机械制造及其自动化课程设计

1、柴油机改进活塞组的设计摘要PAGE 40PAGE III摘 要本文对单缸柴油机的主要零部件（活塞）进行了结构设计计算，并对活塞进行了有关运动学和动力学的理论分析与实体模型的创建（运用Pro/E）。首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次对活塞组进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。再次，应用三维CAD软件：Pro/Engineer建立了活塞的几何模型，在此工作的基础上，利用Pro/E软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件进行装配并进行运动仿真分析。关键字

2、：受力分分析；运动分分析；Proo/E建模目录目录目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc247344538 第1章引言1 HYPERLINK l _Toc247344539 1.1 选题背背景1 HYPERLINK l _Toc247344540 1.2 研究目目标和意义1 HYPERLINK l _Toc247344541 1.3 研究主主要内容2 HYPERLINK l _Toc247344542 第2章活塞运运动规律的研研究3 HYPERLINK l _Toc247344543 2.1 活塞位位移4 HYPERLINK l _Toc247344544 2.2

3、 活塞的的速度5 HYPERLINK l _Toc247344545 2.3 活塞的的加速度5 HYPERLINK l _Toc247344546 第3章活塞组组的设计6 HYPERLINK l _Toc247344547 3.1 活塞的的设计6 HYPERLINK l _Toc247344548 3.1.1 活活塞的工作条条件和设计要要求6 HYPERLINK l _Toc247344549 3.1.2 活活塞的材料7 HYPERLINK l _Toc247344550 3.1.3 活活塞头部的设设计7 HYPERLINK l _Toc247344551 3.1.4 活活塞裙部的设设计12

4、HYPERLINK l _Toc247344552 3.2 活塞销销的设计 PAGEREF _Toc247344552 h 15 HYPERLINK l _Toc247344553 3.2.1 活活塞销的结构构、材料 PAGEREF _Toc247344553 h 15 HYPERLINK l _Toc247344554 3.2.2 活活塞销强度和和刚度计算 PAGEREF _Toc247344554 h 15 HYPERLINK l _Toc247344555 3.3 活塞销销座16 HYPERLINK l _Toc247344556 3.3.1 活活塞销座结构构设计16 HYPERLINK

5、 l _Toc247344557 3.3.2 验验算比压力17 HYPERLINK l _Toc247344558 3.4 活塞环环设计及计算算17 HYPERLINK l _Toc247344559 3.4.1 活活塞环形状及及主要尺寸设设计17 HYPERLINK l _Toc247344560 3.4.2 活活塞环强度校校核17 HYPERLINK l _Toc247344561 3.5 本章小小结19 HYPERLINK l _Toc247344562 第4章活塞的的建模20 HYPERLINK l _Toc247344563 4.1 对Prro/E软件件基本功能的的介绍20 HYPE

6、RLINK l _Toc247344564 4.2 活塞的的建模20 HYPERLINK l _Toc247344565 4.2.1 活活塞的特点分分析20 HYPERLINK l _Toc247344566 4.2.2 活活塞的建模思思路20 HYPERLINK l _Toc247344567 4.2.3 活活塞的建模步步骤21 HYPERLINK l _Toc247344568 结束语26 HYPERLINK l _Toc247344568 参考文献277 HYPERLINK l _Toc247344569 致谢28柴油机改进活塞组的设计第1章 引言PAGE 41翻译文稿引言选题背景多刚体

7、动力学模模拟是近十年年发展起来的的机械计算机机模拟技术，提提供了在设计计过程中对设设计方案进行行分析和优化化的有效手段段，在机械设设计领域获得得越来越广泛泛的应用。它它是利用计算算机建造的模模型对实际系系统进行实验验研究，将分分析的方法用用于模拟实验验，充分利用用已有的基本本物理原理，采采用与实际物物理系统实验验相似的研究究方法，在计计算机上运行行仿真实验。目目前多刚体动动力学模拟软软件主要有PPro/Meechaniics，Woorkingg modeel 3D，AADAMS等等。多刚体动动力学模拟软软件的最大优优点在于分析析过程中无需需编写复杂仿仿真程序，在在产品的设计计分析时无需需进行样

8、机的的生产和试验验。对内燃机机产品的部件件装配进行机机构运动仿真真，可校核部部件运动轨迹迹，及时发现现运动干涉；对部件装配配进行动力学学仿真，可校校核机构受力力情况；根据据机构运动约约束及保证性性能最优的目目标进行机构构设计优化，可可最大限度地地满足性能要要求，对设计计提供指导和和修正2。目前国内内大学和企业业已经已进行行了机构运动动、动力学仿仿真方面的研研究和局部应应用，能在设设计初期及时时发现内燃机机曲柄连杆机机构干涉，校校核配气机构构运动、动力力学性能等，为为设计人员提提供了基本的的设计依据3-4。目前国内外对发发动机曲柄连杆机机构的动力学学分析的方法法很多，而且且已经完善和和成熟。其中

9、中机构运动学学分析是研究究两个或两个个以上物体间间的相对运动动，即位移、速速度和加速度度的变化关系系：动力学则是是研究产生运运动的力。发发动机曲柄连连杆机构的动动力学分析主主要包括气体体力、惯性力力、轴承力和和曲轴转矩等等的分析，传传统的内燃机机工作机构动动力学、运动动学分析方法法主要有图解解法和解析法法5。研究目标和意义义曲柄连杆机构是是发动机的传递递运动和动力力的机构，通通过它把活塞塞的往复直线线运动转变为为曲轴的旋转转运动而输出出动力。因此此，曲柄连杆杆机构是发动动机中主要的的受力部件，其工作可靠靠性就决定了了发动机工作的的可靠性。随随着发动机强强化指标的不不断提高，机机构的工作条条件更

10、加复杂杂。在多种周周期性变化载载荷的作用下下，如何在设设计过程中保保证机构具有有足够的疲劳劳强度和刚度度及良好的动动静态力学特特性成为曲柄柄连杆机构设设计的关键性性问题1。通过设计，确定定发动机曲柄柄连杆机构的的总体结构和和零部件结构构，包括必要要的结构尺寸寸确定、运动动学和动力学学分析、材料料的选取等，以以满足实际生生产的需要。在传统的设计模模式中，为了了满足设计的的需要须进行行大量的数值值计算，同时时为了满足产产品的使用性性能，须进行行强度、刚度度、稳定性及及可靠性等方方面的设计和和校核计算，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。为了真实全面地地了解机构在在实际运行工工况

11、下的力学学特性，本文文采用了多体体动力学仿真真技术，针对对机构进行了了实时的，高高精度的动力力学响应分析析与计算，因因此本研究所所采用的高效效、实时分析析技术对提高高分析精度，提提高设计水平平具有重要意意义，而且可可以更直观清清晰地了解曲曲柄连杆机构构在运行过程程中的受力状状态，便于进进行精确计算算，对进一步步研究发动机的平衡衡与振动、发发动机增压的的改造等均有有较为实用的的应用价值。研究主要内容对内燃机运行过过程中曲柄连连杆机构受力力分析进行深入研究究，其主要的的研究内容有有：（1）对曲柄连连杆机构进行行运动学和动动力学分析，分分析曲柄连杆杆机构中各种种力的作用情情况，并根据据这些力对曲曲柄

12、连杆机构构的主要零部部件进行强度度、刚度等方方面的计算和和校核，以便达到设设计要求；（2）分析曲柄柄连杆机构中中主要零部件件如活塞，曲曲轴，连杆等等的工作条件件和设计要求求，进行合理理选材，确定定出主要的结结构尺寸，并并进行相应的的尺寸检验校校核，以符合合零件实际加加工的要求；第2章 活塞运动规律的研究活塞运动规律的的研究中心曲柄连杆机机构简图如图图2.1所示示，图2.11中气缸中心心线通过曲轴轴中心O，OOB为曲柄，AAB为连杆，BB为曲柄销中中心，A为连连杆小头孔中中心或活塞销销中心。当曲柄按等角速速度旋转时，曲曲柄OB上任任意点都以OO点为圆心做做等速旋转运运动，活塞AA点沿气缸中中心线

13、做往复复运动，连杆杆AB则做复复合的平面运运动，其大头头B点与曲柄柄一端相连，做做等速的旋转转运动，而连连杆小头与活活塞相连，做做往复运动。在在实际分析中中，为使问题题简单化，一一般将连杆简简化为分别集集中于连杆大大头和小头的的两个集中质质量，认为它它们分别做旋旋转和往复运运动，这样就就不需要对连连杆的运动规规律进行单独独研究9。图2.1 曲柄柄连杆机构运运动简图活塞做往复运动动时，其速度度和加速度是是变化的。它它的速度和加加速度的数值值以及变化规规律对曲柄连连杆机构以及及发动机整体体工作有很大大影响，因此此，研究曲柄柄连杆机构运运动规律的主主要任务就是是研究活塞的的运动规律。活塞位移假设在某

14、一时刻刻，曲柄转角角为，并按顺顺时针方向旋旋转，连杆轴轴线在其运动动平面内偏离离气缸轴线的的角度为，如如图2.1 所示。当=时，活塞销销中心A在最最上面的位置置A1，此位置称称为上止点。当当=180时，AA点在最下面面的位置A22，此位置称称为下止点。此时活塞的位移移x为:x=(r+) = （2.1）式中：连杆比比。式（2.1）可可进一步简化化，由图2.1可以看出出： 即 又由于 （22.2）将式（2.2）带带入式（2.1）得： x= （2.3）式（2.3）是是计算活塞位位移x的精确确公式,为便便于计算，可可将式（2.3）中的根号号按牛顿二项项式定理展开开，得：考虑到 13，其二次次方以上的数

15、数值很小，可可以忽略不计计。只保留前前两项，则 （22.4）将式（2.4）带带入式（2.3）得 （22.5）活塞的速度 将活塞位移公式式（2.1）对对时间t进行行微分，即可可求得活塞速速度的精确值值为 (2.6)将式（2.5）对对时间微分，便便可求得活塞塞速度得近似似公式为： （22.7）从式（2.7）可可以看出，活活塞速度可视视为由与两部分简谐谐运动所组成成。当或时，活塞速速度为零，活活塞在这两点点改变运动方方向。当时，此时活活塞得速度等等于曲柄销中中心的圆周速速度。活塞的加速度将式（2.6）对对时间微分，可可求得活塞加加速度的精确确值为： （2.8）将式（2.7）对对时间为微分分，可求得活

16、活塞加速度的的近似值为： （2.99）因此，活塞加速速度也可以视视为两个简谐谐运动加速度度之和，即由由与两部分组成成。第3章 活塞组的设计活塞组的设计活塞的设计活塞组包括活塞塞、活塞销和和活塞环等在在气缸里作往往复运动的零零件，它们是是发动机中工工作条件最严严酷的组件。发发动机的工作作可靠性与使使用耐久性，在在很大程度上上与活塞组的的工作情况有有关。活塞的工作条件件和设计要求求1、活塞的机械械负荷在发动机工作中中,活塞承受受的机械载荷荷包括周期变变化的气体压压力、往复惯惯性力以及由由此产生的侧侧向作用力。在在机械载荷的的作用下，活活塞各部位了了各种不同的的应力：活塞塞顶部动态弯弯曲应力；活活塞

17、销座承受受拉压及弯曲曲应力；环岸承承受弯曲及剪剪应力。此外外，在环槽及及裙部还有较较大的磨损。为适应机械负荷荷，设计活塞塞时要求各处处有合适的壁壁厚和合理的的形状，即在在保证足够的的强度、刚度度前提下，结结构要尽量简简单、轻巧，截面变化处处的过渡要圆圆滑，以减少少应力集中。2、活塞的热负负荷活塞在气缸内工工作时，活塞塞顶面承受瞬瞬变高温燃气气的作用，燃燃气的最高温温度可达。因因而活塞顶的的温度也很高高。活塞不仅仅温度高，而而且温度分布布不均匀，各各点间有很大大的温度梯度度，这就成为热应应力的根源，正正是这些热应应力对活塞顶顶部表面发生生的开裂起了了重要作用。3、磨损强烈发动机在工作中中所产生的

18、侧侧向作用力是较较大的，同时时，活塞在气气缸中的高速速往复运动，活活塞组与气缸缸表面之间会会产生强烈磨磨损，由于此处润润滑条件较差差，磨损情况况比较严重。4、活塞组的设设计要求（1）要选用热热强度好、耐耐磨、比重小小、热膨胀系系数小、导热热性好、具有有良好减磨性性、工艺性的的材料；（2）有合理的的形状和壁厚厚。使散热良良好，强度、刚刚度符合要求求，尽量减轻轻重量，避免免应力集中；（3）保证燃烧烧室气密性好好，窜气、窜窜油要少又不不增加活塞组组的摩擦损失失；（4）在不同工工况下都能保保持活塞与缸缸套的最佳配配合；（5）减少活塞塞从燃气吸收收的热量，而而已吸收的热热量则能顺利利地散走；（6）在较低

19、的的机油耗条件件下，保证滑滑动面上有足足够的润滑油油。活塞的材料根据上述对活塞塞设计的要求求，活塞材料料应满足如下下要求：（1）热强度高高。即在高温温下仍有足够够的机械性能能，使零件不不致损坏；（2）导热性好好，吸热性差差。以降低顶顶部及环区的的温度，并减减少热应力；（3）膨胀系数数小。使活塞塞与气缸间能能保持较小间间隙；（4）比重小。以以降低活塞组组的往复惯性性力，从而降降低了曲轴连连杆组的机械械负荷和平衡衡配重；（5）有良好的的减磨性能（即即与缸套材料料间的摩擦系系数较小），耐耐磨、耐蚀；（6）工艺性好好，低廉。在发动机中，灰灰铸铁由于耐耐磨性、耐蚀蚀性好、膨胀胀系数小、热热强度高、成成本

20、低、工艺艺性好等原因因，曾广泛地地被作为活塞塞材料。但近近几十年来，由由于发动机转转速日益提高高，工作过程程不断强化，灰灰铸铁活塞因因此比重大和和导热性差两两个根本缺点点而逐渐被铝铝基轻合金活活塞所淘汰。铝合金的优缺点点与灰铸铁正正相反，铝合合金比重小，约约占有灰铸铁铁的1/3，结结构重量仅占占铸铁活塞的的。因此其惯惯性小，这对对高速发动机机具有重大意意义。铝合金金另一突出优优点是导热性性好，其热传传导系数约为为铸铁的倍，使使活塞温度显显著下降。对对柴油机来说，采采用铝活塞还还为提高压缩缩比、改善发发动机性能创创造了重要的的条件。共晶铝硅合金是是目前国内外外应用最广泛泛的活塞材料料，既可铸造造

21、，也可锻造造。含硅9%左右的亚共共晶铝硅合金金，热膨胀系系数稍大一些些，但由于铸铸造性能好，适适应大量生产产工艺的要求求，应用也很很广。综合分析，该发发动机活塞采采用铝硅合金金材料铸造而而成。活塞头部的设计计1、设计要点活塞头部包括活活塞顶和环带带部分，其主主要功用是承承受气压力，并并通过销座把把它传给连杆杆，同时与活活塞环一起配配合气缸密封封工质。因此此，活塞头部部的设计要点点是：（1）保证它具具有足够的机机械强度与刚刚度，以免开开裂和产生过过大变形，因因为环槽的变变形过大势必必影响活塞环环的正常工作作；（2）保证温度度不过高，温温差小，防止止产生过大的的热变形和热热应力，为活活塞环的正常常

22、工作创造良良好条件，并并避免顶部热热疲劳开裂；（3）尺寸尽可可能紧凑，因因为一般压缩缩高度缩短11单位，整个个发动机高度度就可以缩短短单位，并显显著减轻活塞塞重量。而则则直接受头部部尺寸的影响响。2、压缩高度的的确定活塞压缩高度的的选取将直接接影响发动机机的总高度，以以及气缸套、机机体的尺寸和和质量。尽量量降低活塞压压缩高度是现现代发动机活活塞设计的一一个重要原则则，压缩高度度是由火力岸岸高度、环带带高度和上裙裙尺寸构成的的，即=+ 为了降降低压缩高度度，应在保证证强度的基础础上尽量压缩缩环岸、环槽槽的高度及销销孔的直径。（1）第一环位位置根据活塞环的布布置确定活塞塞压缩高度时时，首先须定定出

23、第一环的的位置，即所所谓火力岸高高度。为缩小小，当然希望望尽可能小，但但过小会使第第一环温度过过高，导致活活塞环弹性松松弛、粘结等等故障。因此此火力岸高度度的选取原则则是：在满足足第一环槽热热载荷要求的的前提下，尽尽量取得小些些。一般柴油油机，为活塞直径径，该发动机机的活塞标准准直径，确定定火力岸高度度为：（2）环带高度度 为减小活塞高度度，活塞环槽槽轴向高度应应尽可能小，这这样活塞环惯惯性力也小，会会减轻对环槽槽侧面冲击，有有助于提高环环槽耐久性。但但太小，使制制环工艺困难难。在小型高高速内燃机上上，一般气环环高，油环高高。该发动机采用三三道活塞环，第第一和第二环环称之为压缩缩环（气环），第

24、第三环称之为为油环。取，。环岸的高度，应应保证它在气气压力造成的的负荷下不会会破坏。当然然，第二环岸岸负荷要比第第一环岸小得得多，温度也也低，只有在在第一环岸已已破坏的情况况下，它才可可能被破坏。因因此，环岸高高度一般第一一环最大，其其它较小。实实际发动机的的统计表明，柴油机接近下限。则 ， 。因此，环带高度度。（3）上裙尺寸寸确定好活塞头部部环的布置以以后，压缩高高度H1最后决定定于活塞销轴轴线到最低环环槽（油环槽槽）的距离hh1。为了保保证油环工作作良好，环在在槽中的轴向向间隙是很小小的，环槽如如有较大变形形就会使油环环卡住而失效效。所以在一一般设计中，选选取活塞上裙裙尺寸一般应应使销座上

25、方方油环槽的位位置处于销座座外径上面，并并且保证销座座的强度不致致因开槽而削削弱，同时也也不致因销座座处材料分布布不均引起变变形，影响油油环工作。综上所述，可以以决定活塞的的压缩高度。对对于柴油机，所以以 。则 。3、活塞顶和环环带断面（1）活塞顶活塞顶的形状主主要取决于燃燃烧室的选择择和设计。仅仅从活塞设计计角度，为了了减轻活塞组组的热负荷和和应力集中，希希望采用受热热面积最小、加加工最简单的的活塞顶形状状，即平顶。大大多柴柴油机正是采采用平顶活塞塞，由于1.6L发动机机为高压缩比比，因而采用用近似于平顶顶的活塞。实实际统计数据据表明，活塞塞顶部最小厚厚度，柴油机机为，即。活塞顶顶接受的热量

26、量，主要通过过活塞环传出出。专门的实实验表明，对对无强制冷却却的活塞来说说，经活塞环环传到气缸壁壁的热量占77080%，经活塞本本身传到气缸缸壁的占10020%，而而传给曲轴箱箱空气和机油油的仅占100%左右。所所以活塞顶厚厚度应从中央央到四周逐渐渐加大，而且且过渡圆角应应足够大，使使活塞顶吸收收的热量能顺顺利地被导至至第二、三环环，以减轻第第一环的热负负荷，并降低低了最高温度度。活塞头部要安装装活塞环，侧侧壁必须加厚厚，一般取，取取为6.16mmm，活塞顶顶与侧壁之间间应该采用较较大的过渡圆圆角，一般取取，取0.0074为5.9933mm.为了了减少积炭和和受热，活塞塞顶表面应光光洁，在个别

27、别情况下甚至至抛光。复杂杂形状的活塞塞顶要特别注注意避免尖角角，所有尖角角均应仔细修修圆，以免在在高温下熔化化。（2）环带断面面为了保证高热负负荷活塞的环环带有足够的的壁厚使导热热良好，不让让热量过多地地集中在最高高一环，其平平均值为。正正确设计环槽槽断面和选择择环与环槽的的配合间隙，对对于环和环槽槽工作的可靠靠性与耐久性性十分重要。槽槽底圆角一般般为0.20.5mmm。活塞环岸岸锐边必须有有适当的倒角角，否则当岸岸部与缸壁压压紧出现毛刺刺时，就可能能把活塞环卡卡住，成为严严重漏气和过过热的原因，但但倒角过大又又使活塞环漏漏气增加。一一般该倒角为为。（3）环岸和环环槽环岸和环槽的设设计应保持活

28、活塞、活塞环环正常工作，降降低机油消耗耗量，防止活活塞环粘着卡卡死和异常磨磨损，气环槽槽下平面应与与活塞轴线垂垂直，以保证证环工作时下下边与缸桶接接触，减小向向上窜机油的的可能性。活活塞环侧隙在在不产生上述述损伤的情况况下愈小愈好好，目前，第第一环与环槽槽侧隙一般为为0.050.1mmm，二、三环环适当小些，为为0.030.07mmm，油环则则更小些，这这有利于活塞塞环工作稳定定和降低机油油消耗量，侧侧隙确定油环环槽中必须设设有回油孔，并并均匀地布置置再主次推力力面侧，回油油孔对降低机机油消耗量有有重要意义，三三道活塞环的的开口间隙及及侧隙如表3.1所示:表3.1 活塞塞环的开口间间隙及侧隙活

29、塞环开口间隙/侧隙/第一道环第二道环第三道环活塞环的背隙比比较大，以免免环与槽底圆圆角干涉。一一般气环=0.5毫米米，油环的则更更大些，如图图3.1所示示。（4）环岸的强强度校核在膨胀冲程开始始时，在爆发发压力作用下下，第一道活活塞环紧压在在第一环岸上上。由于节流流作用，第一一环岸上面的的压力比下面面压力大得多多，不平衡力力会在岸根产产生很大的弯弯曲和剪切应应力，当应力力值超过铝合合金在其工作作温度下的强强度极限或疲疲劳极限时，岸岸根有可能断断裂，专门的的试验表明，当当活塞顶上作作用着最高爆爆发压力时，如图3.22所示。已知=4.5，则则， 图3.1 环与与环槽的配合合间隙及环槽槽结构 图3.

30、22第一环岸的的受力情况10环岸是一个厚、内内外圆直径为为、的圆环形板板，沿内圆柱柱面固定，要要精确计算固固定面的应力力比较复杂，可可以将其简化化为一个简单单的悬臂梁进进行大致的计计算。在通常常的尺寸比例例下，可假定定槽底（岸根根）直径，环环槽深为：于是作用在岸根根的弯矩为 （3.1）而环岸根断面的的抗弯断面系系数近似等于于所以环岸根部危危险断面上的的弯曲应力 （3.2） 同理得剪切应力力为： （3.33）接合成应力公式式为： （33.4）考虑到铝合金在在高温下的强强度下降以及及环岸根部的的应力集中，铝铝合金的许用用应力，校核合格格。活塞裙部的设计计活塞裙部是指活活塞头部最低低一个环槽以以下的

31、那部分分活塞。活塞塞沿气缸往复复运动时，依依靠裙部起导导向作用，并承受由于于连杆摆动所所产生的侧压压力。所以裙裙部的设计要要求，是保证证活塞得到良良好的导向，具具有足够的实实际承压面积积，能形成足足够厚的润滑滑油膜，既不不因间隙过大大发生敲缸，引引起噪音和加加速损伤，也也不因间隙过过小而导致活活塞拉伤。分析活塞在发动动机中工作时时裙部的变形形情况。首先先，活塞受到到侧向力的作作用。承受侧侧向力作用的的裙部表面，一一般只是在两两个销孔之间间的弧形表面面。这样，裙裙部就有被压压偏的倾向，使使它在活塞销销座方向上的的尺寸增大；其次，由于于加在活塞顶顶上的爆发压压力和惯性力力的联合作用用，使活塞顶顶在

32、活塞销座座的跨度内发发生弯曲变形形，使整个活活塞在销座方方向上的尺寸寸变大；再次次，由于温度度升高引起热热膨胀，其中中销座部分因因壁厚较其它它部分要厚，所所以热膨胀比比较严重。三三种情况共同同作用的结果果都使活塞在在工作时沿销销座方向涨大大，使裙部截截面的形状变变成为“椭圆”形，使得在在椭圆形长轴轴方向上的两两个端面与气气缸间的间隙隙消失，以致致造成拉毛现现象。在这些些因素中，机机械变形影响响一般来说并并不严重，主主要还是受热热膨胀产生变变形的影响比比较大。因此，为了避免免拉毛现象，在在活塞裙部与与气缸之间必必须预先流出出较大的间隙隙。当然间隙隙也不能留得得过大，否则则又会产生敲敲缸现象。解解

33、决这个问题题的比较合理理的方法应该该使尽量减少少从活塞头部部流向裙部的的热量，使裙裙部的膨胀减减低至最小；活塞裙部形形状应与活塞塞的温度分布布、裙部壁厚厚的大小等相相适应。本文采用托板式式裙部，这样样不仅可以减减小活塞质量量，而且裙部部具有较大的的弹性，可使使裙部与气缸缸套装配间隙隙减小很多，也也不会卡死。把活塞裙部的横横断面设计成成与裙部变形形相适应的形形状。在设计计时把裙部横横断截面制成成长轴是在垂垂直与活塞销销中心线方向向上，短轴平平行于销轴方方向的椭圆形形。常用的椭椭圆形状是按按下列公式设设计的： （3.4）式中、分别为椭椭圆的长短轴轴，如图3.3所示。缸径小于的裙部部开槽的活塞塞，椭

34、圆度（）的大小，一般为。图3.3 活塞塞销裙部的椭椭圆形状991、裙部的尺寸寸活塞裙部是侧压压力的主要承承担者。为保保证活塞裙表表面能保持住住必要厚度的的润滑油膜，其其表面比压不不应超过一定定的数值。因因此，在决定定活塞裙部长长度是应保持持足够的承压压面积，以减减少比压和磨磨损。在确定裙部长度度时，首先根根据裙部比压压最大的允许许值，决定需需要的最小长长度，然后按按照结构上的的要求加以适适当修改。裙部单位面积压压力（裙部比比压）按下式式计算： （3.5）式中：最大侧侧作用力，由由动力计算求求得，=24410.833活塞直径，；裙部高度，。取。则 一般发动机活塞塞裙部比压值值约为，所以以设计合适

35、。2、销孔的位置置活塞销与活塞裙裙轴线不相交交，而是向承承受膨胀侧压压力的一面（称称为主推力面面，相对的一一面称为次推推力面）偏移移了，这是因因为，如果活活塞销中心布布置，即销轴轴线与活塞轴轴线相交，则则在活塞越过过上止点，侧侧压力作用方方向改变时，活活塞从次推力力面贴紧气缸缸壁的一面突突然整个地横横扫过来变到到主推力面贴贴紧气缸壁的的另一面，与与气缸发生“拍击”，产生噪音音，有损活塞塞耐久性。如如果把活塞销销偏心布置，则则能使瞬时的的过渡变成分分布的过渡，并并使过渡时刻刻先于达到最最高燃烧压力力的时刻，因因此改善了发发动机的工作作平顺性。活塞销的设计活塞销的结构、材材料1、活塞销的结结构和尺

36、寸活塞销的结构为为一圆柱体，中中空形式，可可减少往复惯惯性质量，有有效利用材料料。活塞销与与活塞销座和和连杆小头衬衬套孔的连接接配合，采用用“全浮式”。活塞销的的外直径，取取，活塞销的内内直径，取活塞销长长度，取2、活塞销的材材料活塞销材料为低低碳合金钢，表表面渗碳处理理，硬度高、耐耐磨、内部冲冲击韧性好。表表面加工精度度及粗糙度要要求极高，高高温下热稳定定性好。活塞销强度和刚刚度计算由运动学知，活活塞销表面受受到气体压力力和往复惯性性力的共同作作用，总的作作用力，活塞塞销长度，连连杆小头高度度，活塞销跨度度。1、最大弯曲应应力计算活塞销中央截面面的弯矩为 （3.6）空心销的抗弯断断面系数为，

37、其中 所以弯曲应力为为 即 （33.7） 2、最大剪切应应力计算最大剪切应力出出现在销座和和连杆小头之之间的截面上上。横断截面面的最大剪切切应力发生在在中性层上14，其其值按下式计计算： （33.8）已知许用弯曲应应力；许用剪切应应力，那么校核合合格。活塞销座活塞销座结构设设计 活塞销座用以支支承活塞，并并由此传递功功率。销座应应当有足够的的强度和适当当的刚度，使使销座能够适适应活塞销的的变形，避免免销座产生应应力集中而导导致疲劳断裂裂；同时要有有足够的承压压表面和较高高的耐磨性。活塞销座的内径径，活塞销座座外径一般等等于内径的倍倍，取，活塞销的弯曲跨跨度越小，销销的弯曲变形形就越小，销销销座

38、系统统的工作越可可靠，所以，一一般设计成连连杆小头与活活塞销座开挡挡之间的间隙隙为，但当制制造精度有保保证时，两边边共就足够了了，取间隙为为。验算比压力销座比压力为： （3.9）一般。活塞环设计及计计算活塞环形状及主主要尺寸设计计该发动机采用三三道活塞环，第第一和第二环环为气环，第第三环为油环环。第一道活塞环为为桶形扭曲环环，材料为球球墨铸铁，表表面镀铬。桶桶形环与缸筒筒为圆弧接触触，对活塞摆摆动适应性好好，并容易形形成楔形润滑滑油膜。第二道活塞环为为鼻形环，材材料为铸铁，鼻鼻形环可防止止泵油现象，活活塞向上运动动时润滑效果果好。第三道是油环，是是钢带组成环环，重量轻，比比压高，刮油油能力强。

39、 活塞环的主要尺尺寸为环的高高度、环的径径向厚度。气气环，油环，取，。活塞环的的径向厚度，一一般推荐值为为：当缸径为为时，取。活塞环强度校核核活塞环在工作时时，因剪应力力和轴向力影影响较小，所所以只计算弯弯矩。活塞环环的平均半径径与径向厚度度之比一般都都大于5，所所以可按直杆杆弯曲正应力力公式计算9。1、工作状态下下的弯曲应力力活塞断面的最大大弯矩为： （33.10）由此可得最大弯弯曲应力为： （3.11）对于断面均压环环其开口间隙隙与活塞环平平均接触压力力之间有如下下关系： （3.12）将式（3.122）带入（33.11）并整整理得： （3.13）式中：材料的的弹性模量，对对合金铸铁；活塞环

40、的开口口间隙，取取为；气缸直径，；活塞环径向厚厚度，则 活塞环工作时的的许用弯曲应应力为，则校校核合格。2、套装应力活塞环往活塞上上套装时，要要把切口扳得得比自由状态态的间隙还大大，对于均压压环，此时的的正对切口处处的最大套装装弯曲应力为为： （3.14）式中：与套装装方法有关的的系数，根据据套装方法的的不同，其值值为，一般取取，则 因环的套装时在在常温下进行行的，承受的的应力时间甚甚短，所以套套装应力的许许用值大于工工作应力的许许用值，所以以校核合格。本章小结 在活塞的设计过过程中，分别别确定了活塞塞、活塞销、活活塞销座和活活塞环的主要要的结构参数数，分析了其工工作条件，总总结了设计要要求，

41、选择合合适的材料，并并分别进行了了相关的强度度和刚度校核核，使其符合合实际要求。第4章 活塞的建模活塞的建模对Pro/E软软件基本功能能的介绍Pro/E软件件是美国PTTC公司推出出的大型CAAD/CAMM/CAE一一体化软件。无无论是造型设设计、工程出出图，以及33D装配等方方面，Proo/E都具有有操作容易、使使用方便、可可动态修改的的特点。Pro/E更是是以其基于特特征的参数化化设计、单一一数据库下的的全相关性等等新概念而闻闻名于世。另另外还具有模模具设计，动动态、静态干干涉检查，计计算质量特征征（如质心、惯惯性矩）等功功能模块。用用Pro/EE创建的三维维参数化零件件模型，不但但可以在屏幕幕上自由的翻翻转动态观察察结构形体，更更可以进行方方便的动态修修改和调整。进进行力学分析析、运动分析析、数控加工工等。活塞的建模活塞的特点分析析活塞是在高温、高高压、高腐蚀蚀的条件下，在在汽缸内做高高速往复直线线运动的。要要适应这样恶恶劣的工作条条件，必须具具有相应的结结构。（1）活塞顶部部外表面设计计成凹面形，以以利于燃烧室室内的气体形形成涡流，使使燃料与空气气混合得更均均匀，燃烧得得更充分。（2）在活塞的的头部有三道道环形槽，上上边两道环形形槽为气环槽槽，下边一条条为油环槽。（3）活塞的裙裙部在活塞做做