186F活塞组的设计与校核计算

1、武汉理工大学毕业设计武汉理工大学毕业设计本科毕业设计本科毕业设计题 目 186F 活塞组的设计与校核计算_姓 名 专 业 学 号 指导教师 武汉理工大学交通工程系武汉理工大学交通工程系二二一四年五月一四年五月186F 活塞组的设计与校核计算目 录中文摘要.英文摘要.1.前言.11.1 柴油机的工作原理及分类.11.2 国内外柴油机产业的现状与发展趋势 .21.3 柴油机的应用范围与发展前景.31.4 设计的内容及目的.42.186F 活塞组的设计 .62.1 活塞组的工作条件和设计要求.62.2 活塞的结构和材料.72.3 活塞头部的设计.82.3.1 压缩高度的确定 .82.3.2 活塞环槽

2、环岸的参数选择 .112.3.3 环岸的强度校核 .122.3.4 活塞顶的设计 .142.4.活塞环的设计 .152.4.1 活塞环各部份名称及工作条件 .162.4.2 气环的设计 .162.4.3 气环各项数值的确定 .202.4.4 油环设计 .202.4.5 油环的计算 .222.5 活塞裙部的设计.232.5.1 裙部形状设计及尺寸确定 .232.5.2 裙部的尺寸的强度校核 .242.6 活塞销的设计.252.6.1.活塞销的设计.25186F 活塞组的设计与校核计算2.6.2 活塞销尺寸的确定及校核计算 .262.7 活塞销座的设计.282.7.1 活塞销座的工作条件及设计要求

3、 .282.7.2 活塞销座的结构润滑及校核计算 .29总 结.31致 谢.32参考文献.33186F 活塞组的设计与校核计算I186F186F 活塞组的设计与校核计算活塞组的设计与校核计算摘 要活塞在柴油机中是很重要的运动件，它在相当恶劣的工作条件下工作，即高温，高速度，高负荷，润滑和冷却困难。随着柴油机技术水平的提高，以及高速柴油机活塞的开发应用，使活塞必须适应比以前还要恶劣的环境，平均有效压力，最大气体压力和温度急剧上升是其工作环境恶化的表现，如此恶劣的工作环境，使活塞成为柴油机零部件比较常见的故障零件。要想设计出可靠有效的活塞，必须对柴油机进行详细的了解。所以我对柴油机的工作原理，国内

4、外柴油机的发展水平以及发展前景作出详细的说明。分析表明：经过合理的活塞设计，能够有效的提升活塞工作效率的可靠性，以及 186F 活塞刚度的耐久性. 本次设计的任务主要是 186F 活塞组的设计，包括活塞头部，活塞环，活塞销座，活塞裙部，活塞销的设计。其中 186F 塞活塞头部设计是本次设计很重要的一个环节，由于它承受周期性变化的气压力和应力，机械符合高达 62000 牛顿；活塞在气缸内不停做往复运动时，活塞头部承受变高温燃气的作用，燃气温度最高可达 2000-2500 度，并且活塞头部温度分布极不规律，这使得活塞头的热应力分布很不均匀，原因是在 186F 柴油机活塞头有很大的热负荷。考虑到活塞

5、头部的恶劣环境。在对活塞裙部，活塞环，活塞销和活塞销座的设计,更应该加强对恶劣环境的适应性。本次 186F 活塞组设计策划采用耐高温，热膨胀系数小，比重小的共晶铝硅合金材料。尽最大可能减轻活塞机械负荷和热负荷，加强活塞寿命加固活塞耐磨性。关键字：柴油机；活塞；活塞头部；活塞裙部；活塞销；活塞环。186F 活塞组的设计与校核计算II（此毕业设计获得 2014 届优秀毕业设计荣誉，有完整的一套图纸，并且有开题报告、外文翻译，保证让你的毕业设计顺利过关！先找份好的工作，不再为毕业设计而发愁！有需要零件图和装配图的同学请联系 QQ：994166684）186F 活塞组的设计与校核计算IIIDESIGN

6、 CALCULATION AND CHECKING 186F PISTON GROUPAbstract The piston in a diesel engine is very important; it works, in bad working conditions as high temperature, high speed, high load, lubrication and cooling difficulty. With the technical level of diesel engine, and the application of high speed diesel

7、 engine piston, the piston must adapt to the environment is worse than before, the mean effective pressure, the maximum pressure and temperature rise sharply the work performance of environmental degradation, so bad working environment, so that the piston failure parts of diesel engine parts become

8、more common. To design piston is reliable and effective, must carry on the detailed understanding to the diesel engine. So Im on diesel engine principle of work, the level of development of domestic and foreign diesel engines and the prospect to make a detailed explanation of. Analysis shows that: a

9、fter reasonable piston design, reliability can improve efficiency of work piston efficiently, durability and 186F piston stiffness.The design of the main tasks is to design 186F piston, piston head, piston ring, piston pin, piston skirt, design of piston pin.The 186F plug piston head design is a ver

10、y important link in the design, because the gas pressure which are subjected to periodic change and stress, mechanical with up to 62000 Newton; keep the piston do reciprocating motion in the cylinder, the piston head under variable of high-temperature gas, gas temperature can reach 2000-2500 degrees

11、, and the temperature distribution of piston head very not the rule, which makes the piston head of the thermal stress distribution is not uniform, because there is a big thermal load on the 186F diesel engine piston head. Considering the harsh environment of the piston head。The skirt part of the pi

12、ston, piston ring, piston pin 186F 活塞组的设计与校核计算IVand piston pin seat design, should strengthen the adaptability to the bad environment. The 186F planning piston design made of high temperature resistance, low thermal expansion coefficient, eutectic aluminum silicon alloy material, the proportion of s

13、mall. As much as possible to reduce the mechanical load and thermal load of piston, piston piston wears resistance reinforcement strengthening life.Keywords: diesel engine,；piston； piston head,；piston skirt,；piston pin,；piston ring186F 活塞组的设计与校核计算11.前言1.1 柴油机的工作原理及分类 图 1.1 186F 柴油机1892 年鲁道夫发明了柴油机.他是

14、德国著名的发明家.鲁道夫发明的柴油机是以柴油作为燃料。鲁道夫为了纪念自己的发明将柴油机用他的名字命名。柴油机工作时，从气缸内吸入新鲜空气，活塞通过运动对气体进行压缩，当气缸温度达到 550750的高温时，将柴油以雾状喷入空气中，自动燃烧。燃烧释放的能量并作用在活塞顶面，推动活塞并通过连杆和曲轴转换成机械运动。柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走完四个过程才能完成一个工作循环，所以称此种柴油机为四冲程柴油机。 第一冲程是进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当曲轴旋转，在连杆的作用下，活塞从上止点往下止点移动，同时，与曲轴连联的传动机

15、构使进气阀打开，外界新鲜空气充入气缸。第二冲程是压缩。在压缩冲程中活塞从下止点到上止点移动，功能有两个：一是提高空气温度，准备点火燃料；二是为气体膨胀作功创造条件。186F 活塞组的设计与校核计算2 第三冲程是做功。在第三冲程开始时，喷入燃烧室内的大部分燃料都已燃烧了。燃烧时放出大量的热能，因此燃烧室内的气体压力和温度急剧升高，活塞在高温高压的气体作用向下运动，对外作功。随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。第四冲程是排气。排气冲程中将上一冲程留下的废气从气缸内排出，然后充满了新鲜的空气进入气缸，为下一个周期的循环很好的准备。发动机的整个工

16、作循环就依照上述过程重复不断的进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即进气、压缩、做功、排气完成的，故称四冲程柴油机。柴油机种类是极其繁多的，按其不同工作条件有不同的分类，比如按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机（上面柴油机的工作原理我们已经提到） 。按内燃机冷却方式不同可分为水冷柴油机和风冷柴油机。柴油机按燃烧室不同可分为直接喷射式柴油机、涡流室式柴油机和预燃室式柴油机。按发动机的气缸数目可分为单缸发动机和多缸柴油机。按用途可分为船用柴油机、机车柴油机、车用柴油机、农业机械用柴油机、工程机械用柴油机、发电用柴油机、固定动力用柴油机。按供油方式可分为机械高压油泵供油和高压共轨电子控制喷射

17、供油。按气缸排列方式可分为直列式和 V 形排列,水平对置排列,W 型排列,星型排列等。1.2 国内外柴油机产业的现状与发展趋势在第二十世纪 80 年中国柴油机行业也得到了快速的发展，随着大量先进技术的引进，中国的柴油发动机技术已达到在 90 年初发达国家的水平。一些国外的先进技术在国内柴油机生产也有应用，如柴油产品研制生产的排放水平已经达到欧 1 排放限值要求，有些甚至可以满足欧 2 排放限值要求。但是我国整体柴油机产业还存在着很多的问题。在中国年产量逐年递增的重型柴油车是我国柴油机产业的核心力量，中型和小型汽车的增长率在增加。但是轿车还没有柴油型轿车，而且我国的中型柴油产业供大于求，我国的骨

18、干企业所生产的柴油机大多是拟淘汰产品，发展潜力很小。186F 活塞组的设计与校核计算3由于柴油机产业投入较少，所以严重制约了柴油机行业的生产和发展水平。整体水平落后于其他国家十到二十年。很多技术处于研发阶段甚至处于空白阶段。 现代柴油机由于热效率比汽油机高，污染比汽油机小，所以收到了广泛地应用。西欧国家不仅在重型载货汽车上用柴油机，而且轿车也开始越来越广泛地用柴油机提供动力。最近，美国联邦政府能源和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究和大量新技术的运用，柴油机在烟度和噪音上取得了重大的突破，达到了汽油机水平。1.3 柴油

19、机的应用范围与发展前景 柴油机在很多方面都有重要的运用。在航空动力方面：燃气轮机、喷气发动机几乎是唯一的动力装置，它的优点是：重量轻，体积小，结构简单，振动小，有害气体排出量小。但是也存在一些缺点：有热效率低和燃料消耗高等。在陆路交通方面：内燃机的发展，使人类的陆路交通产生了质的飞跃。此后，随着“汽车”的问世，对许多人来说不再是一个不现实的欲望。内河船舶：柴油机几乎是唯一的原始动机。在工程机械方面：因为经济性好，柴油机占绝对优势。在远洋海轮方面，柴油发动机也是动力，原因是最经济。备用电源的应用， “自动化柴油发电机，可以进行远程控制，单元计算机遥测，新的智能化柴油发电机组。使用远程读取界面的控

20、制面板，通过调制解调器和电话线和在他们的机器上实现“三摇”在以前，柴油机给人的映像都是笨重、庞大、大噪音、喷黑烟雾。但是经过多年科研人员的精心研究和国外柴油机产业的刺激。新技术新产品逐渐问世。现在的柴油机已经不在是以前庞大、笨重的样子了。现在柴油机采用电控制喷射，共轨、涡轮增压技术，在重量，噪声消除，烟雾方面取得重大突破，达到了汽油机的水平。柴油机和汽油机在电子控制喷射系统的存在着明显的差异，汽油发动机电子控制喷射系统主要是控制汽油和空气的比例，而柴油机则是通过控制机油的喷油时间来调节负荷的大小。186F 活塞组的设计与校核计算4十一五计划以来，柴油机行业不断调整产业结构，技术升级，优化企业和

21、行业集中度，大大提高资源配置。并且在柴油机企业得到飞速的发展，进行跨行业、跨地域、跨所有制的革新发展。在中小企业、民营经济获得了长足发展。在出口外贸方面，柴油机行业有较快增长，中国柴油机产业逐渐走向国际化。 1.4 设计的内容及目的我的毕业设计的题目是 186F 活塞组的设计与校核计算。毕业设计的任务是对活塞头部、活塞群部、活塞销、活塞环进行缜密的设计与校核计算。186F 中 1 表示的是一缸，86 表示活塞的直径为 86mm,F 是风冷。186F 活塞的属于柴油机活塞。首先，在设计 186F 的活塞之前我们对柴油机进了全面的了解，为活塞设计做良好的铺垫。柴油机介绍包括柴油机的工作原理，柴油机

22、的分类，以及国内柴油机产业的现状和发展前景。然后我对 186F 活塞进行设计。首先，我将活塞分为活塞头部，活塞环，活塞裙部，以及活塞销和活塞销座分别进行设计。活塞头部的设计主要是对活塞顶，火力岸和环带部分具体数值的确定及校核计算。在此说明一点，因为 186F 柴油机是装入微耕机中使用，柴油机工作效率比较高。活塞顶的壁厚是比较厚的，燃烧室凹坑也是比较很深的。活塞环也是本次设计的重点，分别对气环、油环的形状，配合间隙等做出了细致的设计。然后对活塞裙部的形状，高度予以确定，并对其进行校核计算。接下来对活塞销和活塞销座的具体数值进行确定于校核计算。下面是 186F 柴油机的基本参数：表 1.1 186

23、F 柴油机的基本参数发动机类型四冲程，单缸排量 mL418缸径行程/mmmm8672mm压缩比8.5186F 活塞组的设计与校核计算5最大功率及转速/(kW/r.min-1)6.5Hp/3600rpm设计目的通过对 186F 活塞的设计，可以深入的了解 186F 活塞的各部分组成、功用和性能。翻阅大量的资料对 186F 活塞进行合理精确地设计。这也是对我大学四年所学知识的考察和运用。从活塞头部到活塞销座，每一个设计细节都需要自己付出百倍的努力。毕业设计也是培养我独立思考、独立解决问题的能力。186F 活塞组的设计与校核计算62.186F 活塞组的设计2.1 活塞组的工作条件和设计要求图 2.1

24、.活塞示意图活塞是内燃机的重要动力原件它处于高温、高压、高速、润滑条件差的恶劣工作条件下。 （1）机械负荷：活塞受到各个方向的应力和气压力。使活塞发生变形 （2）热负荷：活塞工作的温度很高，活塞顶直接承受燃料燃烧的的高温和热负荷。活塞顶表面温度高达 350左右。（3) 活塞的热负荷应力和热变形会随着活塞的工作环境恶化逐渐增大（4) 燃烧室温度超过 时，活塞头部材料强度下降很快。 C0400300（5)对于温度超过时的第一环槽，容易引起结冷胶润滑油变质，C0220180活塞环卡死等不良现象。与气缸直径和平均有效压力增加活塞热负荷增加。活塞热负荷太高，必须采取降温措施，将通过对活塞热迅速流，使活塞

25、温度降低到允许范围内。高速滑动，润滑不良：一般的活塞活塞摩擦损失的速度增加，活塞式发动机的摩擦损失，摩擦损失占约 50%的所有。活塞组的设计要求（1）活塞与各部分组件良好配合的前提下，应尽量压缩活塞高度，减轻活塞重量。 186F 活塞组的设计与校核计算7（2）保证密封良好，尽量减少摩擦损失。 （3）减少活塞顶吸收的热量，已传给活塞的热量应迅速散掉，保证活塞温度不超过允许极限。 （4）确保引导部分可靠的润滑和需要防止润滑油的流动，降低润滑油消耗。（5）耐磨性好，尤其是第一道环槽。 （6） 。活塞裙部与气缸壁尽可能大的接触面积，但也要防止擦伤和夹紧活塞。 （7）活塞与汽缸的配合间隙小，以减少对汽缸

26、的撞击和噪声，以及使变工况适应性好。 （8）抗拉缸性能强。 （9）易于制造，成本低。近十几年来，就活塞的结构发生了巨大的变化。它们的结构的比较，无论是在活塞环，活塞销的直径，数量，总高度，或在节环，环槽结构，裙状，销座的设计，有非常显著的变化，而且这些改进都是向上述要求迈进的。2.2 活塞的结构和材料根据上述对活塞工作条件和设计要求的总结，以及活塞结构及材料的选择要求如下：（1）活塞应该具有合理的形状和壁厚，足够的强度和刚度，在 300-400 度的的高温工作环境下仍有足够的机械性能，不破坏零件；（2）受热面积小、散热性好。高强度，高功率的柴油机活塞进行适当冷却（3）活塞材料应该是热膨胀系数小

27、、导热性好、比重小，具有较好的减磨性和热强度，耐腐蚀，（4）工艺精美，质量好，廉价。当代汽车的飞速发展，材料的选择直接关系都产品的的质量。柴油机活塞材料有铝合金，铸铁和耐热钢。铝合金的优点是:比重轻，导热性好，工作温度底，温度分布均匀，铝合金的缺点是：热膨胀系数大，当温度升高时，它的机械强度和硬度下186F 活塞组的设计与校核计算8降的较快。灰铸铁的优点是：耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好；灰铸铁的缺点是:比重大和导热性差灰铸铁活塞逐渐被铝合金活塞所淘汰。目前，对于共晶铝硅合金含含硅和过共晶铝硅合金制造铝合金活塞，镍和铜，为了提高稳定性和高温力学性能。加铝合金中的硅含量

28、，可改善活塞表面的耐磨性。186F 活塞选用铝合金材料。2.3 活塞头部的设计图 2.2.活塞结构示意图186F 活塞的头部是由活塞顶和两个环岸、三道活塞环槽够成的，活塞头部是本次 186F 活塞组设计的重点。活塞头部主要作用就是承受气体压力和热负荷，将其头部的热量和气压力，通过活塞销和活塞销传给连杆。与活塞环紧密配合工作头部的设计要点有:1 具有足够的机械刚度和强度。防止开裂和变形。2 温度不易过高，温差必须小，避免产生热变形和热应力。3 尽量紧凑尺寸，因为压缩高度直接影响头部尺寸。2.3.1 压缩高度的确定活塞的压缩高度是是活塞顶到活塞销轴线之间的距离。压缩高度的计算1H公式为 (2.1)

29、3211hhhH186F 活塞组的设计与校核计算9为火力岸高度、为环带高度，为上裙尺寸，压缩高度是由火力岸高1h2h3h度、环带高度、上群尺寸这三部分组成。在设计过程中尽量缩小压缩高度，在保证机械强度的基础上对环岸、环槽的高度及销孔的直径进行压缩设计。1.第一环位置 第一环位置是活塞顶到第一个环槽上边缘的距离。根据 186f 活塞工作实际活塞对压缩高度予以确定，必须先确定第一环的位置或火岸高度。为1h缩小活塞的压缩高度， 。如何确定热岸高度？当然希望火力岸高度尽可能小，经查阅资料总结以下结论:186F 柴油机属于微耕机，所以需要柴油机的功率较大。如果火力岸高度 过小，会使第一环温度过高，就不符

30、合我们设计的初衷。因1h此，火力岸高度的选取应该遵循的原则是：在保证活塞头部能承受最大热负1h荷，第一环槽能承受最高热载量的前提下，尽量取小。一般柴油机，为活塞直径，186F 标准直径为，1(0.13 0.25)hDDmm86则火力岸高度为 (2, 2) mmDh1113. 01一般柴油机活塞有三道活塞环，第一环和第二环都是压缩环，一般称为气环，第三道为环为油环。186F 活塞活塞也选用三道环。2活塞环轴向高度 b 为活塞环槽轴向高度.轴向高度的选择对活塞环与凹槽配合间隙合适程度好坏有着密切的关系。轴向高度b的选择会影响到活塞整体的高度，环槽轴向高度 b 可以尽可能选的小一些，第一，可以减小活

31、塞环的惯性力，第二减轻应力对环槽侧面冲击，第三有利于加强环槽的耐久性。如果选取过小也会使制作工艺困难。一般柴油机气环环槽轴向高度在之间，油环轴向环槽高度在mmb32mmb64之间。根据一般柴油机环槽轴向高度的范围选取 186F 活塞环槽轴向高度如下，mmb.21mmb. 2234bmm186F 活塞组的设计与校核计算103活塞环岸高度c 为环岸高度，186F 选择有两个环岸，因为活塞有三道活塞环。其中第二环岸负荷比第一环岸小，温度也低，所以在环岸选择的时候，第一环岸高度大于第二环岸高度。选取活塞环环岸的高度 时，保证环岸不会被气压力形成的c负荷破坏。发动机环岸计算范围如下，11)5 . 25

32、. 1 (bc 12)21 (bc 柴油机接近下限。所以选取 186F 活塞环岸高度如下：第一环岸高度 (2.3)111.51.5 23cbmm第二环岸高度 211.41.4 22.8cbmm（2.4）环带高度为所有环槽轴向高度与环岸高度之和，计算如下 (2.5)2112232322.8413.8hbcbcbmm 上裙尺寸为活塞头部最低一个环槽到活塞销轴线的距离，最低一个环槽为油环槽。油环在环槽中工作，想要使油环的工作条件良好，而且拥有良好的润滑条件，活塞凹槽应该尽量选小，所以在设计中最低环槽必须在活塞销的外边缘。从上面设计总结可确定活塞的压缩高度。一般柴油机压缩高度1H，选 186F 活塞组

33、的压缩系数为 0.45.DH)0.750.45(1则压缩高度为 (2.6)7 .388645. 01Hmm上面提到压缩高度的计算公式为所以由此公式可得上群尺3211hhhH寸的计算公式如下 (2.7)311238.7-11-13.813.9mmhHhh186F 活塞组的设计与校核计算112.3.2 活塞环槽环岸的参数选择正确设计环带断面对活塞气密性是至关重要的。环带断面的选择直接影响环与环槽的配合间隙的良好程度。环带断面选择合适，对于环和环槽工作之间的可靠性与耐久性十分重要。环岸和环槽的设计首先考虑保活塞、活塞环工作情况，以降低机油消耗量，防止活塞环粘着卡死和异常磨损、减少窜机油为目，进行可以

34、可靠的设计。环槽底过度圆角大小的选择，对活塞环的正常工作影响很大。如果活塞环槽底圆角的圆弧选择过大，会影响活塞环自由进出槽底；如果槽底圆角选择过小，可能会因为应力集中而发生疲劳断裂。槽底圆角一般为，186Fmm5 .02 . 0，活塞槽底圆角选用 0.2mm.活塞在工作时是需要上下不停的做往复运动，如果活塞环岸没有适当的倒角，活塞就不能正常工作。有很大的影响，环槽底圆角的活塞环的正常工作的大小，如果循环活塞环槽底部角落的大活塞槽底自由访问，如果选择环锐边倒角太小，活塞环岸会出现毛刺夜也可能会卡住活塞环，造成严重的泄漏和过热的现象，选择环倒角过大，会使活塞环泄漏增加。一般柴油机的环岸倒角为，18

35、6F 活塞环岸瑞边倒角选用。45)0.502. 0(04508. 0在选择活塞环侧向间隙时，尽量选的小一些。侧隙选的过大，活塞环的冲击力加强，铝合金在高温条件下硬度变低，环槽变宽，活塞不能正常工作甚至报废。如果活塞侧隙选的过小也会是活塞环被环槽粘住而失效。目前，第一环与环槽侧隙一般为；第二环适当小些，为；油环则mm1 . 005. 0mm07. 003. 0更小些，为。一般活塞环的背向隙是比较大的，避免活塞环与槽底06. 003. 0圆角发生干涉现象，一般柴油机气环背间隙为；油环背向间隙为mm9 . 04 . 0.下面是 186F 活塞环气环和油环侧向间隙和背向间隙尺寸的选择：mm17 . 0

36、186F 活塞组的设计与校核计算12表 2.1. 活塞环的侧向间隙和背向间隙活塞环侧向间隙/mm背向间隙/mm第一道环07. 00.5第二道环05. 00.5第三道环04. 00.52.3.3 环岸的强度校核在第三冲程即膨胀冲程开始时，在爆发压力急剧上升，在应力的作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。在节流的影响下，第一环岸上下压力是极不平衡的。第一环岸上面的压力比下面压力大很多，在不平衡力的作用下，1p2p会在环岸根部产生很大的弯曲应力和剪切应力，当应力增大到超过铝合金强度极限，环岸根部就会断裂。186F 活塞组的设计与校核计算13图 2.3.第一环的受力示意图专门的试验表明，当活塞顶上作用

37、最高爆发压力时，maxpmax19 . 0pp ，如图 3.2 所示。max22 . 0pp 已知 （2.8）MPap5 . 5max，MPap95.45.59.01，MPap1.15.52.02环岸是一个厚、内外圆直径分别为、的圆环形板，沿内圆柱面固定，1cDD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:可假定槽底（岸根）直径mmDD4 .77869 . 09 . 0环槽深为：tmmDt38605. 004. 0186F 活塞组的设计与校核计算14于是作用在岸根的弯矩为 (2.9)3max22210026. 02)(4)(DptDDpp而

38、环案抗弯断面系数近似等于 (2.10)7 .64686447. 047. 09 . 06122121DcDc所以环岸根部弯曲应力为 (2.11)21max213max)(0055. 047. 00026. 0cDpDcDp9 .24)386(5 . 50055. 022/mmN同理得剪切应力为： (2.12)33.583865 . 537. 037. 01maxcDP接合成应力公式为： 2683. 539 .24322222/mmN（2.13）铝合金的许用应力 30 402/mmN，校核合格。2.3.4 活塞顶的设计图 2.4.各类活塞示意图活塞的活塞顶类型分为三种，即平顶活塞，凸顶活塞，凹顶

39、活塞。活塞顶的形状主要由燃烧室决定的。平顶活塞主要用于汽油机，非直喷式柴油机。凹186F 活塞组的设计与校核计算15顶活塞主要用于直喷式柴油机但是直接喷射式的高速柴油机，由于混合气形成的需要，活塞顶应设有一定深度的凹作槽为燃烧室.186F 柴油机是直喷式柴油机，故选用凹顶活塞。直喷柴油机活塞顶的厚度是根据结构和工作负荷的考虑，主要考虑活塞的两个条件即传热能力和活塞刚度。一般直喷式柴油机活塞顶厚度范围是 选 186F 柴油机活塞顶厚度如下 (0.1 0.3)D (2.14) mm64.208624. 0除了一个燃烧室，活塞顶还有防止活塞气门干涉的气门凹坑，气门凹坑包括进气阀坑和排气阀坑坑，进气阀

40、凹坑大于排气阀凹坑。活塞顶的厚度已确定，活塞顶燃烧室凹坑和气门凹坑的具体数值如下：燃烧室凹坑的深度mmh5 .124燃烧室凹坑的上圆直径为 mmd384燃烧室凹坑的下圆直径 mmd31.435过度圆角半径mmr11门气凹坑的进气凹坑直径为mmd2 .366气门凹坑的排气凹坑直径为.mmd3072.4.活塞环的设计活塞环是崁入活塞凹槽内的金属环。它是发动机中重要的零件之一，它工作的好坏直接影响发动的的机械效率和性能。活塞环和活塞，气缸套连接在一起，是发动机动力源的一个重要组成部分。随着汽车行业的飞速发展，内燃机向着高效能、高效率、低排放、零污染、高寿命的方向发展。因此，对活塞环质量的要求越来越高

41、，各方面性能都达到良好的作态：如可靠性、经济性、耐高温 ，机械186F 活塞组的设计与校核计算16强度等。 图 2.5 活塞环 2.4.1 活塞环各部份名称及工作条件图 2.6 活塞环各部分名称一般柴油机的最高转速为 4000 转/分，186F 柴油机的转速为 3600 转/分。活塞环需在高转速的环境下工作，而且活塞环线速度达 1014 米/秒。活塞环伴随着活塞在气缸内内上下不停的做往复运动，活塞做功会使气缸内温度急剧升高，即使散热或冷却后，第一环的温度也一直保持在C0300左右。活塞环必须在高转速，高温，高压的环境下保持良好的密封作用；活塞环的工作条件很差，使润滑油膜润滑的工作状态往往是关键

42、的工作，这是很难保持完整性，不完全润滑。2.4.2 气环的设计按其功能可分为气环和油环的两种，气环密封效果好，通常切入到第一、第二环槽。活塞环按其功能作用可分为气环和油环两类分类，气环具有良好的的密封作用，通常崁入第一道环槽和第二道环槽内。油环的主要功用用是使气缸壁的润滑油分布均匀。油环通常崁入第三道环槽内。186F 活塞组的设计与校核计算17图 2.7 各类气环形状结构图气环的断面形状有：矩形环、桶面环、锥面环、梯形环和扭曲环。图 2.8 矩形环结构示意图剖面是矩形的气环称为矩形环。矩形环结构简单，易于加工，足够的密封性是活塞正常工作，与气缸壁的接触面积大，有利于活塞冷却。矩形的磨合性能不是

43、很强，而且在与活塞一起作往复运动时，易把机油挤入燃烧室，产生燃油喷射现象，增加燃油耗。由于矩形环的弊端的太多，所以使用受限制。图 2.9.桶面环结构示意图桶面环的环断面形状不尽相同，大多数桶面环的形状外圆表面呈外凸圆弧形。桶面环的磨合性和对活塞工作环境的适应能力很强。桶面环与气缸壁的接186F 活塞组的设计与校核计算18触方式为是线接触，因为是线接触所以对活塞的晃动适应能力很强。桶面环的优点是对活塞具有良好的润滑能力，密封性良好，而且磨合性也很强。在活塞环的选取中常用作第一道气环。现在柴油机的生产要求越来越高，桶面环常与锥面环串联使用。图 2.10.锥面环示意图锥面环的形状各异，大部分桶面环的

44、形状呈很小的锥面，锥面环与气缸壁接触方式为线接触。锥面环的磨合性好，加大了接触压力。锥面环对气缸壁形状的适应能力也很强。上行时在斜角的作用下，不会引起磨损；活塞下行时，易刮油。图 2.11.直角梯形环结构示意图 图 2.12.等腰梯形环结构示意图在活塞气环的形状设计中为了提高气环的抗结胶能力，梯形环结构就问世了。两侧面都倾斜的气环称为梯形环。当活塞受侧压力位置改变时，环的侧隙就会跟着发生变化，并且可以把结焦从环槽中挤出。梯形环槽处的表面工作温度比矩形环表面温度高 20左右，可以让活塞环在 240250 的高温下下持久工作而不结焦。梯形环的夹角一般在 1020 的范围内。根据活塞环不同形状的各自

45、的特点，186F 活塞环第一环还选用桶面环，第二环选用锥面环活塞材料的选择，随着发动机工作过程的的强化，特别是第一环，承受很186F 活塞组的设计与校核计算19大的冲击负荷，有时会折断，甚至碎成很多小块。所以，第一环的材料除了要求耐热、耐磨外，还应该有高强度和耐高温性。有效的对策是采用坚韧的材料，目前灰墨铸铁甚是流行。球墨铸铁有接近钢的的机械性能。抗弯强度，硬度，弹性模数的范围都很适合选用为活塞环的材料，球墨铸铁中的石墨彼此分离，与灰铸铁相比，可阻碍高温下氧的扩散。因此球墨铸铁的抗氧化性和抗生长性均优于灰铸铁，也优于可锻铸铁。铁素体球墨铸铁的高温抗生长性优于珠光体球墨铸铁。提高硅含量或铝含量可

46、改善球墨铸铁的抗氧化性及耐热性。而且灰墨铸铁的热膨胀系数比较小.在 0100线胀系数1：11.210(-6)/K .在 0200线胀系数 1：12.210(-6)/K. 在0500线胀系数 1：13.510(-6)/K.活塞在 150 度高温条件下工作，活塞的膨胀尺寸为 2mm.所以在设计活塞自由端距及压人活塞凹槽活塞因温度过高产生的膨胀误差需重点考虑。铸型要有高的紧实度，以使铸型有足够的刚度以抵挡球墨铸铁共晶凝固时的共晶膨胀力。合理设置浇冒口。球墨铸铁的冒口与普通钢及白口铁不同，球墨铸铁冒口设置的合理性在于它能够充分增补铁液的液态收缩，而当铁液进入共晶膨胀阶段时，浇注系统和冒口颈及时冷冻，使

47、铸件利用石墨析出的膨胀进行自补缩。 这种铸铁用于制造受力较大而又承受振动和冲击的零件。目前在国外一些用离心铸造方法大量生产的球墨铸铁铁管也是铁素体，并能承受地基下沉以及轻微地震所造成的管道变形，而且具有比钢高得多的耐腐蚀性，因而具有高的可靠性及经济性。所以活塞环的材料选为球墨铸铁。根据 186F 活塞环的工作条件，截面形状的设计要求是：第一，密封性能必须好，特别是在活塞环工作条件极其恶劣的时候不易漏气；第二，磨合性能要高，保证活塞持久、耐用。第三，刮油能力要强、保持活塞的良好润滑；第四，提高抗损伤性，要有良好的刚度和强度，避免出现熔着磨损，活塞186F 活塞组的设计与校核计算20环拉缸等不正常

48、磨损的现象 1。根据各类活塞环断面形状的介绍结合活塞环的设计要求及其各自环断面的优缺点，186F 柴油机活塞组设计第一道气环选用桶面环， ；第二道气环采用锥面环， 2.4.3 气环各项数值的确定1.承压环的确定按径向压力不同，活塞环可分为三类：高压环，用于转速特别高的发动机，就国内而言；中min/45003600rn 压环，用于高速柴油机或一般汽油机，；低压环用于转速min/36002000rn 在 2000 转/分以下的低速、大缸径柴油机。186F 柴油机活塞环转速为所以选用中压环min/3600r2.气环径向厚度的确定上面我们选择两道气环的背向间隙都为 0.5mm.一般柴油机气环的厚度为，

49、186F 活塞的环槽深为 3mm 所以选择两道气环的厚度均为mmt. 32mmt5 . 213.气环轴向宽度的确定气环的轴向宽度分别为43,bb我们已确定第一道活塞环侧向间隙为 0.07mm.所以选择从、第一道气环的轴向宽度mmb93. 13；第二道活塞环侧向间隙为0.05mm， 所以第二道活塞环的轴向4.气环的自由端距的确定活塞自由端距用表示，是指活塞环没装入活塞的卡槽内自由端的开口距0S离。一般柴油机自由短距离在。186F 活塞环自由端距为 5mmmm845.气环端隙的确定，气环的端隙又称为气环的开口间隙，是气环卡入活塞槽内端口的间隙。端口间隙越小越好，因为间隙越小活塞环的密封作用就越好，

50、186F 活塞的端口间隙为=0.0012mmtDd14. 3186F 活塞组的设计与校核计算212.4.4 油环设计1油环形状的确定油环的功用是刮掉活塞上一行程留在汽缸壁上多余的机油，并在汽缸壁上铺涂一层均匀的机油油膜，为活塞下一行程做准备。这样可以迅速防止机油窜入汽缸内被燃烧，良好的润滑减少气缸内的磨损。油环有整体式和组合式两种。整体式油环包括：外阶梯倒角油环环、鼻形油环、开槽油环；组合式油环分为：弹簧胀圈油环、钢片组合油环等。如图所示： 钢片组合油环图 2.14.各类油环结构示意图（1）梯倒角油环外阶梯倒角油环广泛应用于缸径加大的柴油机，使用在向下刮油和布油环，效果很理想。（2）鼻形环切口

51、呈鼻形外切扭曲环。作为中速发动机的向下刮油环。钩形切口保证了刮油边尖角的竖实性和不变形侧面接触宽度。（3）开槽油环在平行的两个侧边，有两个接触环，并有回油环和回油孔。由由于窄环，外阶梯倒角油环 鼻形油环 开槽油环 弹簧胀圈油环186F 活塞组的设计与校核计算22可以获得高的压力的油环是最常见的。它通过回油槽把刮油带一分为二，根据实际应用需求，想改变油环表面接触压力和刮油效率需要通过控制刮油带的宽度（4）弹簧胀圈油环在油环背面增加多形式的弹簧，称为弹簧胀圈油环，弹簧胀圈油环的结构型式有很多种。螺旋弹簧由方形或圆形截面的钢丝制作，环的接触压力通过弹簧扩胀作用而获得。衬簧可以增加、均匀环的压力，使环

52、弹性稳定，促使活塞油膜均匀、磨损下降。为了减少油环，螺旋环接触表面的磨损，可以将衬簧和环背面设计成镀铬抗。该环广泛用于高速发动机。(5)钢片组合油环图 2.14 钢片组合油环钢带组合油环由上刮片、下刮片和轨形撑簧组合构成的一种先进的组合油环形式。撑簧的作用是不光使刮片与气缸壁贴的很紧，而且还使刮片与环槽侧面贴的很紧。该组合油环的优点是接触压力大，既可以提高刮油能力，而且还可以防止窜油。除此之外，上刮片和下刮片能单独工作，钢片组合油环的适应能力强。但制作材料需优质钢，成本高。经分析，186F 活塞组设计油环选用钢片组合油环，因为钢片组合油环刮片与气缸壁贴紧， ，刮片与环槽侧面也贴的很紧，这样加强

53、了刮油能力及工作耐久性，能够满足其工作要求。2.4.5 油环的计算 1.承压环的确定按活塞环承受的压力不同，活塞环可分为三类：高压环，用于很高转速的186F 活塞组的设计与校核计算23的内燃机，转速范围是；中压环，用于高速柴油机或一般min/45003600rn 汽油机，；转速低于 2000 转/分的内燃机为低压环一般用min/36002000rn 在大缸径柴油机上。186F 柴油机活塞环转速为所以选用中压环min/3600r2.钢片组合油环径向厚度的确定确定径向厚度，因为上面我们已经确定油环的恻隙和背隙。选择油环背2t向间隙为 0.5mm，186F 活塞的油环槽深为 3mm，所以选择油环的径

54、向厚度为. mmt5 . 223.钢片组合油环轴向宽度的确定钢片组合油环是由上刮片、撑簧和下刮片构成的。油环的轴向宽度.我们5b已确定油环侧向间隙为 0.04mm.油环的环槽高度为 4mm,所以选油环的轴向宽度，上刮片和下刮片的尺寸是相同宽度都为 0.94mm, 撑簧的宽度为mmb96. 351.88mm.4.钢片组合油环自由端距的确定活塞自由端距用表示，是指活塞环没装入活塞的卡槽内自由端的开口距0S离。一般柴油机自由短距离在。186F 活塞环自由端距为 4mmmm842.5 活塞裙部的设计2.5.1 裙部形状设计及尺寸确定活塞裙部是指活塞头以下的部分活塞，不过不包括活塞销和活塞销座。裙部的形

55、状选择首先应该考虑在气缸内应该起到良好的导向作用，其次考虑活塞应该与气缸壁保持均匀的、适宜的间隙。间隙过大活塞敲缸，间隙过小活塞可能被气缸卡住。另外活塞应该有良好的承受侧向力的能力。活塞工作的温度很高，活塞裙部受热易变形，表现为活塞销孔轴线尺寸的增加。活为了避免活塞裙部的变形，尽量减少活塞头部传给裙部的热量，另外应该将活塞裙部横断面设计为椭圆形。活塞裙部主要承受侧向压力 。活塞裙部的表面比压一定要控制在一定的范围内，确保活塞裙表面有一定的润滑油膜。因此，再设计活塞裙部的长度应首186F 活塞组的设计与校核计算24先要考虑是否有足够的承压面积，尽量减少磨损。186F 活塞群部设计长度如下：活塞的

56、头部高度为活塞总高为 79mm,所以活塞裙部的长度mmhh8 .2421尺寸为 54.2m.活塞裙部的椭圆半径为 r=56.14mm活塞椭圆裙部的过度圆角为 r=1.5mm椭圆裙部圆弧长为 80.49mm椭圆裙部最低位置的长 24.5mm活塞裙部的配合间隙对活塞润滑起到至关重要的作用。合理选择活塞群补配合间隙，经过大量查阅资料查出活塞裙部和气缸套配合间隙在 0.130.195 毫米范围内。所以选 186F 活塞裙部配合间隙为 0.15 毫米。 图 2.15.活塞销裙部的椭圆形状示意图 2.5.2 裙部的尺寸的强度校核裙部单位面积压力（裙部比压）按下式计算：186F 活塞组的设计与校核计算25

57、2maxDHNq （2.15）式中：最大侧作用力。maxN活塞直径；D-裙部高度 ； 2H活塞在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（与竖直方向）达到最大值，而10 2=F114zzpDp（2.16）式中 活塞投影面积；D气缸直径；气缸内工质的最高燃烧压力（巴，1 巴=） ，一般柴油机为zp510a巴。9060取=75，则 186Fzp (2.17)NPNz87.65501763. 05 .3715710tan0max取20.630.63 8654HDmm (2.18)MPaq4 . 1548687.6550一般发动机活塞裙部比压值约为，所以设计合适。MPa5 . 15

58、 . 0186F 活塞组的设计与校核计算262.6 活塞销的设计2.6.1.活塞销的设计 图 2.16 活塞销活塞销，是装在活塞裙部的圆柱形销子，是活塞与连杆连接的枢纽，把活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞的工作环境温度是很高的，活塞销需要承受很大的冲击力，而且活塞销的销孔内的活动空间很小，很难形成油膜，所以润滑条件很差。活塞销为了应对恶劣的工作环境，即高温、高压、高负荷；活塞销务必要具有良好的刚度、强度和耐磨性。另外在活塞销设计时要注意活塞销质量尽可能销小，销与活塞销孔应有良好的配合间隙。2.6.2 活塞销尺寸的确定及校核计算以前，活塞销的尺寸是通过销本身的允许应力、刚度、强度弯曲变形确定的

59、。这样设计的活塞销本身是能保证可靠的供暖工作的，除非材料有缺陷活淬硬层过后时才招致损坏。但是随着发动机的飞速发展，活塞形式不断创新，活塞销与活塞销座开始相互发生故障。这是因为两种截然不同的两种材料相互配合工作造成的。因此，为了保证活塞销、活塞销座能稳定可靠地工作，我们必须选择两种合适的材料，使活塞销与活塞销座配合工作时不易发生问题。首先我们就从限制活塞销的弯曲变形入手，由此决定活塞销的外径尺寸，活塞销圆心轴线与活塞中心线向右偏移 1.5mm。1.186F 柴油机活塞销设计尺寸确定决定销尺寸时，按计算项目重要性的排列次序如下：186F 活塞组的设计与校核计算27活塞销的弯曲变形；活塞销的椭圆变形

60、；销座上的表面压力；活塞销的应力。当然它们共同的前提是是销座重量尽可能减轻。活塞销设计成为中空的圆柱形，所以挖去芯部可减轻活塞销的重量，强度降低较少，而刚度较低更少。下面来根据允许的弯曲变形来选择销的外径，为使计算简化并具有普遍1d性，假定：活塞销上负荷分不是：在连杆小头中是均匀负荷，在活塞销座上是作用在支撑面中点的集中负荷。，即连杆衬套与销座表面上平均比压相等；lBB5 . 01活塞销长度，则活塞的弯曲变形2221DdDl (2.19)mmDpfz84423210)1 ()1 (5 . 4统计表明柴油机 186F 活塞选65. 055. 055. 0一般柴油机， 选38. 025. 01Dd