活塞设计课程设计

目录一、前言…………………….二、零部件在内燃机中的作用和地位……….三、该零件的工作条件、设计要求………….四、零件的运动分析和受力分析………………五、结构形式的选择；主要参数的选定、设计、计算…………….六、零部件的强度、刚度校核…………………..七、设计结果的分析…………………..八、结束语………………….九、参考文献一、前言内燃机的不断开展，是建立在主要零部件性能和寿命不断改良和提高的根底上的，尤其是随着发动机强化程度的提高、功率的增大和转速的增加，零部件尤其是直喷式柴油机活塞的工作环境变得更加恶劣了。活塞的结构直接影响活塞的温度分布和热应力分布，因此就有必要对活塞的结构和性能作出预测和评价。活塞是内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏，特别是坦克、舰艇和军用车船用内燃机活塞那么要求更高，它已成为制约内燃机开展的一个突出问题二、零部件在内燃机中的作用和地位活塞是曲柄连杆机构的重要零件，主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。此外，活塞又是燃烧室的组成局部。活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。三、该零件的工作条件、设计要求活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。另外，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。活塞运动速度快，工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特殊的外表处理。四、零件的运动分析和受力分析五、结构形式的选择；主要参数的选定、设计、计算〔一〕，活塞头部设计1、设计要点活塞头部包括活塞顶和环带局部，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，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，并防止顶部热疲劳开裂；〔3〕尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度缩短1单位，整个发动机高度就可以缩短单位，并显著减轻活塞重量。而那么直接受头部尺寸的影响。2、压缩高度确实定活塞压缩高度的选取将直接影响发动机的总高度，以及气缸套、机体的尺寸和质量。尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原那么，压缩高度是由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸构成的，即=++为了降低压缩高度，应在保证强度的根底上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。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，即所谓火力岸高度。为缩小，当然希望尽可能小，但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。因此火力岸高度的选取原那么是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般汽油机，为活塞直径，该发动机的活塞标准直径，确定火力岸高度为：〔2〕环带高度为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度应尽可能小，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。但太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高，油环高。该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环〔气环〕，第三环称之为油环。取，，。环岸的高度，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计说明，，，汽油机接近下限。那么，因此，环带高度。〔3〕上裙尺寸确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度H1最后决定于活塞销轴线到最低环槽〔油环槽〕的距离h1。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。所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。综上所述，可以决定活塞的压缩高度。对于汽油机，所以。那么。3、活塞顶和环带断面〔1〕活塞顶活塞顶的形状主要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平顶活塞，由于EA1135V1.6L发动机为高压缩比，因而采用近似于平顶的活塞。实际统计数据说明，活塞顶部最小厚度，汽油机为，即。活塞顶接受的热量，主要通过活塞环传出。专门的实验说明，对无强制冷却的活塞来说，经活塞环传到气缸壁的热量占70～80%，经活塞本身传到气缸壁的占10～20%，而传给曲轴箱空气和机油的仅占10%左右。所以活塞顶厚度应从中央到四周逐渐加大，而且过渡圆角应足够大，使活塞顶吸收的热量能顺利地被导至第二、三环，以减轻第一环的热负荷，并降低了最高温度[9]。活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取，取为6.16mm，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取，取0.074为5.993mm.为了减少积炭和受热，活塞顶外表应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意防止尖角，所有尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。〔2〕环带断面为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，其平均值为。正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙，对于环和环槽工作的可靠性与耐久性十分重要。槽底圆角一般为0.2~0.5mm。活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否那么当岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因，但倒角过大又使活塞环漏气增加。一般该倒角为。〔3〕环岸和环槽环岸和环槽的设计应保持活塞、活塞环正常工作，降低机油消耗量，防止活塞环粘着卡死和异常磨损，气环槽下平面应与活塞轴线垂直，以保证环工作时下边与缸桶接触，减小向上窜机油的可能性。活塞环侧隙在不产生上述损伤的情况下愈小愈好，目前，第一环与环槽侧隙一般为0.05~0.1mm，二、三环适当小些，为0.03~0.07mm，油环那么更小些，这有利于活塞环工作稳定和降低机油消耗量，侧隙确定油环槽中必须设有回油孔，并均匀地布置再主次推力面侧，回油孔对降低机油消耗量有重要意义，三道活塞环的开口间隙及侧隙如表3.1所示:表3.1活塞环的开口间隙及侧隙活塞环开口间隙/侧隙/第一道环第二道环第三道环活塞环的背隙比拟大，以免环与槽底圆角干预。一般气环=0.5毫米，油环的那么更大些，如图3.1所示。〔4〕环岸的强度校核在膨胀冲程开始时，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比下面压力大得多，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，专门的试验说明，当活塞顶上作用着最高爆发压力时，，，如图3.2所示。=4.5，那么，，图3.1环与环槽的配合间隙及环槽结构图3.2第一环岸的受力情况[10]环岸是一个厚、内外圆直径为、的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计算固定面的应力比拟复杂，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，环槽深为：于是作用在岸根的弯矩为〔3.1〕而环岸根断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〔3.2〕同理得剪切应力为：〔3.3〕接合成应力公式为：〔3.4〕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，，校核合格。活塞裙部的设计活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那局部活塞。活塞沿气缸往复运动时，依靠裙部起导向作用，并承受由于连杆摆动所产生的侧压力。所以裙部的设计要求，是保证活塞得到良好的导向，具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，引起噪音和加速损伤，也不因间隙过小而导致活塞拉伤。分析活塞在发动机中工作时裙部的变形情况。首先，活塞受到侧向力的作用。承受侧向力作用的裙部外表，一般只是在两个销孔之间的弧形外表。这样，裙部就有被压偏的倾向，使它在活塞销座方向上的尺寸增大；其次，由于加在活塞顶上的爆发压力和惯性力的联合作用，使活塞顶在活塞销座的跨度内发生弯曲变形，使整个活塞在销座方向上的尺寸变大；再次，由于温度升高引起热膨胀，其中销座局部因壁厚较其它局部要厚，所以热膨胀比拟严重。三种情况共同作用的结果都使活塞在工作时沿销座方向涨大，使裙部截面的形状变成为“椭圆”形，使得在椭圆形长轴方向上的两个端面与气缸间的间隙消失，以致造成拉毛现象。在这些因素中，机械变形影响一般来说并不严重，主要还是受热膨胀产生变形的影响比拟大[11]。因此，为了防止拉毛现象，在活塞裙部与气缸之间必须预先流出较大的间隙。当然间隙也不能留得过大，否那么又会产生敲缸现象。解决这个问题的比拟合理的方法应该使尽量减少从活塞头部流向裙部的热量，使裙部的膨胀减低至最小；活塞裙部形状应与活塞的温度分布、裙部壁厚的大小等相适应[12]。本文采用托板式裙部，这样不仅可以减小活塞质量，而且裙部具有较大的弹性，可使裙部与气缸套装配间隙减小很多，也不会卡死。把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线方向上，短轴平行于销轴方向的椭圆形。常用的椭圆形状是按以下公式设计的：〔3.4〕式中、分别为椭圆的长短轴，如图3.3所示。缸径小于的裙部开槽的活塞，椭圆度〔〕的大小，一般为。图3.3活塞销裙部的椭圆形状[9]1、裙部的尺寸活塞裙部是侧压力的主要承当者。为保证活塞裙外表能保持住必要厚度的润滑油膜，其外表比压不应超过一定的数值。因此，在决定活塞裙部长度是应保持足够的承压面积，以减少比压和磨损。在确定裙部长度时，首先根据裙部比压最大的允许值，决定需要的最小长度，然后按照结构上的要求加以适当修改。裙部单位面积压力〔裙部比压〕按下式计算：〔3.5〕式中：—最大侧作用力，由动力计算求得，=2410.83—活塞直径，；—裙部高度，。取。那么一般发动机活塞裙部比压值约为，所以设计适宜。2、销孔的位置活塞销与活塞裙轴线不相交，而是向承受膨胀侧压力的一面〔称为主推力面，相对的一面称为次推力面〕偏移了，这是因为，如果活塞销中心布置，即销轴线与活塞轴线相交，那么在活塞越过上止点，侧压力作用方向改变时，活塞从次推力面贴紧气缸壁的一面突然整个地横扫过来变到主推力面贴紧气缸壁的另一面，与气缸发生“拍击”，产生噪音，有损活塞耐久性。如果把活塞销偏心布置，那么能使瞬时的过渡变成分布的过渡，并使过渡时刻先于到达最高燃烧压力的时刻，因此改善了发动机的工作平顺性[13]。3.2活塞销的设计活塞销的结构、材料1、活塞销的结构和尺寸活塞销的结构为一圆柱体，中空形式，可减少往复惯性质量，有效利用材料。活塞销与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合，采用“全浮式”。活塞销的外直径，取，活塞销的内直径，取活塞销长度，取2、活塞销的材料活塞销材料为低碳合金钢，外表渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。外表加工精度及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。活塞销强度和刚度计算由运动学知，活塞销外表受到气体压力和往复惯性力的共同作用，总的作用力，活塞销长度，连杆小头高度，活塞销跨度。1、最大弯曲应力计算活塞销中央截面的弯矩为〔3.6〕空心销的抗弯断面系数为，其中所以弯曲应力为即〔3.7〕2、最大剪切应力计算最大剪切应力出现在销座和连杆小头之间的截面上。横断截面的最大剪切应力发生在中性层上[14]，其值按下式计算：〔3.8〕许用弯曲应力；许用剪切应力，那么校核合格。3.3活塞销座活塞销座结构设计活塞销座用以支承活塞，并由此传递功率。销座应当有足够的强度和适当的刚度，使销座能够适应活塞销的变形，防止销座产生应力集中而导致疲劳断裂；同时要有足够的承压外表和较高的耐磨性。活塞销座的内径，活塞销座外径一般等于内径的倍，取，活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销—销座系统的工作越可靠，所以，一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为，但当制造精度有保证时，两边共就足够了，取间隙为。验算比压力销座比压力为：〔3.9〕一般。3.4活塞环设计及计算活塞环形状及主要尺寸设计该发动机采用三道活塞环，第一和第二环为气环，第三环为油环。第一道活塞环为桶形扭曲环，材料为球墨铸铁，外表镀铬。桶形环与缸筒为圆弧接触，对活塞摆动适应性好，并容易形成楔形润滑油膜。第二道活塞环为鼻形环，材料为铸铁，鼻形环可防止泵油现象，活塞向上运动时润滑效果好。第三道是油环，是钢带组成环，重量轻，比压高，刮油能力强。活塞环的主要尺寸为环的高度、环的径向厚度。气环，油环，取，，。活塞环的径向厚度，一般推荐值为：当缸径为时，，取。活塞环强度校核活塞环在工作时，因剪应力和轴向力影响较小，所以只计算弯矩。活塞环的平均半径与径向厚度之比一般都大于5，所以可按直杆弯曲正应力公式计算[9]。1、工作状态