学位论文-—100系列柴油机活塞设计.doc

课程设计
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，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600～700K，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最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，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(8～12m/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，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，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
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
91.00
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：
60sin10=200sina 所以=600.1736/200=0.0521
所以α=3度

其中：D——活塞直径 R——曲轴半径 mj——往复运动
连杆比λ=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φ90

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φ40

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φ100，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φ110

精基准：外圆面环槽端平面

车床

专用夹头

6

精车：
①环槽
②外圆面③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，1999.8
［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
15