课程设计说明书柴油机活塞建模与结构设计

1、辽宁工程技术大学课 程 设 计题 目： 柴油机活塞建模与结构设计班级：汽车05-1班 学 号：姓名：指导教师：完成日期：2009-01-05一、设计题目（学生空出，由指导教师填写）柴油机活塞建模与结构设计二、设计参数CY4100ZLQ柴油机，活塞直径D=100mm，工作行程S=118mm，直接喷射方式,发动机转速n=3200r/min，额定功率Pe=70KW，最大扭矩Ttqmax=235N.m,几何压缩比=17.5，最大燃烧压力PZ=6.1Mpa，增压空气压力PK=0.1518Mpa。三、设计要求（1）总装图 1张（2）零件图 2张（3）课程设计说明书（50008000字） 1份四、进度安排（

2、参考）（1）熟悉相关资料和参考图 2天（2）确定基本参数和主要结构尺寸 2天（3）设计计算 3天（4）绘制总装配草图 4天（5）绘制总装配图 2天（6）绘制零件图 2天（7）编写说明书 3天（8）准备及答辩 3天五、指导教师评语成绩：指导教师日期摘要本课程设计的主要内容是柴油机活塞建模与结构设计，在课程设计中完成的工作有：给定参数下活塞的结构设计和三维建模。在绘图上，采用CAXA软件，提高了工作效率。在三维建模上，采用Pro/ENGINEER软件，完成了活塞实体、活塞环和活塞销的建模工作，及时的发现了结构设计中的错误。在课程设计过程中，通过查阅相关资料，初步掌握了活塞设计的步骤和方法。在查找资

3、料过程中，深刻体会到书籍检索的重要性，在实践中也摸索出一套自己的资料检索方法。同时，也熟悉了各大专业技术论坛。活塞设计涉及到的知识面比较广，需要在良好掌握工程材料、材料力学、发动机原理、工程热力学、机械加工和汽车构造等课程的基础上，才能较好的完成设计任务。同时，对于各种软件的熟练操作也十分必要。通过本次课程设计，使我对所学的知识做了一个较为全面的回顾，有助于从中找出自己的不足之处。认识到在工程材料及工程热力学方面知识结构较为浅薄，实际计算能力较差，急需加强。自己在查阅资料方面，也存在明显不足，尤其是对于外文资料的查阅上，更是力不从心。关键字：柴油机活塞；实体建模；结构设计AbstractThe

4、 main content of the curriculum design is the diesel engine piston modelingandstructural design, in terms of course design works completed are: In a given parameters,Pistons structural design and three-dimensional modeling. In the drawing, using CAXA software, improved work efficiency. In thethree-d

5、imensional modeling, using Pro / ENGINEER software, completedthe modeling work of Pistons entity、piston rings and piston pin, and timely discovery the errors of structure design.In terms of curriculum design process, through access to relevant information, Mastered the piston design of the initial s

6、teps and methods. In the course of find informations, profoundly understand the importance of books searchable, in explorepractice set a owns information retrieval methods. At the same time, also familiar with the major professional and technical forums.Piston design involved a broader range of know

7、ledge, needed in a good grasp of engineering materials,mechanics of materials, engine principle, engineering thermodynamics, machining and automotive structuraland so on. On basis of such courses to better complete the design task. At the same time, for a variety of software proficiency is also very

8、 necessary.Through the curriculum design, gives me a more comprehensive review ofknowledgeI have knowled, help to find owns inadequacies. Aware ofthe knowledge structure of engineering materials and engineering thermodynamics aspects of myselfsis more shallow, the actualcomputing power is very poor,

9、 urgent need to strengthen. In access to information, there is obviously insufficient, especiallyon the inspectionof foreignlanguage information, it is unable to.Key words：Diesel Engine Pistons；Solid Modeling；Structural design目录1 设计参数11.1 给定参数11.2 计算参数1活塞运动学11.2.2 活塞动力学22 活塞的结构与选型42.1活塞基本结构42.2活塞选型4

10、3 活塞基本设计63.1 活塞的主要尺寸6活塞销直径与销座间距6压缩高KH7裙部长度SL8活塞总长GL83.2 活塞头部设计8活塞顶形状与厚度8活塞头部截面形状93.2.3 提高活塞头部可靠性93.3 活塞销座设计93.3.1 销座结构103.3.2 活塞销在销孔中的定位103.3.3 销座强度验算103.3.4 活塞销孔润滑103.4 活塞销设计103.4.1 活塞销结构113.4.2 活塞销强度验算113.5 活塞裙部设计113.5.1 裙部椭圆113.5.2 活塞侧表面形状12裙部强度验算123.6 气环与油环设计123.6.1 气环设计123.3.2 油环设计133.7 配合间隙133

11、.7.1 活塞与气缸间的间隙133.7.2 活塞环与环槽间的间隙143.7.3 活塞销与销孔间的间隙144 活塞镶圈的设计154.1 镶圈的必要性154.2 镶圈的结构形式155 活塞冷却165.1 活塞冷却的必要性165.2 活塞冷却方式166 三维实体建模177 结论20参考文献211 设计参数1.1 给定参数CY4100ZLQ柴油机，活塞直径D=100mm，工作行程S=118mm，连杆长度L=178mm，四冲程，水冷，直接喷射方式,发动机转速n=3200r/min，额定功率Pe=70kW，最大扭矩Ttqmax=235N.m(1600r/min),几何压缩比=17.5，最大燃烧压力PZ=6

12、.1Mpa，增压空气压力PK=0.1518Mpa。1.2 计算参数增压比=Pk/P0=1.52/1.01=1.50；平均有效压力Pme=(30Ttq)/(VSi9550)= 0.797Mpa，从汽车发动机原理（吴建华主编）中表1-12可知，该柴油机为汽车用柴油机1。 活塞运动学(1) 活塞的位移活塞上止点对应的曲柄位置作为曲轴转角的起点，此时活塞的位移等于零（图1-1）。曲柄OB以O点为圆点作等速旋转运动，活塞（A点）沿气缸中心线作往复直线运动，其速度与加速度呈周期性变化。活塞从上止点A1到下止点A2的距离，称为活塞行程S，为曲轴半径R与连杆长度L的比值。在本设计中，R=59mm，L=178m

13、m，=59/178=0.33。从新型铝活塞（国防工业出版社）图1-1可看出，活塞位移x为：x=R(1-cos+sin2/2) (1-1)即本设计中，活塞位移x=59(1-cos+0.33sin2/2)，也就是说活塞位移是随曲轴转角值和值的改变而变化的。(2)活塞的速度活塞平均速度活塞平均速度Cm是表示单位时间内，活塞来回运动所经过的路程。式中，S活塞行程（m）；t活塞运行一周所需时间（s）；n内燃机转速（r/min）。Cm=46m/s为低速，Cm=69m/s为中速，Cm>9m/s为高速。所以由该柴油机的Cm=12.59m/s，从表1-1中可知，该柴油机为轿车用柴油机。活塞瞬时速度活塞速度

14、是指活塞瞬时速度，所以按式(1-1)对时间微分，便可求得活塞速度V：V=R(sin+sin2/2) (1-2)式中的=2n/60=334.93rad/s，即在本设计中，活塞速度V=19761(sin+sin2/2)，当活塞处于上、下止点位置，活塞速度等于零。(3)活塞的加速度按式(1-2)对时间微分，便可求得活塞的加速度：a=R2(cos+cos2) (1-3)所以在本设计中，活塞的加速度为a=6618508(sin+sin2/2)，其最大值为amax=R2(1+)=8803m/s2。 活塞动力学(1)往复惯性力内燃机的往复运动质量为活塞质量mp和连杆组往复质量m1之和。按前面计算所得的加速度

15、，即可求得往复惯性力Pj，它作用在气缸中心线上，其变化规律和活塞加速度相同，只是方向恰好与加速度相反：Pj=-mj·a=(Gp+G1)·a/g (1-4)式中，mj往复运动惯性质量；a加速度；Gp活塞组重量；G1连杆组小头重量。在计算中，活塞组重量参考表2-1选取，Gp=0.91.4D3，可知GP=0.91.4Kg，初步选取活塞组重量GP=1.4Kg；连杆小头重量G1根据查找资料选取，初步选取G1=0.4Kg。经计算可知，Pjmax=(1.4+0.4)8803=15845.4N。(2)气体作用力内燃机运转过程中，不断变化的燃气压力作用于活塞上，通过活塞、连杆传递给曲轴而输出

16、功率。作用在活塞上的作用力Pg为：Pg=D2(P-P)/4 (1-5)式中，P气缸内气体压力；P内燃机曲轴箱内气体压力；D内燃机活塞直径。一般P为常数，Pg完全取决于气缸内的气体压力。给定参数中，给出了最大燃烧压力PZ=13.5Mpa，经计算可知，Pg=3.14×0.12×6100000/4=47885N。(3)活塞上的总作用力在活塞中心处，同时作用着气缸内气体压力Pg和往复惯性力Pj，由于作用力的方向都是沿着气缸中心线，故可求得合力P：P=Pg+Pj(1-6)由此可知，合力Pmax=Pg+Pjmax =47885+15845.4=63730.4N。(4)总作用力的分解与传

17、递活塞上总作用力P可分解为沿连杆方向上的连杆作用力Pk和垂直于气缸避的侧作用力PN(见新型铝活塞（国防工业出版社）图1-2)。Pk=P/cos(1-7)PN=P·tan(1-8)连杆作用力Pk使连杆受到压缩和拉伸，侧作用力PN，当连杆对气缸中心线倾斜时，气缸壁受到活塞的侧向推力，它影响到活塞与气缸壁之间的摩擦磨损，用于活塞裙部计算。由式(1-8)可知，PNmax=Pmax×tan10o=63730.4×0.12=7647.648N。2 活塞的结构与选型2.1活塞基本结构由给定参数该柴油机额定功率为70kW，转速为3200r/min，可知该柴油机属于中功率高速柴油机

18、，按照新型铝活塞（国防工业出版社）推荐，该柴油机活塞材料选用铸造共晶Al-Si合金，所设计的活塞为整体铝活塞。同时考虑到该柴油机为车用柴油机，对噪声的要求较为严格，所以选取活塞的基本结构为热膨胀控制铝活塞。所谓热膨胀控制活塞，就是在铝活塞裙部镶入热膨胀系数比铝合金小的材料，减少裙部承压面上的热膨胀量，减少活塞配缸间隙，减轻气缸穴蚀，降低发动机噪声。热膨胀控制活塞分三种形式，分别是：开槽热膨胀控制活塞、不开槽热膨胀控制活塞、热膨胀双重控制活塞和镶筒形钢片活塞，综合考虑其特点，选用镶筒形钢片活塞。镶筒形钢片活塞，是一种在活塞裙部镶入筒形钢片的结构，它可使整个裙部具有均匀的较小热膨胀。与普通活塞相比

19、，这种活塞的裙部在全长上保持等椭圆，从而使裙部配缸间隙在各种工况下均能保持较小间隙。2.2活塞选型将根据柴油机强化指标、使用要求和加工条件等方面综合考虑活塞的选型，主要方法如下：(1)根据单位活塞面积功率NF或平均有效压力Pme，选择合适的活塞结构，参考新型铝活塞（国防工业出版社）图1-7和表1-4,保证活塞能承受所规定的机械负荷与热负荷。该柴油机平均有效压力Pme=0.797Mpa，转速n=3200r/min，由图1-7(a)可知，选用铸造铝活塞足以承受机械负荷和热负荷。(2)从控制惯性负荷考虑，应限制活塞组重量。参考新型铝活塞（国防工业出版社）图1-8，可知在直径为100mm时，铸造铝活塞

20、的重量是最轻的，所以从这减轻活塞组重量的角度考虑，选用铸造铝活塞是合理的。(3)从经济上考虑，组合活塞的成本为简单整体活塞的数倍。从经济角度出发，选择热膨胀控制活塞是最经济的。(4)根据柴油机强化程度，即平均有效压力与活塞平均速度的乘积(Pme·Cm值)考虑是否镶圈。对于缸径小于150mm的各种柴油机活塞的统计结构表明：Pme·Cm<7.0Mpa·m/s时不镶圈；Pme·Cm=7.08.5Mpa·m/s时镶圈与不镶圈各占一半；Pme·Cm>8.5Mpa·m/s时一般镶圈，只有极少数不镶圈。该柴油机的Pme

21、3;Cm=0.797×12.59=10.03Mpa·m/s，根据以上原则，该柴油机的活塞应该镶圈。(5)使用条件对活塞结构选型的影响。对噪声要求严格的汽车柴油机活塞，往往选用热膨胀控制活塞。从以上5点选用原则可知，该柴油机活塞选用热膨胀控制活塞，并且在环带应镶圈，且在裙部应镶筒形钢片，钢片选用低碳优质钢板，厚度一般为1.21.8mm，在本设计中选取厚度2mm。3 活塞基本设计活塞设计有如下要求：在保证活塞强度、刚度及散热良好的前提下，尽量缩短活塞总高度，减轻活塞重量。保证密封良好并尽量减少摩擦损失。减少活塞顶吸收的热量，并良好冷却，将活塞吸收的热量迅速导出，使活塞各部位的温

22、度不超过下列极限数值：活塞顶，375oC；第一道环槽，180-220oC；活塞顶内表面，250oC；振荡冷却油腔内侧，220oC；活塞销座，180oC。保证导向部分润滑可靠，同时防止润滑油上窜，尽可能降低润滑油耗量。活塞环槽与活塞环、销孔与活塞销应具有良好耐磨性，特别是第一道环槽。活塞裙部与气缸壁之间的接触面积要尽可能大，且有良好抗拉缸性能。活塞与气缸的配合间隙小，以减少对气缸的撞击和噪声，以及使变工况适应性好。易于制造，成本低2。3.1 活塞的主要尺寸活塞主要尺寸由冲程、缸径、连杆长度和气缸高度决定。在新型铝活塞（国防工业出版社）中的图2-1和表2-1给出了活塞的主要尺寸及选用范围。 活塞销

23、直径与销座间距活塞销直径BO活塞销孔直径一般就是活塞销直径(除销孔加衬套外)，销孔大小决定销座与连杆小头所承受的比压大小及活塞销工作的应力值。为提高活塞销抗弯能力及降低销座与连杆小头的比压，希望活塞销外径尽量大些。但过分加大其外径将使惯性力加大，带来许多不利。活塞销直径数据范围参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-8和表2-1选取。由表2-1可知，BO/D=0.300.40，BO的范围为3040mm；由图2-8可知，BO的范围为3141mm。参考表2-3初步选定活塞销直径BO=32mm，最终尺寸将在活塞销设计一节中确定。活塞销座间距AA在考虑活塞销座承压面积或长度时，必须同时考虑连杆小头衬套要

24、有足够承压面积或长度。由于衬套承受负荷能力高于销座，且连杆小头温度较低，因此要把活塞销承压面积或长度与连杆小头衬套的承压面积或长度定为9:8。为避免加工误差与热膨胀引起连杆小头侧面与销座相碰，两者之间要留25mm间隙。销座间距数据范围参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-9和表2-1选取。由表2-1可知，AA/D=0.300.42，AA的范围为3042mm；由图2-9可知，AA的范围为3150mm。初步选定活塞销座间距AA=36mm，最终尺寸将在活塞销座设计一节中确定。 压缩高KH压缩高影响内燃机总高度，而且影响气缸、机体的尺寸和重量。压缩高由环区高度hf(即顶岸高度F加环带高度)和上裙高度构

25、成，其数据范围参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-3和表2-1。由表2-3可知，KH的范围为5080mm；由图2-3可知，KH的范围为5382mm。从减少活塞尺寸的角度出发，初步选定KH=63mm。顶岸高度F顶岸(第一环槽上端至活塞顶端距离)越小，第一环本身的热负荷越高。应根据热负荷及活塞冷却情况确定F，使第一环槽温度不超过允许极限。顶岸高度数据范围参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-4和表2-1选取。由图2-4可知，F的范围为1422mm；由表2-1可知，F/D=0.100.20，F的范围为1020mm。考虑到该柴油机为中功率，初步选定F=12mm。环带高度环带高度取决于活塞环数目与高度

26、及环岸高度，参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-5选取。高速柴油机一般装23道气环，12道油环。发展趋势是尽量减少活塞环数，目前中小型高速柴油机采用三环结构日益增多。中小功率柴油机的气环高度为23mm,油环为46mm。第一环岸温度较高，承受的气体压力最大，且易受环的冲击，因此更易断裂。所以第一环岸要比其余环岸高一些，其高度推荐值参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-6。其余环岸高度可设计得小些，柴油机不低于直径的3.5%-4%。因此，该柴油机选用2道气环，1道油环。由图2-6选取第一环岸高度为6mm，其余环岸为4mm,气环高度为3mm，油环高度为5mm。由此可知环岸高度=3+6+3+4+5=

27、21mm。上裙高度选取上裙高度一般是使油环槽的位置能处于销座上方，目的是保证销座强度不因开槽而消弱，且避免油环槽开在厚度不均的销座处，使环槽产生不均匀变形。考虑到活塞销直径BO初选为32mm，为了使油环槽的位置处于销座上方，初步选定上裙高度为30mm。 裙部长度SL根据裙部功用对不同类型内燃机活塞裙长应考虑如下三点：裙部应有一定长度和足够的承压面积，使裙部比压QS（最大侧压力与裙部投影面积之比）控制在0.61.4Mpa之间。销孔上下两部分裙长要有一定比例，防止活塞工作时发生倾斜造成局部剧烈磨损。裙长确定后，还应从整体布置角度对尺寸进行校核。如：活塞在下止点时，装在下裙的油环不应露出气缸，及连杆

28、和曲轴的平衡块不要和下裙相碰。裙长SL由上下裙长构成，其数据范围参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-7和表2-1选取。此外，裙部刚度也很重要，它取决于裙部壁厚。一般柴油机活塞的裙部壁厚取活塞直径的3%，在本设计中，取裙部壁厚为4mm。由图2-7可知，SL的范围为4080mm；由表2-1可知，SL/D=0.500.90，SL的范围为5090mm。初步选定SL的范围为63mm，根据计算，裙部比压QSmax=PNmax/（0.1×0.066）=1.16Mpa，在0.61.4Mpa之间，满足要求。 活塞总长GL活塞总长是压缩高和下裙长之和，高速柴油机的发展趋势是不断缩短活塞总长。活塞总长的

29、选取范围参考新型铝活塞（国防工业出版社）表2-1和图2-2。由图2-2可知，GL=80150mm；由表2-1可知，GL/D=0.91.3，GL的范围为90130mm。在本设计中，活塞总长初步选取值为：GL=KH+SL-上裙长=63+63-30=96mm。可见所初选的各尺寸基本正确，较好的满足了设计要求。3.2 活塞头部设计 活塞顶形状与厚度活塞顶形状主要取决于燃烧室的选择与设计，而燃烧室的选择取决于活塞直径、转速、经济性、功率、可靠性和公害等，详参考新型铝活塞（国防工业出版社）表2-2。柴油机活塞顶部选型要点如下：活塞直径D>200mm，转速n<1000r/min的大型增压柴油机几

30、乎都采用开式燃烧室。D>100mm，n<30003500r/min的高速柴油机为降低油耗，改善起动性，有广泛采用直喷式燃烧室的趋向。分开式燃烧室具有对转速不敏感、高速性好、噪声及排气污染低等优点，在D<100mm的小型高速柴油机上仍广泛应用。在160<D<200mm的增压大功率柴油机上，直喷式和预燃室均有应用。因此，根据本设计中D=100mm，n=3200r/min的条件，以及该柴油机用于车用，对起动性能要求较高，所以选取的活塞顶形状为半开式型燃烧室，具体形状参考图2-11第16图。活塞顶厚度根据强度、刚度和散热条件来确定，对于铝活塞值，柴油机一般为(0.10.2

31、)D，即1020mm，在活塞零件图绘制过程中，将按此范围选取合适的值。在绘图过程中，选取=12mm。 活塞头部截面形状活塞头部截面形状将影响活塞热流及温度分布，具体温度分布可参考新型铝活塞（国防工业出版社）图2-12。从而可知型燃烧室的活塞顶最高温度较图2-12(e)高，所以，对于型燃烧室，对活塞的冷却十分必要。本设计的活塞头部截面形状可以参考图2-11第16图。 提高活塞头部可靠性活塞顶部吸入的热量主要通过环带部和裙部散发，由环带部散发的热量大多由第一环槽传出。这使得第一环槽的热负荷增高，强度降低，并使机油炭化而造成积炭，使环槽磨损严重。因此，采取有利措施提高活塞头部可靠性十分有必要，主要方

32、法有3：活塞顶岸高度要使活塞在上止点时，第一环要处在水冷区域内。减小顶岸与气缸之间的配合间隙，降低通往第一环的气流，使第一环槽温度有所降低。为防止间隙过小引起故障，可在顶岸车出退让槽。在第一或第一、二道环槽镶铸耐磨圈，可使活塞寿命提高3-7倍。在铝活塞顶部喷镀0.2-0.3mm厚陶瓷，能起到耐高温、防腐蚀和减少吸热的作用。在活塞头部合理布置冷却油道，使其有效地隔断热流，提高第一环槽冷却效果。3.3 活塞销座设计销孔与活塞销组成一对摩擦副，它将活塞顶部燃气压力通过销座传给活塞销，然后再传递到连杆和曲轴。销座与活塞销必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。销座的应力分布取决于销座和活塞销两者变形

33、是否相互适应，因此销座设计与活塞销统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减少弯曲变形，要求销座能承受高的压力，且有一定弹性，使之适应活塞销的变形。 销座结构为使作用在活塞顶部的气体压力传递到销座上，而又尽可能不引起活塞变形，所以在顶部与销座之间要设置加强筋。典型的带筋销座结构如新型铝活塞（国防工业出版社）图2-15所示。在本设计中，选择图2-15(d)所示的斜面销座结构。这种销座能增加与连杆小头支承面的长度，降低活塞销与连杆小头衬套的比压；支承面沿轴向长度有重叠，减少了活塞销的弯曲变形；缩短销座上部间距，降低销座根部与顶底过渡圆角处的应力。这种结构是提高销座承载能力的有效办法，在强化柴油机上普遍采

34、用。 活塞销在销孔中的定位本设计中，活塞销与销孔有相对滑动。为防止其轴向窜动擦伤气缸，需采用一定的定位措施。共有三种定位方法，如下：弹性挡圈定位、挡塞定位和挡盖定位。考虑使用活塞工作条件、制造成本和适用原则，在本设计中对于活塞销在销孔中的定位采取弹性挡圈定位，详见新型铝活塞（国防工业出版社）图2-17(a)。 销座强度验算在本说明书3.1.1中，初步选取了活塞销直径和活塞销座间距，初选结果为：活塞销直径BO=32mm，活塞销座间距AA=36mm。参考表2-3，可知选择活塞销外径d=32mm，活塞销内径d0=15mm时，销座抗裂能力较好。按照活塞销承压面积或长度与连杆小头衬套的承压面积或长度为9

35、:8可知，销座单边的承压长度可选为21mm。已知条件如下：销座材料为铸造共晶Al-Si合金，其许用挤压应力b=200Mpa；销座中承压面投影面积St=0.042×0.1=0.0042m2；活塞上的总作用力Pmax=Pg+Pjmax =63730.4N。因此利用材料力学公式可求得销座的挤压应力bs=Pmax/St=63730/0.0042=151.6Mpa<b。由此可知，经过强度验算，按照以上尺寸设计的销座的强度足够，满足使用要求。 活塞销孔润滑由于本活塞设计中采用的是浮式活塞销，所以要进行润滑。销孔表面温度过高或比压过高，会破坏润滑油膜，可能使活塞销咬住。销孔润滑结构参考新型铝

36、活塞（国防工业出版社）图2-18，考虑到该柴油机的给定参数，选取如图2-18(a)所示油孔润滑方式。3.4 活塞销设计通过查阅相关资料，并考虑到活塞销所受的较大切应力，活塞销材料采用20Cr。 活塞销结构参考新型铝活塞（国防工业出版社）表2-3，可知选择活塞销外径d=32mm，活塞销内径d0=15mm时，销座抗裂能力较好。按照活塞销承压面积或长度与连杆小头衬套的承压面积或长度为9:8可知，销座单边的承压长度可选为21mm。因此，活塞销的长度为销座承压长度+活塞销座间距AA+连杆小头与销座间距=42+36+4=82mm。 活塞销强度验算查相关数据得知，20Cr的许用切应力=230Mpa，活塞销所

37、受的主要是切应力，根据材料力学公式，=Pmax/A=4Pmax/(d2-d02)=101.6Mpa<，由此可知，该活塞销有足够的强度，能满足工作要求。3.5 活塞裙部设计活塞裙的功用是：在气缸中为活塞本身起导向作用；承受侧压力；将活塞承受的部分热量传给气缸壁；控制机油耗量等。从导向角度考虑，裙部应尽可能长，但这与内燃机机构紧凑性的要求相矛盾。裙部椭圆裙部椭圆是指垂直于气缸中心线的裙部截面的外形轮廓线为椭圆。裙部做成椭圆的理由是因为活塞工作时，由于下列原因使活塞沿销座方向会拉长。由于活塞裙部推力面与气缸壁仅有=80o100o的圆弧能接触，故在侧向力的作用下，有将圆的裙部压扁的趋势，同时迫使

38、销座轴向的裙部伸长。活塞顶上受到燃气压力的作用，使活塞顶部在销座跨度内发生弯曲，并使活塞裙部有向外扩张的趋势。活塞销座处材料堆积，使裙部的销座方向上产生大于其垂直方向的热变形。因此，为防止活塞在气缸内卡死或引起局部加速磨损，必须在设计时使销座方向的金属多削去一些，把活塞销轴作为椭圆的短轴。在高速柴油机的裙部设计上，大多采取偏心圆弧与正失曲线结合的方法，如新型铝活塞（国防工业出版社）图2-22所示。一般在裙部下端=±45o处，裙部上端=±35o45o的弧面上用正失曲线，其余部分为偏心圆弧。此方法使裙部有较大的贴合面积，同时椭圆度可取得较大。椭圆度沿活塞高度有不变化和变化两种，

39、将在活塞侧表面形状中讨论。对于此次柴油机活塞设计，活塞采用的材料是铸造共晶Al-Si合金，活塞基本结构为镶筒形钢片热膨胀控制活塞，这种活塞的裙部在全长上保持等椭圆。因此此次活塞设计其裙部椭圆度选用相同。推荐如下：上、下裙部的椭圆度均为0.0022D，即上、下裙部的椭圆度均为0.22mm。 活塞侧表面形状活塞工作时沿高度方向温度分布很不均匀，越接近顶部温度越高，且环带部分温度梯度比裙部大。因此，各断面的膨胀量也不一样，上大下小。为使活塞在工作状况下接近圆柱形，保持小而均匀的间隙，就必须把活塞做成上面略小下面略大的一系列型面。本活塞基本结构为镶筒形钢片热膨胀控制活塞，是一种在活塞裙部镶入筒形钢片的

40、结构，它可使整个裙部具有均匀的较小热膨胀。与普通活塞相比，这种活塞的裙部在全长上保持等椭圆，从而使裙部配缸间隙在各种工况下均能保持较小间隙，其侧表面形状采用图2-23(f)所示的正圆柱形状。裙部强度验算活塞裙部的要求如下：裙部应有一定长度和足够的承压面积，使裙部比压QS（最大侧压力与裙部投影面积之比）控制在0.61.4Mpa之间。初步选定SL的范围为70mm，根据计算，裙部比压QSmax=PNmax/（0.1×0.07）=1.09Mpa，在0.61.4Mpa之间，满足要求。3.6 气环与油环设计 气环设计气环的主要功用是密封和传热。保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸内的可燃混合气和高

41、温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热传给气缸壁，避免活塞过热。气环不同开口形状，性能也不一样。直开口工艺性好，但密封性差；阶梯形开口密封性好，工艺性差；斜开口的密封性和工艺性介于前两种开口之间，斜角一般为30°或45°。气环的断面形状多种多样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不同断面形状的气环组合，可以得到最好的密封效果和使用性能。气环的断面形状多种各样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不同断面形状的气环组合，可以得到最好的密封效果和使用性能4。在本柴油机活塞设计中，第一道气环采用桶面环，第二道气环采用锥面环，在压缩高KH中，气环高度选则为3mm。桶面环，环的外圆

42、面为外凸圆弧形。其密封性、磨合性及对气缸壁表面形状的适应性都比较好。桶面环在气缸内不论上行或下行均能形成楔形油膜，将环浮起，从而减轻环与气缸壁的磨损。锥面环，环的外圆面为锥角很小的锥面。理论上锥面环与气缸壁为线接触，磨合性好，增大了接触压力和对气缸壁形状的适应能力。当活塞下行时，锥面环能起到向下刮油的作用。当活塞上行时，由于锥面的油楔作用，锥面环能滑越过气缸壁上的油膜而不致将机油带入燃烧室。在压缩高KH选取过程中，选取了气环轴向公称高度为3mm，只是各气环公差不同。气环的径向厚度t=D/23.5D/25=44.255mm，取t=4.2mm5。 油环设计油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的

43、机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。油环类型：油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式3种类型。在本柴油机活塞设计中，选用钢带组合式油环，在压缩高KH中，油环高度选则为5mm。钢带组合油环由上、下刮片和轨形撑簧组合而成，撑簧不仅使刮片与气缸壁贴紧，而且还使刮片与环槽侧面贴紧。这种组合油环的优点是接触压力大，既可增强刮油能力，又能防止上窜机油。另外，上下刮片能单独动作，因此对气缸失圆和活塞变形的适应能力强。查阅相关资料得知一般活塞设计中，气环与油环的环槽径向尺寸相同，所以油环的径向厚度取为3.8mm。3.7 配合间隙3.7.1 活塞与气缸间的间隙活塞用铝合金的热膨胀系数比气缸用铸铁要大，因此受热时

44、活塞的热膨胀大于气缸，这一差值必须在冷态时采用一定间隙来补偿。由于在工作时活塞头部要比下面其它部分热，因此在冷态时其头部间隙大于裙部。但大的间隙会使环和环岸产生很大应力，因此又希望间隙要尽可能小些。因此，常在柴油机活塞的顶岸或环岸上制出图2-13所示退让槽，这种结构既能减少间隙，又能防止拉缸。裙部间隙主要取决于活塞结构，热膨胀控制活塞的间隙要小于普通整体铝活塞。共晶Al-Si合金活塞各个重要部位与气缸之间的间隙值参考图2-25取值。图2-25(d)为水冷柴油机各重要部位与气缸间隙取值范围，查图得出各自范围如下：活塞火力岸顶端D3=0.370.50mm；裙部上端D2=0.190.27mm；裙部下

45、端D1=0.110.16mm。考虑到本活塞采用镶筒形钢片热膨胀控制活塞，裙部在全长上保持等椭圆，所以对于活塞与气缸间的间隙选择如下：活塞火力岸顶端D3=0.42mm；裙部间隙D2=D1=0.22mm。3.7.2 活塞环与环槽间的间隙活塞环与环槽间的轴向间隙活塞环在环槽中的轴向间隙是环槽高与活塞环高的差值。环槽尺寸由基本尺寸(环的公称高度)和一个附加值组成，这一附加值可根据不同需要而变。表2-9为不同内燃机活塞环与环槽的轴向间隙，本活塞设计参考表2-9选取活塞环与环槽间的轴向间隙。选取结果如下：上气环与环槽间的轴向间隙为0.08mm；下气环与环槽间的轴向间隙为0.06mm；油环与环槽间的轴向间隙

46、为0.06mm。活塞环与环槽间的径向间隙当活塞环装入环槽进入工作状态时，不允许与环槽底径相碰，因此需有一最小径向间隙。表2-10给出不同矩形环、油环与环槽底径径向间隙的推荐值。此外还要考虑环槽底面与侧面之间要有0.3mm的圆角半径。选取结果如下：气环与环槽间的径向间隙为1.2mm；油环与环槽间的径向间隙为1.6mm。3.7.3 活塞销与销孔间的间隙活塞销与活塞及连杆小头之间一般采用浮动方式连接，即在内燃机运转过程中，活塞销会缓慢地转动，这样活塞销的磨损较均匀。这种活塞销因间隙过大会引起额外冲击，过小不能保证润滑，使活塞销被锁死，所以对销孔的配合精度要求高。现代高速内燃机铝活塞要求活塞销冷态就要

47、有间隙，其目的是使活塞销在冷磨合和冷起动时不存在预应力，活塞销能自由转动，降低销孔开裂的危险。由于活塞与活塞销材料不同，温度升高时，不同的热膨胀系数会使两者之间的间隙加大。由图2-27(a)可直接得出不同活塞材料在不同温度下，活塞销与销孔之间的热态间隙。Sw=Sk+S式中：Sw热态间隙；Sk冷态间隙；S升温后间隙增大量。具体间隙可以根据公式计算，一般均为m级的。4 活塞镶圈的设计4.1 镶圈的必要性由于活塞在气缸中上下运动的接触面是不断变换的，而且气缸的实际形状及几何基准形状也总是有偏差的，这样在活塞运动时，活塞环相对于环槽在径向上存在着径向运动；而且由于环与环槽之间有间隙，所以在交变气体作用

48、力、惯性力和气缸摩擦力的作用下，环就在环槽两侧来回运动。这两种运动使得环槽和环侧面出现磨损。当环槽磨损到一定程度时，环槽与活塞环之间的间隙迅速扩大，对燃气不再能起到有效的密封作用，这就将导致活塞与活塞环的同时损坏。因此，对活塞使用寿命起决定作用的是环槽的耐磨性，特别是第一、二到环槽6。本活塞设计中，活塞材料选用的是共晶Al-Si合金。共晶Al-Si合金平均磨损速度为0.030.08mm/1000h，在使用条件稍苛刻时，其平均磨损速度还要大。为了提高活塞环槽的耐磨性，1931年德国人马勒设计了镶圈铝活塞。这种活塞大大提高了环槽的使用寿命，因此本活塞设计中的环槽有必要采用镶圈。4.2 镶圈的结构形

49、式镶圈铝活塞的镶圈结构有如下几种：单环槽及双环槽镶圈；带燃烧室镶块的镶圈；锻造活塞用成形镶圈和滚装钢片。由于该活塞采用型燃烧室，所以选用带燃烧室镶块的镶圈。在图6-3中，表示出了标准单环槽镶圈与活塞基体的联结位置，在本活塞设计中，镶圈与活塞采用齐平式，这样可以增大环槽下侧表面的工作面，其最大倒角为0.1mm，有减少积炭的作用。本活塞采用的带燃烧室镶块的镶圈材料选用高镍铸铁，其典型磨损率为525m/1000h。镶圈的具体形状及尺寸，将在零件图中详细说明。5 活塞冷却5.1 活塞冷却的必要性绝大部分高速柴油机采用整体铸造铝活塞，特别是镶圈铝活塞，不仅提高了活塞的使用性能，而且兼顾了活塞的强度、重量、耐磨、承载、高温性能和成本。为保证活塞顶有足够的强度及第一环槽温度不超过230oC左右，在强化的大功率中、高速柴油机上普遍采用机油喷射冷却活塞顶部，或者把机油直接引入活塞油腔，因此在活塞设计上出现油冷活塞和组合活塞7。油冷活塞和组合活塞