大功率发动机活塞的结构设计及加工工艺制定-能源与动力工程大学论文.doc

大功率发动机连杆的结构设计及加工工艺制定

专业班级：
能动2013-1

学生学号：
20130310150108

学生姓名：
李杨

指导老师：
卢黎明

二〇一七年六月

毕业设计（论文）诚信声明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。

本人签名____________

导师签名__________

2017年 5月 15日

华东交通大学毕业论文开题报告书
课题名称
大功率发动机活塞的结构设计及加工工艺制定
课题来源
自选
课题类型
AY
导 师
卢黎明
学生姓名
李杨
学 号
20130310150108
专 业
能源与动力工程
一、目的及意义:
机械制造业是国民经济的支柱产业，它为国民经济提供装备支持的同时也为人民生活提供着帮助，长期以来在国民经济中占有很重要的地位，而且机械工业的发展水平是衡量一个国家科技、经济发展水平的一个重要指标。而在汽车行业飞速发展的当今时代，汽车工业也成为了机械工业发展的重中之重。 
汽车结构复杂，类型繁多，但是目前世界各国生产的商业化汽车，仍然是以活塞式内燃机为动力的传统结构。发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力，决定着汽车的动力性、经济性、环保性。而活塞是汽车发动机的“心脏”，它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。也就是说活塞是汽车动力不可缺少的一部分，它的工作情况会直接影响汽车的运行状态。所以，如何能使活塞的生产高效率、高质量，省成本、省时间是我们今天汽车行业的努力方向。
为了能够提高产量、降低成本、准时交付、快速响应，使产品快速占领市场，现在敏捷制造、快速原型制造、快速模具工装制造技术已经成为内燃机零件工业特别是活塞行业竞争的焦点。因此，针对各种内燃机活塞机械加工工艺过程的广泛探索，从而缩短或简化工艺流程、提高产品质量、降低生产制造成本也变得越来越重要。由于活塞是发动机的一个重要组成元件，其外形直接影响到系统的燃油经济性、可靠性、寿命、排放及噪声等指标，其结构、功能及精度则直接影响到发动机性能的好坏。因此，根据活塞结构，确定活塞的加工工艺及加工方法显得至关重要。
制造技术是衡量一个国家机械发展水平的一个重要指标，它的重要性不言而喻，具体有以下四方面的意义： 
1、社会发展与制造技术密切相关
2、制造技术是科学技术物化的基础
3、制造技术是所有工业的支柱
4、国力和国防的后盾
通过分析活塞加工存在的问题，我们可以得出这样一个结论，活塞制造技术与汽车发动机行业的发展紧密相关，活塞加工工艺及方法的改进与创新决定了活塞质量，先进适用的加工设备是活塞质量的重要保证。因此，在了解活塞结构性能的前提下，制定优良工艺方法，选择适用加工设备，并不断克服目前活塞加工中存在的问题，才能使活塞在使用过程中发挥最大的功用。
二、主要内容和重点工作：
  本毕业设计通对分析活塞加工技术的发展、活塞的结构特点、活塞各个工作面的加工特征及其工作环境，设计活塞各个尺寸，并确定活塞的加工过程及加工方案，其中主要包括：材料的选用、毛坯制造工艺、加工基准的选择、各道工工序切削用量及其加工余量的确定和工序安排等。希望能够从加工工艺方面提高发动机活塞的质量、效率，是我选择本课题的主要依据。
三、课题流程：
1. 确定基本参数，并分析活塞的受力情况（三周）
2. 设计活塞整体结构，并确定细节（一周）
3. 制定加工工艺以及工艺流程（两周）
4. 制作CAD图纸（一周）
5. 确定论文最终情况（一周）
四、参考文献：
【1】刘达利，齐丕骧.新型铝活塞[M].北京：国防工业出版社，
【2】张耀宸.机械加工工艺设计实用手册[M].北京：航空工业出版社，
【3】艾兴，肖诗纲.切削用量手册[M].北京：机械工业出版社，
【4】王绍俊.机械制造工艺设计手册[M].北京：机械工业出版社，
【5】《活塞式压缩机设计》编写组.活塞式压缩机设计[M].北京：机械工业出版社，
【6】袁兆成.内燃机设计[M].北京：机械工业出版社，
【7】曾东建.汽车制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，
【8】廖念钊，古莹菴，莫雨松，李硕根，杨兴骏.互换性与技术测量[M].北京：中国质检出版社，
课题类型：（1）A—工程设计；B—技术开发；C—软件工程；D—理论研究；
（2）X—真实课题；Y—模拟课题；Z—虚拟课题

毕业设计（论文）任务书
姓名
李杨
学号
20130310150108
毕业届别
2017届
专业班级
能动2013-1
毕业设计（论文）题目
大功率发动机活塞的结构设计及加工工艺制定
校内指导教师
卢黎明
学 历
学士
职 称
教授
校外指导教师
无
职称或职务
无
单 位
无
主要任务及要求：
东风机车内燃机，型号：16V240ZJB，功率2647KW，转速1000n/min ，缸径x行程：240x275mm，总排量199L，压缩比12.5，其它参数自定。
1：曲柄连杆机构示意图图纸1张。
2：活塞装配图图纸1张。
3：活塞体加工工序图图纸若干张。
4：活塞体加工工艺规程1份。
5：书写英文阅读资料两千单词以上并翻译之。
6：设计计算说明书1份。
进度安排：
第1周：根据论文题目查找、收集材料，做好毕业设计的前期准备工作.
第2周: 完成开题报告。
第3～11周: 完成毕业设计方案，依据毕业设计方案完成设计初稿.
第12周：完成检查、整理、打印设计初稿（用A4纸打印）,上交初稿检查.
第13周：完成在老师的指导下对初稿的修正.
第14周：完成英语材料及摘要内容翻译.完成检查、整理毕业设计各部分内容、修改设计说明书、上交毕业设计终稿.
第15~16周: 准备毕业答辩
指导教师签字：
年 月 日
系（部）意见：
同 意
系（部）主任签章：
年 月 日
开始日期
2017.1.1
交稿日期
2017.5.26
附注：

本科毕业设计（论文）指导教师评分表
学生姓名
李杨
学号
20130310150108
专业年级
能动2013－1
设计（论文）题目
设计大功率发动机的活塞结构并编制其加工工艺规程
序号
评价指标
满分
评分标准
A
B
C
D
E
1
选题难度、综合性及完成的工作量
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0

2
调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0

3
研究过程中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力
10
10-9
8
7
6
5-0

4
研究过程中反映出来的创造性（改进或独立见解）、以及组织能力或团队合作能力等
10
10-9
8
7
6
5-0

5
研究过程中的工作态度、严谨的科学精神等
10
10-9
8
7
6
5-0

6
说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等）
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0

7
外文翻译（数量和质量）
10
10-9
8
7
6
5-0

是否同意该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ ）
总分

补充说明：

指导教师（签名）： 年 月 日
指导教师姓名
职称或学位
工作单位
主要讲授课程或研究方向

注：1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分；
2、总分优秀（≥90分）比例原则上不超过20%，优良（≥80分）比例原则上不超过60%；
3、总分低于60分，或评价指标1、2、6中有一项为E级得分时，不得提交答辩；
4、补充说明栏不够用时可另加附页。
本科毕业设计（论文）评阅人评分表
学生姓名
李杨
学号
20130310150108
专业年级
能动2013－1
设计（论文）题目
设计大功率发动机的活塞结构并编制其加工工艺规程
序号
评价指标
满分
评分标准
A
B
C
D
E
1
选题难度、综合性及完成的工作量
25
25-23
22-20
19-17
16-15
14-0

2
调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量
25
25-23
22-20
19-17
16-15
14-0

3
毕业设计（论文）中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0

4
毕业设计（论文）中反映出来的创造性（改进性或先进性）
10
10-9
8
7
6
5-0

5
说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等）
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0

是否同意该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ ）
总分

补充说明：

评阅人（签名）： 年 月 日
评阅人姓名
职称或学位
工作单位
主要讲授课程或研究方向

注：1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分；
2、总分优秀（≥90分）比例原则上不超过20%，优良（≥80分）比例原则上不超过60%；
3、总分低于60分，或评价指标1、2、5中有一项为E级得分时，不得提交答辩；
4、补充说明栏不够用时可另加附页。
本科毕业设计（论文）答辩成绩
学生姓名

学号

专业年级
机制2013-1
设计（论文）题目

序号
评价指标
权重
小组答辩
成绩
公开答辩
成绩
1
自述：条理性、正确性
20%

2
问题回答的能力：正确性、概括性、逻辑性
20%
3
毕业设计（论文）质量：方案的合理性、内容的正确性、结论的可靠性
30%
4
完成的工作量
30%
小组答辩特殊说明：
负责人（签章） 年 月 日
公开答辩特殊说明：
负责人（签章） 年 月 日
注：1、本表填写答辩委员会各成员给出的平均成绩，按四舍五入取整填写；
2、指导教师或评阅人之一不同意提交答辩者，不得进行小组答辩。
毕业设计（论文）最终成绩
指导教师评定成绩（30%）
评阅人评定成绩（20%）
答辩成绩（50%）
总评成绩（百分制）

（ ）优秀
总评成绩应≥85分，且优秀率应控制在专业总人数的20%以内
（ ）良好
总评成绩原则上应≥80分，且优良率应控制在专业总人数的60%以内
（ ）中等
总评成绩原则上应≥70分
（ ）及格
总评成绩≥60分，且及格与不及格比例之和原则上不低于专业总人数的12%
（ ）不及格
总评成绩＜60分或答辩成绩＜60分
答辩委员会主席（签章）
注：参加公开答辩的同学，答辩成绩以公开答辩成绩为准。

摘要
大功率发动机连杆的结构设计及加工工艺制定
摘要
随着社会的进步，人们对舒适的追求逐渐增大，汽车已然成为生活中不可缺失的部分。发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力，决定了汽车的动力性、经济性、环保性等性能。活塞是内燃机中工作条件最为严酷的零件。活塞所承受的气体压力与惯性力都是具有周期变化特性的，其性能在很大程度上影响发动机的性能。本文通过研究并设计大功率发动机活塞及其加工工艺，通过分析发动机的性能参数，设计与其相对应的活塞具体参数，用以满足定制私人发动机活塞的参数设计。本文大体分为两部分，第一步分为设计，从各个方面分析了当前活塞的现状与未来趋势，分析活塞各个部分的结构特点，以及功用，通过力学的研究，详细计算了活塞壳体以及各个零部件的详细参数，并通过强度校核保障了该活塞在发动机内部运行时的安全性。文章第二部分为加工工艺的制定，先通过查找相关书籍确定了加工余量的经验参数，然后通过计算得出另一部分加工参数，用以确定机床的类型型号以及加工数据。自此完成整个活塞的参数设计到选材到毛胚的制定到加工的全过程。
关键字：活塞，参数设计，加工工艺及流程

Abstract
THE FORMULATION OF STRUCTURAL DESIGN AND PROCESSING TECHNOLOGY OF LARGE POWER ENGINE CONNECTING ROD
abstract
With the progress of society, people gradually increase the pursuit of comfort, the car has become the indispensable part in life. The engine is the heart of the car, to provide power for automobiles, determines the power, fuel economy, environmental protection and other properties. The piston is the harsh working conditions of internal combustion engine parts. Gas pressure and inertia force of the piston bearing are periodic variation characteristics, its performance affects the performance of the engine to a great extent. In this paper, through the research and design of high power engine piston and its processing technology, through the analysis of the performance parameters of the engine piston, the specific design parameters and the corresponding, to meet the set The design parameters of private engine piston. This article is divided into two parts, the first step is divided into design, from the aspects of analysis of the current status and future trend analysis of the piston, piston structure, and various parts of the function, through mechanics research, detailed parameters of piston shell and various parts of the detailed calculation and safety. The piston runs in the engine when the security through strength check. The second part of the paper making process, first by looking up the related books to determine the empirical parameters of machining allowance, and then through another part of the processing parameters calculation, to determine the type of machine model and data processing From now on, we complete the parameter design of the whole piston, select the material, make the embryonic hair and process it
Key words: piston, parameter design, processing technology and process

I

目录
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究意义: 1
1.2 研究方向 2
1.3 活塞的发展前景 2
1.4   活塞制造的发展状况 3
第二章 活塞结构设计 4
2.1 活塞结构介绍 4
2.1.1 活塞的概述 4
2.1.2 活塞材料的选取 4
2.1.3 活塞结构 5
2.2 内燃机的主要评价参数 6
2.3 初选活塞主要尺寸 7
2.4 活塞顶部强度校核 7
2.5 活塞销的计算与强度校核 8
2.5.1计算部分 8
2.5.2 强度校核 9
2.6 活塞裙部的设计 10
2.7 配合间隙 11
2.8 活塞环的设计与强度校核 11
2.8.1活塞环的设计 11
2.8.2活塞环的强度校核 13
第三章 活塞的加工工艺 14
3.1 活塞毛胚的熔铸与热处理 14
3.1.1 活塞铝合金的精炼处理 14
3.1.2 完全热处理 14
3.2 活塞的加工工艺 15
3.2.1 活塞加工工艺特点 15
3.2.2 活塞外圆面与头部的加工 15
3.2.3 活塞销孔加工 16
3.2.4 活塞裙部的加工 16
3.2.5 活塞燃烧室的加工 17
3.2.6 活塞环槽的加工 17
3.2.7 定位基准的选择 17
3.2.8 加工余量及公差等加工相关量的确定 18
3.2.9 毛胚尺寸的确定 40
3.2.10 加工工艺规程的制定 40
3.2.11 加工机床的确定 42
3.2.12 活塞表面处理 42
第四章 总结 43
参考文献 45
致谢 46
附录A 外文翻译原文 47
附录B 外文翻译原文2 54

III

第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 研究意义:
机械制造业是发展国民经济的支柱产业，它为国民经济提供相关装备的同时也在改善人民生活质量与水平，长期以来在国民经济中扮演着很重要的角色，而且机械工业的发展水平也是衡量一个国家科技、经济发展水平的一个重要指标。尤其是在汽车行业飞速发展的时代，汽车工业无疑也成为了机械工业行业发展的重中之重。 
汽车类型繁多且结构复杂，目前汽车多为商业型汽车，并且占据主要汽车制造业经济来源，也是众多竞争的冲突点，作为汽车的核心动力源，发动机为汽车提供了充足的动力，令汽车正常开动的同时，也决定了汽车的经济性、环保性与动力性。保证汽车的正常运行，而活塞又是发动机中工作环境尤为恶劣的元件，其工作性能与发动机的性能息息相关，所以如何保证发动机活塞以较好的方式工作，并在一定程度上提高活塞的结构性能，并一定程度节约经济成本，是本次研究的重中之重，也是未来活塞的发展方向。
   为了达到低成本，高精确，高性能的活塞，从活塞的材料选择到熔铸到建模，以及毛胚的加工，每一道工序都需要精确的计算与设计，每一道工序的加工情况都与成品的成型有直接的关系，活塞外形的每一点改动与变化都与成品有直接的影响，与系统的可靠性息息相关，并影响发动机的燃油经济性、寿命、噪声及排放等指标，这些都要从性能与需求入手进行设计加工来确保质量，只有质量与品质的双重保证才能使本活塞从众多竞争中脱颖而出，并迅速占据并确定市场的主要地位。因此根据活塞的结构外形选择加工工艺与加工工序尤为重要。
  制造技术对推动国民经济的发展尤为重要，亦是衡量一个国家机械发展水平的一个重要指标，它具有以下四个方面的意义： 
1、社会发展与制造技术密切相关
2、制造技术是科学技术物化的基础
3、制造技术是所有工业的支柱
4、国力和国防的后盾
1.2 研究方向
多年以来随着我国在活塞加工车床的不断深入研究，制造了许多相关机床，但随着活塞结构的不断优化，与要求的提高，机床的研发速度始终难以满足活塞加工制造业的需求，尤其在活塞的定位与粗精基准的转换上尤为紧缺。
   随着数字化产业的发展，数控机床的设计与研发，机械制造业迎来了的全新的变革，从传统手工进给到全数字计算机精密微进给机构的改动，解放了双手的同时也令活塞异性外圆面的加工达到空前的水平。自此活塞外圆面的性能的影响因素从传统工艺变成了加工精度。 
通过分析活塞加工中存在的一些问题，我们可以得出这样的一个结论，活塞的结构的优化与改进，决定了活塞的质量起点，活塞加工制造的加工工艺与工艺流程决定了活塞的品质终点，机床的加工精度与定位基准决定了活塞的偏差程度，因此，在了解活塞结构与性能的基础之上，改进并优化活塞的结构，认真制定加工工艺与工艺流程，合理选择机床才是保障活塞质量的要点。
   本毕业设计根据当代活塞的常用数据，分析并设计活塞的全方面数据，并通对分析活塞加工技术的发展、活塞各个工作面的加工特征、活塞的结构特点及其工作环境，确定活塞的加工过程及其加工工艺，其中主要包括：材料的选则、毛坯的铸造尺寸、加工基准的选择、每道工序的切削用量以及加工余量的确定和工序安排等。希望能够从加工工艺与结构精确设计方面提高发动机活塞的质量、效率，是我选择本课题的主要依据。
1.3 活塞的发展前景
目前，汽车发动机活塞正朝着高
耐磨、高精密、高强度、轻量化、低
膨胀、结构复合组合化得方向发展。
由于石油燃料的紧缺以及环境的
污染日益加重，提高燃油利用率尤为
重要，活塞主要由活塞体，活塞销，活塞环组成，活塞所选材料应具备高耐磨性、高硬度、抗高温磨、蚀耐高温以及稳定的热膨胀系数等特性；活塞环所选材料应具有耐磨、耐高温及耐压的性质。活塞多采用铝合金材料铸造，活塞环多采用铸铁材料。在加工工艺方面主要通过机床加工和表面处理来加工活塞组件。
我国经过40年的发展，活塞制造水平以及活塞工艺流程都已经较为成熟，但随着汽车类型的繁多，内燃机的更新与应用的变革，对活塞的要求逐渐增多，加快了活塞制造业的发展。由于不同活塞的类型与功能的不同，各个厂家的加工工艺与工序的都会产生相应变动。
1.4   活塞制造的发展状况
多年以来，我国的机床制造行业在机床的研发与更新上付出了很多心血，但随着内燃机的发展与对活塞需求的增加，尤其是在活塞外圆面的加工上仍需相关人员的努力，以适应活塞相关行业的发展。
纵观整个活塞的制造史，我们发现优化是建立在需求的基础之上，而需求是社会进步的一种表现，我们所做的优化与改革无不是为了让功能更
加合理让性能更加强大，当今的活塞加工不仅需要更好的加工机床，更加合理的结构设计与加工工艺与加工工序也是一代代人为之努力的目标。
63

第二章 活塞结构设计
第二章 活塞结构设计
2.1 活塞结构介绍
2.1.1 活塞的概述
活塞是承接曲柄连杆机构的重要零件，功用是将承受的力经由活塞销传递给连杆再经由曲轴传递出去，承受燃烧气体压力和惯性力，此外，活塞又是燃烧室组成部分之一。 
活塞是内燃机中工作条件最为严酷的零件。活塞所承受的气体压力与惯性力都是具有周期变化特性的，燃烧的一瞬间气体作用于活塞上的压力很高。而且连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击也会作用在活塞之上，在诸多气体压力侧向力以及摩擦力的作用中，可能会出现活塞主体变形，裙部开裂，侧部磨损等问题。故活塞材料应当选择质量轻，足够的刚度，韧性，抗氧化，抗磨损，经济性好的特点。
活塞顶部直接与高温燃烧气体相接触， 活塞顶部温度很高，并且柴油机活塞顶部常设有燃烧室，燃烧室的设置令接触面积增大，进一步扩大温差，使活塞强度明显下降，产生活塞变形、活塞销断裂等一系列问题。活塞顶部过热还会导致活塞体膨胀，缩小活塞与缸体之间的间隙，可能导致摩擦出现。为防止此类情况的发生，故选择活塞材料时应当选择有足够的耐热性和良好的导热性，较小的线膨胀系数。
活塞运动时会与气缸壁产生高速的相对运动，除活塞的润滑油以外，还需要对活塞环和活塞外表面进行处理。以减少摩擦力，防止卡缸的情况。
2.1.2 活塞材料的选取
现代内燃机广泛采用铝合金活塞。铝合
金导热性好，是铸铁的4-5倍，密度约只有
铸铁的1/3。因此铝活塞工作温度低，温度
分布均匀，惯性力小，有利于改善工作条件
，减少热应力，延缓机油变质。目前广泛采
用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造铝活塞
，外加铜和镍，用以提高热稳定性和高温机械性能。本次课程设计采用AlSi2CuMgNi铝合金作为本次活塞的主要材料。
2.1.3 活塞结构
活塞按功用不同，分为头部、裙部、活塞销和活塞环四部分。
（1） 活塞头部
活塞顶部的形状，对于四冲程内燃机主要取决于燃烧室的形式；对于某些二冲程内燃机来说则要考虑换气的需要。其形状与燃烧室形状和压缩比有关，一般分为平顶，凸顶和凹顶三种。
   活塞环带部是指由活塞顶部到油环下端面之间的部分。安装油环和气环的油环槽和气环槽就设置在活塞环带部。活塞环数取决于对密封的要求，它与内燃机的转速及气体压力有关。在油环槽的低部还加工有回油孔或横向切槽。保证活塞顶部有足够厚度来隔离热量并确保机械强度达标，活塞顶部与环部应当圆滑过渡，以便气流可以顺利通过活塞环部，防止活塞环温度过高。
（2）活塞裙部
活塞裙部是指活塞最后一道环槽以下的部分，在机构中承受侧压力，它与汽缸壁接触引导活塞在汽缸内作往复运动，在高速运动中会产生高温并导致形变，需要较好的设计来保证裙部与气缸壁之间的间隙，在承受侧向力的同时，也保证了活塞销的正常运作。活塞裙部的长度通常由最大侧压力与承压面积的大小来决定的。
防止裙部变形的主要方法有：
①　 选择膨胀系数小的材料；
②　 进行反椭圆设计；
③　 采用绝热槽；
④　 销座采用恒范钢片；
⑤　 裙部加筋板等方法来达到。
（3） 活塞销
活塞销是装在活塞裙部的圆柱形元件。两端分别安装在
位于裙部的销座上贯穿整个活塞，用于连接连杆小头，
将作用于活塞的燃气压力传递到连杆上，由于重量原因，其内部可以根据不同的活塞型号，采用不同的空心形式，多为楔形。
由于活塞销座相对活塞销可以移动，在活塞高速运动中，会产生大量摩擦热，需要良好的冷却系统和润滑系统，以减少对活塞销，与销座的磨损，在材料选取时可以采用具有一定韧性，耐高温，耐氧化，耐磨损与较高的疲劳强度的材料，对于高速发动机来说活塞销的结构质量应该尽量轻，用以减少往复惯性力。减少损耗。
（4）活塞环
活塞环(Piston Ring)是采用一种弹性材料制成，用以嵌入活塞环槽之中，活塞环分为两种，一种为气环，用以分隔燃烧室的燃气与外部空气，减少燃气做功的流失。另一种为油环，活塞在高速运动中需要润滑油润滑，而油环可以保证润滑油能均匀分布，减少故障的发生概率。往复和旋转运动的活塞环，利用压力差，在燃烧室与活塞环外壁形成密封的气室，保证热能尽可能的转化成机械能。
活塞环是在很恶劣的条件下工作的。活塞在运动中高速移动，产生大量摩擦热，磨损较为严重。据统计，活塞组的摩擦功损失功占发动机全部摩擦功的50%~65%。摩擦功转变成的热能还会进一步恶化了活塞环的工作状况。故活塞环应当选取低膨胀率的耐破损材料。
2.2 内燃机的主要评价参数
（1） 发动机选用东风机车内燃机 型号：16V240ZJB
（2） 活塞平均有效速度
（3） 功率2647KW
（4） 缸径×行程：240×275mm
（5） 转速
（6） 总排量199L
（7） 压缩比12.5
2.3 初选活塞主要尺寸
由参考文献[1]表2-1可知
（1） 活塞直径
（2） 总长GL/D=0.9 GL=216mm
（3） 压缩高度KH/D=0.5 KH=120mm
（4） 活塞销直径
（5） 顶岸F/D=0.10 F=24mm
（6） 顶环岸
（7） 顶环槽宽=2mm
（8） 裙长SL/D=0.60 SL=144mm
（9） 销座间距AA/D=0.35 AA=84mm
（10） 顶部厚度S/D=0.09 S=21.6mm
（11） 重量特征
2.4 活塞顶部强度校核
活塞顶部的强度计算，可将活塞顶部看做为圆周固定的圆板来计算，在圆板上受到气体压力均匀载荷， 在四周边缘上的最大弯曲应力为：
2-1
式中 ——气缸中最大气体压力；
——活塞顶结合外缘半径（cm）；
——活塞顶的厚度（cm）；
令=2=2.2Mpa=22.45
代入2-1中

=471.17
顶部有加强筋的铝活塞
471.17<500 校核合格
复取t=10mm
2.5 活塞销的计算与强度校核
2.5.1计算部分
活塞销座处的表面压力按下列式确定：
2-2
式中 ——最大活塞力（kg）；
d——为活塞销外径（cm）；
——活塞销在一侧销座中的支撑长度（cm）
=
=10156.14kg
表面压力的许用值：铝活塞
因活塞销在销座中有相对滑动，故许用值取上述一半。
代入2-2中

故取
图2-1截面Ⅰ-Ⅰ的剪切应力值：
2-3
式中 ——最大活塞力（kg）；
d——为活塞销外径（cm）；
——为活塞销座外径（cm）；
许用剪切应力：铝活塞
代入2-3中

取
2.5.2 强度校核
（1）活塞销尺寸的验证：
2-4
式中 d——为活塞销外径（cm）；
——连杆轴承长度，按的范围选取；
——活塞销许用比压，当活塞力的方向有变化时；
取=1.2d=7.776cm
代入2-4中

取整d=6.5cm =8cm
（2）活塞销弯曲应力的校核：
2-5
式中 ——最大活塞力（kg）；
——活塞销座支撑长度中点间的距离（cm）；
——连杆轴承长度（cm）；
——活塞销中心孔径（cm）；
=22.4-=15.4cm d=6.5cm =0cm
代入（5）中

合金钢许用弯曲应力

故活塞销材料采用合金钢

（3）活塞销剪切应力的校核：
图2-1截面Ⅱ-Ⅱ上的剪切应力为：
2-6
式中 ——最大活塞力（kg）；
——活塞销中心孔径（cm）；
代入2-6中

许用剪切应力：合金钢 校验合格
2.6 活塞裙部的设计
活塞裙部椭圆可用偏心车削的方法得到。
加工半径ρ为：
2-7
式中 R——活塞半径；
——椭圆度之半，即活塞销方向的每边车削量；
Ɛ——偏心距；
取=0.225mm

代入2-7中

在圆弧的连接处突变，易造成该处的过度磨损。因此按下式在θ=45̊处进行削减。

2.7 配合间隙
根据设计结果由参考文献[1]查表2-7可知：
（1）活塞与气缸间的间隙：
在D=90mm间隙为1.227~0.853 取1.0mm
（2）活塞销与销孔的间隙：
配合间隙 0.1~0.3/‰
d=6.5cm 间隙
2.8 活塞环的设计与强度校核
2.8.1活塞环的设计
活塞环选用两道气环两道刮油环
（1） 活塞环与环槽间的轴向间隙 取环的轴向间隙为1mm。
活塞顶面到第一道气环的距离 活塞环间距
（2） 活塞环与环槽间的径向间隙
表2-1槽径向间隙的推荐值/mm
环外径D
环内径d
环槽底经n
环与环槽间的间隙（单侧）
30~85
27.2~77.6
26.0~76.4
0.60
86~98
78.6~89.6
77.3~88.3
0.65
100~118
91.4~108.2
89.9~106.7
0.75
120~170
110~156.6
108.3~154.9
0.85

按比例取 环内径221mm， 环槽底径217.54mm 环与环槽间的间隙（单侧）1.73mm
（3）活塞环主要尺寸的确定
径向厚度：。式中D为活塞环外径（cm）
D=241mm t=9mm
轴向高度：b = (0.4~1.4)t(cm) 。
取 b=8mm
自由开口宽度：
2-8
式中 ——活塞环的比压，即在环本身的弹力作用下，使环贴紧气缸壁时，
对缸壁的单位面积的压力；
E——弹性模数；
取 =1.2
代入2-8中

3. 刮油环的设计
自由开口宽度：

取=0.4
代入2-8中

2.8.2活塞环的强度校核
1. 工作应力：工作应力为活塞环装入气缸时其外