15kW四沖程汽油機(jī)活塞組設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、學(xué) 號(hào)： 課程設(shè)計(jì)題 目15kw四沖程汽油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師2013年11月14日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目:10kw四沖程汽油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)初始條件：1、平均有效壓力：0.81.2mpa2、活塞平均速度：18m/s要求完成的主要任務(wù): 1、 裝配圖設(shè)計(jì)。2、 零件圖設(shè)計(jì)。3、 說(shuō)明書1份。時(shí)間安排：序號(hào)項(xiàng)目應(yīng)完成時(shí)間備注1課題準(zhǔn)備1、 設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。2、 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。3、 形成文檔。2013.10.282裝配圖設(shè)計(jì)與繪圖1、 熱力學(xué)計(jì)算。2、 動(dòng)力學(xué)計(jì)算。3、 形成文檔。2013.10.293裝配圖設(shè)計(jì)與繪圖1、

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)并形成文檔。2、 裝配圖設(shè)計(jì)繪圖（草圖）。2013.10.304裝配圖設(shè)計(jì)與繪圖（底圖）2013.10.315裝配圖設(shè)計(jì)與繪圖（加粗與標(biāo)注）2013.11.16零件圖設(shè)計(jì)1、 零件計(jì)算。2、 形成文檔。2013.11.27零件圖設(shè)計(jì)繪圖2013.11.38撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書2013.11.119答辯2013.11.13注意事項(xiàng)：1、 課程設(shè)計(jì)期間必須嚴(yán)格遵守學(xué)校的作息時(shí)間。2、 指導(dǎo)教師每天點(diǎn)名。3、 學(xué)生每天的任務(wù)必須完成，指導(dǎo)教師作好相應(yīng)的進(jìn)度記錄。指導(dǎo)教師簽名： 2013年11月14日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2013年11月14日目錄前言11 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)11.1汽缸

3、數(shù)和氣缸布置的選擇11.2冷卻方式12 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取22.1汽缸直徑的確定22.2缸徑行程比s/d22.3轉(zhuǎn)速n的確定32.4汽缸工作容積與升功率32.5曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比的選取32.6缸心距的確定32.7壓縮比與燃燒室容積vc,總?cè)莘eva33 熱力學(xué)計(jì)算33.1燃燒過(guò)程數(shù)學(xué)模型33.1.1絕熱壓縮起點(diǎn)43.1.2絕熱壓縮過(guò)程43.1.3定容增壓過(guò)程43.1.4 絕熱膨脹過(guò)程43.2 繪制p-v圖43.2.1繪制理論p-v圖43.2.2 繪制調(diào)整p-v圖53.3熱力學(xué)平均有效壓力校核64 運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算64.1活塞位移64.2活塞瞬時(shí)速度74.3活塞的加速度、最大加速度85 動(dòng)力學(xué)計(jì)算

4、95.1氣體壓力：由pv圖轉(zhuǎn)化為p圖95.2往復(fù)慣性力95.3旋轉(zhuǎn)往復(fù)慣性力105.4合力的計(jì)算106活塞設(shè)計(jì)136.1活塞的材料136.2活塞主要尺寸設(shè)計(jì) . .136.2.1活塞高度h136.2.2壓縮高度h1136.2.3火力岸高度h136.2.4環(huán)帶高度136.2.5活塞頂部厚度136.2.6活塞側(cè)壁厚度及內(nèi)部過(guò)渡圓角136.2.7活塞銷座間距146.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì)146.3.1裙部橢圓146.3.2配缸間隙156.4活塞頭的質(zhì)量計(jì)算.15 7活塞銷的設(shè)計(jì).16 7.1活塞銷的材料 .16 7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).16 7.3活塞銷與銷座的配合.16 7.4活塞銷

5、質(zhì)量m3.17 7.5活塞銷剛度和強(qiáng)度的校核.17 8活塞環(huán)設(shè)計(jì).18 8.1活塞環(huán)的密封機(jī)理18 8.2氣環(huán)的設(shè)計(jì)19 8.2.1氣環(huán)的斷面形狀19 8.2.2氣環(huán)的尺寸參數(shù)19 8.2.3活塞環(huán)的材料20 8.3油環(huán)的設(shè)計(jì)20 8.4活塞環(huán)強(qiáng)度校核21 小結(jié)22 參考文獻(xiàn)22 附錄23 15kw四行程汽油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)前言這學(xué)期我們專業(yè)學(xué)習(xí)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)這門最重要的專業(yè)課之一。為了鞏固和提高，我們又開展了為期3周的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)。我們要充分利用這次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，了解國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，并盡可能發(fā)揮我們的能力，保質(zhì)保量地完成此次課程設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要工作任務(wù)是15kw四行程汽油

6、機(jī)活塞組的設(shè)計(jì)。1汽油機(jī)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì) 1.1汽缸數(shù)和氣缸布置的選擇 發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)主要取決于排量，根據(jù)任務(wù)是，我們所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率在15kw左右，而且目前發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率在3570左右，鑒于設(shè)計(jì)手段不成熟，取較小值，故排量初步估算在0.3l左右，為小排量。小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)用14缸。鑒于功率小，排量小，為了保證最后計(jì)算的升功率符合實(shí)際，汽缸數(shù)取下限。即采用單缸。采用直列式。1.2冷卻方式水冷常用的冷卻方式有水冷和風(fēng)冷兩種，水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)由于冷卻較好而且均勻，強(qiáng)化的潛力要比風(fēng)冷式發(fā)動(dòng)機(jī)大，因此在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上至今大多數(shù)還是水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)。參考文獻(xiàn)5在條件相同時(shí)，主要由于充量系數(shù)的差別，水冷機(jī)比風(fēng)

7、泠機(jī)高5%10%。此外風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃料消耗受氣溫變化影響較大，不如水冷發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)穩(wěn)定。綜合以上各因素，本設(shè)計(jì)冷卻方式選用水冷方式。2汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取2.1汽缸直徑的確定設(shè)計(jì)任務(wù)書所提供的設(shè)計(jì)條件：額定功率： 平均有效壓力： p=0.81.2mpa活塞平均速度： v18m/s根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)的基本計(jì)算公式：其中 為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率， 為發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力，依題為，取 為氣缸工作容積 為發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)目 ，依題為為2 為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 為活塞的平均速度，依題為 ，取=12m/s 為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的行程 為發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸直徑為發(fā)動(dòng)機(jī)的行程數(shù)，依題為4根據(jù)以上條件代入公式算得d=56mm2.2缸徑行程比s

8、/d 目前s/d范圍為0.81.2 初步取s/d=1.故s=d=56mm。 2.3轉(zhuǎn)速n的確定 根據(jù)公式（2）可得n=6553r/min,取n=6500r/min 2.4汽缸工作容積與升功率氣缸工作容積=0.138l。升功率2.5曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比的選取 由于=r/l的范圍在0.25-0.33之間。選擇曲柄連桿機(jī)構(gòu)為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，因曲柄半徑r=28mm，取，則連桿長(zhǎng)度為l=r/=28/0.3=94mm。 2.6壓縮比與燃燒室容積vc,總?cè)莘eva壓縮比范圍為7-12，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)（周保龍）p308，受爆燃限制，汽油機(jī)壓縮比不超過(guò)14，取=9則燃燒室容積vc=vs/(10-1)=0.015

9、3 l,汽缸總?cè)莘eva=vc+vs=0.1533l。3熱力學(xué)計(jì)算3.1燃燒過(guò)程數(shù)學(xué)模型根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)的為15kw四行程的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，將其實(shí)際循環(huán)簡(jiǎn)化為等容加熱循環(huán)，這個(gè)循環(huán)過(guò)程稱為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)是將非常復(fù)雜的實(shí)際工作過(guò)程加以簡(jiǎn)化，忽略一些因素，以便于作簡(jiǎn)易的定量處理。通過(guò)對(duì)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(dòng)機(jī)性能的基本途徑。最簡(jiǎn)單的理論循環(huán)是空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，簡(jiǎn)化的條件為：1） 假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。2） 假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。3） 假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過(guò)程。4）

10、假設(shè)燃燒時(shí)外界無(wú)數(shù)個(gè)高溫?zé)嵩炊ㄈ莼蚨▔合蚬べ|(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱。根據(jù)汽油機(jī)的混合氣燃燒迅速，近似為定容加熱循環(huán)。3.1.1絕熱壓縮起點(diǎn)選取壓縮沖程的下止點(diǎn)（設(shè)為a點(diǎn)）時(shí)的氣體參數(shù) 其中為大氣的壓力，=1.03105pa，系數(shù)取為0.8，得： ，3.1.2絕熱壓縮過(guò)程選取壓縮沖程終點(diǎn)（設(shè)為b點(diǎn)），從a點(diǎn)到b點(diǎn)的壓縮過(guò)程看作是多變的壓縮過(guò)程，多變指數(shù)取為根據(jù)多變過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算公式=常數(shù)和a點(diǎn)的氣體狀態(tài)，可以計(jì)算出從a點(diǎn)到b點(diǎn)的壓縮過(guò)程中各個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到b點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)：。 。 3.1.3定容增壓過(guò)程選取定容增壓的終點(diǎn)（設(shè)為c點(diǎn)），從b點(diǎn)到c點(diǎn)看作為定容壓縮過(guò)程。參考文獻(xiàn)2，可

11、知汽油機(jī)壓力升高比取，則c點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)： 3.1.4 絕熱膨脹過(guò)程選取膨脹過(guò)程的終點(diǎn)（設(shè)為d點(diǎn)），從c點(diǎn)到d點(diǎn)可以看作是多變的膨脹過(guò)程，參考文獻(xiàn)2，汽油機(jī)膨脹過(guò)程絕熱指數(shù)取，則d點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)：3.2 繪制p-v圖3.2.1繪制理論p-v圖根據(jù)步驟3.1可以繪制理論p-v圖，理論p-v圖如圖1： 024681012050100150200250300350絕熱壓縮等容加壓絕熱膨脹等容減壓 圖1 理論p-v圖3.2.2 繪制調(diào)整p-v圖調(diào)整p-v圖0123456789050100150200250體積v/ml壓力p/mpa定容增壓絕熱壓縮絕熱膨脹定容降壓調(diào)整的p-v圖: 因?yàn)閷?shí)際過(guò)程比較復(fù)雜，所以

12、在得到的pv，p圖上要修正得到，最高壓力不在上止點(diǎn)，還有點(diǎn)火提前角，排氣提前角的修正，顯然實(shí)際的邊界條件是不可能得到的，所以只能做一些適當(dāng)?shù)男拚?。調(diào)整后的p-v圖見圖2：圖2：調(diào)整后的p-v圖3.3熱力學(xué)平均有效壓力校核 由熱力學(xué)計(jì)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(jī)所做的指示功數(shù)值由對(duì)示功圖積分后求得的面積來(lái)表示其中 va=153ml,pa=0.081mpavb=15.3ml ,pb=1.83mpavc=vb=15.3ml,pc=12.69mpa vd=va=153ml,pd=0.636mpa 經(jīng)過(guò)計(jì)算后得：wi=287.4j所以汽油機(jī)的平均有效壓力：其中為汽油機(jī)的

13、機(jī)械效率，。所給定的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求（pme0.81.2，pe10kw）， 所以校核合格。4運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算4.1活塞位移根據(jù)活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算出活塞的位置隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：其中為曲柄半徑和連桿長(zhǎng)度的比，根據(jù)設(shè)計(jì)書的要求，取=0.3 為曲軸半徑，根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪制活塞位移隨曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系圖見圖-3： 圖-3 活塞位移隨曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系4.2活塞瞬時(shí)速度根據(jù)活塞的位移規(guī)律，對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角求倒得到活塞的瞬時(shí)速度v隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律： 又因?yàn)椋匀=6500r/min，計(jì)算數(shù)據(jù)見附錄，繪制的圖見圖-4：活塞瞬時(shí)速度-300-200-100010020030002468101214曲軸轉(zhuǎn)角/rad活塞加速度

14、/m/s圖-4 活塞速度隨曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系4.3活塞的加速度、最大加速度根據(jù)活塞的瞬時(shí)速度規(guī)律，對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角求倒得到活塞的加速度v隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：，取n=6500r/min，計(jì)算數(shù)據(jù)見附錄，繪制的圖見圖5：活塞加速度-15000-10000-5000050001000015000200002500002468101214曲軸轉(zhuǎn)角/rad活塞加速度/m/s2 圖5活塞加速度與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系5力學(xué)計(jì)算5.1氣體壓力：由pv圖轉(zhuǎn)化為p圖隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，缸內(nèi)的氣體壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化。將熱力學(xué)計(jì)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。0180度為進(jìn)氣行程，汽缸內(nèi)的氣體壓力在理論循環(huán)下

15、基本可以認(rèn)為是一恒定值且小于大氣壓力；180360度為多邊壓縮行程，汽缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；360540度為多變的膨脹過(guò)程，汽缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；540720度為排氣行程，可以認(rèn)為汽缸內(nèi)的氣體壓力是均勻下降至。由于已知了曲軸轉(zhuǎn)角和活塞位移x的關(guān)系式，又因，則可以在excel表格中，求取出相應(yīng)轉(zhuǎn)角時(shí)對(duì)應(yīng)氣缸容積v。每隔5求（p，v）。下面列出來(lái)了一部分轉(zhuǎn)角下壓力p的數(shù)據(jù)：利用上面求解出的數(shù)據(jù)，做出p圖。如圖6： 圖6：p圖5.2往復(fù)慣性力分析機(jī)構(gòu)的慣性力時(shí)，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實(shí)際活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)離散成用往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)等效當(dāng)量系統(tǒng)來(lái)分析，往復(fù)慣性力的產(chǎn)生是由于活塞和連

16、桿小頭的質(zhì)量在活塞瞬時(shí)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(shí)加速度有關(guān)。其加速度已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)中計(jì)算完畢，往復(fù)慣性質(zhì)量 ，其中為活塞組的質(zhì)量計(jì)算斷面以上那部分連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。活塞的質(zhì)量在估算時(shí)，將活塞當(dāng)作薄壁圓筒處理。活塞 其中d為活塞的外徑，d=56mm t為活塞的厚度， t=6mm h為活塞的高度，h=(0.81.0)d，取h=50mm 為活塞的密度，在此處用共晶鋁硅合金66-1，密度為2.7g/cm3其中l(wèi)為連桿的長(zhǎng)度，l=94 為連桿質(zhì)心到連桿大頭的距離 為連桿的質(zhì)量經(jīng)過(guò)估算得到 mj = m2+m1=320g。 用公式即可以計(jì)

17、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(jì)算數(shù)據(jù)見后附表。5.3旋轉(zhuǎn)往復(fù)慣性力分析機(jī)構(gòu)的慣性力時(shí)，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實(shí)際活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)離散成用往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)等效當(dāng)量系統(tǒng)來(lái)分析，連桿質(zhì)心以下的質(zhì)量和曲柄銷組質(zhì)量離散為旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量。 隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，具體的計(jì)算數(shù)據(jù)見后附錄。5.4合力的計(jì)算忽略機(jī)構(gòu)摩擦阻力，則作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力只要研究氣體壓力和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力。氣缸內(nèi)工質(zhì)作用在活塞上的總氣體壓力為： 缸內(nèi)絕對(duì)壓力，mpa；大氣壓力，一般取0.1mpapg隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律pgf（），依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)型式和工況而不同。對(duì)新設(shè)計(jì)得發(fā)動(dòng)機(jī)可由熱力計(jì)算

18、或參考同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖；對(duì)已有的發(fā)動(dòng)機(jī)可用各種燃燒分析儀。作用在曲柄連桿機(jī)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(lái)計(jì)算，則合成的單位面積的力為 （8）其中分解后得到其他的力側(cè)壓力pn、連桿力pl、切向力t、徑向力k、單缸扭矩mi。公式分別為： 側(cè)壓力 pn=ptan （9）連桿力pl=p/cos （10）切向力 t=pl sin(+)=p （11）徑向力k=plcos(+)=p （12）圖7 連桿受力圖 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。分別見圖-8、9、10、11： 圖-8側(cè)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖-9連桿力

19、隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化 圖-10切向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化 圖-11徑向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化從發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率公式來(lái)看，當(dāng)缸徑、缸數(shù)和沖程數(shù)已選定時(shí)，在燃油經(jīng)濟(jì)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(gè)主要參數(shù)的合理選擇了。發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率為：（kw） 式中pme平均有效壓力，mpa vm活塞平均速度，m/s； n標(biāo)定轉(zhuǎn)速，r/min； d氣缸直徑，cm； 行程數(shù)，四沖程4，二沖程2。取整得到如下結(jié)果： 缸徑、行程、轉(zhuǎn)速參數(shù)表pme(mpa)vm（m/s）s/dd(mm)s(mm)n(r/min)vs(l)vc(l)va(l)1121.0565665000.13

20、80.015330.1533所示的結(jié)果得到發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。查有關(guān)手冊(cè)，所得到的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的一般技術(shù)水平，而且現(xiàn)在的加工技術(shù)可以達(dá)到這個(gè)水平。6活塞設(shè)計(jì)6.1活塞的材料共晶硅鋁合金制造活塞的材料應(yīng)有小的密度、足夠的高溫強(qiáng)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(guò)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(guò)共晶鋁硅合金廣泛用于高熱負(fù)荷活塞。6.2活塞主要尺寸設(shè)計(jì)6.2.1活塞高度h參考文獻(xiàn)1，h=0.9d；選擇h=50mm。6.2.2壓縮高

21、度h1參考文獻(xiàn)1，h1=0.5d；選擇h=28mm。6.2.3火力岸高度h參考文獻(xiàn)1，h=0.08d=4.5mm。6.2.4環(huán)帶高度現(xiàn)代四行程發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。參考文獻(xiàn)1，氣環(huán)的厚度一般為2.03.0mm，環(huán)岸要求有足夠的強(qiáng)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1.52.5c（c指環(huán)槽高度），第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為12c。第一環(huán)岸高 b1=0.030.04d=0.0456=2.24mm 取2.5mm,則，c1=1.6mm。第二環(huán)岸高 b2=0.030.04d=0.0456=2.24mm 取2.5mm,則，c2=1.6mm。油環(huán)高b3 為4.06.0mm

22、取5.0mm；6.2.5活塞頂部厚度參考文獻(xiàn)1 ：=0.08d=4.5mm；取 6.2.6活塞側(cè)壁厚度及內(nèi)部過(guò)渡圓角活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取（0.050.1）d，取0.08d，厚度則為5mm。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(guò)度圓角，一般取r=0.050.1d。則圓角半徑取為5mm。6.2.7活塞銷座間距b=0.35-0.40d；取0.4則活塞銷座間距為22mm。有關(guān)活塞的尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果：名稱數(shù)值單位壓縮高度取h1 28mm環(huán)帶高度h312mm火力岸高度h44.5mm總高度50mm壁厚5mm內(nèi)圓直徑d46mm外圓直徑d56mm第一道環(huán)的環(huán)岸高度b12.5mm第二道

23、環(huán)的環(huán)岸高度b22.5mm第一道環(huán)槽高度c11.6mm第二道環(huán)槽高度c21.6mm油環(huán)高度c33.5mm環(huán)槽深度4mm6.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì)活塞裙部及其側(cè)表面形狀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于保證裙部有足夠的貼切合面積和良好的潤(rùn)滑條件，以及保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下都具有最小的活塞間隙。6.3.1裙部橢圓1、將裙部設(shè)計(jì)成橢圓。 2、將銷座附近的裙部外側(cè)部位設(shè)計(jì)成凹陷狀。裙部橢圓的規(guī)律：為了使活塞在正常工作溫度下于氣缸壁之間保持右比較均勻的間隙，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(zhǎng)軸垂直于活塞銷軸線方向，其矩軸于長(zhǎng)軸的差值視發(fā)動(dòng)機(jī)的不同而不同，一般為

24、0.080.025mm。為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個(gè)圓柱形，害必須把活塞做成上小下大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動(dòng)機(jī)的不同而不同，一般為0.050.1mm。實(shí)際?。簩?duì)活塞下下部和頭部取0.1mm；對(duì)活塞裙中部取0.08mm6.3.2配缸間隙為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個(gè)圓柱形，害必須把活塞做成上小下大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動(dòng)機(jī)的不同而不同，一般為0.050.1mm?；钊敳块g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)活塞裙部間隙：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)6.4活塞頭的質(zhì)量計(jì)算對(duì)活塞進(jìn)行

25、簡(jiǎn)化變成可計(jì)算體積的幾何體，從而計(jì)算出其體積和質(zhì)量。簡(jiǎn)化如圖11。h4h3dhh2h1活塞銷孔軸線vvv 活塞的質(zhì)量在估算時(shí)，將活塞當(dāng)作薄壁圓筒處理?；钊?： 其中d為活塞的外徑，d=56mm t為活塞的厚度， t=5mm h為活塞的高度，h=(0.81.0)d=50mm 為活塞的密度，在此處用共晶鋁硅合金66-1，密度為2.7g/cm3故可知活塞的質(zhì)量為m活塞=120g。7活塞銷的設(shè)計(jì)活塞工作時(shí)頂部承受很大的大氣壓力，這些力通過(guò)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(jì)必須保證足夠的強(qiáng)度、足夠的承壓面積和耐磨性。7.1活塞銷的材料活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼（如20cr）制造，

26、經(jīng)表面參碳淬火處理，以提高表面硬度，使中心具有一定的沖擊韌性。表面需進(jìn)行精磨和拋光。7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)d=（0.250.3）d=0.25d=16m；d0=(0.60.79)d=0.6d=10mm；l=(0.80.9)d=0.8d=50mm；活塞銷外徑d=16,;活塞銷內(nèi)徑d=10。活塞銷長(zhǎng)度l=50mm。7.3活塞銷與銷座的配合活塞頂所承受的氣壓力通過(guò)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(guò)0.4d，活塞銷的長(zhǎng)度不可能超過(guò)0.85d，因此活塞銷總的承壓面積極為有限，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

27、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(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低，液體潤(rùn)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(rùn)滑，配合副的工作間隙要盡可能小。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)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(13) 10-4d時(shí)，可以可靠工作。于是，在裝配狀態(tài)(冷態(tài))，銷與銷座則有(13) 10-4d的過(guò)盈，以補(bǔ)償鋁合金活塞銷孔在工作時(shí)較大的熱膨脹。為了穩(wěn)定地保持極小的間隙而又轉(zhuǎn)動(dòng)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(yán)格，尤其要保證嚴(yán)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

28、可以按尺寸分組選配的辦法保證配合副的理想間隙。7.4活塞銷質(zhì)量m3m=120g7.5活塞銷剛度和強(qiáng)度的校核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。=d/d=16/56=0.3=d2/d1=0.6活塞銷的彎曲變形： 0.0254mm許用變形：滿足要求。失圓變形：0.0327許用失圓變形：滿足要求。作用在銷孔上的表面壓力：小于極限值560bar，滿足要求。活塞銷的縱向彎曲應(yīng)力：活塞銷的橫向彎曲應(yīng)力：所以總彎曲應(yīng)力： =354.4n/mm2在許用應(yīng)力200到400 n/mm2之間，滿足要求。經(jīng)以上計(jì)算可知設(shè)計(jì)的活塞銷滿足剛度和強(qiáng)度要求。8活塞環(huán)

29、設(shè)計(jì)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(shí)把很大一部分活塞頂接收的熱量傳給氣缸壁，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(shí)把氣缸壁上多余的機(jī)油刮回油底殼，以減少上竄機(jī)油量。一般要求通過(guò)環(huán)組的竄氣量不超過(guò)總進(jìn)氣量的0.5%，機(jī)油消耗量不超過(guò)燃油消耗量的0.5%。8.1活塞環(huán)的密封機(jī)理內(nèi)燃機(jī)活塞組與氣缸之間應(yīng)用帶開口的彈性金屬環(huán)實(shí)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。為了防止大量漏氣，一般采用多個(gè)活塞環(huán)形成隨活塞運(yùn)動(dòng)的迷宮式密封。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。這樣一來(lái)，缸內(nèi)氣

30、體不能短路直接通過(guò)環(huán)周與氣缸之間，而是進(jìn)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(shí)，作用在環(huán)背的氣壓力造成的徑向不平衡力又大大加強(qiáng)了第一密封面。盡管環(huán)背氣壓力有時(shí)大大超過(guò)環(huán)本身彈力，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(lái)。只要在整個(gè)環(huán)周上還剩下一個(gè)哪怕是很小的彈力，被密封氣體就會(huì)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(rèn)為，具有這種自適應(yīng)特性的簡(jiǎn)單環(huán)式密封系統(tǒng)，是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)有強(qiáng)大生命力的結(jié)構(gòu)保證之一。必須指出，活

31、塞組的密封作用不僅取決于活塞環(huán)，而且與活塞的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系?；钊麘?yīng)保證活塞環(huán)工作溫度不會(huì)過(guò)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(guò)大變形。環(huán)槽與環(huán)之間的間隙要合適。8.2氣環(huán)的設(shè)計(jì)8.2.1氣環(huán)的斷面形狀根據(jù)活塞環(huán)的密封機(jī)理，形狀簡(jiǎn)單、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。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(diǎn)是能適應(yīng)活塞的擺動(dòng)，并且活塞上行和下行時(shí)均能在環(huán)的外周面上形成潤(rùn)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(fù)荷的強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)的

32、第一環(huán)。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(shí)與氣缸線接觸，磨合快，下行時(shí)有良好的刮油作用。安裝時(shí)不能上下裝反，否則使竄機(jī)油加劇。這種環(huán)適用于第二、三氣環(huán)。梯形環(huán)(圖119d)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(shí)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(jī)油結(jié)膠甚至碳化，適用于熱負(fù)荷較高的柴油機(jī)作為第一環(huán)。扭曲環(huán)(圖11-9e)采用內(nèi)切或倒角造成斷面相對(duì)彎曲中性軸不對(duì)稱，使環(huán)裝入氣缸發(fā)生彎曲變形后發(fā)生不超過(guò)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(guò)扭曲環(huán)的扭曲角沿環(huán)周是不均勻的。反扭曲環(huán)(圖119f)工作時(shí)扭曲成蓋子

33、狀，配合外圓的錐面，具有很強(qiáng)的密封性和刮油能力，常用于緊挨油環(huán)的那道氣環(huán)。 8.2.2氣環(huán)的尺寸參數(shù) 在保證密封的前提下，活塞環(huán)的數(shù)目應(yīng)盡可能少，因?yàn)闇p少環(huán)數(shù)可縮小活塞高度，減輕活塞質(zhì)量，減小發(fā)動(dòng)機(jī)總高度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失?，F(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)大多采用2道氣環(huán)(另有1油環(huán))，重型強(qiáng)化柴油機(jī)則用3道氣環(huán)。氣環(huán)的尺寸參數(shù)主要有環(huán)的徑向厚度、軸向高度以及環(huán)的自由狀態(tài)形狀和自由開口端距s0。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(dá)到1mm左右的極限。過(guò)小的使環(huán)和環(huán)槽的加工困難。徑向厚度較大的環(huán)彎曲剛度大，對(duì)氣缸表面畸變的跟隨性差，但耐磨性相對(duì)較好。剛性環(huán)在較小的端距s0下就可得出要求的平均

34、徑向壁壓，但在套裝到活塞頭部上時(shí)易于折斷。對(duì)合金鑄鐵的活塞環(huán)來(lái)說(shuō)，=0.10.2mpa，。環(huán)槽深度取4mm8.2.3活塞環(huán)的材料活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中磨損最快的零件，因此適當(dāng)選擇材料和表面處理工藝十分重要。活塞環(huán)一般是由合金鑄鐵鑄造，高強(qiáng)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?；钊h(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(chǔ)油，抗膠合，廣泛用于汽油機(jī)和自然吸氣柴油機(jī)。鉬熔點(diǎn)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(chǔ)油能力。噴鉬環(huán)主要用于增壓

35、強(qiáng)化柴油機(jī)的第一環(huán)。所有活塞環(huán)都要進(jìn)行磷化、鍍錫或氧化處理，以改善磨合性和防銹。8.3油環(huán)的設(shè)計(jì)氣缸與活塞運(yùn)動(dòng)副用飛濺的機(jī)油潤(rùn)滑。油環(huán)的作用是把飛濺到氣缸壁上的多余潤(rùn)滑油刮下來(lái)，回到油底殼，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗量。為了能在高速運(yùn)動(dòng)中對(duì)抗機(jī)油的流體動(dòng)壓力刮下機(jī)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?yàn)橛铜h(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)，由于材料強(qiáng)度所限，只能通過(guò)減小與氣缸接觸的工作面積來(lái)提高壁壓，最高只能達(dá)到0.5mpa左右。如用高強(qiáng)度材料，用較大的徑向厚度，壁壓可能進(jìn)一步提高，但環(huán)剛性大，對(duì)氣缸變形的追隨性差，刮油能力不好。用具有切向彈

36、力的螺旋襯簧的鑄鐵油環(huán)可使壁壓達(dá)到0.8mpa以上，即使環(huán)的外圓磨損，壁壓也比較穩(wěn)定，因?yàn)楸趬褐饕梢r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(jī)上。鑄鐵環(huán)表面要通體鍍鉻。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(dòng)或顫振而懸浮在環(huán)槽中間時(shí)，機(jī)油可能通過(guò)側(cè)隙上竄。這種影響在高轉(zhuǎn)速時(shí)更大，所以現(xiàn)代高速汽油機(jī)常用無(wú)側(cè)隙鋼片組合式油環(huán)。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(shí)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(guò)高動(dòng)

37、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。8.4活塞環(huán)強(qiáng)度校核為了確定任意斷面 bb中的彎矩，可把活塞環(huán)看成是開口對(duì)面的對(duì)稱面aa固定的懸臂梁，因?yàn)榛钊h(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)時(shí)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(duì)斷面bb產(chǎn)生的彎矩可寫成 環(huán)從=到段上的壓力對(duì)bb斷面的總彎矩m為 式中：材料確定后e為常數(shù)，p0也為常數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)d一定的均壓環(huán)，自然狀態(tài)的曲率半徑隨而變，故活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是圓形。小結(jié)通過(guò)這次我們親身的設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓我對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的認(rèn)識(shí)從課本的基礎(chǔ)理論有了更加進(jìn)一步的理解和掌握。設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程都有老師在一旁指導(dǎo)，同學(xué)

38、之間的相互討論，有問(wèn)題可以及時(shí)解決，學(xué)到了很多發(fā)動(dòng)機(jī)和曲軸的知識(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率很低所以尺寸很不好確定，很感謝老師以及同學(xué)在這方面給我的幫助，為我提供那么多的資料和個(gè)人簡(jiǎn)介。首先最重要的分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖、運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、查閱各種設(shè)計(jì)手冊(cè)與資料。其次學(xué)會(huì)了用excel計(jì)算，繪圖的應(yīng)用能力等方面得到進(jìn)一步的提高。這次課設(shè)我覺得鞏固了我們以前所學(xué)的專業(yè)課知識(shí)，并通過(guò)結(jié)合實(shí)際，讓我們能從一個(gè)全新的角度重新學(xué)習(xí)、認(rèn)識(shí)以前學(xué)過(guò)的專業(yè)課知識(shí)。在設(shè)計(jì)的同時(shí)我們也了解國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)當(dāng)代先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有了一些了解。參考文獻(xiàn)1 徐兀汽車發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)北京：人民交通出版社，19812 朱

39、仙鼎中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工程師手冊(cè)上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，20003 楊連生內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981 4 周龍保內(nèi)燃機(jī)學(xué)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20055 吳兆漢內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)北京：北京理工大學(xué)出版社，19906 沈維道工程熱力學(xué)北京：高等教育出版社，20029 附錄附表一 一些需要的數(shù)據(jù)活塞行程s(mm)活塞直徑d(mm)轉(zhuǎn)速n(r/min)往復(fù)慣性質(zhì)量mj(kg)(kg)壓縮比余隙容積vc(l)565665000.32100.01533曲柄半徑r(cm)連桿長(zhǎng)度(cm)半徑/長(zhǎng)度曲柄角速度(rad/s)進(jìn)氣壓力pa（mp)壓力升高比28940.3680.960.0817多變指數(shù)n1多

40、變指數(shù)n2活塞面積fh（cm2)氣缸工作容積 +余隙容積（l） 排量 （l）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mr(kg)1.351.3128.70.15330.290.4附表二 p-v圖計(jì)算表絕熱壓縮行程定容加熱過(guò)程絕熱膨脹過(guò)程定容換氣過(guò)程修正曲線302.594934302.593010.92212900.5723010.8342.19151302.719349.2819942900.56263110.6381.885958302.848388.0323982900.55573210.51421.647606302.977427.0524472900.54883310.12461.457192303.106466

41、.2658312900.5419349.59501.302058303.235505.6221562900.535359.31541.173568303.364545.0868862900.5281368.93581.065644303.493584.6356162900.5212378.86620.973893303.622624.2506442900.5143388.64660.895067303.751663.9188332900.5074398.54700.826718303.88703.6302492900.5005740.766968304.009743.3772462900.49

42、36780.714352304.138783.1538492900.4867820.667715304.267822.9553292900.4798860.626134304.396862.7778952900.4729900.588861304.525902.6184762900.466940.555287304.654942.4745582900.4591980.52491304.783982.3440672900.45221020.497313304.9121022.2252752900.44531060.472147305.0411062.1167342900.43841100.449

43、117305.171102.0172212900.43151140.427975305.2991141.9256952900.42461180.408507305.4281181.8412692900.41771220.39053305.5571221.7631782900.41081260.373886305.6861261.6907612900.40391300.35844305.8151301.6234452900.3971340.344071305.9441341.560732900.39011380.330676306.0731381.5021772900.38321420.3181

44、64306.2021421.4474022900.37631460.306453306.3311461.3960632900.36941500.295472306.461501.3478612900.36251540.285159306.5891541.3025282900.35561580.275456306.7181581.2598232900.34871620.266314306.8471621.2195352900.34181660.257688306.9761661.1814722900.33491700.249536307.1051701.1454612900.3281740.241823307.2341741.1113472900.3