活塞组的结构设计与计算 2

1、目 录摘 要IIIAbstractIV1 前 言1选题背景和意义11.2 论文的主要工作12 95系列柴油机活塞的设计2活塞的工作条件和设计要求22.42.1.2活塞组的作用与特点52.1.3活塞的润滑52.1.4设计要求6活塞的材科6活塞头部的设计7压缩高度的确定7活塞顶和环带断面9环岸的强度校核9活塞头部与气缸的配合11提高活塞头部及第一道环工作可靠性的结构措施11活塞裙部的设计12裙部的尺寸和稍孔的位置12裙部的膨胀控制13活塞裙的配合间隙143 95系列柴油机活塞销和活塞销座的选型设计15活塞销和销座的强度和刚度15活塞销尺寸的确定15活塞销座的设计17活塞销和销座的耐磨性17承压面积

2、17配合间隙和润滑18活塞销的结构、材料和工艺184 95系列柴油机活塞环的设计19活塞环的工作情况19活塞环的密封作用19活塞环的不正常运动颤振20活塞环的计算21均压环的自由形状21活塞环的弹力、应力与结构参数的关系23活塞环参数的选择与验算25活塞环材料的检验25活塞环断面形状的设计26桶面环26扭曲环26锥面环26油环的设计27普通槽孔式油环28弹簧胀圈油环28钢片组合油环295结 束 语30谢 辞31参考文献32摘 要柴油机活塞是柴油机重要运动件之一, 由于它所处的工作条件相当严酷, 即高温、高负荷、高速运动、润滑不良和冷却困难等, 使其成为柴油机常见故障较多的零件之一。随着柴油机技

3、术水平的提高,高速柴油机活塞的研制和运用, 气缸内平均有效压力、最高燃气压力和温度均急剧地提高, 使活塞处在更严酷的工作环境中。活塞已成为柴油机强化的一个最大障碍。这就给设计高速柴油机活塞的人员提出了一个这样的课题, 如何在提高发动机性能的前提下, 提高活塞工作的可靠性和耐久性。分析表明：通过合理的活塞设计，可以有效的提高活塞工作的可靠性，以及活塞的耐久性，充分发挥180F柴油机活塞的耐久性。本次设计的任务主要是180F柴油机活塞组的设计，包括活塞头，活塞环，活塞销座，活塞裙部，活塞销的设计。其中180F柴油机活塞活塞头部设计是本次设计重中之重，因为它承受周期性变化的气压力直接作用，机械符合高

4、达62000牛顿的机械负荷；活塞在汽缸内工作时，活塞头部承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度高达2000-2500度，而且活塞头部温度梯度分布极不均匀，这就造成活塞头部热应力分布不均，180F柴油机活塞组头部承受极大热负荷。本次设计活塞头部通过采用耐高温，热膨胀系数小，比重小的共晶铝硅合金材料以及合理的头部高度设计，将有效减轻活塞机械负荷和热负荷，增强活塞寿命以及耐磨性。关键字：柴油机；活塞；活塞裙；活塞销1 前 言活塞组主要用于发动机，它的工作情况在很大程度上影响了发动机的工作可靠性和使用的耐久性。活塞组要求有可靠的密封性，从而保证活塞式发动机的正常运转。活塞组包括活塞、活塞销和活塞环。其

5、中活塞的设计是本次设计的重要内容。由于活塞组零件工作的条件都是在高温情况下，并且在很高的机械负荷下做高速滑动。同时由于周期性运动中连杆产生摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞还受一个交变侧压力，致使活塞不断撞击缸套，常导致活塞裙部变形。一般的活塞设计要在保证强度和刚度的情况下，向着结构简单、轻巧，且截面变化处的过度要圆滑，从而减少应力集中1。现代发动机向着大功率高负荷方向发展，在高强度情况下更容易磨损，提高活塞组零件的工作可靠性和耐久性至关重要。本次设计基于此，活塞的设计是本次设计工作的重中之重。1.2 论文的主要工作（1 180F柴油机活塞组的工作条件分析和设计；（2）180F柴油机活塞的

6、结构设计与计算，包括活塞设计要求，材料选择，活塞头部的设计与计算（压缩高度的确定，活塞顶和断面的设计，环岸的强度校核，头部与汽缸的配合等），活塞裙部的设计与计算；（3）180F柴油机活塞销和活塞销座的结构设计与计算，包括活塞销和活塞销座的尺寸确定，材料选择，强度和刚度计算；（4）180F柴油机活塞环的结构设计与计算。2 180F柴油机活塞的设计图2-1 活塞的受力简图活塞组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达到最大值P P=F (p-1)= D (p-1)10（牛顿） （2-1） 式中F活塞投影面积(厘米)；D气缸直径(毫米)；p气缸内工质的最高燃烧压力(巴)，可由

7、实测发动机示功图得出。柴油机为6090巴。直径为80毫米p7.8MPa的柴油机活塞顶上就作用着高达62000牛顿的气压力。可见活塞的机械负荷很大，它使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一道环岸断裂等等。有时与它相配合的活塞销也会因此而卡死或断裂。目前发动机向高速发展活塞组的最大惯性力一般已达活塞本身重量的10002000倍(汽油机)和300600倍(柴油机)。周期性变化的惯性力引起发动机的振动，并使连杆组、曲轴组零件特别是轴承负荷加重，导致发动机耐久性下降。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

8、简便、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中采用强度低比重小的材料1。.2活塞组的作用与特点一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装

9、活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。 活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。汽车中有上万个零件，大至如曲轴、变速箱

10、体，小至弹簧垫圈、螺栓螺帽。每一个零件都有它的作用，象活塞环这样的“小不点”，从形状上看似简单，重量很轻，价格也很便宜，但作用却非同小可。缺少了它固然汽车动弹不得，甚至它有一点什么小毛病，汽车也会不正常，要么耗油大，要么动力不足。在整个活塞组与气缸的配合中，活塞组中真正与气缸缸壁接触的是活塞环，它填补了活塞与气缸壁间的空隙，以封闭燃烧室，因此它也是发动机中最容易磨损的零件。活塞环一般由铸铁做成，有一定弹性，截面有多种形状，表面有涂层以增加磨合性能。当发动机运转时活塞会受热膨胀，因此活塞环有开口间隙，安装时为了保持密封性，要将各活塞环的开口间隙位置错开。一个活塞往往有三至四个活塞环，它们按照作用

11、的不同，分为气环和油环两大类。气环装在活塞头部上端的环槽内，用来防止漏气，将活塞头部的热量传递到气缸壁，疏散活塞的热量。油环的作用是防止润滑油窜入燃烧室，将气缸壁上过量的润滑油刮回到油底壳，它安装在气环的下方环槽内。只要保证密封功能的要求，活塞环数目少比数目多好，活塞环数目少既保持了最小的摩擦面积，减少功率损耗，又缩短了活塞的高度，相应也就降低了发动机的高度，目前高速汽油发动机一般是两道气环和一道油环。活塞本体结构型式可分为整体式和组合式；按有无专门冷却介质冷却可分为冷却式活塞和非冷却式活塞。中小型柴油机多用筒形非冷却式整体活塞。 特点：顶板与圆周壁有较大的过度圆弧，且有较厚尺寸，使热流有较大

12、的传递截面。这种活塞对活塞环的传热可靠性要求较高；多用铝合金（如ZL109等）制造，它导热好，活塞温度分布较均匀，热应力小，质量小，往复运动惯性力也小；为防止高温时头部与缸壁大面积接触和低温时因间隙过大而漏气太大，往往在头部制有螺纹外圆等结构。随着功率及最高爆发压力的提高，活塞的热负荷越来越大，特别在大型低速机中，一般都采用冷却式活塞，且较多采用铸铁薄壁结构或铸钢铸铁组合活塞。筒形活塞利用润滑油冷却的型式有图多种形式。有从连杆小端向活塞顶壁内侧喷出压力润滑油。有从设置在曲轴箱的压力油管对活塞喷油冷却，有活塞长裙壁中钻油孔将压力油引入活塞冷却腔，还有活塞头部埋设（铸设）冷却盘管。还有从连杆经活塞

13、销上油孔至活塞顶部冷却腔，由于冷却油不充满油腔，故在活塞作变速往复运动时，油腔中润滑油产生振荡，对活塞振荡冷却。十字头式采用润滑油冷却活塞实例。其结构由活塞头1、活塞裙3用柔性螺栓6紧固于活塞杆4而形成。用固定在活塞上的油管将曲轴箱压力润滑油引入活塞顶内膛腔，振荡冷却后由较高的出油管泄入曲轴箱。结构特点：顶较薄，内外温差应力较小，顶板下有8根径向加强筋，这样形成薄壁强背结构型式，使冷却效果提高。活塞顶壁与圆周壁面过度圆角厚度也小，热量由顶壁传向圆周壁较少，使活塞环温度不高。活塞头部装有五道气封活塞环，活塞裙部装有四道青铜承磨环，用以改善裙部与气缸套磨合性能。活塞裙较长，保证活塞在上止点时遮闭进

14、排气口。组合式结构，顶部用耐热合金钢，裙部用耐磨合金铸铁制造，这样使材质合理使用，制造简化。活塞顶与裙部用柔性螺栓从裙部倒拧入活塞顶，细长螺栓采用球面垫圈，使螺栓抗疲劳强度提高，防止因对中误差造成的螺栓附加弯曲力矩。活塞顶与裙部安装支承面必须精密加工并拂刮，使接触面积大于85；活塞顶外圆圈与裙部接合部位轴向间隙将影响到工作后活塞顶的变形及应力分布，故有明确规定。 在大功率中高速柴油机中，近几年开始应用新型整体的铸铁活塞。它用球墨铸铁制造、壁部较薄，也称“薄壁球铁”活塞。其结构特点如下：采用薄壁桁架结构，依靠设在顶壁的筋肋来承受最高燃烧压力。因刚度大质量小，已与钢顶铝裙组合活塞质量接近。活塞销座

15、与活塞顶壁用筋肋与活塞销毂水平方向筋肋相联，最高爆发力经筋肋传给销座而不影响裙部围壁。这种悬挂式弹性销座使活塞裙部可以做成薄壁圆筒。冷却油腔做得较大，振荡冷却效果显著。与缸套配合间隙仅为铝合金活塞的一半，且冷热态几乎一样，活塞对缸套晃动、敲击得以防止和减轻2。 活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动(活塞平均速度已高达12米秒)，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大(活塞组的摩擦损失约占发动机全部摩擦损失的40），磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。由于活塞在不同工况下具有非常不同的温度，所以在不同工况下始终保持最佳的配合间隙成为十分复杂的问题。 活塞是在高负荷、高温、高速、润滑不

16、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地散走；（6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。当进行活塞的结构设计时，应着重解决的问题是：（1）改善活塞顶及第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结、卡死和过度磨损；（2）改善活塞销和销座的实际承载能力

17、，减少磨损，防止破裂；（3）确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减小配缸间隙，改善磨损并使运转平顺2。 根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求： （1）热强度高。即在300400C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(即与缸套材料间的摩擦系数较小)，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，到目前为止，还没有一种能全面满

18、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。所以，选铝合金作为活塞材料。在活塞式发动机中，灰铸铁由于耐解性、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。在更严重的负荷条件下，则用珠光体可锻铸铁、珠光体球墨铸铁等。在强化发动机中可以来用镀锡铝合金活塞。共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，既可铸造，也可锻造。含硅9%作用的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能良好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广3。根据以上分析，本次180F柴油机活塞组活塞材料选用共晶铝硅合金。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

19、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H缩短l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H则直接受头部尺寸的影响。活塞压缩高度H(图22)系由火力岸高度h1、环带高度h2和上裙高度h3三部分组成的。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H。. 图

20、2-2 95活塞的设计尺寸（1）第一环位置根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸的高度h1。为缩小H，当然希望h1尽可能小，但h1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。一般柴油机h1=（0.150.25）D=1220， 选h1=0.2D=16毫米（2）环带高度为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。般气环高b23毫米，油环高b46毫米,选第一气环高b=第二气环高b=3毫米，油环高b=6毫米，环岸高c=4毫米，c=3毫米。（3）活塞环数活塞环数目对活塞头部的高度H 1有很大

21、影响。因其转速为3000r/min为高速柴油机，因此选2道气环，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H最后决定于活塞销轴线到最低环槽（一般是油环槽）的距离h3 (图22)。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。活塞销上面裙部长度对于活塞裙部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h3小些也无妨。不然，就希望h3适当大些4。 一般柴油机H=（0.60.8）D，选H=0.7D=56毫米；所以h3=H h12b c c = 20毫米。(1)活塞顶活塞顶的形状主要

22、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、加工最简单的活塞顶形状，即平顶。大多数汽油机正是采用乎项活塞，非直接喷射的高速柴油机，也采用平顶或接近平顶的形状。铝制活塞顶部的最少厚度，柴油机，选=0.15D=12毫米；(2)环带断面与环槽尺寸为了使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，应保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚，其平均值=（23），本次180F柴油机活塞组设计选=0.77D=毫米， ；=3.9毫米,=9.75毫米。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p比下面压力p大得

23、多(图23)，不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪切应力，当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，专门的试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力p=7.8MPa时，p= p=MPa，p=MPa。图2-3 第一环岸的受力情况环岸是一个厚度为c,内外圆直径为D、的圆环行板，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计算。(p-p)(D-)D而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于cD所以环根部危险断面上的弯曲应力 =()()同理得剪切应力 ()按合成应力公式 =而环岸根端面的抗弯断面系数近似等于 所以环岸根部危险断面上的弯曲应力 =

24、同理得剪切应力 c x p按合成应力公式 =17.16MPa 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。计算得在此范围之内，所以本次180F柴油机活塞组设计符合要求。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=250 ，=100 。再令膨胀系数=20，=10则当D=80毫米时，按公式有： 80这是与实际发动机统计数据相符的。在强化的柴油机

25、活塞工作过程中，随着热负荷的增加，顶部的稳态及循环热应力会引起热疲劳裂纹，而第一环也是经常发生故障的薄弱环节，诸如粘结、卡死、严重磨损、弹性松弛等情况，对此必须予以重视，一般可采取以下结构措施来改善：（1）将活塞头部设计成具有良好导热能力的变截面所谓“热流型”。尽量降低热应力，并且不使热量过多地集中在第一环。（2）在第一环槽或燃烧室喉口，铸入耐热护圈，以增强环槽的耐磨性，防止喉头开裂。此时，允许稍增大环的侧隙，有利于防止环的粘结和卡死。（3）活塞在上止点时，第一道活塞环应处于良好的冷却区域。如水冷式发功机活塞第一环位置不高于水套冷却水区域。对风冷发动机则应保证第一环处在有足够放热筋片地区域。（

26、4）减小活塞头部与缸套的配合间隙，使活塞顶所接受的热量有一部分直接通过环岸传给缸壁，改善活塞头部及环的热负荷。（5）第一环采用梯形环，以防粘结。（6）在活塞第一环槽上方车隔热槽，使部分热流偏离第一环，减轻其热负荷。（7）在活塞顶部喷镀陶瓷或进行硬膜阳极氧化处理，形成高硬度的隔热层，增加了热阻，减少头部吸收的热量。（8）对活塞头部采取冷却措施。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P(图21)。所以裙部的设计要求，是保证活塞得到良好的导向，其有足够的实际承压面积，能形成足够厚的润滑油膜。既不因间隙过大发生敲缸，引起噪音

27、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，活塞裙结构设计中的基本思想，是如何在发动不同工况下始终保持它与气缸间有最合适的间隙。但是因为活塞材料铝合金的热膨胀系数比较大，在发动机从冷起动到全负荷甚至超负荷运转的不同工况下活塞的工作温度又在很大幅度内变化，所以要完全实现上述要求是不容易的7。活塞裙部是侧压力P（图21)的主要承担者。为保证活塞裙表面能保持住必要厚度的润滑油膜，其表面比压p不应超过一定的数值。裙部的长度H(图22)影响活塞工作的稳定性、噪音和耐久性， 目前一般就根据p来估计 =式中 P最大侧压力(牛顿)； F活塞活塞裙投影面积（厘米)。在考虑活塞裙长度与活塞销位置

28、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P的作用线与活塞膨胀冲程时油膜合力R一致，则沿滑块就可在现代发动机活塞裙许用比压p=612巴(高速柴油机)。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。故本次180F柴油机活塞组设计选裙部长度H2 选取H2时应是裙部比压在许可范围内H2/D的范围一般如下综合考虑取0.65既裙部长0.65x80=5239因此，在设计活塞裙时一方面必须尽量减少从活塞头部传给裙部的热量，采用膨胀系数小的材料或采用限制膨胀的专门措施；另一方面使括塞裙部的形状与活塞的温度分布、金属分布相适应，与机械变形造成的失圆相适应。根据上述

29、认识，在生产实践中采取下列三类结构措施。（1） 横向绝热槽和纵向补偿槽在活塞裙上端，或者最下面一道油环槽底加工出横槽，以减少从活塞头部传到裙部的热量，降低裙部的温度。与此同时还在活塞裙的次推力面上加工出纵向(带不大的斜度)直槽使裙部有一定的弹性。直档与上述横糟成T形或成倒u形，而在非推力面的销孔出口附近铸有深0.51毫米的凹陷面。（2）椭圆裙活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多，为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙，不致在销孔附近卡住，在设计时把裙部做成长轴位于垂直销铀方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆形（图2-4a,b）。图2-4 典型活塞裙部椭圆形状公式 e=(1-cos2)式中 D、d分别是

30、椭圆的长短轴。修正公式 e=(1-cos2)+(1-cos4)式中 活塞裙部和气缸套配合标准间隙为0.130.195毫米。故180F柴油机活塞组设计选配合间隙为0.16毫米。3 180F柴油机活塞销和活塞销座的选型设计活塞工作时顶部承受很大的气压力，它们全部通过销座传给活塞销，再传到连杆。因而，活塞销与销座必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。其中活塞销的刚度有着关键意义，如果纵向刚度不足，则引起负荷分布不均匀，使销座疲劳破坏，导致活塞纵向开裂横向刚度不足，使销的失圆变形过大，润滑油膜遭受破坏，引起活塞销咬住8。（1）180F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

31、如下：活塞销的弯曲变形；活塞销的椭圆变形；销座上的表面压力；活塞销的应力。如图:根据180F系列柴油机活塞销的工作条件故180F系列柴油机活塞销设计选d=0.37D=毫米；d=48毫米；l=0.84D=毫米；l=毫米；B=毫米；=B+2=毫米；公式 得 R=24.34毫米； e=2.72毫米。 图3-1 柴油机活塞销结构1活塞 2活塞销 3连杆 4连杆小头油孔 5活塞销座油孔（2）应力计算活塞销的应力是纵向变形所产生的纵向弯曲应力勺销的横断面失圆产生的横向弯曲应力的组合。活塞销的纵向弯曲应力可表示为 （牛顿/毫米）活塞销的横向弯曲应力*（牛顿/毫米）由于总弯曲应力=，因此 =295（牛顿/毫米

32、）算出的总应力应在200400牛顿/毫米范围内。计算得出在范围之内，所以符合要求。活塞工作时顶部承受很大的气压力，它们全部通过销座传给活塞销，再传到连杆。因而，活塞销与销座必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。其中活塞销的刚度有关键意义，如果纵向刚度不足，则引起负荷分布不均匀，使销座疲劳破坏，导致活塞纵向开裂横向刚度不足，使销的失圆变形过大，润滑油膜槽受破坏，引起活塞销咬住。要尽量提高销座的实际承裁能力，就须使它适应活塞销的变形，这一适应能力与下列三个因素有关：（1）活塞销座的可变形长度。它决定于销座轴线到活塞顶的距离，即活塞压缩高度H；（2）活塞销座的结构和它的壁厚比；（3）活塞材料及其

33、状态。活塞的压缩高度H=56毫米活塞的结构改进，首先是改变加强筋的结构形式，另一个结构措施是在销孔内压入衬套，这就在活塞销直径不变的前提下，提高了销座的实际承载能力9。本次设计选用铝合金做材料。活塞销和销座无疑是发动机中工作情况最恶劣的轴和轴承。一是负荷很大而承压面积很小；二是运转时活塞销与销座(或连杆衬套)之间只在不大的角度内相对摆动，无法形成充分的油膜；三是温度可达到150C左右，润滑油性能下降；四是由于前面分析过的变形，压力分布很不均匀。因此要保证工作可靠，必须在承压面积、配合间隙、摩擦表面质量等方面进行详细的研究10。一般销的全长实际上为l=(0.70.85)D,本次180F柴油机活塞

34、销选L=0.84D=毫米，因此销座的承压面积 Fd=毫米连杆衬套承压面积 Fd=毫米活塞销和连杆衬套配合标准间隙为0.0350.057毫米。本次设计选配合间隙为0.046毫米。摩擦速度较小，润滑间隙也较小，不需要大量机油进行润滑，只要能维持薄层油膜就行。3.3活塞销的结构、材料和工艺活塞销的结构，正如前面所指出的，为了在最轻的重量下获得最大的刚度，一般都呈中空的圆柱形(图32a)，柴油机活塞销由于负荷大，外径很大，而壁厚考虑到失圆变形问题也不能太薄，因而往往很笨重。但是实际上销座的负荷是向外逐渐减小的，所以在销座长度内活塞销的壁厚可以向外逐渐减小，而不致使失圆变形超出允许值，因此，为了减轻重量

35、，柴油机活塞销内孔应制成锥形的(图32b)，但是锥孔部分不应该延伸到活塞销中央，而应只比销座支承长度稍深一些，销端部的最小壁厚可以减小到原壁厚的一半。故本次180F柴油机活塞销设计，活塞销的材料选用高级合金钢。制作工艺使用冷挤压的加工工艺。95系列高速柴油机活塞销结构4 180F系列柴油机活塞环的设计活塞环是内燃机关键零件之一，活塞环工作的好坏直接影响发动机性能。按其功用不同，活塞环可分为气环与油环两类。气环的主要作用是与活塞一起密封气缸工作腔。在实现密封的条件下，环的另一作用是将活塞头部热量导出。因为活塞环一旦密封失效，大量高温燃气从活塞与气缸间的缝隙中窜出，不但活塞从顶面接受的热量不能借助

36、活塞环传给气缸壁，而且活塞外圆表面和活塞环的全部表面还被燃气强烈加热，最后可能导致活塞和活塞环烧坏。所以对气环的根本要求就是保证密封。油环的主要作用是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并避免多余的润滑油窜入燃烧室，造成积炭和增大润滑油消耗量。图4-1 活塞环所承受力 图4-2 通过环系的漏气通路Pr径向不平衡力 Pa轴向不平衡力气环要有良好的密封作用，首先应以一定弹力P与气缸壁压紧，形成所谓第一密封面(图41)，使气体不易通过环周与气缸之间， 而钻入环与环槽间的空间。由三个气环组成的迷宫式通道(图856)将使气缸中压力为p的燃气在经过节流后，压力迅速下降，正常情况下，其比例大致是： p086p, p

37、020p， p0076p使正常漏气量只有吸气量的o21。这就是环式密封系统所以能成功地应用，并使往复活塞式发动机具有强大生命力的重要因素之一。环端开口的形状以最简单的直角形状(图42。)最合理。因为即使采用较复杂的形状如阶梯形(图b)，斜口(图c)但环背漏气通路仍不变，只要端隙相同，关键性的最小自由漏气通路面积就完全相同。颤振图4-3a)直角口 b) 阶梯形 c) 斜口 d) 、e)带防转销钉槽活塞环在环槽内的运动十分复杂，至今尚未研究得很清楚，一般认为其基本运动有：（1）上、下运动活塞环随同活塞的上升、下降，在环槽内作上、上运动。这个运动决定于气压力、摩擦力及其惯性。 （2）径向运动 由于加

38、工、磨损、紧固、温差等引起的气缸锥度和椭圆度，使活塞环在上下运动时，必然同时在环槽内作一张缩的径向运动。它是引起环槽磨损的主要原因。（3）回转运动 它与发动机的转速、气缸的喇叭状磨损、变形等密切关连。回转运动对防止环的偏磨、局部过热或卡死是有利的，但它也可能引起各环开口的重叠，使工作过程恶化。除上述基本运动外，活塞环还存在不规则的铀向和径向振动，以及扭曲振动，它们使漏气量加大，磨损加剧，并造成断环。为提高活塞环的抗颤振性，可采取以下措施：（1）使用开口部分有较高径向压力的高点环；（2）减小环宽b，以减轻环本身重量，减少惯性力；（3）增大环厚t，以增加环的刚度和弹力p。（4）增加环的轴向不平衡，

39、气压力(图42)图4-4 环的扭曲和压力分布a)不扭曲，P900牛顿 b)反扭曲，P=0 c)正扭曲，P1800牛顿故本次设计采用扭曲环等办法来解决颤振现象； 活塞环计算的第一项任务为使活塞环置于气缸后环周即对缸壁产生必需的压力，环在置入气缸前的自由状态该是什么形状？环的第二项计算是确定活塞环的结构参数。第三项是验算既定参数的环从自由状态收拢装入气缸后，所产生的应力是否超过材料的许用应力值；环从自由状态掰开套过活塞头部时引起的套装应力。均压活塞环从自由状态变到工作状态，就是梁在外周均布负荷作用下的一种弯区(图4-3)。根据曲梁的弯曲基本方程，自由环中线某一点的曲率半径与它从自由状态弯到工作状态

40、时所受弯矩M之间有如下关系 -= （4-1）式中 r工作状态中线曲率半径，r=(D-t)/2； I环断面轴惯性矩，对b矩形断面环，I=bt/12。图4-5 均压环的弯距图为确定环任意断面BB中的弯矩，可把环看成在开口对面的对称断面AA固定的悬臂梁，因为这一断面在环变形时不发生旋转。于是，作用在单元环段rd上的单元力dP-pbrd对断面BB产生的弯矩为 dMdPrsin(-)=pbrsin(-)d （4-2）式中ppr/r,为换算到环中线的环周压力。因此环从到一段上的压力对断面BB的总弯矩为 M=pbrd=pbr(1+cos)=158N/mm把公式（4-2）带入（41），即得活塞环自由状态下的中

41、线（简称自由型线）上任一点的曲率半径公式 = =0.38 （43）式中=（-1）由此可见，对于t常数的均压环来说,自由型线曲率半径随位置()而变，所以活塞环自由形状不是圆形。知道了曲率半径变化规律，曲线本身就完全确定了。4.2.2活塞环的弹力、应力与结构参数的关系(1)活塞环的弹力与结构参数的关系环的工作性能与它在工作状态下的弹力有很大关系。在材料及直径D既定的条件下，环弹力与其开口端距S和径向厚度t有关。当活塞环从自由状态变为工作状态时，长度为dS=rd的单元AB（图4-5）的曲率半径由于弯矩M的作用以减小到r，这时B点绕A点转过一角度d=d-d=d(1-)=r(-)d=图4-6 活塞环自由

42、端距的计算据公式（4-2）。有 d=(1+cos)d在B点旋转的同时，环槽C点的移动量 =Ad它在x方向的投影，即周向位移 d=d=r(1+cos)d所以 d=(1+cos)d=(1+cos)d活塞环一段总周向位移 x=D(-1)d得环自由端距 S=2x=2D(-1) 于是可知，活塞环平均弹力（壁压）p与环的结构参数S/t、D/t、材料参数E之间有如下的关系 p=E(2)工作应力、安装应力与结构参数的关系活塞环置入气缸后，环周受均匀压力p，任意截面所受弯矩如公式(820)，最大弯矩发生在环的切口对面的断面0处图43AA断面)，其值为M(所以最大工作应力 =3p(-1)将公式(8-25)中的p代

43、入此式，则有 =E4=152N/mm2 (1)参数的选择选择活塞环结构参数的步骤大致如下：选择径向压力p。按径向压力不同，可将活塞环分为三类：高压环。中压环(普通环)。低压环确定自由端距S。选S=810%D。确定径向厚度t。选t=（2428）/D。环的轴向宽度b。选b=3毫米。装配端隙。它越小，环的密封作用越好。（2）活塞环弹力的检验检验力 Q=2 Q=bDp 环材料抗弯强度为 =3（D/t-1）=82 N/mm 根据活塞环的工作情况，其断面形状的设计要求是： （1）增强密封性能，特别是在环工作条件很不利时也不易漏气；（2）改善磨合性能；（3）提高刮油能力；（4）提高抗伤性，即避免出现熔着磨损

44、(活塞环“拉缸”)等不正常磨损现象的性能11。特点是活塞环外圆表面制成凸圆弧形，现己在高速高负荷强化发动机上获得广泛应用。桶面环具有下列优点：（1）保证良好的润滑。（2）避免棱缘负荷。（3）密封性好。（4）磨合性好。微锥面环工艺性较差，而断面不对称的环装入气缸后，由于弹性内力的作用使断面扭转，也可起到同样作用。这种环称为扭曲环，在发动机中应用极广。锥面环和与其类似的倒角环斜角角度要比光为改善磨合的微锥面环大，因而可保留锥面到相当一段正常运转期。根据以上各环的优缺点，95系列柴油机活塞组设计第一道气环采用桶面环，材料是球墨铸铁；第二道气环采用锥面环，材料是合金铸铁；第三道气环采用扭曲环，材料是合

45、金铸铁，他能够有效修复柴油机缸体的颤振。 第一道气环 （桶面环） 第二道气环（锥面环） 图4-7 活塞组气环 在现代高速发动机中，机油消耗最大常常是一个严重的问题。如果机油大量上窜到燃烧空中烧掉，其危害性不仅在机油损失本身，而且还在于易使火花塞污染，活塞环胶结失效，气缸活塞组积炭，磨损剧增，反过来活塞环及相关组件的磨损又严重影响机油消耗，两者互为因果。因此，机油的控制不能不是内燃机设计中一项值得注意的问题。现代高速发动机活塞高度日益缩短，油环大多减少到一道，因而对油环设计提出了更高的要求。为了保证油环在高速下的刮油能力，环的刮油口与缸壁的接触压力必须足够高，同时回油的通道必须畅通。目前采用的油

46、环分为三类：普通槽孔式油环、弹簧胀圈油环、钢片组合油环。图4-7 弹簧胀圈油环a) 装板弹簧b) 螺旋弹簧胀圈c) 轨型胀圈油环普通槽孔式油环因为油环基本上没有环背气压力来帮助密封，其密封能力差不多全靠本身弹力，所以都人为减小环与气缸的接触面积以提高比压，在环外圆面上开有环形槽，形成二道刮油肩，控制滑肩高度即能改变平均壁压P。这种普通油环的比压为1.5-2.5巴。在转速较高的发动机中，对油环的刮油能力要求更高，所有常常把滑肩予以倒角或车成鼻形，进一步减小接触面积，刮油能力提高。倒角油环比压为3-4巴。由于其制造成本低，我国目前主要仍采用这种普通油环。胀圈油环是在普通油环向内面安装板弹簧(图47a)或螺旋弹簧胀圈(图4-7b)。这种油环可获得更高的径向压力，一船前者p68巴，后者812巴。由于环背加了弹簧，就可以采用径向厚度较小的柔性环，对气缸失圆的适应性好，在环外圆磨损时，弹力不会急速下降，所以加强了刮油能力及工作耐久性。板弹簧胀圈油环用于小型发动机居多。螺旋弹簧胀圈较板弹簧胀圈更富有柔软性，因此油环对气缸有更好的适应性。螺旋弹簧胀圈的工作能力不受活塞环槽深浅和活塞侧摆的影响。目前这种油环在国外的发动机上已普遍使用。板弹簧胀圈的突起与环背接触，此处易磨损而引起工作恶化。