如何將這些能力運用到實際實踐當中去。同時，在與同組同學(xué)互相交流和探討的過程中，我們的團隊協(xié)作意識也會得到較大

18、的提升。另外，這次的課程設(shè)計也將為我們下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計提供了參考價值讓我們屆時不至于手足無措。</p><p>　　所以，這次的課程設(shè)計是一個鍛煉、提高我們自己的好機會。我們一定會認真踏實地完成任務(wù)，從中汲取經(jīng)驗，提升能力，不讓自己的大學(xué)生活留下遺憾。</p><p>　　本次課程設(shè)計，我分配到的題目是：2.2升四行程汽油機活塞組的設(shè)計。</p><p>　　1汽油

19、機結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計 </p><p>　　1.1氣缸數(shù)和氣缸布置的選擇 </p><p><b>　　直列4缸</b></p><p>　　內(nèi)燃機的氣缸數(shù)和氣缸布置的方式，對其平穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)緊湊性、外形尺寸比例及制造使用成本都有很大影響。目前小轎車各輕型車除最小排量的車型用2缸或3缸外，絕大多數(shù)用4缸機，少數(shù)高級轎車用6缸機或8缸機。</p&

20、gt;<p>　　至于氣缸布置，不超過6缸的內(nèi)燃機絕大多數(shù)是單列的，單列式發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，工作簡單，成材本低，使用維修方便，能滿足一般要求，而且以各氣缸線所在平面與地面垂直居多。</p><p>　　結(jié)合國內(nèi)制造使用成本，生產(chǎn)條件及運轉(zhuǎn)平衡性等，初步選用直列4缸機。</p><p>　　目前汽車發(fā)動機多采用直列4缸、6缸和8缸的結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)有的國產(chǎn)汽油發(fā)動機的功率和氣缸數(shù)目的

21、匹配關(guān)系，設(shè)計2.0升的汽油發(fā)動機，所要匹配的氣缸數(shù)目定為直列4缸機。</p><p><b>　　1.2冷卻方式</b></p><p><b>　　水冷</b></p><p>　　常用的冷卻方式有水冷和風冷兩種，水冷式發(fā)動機由于冷卻較好而且均勻，強化的潛力要比風冷式發(fā)動機大，因此在汽車發(fā)動機上至今大多數(shù)還是水冷式發(fā)動

22、機。參考文獻[5]在條件相同時，主要由于充量系數(shù)的差別，水冷機比風泠機高5%～10%。此外風冷發(fā)動機功率和燃料消耗受氣溫變化影響較大，不如水冷發(fā)動機指標穩(wěn)定。綜合以上各因素，本設(shè)計冷卻方式選用水冷方式。</p><p>　　2．汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取</p><p>　　2.1氣缸直徑的確定</p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所提供的設(shè)計條件：</p>

23、<p>　　所要設(shè)計的汽油發(fā)動機的排量為2.2L</p><p>　　平均有效壓力： </p><p><b>　　活塞平均速度：</b></p><p>　　根據(jù)內(nèi)燃機學(xué)的基本計算公式：</p><p>　　其中 ——為發(fā)動機的有效功率， </p><p&

24、gt;　　——為發(fā)動機的平均有效壓力，依題為…...取1.0MPa</p><p>　　——為氣缸的工作容積，依題為0.55L</p><p>　　——為發(fā)動機的氣缸數(shù)目 ，依題為為4</p><p><b>　　——為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　——為活塞的平均速度，依題為 ……取16

25、m/s </p><p>　　——為發(fā)動機活塞的行程</p><p>　　——為發(fā)動機氣缸直徑</p><p>　　——為發(fā)動機的行程數(shù)，依題為4</p><p>　　根據(jù)以上的條件代入公式（1），（2），（3）得：</p><p>　　D=89mm S=89mm Pe=99kw</p><

26、p>　　帶回原式可以確定n=5393 r/min所以基本參數(shù)得以確定。</p><p>　　2.2缸徑行程比S/D</p><p>　　汽油機S/D的取值范圍為0.8-1.2</p><p>　　S/D=89÷89=1</p><p><b>　　2.3轉(zhuǎn)速n的確定</b></p><

27、p>　　根據(jù)《內(nèi)燃機設(shè)計》（楊連生）P2，汽油機轉(zhuǎn)速在2500-7000r/min之間</p><p>　　取n=5393r/min 合理</p><p>　　故活塞速度 Vm=16m/s</p><p>　　符合活塞速度小于18m/s的要求</p><p>　　2.4氣缸工作容積與升功率</p><p>　　

28、氣缸工作容積Vs=πD²S/4=0.55L</p><p>　　由于平均有效壓力Pme范圍在0.8MPa—1.2Mpa,取Pme=1.0 MPa .得</p><p><b>　　P==99Kw</b></p><p>　　氣缸工作容積Vs=πD²S/4=0.55L</p><p>　　升功率 PL

29、=Pme*n/30=44.9kw/L</p><p>　　2.5曲柄半徑與連桿長度之比λ的選取 </p><p>　　于λ=r/l的范圍在1/3～1/4之間，選取λ=1/4。又因曲柄半徑r=44.5mm所以連桿長度為L=r/λ=44.5*4=178mm</p><p><b>　　2.6缸心距的確定</b></p><

30、p>　　由于汽油機干缸套的缸心矩Lo/D為1.12-1.24，所以初選Lo/D＝1.2，得Lo=110mm。</p><p>　　2.7壓縮比與燃燒室容積Vc,總?cè)莘eVa</p><p>　　壓縮比范圍為7—12，根據(jù)《內(nèi)燃機學(xué)》（周保龍）P308，受爆燃限制，汽油機壓縮比不超過10，取ε=10</p><p>　　則燃燒室容積Vc=Vs/(ε-1)=61mL

31、,</p><p>　　氣缸總?cè)莘eVa=Vc+Vs=550mL</p><p><b>　　3熱力學(xué)計算</b></p><p>　　3.1燃燒過程數(shù)學(xué)模型</p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，設(shè)計的為2.2L，4行程的汽油發(fā)動機，將其實際循環(huán)簡化為混合加熱循環(huán)，這個循環(huán)過程稱為汽油發(fā)動機的理論循環(huán)。選取汽油機壓縮

32、比ε=10，在理論范圍8~12之間。其中</p><p>　　——為活塞在下止點時氣缸的容積</p><p>　　——為活塞在上止點時氣缸的容積</p><p>　　由《內(nèi)燃機學(xué)》可知：發(fā)動機的熱力實際循環(huán)過程分為進氣過程、壓縮過程、膨脹過程、排氣過程。實際的循環(huán)過程復(fù)雜，難以用簡單的數(shù)學(xué)模型來分析，所以為了計算發(fā)動機的循環(huán)做功過程提出了理論循環(huán)過程。發(fā)動機的理論循

33、環(huán)是將非常復(fù)雜的實際工作過程加以簡化，忽略一些因素，以便于作簡易的定量處理。通過對理論循環(huán)的研究，可以清楚的確定影響性能的一些重要因素，從而找到提高發(fā)動機性能的基本途徑。最簡單的理論循環(huán)是空氣標準循環(huán)，簡化的條件為：</p><p>　　假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標準狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。</p><p>　　假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。</p><p&

34、gt;　　假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程。</p><p>　　假設(shè)燃燒時外界無數(shù)個高溫熱源定容或定壓向工質(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱。</p><p>　　根據(jù)汽油機的混合氣燃燒迅速，近似為定容加熱循環(huán)。</p><p>　　3.1.1絕熱壓縮起點</p><p>　　選取壓縮沖程的下止點（設(shè)為A點）時的氣體參數(shù) 其中為大氣的壓力，=1

35、.03*105pa，系數(shù)取為0.8，得：Pa=0.08MPa，根據(jù)活塞的運動規(guī)律，計算出氣缸內(nèi)容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，得： =0.55L</p><p>　　3.1.2絕熱壓縮過程</p><p>　　選取壓縮沖程終點（設(shè)為B點），從A點到B點的壓縮過程看作是多變的壓縮過程，多變指數(shù)取為根據(jù)多變過程的熱力學(xué)計算公式=常數(shù)和A點的氣體狀態(tài)，可以計算出從A點到B點的壓縮過程中各個點的狀態(tài)參

36、數(shù)。經(jīng)過計算后得到B點的狀態(tài)參數(shù)： Pc=1.4MPa Vc=61mL</p><p>　　3.1.3定容增壓過程</p><p>　　選取定容增壓的終點（設(shè)為C點），從B點到C點看作為定容壓縮過程，其定容增壓比λ=6，則C點的狀態(tài)參數(shù)：Pz=λ*Pc=10.8MPa Vz=Vc=54.4mL </p><p>　　3.1.4 絕熱膨脹過程</p>

37、<p>　　選取膨脹過程的終點（設(shè)為D點），從C點到D點可以看作是多變的膨脹過程，其多變指數(shù)為。</p><p><b>　　同上公式， 可知：</b></p><p>　　根據(jù)多變過程的熱力學(xué)計算公式常數(shù)和C點的氣體狀態(tài)，可以計算出從C點到D點的膨脹過程中各個點的狀態(tài)參數(shù)。計算后，得：膨脹終了壓力Pb=0.54MPa</p><p&g

38、t;　　3.2 繪制P-V圖</p><p>　　3.2.1繪制理論P-V圖</p><p><b>　　圖 1理想P-V圖</b></p><p>　　3.2.2 繪制調(diào)整P-V圖</p><p>　　調(diào)整的P-V圖: 因為實際過程比較復(fù)雜，所以在得到的P～V，P～φ圖上要修正得到，最高壓力不在上止點，還有點火提前角，

39、排氣提前角的修正，顯然實際的邊界條件是不可能得到的，所以只能做一些適當?shù)男拚?lt;/p><p><b>　　圖2 調(diào)整P-V圖</b></p><p>　　3.3熱力學(xué)平均有效壓力校核</p><p>　　由熱力學(xué)計算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖，其圍成的面積表示的是汽油機所做的指示功數(shù)值由對示功圖積分后求得的面積來表示</p>

40、<p>　　其中： Pa=0.08MPa; Pb=0.50MPa;Vc= Vz=0.061L; Vb= Va =0.55L</p><p>　　將上述數(shù)值代入得：Wi=592J</p><p>　　則汽油機平均有效壓力：</p><p><b>　　（公式7）</b></p><p><b>　　

41、（公式8）</b></p><p>　　所給定的結(jié)果滿足設(shè)計要求（Pme＝0.8～1.4）， 所以校核合格。</p><p><b>　　4運動學(xué)計算</b></p><p><b>　　4.1活塞位移</b></p><p>　　根據(jù)活塞的運動規(guī)律，計算出活塞的位置隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

42、：</p><p>　　其中——為曲柄半徑和連桿長度的比，根據(jù)設(shè)計書的要求，取=1/3</p><p>　　——為曲軸半徑，r=44.5mm </p><p>　　經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)和得圖表，數(shù)據(jù)見后附附錄。</p><p><b>　　圖3 活塞位移</b></p><p><b>　　

43、4.2活塞瞬時速度</b></p><p>　　根據(jù)活塞的位移規(guī)律，對曲軸轉(zhuǎn)角求得活塞的瞬時速度V隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律： </p><p>　　經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)和得圖表，數(shù)據(jù)見后附附錄。</p><p><b>　　圖4 活塞速度</b></p><p>　　4.

44、3活塞的加速度、最大加速度</p><p>　　根據(jù)活塞的瞬時速度規(guī)律，對曲軸轉(zhuǎn)角求得活塞的加速度j隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：</p><p>　　經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)和得圖表，數(shù)據(jù)見后附附錄。</p><p><b>　　圖 5 活塞加速度</b></p><p><b>　　5動力學(xué)計算</b><

45、/p><p>　　5.1氣體壓力：由P～V圖轉(zhuǎn)化為P～α圖</p><p>　　隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，缸內(nèi)的氣體壓力也會隨之發(fā)生變化。將熱力學(xué)計算中的圖轉(zhuǎn)化為圖，即氣缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。0~180度為進氣行程，氣缸內(nèi)的氣體壓力在理論循環(huán)下基本可以認為是一恒定值且小于大氣壓力；180~360度為多邊壓縮行程，氣缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；360~540度為多變的膨脹過程，氣缸內(nèi)的

46、氣體壓力可由絕熱方程求出；540~720度為排氣行程，可以認為氣缸內(nèi)的氣體壓力是均勻下降至。由于已知了曲軸轉(zhuǎn)角α和活塞位移X的關(guān)系式，又因V=16+D2X/4000，則可以在EXCEL表格中，求取出相應(yīng)轉(zhuǎn)角α?xí)r對應(yīng)氣缸容積V。每隔5度求（p，V）。下面列出來了一部分轉(zhuǎn)角α下壓力p的數(shù)據(jù)：</p><p>　　利用上面求解出的數(shù)據(jù)，做出p～α圖。如圖：</p><p><b>　　

47、圖6 p～α圖</b></p><p><b>　　5.2往復(fù)慣性力</b></p><p>　　分析機構(gòu)的慣性力時，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實際活塞曲柄連桿機構(gòu)離散成用往復(fù)運動質(zhì)量的動力學(xué)等效當量系統(tǒng)來分析，往復(fù)慣性力的產(chǎn)生是由于活塞和連桿小頭的質(zhì)量在活塞瞬時速度的不均勻條件下產(chǎn)生的。往復(fù)慣性力的大小不僅與活塞和連桿小頭的往復(fù)慣性質(zhì)量有關(guān)，還與活塞的瞬時加

48、速度有關(guān)。其加速度已經(jīng)在運動學(xué)中計算完畢，往復(fù)慣性質(zhì)量 mj=m活塞+m銷+m小頭</p><p>　　用公式即可以計算出活塞連桿小頭的往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，具體的計算數(shù)據(jù)見后附表。</p><p><b>　　5.3合力的計算</b></p><p>　　忽略機構(gòu)摩擦阻力，則作用在曲柄連桿機構(gòu)上的力只要研究氣體壓力和機構(gòu)運動質(zhì)量的

49、慣性力。</p><p>　　氣缸內(nèi)工質(zhì)作用在活塞上的總氣體壓力為：</p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　――缸內(nèi)絕對壓力，Mpa；</p><p>　　――大氣壓力，一般取0.1Mpa</p><p>　　Pg隨著曲軸轉(zhuǎn)角α的變化規(guī)律Pg＝f（α），依據(jù)發(fā)動機型式

50、和工況而不同。對新設(shè)計的發(fā)動機可由熱力計算或參考同類型發(fā)動機的示功圖；對已有的發(fā)動機可用各種燃燒分析儀。</p><p>　　作用在曲柄連桿機構(gòu)上的力：氣體壓力于往復(fù)慣性力兩者作用在氣缸中心線上，將往復(fù)慣性力也用單位活塞面積的壓力來計算，則合成力為</p><p><b>　　（8）</b></p><p>　　故單位面積上P=Pg-mrω&#

51、178;(sinα+2λsin2α)/Fh</p><p>　　其中分解后得到其他的力側(cè)壓力N、連桿力S、切向力T、徑向力K、單缸扭矩Mi。公式分別為： </p><p>　　側(cè)壓力 N=Ptanβ （9）</p><p>　　連桿力S=P/cosβ

52、 （10）</p><p>　　切向力 T=Pl sin(α+β)=P （11）</p><p>　　徑向力K=Plcos(α+β)=P （12）</p><p>　　單缸扭矩Mi=Tr*Fh</p><p>　　圖7 連桿受力圖 </p&

53、gt;<p>　　用Excel表繪制側(cè)壓力、連桿力、切向力、徑向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。</p><p><b>　　如圖：</b></p><p>　　圖8側(cè)壓力、連桿力 </p><p><b>　　單缸扭矩</b></p><p><b>　?。?3）</b>&

54、lt;/p><p>　　用Excel表繪制，得出單缸扭矩圖：</p><p>　　圖9 單缸扭矩</p><p>　　采用直列式四缸發(fā)動機，其發(fā)火間隔角為</p><p>　　點火順序為1-3-4-2，由此按發(fā)火次序依次疊加個缸得到合成扭矩圖：</p><p><b>　　圖9 合成扭矩 </b>

55、;</p><p>　　從發(fā)動機有效功率公式來看，當缸徑Ｄ、缸數(shù)Ｚ和沖程數(shù)τ已選定時，在燃油經(jīng)濟性最佳的前提下，要盡可能提高輸出功率，就只有依靠平均有效壓力Pme和活塞平均速度Vm兩個主要參數(shù)的合理選擇了。</p><p>　　發(fā)動機的有效功率為：</p><p>　　（kw） （1）</p><p>　　式中Pme――平均

56、有效壓力，MPa</p><p>　　Vm――活塞平均速度，m/s；</p><p>　　n―――標定轉(zhuǎn)速，r/min；</p><p>　　D―――氣缸直徑，cm；</p><p>　　τ―――行程數(shù)，四沖程τ＝4，二沖程τ＝2。</p><p>　　取整得到如下結(jié)果： </p><p>

57、;　　表2 缸徑、行程、轉(zhuǎn)速參數(shù)表</p><p>　　所示的結(jié)果得到發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。查有關(guān)手冊，所得到的發(fā)動機參數(shù)滿足現(xiàn)代發(fā)動機的一般技術(shù)水平，而且現(xiàn)在的加工技術(shù)可以達到這個水平。</p><p><b>　　6活塞設(shè)計</b></p><p><b>　　6.1活塞的材料</b></p><

58、;p><b>　　共晶硅鋁合金</b></p><p>　　制造活塞的材料應(yīng)有小的密度、足夠的高溫強度、高的熱導(dǎo)率、低的線脹系數(shù)以及良好的摩擦性能(減摩性和耐磨性)。常用材料為鋁硅合金，。共晶鋁硅合金具有滿意的綜合性能，工藝性良好，應(yīng)用最為廣泛。過共晶鋁硅合金中的初生硅晶體使耐熱性、耐磨性改善，膨脹系數(shù)減小，但加工工藝性惡化。過共晶鋁硅合金廣泛用于高熱負荷活塞。</p>

59、<p>　　6.2活塞主要尺寸設(shè)計</p><p>　　6.2.1活塞高度H</p><p><b>　　H=0.8D</b></p><p><b>　　選擇H=80mm</b></p><p>　　6.2.2壓縮高度H1</p><p><b>　　H

60、1=0.5D</b></p><p><b>　　選擇H1=45mm</b></p><p>　　6.2.3火力岸高度h</p><p>　　h=0.07D=6.23mm</p><p><b>　　選取h=7mm</b></p><p><b>　　6

61、.2.4環(huán)帶高度</b></p><p>　　現(xiàn)代四行程發(fā)動機一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。氣環(huán)的厚度一般為2.0～3.0mm(《汽車發(fā)動機設(shè)計》p308)。</p><p>　　環(huán)岸要求有足夠的強度，使其在最大氣壓下不致被損壞。第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1 一般為1.5～2.5c（c指環(huán)槽高度），第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為1～2c。</p><p>　　第一環(huán)岸

62、高 C1=0.03～0.04D=0.04*90=3.56mm 取4mm</p><p>　　第一氣環(huán)高b1 為1.5～2.5mm取2.0mm</p><p>　　第二氣環(huán)高b2 為1.5～2.5mm取2.0mm</p><p>　　油環(huán)高b3 為4.0～6.0mm取4.0mm</p><p>　　環(huán)岸高C2 為2b1取4.0mm</p

63、><p>　　b1=2,b2=2, b3=4,C1=4, C2=4。</p><p>　　則環(huán)帶高度為16mm</p><p>　　6.2.5活塞頂部厚度δ</p><p>　　為0.06~0.10D</p><p>　　δ=0.08D=7.12</p><p>　　取δ＝7mm。 </

64、p><p>　　6.2.6活塞側(cè)壁厚度及內(nèi)部過渡圓角</p><p>　　活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般?。?.05~0.1）D，取0.09D，厚度則為8mm</p><p>　　為改善散熱狀況，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過度圓角，一般取R=0.05~0.1D</p><p>　　則圓角半徑取為8mm</p><

65、p>　　6.2.7活塞銷座間距</p><p>　　B=0.35-0.40D</p><p>　　取0.4則活塞銷座間距為32mm</p><p>　　有關(guān)活塞的尺寸設(shè)計結(jié)果：</p><p>　　6.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計</p><p>　　活塞裙部及其側(cè)表面形狀設(shè)計的關(guān)鍵，在于保證裙部有足夠的貼切合

66、面積和良好的潤滑條件，以及保證發(fā)動機在不同工況下都具有最小的活塞間隙。</p><p><b>　　6.3.1裙部橢圓</b></p><p>　　1）、將裙部設(shè)計成橢圓。 </p><p>　　2）、將銷座附近的裙部外側(cè)部位設(shè)計成凹陷狀。</p><p>　　裙部橢圓的規(guī)律：e0=(D-d)(1-cosθ)/4<

67、/p><p>　　為了使活塞在正常工作溫度下于氣缸壁之間保持比較均勻的間隙，不至于在氣缸內(nèi)卡死或是引起局部磨損，必須在常溫下預(yù)先把活塞裙部的橫斷面加工成橢圓形，其長軸垂直于活塞銷軸線方向，其矩軸與長軸的差值視發(fā)動機的不同而不同，一般為0.08～0.025mm。</p><p>　　為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個圓柱形，還必須把活塞做成上小下大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動機的不同而不

68、同，一般為0.05～0.1mm。</p><p>　　實際取Δ：對活塞的下部和頭部取0.1mm；對活塞裙中部取0.08mm</p><p><b>　　6.3.2配缸間隙</b></p><p>　　活塞頂部間隙：0.240mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.210mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi)</p><p>　　活塞裙部間隙

69、：0.09mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.04mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi)</p><p>　　6.4活塞頭的質(zhì)量計算</p><p>　　對活塞進行簡化變成可計算體積的幾何體，從而計算出其體積和質(zhì)量。簡化圖如下。</p><p>　　活塞 m=(m)</p><p>　　其中D——為活塞的外徑，D=89mm</p>

70、<p>　　δ——為活塞的厚度，δ=3.5mm</p><p>　　H——為活塞的高度，H=(0.8~1.0)D=80mm</p><p>　　——為活塞的密度，在此處用共晶鋁硅合金66-1，密度為2.7g/cm3</p><p>　　故可知活塞的質(zhì)量為m活塞=350g</p><p><b>　　7活塞銷的設(shè)計<

71、;/b></p><p>　　活塞工作時頂部承受很大的大氣壓力，這些力通過銷座傳給活塞銷，再傳給連桿。因而活塞銷座和活塞銷的設(shè)計必須保證足夠的強度、足夠的承壓面積和耐磨性。</p><p><b>　　7.1活塞銷的材料</b></p><p>　　活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼（如20Cr）制造，經(jīng)表面參碳淬</p>&l

72、t;p>　　火處理，以提高表面硬度，使中心具有一定的沖擊韌性。表面需進行精磨和拋光。</p><p>　　7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　d=（0.25~0.3）D=0.3D=27mm</p><p>　　d0=(0.6~0.79)d=0.6d=16.2mm 取d0=16mm</p><p>　　l=(0.6~

73、0.8)D=0.8D=72mm</p><p>　　活塞銷外徑d=27mm,活塞銷內(nèi)徑d=16mm，活塞銷長度l=72mm。</p><p>　　7.3活塞銷與銷座的配合</p><p>　　活塞頂所承受的氣壓力通過活塞銷座和活塞銷傳給連桿。由于結(jié)構(gòu)上的限制，活塞銷的 直徑d不可能超過0.4D(表11-1)，活塞銷的長度不可能超過0.85D，因此活塞銷總的承壓面積

74、極為有限，還要在活塞銷座與連桿小頭襯套之間合理分配。所以，不論在銷與銷座之間，還是在銷與連桿之間，承壓面積都很小，表面比壓很高。加上活塞銷與銷座或活塞銷與連桿襯套之間相對運動速度很低，液體潤滑油膜不易形成。在這種高壓低速條件下，要保證可靠的液體潤滑，配合副的工作間隙要盡可能小。經(jīng)驗表明，當活塞銷與銷座以及活塞銷與連桿小頭襯套之間的工作狀態(tài)(熱態(tài))間隙在(1~3) 10-4d時，可以可靠工作。于是，在裝配狀態(tài)(冷態(tài))，銷與銷座則有(1~3

75、) 10-4d的過盈，以補償鋁合金活塞銷孔在工作時較大的熱膨脹。為了穩(wěn)定地保持極小的間隙而又轉(zhuǎn)動靈活，活塞銷外圓、活塞銷孔和連桿小頭襯套孔都應(yīng)有極高的加工精度。不但尺寸公差要嚴格，尤其要保證嚴格的圓柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圓柱度和表面粗糙度值足夠小，則可以按尺寸分組選配的辦法保證配合副的理想間隙。</p><p>　　7.4活塞銷質(zhì)量m3</p><p><b>　

76、　m=168.5g</b></p><p>　　7.5活塞銷剛度和強度的校核</p><p>　　為保證活塞銷和銷座的可靠工作，需校核活塞銷的彎曲變形，失圓變形，銷座上的表面壓力和活塞銷的應(yīng)力。</p><p>　　Δ=d1/D=27/90=0.3</p><p>　　δ=d2/d1=0.6</p><p>

77、;　　活塞銷的彎曲變形： </p><p>　　f=4.5(1-Δ2)3/2pzD/Δ4(1-δ2)*10-8=4.5*(1-0.292)3/2*90.5*90/0.34(1-0.62)=0.0336</p><p><b>　　許用變形：</b></p><p>　　[f]≦0.0004D=0.036</p><p>

78、<b>　　滿足要求。</b></p><p><b>　　失圓變形：</b></p><p>　　Δd=4.7pzD/(1-Δ2)1/2*(1+δ)3/(1-δ)3*10-8=0.014mm</p><p><b>　　許用失圓變形：</b></p><p>　　[Δd]≦0

79、.012*(1+0.01D)=0.0228mm</p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p>　　作用在銷孔上的表面壓力：</p><p>　　q=1.58pz/Δ(1-Δ2)1/2=273.8</p><p>　　小于極限值560bar，滿足要求。</p><p>　　活塞銷的

80、縱向彎曲應(yīng)力：</p><p>　　σ1=0.093pz/Δ3(1-δ4)=196.3N/mm2</p><p>　　活塞銷的橫向彎曲應(yīng)力：</p><p>　　σ2=0.0685pz(1+δ)/Δ(1-δ)2=113.3N/mm2</p><p><b>　　所以總彎曲應(yīng)力：</b></p><p&

81、gt;　　=226.7N/mm2</p><p>　　在許用應(yīng)力200到400 N/mm2之間，滿足要求。</p><p>　　經(jīng)以上計算可知設(shè)計的活塞銷滿足剛度和強度要求。</p><p><b>　　8活塞環(huán)設(shè)計</b></p><p>　　活塞與活塞環(huán)一起防止氣缸內(nèi)的高壓氣體下竄到曲軸箱，同時把很大一部分活塞頂接收

82、的熱量傳給氣缸壁，起這種作用的活塞環(huán)稱為氣環(huán)。此外，還設(shè)置專門的油環(huán)，在活塞下行時把氣缸壁上多余的機油刮回油底殼，以減少上竄機油量。一般要求通過環(huán)組的竄氣量不超過總進氣量的0.5%，機油消耗量不超過燃油消耗量的0.5%。</p><p>　　8.1活塞環(huán)的密封機理</p><p>　　內(nèi)燃機活塞組與氣缸之間應(yīng)用帶開口的彈性金屬環(huán)實現(xiàn)往復(fù)式密封。由于開口的存在，漏氣通路不可能完全消除。為了防

83、止大量漏氣，一般采用多個活塞環(huán)形成隨活塞運動的迷宮式密封。</p><p>　　為減小活塞組與氣缸之間的漏氣通路，活塞環(huán)的外周面必須以一定的彈力與氣缸壁緊密貼合，形成第一密封面(圖11-8)。這樣一來，缸內(nèi)氣體不能短路直接通過環(huán)周與氣缸之間，而是進入環(huán)與環(huán)槽之間，一方面軸向不平衡力將環(huán)向環(huán)槽的側(cè)面壓緊，形成第二密封面，同時，作用在環(huán)背的氣壓力造成的徑向不平衡力又大大加強了第一密封面。盡管環(huán)背氣壓力有時大大超過環(huán)本

84、身彈力，但的作用仍是關(guān)鍵。如果降到零，即環(huán)周與缸壁之間出現(xiàn)縫隙(一般稱為活塞環(huán)“漏光”)，第一密封面被破壞，氣體就直接從縫隙處短路外泄，任何環(huán)背壓力和FR都建立不起來。只要在整個環(huán)周上還剩下一個哪怕是很小的彈力，被密封氣體就會自行幫助密封，而且要密封的氣體壓力越高，附加的密封力也越大?？梢哉J為，具有這種自適應(yīng)特性的簡單環(huán)式密封系統(tǒng)，是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機有強大生命力的結(jié)構(gòu)保證之一。</p><p>　　必須指出，活塞

85、組的密封作用不僅取決于活塞環(huán)，而且與活塞的設(shè)計有很大關(guān)系?；钊麘?yīng)保證活塞環(huán)工作溫度不會過高。環(huán)帶部分與氣缸的間隙應(yīng)盡可能小。環(huán)槽應(yīng)加工精確，且在工作中不發(fā)生過大變形。環(huán)槽與環(huán)之間的間隙要合適。</p><p><b>　　8.2氣環(huán)的設(shè)計</b></p><p>　　8.2.1氣環(huán)的斷面形狀</p><p>　　根據(jù)活塞環(huán)的密封機理，形狀簡單、

86、加工方便的矩形(斷面)環(huán)完全可以滿足要求。但這種環(huán)磨合性較差，作用在活塞環(huán)上的力及其密封面密封性不理想。</p><p>　　桶面環(huán)(圖11-9b)的外周面是直徑等于缸徑的球面的中段，其特點是能適應(yīng)活塞的擺動，并且活塞上行和下行時均能在環(huán)的外周面上形成潤滑油膜，摩擦面不易燒傷。環(huán)與氣缸接觸面積小，比壓大，密封性好。桶面環(huán)廣泛用作高速、高負荷的強化內(nèi)燃機的第一環(huán)。</p><p>　　圖11

87、—9 常用的活塞環(huán)斷面形狀</p><p>　　a)矩形環(huán) b)桶面環(huán) c)錐面環(huán)。d)梯形環(huán) e)內(nèi)切正扭曲環(huán) f)錐面內(nèi)倒角反扭曲環(huán)</p><p>　　錐面環(huán)(圖11-9c)外周面具有很小的斜角(一般為)，它新裝入氣缸時與氣缸線接觸，磨合快，下行時有良好的刮油作用。安裝時不能上下裝反，否則使竄機油加劇。這種環(huán)適用于第二、三氣環(huán)。</p><p>　　

88、梯形環(huán)(圖11—9d)兩側(cè)面夾角多為150左右。裝這種環(huán)的活塞在氣缸中工作時的側(cè)向位移使環(huán)與環(huán)槽側(cè)面間的間隙不斷變化，可防止環(huán)槽中機油結(jié)膠甚至碳化，適用于熱負荷較高的柴油機作為第一環(huán)。</p><p>　　扭曲環(huán)(圖11-9e)采用內(nèi)切或倒角造成斷面相對彎曲中性軸不對稱，使環(huán)裝入氣缸發(fā)生彎曲變形后發(fā)生不超過10的盤狀正扭曲。它有與錐面環(huán)類似的作用，但加工容易些，不過扭曲環(huán)的扭曲角沿環(huán)周是不均勻的。</p&g

89、t;<p>　　反扭曲環(huán)(圖11—9f)工作時扭曲成蓋子狀，配合外圓的錐面，具有很強的密封性和刮油能力，常用于緊挨油環(huán)的那道氣環(huán)。 </p><p>　　8.2.2氣環(huán)的尺寸參數(shù) </p><p>　　在保證密封的前提下，活塞環(huán)的數(shù)目應(yīng)盡可能少，因為減少環(huán)數(shù)可縮小活塞高度，減輕活塞質(zhì)量，減小發(fā)動機總高度，降低發(fā)動機摩擦損失?，F(xiàn)代高速內(nèi)燃機大多采用2道氣環(huán)(另有1油環(huán))，重

90、型強化柴油機則用3道氣環(huán)。</p><p>　　氣環(huán)的尺寸參數(shù)主要有環(huán)的徑向厚度、軸向高度(圖11-8)以及環(huán)的自由狀態(tài)形狀和自由開口端距S0。</p><p>　　減小環(huán)高b有利于縮短活塞高度，減小環(huán)的顫振傾向，目前已達到1mm左右的極限。過小的使環(huán)和環(huán)槽的加工困難。</p><p>　　徑向厚度較大的環(huán)彎曲剛度大，對氣缸表面畸變的跟隨性差，但耐磨性相對較好。剛性

91、環(huán)在較小的端距S0下就可得出要求的平均徑向壁壓，但在套裝到活塞頭部上時易于折斷。對合金鑄鐵的活塞環(huán)來說，=0.1~0.2MPa，。</p><p>　　環(huán)槽深度取0.9d=81mm</p><p>　　8.2.3活塞環(huán)的材料</p><p>　　活塞環(huán)是內(nèi)燃機中磨損最快的零件，因此適當選擇材料和表面處理工藝十分重要。</p><p>　　活塞

92、環(huán)一般是由合金鑄鐵鑄造，高強度環(huán)用球墨鑄鐵，經(jīng)熱處理以改善材料的熱穩(wěn)定性。少數(shù)活塞環(huán)用合金鋼制造。</p><p>　　活塞環(huán)的工作表面通常用各種鍍層或涂層，以提高其耐磨性、耐蝕性或改善磨合性。最常用的耐磨層為鍍鉻和噴鉬。松孔鍍鉻不僅硬度高，耐磨耐蝕，而且儲油，抗膠合，廣泛用于汽油機和自然吸氣柴油機。鉬熔點高，噴鉬層抗膠合、抗磨損性能好，能適應(yīng)高溫下工作。噴涂法能造成一定多孔性，也有一定儲油能力。噴鉬環(huán)主要用于增

93、壓強化柴油機的第一環(huán)。</p><p>　　所有活塞環(huán)都要進行磷化、鍍錫或氧化處理，以改善磨合性和防銹。</p><p><b>　　8.3油環(huán)的設(shè)計</b></p><p>　　氣缸與活塞運動副用飛濺的機油潤滑。油環(huán)的作用是把飛濺到氣缸壁上的多余潤滑油刮下來，回到油底殼，以減少發(fā)動機的機油消耗量。</p><p>　　

94、為了能在高速運動中對抗機油的流體動壓力刮下機油，只留下很薄的油膜，油環(huán)工作面的著壁壓力應(yīng)足夠大。因為油環(huán)沒有環(huán)背氣壓力幫助壓向氣缸壁，著壁壓力完全靠本身的彈力產(chǎn)生。單體鑄鐵油環(huán)(圖11-10a)，由于材料強度所限，只能通過減小與氣缸接觸的工作面積來提高壁壓，最高只能達到0.5MPa左右。如用高強度材料，用較大的徑向厚度，壁壓可能進一步提高，但環(huán)剛性大，對氣缸變形的追隨性差，刮油能力不好。用具有切向彈力的螺旋襯簧的鑄鐵油環(huán)(圖11-10b

95、)可使壁壓達到0.8MPa以上，即使環(huán)的外圓磨損，壁壓也比較穩(wěn)定，因為壁壓主要由襯簧產(chǎn)生。這種環(huán)厚度小，柔性好，在氣缸變形較大的條件下也能很好地刮油。這種油環(huán)目前應(yīng)用很廣，尤其在高速柴油機上。鑄鐵環(huán)表面要通體鍍鉻。</p><p>　　上述兩種單體油環(huán)與環(huán)槽不可避免地有側(cè)向間隙，在環(huán)正常軸向移動或顫振而懸浮在環(huán)槽中間時，機油可能通過側(cè)隙上竄。這種影響在高轉(zhuǎn)速時更大，所以現(xiàn)代高速汽油機常用無側(cè)隙鋼片組合式油環(huán)。&l

96、t;/p><p>　　為了使油環(huán)刮油有效，除了油環(huán)結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)注意活塞的配合。用單體油環(huán)時必須保持環(huán)槽側(cè)隙盡可能小，這意味著環(huán)槽加工精度要高，變形要小。還應(yīng)注意環(huán)槽須有面積足夠的泄油通道，以免回油受節(jié)流造成過高動壓，使油環(huán)浮起。一般希望在油環(huán)槽底和槽下都加工出很多泄油孔，使泄油通暢。</p><p>　　8.4活塞環(huán)強度校核</p><p>　　為了確定任意斷面 BB中

97、的彎矩，可把活塞環(huán)看成是開口對面的對稱面AA固定的懸臂梁，因為活塞環(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)時AA斷面不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。于是作用在單元環(huán)上rd的單元力dp=p0br0d對斷面BB產(chǎn)生的彎矩可寫成</p><p>　　環(huán)從=到段上的壓力對BB斷面的總彎矩M為</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　材料確定后E為常數(shù)，P0也為常數(shù)

98、，對結(jié)構(gòu)參數(shù)D一定的均壓環(huán)，自然狀態(tài)的曲率半徑ρ隨α而變，故活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是圓形</p><p><b>　　小 結(jié)</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計實踐，讓我們對專業(yè)課上所學(xué)的基礎(chǔ)知識和基本理論有了進一步的理解和掌握。設(shè)計過程中，老師一直在耐心地指導(dǎo)教育我們，讓我們有問題可以及時解決，使我們收益良多。總體來說，這次課程設(shè)計中我們的收獲有如下幾點

99、：</p><p>　　1.分析、計算、設(shè)計、繪圖、運用各種標準和規(guī)范、查閱各種設(shè)計手冊與資料的能力有所提高。</p><p>　　2.初步建立起了工程的觀念處理問題。</p><p>　　3.全面地檢驗并鞏固了我們以前所學(xué)的專業(yè)課知識，并通過結(jié)合實際，讓我們能從一個全新的角度重新學(xué)習(xí)、認識以前學(xué)過的專業(yè)課知識。</p><p>　　4.了解

100、國內(nèi)外發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀，對當代先進的發(fā)動機技術(shù)有了一些了解。</p><p>　　5.這次的課程設(shè)計還為我們下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ).</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 楊連生．內(nèi)燃機設(shè)計．北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981．</p><p>　　[2] 陸際青．汽車發(fā)動機

101、設(shè)計．北京：清華大學(xué)出版社，1990．</p><p>　　[3] 楊連生．內(nèi)燃機設(shè)計．北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981．</p><p>　　[4] 唐增寶，何永然，劉安?。畽C械設(shè)計課程設(shè)計．武漢：華中科技大學(xué)出版社，1999．</p><p>　　[5] 周龍保．內(nèi)燃機學(xué)．北京：機械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　[6] 吳

102、兆漢．內(nèi)燃機設(shè)計．北京：北京理工大學(xué)出版社，1990．</p><p>　　[7] 沈維道．工程熱力學(xué)．北京：高等教育出版社，2002．</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　附表2 熱力學(xué)計算圖表</p><p>　　附表3 運動學(xué)計算圖表</p><