活塞設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

目錄一、前言…………………….二、零部件在內(nèi)燃機(jī)中的作用和地位……….三、該零件的工作條件、設(shè)計(jì)要求………….四、零件的運(yùn)動(dòng)分析和受力分析………………五、結(jié)構(gòu)形式的選擇；主要參數(shù)的選定、設(shè)計(jì)、計(jì)算…………….六、零部件的強(qiáng)度、剛度校核…………………..七、設(shè)計(jì)結(jié)果的分析…………………..八、結(jié)束語(yǔ)………………….九、參考文獻(xiàn)一、前言內(nèi)燃機(jī)的不斷開(kāi)展，是建立在主要零部件性能和壽命不斷改良和提高的根底上的，尤其是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率的增大和轉(zhuǎn)速的增加，零部件尤其是直噴式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境變得更加惡劣了?；钊慕Y(jié)構(gòu)直接影響活塞的溫度分布和熱應(yīng)力分布，因此就有必要對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，特別是坦克、艦艇和軍用車船用內(nèi)燃機(jī)活塞那么要求更高，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)開(kāi)展的一個(gè)突出問(wèn)題二、零部件在內(nèi)燃機(jī)中的作用和地位活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件，主要功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過(guò)活塞銷傳給連桿，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外作功。此外，活塞又是燃燒室的組成局部?；钊莾?nèi)燃機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時(shí)作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時(shí)側(cè)壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開(kāi)裂，活塞側(cè)部磨損等。由此可見(jiàn)，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。三、該零件的工作條件、設(shè)計(jì)要求活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫必然會(huì)引起活塞材料的強(qiáng)度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。另外，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象。所以要求活塞應(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止過(guò)大的熱變形。活塞運(yùn)動(dòng)速度快，工作溫度高，潤(rùn)滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的外表處理。四、零件的運(yùn)動(dòng)分析和受力分析五、結(jié)構(gòu)形式的選擇；主要參數(shù)的選定、設(shè)計(jì)、計(jì)算〔一〕，活塞頭部設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶局部，其主要功用是承受氣壓力，并通過(guò)銷座把它傳給連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。因此，活塞頭部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：〔1〕保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛度，以免開(kāi)裂和產(chǎn)生過(guò)大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過(guò)大勢(shì)必影響活塞環(huán)的正常工作；〔2〕保證溫度不過(guò)高，溫差小，防止產(chǎn)生過(guò)大的熱變形和熱應(yīng)力，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件，并防止頂部熱疲勞開(kāi)裂；〔3〕尺寸盡可能緊湊，因?yàn)橐话銐嚎s高度縮短1單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度就可以縮短單位，并顯著減輕活塞重量。而那么直接受頭部尺寸的影響。2、壓縮高度確實(shí)定活塞壓縮高度的選取將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。盡量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原那么，壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構(gòu)成的，即=++為了降低壓縮高度，應(yīng)在保證強(qiáng)度的根底上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。第一環(huán)位置根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂火力岸高度。為縮小，當(dāng)然希望盡可能小，但過(guò)小會(huì)使第一環(huán)溫度過(guò)高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。因此火力岸高度的選取原那么是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般汽油機(jī)，為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑，確定火力岸高度為：〔2〕環(huán)帶高度為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。但太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高，油環(huán)高。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱之為壓縮環(huán)〔氣環(huán)〕，第三環(huán)稱之為油環(huán)。取，，。環(huán)岸的高度，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)破壞。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)說(shuō)明，，，汽油機(jī)接近下限。那么，因此，環(huán)帶高度?！?〕上裙尺寸確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，壓縮高度H1最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽〔油環(huán)槽〕的距離h1。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(huì)使油環(huán)卡住而失效。所以在一般設(shè)計(jì)中，選取活塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面，并且保證銷座的強(qiáng)度不致因開(kāi)槽而削弱，同時(shí)也不致因銷座處材料分布不均引起變形，影響油環(huán)工作。綜上所述，可以決定活塞的壓縮高度。對(duì)于汽油機(jī)，所以。那么。3、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(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)角度，為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀，即平頂。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用平頂活塞，由于EA1135V1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓縮比，因而采用近似于平頂?shù)幕钊?shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明，活塞頂部最小厚度，汽油機(jī)為，即?；钊斀邮艿臒崃?，主要通過(guò)活塞環(huán)傳出。專門(mén)的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)無(wú)強(qiáng)制冷卻的活塞來(lái)說(shuō)，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占70～80%，經(jīng)活塞本身傳到氣缸壁的占10～20%，而傳給曲軸箱空氣和機(jī)油的僅占10%左右。所以活塞頂厚度應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過(guò)渡圓角應(yīng)足夠大，使活塞頂吸收的熱量能順利地被導(dǎo)至第二、三環(huán)，以減輕第一環(huán)的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度[9]?；钊^部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取，取為6.16mm，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過(guò)渡圓角，一般取，取0.074為5.993mm.為了減少積炭和受熱，活塞頂外表應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意防止尖角，所有尖角均應(yīng)仔細(xì)修圓，以免在高溫下熔化?！?〕環(huán)帶斷面為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過(guò)多地集中在最高一環(huán)，其平均值為。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對(duì)于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。槽底圓角一般為0.2~0.5mm?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇牵衲敲串?dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過(guò)熱的原因，但倒角過(guò)大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為?！?〕環(huán)岸和環(huán)槽環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計(jì)應(yīng)保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機(jī)油消耗量，防止活塞環(huán)粘著卡死和異常磨損，氣環(huán)槽下平面應(yīng)與活塞軸線垂直，以保證環(huán)工作時(shí)下邊與缸桶接觸，減小向上竄機(jī)油的可能性。活塞環(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生上述損傷的情況下愈小愈好，目前，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為0.05~0.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.03~0.07mm，油環(huán)那么更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機(jī)油消耗量，側(cè)隙確定油環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)龋赜涂讓?duì)降低機(jī)油消耗量有重要意義，三道活塞環(huán)的開(kāi)口間隙及側(cè)隙如表3.1所示:表3.1活塞環(huán)的開(kāi)口間隙及側(cè)隙活塞環(huán)開(kāi)口間隙/側(cè)隙/第一道環(huán)第二道環(huán)第三道環(huán)活塞環(huán)的背隙比擬大，以免環(huán)與槽底圓角干預(yù)。一般氣環(huán)=0.5毫米，油環(huán)的那么更大些，如圖3.1所示?！?〕環(huán)岸的強(qiáng)度校核在膨脹沖程開(kāi)始時(shí)，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)岸上面的壓力比下面壓力大得多，不平衡力會(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門(mén)的試驗(yàn)說(shuō)明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力時(shí)，，，如圖3.2所示。=4.5，那么，，圖3.1環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu)圖3.2第一環(huán)岸的受力情況[10]環(huán)岸是一個(gè)厚、內(nèi)外圓直徑為、的圓環(huán)形板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算固定面的應(yīng)力比擬復(fù)雜，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行大致的計(jì)算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底〔岸根〕直徑，環(huán)槽深為：于是作用在岸根的彎矩為〔3.1〕而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力〔3.2〕同理得剪切應(yīng)力為：〔3.3〕接合成應(yīng)力公式為：〔3.4〕考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力，，校核合格?；钊共康脑O(shè)計(jì)活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那局部活塞。活塞沿氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，具有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)滑油膜，既不因間隙過(guò)大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過(guò)小而導(dǎo)致活塞拉傷。分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部外表，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形外表。這樣，裙部就有被壓偏的傾向，使它在活塞銷座方向上的尺寸增大；其次，由于加在活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形，使整個(gè)活塞在銷座方向上的尺寸變大；再次，由于溫度升高引起熱膨脹，其中銷座局部因壁厚較其它局部要厚，所以熱膨脹比擬嚴(yán)重。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使裙部截面的形狀變成為“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。在這些因素中，機(jī)械變形影響一般來(lái)說(shuō)并不嚴(yán)重，主要還是受熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比擬大[11]。因此，為了防止拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部與氣缸之間必須預(yù)先流出較大的間隙。當(dāng)然間隙也不能留得過(guò)大，否那么又會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。解決這個(gè)問(wèn)題的比擬合理的方法應(yīng)該使盡量減少?gòu)幕钊^部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最小；活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小等相適應(yīng)[12]。本文采用托板式裙部，這樣不僅可以減小活塞質(zhì)量，而且裙部具有較大的彈性，可使裙部與氣缸套裝配間隙減小很多，也不會(huì)卡死。把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長(zhǎng)軸是在垂直與活塞銷中心線方向上，短軸平行于銷軸方向的橢圓形。常用的橢圓形狀是按以下公式設(shè)計(jì)的：〔3.4〕式中、分別為橢圓的長(zhǎng)短軸，如圖3.3所示。缸徑小于的裙部開(kāi)槽的活塞，橢圓度〔〕的大小，一般為。圖3.3活塞銷裙部的橢圓形狀[9]1、裙部的尺寸活塞裙部是側(cè)壓力的主要承當(dāng)者。為保證活塞裙外表能保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其外表比壓不應(yīng)超過(guò)一定的數(shù)值。因此，在決定活塞裙部長(zhǎng)度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。在確定裙部長(zhǎng)度時(shí)，首先根據(jù)裙部比壓最大的允許值，決定需要的最小長(zhǎng)度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改。裙部單位面積壓力〔裙部比壓〕按下式計(jì)算：〔3.5〕式中：—最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得，=2410.83—活塞直徑，；—裙部高度，。取。那么一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比壓值約為，所以設(shè)計(jì)適宜。2、銷孔的位置活塞銷與活塞裙軸線不相交，而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面〔稱為主推力面，相對(duì)的一面稱為次推力面〕偏移了，這是因?yàn)?，如果活塞銷中心布置，即銷軸線與活塞軸線相交，那么在活塞越過(guò)上止點(diǎn)，側(cè)壓力作用方向改變時(shí)，活塞從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個(gè)地橫掃過(guò)來(lái)變到主推力面貼緊氣缸壁的另一面，與氣缸發(fā)生“拍擊”，產(chǎn)生噪音，有損活塞耐久性。如果把活塞銷偏心布置，那么能使瞬時(shí)的過(guò)渡變成分布的過(guò)渡，并使過(guò)渡時(shí)刻先于到達(dá)最高燃燒壓力的時(shí)刻，因此改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作平順性[13]。3.2活塞銷的設(shè)計(jì)活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料1、活塞銷的結(jié)構(gòu)和尺寸活塞銷的結(jié)構(gòu)為一圓柱體，中空形式，可減少往復(fù)慣性質(zhì)量，有效利用材料?；钊N與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采用“全浮式”。活塞銷的外直徑，取，活塞銷的內(nèi)直徑，取活塞銷長(zhǎng)度，取2、活塞銷的材料活塞銷材料為低碳合金鋼，外表滲碳處理，硬度高、耐磨、內(nèi)部沖擊韌性好。外表加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好?；钊N強(qiáng)度和剛度計(jì)算由運(yùn)動(dòng)學(xué)知，活塞銷外表受到氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用，總的作用力，活塞銷長(zhǎng)度，連桿小頭高度，活塞銷跨度。1、最大彎曲應(yīng)力計(jì)算活塞銷中央截面的彎矩為〔3.6〕空心銷的抗彎斷面系數(shù)為，其中所以彎曲應(yīng)力為即〔3.7〕2、最大剪切應(yīng)力計(jì)算最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭之間的截面上。橫斷截面的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中性層上[14]，其值按下式計(jì)算：〔3.8〕許用彎曲應(yīng)力；許用剪切應(yīng)力，那么校核合格。3.3活塞銷座活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活塞銷座用以支承活塞，并由此傳遞功率。銷座應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?，使銷座能夠適應(yīng)活塞銷的變形，防止銷座產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞斷裂；同時(shí)要有足夠的承壓外表和較高的耐磨性?；钊N座的內(nèi)徑，活塞銷座外徑一般等于內(nèi)徑的倍，取，活塞銷的彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷—銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設(shè)計(jì)成連桿小頭與活塞銷座開(kāi)擋之間的間隙為，但當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共就足夠了，取間隙為。驗(yàn)算比壓力銷座比壓力為：〔3.9〕一般。3.4活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。第一道活塞環(huán)為桶形扭曲環(huán)，材料為球墨鑄鐵，外表鍍鉻。桶形環(huán)與缸筒為圓弧接觸，對(duì)活塞擺動(dòng)適應(yīng)性好，并容易形成楔形潤(rùn)滑油膜。第二道活塞環(huán)為鼻形環(huán)，材料為鑄鐵，鼻形環(huán)可防止泵油現(xiàn)象，活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑效果好。第三道是油環(huán)，是鋼帶組成環(huán)，重量輕，比壓高，刮油能力強(qiáng)。活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度、環(huán)的徑向厚度。氣環(huán)，油環(huán)，取，，?；钊h(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當(dāng)缸徑為時(shí)，，取?；钊h(huán)強(qiáng)度校核活塞環(huán)在工作時(shí)，因剪應(yīng)力和軸向力影響較小，所以只計(jì)算彎矩?；钊h(huán)的平均半徑與徑向厚度之比一般都大于5，所以可按直桿彎曲正應(yīng)力公式計(jì)算[9]。1、工作狀態(tài)