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文檔簡介

1、發(fā)動機活塞的設計一、活塞的工作條件和基本要求一、活塞的工作條件和基本要求(一)、工作條件 1、活塞的機械負荷 P=D2(Pz1)x10-1/4 (N) 往復慣性應力:Pjmax=Gr2(1) (N) 2、活塞的熱負荷 A、傳導產(chǎn)生的熱負荷:在內(nèi)燃機工作過程中,活塞頂直接與燃氣接觸,燃氣的最高溫度一般達到2000左右。B、能量轉換:活塞與缸孔摩擦生成的熱。 (二)、基本要求1、結構要求 合適的壁厚和合理的形狀,保證足夠的強度和剛度前提下,結構簡單、輕巧,截面變化要圓滑,減少應力集中,采用強度好、比重小的材料,頭部和裙部采用適當?shù)奶幚矸绞健?2、材料要求活塞需要一定的強度和硬度 ,共晶鋁活塞常溫下

2、抗拉強度不小于196Mpa,300溫度抗拉強度83Mpa ,硬度:90130HBS 3、活塞的材料種類鋁合金 、鑄鐵、鋼 4、鋁活塞的成形方法鍛造、鑄造和液態(tài)模鍛 (三)、活塞的基本構造和滿足的要求1、基本構造:頂部、頭部和裙部三部分 2、設計要求:低摩擦、低重量、低排放、低噪聲、抗磨損、高壽命 3、試驗要求:開裂試驗、拉缸試驗、可靠性試驗、高溫疲勞試驗、體積穩(wěn)定性試驗等二、活塞的幾何設計二、活塞的幾何設計(一)、活塞頂部設計:1、頂部形狀 活塞頂部的形狀與選用取決于燃燒室的形狀、進排氣門和壓縮比有關。一般來說,非缸內(nèi)直噴汽油機活塞大部分選取平頂活塞2、頂部熱量分布方式3、設計要點 減輕活塞組

3、的熱負荷和應力集中,力求受熱面積最小、加工最簡單,表面光潔,無尖角和應力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。 4、頂部最小厚度:汽油機(0.060.1)D, 柴油機(0.10.2)D 為了提高活塞頂部的剛度和強度,增大散熱面積,常常增加各種形狀的肋條(在活塞背面增加方格形、橫形和直肋條)5、頂部的處理方式:陽極氧化、噴鍍陶瓷、重熔淬火 (二)、活塞頭部的設計1、活塞頭部的作用承受氣體壓力,并傳給連桿;與活塞環(huán)一起實現(xiàn)氣缸的密封;將活塞頂部所吸收的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁。2、活塞頭部的結構形式整體式、裝配式、焊接式 3、設計要求(1)、 保證有足夠的機械強度與剛度,以免開裂和產(chǎn)生過大的變形(2)、保證溫度不過高,溫

4、差小,防止產(chǎn)生過大的熱變形和熱應力,為活塞環(huán) 正常工作提供良好的條件,避免頂部疲勞開裂。(3)、頭部不與缸壁直接接觸,否則會產(chǎn)生粘結磨損,形成拉缸,活塞頭部一般是幾段階梯扁圓柱面,也可以是連續(xù)的錐面 (4)、 尺寸盡可能緊湊火力岸的高度:A、一般汽油機(0.060.08)D,柴油機(0.150.25)D,一般確保第一道環(huán)的工作溫度不超過225為原則,否則機油碳化,產(chǎn)生積碳,容易造成機油變質(zhì),積碳與活塞環(huán)一起,造成拉缸。B、活塞在上止點時,缸體水套腔的高度不得低于第一道氣環(huán)所處的高度。 5、頭部到環(huán)岸的設計 活塞頭部傳來的熱量主要靠活塞環(huán)與缸壁接觸帶走,因此,為了減輕第一環(huán)槽的熱負荷,活塞頂?shù)江h(huán)

5、岸的設計應按照熱流路線設計,即活塞頂部厚度應從中間向四周逐漸加大,內(nèi)腔過渡圓角應足夠大,使活塞頂吸收的熱量順利地被導致第二、三環(huán),減輕第一環(huán)的熱負荷,降低第一環(huán)的最高溫度 。 6、隔熱槽的添置 發(fā)動機活塞在第一道環(huán)槽上面切出較環(huán)槽窄的隔熱槽,其作用是隔斷從活塞頂部流下來的部分熱流通路,迫使熱流方向轉折,把原來應由第一道活塞環(huán)散走的熱量,分散給第二、第三環(huán),以消除第一環(huán)過熱后產(chǎn)生積碳和卡死在環(huán)槽中的可能性。 (三)、活塞頭部的環(huán)槽和環(huán)岸的設計1、環(huán)槽斷面和環(huán)高的配合間隙 A、側隙: (第一道環(huán)0.050.1,第二、三道環(huán)0.030.07) 372第一、二道環(huán)與活塞的側隙是0.030.06,油環(huán)是

6、0.020.19,477發(fā)動機第一道環(huán)是0.040.08,二道環(huán)0.0250.07B、背隙 活塞環(huán)的背隙比較大,避免環(huán)和環(huán)槽底部干涉,一般來說,氣環(huán)背隙是0.5mm左右,油環(huán)相對大一點。372活塞環(huán)的背隙,第一道環(huán)0.91.175,第二道氣環(huán) 0.650.925,油環(huán)0.30.665,477第一道氣環(huán)背隙是0.250.55 2、環(huán)槽底面的設計 環(huán)槽底部的形狀對于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性和耐久性十分重要,若環(huán)槽底部的過渡圓角小,就會形成應力集中,產(chǎn)生疲勞裂紋。若圓角過大,妨礙活塞環(huán)自由縮進槽底,槽底圓角半徑取0.20.5mm。 在油環(huán)槽底面上鉆有許多徑向小孔,是被油環(huán)從氣缸壁上刮下來的多余機油,得以

7、經(jīng)過這些小孔流回油底殼 3、活塞環(huán)岸的設計A、工藝性設計 活塞環(huán)岸必須有適當?shù)牡菇?,否則環(huán)岸與缸壁出現(xiàn)毛刺時,就可能把活塞環(huán)卡住,成為嚴重漏氣和過熱的原因。 B、尺寸設計C1=(1.52.5)b1 C2(12)b1 如372發(fā)動機C1為3.1,C2為2.25,目前一般狀況,大多數(shù)汽油發(fā)動機b1=b2,一般是1.2mm,但目前高水平的企業(yè),b2可以做成1.0mm3、減壓腔的設計 把油環(huán)緊鄰氣環(huán)間的環(huán)岸設計成直徑小于1mm左右,形成“減壓腔”,使刮下的機油減壓并形成泄油分配腔,降低機油消耗。如372發(fā)動機圖中71尺寸4、活塞環(huán)槽增強方法 活塞環(huán)槽的磨損常常是限制活塞使用壽命的一個重要因素,為了保護

8、和加強活塞環(huán)槽,可在鋁合金活塞環(huán)槽部位注入由耐熱合金鋼制造的環(huán)槽護圈。 (四)、活塞裙部功能及設計要求:1、裙部功能:與氣缸直接接觸、高速滑動、承受側壓力 2、裙部受力情況分析3、設計要求設計要求:良好的導向、足夠的實際承壓面積、形成足夠厚的潤滑油膜、滿足不同工況下與氣缸間有合適的間隙。裙部長度影響活塞運行中摩擦損失、噪聲和耐磨性,太短,單位面積壓力超過許用值,活塞運動時傾斜角度大,磨損加劇,噪聲大。 4、裙部形狀設計要求A、裙部縱向截面呈桶形,其輪廓線為一拋物線,故亦稱拋物線形裙部。這種裙部不僅適應活塞的溫度分布。而且裙部與承受側壓力的一邊的缸壁之間容易形成雙向“油楔”,活塞無論向上或向下運

9、動時,都能保證裙部有良好的潤滑及較高的承載能力。B、裙部縱向形線為中凸形,凸點偏下方,對于汽油發(fā)動機來說,最大配缸間隙不超過0.1%*D。 裙部橫向為變修正橢圓設計,橢圓度自上而下逐漸減小,修正系數(shù)一般為0.10。橢圓公式:R=G/4(1-cos2)(1-cos4),一般活塞頭部橢圓度0.050.1,中部取0.40.85、裙部表面處理和加工要求 A、表面處理方式: 在我們國內(nèi)常見的處理方式是:磷化、鍍錫、印刷石墨,在國外還用了許多先進的處理方式 B、表面加工要求 裙部一般加工對粗糙度和表面波紋進行控制 6、裙部的膨脹控制 橫向隔熱槽和縱向補償槽、橢圓裙、鑲鋼片 為了減少鋁活塞裙部的熱膨脹量,有的

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