汽油机活塞说明书

1、30沈阳理工大学课程设计说明书目录1 汽油机基本参数选择21.1 内燃机基本设计要求21.2 汽油机基本结构参数选用22 汽油机的近似热计算42.1 燃料燃烧热化学计算42.2 换气过程计算52.3 压缩过程计算52.4 燃烧过程计算62.5 膨胀过程计算92.6 示功图绘制92.7 汽油机性能指标计算103 活塞的设计123.1 活塞的工作条件123.2 活塞的设计要求123.3 活塞的材料123.4 活塞的主要尺寸设计123.5 活塞二维图的绘制133.6 活塞三维实体建模134 汽油机的动力计算254.1 活塞位移、速度、加速度的计算254.2 曲柄连杆机构动力分析26 4.2.1 作用

2、力分析26 4.2.2 曲柄销载荷和连杆轴承载荷28参考文献2911 汽油机基本参数选择1.1内燃机基本设计要求 设计一台新的四冲程非增压汽油机，必须提出设计指标。1、功率Pe 有效功率是汽油机基本性能指标。Pe由汽油机的用途选定，任务书已经指定所需汽油机有效功率Pe=86 kw。2、转速n 转速的选用既要考虑被汽油机驱动的工作机械的需要，也要考虑转速对汽油机自身工作的影响。任务书已经指定所需汽油机转速n=6000 r/min。3、冲程数本设计中的车用汽油机都采用四冲程，即=4。4、平均有效压力Pme 平均有效压力Pme表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功，是汽油机的强化指标之一，一

3、般车用汽油机的平均有效压力为0.9 MPa1.2 MPa，这里取Pme= 0.9 MPa。 5、有效燃油消耗率be 这是汽油机最重要的经济性指标。四冲程车用汽油机250g/(kwh)380g/(kwh)。6、 可靠性和寿命 可靠性和寿命是车用汽油机的基本要求之一，设计时必须提出具体指标，但本课程设计从略。此外，设计指标还可能包括造价、排污、噪声等方面的因素。1.2 汽油机基本结构参数选用 由有效功率计算公式： 可知由于Pe、Pme、n、已选定，则汽油机的总排量iVs也已选定，下一步设计应选定汽油机的基本结构参数：气缸直径D、活塞形成S、缸数i及其他一些参数。1、气缸直径D气缸直径D的选取影响汽

4、油机的尺寸和重量，还影响汽油机的机械负荷和热负荷。本设计任务书规定了车用汽油机的气缸直径D=78mm。2、活塞行程S增大活塞行程S使活塞平均速度提高，机械负荷加大，一般车用汽油机，同时S也是汽油机基本结构指标S/D的决定因素，车用汽油机的S/D=0.71.2，校核所设计的汽油机的vm和S/D的值。即=17 m/s 符合要求 S/D=85/78=1.09 符合要求3、气缸数i及气缸排列方式由于设计任务书已指明D的值，S确定后，满足功率要求可通过改变气缸数i实现，所以采用4缸直列排布。4、连杆长度L与曲柄连杆比=r/L连杆长度加大，会使汽油机总高度增加；虽然连杆摆角减小，侧压力减小，但效果不明显；

5、而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。因而尽量采用短连杆，目前一般值在1/41/3.2之间，取=1/3.6。则2r=85，r/L=1/3.6 即L=152 mm，r=42.5 mm5、气缸中心距l0及其与气缸直径之比l0/Dl0/D影响汽油机的长度尺寸和重量指标，设计时力求缩小l0/D的值。l0/D值的影响因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析，一般其值为1.251.35，取l0/D=1.22，则l0 =1.2278=95 mm。选用湿缸套。6、压缩比c选用压缩比c也就是选用燃烧室容积。选用压缩比时要考虑汽油机的经济性能、工作可靠性、爆燃等。任务书给定车用汽油机的c

6、=1032 汽油机的近似热计算 汽油机工作过程热计算是对汽油机各工作过程中工质的状态参数、主要性能质变进行计算，并绘出示功图。通过热计算可以分析各工作过程的影响因素，找出提高动力性和经济性的途径，又为动力计算、结构设计提供数据。汽油机实际循环热力计算有近似热计算（简单计算法）和模拟热计算（点算法）二种。本设计要求进行近似热计算。2.1 燃料燃烧热化学计算1 理论空气量L0 （ =0.512 (千摩尔/千克汽油)燃料采用轻汽油，汽油低热值 Hu=44100千焦/千克燃料2 新鲜空气量M1 =0.461（千摩尔/千克)其中 过量空气系数，取=0.9；3 燃烧产物M2 =0.497(千摩尔/千克)4

7、 理论分子变更系数0=1.0795 实际分子变更系数1=1.0744其中，r残余废气系数，r = 0.040.10，取r =0.062.2 换气过程计算1 排气压力（气缸内废气压力）Pr MPa 取Pr = 0.11 MPa2 气缸内排气温度（残余废气温度）TrTr = 9001200（K） 取Tr =1000 K 3 进气终点压力Pa MPa 取Pa = 0.085 Mpa4 进气终点温度Ta（K） 取Ta =360 K5 充量系数（充气效率） =0.839其中 之间，取，可求得To =338.824K，经验证符合要求。2.3 压缩过程计算1 平均多变压缩指数n1n1=1.321.38 取n

8、1 =1.34 2 压缩过程中任意曲轴转角时的压力(画示功图时用) MPa 其中：Vca进气终点气缸容积。5 =0.4513 LVcx对应于时的气缸容积。 式中：r曲柄半径，r=S/2；曲柄连杆比，=r/L。 3 压缩终点充量的状态参数 压力：=1.86 MPa 温度：=787.59 K2.4 燃烧过程计算1 热量利用系数Z热量利用系数Z表示燃烧热量被工质吸收多少的程度。由于不完全燃烧、传热损失、高温分解、节流损失等因素，燃料燃烧所发出的热量中只有一部分被工质吸收。燃烧终点的热量利用系数Z在此范围内选取：Z=0.800.95，取Z=0.82 燃烧最高温度1）工质的平均等容摩尔热容和平均等压摩尔

9、热容间有如下关系：kJ/(kmolK) 工质的平均等压摩尔热容按下列方法计算： 查图法：由下图按过量空气系数查出。图2-1 燃烧产物和平均等压摩尔比热与温度的关系不同时，石油燃料完全燃烧产物和空气（）的平均等压摩尔比热与温度的关系2）燃烧方程 式中：压缩终点新鲜空气和残余废气混合气的平均等压摩尔热容，按下列方法进行计算：在温度下，空气的平均等容摩尔热容。可按求出，再由：求出。在温度下，残余废气的平均等容摩尔热容。可按值求出，再由：求出。-对于以1工作的汽油机来说，燃料中一部分热量未能放出。=61100（1-） 3）燃烧最高温度的计算利用燃烧方程式，采用试凑法求解，即先假设一个，由过量空气系数求

10、出，然后代入燃烧方程，反复试算，直到方程两边的值相差在5%以内。计算步骤如下：设Tz=2600K 相差5.40%所以Tz= 2650 K3 压力升高比一般汽油机，所以符合要求。4 燃烧最高压力 =6.258 MPa一般汽油机38.5MPa，所以符合要求。2.5 膨胀过程计算1 平均多变膨胀指数 取n2 =1.262 膨胀过程中任意曲轴转角时的气体压力（供画示功图时用） 3 膨胀过程终点状态参数压力：=0.343MPa温度：=1456.28 K2.6 示功图绘制1 理论示功图绘制根据各过程计算结果可以绘制出汽油机实际循环的理论示功图，其中，燃烧过程按等容过程绘制。理论示功图的理论循环指示功按下式

11、计算： =按示功图上纵横坐标比例：压力值/格，容积值/格，可以算出对应的方格数=24000。2 实际示功图绘制理论示功图没有考虑下列因素的影响，因而必须进行修正得到实际的示功图：1）没有考虑进排气过程。虽然泵气损失并入机械损失，不计入指示功，但为了示功图完整，根据进气终点压力和排气压力近似画出进排气过程线。2）点火提前的影响：压力急剧升高应该从上止点前就开始。3）燃烧规律的影响：燃烧过程压力线应连续、圆滑，燃烧最高压力应出现在上止点后1215之间。4）排气阀提前开启的影响：在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过渡到排气线。整个过程的换气也应修圆。修圆后实际示功图的循环指示功比理论示功图小。计

12、算因修圆而减少的方格数=5，即可求出示功图的丰满系数。一般，经检查示功图的丰满系数在该范围之内,符合要求。3 示功图的绘制由示功图转换成示功图。1）计算法转换：对于任意曲轴转角，有气缸容积 （3.8）2）作图法转换：按下图所示方法进行转换。图中：偏移量0.02843 L2.7 汽油机性能指标计算1 平均指示压力=1.12 MPa2 指示功、指示热效率和指示耗油率=109.96 kW=0.39汽油机指示热效率，即符合要求。=209.3 g/(kwh)3 机械效率四冲程汽油机的之间，取=0.80。4 有效功率、有效热效率、平均有效压力及有效油耗率=87.968KW=0.896 MPa=0.3 =2

13、61.625g/(kwh)四冲程汽油机250380g/(kwh)，即符合要求。计算出的和与任务书给定的和计算开始时假定的的误差不超过5%，所以也符合要求。3 活塞的设计3.1 活塞的工作条件 1.高温-导致热负荷大 2.高压-冲击性的机械负荷 3.高速滑动 4.交变的侧压力3.2活塞的设计要求 根据活塞的工作条件，在进行活塞设计时首先要求： 1.选用热强度好，散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好减摩性和工艺性的材料。 2.形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度、刚度符合要求，尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙。 3.密封性好，摩擦损失小 4.质量小3.3 活塞的材料 在上面的设计要求中，实际

14、上已经提出了对活塞材料的具体要求。下面是常用的几种活塞材料： 1.灰铸铁 2.铝基合金3.4 活塞的主要尺寸设计活塞直径D=78mm活塞高度：=70.2mm 取0.9压缩高度：=35.1mm 取0.45裙部高度：=35.1mm 取0.45顶岸高度：=4.68mm 取0.06气环高度取2mm 油环高度取3mm 环槽深度取4mm第一道气环距离活塞顶为6mm第一道气环与第二道气环距离为3mm第二道气环与油环距离为2.4mm活塞销座间的距离为=27.3mm活塞壁厚取6mm 活塞顶厚度取7mm销孔直径=19.5 取直径为22mm活塞销宽度取32mm由于销孔直径=22mm，根据标准卡环槽直径取32mm,宽

15、度取1mm3.5 活塞二维图的绘制图3-1 活塞的二维半剖图3.6 活塞三维实体建模 1 打开建模界面：开始机械设计零件设计2 选择xy坐标系，绘制如图的草图。 图3-2 活塞整体轮廓草图3退出草图界面，选择“旋转体”命令，生成活塞体。 图3-3旋转体4选择xy坐标系，进入草图绘制界面，绘制如图草图。 图3-4环槽草图5退出草图界面，选择草图，选择“旋转槽”命令，画出气环槽和油环槽。图3-5旋转槽6选择xy坐标轴，进入草图界面，绘制如图草图。图3-6草图7退出草图界面，选择“旋转槽”命令，生成如图凹槽。 图3-7旋转槽8偏移平面后，选择zy坐标轴，进入草图绘制界面，绘制如图草图。 图3-8销座

16、9退出草图界面，选择“凸台”命令，生成活塞销座。然后选择“镜像”命令，生成另一边的销座。图3-9凸台10进入草图界面，绘制如图草图。 图3-10销孔草图11退出草图界面后，选择“凹槽”命令，生成销孔。图3-11凹槽12选择xy界面，进入草图界面，绘制如图草图。 图3-12草图13退出草图界面，选择“凹槽”命令，生成如图凹槽。3-13凹槽14选择zy坐标轴，进入草图界面，绘制如图草图。 图3-14草图15退出草图界面，选择“凹槽”命令，生成如图模型。图3-15凹槽16偏移平面后，选择zy坐标轴，进入草图界面，绘制如图草图。 图3-16卡环槽草图17退出草图界面，选择“凹槽”命令，生成卡环槽。同理

17、生成另一边的。 图3-17卡环槽18进入草图界面，分别绘制如图草图。 图3-18导油孔草图19退出草图界面后，选择“开槽”命令，画出导油孔。 图3-19导油孔20然后选择“圆形阵列”，画出6个导油孔。图3-20导油孔21选择zy界面，绘制肋板草图。 图3-21肋板草图22退出草图界面，选择“凸台”命令，生成肋板。然后选择“镜像”，生成另一边的。 图3-22肋板23将图中所有尖锐部分倒圆角，半径为1mm。4 汽油机的动力计算 课程设计中进行动力计算的目的：掌握汽油机动力计算的方法；确定有关零件的运动、受力情况和轴承载荷情况。要求按曲轴5间隔计算，由计算结果画曲线图。注意：一律以力的实际值计算，不

18、要用单位活塞面积作用力。4.1 活塞位移、速度、加速度的计算 对于活塞位移、速度和加速度的计算，由于周期性，只计算0360度即可。 其中： ，。 根据计算结果画出X、V、a随的变化曲线图4-1活塞位移变化曲线图4-2活塞速度变化曲线 图4-3活塞加速度变化曲线4.2 曲柄连杆机构动力分析4.2.1作用力分析1 基本作用力气体力： 其中 ：取自然计算结果，即修正后的实际缸内压力值，也就是图中的压力值，每个5度曲轴转角取一个；为曲轴箱内的气体压力，近似取100千帕。运动零件惯性力 活塞组换算质量： 实际质量=0.341kg 连杆组换算质量： 按两质量系统考虑mc =0.37 kg l=152 mm 小头换算质量： =0.18kg 大头换算质量： =0.19 kg往复运动惯性力 ：，其中是活塞运动的加速度连杆大头离心惯性力：=3184.65 N2 连杆作用力设 则有：连杆小头气缸中心线方向作用力： 垂直气缸中心线方向（侧压力）：，其中连杆大头曲柄旋转方向（切向力）： 曲柄法