活塞組的結構設計與計算 2

1、目 錄摘 要IIIAbstractIV1 前 言11.1選題背景和意義11.2 論文的主要工作12 95系列柴油機活塞的設計22.1活塞的工作條件和設計要求22.1.1活塞的機械負荷42.1.2活塞組的作用與特點52.1.3活塞的潤滑52.1.4設計要求62.2活塞的材科62.3活塞頭部的設計72.3.1壓縮高度的確定72.3.2活塞頂和環(huán)帶斷面92.3.3環(huán)岸的強度校核92.3.4活塞頭部與氣缸的配合112.3.5提高活塞頭部及第一道環(huán)工作可靠性的結構措施112.4活塞裙部的設計122.4.1裙部的尺寸和稍孔的位置122.4.2裙部的膨脹控制132.4.3活塞裙的配合間隙143 95系列柴油

2、機活塞銷和活塞銷座的選型設計153.1活塞銷和銷座的強度和剛度153.1.1活塞銷尺寸的確定153.1.2活塞銷座的設計173.2活塞銷和銷座的耐磨性173.2.1承壓面積173.2.2配合間隙和潤滑183.3活塞銷的結構、材料和工藝184 95系列柴油機活塞環(huán)的設計194.1活塞環(huán)的工作情況194.1.1活塞環(huán)的密封作用194.1.2活塞環(huán)的不正常運動顫振204.2活塞環(huán)的計算214.2.1均壓環(huán)的自由形狀214.2.2活塞環(huán)的彈力、應力與結構參數(shù)的關系234.2.3活塞環(huán)參數(shù)的選擇與驗算254.2.4活塞環(huán)材料的檢驗254.3活塞環(huán)斷面形狀的設計264.3.1桶面環(huán)264.3.2扭曲環(huán)26

3、4.3.3錐面環(huán)264.4油環(huán)的設計274.4.1普通槽孔式油環(huán)284.4.2彈簧脹圈油環(huán)284.4.3鋼片組合油環(huán)295結 束 語30謝 辭31參考文獻32摘 要柴油機活塞是柴油機重要運動件之一, 由于它所處的工作條件相當嚴酷, 即高溫、高負荷、高速運動、潤滑不良和冷卻困難等, 使其成為柴油機常見故障較多的零件之一。隨著柴油機技術水平的提高,高速柴油機活塞的研制和運用, 氣缸內平均有效壓力、最高燃氣壓力和溫度均急劇地提高, 使活塞處在更嚴酷的工作環(huán)境中?；钊殉蔀椴裼蜋C強化的一個最大障礙。這就給設計高速柴油機活塞的人員提出了一個這樣的課題, 如何在提高發(fā)動機性能的前提下, 提高活塞工作的可靠

4、性和耐久性。分析表明：通過合理的活塞設計，可以有效的提高活塞工作的可靠性，以及活塞的耐久性，充分發(fā)揮180F柴油機活塞的耐久性。本次設計的任務主要是180F柴油機活塞組的設計，包括活塞頭，活塞環(huán)，活塞銷座，活塞裙部，活塞銷的設計。其中180F柴油機活塞活塞頭部設計是本次設計重中之重，因為它承受周期性變化的氣壓力直接作用，機械符合高達62000牛頓的機械負荷；活塞在汽缸內工作時，活塞頭部承受瞬變高溫燃氣的作用，燃氣的最高溫度高達2000-2500度，而且活塞頭部溫度梯度分布極不均勻，這就造成活塞頭部熱應力分布不均，180F柴油機活塞組頭部承受極大熱負荷。本次設計活塞頭部通過采用耐高溫，熱膨脹系數(shù)

5、小，比重小的共晶鋁硅合金材料以及合理的頭部高度設計，將有效減輕活塞機械負荷和熱負荷，增強活塞壽命以及耐磨性。關鍵字：柴油機；活塞；活塞裙；活塞銷1 前 言1.1選題背景和意義活塞組主要用于發(fā)動機，它的工作情況在很大程度上影響了發(fā)動機的工作可靠性和使用的耐久性?；钊M要求有可靠的密封性，從而保證活塞式發(fā)動機的正常運轉?；钊M包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)。其中活塞的設計是本次設計的重要內容。由于活塞組零件工作的條件都是在高溫情況下，并且在很高的機械負荷下做高速滑動。同時由于周期性運動中連桿產生擺動，作用在活塞上的力傳給連桿時，活塞還受一個交變側壓力，致使活塞不斷撞擊缸套，常導致活塞裙部變形。一般的活塞

6、設計要在保證強度和剛度的情況下，向著結構簡單、輕巧，且截面變化處的過度要圓滑，從而減少應力集中1?，F(xiàn)代發(fā)動機向著大功率高負荷方向發(fā)展，在高強度情況下更容易磨損，提高活塞組零件的工作可靠性和耐久性至關重要。本次設計基于此，活塞的設計是本次設計工作的重中之重。1.2 論文的主要工作（1 180F柴油機活塞組的工作條件分析和設計；（2）180F柴油機活塞的結構設計與計算，包括活塞設計要求，材料選擇，活塞頭部的設計與計算（壓縮高度的確定，活塞頂和斷面的設計，環(huán)岸的強度校核，頭部與汽缸的配合等），活塞裙部的設計與計算；（3）180F柴油機活塞銷和活塞銷座的結構設計與計算，包括活塞銷和活塞銷座的尺寸確定，

7、材料選擇，強度和剛度計算；（4）180F柴油機活塞環(huán)的結構設計與計算。2 180F柴油機活塞的設計2.1活塞的工作條件和設計要求圖2-1 活塞的受力簡圖2.1.1活塞的機械負荷活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，一般在膨脹沖程上止點附近達到最大值P P=F (p-1)= D (p-1)10（牛頓） （2-1） 式中F活塞投影面積(厘米)；D氣缸直徑(毫米)；p氣缸內工質的最高燃燒壓力(巴)，可由實測發(fā)動機示功圖得出。柴油機為6090巴。直徑為80毫米p7.8MPa的柴油機活塞頂上就作用著高達62000牛頓的氣壓力?？梢娀钊臋C械負荷很大，它使活塞各部分產生機械應力和變形，嚴重時會使活塞

8、銷座從內側開始縱向開裂，第一道環(huán)岸斷裂等等。有時與它相配合的活塞銷也會因此而卡死或斷裂。目前發(fā)動機向高速發(fā)展活塞組的最大慣性力一般已達活塞本身重量的10002000倍(汽油機)和300600倍(柴油機)。周期性變化的慣性力引起發(fā)動機的振動，并使連桿組、曲軸組零件特別是軸承負荷加重，導致發(fā)動機耐久性下降。為適應機械負荷，設計活塞時要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強度、剛度前提下，結構要盡量簡便、輕巧，截面變化處的過渡要圓滑，以減少應力集中采用強度低比重小的材料1。2.1.2活塞組的作用與特點一般活塞都是圓柱形體，根據不同發(fā)動機的工作條件和要求，活塞本身的構造有各種各樣，一般將活塞

9、這個小東西分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分。頭部是指活塞頂端和環(huán)槽部分。活塞頂端完全取決于燃燒室的要求，頂端采用平頂或接近平頂設計有利于活塞減少與高溫氣體的接觸面積，使應力分布均勻。多數(shù)汽油機采用平頂活塞，有些發(fā)動機（例如直噴式柴油機和新型的缸內噴注汽油機）為了混合氣形成的需要，提高燃燒效率，將爆燃減少到最小程度，需要活塞頂端具有較復雜的形狀，設有一定深度的凹坑作為燃燒室的一部分?；钊陌疾鄯Q為環(huán)槽，用于安裝活塞環(huán)。活塞環(huán)的作用是密封，防止漏氣和防止機油進入燃燒室。 活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是盡量保持活塞在往復運動中垂直的姿態(tài)，也就是活塞的導向部分?；钊共康男螤顦O有講究，尤其是象轎

10、車一類的輕型乘用車，設計者從發(fā)動機的結構和性能出發(fā)，常在活塞裙部上動腦筋，以盡量使發(fā)動機結構緊湊運行平穩(wěn)活塞銷座是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發(fā)動機活塞銷座的特別之處在于銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向一側偏移一點點，即向作功行程時活塞接觸缸壁的一側偏移，這樣當活塞到上止點變換方向后活塞敲擊缸壁的程度會減少，從而減少了發(fā)動機噪聲。汽車中有上萬個零件，大至如曲軸、變速箱體，小至彈簧墊圈、螺栓螺帽。每一個零件都有它的作用，象活塞環(huán)這樣的“小不點”，從形狀上看似簡單，重量很輕，價格也很便宜，但作用卻非同小可。缺少了它固然汽車動彈不得，甚至它有一點什么小毛病，

11、汽車也會不正常，要么耗油大，要么動力不足。在整個活塞組與氣缸的配合中，活塞組中真正與氣缸缸壁接觸的是活塞環(huán)，它填補了活塞與氣缸壁間的空隙，以封閉燃燒室，因此它也是發(fā)動機中最容易磨損的零件?；钊h(huán)一般由鑄鐵做成，有一定彈性，截面有多種形狀，表面有涂層以增加磨合性能。當發(fā)動機運轉時活塞會受熱膨脹，因此活塞環(huán)有開口間隙，安裝時為了保持密封性，要將各活塞環(huán)的開口間隙位置錯開。一個活塞往往有三至四個活塞環(huán)，它們按照作用的不同，分為氣環(huán)和油環(huán)兩大類。氣環(huán)裝在活塞頭部上端的環(huán)槽內，用來防止漏氣，將活塞頭部的熱量傳遞到氣缸壁，疏散活塞的熱量。油環(huán)的作用是防止?jié)櫥透Z入燃燒室，將氣缸壁上過量的潤滑油刮回到油底殼

12、，它安裝在氣環(huán)的下方環(huán)槽內。只要保證密封功能的要求，活塞環(huán)數(shù)目少比數(shù)目多好，活塞環(huán)數(shù)目少既保持了最小的摩擦面積，減少功率損耗，又縮短了活塞的高度，相應也就降低了發(fā)動機的高度，目前高速汽油發(fā)動機一般是兩道氣環(huán)和一道油環(huán)?；钊倔w結構型式可分為整體式和組合式；按有無專門冷卻介質冷卻可分為冷卻式活塞和非冷卻式活塞。中小型柴油機多用筒形非冷卻式整體活塞。 特點：頂板與圓周壁有較大的過度圓弧，且有較厚尺寸，使熱流有較大的傳遞截面。這種活塞對活塞環(huán)的傳熱可靠性要求較高；多用鋁合金（如ZL109等）制造，它導熱好，活塞溫度分布較均勻，熱應力小，質量小，往復運動慣性力也??；為防止高溫時頭部與缸壁大面積接觸和低

13、溫時因間隙過大而漏氣太大，往往在頭部制有螺紋外圓等結構。隨著功率及最高爆發(fā)壓力的提高，活塞的熱負荷越來越大，特別在大型低速機中，一般都采用冷卻式活塞，且較多采用鑄鐵薄壁結構或鑄鋼鑄鐵組合活塞。筒形活塞利用潤滑油冷卻的型式有圖多種形式。有從連桿小端向活塞頂壁內側噴出壓力潤滑油。有從設置在曲軸箱的壓力油管對活塞噴油冷卻，有活塞長裙壁中鉆油孔將壓力油引入活塞冷卻腔，還有活塞頭部埋設（鑄設）冷卻盤管。還有從連桿經活塞銷上油孔至活塞頂部冷卻腔，由于冷卻油不充滿油腔，故在活塞作變速往復運動時，油腔中潤滑油產生振蕩，對活塞振蕩冷卻。十字頭式采用潤滑油冷卻活塞實例。其結構由活塞頭1、活塞裙3用柔性螺栓6緊固于

14、活塞桿4而形成。用固定在活塞上的油管將曲軸箱壓力潤滑油引入活塞頂內膛腔，振蕩冷卻后由較高的出油管泄入曲軸箱。結構特點：頂較薄，內外溫差應力較小，頂板下有8根徑向加強筋，這樣形成薄壁強背結構型式，使冷卻效果提高?；钊敱谂c圓周壁面過度圓角厚度也小，熱量由頂壁傳向圓周壁較少，使活塞環(huán)溫度不高?；钊^部裝有五道氣封活塞環(huán)，活塞裙部裝有四道青銅承磨環(huán)，用以改善裙部與氣缸套磨合性能?；钊馆^長，保證活塞在上止點時遮閉進排氣口。組合式結構，頂部用耐熱合金鋼，裙部用耐磨合金鑄鐵制造，這樣使材質合理使用，制造簡化。活塞頂與裙部用柔性螺栓從裙部倒擰入活塞頂，細長螺栓采用球面墊圈，使螺栓抗疲勞強度提高，防止因對中

15、誤差造成的螺栓附加彎曲力矩?；钊斉c裙部安裝支承面必須精密加工并拂刮，使接觸面積大于85；活塞頂外圓圈與裙部接合部位軸向間隙將影響到工作后活塞頂?shù)淖冃渭皯Ψ植?，故有明確規(guī)定。 在大功率中高速柴油機中，近幾年開始應用新型整體的鑄鐵活塞。它用球墨鑄鐵制造、壁部較薄，也稱“薄壁球鐵”活塞。其結構特點如下：采用薄壁桁架結構，依靠設在頂壁的筋肋來承受最高燃燒壓力。因剛度大質量小，已與鋼頂鋁裙組合活塞質量接近?；钊N座與活塞頂壁用筋肋與活塞銷轂水平方向筋肋相聯(lián)，最高爆發(fā)力經筋肋傳給銷座而不影響裙部圍壁。這種懸掛式彈性銷座使活塞裙部可以做成薄壁圓筒。冷卻油腔做得較大，振蕩冷卻效果顯著。與缸套配合間隙僅為鋁

16、合金活塞的一半，且冷熱態(tài)幾乎一樣，活塞對缸套晃動、敲擊得以防止和減輕2。2.1.3活塞的潤滑 活塞在側壓力作用下，在氣缸內高速滑動(活塞平均速度已高達12米秒)，而缸壁一般均靠飛濺潤滑，因此潤滑條件差，摩擦損失大(活塞組的摩擦損失約占發(fā)動機全部摩擦損失的40），磨損嚴重，易使活塞和活塞環(huán)磨損失效。由于活塞在不同工況下具有非常不同的溫度，所以在不同工況下始終保持最佳的配合間隙成為十分復雜的問題。2.1.4設計要求 活塞是在高負荷、高溫、高速、潤滑不良的條件下工作的，對它的設計要求： （1）要選用熱強度好、耐磨、比重小、熱膨脹系數(shù)小、導熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料； （2）有合理的形狀和壁

17、厚。使散熱良好，強度、剛度符合要求，盡量減輕重量，避免應力集中；（3）保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失；（4）在不同工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合；（5）減少活塞從燃氣吸收的熱量，而已吸收的熱量則能順利地散走；（6）在較低的機油耗條件下，保證滑動面上有足夠的潤滑油。當進行活塞的結構設計時，應著重解決的問題是：（1）改善活塞頂及第一環(huán)的工作條件，防止頂部熱裂和環(huán)粘結、卡死和過度磨損；（2）改善活塞銷和銷座的實際承載能力，減少磨損，防止破裂；（3）確定合適的裙部外形和熱膨脹控制措施，提高裙部承載能力和減小配缸間隙，改善磨損并使運轉平順2。2.2活塞的材科 根據上述對活

18、塞設計的要求，活塞材料應滿足如下要求： （1）熱強度高。即在300400C高溫下仍有足夠的機械性能，使零件不致?lián)p壞；（2）導熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應力；（3）膨脹系數(shù)小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙；（4）比重小。以降低活塞組的往復慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機械負荷和平衡配重；（5）有良好的減磨性能(即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較小)，耐磨、耐蝕；（6）工藝性好，價廉。由于上述要求往往是互相矛盾的，因此，到目前為止，還沒有一種能全面滿足上述要求的單一材料，現(xiàn)在常用的活塞材料是鑄鐵、鋁合金和鋼。所以，選鋁合金作為活塞材料。在活塞式發(fā)動機中，灰鑄鐵由于耐解性、耐蝕性好、

19、膨脹系數(shù)小、熱強度高、成本低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。在更嚴重的負荷條件下，則用珠光體可鍛鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵等。在強化發(fā)動機中可以來用鍍錫鋁合金活塞。共晶鋁硅合金是目前國內外應用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。含硅9%作用的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能良好，適應大量生產工藝的要求，應用也很廣3。根據以上分析，本次180F柴油機活塞組活塞材料選用共晶鋁硅合金。2.3活塞頭部的設計活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過銷座把它傳給連桿，同時與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質。因此，活塞頭部的設計要點是：（1）保證它具有足夠的機械強度與剛

20、度，以免開裂和產生過大變形，因為環(huán)槽的變形過大勢必影響活塞環(huán)的正常工作；（2）保證溫度不過高，溫差小，防止產生過大的熱變形和熱應力，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件，并避免頂部熱疲勞開裂；（3）尺寸盡可能緊湊，因為一般壓縮高度H縮短l單位，整個發(fā)動機高度可以縮短1.52單位，并顯著減輕活塞重量。而H則直接受頭部尺寸的影響。2.3.1壓縮高度的確定活塞壓縮高度H(圖22)系由火力岸高度h1、環(huán)帶高度h2和上裙高度h3三部分組成的?；钊h(huán)的數(shù)目、環(huán)的位置和軸向高度、環(huán)與環(huán)之間的環(huán)岸高度等都直接影響尺寸H。. 圖2-2 95活塞的設計尺寸（1）第一環(huán)位置根據活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時，首先須定出第

21、一環(huán)的位置，即所謂火力岸的高度h1。為縮小H，當然希望h1盡可能小，但h1過小會使第一環(huán)溫度過高，導致活塞環(huán)彈性松弛、粘結等故障。一般柴油機h1=（0.150.25）D=1220， 選h1=0.2D=16毫米（2）環(huán)帶高度為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度b應盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會減輕對環(huán)槽側面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。般氣環(huán)高b23毫米，油環(huán)高b46毫米,選第一氣環(huán)高b=第二氣環(huán)高b=3毫米，油環(huán)高b=6毫米，環(huán)岸高c=4毫米，c=3毫米。（3）活塞環(huán)數(shù)活塞環(huán)數(shù)目對活塞頭部的高度H 1有很大影響。因其轉速為3000r/min為高速柴油機，因此選2道氣環(huán)，1道油環(huán)。（4）活塞銷上面

22、的裙部長度確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，高度H最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽（一般是油環(huán)槽）的距離h3 (圖22)。為了保證油環(huán)工作良好，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會使油環(huán)卡住而失效?；钊N上面裙部長度對于活塞裙部在氣缸內的良好導向也有很大影響。如果能使裙部與缸壁配合間隙很小，裙兩端的尖角負荷就不會太嚴重，那么h3小些也無妨。不然，就希望h3適當大些4。 一般柴油機H=（0.60.8）D，選H=0.7D=56毫米；所以h3=H h12b c c = 20毫米。2.3.2活塞頂和環(huán)帶斷面(1)活塞頂活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設計。僅從活塞設計角度，為了減輕活塞組的熱負

23、荷和應力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡單的活塞頂形狀，即平頂。大多數(shù)汽油機正是采用乎項活塞，非直接噴射的高速柴油機，也采用平頂或接近平頂?shù)男螤?。鋁制活塞頂部的最少厚度，柴油機，選=0.15D=12毫米；(2)環(huán)帶斷面與環(huán)槽尺寸為了使導熱良好，不讓熱量過多地集中在最高一環(huán)，應保證高熱負荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚，其平均值=（23），本次180F柴油機活塞組設計選=0.77D=61.6毫米，=2.5 ；=3.9毫米,=9.75毫米。2.3.3環(huán)岸的強度校核在膨脹沖程開始時，在爆發(fā)壓力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力p比下面壓力p大得多(圖23)，不平衡力會

24、在岸根產生很大的彎曲和剪切應力，當應力值超過鋁合金在其工作溫度下的強度極限或疲勞極限時，岸根有可能斷裂，專門的試驗表明，當活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力p=7.8MPa時，p=0.9 p=7.02MPa，p=0.2p=1.56MPa。圖2-3 第一環(huán)岸的受力情況環(huán)岸是一個厚度為c,內外圓直徑為D、的圓環(huán)行板，沿內圓柱面固定，要精確計算固定面的應力比較復雜，可以將其簡化為一個簡單的懸臂梁進行大致計算。(p-p)(D-)=0.0026pD而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于c*0.9D=0.47cD所以環(huán)根部危險斷面上的彎曲應力 =0.055p()()同理得剪切應力 =0.37p()按合成應力公式 =而

25、環(huán)岸根端面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 所以環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應力 =0.0055x7.8（80/4)x(80/4)=17.16MPa同理得剪切應力 t=0.0037xD/c x p=0.5772按合成應力公式 =17.16MPa 考慮到鋁合金在高溫下的強度下降以及環(huán)岸根部的應力集中，鋁合金的許用應力可取。計算得在此范圍之內，所以本次180F柴油機活塞組設計符合要求。2.3.4活塞頭部與氣缸的配合活塞頭部直徑應保證發(fā)動機正常運轉時，環(huán)帶不與缸壁直接接觸，以免溫度較高的鋁合金表面磨壞。故活塞頭部的裝配間隙必須考慮鋁活塞與鑄鐵氣缸在工作溫升下熱膨脹的差別，即 式中和分別是鋁活塞頭部和鑄鐵氣缸在工作

26、狀態(tài)下相對裝配狀態(tài)溫度的升高量，稱為工作溫升，初步計算可假設：汽油機=250 ，=100 。再令膨脹系數(shù)=20，=10則當D=80毫米時，按公式有： 800.32mm這是與實際發(fā)動機統(tǒng)計數(shù)據相符的。2.3.5提高活塞頭部及第一道環(huán)工作可靠性的結構措施在強化的柴油機活塞工作過程中，隨著熱負荷的增加，頂部的穩(wěn)態(tài)及循環(huán)熱應力會引起熱疲勞裂紋，而第一環(huán)也是經常發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，諸如粘結、卡死、嚴重磨損、彈性松弛等情況，對此必須予以重視，一般可采取以下結構措施來改善：（1）將活塞頭部設計成具有良好導熱能力的變截面所謂“熱流型”。盡量降低熱應力，并且不使熱量過多地集中在第一環(huán)。（2）在第一環(huán)槽或燃燒室喉

27、口，鑄入耐熱護圈，以增強環(huán)槽的耐磨性，防止喉頭開裂。此時，允許稍增大環(huán)的側隙，有利于防止環(huán)的粘結和卡死。（3）活塞在上止點時，第一道活塞環(huán)應處于良好的冷卻區(qū)域。如水冷式發(fā)功機活塞第一環(huán)位置不高于水套冷卻水區(qū)域。對風冷發(fā)動機則應保證第一環(huán)處在有足夠放熱筋片地區(qū)域。（4）減小活塞頭部與缸套的配合間隙，使活塞頂所接受的熱量有一部分直接通過環(huán)岸傳給缸壁，改善活塞頭部及環(huán)的熱負荷。（5）第一環(huán)采用梯形環(huán)，以防粘結。（6）在活塞第一環(huán)槽上方車隔熱槽，使部分熱流偏離第一環(huán)，減輕其熱負荷。（7）在活塞頂部噴鍍陶瓷或進行硬膜陽極氧化處理，形成高硬度的隔熱層，增加了熱阻，減少頭部吸收的熱量。（8）對活塞頭部采取冷

28、卻措施。2.4活塞裙部的設計活塞裙部是指活塞頭部最低一個環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊古c氣缸直接接觸并高速滑動，同時承受由于連桿擺動所產生的側壓力P(圖21)。所以裙部的設計要求，是保證活塞得到良好的導向，其有足夠的實際承壓面積，能形成足夠厚的潤滑油膜。既不因間隙過大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過小而在氣缸中咬住，導致重大事故。因此，活塞裙結構設計中的基本思想，是如何在發(fā)動不同工況下始終保持它與氣缸間有最合適的間隙。但是因為活塞材料鋁合金的熱膨脹系數(shù)比較大，在發(fā)動機從冷起動到全負荷甚至超負荷運轉的不同工況下活塞的工作溫度又在很大幅度內變化，所以要完全實現(xiàn)上述要求是不容易的7。2.4.

29、1裙部的尺寸和銷孔的位置活塞裙部是側壓力P（圖21)的主要承擔者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤滑油膜，其表面比壓p不應超過一定的數(shù)值。裙部的長度H(圖22)影響活塞工作的穩(wěn)定性、噪音和耐久性， 目前一般就根據p來估計 =式中 P最大側壓力(牛頓)； F活塞活塞裙投影面積（厘米)。在考慮活塞裙長度與活塞銷位置的相互關系時，可以把活塞裙看作鉸支在活塞銷上的滑塊。如果活塞側壓力P的作用線與活塞膨脹沖程時油膜合力R一致，則沿滑塊就可在現(xiàn)代發(fā)動機活塞裙許用比壓p=612巴(高速柴油機)。此比壓值越大，則在活塞材料的選擇、設計、加工、表面處理等方面越要仔細。故本次180F柴油機活塞組設計選裙部長度

30、H2 選取H2時應是裙部比壓在許可范圍內H2/D的范圍一般如下高速柴油機 0.650.68 中速柴油機1.01.1綜合考慮取0.65既裙部長0.65x80=52上下裙部應有恰到的比例，上裙長度H3過小易產生尖峰負荷，造成活塞拉毛及擦傷，一般的比例如下，H3=（0.650.75）H2=33.8392.4.2裙部的膨脹控制因此，在設計活塞裙時一方面必須盡量減少從活塞頭部傳給裙部的熱量，采用膨脹系數(shù)小的材料或采用限制膨脹的專門措施；另一方面使括塞裙部的形狀與活塞的溫度分布、金屬分布相適應，與機械變形造成的失圓相適應。根據上述認識，在生產實踐中采取下列三類結構措施。（1） 橫向絕熱槽和縱向補償槽在活塞

31、裙上端，或者最下面一道油環(huán)槽底加工出橫槽，以減少從活塞頭部傳到裙部的熱量，降低裙部的溫度。與此同時還在活塞裙的次推力面上加工出縱向(帶不大的斜度)直槽使裙部有一定的彈性。直檔與上述橫糟成T形或成倒u形，而在非推力面的銷孔出口附近鑄有深0.51毫米的凹陷面。（2）橢圓裙活塞工作時在銷軸方向尺寸伸長相對較多，為使裙部在工作時具有比較均勻的間隙，不致在銷孔附近卡住，在設計時把裙部做成長軸位于垂直銷鈾方向，短軸位于平行銷軸方向的橢圓形（圖2-4a,b）。圖2-4 典型活塞裙部橢圓形狀公式 e=(1-cos2)式中 D、d分別是橢圓的長短軸。修正公式 e=(1-cos2)+(1-cos4)式中 =1.7

32、82.4.3活塞裙的配合間隙活塞裙部和氣缸套配合標準間隙為0.130.195毫米。故180F柴油機活塞組設計選配合間隙為0.16毫米。3 180F柴油機活塞銷和活塞銷座的選型設計活塞工作時頂部承受很大的氣壓力，它們全部通過銷座傳給活塞銷，再傳到連桿。因而，活塞銷與銷座必須有足夠的強度、足夠的承壓面積和耐磨性。其中活塞銷的剛度有著關鍵意義，如果縱向剛度不足，則引起負荷分布不均勻，使銷座疲勞破壞，導致活塞縱向開裂橫向剛度不足，使銷的失圓變形過大，潤滑油膜遭受破壞，引起活塞銷咬住8。3.1活塞銷和銷座的強度和剛度3.1.1活塞銷尺寸的確定（1）180F柴油機活塞銷設計尺寸確定決定銷尺寸時，按計算項目

33、重要性的排列次序如下：活塞銷的彎曲變形；活塞銷的橢圓變形；銷座上的表面壓力；活塞銷的應力。如圖:根據180F系列柴油機活塞銷的工作條件故180F系列柴油機活塞銷設計選d=0.37D=29.6毫米；d=0.60d=48毫米；l=0.84D=67.2毫米；l=0.63d=18.648毫米；B=0.97d=28.712毫米；=B+2=30.712毫米；公式 =1.54 得 R=24.34毫米； e=2.72毫米。 圖3-1 柴油機活塞銷結構1活塞 2活塞銷 3連桿 4連桿小頭油孔 5活塞銷座油孔（2）應力計算活塞銷的應力是縱向變形所產生的縱向彎曲應力勺銷的橫斷面失圓產生的橫向彎曲應力的組合?；钊N的

34、縱向彎曲應力可表示為 =0.093（牛頓/毫米）活塞銷的橫向彎曲應力=0.0685*（牛頓/毫米）由于總彎曲應力=，因此 =0.093=295（牛頓/毫米）算出的總應力應在200400牛頓/毫米范圍內。計算得出在范圍之內，所以符合要求。3.1.2活塞銷座的設計活塞工作時頂部承受很大的氣壓力，它們全部通過銷座傳給活塞銷，再傳到連桿。因而，活塞銷與銷座必須有足夠的強度、足夠的承壓面積和耐磨性。其中活塞銷的剛度有關鍵意義，如果縱向剛度不足，則引起負荷分布不均勻，使銷座疲勞破壞，導致活塞縱向開裂橫向剛度不足，使銷的失圓變形過大，潤滑油膜槽受破壞，引起活塞銷咬住。要盡量提高銷座的實際承裁能力，就須使它適

35、應活塞銷的變形，這一適應能力與下列三個因素有關：（1）活塞銷座的可變形長度。它決定于銷座軸線到活塞頂?shù)木嚯x，即活塞壓縮高度H；（2）活塞銷座的結構和它的壁厚比；（3）活塞材料及其狀態(tài)?；钊膲嚎s高度H=56毫米活塞的結構改進，首先是改變加強筋的結構形式，另一個結構措施是在銷孔內壓入襯套，這就在活塞銷直徑不變的前提下，提高了銷座的實際承載能力9。本次設計選用鋁合金做材料。3.2活塞銷和銷座的耐磨性活塞銷和銷座無疑是發(fā)動機中工作情況最惡劣的軸和軸承。一是負荷很大而承壓面積很??；二是運轉時活塞銷與銷座(或連桿襯套)之間只在不大的角度內相對擺動，無法形成充分的油膜；三是溫度可達到150C左右，潤滑油性

36、能下降；四是由于前面分析過的變形，壓力分布很不均勻。因此要保證工作可靠，必須在承壓面積、配合間隙、摩擦表面質量等方面進行詳細的研究10。3.2.1承壓面積一般銷的全長實際上為l=(0.70.85)D,本次180F柴油機活塞銷選L=0.84D=67.2毫米，因此銷座的承壓面積 F=0.02ld=11.03毫米連桿襯套承壓面積 F=0.01Bd=8.49毫米3.2.2配合間隙和潤滑活塞銷和連桿襯套配合標準間隙為0.0350.057毫米。本次設計選配合間隙為0.046毫米。摩擦速度較小，潤滑間隙也較小，不需要大量機油進行潤滑，只要能維持薄層油膜就行。3.3活塞銷的結構、材料和工藝活塞銷的結構，正如前

37、面所指出的，為了在最輕的重量下獲得最大的剛度，一般都呈中空的圓柱形(圖32a)，柴油機活塞銷由于負荷大，外徑很大，而壁厚考慮到失圓變形問題也不能太薄，因而往往很笨重。但是實際上銷座的負荷是向外逐漸減小的，所以在銷座長度內活塞銷的壁厚可以向外逐漸減小，而不致使失圓變形超出允許值，因此，為了減輕重量，柴油機活塞銷內孔應制成錐形的(圖32b)，但是錐孔部分不應該延伸到活塞銷中央，而應只比銷座支承長度稍深一些，銷端部的最小壁厚可以減小到原壁厚的一半。故本次180F柴油機活塞銷設計，活塞銷的材料選用高級合金鋼。制作工藝使用冷擠壓的加工工藝。95系列高速柴油機活塞銷結構4 180F系列柴油機活塞環(huán)的設計活

38、塞環(huán)是內燃機關鍵零件之一，活塞環(huán)工作的好壞直接影響發(fā)動機性能。按其功用不同，活塞環(huán)可分為氣環(huán)與油環(huán)兩類。氣環(huán)的主要作用是與活塞一起密封氣缸工作腔。在實現(xiàn)密封的條件下，環(huán)的另一作用是將活塞頭部熱量導出。因為活塞環(huán)一旦密封失效，大量高溫燃氣從活塞與氣缸間的縫隙中竄出，不但活塞從頂面接受的熱量不能借助活塞環(huán)傳給氣缸壁，而且活塞外圓表面和活塞環(huán)的全部表面還被燃氣強烈加熱，最后可能導致活塞和活塞環(huán)燒壞。所以對氣環(huán)的根本要求就是保證密封。油環(huán)的主要作用是使氣缸壁面的潤滑油分布均勻，并避免多余的潤滑油竄入燃燒室，造成積炭和增大潤滑油消耗量。4.1活塞環(huán)的工作情況4.1.1活塞環(huán)的密封作用圖4-1 活塞環(huán)所承

39、受力 圖4-2 通過環(huán)系的漏氣通路Pr徑向不平衡力 Pa軸向不平衡力氣環(huán)要有良好的密封作用，首先應以一定彈力P與氣缸壁壓緊，形成所謂第一密封面(圖41)，使氣體不易通過環(huán)周與氣缸之間， 而鉆入環(huán)與環(huán)槽間的空間。由三個氣環(huán)組成的迷宮式通道(圖856)將使氣缸中壓力為p的燃氣在經過節(jié)流后，壓力迅速下降，正常情況下，其比例大致是： p086p, p020p， p0076p使正常漏氣量只有吸氣量的o21。這就是環(huán)式密封系統(tǒng)所以能成功地應用，并使往復活塞式發(fā)動機具有強大生命力的重要因素之一。環(huán)端開口的形狀以最簡單的直角形狀(圖42。)最合理。因為即使采用較復雜的形狀如階梯形(圖b)，斜口(圖c)但環(huán)背漏

40、氣通路仍不變，只要端隙相同，關鍵性的最小自由漏氣通路面積就完全相同。4.1.2活塞環(huán)的不正常運動顫振圖4-3a)直角口 b) 階梯形 c) 斜口 d) 、e)帶防轉銷釘槽活塞環(huán)在環(huán)槽內的運動十分復雜，至今尚未研究得很清楚，一般認為其基本運動有：（1）上、下運動活塞環(huán)隨同活塞的上升、下降，在環(huán)槽內作上、上運動。這個運動決定于氣壓力、摩擦力及其慣性。 （2）徑向運動 由于加工、磨損、緊固、溫差等引起的氣缸錐度和橢圓度，使活塞環(huán)在上下運動時，必然同時在環(huán)槽內作一張縮的徑向運動。它是引起環(huán)槽磨損的主要原因。（3）回轉運動 它與發(fā)動機的轉速、氣缸的喇叭狀磨損、變形等密切關連?；剞D運動對防止環(huán)的偏磨、局部

41、過熱或卡死是有利的，但它也可能引起各環(huán)開口的重疊，使工作過程惡化。除上述基本運動外，活塞環(huán)還存在不規(guī)則的鈾向和徑向振動，以及扭曲振動，它們使漏氣量加大，磨損加劇，并造成斷環(huán)。為提高活塞環(huán)的抗顫振性，可采取以下措施：（1）使用開口部分有較高徑向壓力的高點環(huán)；（2）減小環(huán)寬b，以減輕環(huán)本身重量，減少慣性力；（3）增大環(huán)厚t，以增加環(huán)的剛度和彈力p。（4）增加環(huán)的軸向不平衡，氣壓力(圖42)圖4-4 環(huán)的扭曲和壓力分布a)不扭曲，P900牛頓 b)反扭曲，P=0 c)正扭曲，P1800牛頓故本次設計采用扭曲環(huán)等辦法來解決顫振現(xiàn)象；4.2活塞環(huán)的計算 活塞環(huán)計算的第一項任務為使活塞環(huán)置于氣缸后環(huán)周即對

42、缸壁產生必需的壓力，環(huán)在置入氣缸前的自由狀態(tài)該是什么形狀？環(huán)的第二項計算是確定活塞環(huán)的結構參數(shù)。第三項是驗算既定參數(shù)的環(huán)從自由狀態(tài)收攏裝入氣缸后，所產生的應力是否超過材料的許用應力值；環(huán)從自由狀態(tài)掰開套過活塞頭部時引起的套裝應力。4.2.1均壓環(huán)的自由形狀均壓活塞環(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)，就是梁在外周均布負荷作用下的一種彎區(qū)(圖4-3)。根據曲梁的彎曲基本方程，自由環(huán)中線某一點的曲率半徑與它從自由狀態(tài)彎到工作狀態(tài)時所受彎矩M之間有如下關系 -= （4-1）式中 r工作狀態(tài)中線曲率半徑，r=(D-t)/2； I環(huán)斷面軸慣性矩，對b矩形斷面環(huán)，I=bt/12。圖4-5 均壓環(huán)的彎距圖為確定環(huán)任意斷

43、面BB中的彎矩，可把環(huán)看成在開口對面的對稱斷面AA固定的懸臂梁，因為這一斷面在環(huán)變形時不發(fā)生旋轉。于是，作用在單元環(huán)段rd上的單元力dP-pbrd對斷面BB產生的彎矩為 dMdPrsin(-)=pbrsin(-)d （4-2）式中ppr/r,為換算到環(huán)中線的環(huán)周壓力。因此環(huán)從到一段上的壓力對斷面BB的總彎矩為 M=pbrd=pbr(1+cos)=158N/mm把公式（4-2）帶入（41），即得活塞環(huán)自由狀態(tài)下的中線（簡稱自由型線）上任一點的曲率半徑公式 = =0.38 （43）式中=（-1）由此可見，對于t常數(shù)的均壓環(huán)來說,自由型線曲率半徑隨位置()而變，所以活塞環(huán)自由形狀不是圓形。知道了曲率

44、半徑變化規(guī)律，曲線本身就完全確定了。4.2.2活塞環(huán)的彈力、應力與結構參數(shù)的關系(1)活塞環(huán)的彈力與結構參數(shù)的關系環(huán)的工作性能與它在工作狀態(tài)下的彈力有很大關系。在材料及直徑D既定的條件下，環(huán)彈力與其開口端距S和徑向厚度t有關。當活塞環(huán)從自由狀態(tài)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)時，長度為dS=rd的單元AB（圖4-5）的曲率半徑由于彎矩M的作用以減小到r，這時B點繞A點轉過一角度d=d-d=d(1-)=r(-)d=圖4-6 活塞環(huán)自由端距的計算據公式（4-2）。有 d=(1+cos)d在B點旋轉的同時，環(huán)槽C點的移動量 =Ad它在x方向的投影，即周向位移 d=d=r(1+cos)d所以 d=(1+cos)d=(1+

45、cos)d活塞環(huán)一段總周向位移 x=D(-1)d=0.025mm得環(huán)自由端距 S=2x=2D(-1)=12.215mm 于是可知，活塞環(huán)平均彈力（壁壓）p與環(huán)的結構參數(shù)S/t、D/t、材料參數(shù)E之間有如下的關系 p=E=0.141E =1.5巴(2)工作應力、安裝應力與結構參數(shù)的關系活塞環(huán)置入氣缸后，環(huán)周受均勻壓力p，任意截面所受彎矩如公式(820)，最大彎矩發(fā)生在環(huán)的切口對面的斷面0處圖43AA斷面)，其值為M0.5bp(-1)=6740N.mm所以最大工作應力 =3p(-1)將公式(8-25)中的p代入此式，則有 =E0.425E=0.425E4=152N/mm2 4.2.3活塞環(huán)參數(shù)的選

46、擇與驗算(1)參數(shù)的選擇選擇活塞環(huán)結構參數(shù)的步驟大致如下：選擇徑向壓力p。按徑向壓力不同，可將活塞環(huán)分為三類：高壓環(huán)。中壓環(huán)(普通環(huán))。低壓環(huán)確定自由端距S。選S=810%D。確定徑向厚度t。選t=（2428）/D。環(huán)的軸向寬度b。選b=3毫米。裝配端隙。它越小，環(huán)的密封作用越好。（2）活塞環(huán)彈力的檢驗檢驗力 Q=0.76=2=12.85N Q=bDp=12.1-13.2N4.2.4活塞環(huán)材料的檢驗 環(huán)材料抗彎強度為 =3（D/t-1）=82 N/mm4.3活塞環(huán)斷面形狀的設計 根據活塞環(huán)的工作情況，其斷面形狀的設計要求是： （1）增強密封性能，特別是在環(huán)工作條件很不利時也不易漏氣；（2）改善

47、磨合性能；（3）提高刮油能力；（4）提高抗傷性，即避免出現(xiàn)熔著磨損(活塞環(huán)“拉缸”)等不正常磨損現(xiàn)象的性能11。4.3.1桶面環(huán)特點是活塞環(huán)外圓表面制成凸圓弧形，現(xiàn)己在高速高負荷強化發(fā)動機上獲得廣泛應用。桶面環(huán)具有下列優(yōu)點：（1）保證良好的潤滑。（2）避免棱緣負荷。（3）密封性好。（4）磨合性好。4.3.2扭曲環(huán)微錐面環(huán)工藝性較差，而斷面不對稱的環(huán)裝入氣缸后，由于彈性內力的作用使斷面扭轉，也可起到同樣作用。這種環(huán)稱為扭曲環(huán)，在發(fā)動機中應用極廣。4.3.3錐面環(huán)錐面環(huán)和與其類似的倒角環(huán)斜角角度要比光為改善磨合的微錐面環(huán)大，因而可保留錐面到相當一段正常運轉期。根據以上各環(huán)的優(yōu)缺點，95系列柴油機活

48、塞組設計第一道氣環(huán)采用桶面環(huán)，材料是球墨鑄鐵；第二道氣環(huán)采用錐面環(huán)，材料是合金鑄鐵；第三道氣環(huán)采用扭曲環(huán)，材料是合金鑄鐵，他能夠有效修復柴油機缸體的顫振。 第一道氣環(huán) （桶面環(huán)） 第二道氣環(huán)（錐面環(huán)） 圖4-7 活塞組氣環(huán) 4.4油環(huán)的設計 在現(xiàn)代高速發(fā)動機中，機油消耗最大常常是一個嚴重的問題。如果機油大量上竄到燃燒空中燒掉，其危害性不僅在機油損失本身，而且還在于易使火花塞污染，活塞環(huán)膠結失效，氣缸活塞組積炭，磨損劇增，反過來活塞環(huán)及相關組件的磨損又嚴重影響機油消耗，兩者互為因果。因此，機油的控制不能不是內燃機設計中一項值得注意的問題。現(xiàn)代高速發(fā)動機活塞高度日益縮短，油環(huán)大多減少到一道，因而對

49、油環(huán)設計提出了更高的要求。為了保證油環(huán)在高速下的刮油能力，環(huán)的刮油口與缸壁的接觸壓力必須足夠高，同時回油的通道必須暢通。目前采用的油環(huán)分為三類：普通槽孔式油環(huán)、彈簧脹圈油環(huán)、鋼片組合油環(huán)。圖4-7 彈簧脹圈油環(huán)a) 裝板彈簧b) 螺旋彈簧脹圈c) 軌型脹圈油環(huán)4.4.1普通槽孔式油環(huán)因為油環(huán)基本上沒有環(huán)背氣壓力來幫助密封，其密封能力差不多全靠本身彈力，所以都人為減小環(huán)與氣缸的接觸面積以提高比壓，在環(huán)外圓面上開有環(huán)形槽，形成二道刮油肩，控制滑肩高度即能改變平均壁壓P。這種普通油環(huán)的比壓為1.5-2.5巴。在轉速較高的發(fā)動機中，對油環(huán)的刮油能力要求更高，所有常常把滑肩予以倒角或車成鼻形，進一步減小接觸面積，刮油能力提高。倒角油環(huán)比壓為3-4巴。由于其制造成本低，我國目前主要仍采用這種普通油環(huán)。4.4.2彈簧脹圈油環(huán)脹圈油環(huán)是在普通油環(huán)向內面安裝板彈簧(圖47a)或螺旋彈簧脹圈(圖4-7b)。這種油環(huán)可獲得更高的徑向壓力，一船前者p68巴，后者812巴。由于環(huán)背加了彈簧，就可以采用徑向厚度較小的柔性環(huán)，對氣缸失圓的適應性好，在環(huán)外圓磨損時，彈力不會急速下降，所以加強了刮油能力及工作耐久性。板彈簧脹圈油環(huán)用于小型發(fā)動機居多。螺旋彈簧脹圈較板彈簧脹圈更富有柔軟性，因此油環(huán)對氣缸有更好的適應性