车用四缸汽油机总体设计

前 言本设计是根据要求设计一款2.4L车用四缸汽油机。本设计以发动机总体结构为主要研究对象，把曲柄连杆机构、配气机构的工作过程作为主要内容，通过热计算及分析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提高汽车发动机性能指标的一般规律。本设计的任务是研究汽车发动机的工作过程、整机性能并进行总体设计。使我们能更好的掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能指标与各工作过程的内在联系；掌握强度校核的基本方法及数据处理与分析；了解影响整机性能的使用因素及提高性能的基本途径，对发动机各部件的工作过程有了深入的认识，为从事汽车发动机的设计，研发提供理论基础。本设计的基本内容有：热计算，活塞组设计，连杆组设计，曲轴设计，配气机构设计，机体和缸盖设计，润滑系统设计，冷却系统设计等本设计的基本要求是:明确本设计的地位、性质、任务及主要研究对象；了解目前国内外研究水平及主要发展方向。重点掌握发动机曲柄连杆机构（活塞组、连杆组、曲轴），配气机构，机体和缸盖的设计、计算与分析；明确实际工作中的各项损失及减少损失的有效措施。掌握燃烧完全燃烧、不完全燃烧及实际循环的热计算；了解燃烧理论的基本知识。明确发动机结构设计的定义。基本分析式及研究意义；重点掌握活塞、连杆、曲轴的计算、校核及分析；掌握发动机的总体布置技术。目 录前 言一摘 要IAbstractII第1章内燃机设计总论11.1内燃机主要设计指标和设计要求11.1.1对各种内燃机的设计要求41.1.2内燃机设计工作中的“三化”51.2内燃机的方案设计和主要参数的选择51.2.1平均有效压力61.2.2活塞平均速度61.2.3气缸直径与气缸数71.2.4评定参数7第2章 热 计 算92.1热计算流程图92.2热计算结果10第3章 曲柄连杆机构的受力分析123.1 已知参数123.2曲柄连杆机构的组成123.3曲柄连杆机构运动学123.3.1活塞的位移123.3.2活塞运动的速度133.3.3活塞的加速度133.4 曲柄连杆机构上的作用力133.4.1气体作用力与往复惯性力的合成分析143.4.2曲轴扭矩计算153.4.3连杆轴颈受力分析153.4.4主轴颈的负荷15第4章 活塞组的设计174.1 活塞的设计174.1.1 活塞的工作条件和设计要求174.1.2活塞的材料184.1.3 活塞头部的设计194.1.4 活塞裙部的设计234.2 活塞销和活塞销座264.2.1活塞销和销座的强度和刚度274.2.2活塞销和销座的耐磨性294.2.3活塞销的结构、材料和工艺304.3 活塞环的设计304.3.1活塞环的工作情况304.3.2活塞环的计算314.3.3活塞环断面形状的设计324.3.4活塞环的材料、表面镀覆和成形方法334.3.5油环的作用34第5章 连杆组设计365.1 连杆的设计365.1.1连杆的工作情况、设计要求和材料选用365.2 连杆长度的确立375.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算385.3.1连杆小头的结构设计385.3.2连杆小头的强度校核385.4 连杆杆身的结构设计与强度计算435.4.1杆身的结构设计435.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算455.5.1大头的结构型式与主要尺寸455.5.2连杆大头的强度校核465.5.3大头的刚度校核475.5.4连杆螺栓校核47第6章 曲轴设计496.1 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择496.1.1 曲轴的工作条件和设计要求496.2曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计506.2.1 对于直列汽油机516.2.2 曲柄销516.2.3曲柄臂516.2.4轴颈过渡圆角半径516.3 平衡重的设计516.3.1平衡重的设计516.3.2曲柄连杆机构的质量换乘526.3.3 四缸发动机的平衡536.4油孔的位置和尺寸546.5曲轴两端的结构546.6曲轴的油封装置546.7曲轴的疲劳强度校核556.7.1作用于单元曲拐上的力和力矩556.7.2圆角的形状系数566.7.3形状系数和应力集中系数的关系576.7.4 名义应力的计算58第7章 配气机构的设计627.1 配气机构总布置627.1.1 配气机构的设计要求627.1.2配气机构的动作过程627.1.3 配气机构的结构型式637.1.4 气门通过能力637.2 气门组的布置及结构设计657.2.1气门顶置式机构657.2.2气门导管667.2.3气门座设计667.2.4 气门弹簧设计677.3.凸轮轴的设计68第8章 缸盖和缸体结构设计718.1气缸盖设计718.1.1 汽缸盖的结构型式718.1.2 气缸盖的散热728.1.3提高气缸盖刚度、强度的措施728.2气缸体设计738.2.1 缸体结构设计738.3 气缸套的设计748.3.1 气缸套的工作情况和设计要求748.3.2 气缸套的结构型式及材料748.3.3 提高气缸套耐磨性的措施75第9章 润滑系统779.1 内燃机用机油的性能及其选用779.1.1机油的主要性能指标779.1.2机油的选用789.2润滑系统的式况及对润滑系统的要求789.3 润滑系统总体设计方案799.3.1润滑系统的总体布置选型799.3.2润滑系统的主要参数799.3.3曲轴箱通风和防爆809.3.4降低机油消耗量的途径80第10章 冷却系统8210.1 冷却系统的工况与设计要求8210.2 冷却系统的总体设计方案8310.2.1冷却系统总体布置选型8310.2.2闭式强制冷却系统原始参数8410.3 散热器的结构设计要点及计算8510.3.1散热器的结构设计要点8510.3.2散热器的计算程序8510.3.3水泵的设计要点及计算8710.3.4水冷内燃机的风扇设计要点及计算8810.3.5水冷内燃机冷却系的调节89结 论90致 谢91参 考 文 献92附 录93 摘 要内燃机设计是一项要求很高的工作。一方面是因为它是一个复杂的系统，各个子系统（曲柄连杆机构，机体，配气机构，供油系，进排气管系与增压器，润滑系，冷却系等）相互制约，而且许多零件的机械负荷和热负荷很严重。另一方面是因为新设计机型的技术水平必须高于旧机型才有研制价值。新设计大多是在原有设计基础上的改进，而每一项改进都是与科学技术的进步相联系的。本文对四缸汽油机设计进行了详细介绍。先对四冲程发动机的工作原理进行了简单介绍，并进行了工作过程的热计算，得出发动机的相关基本参数。然后在热计算的基础上，计算出活塞，连杆，曲轴，缸体，缸盖及配气机构的基本尺寸，并进行强度、刚度等的校核计算，分析了其可靠性，稳定性“三化”要求，对其附属零件进行了选择或计算，按照有关标准完成了设计内容。关键词： 热计算，曲柄连杆机构，活塞AbstractInternal combustion engine design is a demanding job. on the one hand because it is a complex system, each subsystem (crank-link mechanism, engine body, valve actuating mechanism, and fuel system, supercharger, lubricating system, cooling system etc)restricted, and many parts mutually the mechanical load and heat load is very serious. On the other hand because new design type of technical level must be higher than the old model just have developed value. The new design are mostly based on the original design improvement, and each improvement are related with the scientific and technological progress. The text describes the four-stroke, four-cylinder gasoline engine in details. It introduces in the principle and integer structure of the four-stroke engine. Calculating and analysising the units of the piston, connecting rod, crankshaft, cylinder block, cylinder head, and some critical problems have been solved during the design. The reliability and stability have been discussed by some standards of design. It have been finished the undertaking according to the standard.Key words： heat calculation, crank-mechanism, pistonI 第1章内燃机设计总论1.1内燃机主要设计指标和设计要求1.1.1内燃机主要设计指标(一) 动力性指标1. 功率内燃机的有效功率，按以下公式计算 式中 平均有效压力（巴）；单缸工作容积（升）；活塞平均速度（米/秒）；气缸数；转速（转/分）；气缸直径（毫米）；冲程数，四冲程=4，二冲程=2。内燃机的有效功率的标定随用途和使用条件的不同，根据国家标准GB1105-87内燃机台架性能试验方法的规定，内燃机的标定功率依不同的用途分为以下四类：1）15分钟功率-适用作为汽车、军用车辆动力和快艇主机的标定功率。2）1小时功率-适用作为舰用主机、坦克发动机、工程机械动力的标定功率。3）12小时功率-适用拖拉机等农用机具动力的标定功率。4）持续功率-适用作为船舶、内燃机车、电站、排灌机械等机具动力的标定功率。2. 转速n内燃机的转速影响其结构形式与性能。提高内燃机的转速可以使功率提高，因而使单位功率的体积减小、重量减轻。但内燃机转速的提高受到下列条件的限制：1）提高转速使运动件的惯性力增加，使内燃机的机械负荷增大，同时，由于工作频率增加，使活塞、气缸盖、气缸套、排气门等零件的热负荷也有所增加。2）提高转速使内燃机摩擦损失功率增加，机械效率降低，因而使燃油消耗升高。在流体摩擦和半流体摩擦中，摩擦阻力与速度成比例，即与活塞的平均速度成比例。同样的转速下，当行程较短时活塞平均速度较低，同时运动件的惯性力也较小，故转速教高的内燃机往往采用较短的行程。3）提高转速使内燃机零件磨损加快、大修期（寿命）缩短。4）提高转速使内燃机的平衡和振动问题更加突出，噪音也随之加大。5）提高转速使进排气阻力增加，使充气系数下降。汽油机作为一种抗扰流燃烧。转速越高，扰流速度越高，火焰传播速度增大，故汽油机转速提高后受燃烧限制小，加上汽油机防止爆振的原因，气缸直径一般比柴油机小，故汽油机的转速一般比柴油机高。3. 最大扭矩和最大扭矩时的转速内燃机的标定功率和标定转速确定以后其标定工况下的扭矩就由以下公式完全确定了。式中 标定功率（千瓦）；标定转速（转/分）；标定扭矩（牛顿米）。(二) 经济性指标内燃机的经济性指标主要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时的燃料消耗重量。对于固定工况使用的内燃机是指标定功率是的燃油消耗率。对变工况使用的内燃机，则一般是指外特性曲线上的最低油耗率。当然，万有特性上低油耗区越宽广，则变工况使用的内燃机的使用经济性也越好。降低油耗率的途径有二：一为提高内燃机的指示效率，如改善燃烧，减少热损失等。另一为提高机械效率，如减少机械损失等。（三）可靠性和耐久性指标内燃机工作可靠性是指在规定的运转条件下，具有持续工作，不致因故障而影响正常运转的能力。可靠性指标是用在保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换非主要零件数和主要零件数来考核的。对于可靠性指标高的内燃机应在保证期内不发生停车故障和更换主要或非主要零件的故障。内燃机的耐久性指标常以寿命表示。它是指内燃机从开始使用到第一次大修前累计运转的小时数。内燃机的大修期一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间，此时内燃机不能继续正常工作。（四）重量和外形尺寸指标衡量内燃机重量指标的参数是比重量 式中 内燃机净重（）；内燃机有效功率（）。在系列内燃机中，随着气缸数的增多、转速的提高和平均有效压力的提高，内燃机的比重量降低。内燃机的外形尺寸的紧凑性指标用体积功率来评价。式中=内燃机长宽高（）=内燃机轮廓体积（）。（五）低公害指标人类环境保护对内燃机提出的要求由于内燃机数量的大增，它的排放物和噪音等，直接威胁人类的安全。估计其总千瓦数比其他各类动力的总和还要多，这些内燃机排出的有害气体（、等）连同噪音、臭味等共同构成了人类环境的污染源之一。此外，油料中含硫燃烧后生成的和少量微粒物质都是严重的公害物。我国内燃机的使用密度还不是很高，但在某些大城市中，公害问题也十分严重。我国已颁布了环境保护法，许多与内燃机有关的研究所、大专院校、大的生产厂已开始着手于防止内燃机公害的研究，预计随着内燃机工业的发展，公害问题将日益突出，各种法规在不久的将来即将制定出来，内燃机的设计内容势必受到一定的影响。这些都是作为一个内燃机设计工作者，必须预先考虑的。（六）要求使用方便、好修、好造内燃机首先要求好用（包括前五项指标），满足各种性能的要求，同时也要求使用方便（操纵性好，起动性好）、好修和好造。操纵性好指使用者不需要特别的专门技能，即可顺利进行操作，而且在运行中不需要经常进行特别的调整就能维持稳定的运转工况；维护保养方便；调速器的静态调速率、动态调速率、转速波动率、超调都在规定的范围以内。有些大型内燃机还要求如水温、机油温度和压力等能自动报警、自动停车等。起动性好指冷车起动迅速可靠，对于船用、固定式及机车柴油机一般要求在以上环境温度下能顺利起动。对汽车、拖拉机、中小型移动电站及农用柴油机则要求在的气温条件下，不附加任何辅助装置能顺利起动。为了使内燃机便于维护保养、好修、好造，应使各调整部位都便于接近，结构简单合理，工艺性良好。1.1.2对各种内燃机的设计要求(一)对汽车、拖拉机、工程机械和农用内燃机的要求这些内燃机的共同点，都是大量生产的，功率范围和结构布置都比较相近。在结构设计和总布置设计是，许多考虑都是共同的。都要求尽可能采用一般钢材，零部件的工艺性好，要适合与大量生产。它们的附属系统（如供油系、起动机、三滤、散热器等）往往都是专业化生产的。这就更严格地要求符合“三化”的规定。许多厂家往往采用某一基型，只改变某些附件并根据工作情况的需要改变起标定功率、标定转速，同时来满足汽车、拖拉机、工程机械、农用内燃机等各种需要来实现“一机多用”。这些内燃机除了和其他机械一样，都要求产品重量轻、体积小、质量好、效率高、结构简单、使用方便以外，对汽车、拖拉机、工程机械和农用内燃机，具体的可概括为：1) 高的动力性能；2) 高的燃料经济性；3) 高的工作可靠性和足够的使用寿命；4) 结构紧凑、外形小、重量轻。(二)对机车内燃机的要求机车内燃机的结构特点是要求在限界和轴重范围内发出大的功率，因此强化指标很高。为了保证铁道运输的安全、经济，对可靠性、耐久性、经济性指标要求都较高。具体要求如下：1)机车内燃机的寿命，较先进的指标为：中速机：20130万公里（1500032000小时以上）；高速机：1000020000小时（最高25000小时），大修间隔一般要求为60100万公里。2)重量和外形尺寸指标机车内燃机的重量受到机车轴重的限制，而轴重又受到提到建筑物荷重和轨重的限制，所以机车轴重不得超过23吨/轴，一般内燃机约占机车总重的15%，因此机车内燃机总重量一般不得超过20吨。1.1.3内燃机设计工作中的“三化”内燃机的产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化统称为内燃机设计的“三化”。内燃机的“三化”是属于产品质量管理问题，它对国民经济将产生深远的影响，它是社会主义制度下的一项重要技术政策。它对提高产品质量、降低产品成本、发展新产品、合理组织企业生产，提高劳动生产率，便于使用、维修和配件供应、零件互换等具有重要的作用。1）产品系列化 2）零部件通用化 3）零件设计标准化内燃机设计工作中的“三化”又是内燃机生产专业化的基础，内燃机生产专业化特别有利于调动各个方面的积极因素，集中精力在技术上精益求精，开展深入的单项科学研究，从而保证产品质量的不断提高，成本不断降低。1.2内燃机的方案设计和主要参数的选择发动机方案设计要选择的内容有：1、 机种 目前普遍采用的是往复活塞式汽油机，本设计采用往复式。2、 冲程数 当前汽车发动机大多数是四冲程和二冲程，本设计采用四冲程。3、 冷却方式 当前汽车发动机大多数是水冷式，本设计中采用水冷方式进行冷却。4、 缸径、行程 这是发动机主要结构参数。汽油机一般7090mm。超过100mm容易发生爆震。5、 系列化 发动机系列化是以基本结构参数（D及S）通过变化缸数及其排列形式、增压度、转速、燃料等方法扩大功率覆盖面和发展变型品种。1） 主要指标 发动机的功率、扭矩、油耗、重量和外形尺寸是重要的指标。2） 燃烧室 目前汽油机的燃烧室有浴盆形、半球形、楔型，本设计采用半球形式燃烧室。内燃机的主要参数反映了产品的性能和设计的质量。因此选择主要参数必须紧密结合我国工业生产发展的实际情况，同时还要对同类型国内外发动机的参数进行比较和实验研究。这样选定的参数，才能保证设计既先进又现实。保证所要求的功率和尽可能地提高功率输出（在燃料经济性最佳的前提下），是对发动机提出的基本要求之一，而发动机的有效功率可用下式表达式中 平均有效压力（巴）；单缸工作容积（升）；气缸数；转速（转/分）；活塞平均速度（米/秒）；气缸直径（毫米）；冲程数，四冲程=4，二冲程=2。从此式可知，要提高内燃机的功率，一般应从以下几方面来考虑。1.2.1平均有效压力平均有效压力是标志内燃机整个循环过程的有效性几内燃机制造完善性的指标之一。因此值的不断提高，是内燃机技术发展的重要标志。平均有效压力与混合气形成方法、燃料的种类、燃烧和换气过程的质量、进气压力和温度以及机械效率等有关。平均有效压力值决定了发动机的强化程度，反映了发动机结构与制造要达到的质量，故必须慎重地选择。进行产品设计时，平均有效压力应根据同类型发动机的实际数据初步决定，在发动机制成后再通过实验来确定。1.2.2活塞平均速度活塞平均速度也是表征活塞式内燃机强化程度（热负荷和机械负荷）的重要参数之一。活塞平均速度对于内燃机的性能、工作可靠性和使用寿命有很大影响。一般说来，增大使发动机功率增高，但活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大，磨损加剧，寿命下降。同时，由于进排气流速增大，进排气阻力与气流速度平方成比例地增加，使充气系数下降，所以随着活塞平均速度的提高，就有必要增大气门通道截面，增加气门数，选用较好的材料、较高的加工精度，采用特殊的表面处理，设计高热负荷下工作可靠而结构轻巧的活塞组等。随着汽车用汽油发动机转速的不断提高，在结构上出现了不断降低和程径比S/D的趋势，这也是为了保持不超过允许值的缘故。对于柴油机和二冲程内燃机等则S/D不宜太低，因为不利于燃烧和扫气等。影响S/D值的因素是多方面的，因此选定S/D值时必须对于具体情况作具体的分析，如对竭力要求提高转速，缩小外形尺寸和降低单位马力重量的高速内燃机，特别是采用V型结构时，选用短行程是合理的，而对大缸径的较低速发动机，对尺寸重量没有严格要求，本身转速低，活塞平均速度也较低，就不必要再用减小S/D来降低值，而且大缸径发动机热负荷本身较大，因此从降低热负荷，创造有利的混合气形成和燃烧条件的角度来看，选用较大的S/D值还是较合适的。1.2.3气缸直径与气缸数发动机的功率是与气缸直径D的平方成正比的。因此设计新发动机时，选用圈套的缸径也是提高功率的一种措施。但是随着缸径的增大，发动机的转速也就相应地要选择得低一些，发动机就可能比较笨重。在产品改进设计时，如在气缸轴距不变的条件下，比重量可减轻。但是，一般说来，缸径增大会引起发动机气缸、活塞组、气缸盖、气门等零件的热负荷加重。气缸数z与缸径D、转速n有着密切的联系。在同样功率要求下，缸数越多，缸径就能缩小，转速就可以提高，这时发动机紧凑轻巧，运转均匀，平衡性改善。1.2.4评定参数发动机型式和主要参数选择的合理性和结构的完善性，常用以下三个参数来评定。(一)强化指标平均有效压力和活塞平均速度的乘积通常称为强化指标。它是与单位活塞面积所作功率成正比的，它一方面代表了功率和转速的强化，另一方面又代表了发动机机械负荷和热负荷的高低。内燃机的发展趋势是强化程度的不断提高，但是随着强化程度的提高，发动机的热负荷和机械负荷相应迅速增加气缸内最高燃烧压力和零件惯性力都随之增大。(二)比重量G/比重量是单位千瓦的净重（公斤/千瓦），它表征工作过程的强化程度和结构设计的完善程度。降低这一数值，就可以节约金属材料，降低特等成本。自重的减轻意味着功率水泵的节约或有效载重的增加，从而提高了运输效率。因此在设计发动机时，在保证所要求的强度、刚度和制造条件许可的情况下，应不断地降低比重量。(三)升功率升功率千瓦/升，它决定于、n和,表征着发动机工作过程的完善性，也可以用来评定发动机的结构紧凑性和外形尺寸大小，现代汽车发动机的发展趋向之一是升功率的继续提高。目前所用的内燃机设计方法，一般还都是经验设计，而不是单纯用理论计算。即先广泛地利用统计或经验数据，参考比较成功的同类型样机来具体地选择机件的结构、尺寸和材料，有的可以经过必要的核算，通过样机试验，最后确定性能指标和结构参数。第2章 热 计 算2.1热计算流程图参数选择 Hu 等 大气状态燃料平均质量成分燃料热化学计算 不符合要求 进气管道 流动阻力系数0.9气缸工作容积发动机的主要尺寸：缸径，行程有效功率换气过程参数计算充气效率进气终点温度、压力符合要求平均有效压力压缩过程计算 输出结果 压缩终点温度、压力 指示效率燃烧过程计算有效热效率燃料消耗率 试凑法求燃烧终点温度、压力 压力高比 取机械效率0.84指示比油耗膨胀过程计算 指示效率平均指示压力 示功图丰满系数0.97 2.2热计算结果本文是要设计一款排量为2.4L左右的车用四缸汽油发动机，要求其标定功率为90kW/4600rpm。采用四冲程，水冷，直列，顶置凸单轮轴形式。热计算给定条件：大气状态 P0=100KPa,T0=293K压缩比 =8.5燃油重量成分 C=0.855 H=0.145燃料低热值 Hu=44100KJ/kg过量空气系数 由缸壁对充量加热而引起的温升 残余废气温度 残余废气系数 平均多变压缩系数 平均多变膨胀指数 热量利用系数 示功图丰满系数 机械效率 单缸工作容积 Vh=0.6L热计算结果验证：根据式 (KW)将上述圆整后的结果S=94mm、D90mm带入式中，计算得： Ne90.78 (KW)由此可知，Ne90KW,即该结果满足设计要求。所以，本次设计的汽油机气缸的基本参数分别取为：S=94mm、D90mm、cm=14.4m/s. 第3章 曲柄连杆机构的受力分析3.1 已知参数表3.1 各项参数值汽缸直径D=90mm活塞行程s=94mm总排量V=2.4L汽缸数i=4压缩比=8.5曲柄半径与连杆长度比最大功率Ne=90KW最大功率时转速n=4600r/min气缸型式直列式3.2曲柄连杆机构的组成曲柄连杆机构包括机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。功用是把燃料燃烧作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，最后由飞轮传给传动系统。机体组主要包括气缸体、曲轴箱、气缸套、气缸垫等不动件。机体是内燃机的骨架，除了作为气缸套以及曲柄连杆机构运动件的支掌外还可安装气缸盖、配气机构和驱动机构的机件以及个辅助系统的一些附件，并以供支座安装在车辆上。活塞连杆组主要包括活塞、活塞环、活塞销、连杆等运动件。将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。曲轴飞轮组主要包括曲轴、飞轮等。将转矩和转速均匀的输出对外做功。3.3曲柄连杆机构运动学3.3.1活塞的位移 如图3.1，设活塞处于上止点时，活塞销中心处于Y坐标原点，则 简化后可得： 其中，3.3.2活塞运动的速度 图3.1 活塞连杆组运动简图 其中， 活塞的平均速度为： Cm= 活塞的最大速度为： 3.3.3活塞的加速度 其中，R 3.4 曲柄连杆机构上的作用力 3.4.1气体作用力与往复惯性力的合成分析（一）沿气缸中心线作用的合力P：如图3.2 3.3，沿气缸中心线方向作用在活塞上的合力： 式中：Pg气缸内气体作用力 Pj活塞运动时的往复惯性力 P0曲轴箱内气体作用在活塞下方的力：P0=100Kpa（二）P的传递与分解在力的传递过程中，P可以分解成沿连杆中心线的作用力Pc和垂直于气缸中心线的侧压力Pn （三）Pc的分解Pc作用在曲柄销上，可以进一步的分解为切向力Pt和法向力Pra，其中： 图3.2 活塞连杆组受力简图 3.4.2曲轴扭矩计算曲轴在切向力Pt的作用下旋转，故主轴颈承受的扭矩为：3.4.3连杆轴颈受力分析 作用于连杆轴颈的合力：3.4.4主轴颈的负荷 图3.3 曲轴的受力简图第4章 活塞组的设计活塞组包括活塞、活塞销、活塞环等，在气缸里作往复运动的零件，它们是活塞式发动机中工作最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封，否则活塞式发动机就不能正常运转。活塞组零件工作情况的共同特点是工作温度很高，并且可能产生滑动表面的拉毛、烧伤等故障。实践经验证明，活塞组零件的寿命决定发动机的修理间隔。在大功率强化发动机中，活塞组的热负荷往往限制了发动机的强化潜力。由此可见，提高活塞组件的工作可靠性和耐久性具有极其重要的意义。4.1 活塞的设计4.1.1 活塞的工作条件和设计要求(一)活塞的机械负荷活塞组工作中受周期性变化的气压力直接作用，一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值： 式(4.1)式中 活塞投影面积（）；气缸直径（）； 气缸内工质的最高燃烧压力（），可由实测发动机示功图得出。 活塞组在气缸里作高速往复运动，产生极大的往复惯性力，其最大值 式(4.2)式中活塞组的重量（）。由于连杆的摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞还受一个交变的侧压力，使活塞不断撞击缸套，往往导致裙部变形，缸套振动。为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。此外，希望采用强度好，比重小的材料。(二)活塞的热负荷活塞在气缸内工作时，顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达20002500。因而活塞顶的温度很高。活塞不仅温度高，而且温度分布很不均匀，各点间有很大的温度梯度，所产生的热应力容易使活塞顶表面开裂。因此，设计活塞时要求选用导热性好的材料，并且在时仍有足够的机械性能；在结构上尽量减小活塞顶的吸热量，而已吸收的热量则应能很好地散走，使活塞顶和环区内的最高温度限制在一定范围内，减小温度梯度。(三)活塞高速滑动，润滑不良活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大，磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。(四)设计要求综上所述，活塞是在高负荷、高温、高速、润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求：1) 要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好具有良好减磨性、工艺性的材料；2) 有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；3) 保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；4) 在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；5) 减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利的散走；6) 在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油；4.1.2活塞的材料根据上述对活塞设计的要求，活塞的材料应满足如下要求：1) 热强度高，即在高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；2) 导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力；3) 膨胀系数小，使活塞与气缸间能保持较小间隙；4) 比重小，以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；5) 有良好的减磨性能，耐磨、耐蚀；6) 工艺性好，价廉。由于上述要求往往是互相矛盾的，因此没有一种能全面满足上述要求的单一材料，现在常用的活塞材料是铸铁、铝合金和钢。在活塞式发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小，热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因比重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金比重小，约只有灰铸铁的，结构重量仅铸铁活塞的。因此其惯性力小，这对高速发动机具有重大意义，其另一特点是导热性好，使活塞温度显著下降。而其缺点是温度升高时，强度和硬度下降较快，线膨胀系数较大，为控制变形使结构设计复杂化；此外，其成本较高。本设计中选用共晶铝硅合金作为活塞材料。4.1.3 活塞头部的设计 活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此，活塞头部的设计要点是：1)保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；2)保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；3)尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度缩短1单位，整个发动机高度可以缩短1.52单位，并显著减轻活塞重量。而压缩高度直接受头部尺寸的影响。(一)压缩高度的确定活塞压缩高度系由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸三部分组成的。活塞环的数目、环的位置和轴向高度、环与环之间的环岸高度等都直接影响尺寸。1、第一环位置根据活塞环的布置确定压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度。为缩小，当然希望尽可能小，但过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。对于汽油机，取整数得；2、环岸高度为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减少对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但太小，使制环工艺困难。大缸径汽油机一般取气环；油环。环岸的高度，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。第二、三环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低。只有在第一环岸已破坏的情况下，它们才可能破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它们才会可能被破坏。实际发动机的统计表明，汽油机接近下限。对于汽油机，环岸的高度： ，取；，取。3、活塞环数活塞环数目对活塞头部的高度H1有很大影响。在满足密封前提下，为了降低活塞和整台发动机的高度，减少惯性力和摩擦功率损耗，应该力求减少环数，所以本设计中选择2道气环和1道油环。4、活塞销上面的裙部长度确定好活塞头部环的布置以后，高度最后决定于活塞销轴线到最低环槽的距离。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。所以在一般设计中，都要求最低环槽位于变形不均匀的销座外径以外，即。但在销座坚实的直接与活塞顶相连时，环槽的变形不可避免，这条设计原则也就无法实现，这时应该加大活塞环与环槽的配合间隙。活塞销上面的裙部长度对于活塞裙在气缸内的良好导向也有很大影响。如果能使裙部与缸壁配合间隙很小，裙两端的尖角负荷就不会太严重，那么小些也无妨。不然，就希望适当大些。汽油机，取.活塞销中心上部的裙部长度(二)活塞顶和活塞断面ss1、活塞顶活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的的活塞顶形状。活塞顶的厚度是根据结构考虑决定的，主要从活塞向外传热条件和活塞的刚度出发，一般强度是足够的，通常并不对铝活塞顶进行强度校核。本设计中采用平顶活塞。活塞顶部最小厚度，取；汽油机活塞环带壁厚1=(1.52.0)t=(6.759)mm,此处取7mm。活塞顶面接受的热量，主要通过活塞环传出。对无强制冷却的活塞来说，经活塞环传到气缸壁的热量占，经活塞本身到气缸壁的热量占，而传给曲轴箱空气和机油的仅占左右。所以活塞顶厚度应从中央到四周逐步加大，而且过度圆角应足够大，使活塞顶吸收的热量能顺利的被导至第二，第三环，以减轻第一环的热负荷，并降低了最高温度。为了减少积炭和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角，所以尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。2、环带断面与环槽尺寸常在裙上端或油环槽中开绝热槽，这使头部仅以销座部分支承在活塞销上，而在垂直销方向成为悬臂梁，可能在气压力作用下发生弯曲，直接影响环槽的扰曲，危及活塞环的工作可靠性。图4.1 活塞环与环槽的间隙配合正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙，对于环和环槽工作的可靠性与耐久性十分重要(如图3.1)。如环槽底部圆弧不够大，则可能应应力集中而发生疲劳裂纹。但如该圆弧过大，又可能妨碍活塞环自由缩进槽底。因此，槽底圆角一般为毫米,此取0.5mm。活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否则当岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因。但倒角过大又使活塞环漏气增加。一般该倒角为,此处应该取0.345。环槽的侧隙过大，会加剧环对环槽的冲击，在铝合金受热后硬度较低的情下，这些将使环槽变宽，最终导致活塞报废。但是环槽的过小易使环槽中粘住而失效。目前，第一环与环槽侧隙一般为本次选用0.06，二环适当小些，为,此取0.06，油环则更小些，取为0.05。活塞断面形状：活塞环的背隙比较大，以免环与槽底圆角干涉。一般气环，油环更大些，取为0.6mm,以利泄油。（三）环岸的强度校核 在膨胀冲程开始时，在爆发压力作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。由于节流作用，第一环岸上面的压力比下面压力大得多，不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪应力，但应力值超过铝合金在其工作温度下的强度极限或疲劳极限时，岸根有可能断裂，试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力p时，。环岸是一个厚、内、外圆直径、的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计算固定面的应力比较复杂，可以将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致的计算。在通常的尺寸比例下，可假定环槽深，槽底直径，于是作用在岸根的弯矩为 式(4.4)而环岸根端面的抗弯断面系数近似等于 式(4.5)所以环岸根部危险断面上的弯曲应力 式(4.6)同理得剪切应力 式(4.7)按合成应力公式 式(4.8)考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力可取，而，远远小于，所以强度合格。（四）活塞头部与气缸的配合活塞头部直径应保证发动机正常运转时，环带不与缸壁直接接触，以免温度较高的铝合金表面磨坏。故活塞头部的装配间隙必须考虑铝活塞与铸铁气缸在工作温升下热膨胀的差别，即 式中和分别是铝活塞头部和铸铁气缸在工作状态下相对装配状态温度的升高量，称为工作温升，初步计算可假设：汽油机，。再令膨胀系数，。则当时，按公式有： 这与实际发动机统计数据相符的。4.1.4 活塞裙部的设计活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞，活塞裙与气缸直接接触并高速滑动，同时承受由于连杆摆动所产生的侧压力。裙部的设计要求是保证活塞得到良好的导向，具有足够的实际成压面积，能形成足够厚的润滑油膜，既不因间隙过大而发生敲缸，引起噪音和加速损伤，也不因间隙过小而在气缸中咬住，导致重大事故。因此，活塞裙部设计的基本思想，是如何在发动机不同工况下始终保持它与气缸间最合适的间隙。（一）裙部的尺寸和销孔的位置活塞裙部是侧压力的主要承担者。为保证活塞裙部表面能保持住必要厚度的润滑油膜，表面比压不应超过一定的数值。裙部的长度裙部的长度影响活塞工作的稳定性,噪音和耐久性.目前,一般就根据来估计 式(4.9)式中 为最大侧压力()为活塞裙部投影面积（）。现代汽油机活塞裙许用比压。此比压值越大,则在活塞材料的选择设计加工表面处理等方面越要仔细。不过，在设计活塞裙尺寸时除了考虑表面比压这一因素外,还要顾及一些其他问题,例如活塞销孔相对活塞裙的位置和活塞裙相对曲轴的位置等。在考虑活塞裙长度与活塞销位置的相互关系时,可以把活塞裙看作铰支在活塞销上的滑块.如果活塞侧压力的作用线与活塞膨胀冲程时油膜合力一致,则滑块就可在某一角度下自动定位,即活塞得到稳定的导向.从滑块的的液体润滑理论可知