汽油機(jī)活塞說(shuō)明書(shū)

1、目錄1 汽油機(jī)基本參數(shù)選擇21.1 內(nèi)燃機(jī)基本設(shè)計(jì)要求21.2 汽油機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選用22 汽油機(jī)的近似熱計(jì)算42.1 燃料燃燒熱化學(xué)計(jì)算42.2 換氣過(guò)程計(jì)算52.3 壓縮過(guò)程計(jì)算52.4 燃燒過(guò)程計(jì)算62.5 膨脹過(guò)程計(jì)算92.6 示功圖繪制92.7 汽油機(jī)性能指標(biāo)計(jì)算103 活塞的設(shè)計(jì)123.1 活塞的工作條件123.2 活塞的設(shè)計(jì)要求123.3 活塞的材料123.4 活塞的主要尺寸設(shè)計(jì)123.5 活塞二維圖的繪制133.6 活塞三維實(shí)體建模134 汽油機(jī)的動(dòng)力計(jì)算254.1 活塞位移、速度、加速度的計(jì)算254.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析26 4.2.1 作用力分析26 4.2.2 曲柄銷(xiāo)

2、載荷和連桿軸承載荷28參考文獻(xiàn)291 汽油機(jī)基本參數(shù)選擇1.1內(nèi)燃機(jī)基本設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一臺(tái)新的四沖程非增壓汽油機(jī)，必須提出設(shè)計(jì)指標(biāo)。1、功率Pe 有效功率是汽油機(jī)基本性能指標(biāo)。Pe由汽油機(jī)的用途選定，任務(wù)書(shū)已經(jīng)指定所需汽油機(jī)有效功率Pe=86 kw。2、轉(zhuǎn)速n 轉(zhuǎn)速的選用既要考慮被汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械的需要，也要考慮轉(zhuǎn)速對(duì)汽油機(jī)自身工作的影響。任務(wù)書(shū)已經(jīng)指定所需汽油機(jī)轉(zhuǎn)速n=6000 r/min。3、沖程數(shù)本設(shè)計(jì)中的車(chē)用汽油機(jī)都采用四沖程，即=4。4、平均有效壓力Pme 平均有效壓力Pme表示每一工作循環(huán)中單位氣缸工作容積所做的有效功，是汽油機(jī)的強(qiáng)化指標(biāo)之一，一般車(chē)用汽油機(jī)的平均有效壓力為0.

3、9 MPa1.2 MPa，這里取Pme= 0.9 MPa。 5、有效燃油消耗率be 這是汽油機(jī)最重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。四沖程車(chē)用汽油機(jī)250g/(kwh)380g/(kwh)。6、 可靠性和壽命 可靠性和壽命是車(chē)用汽油機(jī)的基本要求之一，設(shè)計(jì)時(shí)必須提出具體指標(biāo)，但本課程設(shè)計(jì)從略。此外，設(shè)計(jì)指標(biāo)還可能包括造價(jià)、排污、噪聲等方面的因素。1.2 汽油機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選用 由有效功率計(jì)算公式： 可知由于Pe、Pme、n、已選定，則汽油機(jī)的總排量iVs也已選定，下一步設(shè)計(jì)應(yīng)選定汽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：氣缸直徑D、活塞形成S、缸數(shù)i及其他一些參數(shù)。1、氣缸直徑D氣缸直徑D的選取影響汽油機(jī)的尺寸和重量，還影響汽油機(jī)的

4、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。本設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定了車(chē)用汽油機(jī)的氣缸直徑D=78mm。2、活塞行程S增大活塞行程S使活塞平均速度提高，機(jī)械負(fù)荷加大，一般車(chē)用汽油機(jī)，同時(shí)S也是汽油機(jī)基本結(jié)構(gòu)指標(biāo)S/D的決定因素，車(chē)用汽油機(jī)的S/D=0.71.2，校核所設(shè)計(jì)的汽油機(jī)的vm和S/D的值。即=17 m/s 符合要求 S/D=85/78=1.09 符合要求3、氣缸數(shù)i及氣缸排列方式由于設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)已指明D的值，S確定后，滿足功率要求可通過(guò)改變氣缸數(shù)i實(shí)現(xiàn)，所以采用4缸直列排布。4、連桿長(zhǎng)度L與曲柄連桿比=r/L連桿長(zhǎng)度加大，會(huì)使汽油機(jī)總高度增加；雖然連桿擺角減小，側(cè)壓力減小，但效果不明顯；而且連桿重量加大，往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣

5、性力加大。因而盡量采用短連桿，目前一般值在1/41/3.2之間，取=1/3.6。則2r=85，r/L=1/3.6 即L=152 mm，r=42.5 mm5、氣缸中心距l(xiāng)0及其與氣缸直徑之比l0/Dl0/D影響汽油機(jī)的長(zhǎng)度尺寸和重量指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)力求縮小l0/D的值。l0/D值的影響因素可從曲軸中心線方向的尺寸分配和氣缸上部的尺寸分配兩方面分析，一般其值為1.251.35，取l0/D=1.22，則l0 =1.2278=95 mm。選用濕缸套。6、壓縮比c選用壓縮比c也就是選用燃燒室容積。選用壓縮比時(shí)要考慮汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能、工作可靠性、爆燃等。任務(wù)書(shū)給定車(chē)用汽油機(jī)的c=102 汽油機(jī)的近似熱計(jì)算 汽

6、油機(jī)工作過(guò)程熱計(jì)算是對(duì)汽油機(jī)各工作過(guò)程中工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)、主要性能質(zhì)變進(jìn)行計(jì)算，并繪出示功圖。通過(guò)熱計(jì)算可以分析各工作過(guò)程的影響因素，找出提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的途徑，又為動(dòng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。汽油機(jī)實(shí)際循環(huán)熱力計(jì)算有近似熱計(jì)算（簡(jiǎn)單計(jì)算法）和模擬熱計(jì)算（點(diǎn)算法）二種。本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行近似熱計(jì)算。2.1 燃料燃燒熱化學(xué)計(jì)算1 理論空氣量L0 （ =0.512 (千摩爾/千克汽油)燃料采用輕汽油，汽油低熱值 Hu=44100千焦/千克燃料2 新鮮空氣量M1 =0.461（千摩爾/千克)其中 過(guò)量空氣系數(shù)，取=0.9；3 燃燒產(chǎn)物M2 =0.497(千摩爾/千克)4 理論分子變更系數(shù)0=1.0795

7、 實(shí)際分子變更系數(shù)1=1.074其中，r殘余廢氣系數(shù)，r = 0.040.10，取r =0.062.2 換氣過(guò)程計(jì)算1 排氣壓力（氣缸內(nèi)廢氣壓力）Pr MPa 取Pr = 0.11 MPa2 氣缸內(nèi)排氣溫度（殘余廢氣溫度）TrTr = 9001200（K） 取Tr =1000 K 3 進(jìn)氣終點(diǎn)壓力Pa MPa 取Pa = 0.085 Mpa4 進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta（K） 取Ta =360 K5 充量系數(shù)（充氣效率） =0.839其中 之間，取，可求得To =338.824K，經(jīng)驗(yàn)證符合要求。2.3 壓縮過(guò)程計(jì)算1 平均多變壓縮指數(shù)n1n1=1.321.38 取n1 =1.34 2 壓縮過(guò)程中任意曲

8、軸轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力(畫(huà)示功圖時(shí)用) MPa 其中：Vca進(jìn)氣終點(diǎn)氣缸容積。 =0.4513 LVcx對(duì)應(yīng)于時(shí)的氣缸容積。 式中：r曲柄半徑，r=S/2；曲柄連桿比，=r/L。 3 壓縮終點(diǎn)充量的狀態(tài)參數(shù) 壓力：=1.86 MPa 溫度：=787.59 K2.4 燃燒過(guò)程計(jì)算1 熱量利用系數(shù)Z熱量利用系數(shù)Z表示燃燒熱量被工質(zhì)吸收多少的程度。由于不完全燃燒、傳熱損失、高溫分解、節(jié)流損失等因素，燃料燃燒所發(fā)出的熱量中只有一部分被工質(zhì)吸收。燃燒終點(diǎn)的熱量利用系數(shù)Z在此范圍內(nèi)選取：Z=0.800.95，取Z=0.82 燃燒最高溫度1）工質(zhì)的平均等容摩爾熱容和平均等壓摩爾熱容間有如下關(guān)系：kJ/(kmolK)

9、 工質(zhì)的平均等壓摩爾熱容按下列方法計(jì)算： 查圖法：由下圖按過(guò)量空氣系數(shù)查出。圖2-1 燃燒產(chǎn)物和平均等壓摩爾比熱與溫度的關(guān)系不同時(shí)，石油燃料完全燃燒產(chǎn)物和空氣（）的平均等壓摩爾比熱與溫度的關(guān)系2）燃燒方程 式中：壓縮終點(diǎn)新鮮空氣和殘余廢氣混合氣的平均等壓摩爾熱容，按下列方法進(jìn)行計(jì)算：在溫度下，空氣的平均等容摩爾熱容?？砂辞蟪?，再由：求出。在溫度下，殘余廢氣的平均等容摩爾熱容。可按值求出，再由：求出。-對(duì)于以1工作的汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，燃料中一部分熱量未能放出。=61100（1-） 3）燃燒最高溫度的計(jì)算利用燃燒方程式，采用試湊法求解，即先假設(shè)一個(gè)，由過(guò)量空氣系數(shù)求出，然后代入燃燒方程，反復(fù)試算，直到方

10、程兩邊的值相差在5%以?xún)?nèi)。計(jì)算步驟如下：設(shè)Tz=2600K 相差5.40%所以Tz= 2650 K3 壓力升高比一般汽油機(jī)，所以符合要求。4 燃燒最高壓力 =6.258 MPa一般汽油機(jī)38.5MPa，所以符合要求。2.5 膨脹過(guò)程計(jì)算1 平均多變膨脹指數(shù) 取n2 =1.262 膨脹過(guò)程中任意曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的氣體壓力（供畫(huà)示功圖時(shí)用） 3 膨脹過(guò)程終點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)壓力：=0.343MPa溫度：=1456.28 K2.6 示功圖繪制1 理論示功圖繪制根據(jù)各過(guò)程計(jì)算結(jié)果可以繪制出汽油機(jī)實(shí)際循環(huán)的理論示功圖，其中，燃燒過(guò)程按等容過(guò)程繪制。理論示功圖的理論循環(huán)指示功按下式計(jì)算： =按示功圖上縱橫坐標(biāo)比例：壓力

11、值/格，容積值/格，可以算出對(duì)應(yīng)的方格數(shù)=24000。2 實(shí)際示功圖繪制理論示功圖沒(méi)有考慮下列因素的影響，因而必須進(jìn)行修正得到實(shí)際的示功圖：1）沒(méi)有考慮進(jìn)排氣過(guò)程。雖然泵氣損失并入機(jī)械損失，不計(jì)入指示功，但為了示功圖完整，根據(jù)進(jìn)氣終點(diǎn)壓力和排氣壓力近似畫(huà)出進(jìn)排氣過(guò)程線。2）點(diǎn)火提前的影響：壓力急劇升高應(yīng)該從上止點(diǎn)前就開(kāi)始。3）燃燒規(guī)律的影響：燃燒過(guò)程壓力線應(yīng)連續(xù)、圓滑，燃燒最高壓力應(yīng)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后1215之間。4）排氣閥提前開(kāi)啟的影響：在下止點(diǎn)前壓力就開(kāi)始下降，即壓力線圓滑過(guò)渡到排氣線。整個(gè)過(guò)程的換氣也應(yīng)修圓。修圓后實(shí)際示功圖的循環(huán)指示功比理論示功圖小。計(jì)算因修圓而減少的方格數(shù)=5，即可求出示

12、功圖的豐滿系數(shù)。一般，經(jīng)檢查示功圖的豐滿系數(shù)在該范圍之內(nèi),符合要求。3 示功圖的繪制由示功圖轉(zhuǎn)換成示功圖。1）計(jì)算法轉(zhuǎn)換：對(duì)于任意曲軸轉(zhuǎn)角，有氣缸容積 （3.8）2）作圖法轉(zhuǎn)換：按下圖所示方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖中：偏移量0.02843 L2.7 汽油機(jī)性能指標(biāo)計(jì)算1 平均指示壓力=1.12 MPa2 指示功、指示熱效率和指示耗油率=109.96 kW=0.39汽油機(jī)指示熱效率，即符合要求。=209.3 g/(kwh)3 機(jī)械效率四沖程汽油機(jī)的之間，取=0.80。4 有效功率、有效熱效率、平均有效壓力及有效油耗率=87.968KW=0.896 MPa=0.3 =261.625g/(kwh)四沖程汽油機(jī)

13、250380g/(kwh)，即符合要求。計(jì)算出的和與任務(wù)書(shū)給定的和計(jì)算開(kāi)始時(shí)假定的的誤差不超過(guò)5%，所以也符合要求。3 活塞的設(shè)計(jì)3.1 活塞的工作條件 1.高溫-導(dǎo)致熱負(fù)荷大 2.高壓-沖擊性的機(jī)械負(fù)荷 3.高速滑動(dòng) 4.交變的側(cè)壓力3.2活塞的設(shè)計(jì)要求 根據(jù)活塞的工作條件，在進(jìn)行活塞設(shè)計(jì)時(shí)首先要求： 1.選用熱強(qiáng)度好，散熱性好，膨脹系數(shù)小，耐磨、有良好減摩性和工藝性的材料。 2.形狀和壁厚合理，吸熱少，散熱好，強(qiáng)度、剛度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中，與缸套有最佳的配合間隙。 3.密封性好，摩擦損失小 4.質(zhì)量小3.3 活塞的材料 在上面的設(shè)計(jì)要求中，實(shí)際上已經(jīng)提出了對(duì)活塞材料的具體要求。下面

14、是常用的幾種活塞材料： 1.灰鑄鐵 2.鋁基合金3.4 活塞的主要尺寸設(shè)計(jì)活塞直徑D=78mm活塞高度：=70.2mm 取0.9壓縮高度：=35.1mm 取0.45裙部高度：=35.1mm 取0.45頂岸高度：=4.68mm 取0.06氣環(huán)高度取2mm 油環(huán)高度取3mm 環(huán)槽深度取4mm第一道氣環(huán)距離活塞頂為6mm第一道氣環(huán)與第二道氣環(huán)距離為3mm第二道氣環(huán)與油環(huán)距離為2.4mm活塞銷(xiāo)座間的距離為=27.3mm活塞壁厚取6mm 活塞頂厚度取7mm銷(xiāo)孔直徑=19.5 取直徑為22mm活塞銷(xiāo)寬度取32mm由于銷(xiāo)孔直徑=22mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)卡環(huán)槽直徑取32mm,寬度取1mm3.5 活塞二維圖的繪制圖3

15、-1 活塞的二維半剖圖3.6 活塞三維實(shí)體建模 1 打開(kāi)建模界面：開(kāi)始機(jī)械設(shè)計(jì)零件設(shè)計(jì)2 選擇xy坐標(biāo)系，繪制如圖的草圖。 圖3-2 活塞整體輪廓草圖3退出草圖界面，選擇“旋轉(zhuǎn)體”命令，生成活塞體。 圖3-3旋轉(zhuǎn)體4選擇xy坐標(biāo)系，進(jìn)入草圖繪制界面，繪制如圖草圖。 圖3-4環(huán)槽草圖5退出草圖界面，選擇草圖，選擇“旋轉(zhuǎn)槽”命令，畫(huà)出氣環(huán)槽和油環(huán)槽。圖3-5旋轉(zhuǎn)槽6選擇xy坐標(biāo)軸，進(jìn)入草圖界面，繪制如圖草圖。圖3-6草圖7退出草圖界面，選擇“旋轉(zhuǎn)槽”命令，生成如圖凹槽。 圖3-7旋轉(zhuǎn)槽8偏移平面后，選擇zy坐標(biāo)軸，進(jìn)入草圖繪制界面，繪制如圖草圖。 圖3-8銷(xiāo)座9退出草圖界面，選擇“凸臺(tái)”命令，生成

16、活塞銷(xiāo)座。然后選擇“鏡像”命令，生成另一邊的銷(xiāo)座。圖3-9凸臺(tái)10進(jìn)入草圖界面，繪制如圖草圖。 圖3-10銷(xiāo)孔草圖11退出草圖界面后，選擇“凹槽”命令，生成銷(xiāo)孔。圖3-11凹槽12選擇xy界面，進(jìn)入草圖界面，繪制如圖草圖。 圖3-12草圖13退出草圖界面，選擇“凹槽”命令，生成如圖凹槽。3-13凹槽14選擇zy坐標(biāo)軸，進(jìn)入草圖界面，繪制如圖草圖。 圖3-14草圖15退出草圖界面，選擇“凹槽”命令，生成如圖模型。圖3-15凹槽16偏移平面后，選擇zy坐標(biāo)軸，進(jìn)入草圖界面，繪制如圖草圖。 圖3-16卡環(huán)槽草圖17退出草圖界面，選擇“凹槽”命令，生成卡環(huán)槽。同理生成另一邊的。 圖3-17卡環(huán)槽18進(jìn)

17、入草圖界面，分別繪制如圖草圖。 圖3-18導(dǎo)油孔草圖19退出草圖界面后，選擇“開(kāi)槽”命令，畫(huà)出導(dǎo)油孔。 圖3-19導(dǎo)油孔20然后選擇“圓形陣列”，畫(huà)出6個(gè)導(dǎo)油孔。圖3-20導(dǎo)油孔21選擇zy界面，繪制肋板草圖。 圖3-21肋板草圖22退出草圖界面，選擇“凸臺(tái)”命令，生成肋板。然后選擇“鏡像”，生成另一邊的。 圖3-22肋板23將圖中所有尖銳部分倒圓角，半徑為1mm。4 汽油機(jī)的動(dòng)力計(jì)算 課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的目的：掌握汽油機(jī)動(dòng)力計(jì)算的方法；確定有關(guān)零件的運(yùn)動(dòng)、受力情況和軸承載荷情況。要求按曲軸5間隔計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果畫(huà)曲線圖。注意：一律以力的實(shí)際值計(jì)算，不要用單位活塞面積作用力。4.1 活塞位

18、移、速度、加速度的計(jì)算 對(duì)于活塞位移、速度和加速度的計(jì)算，由于周期性，只計(jì)算0360度即可。 其中： ，。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫(huà)出X、V、a隨的變化曲線圖4-1活塞位移變化曲線圖4-2活塞速度變化曲線 圖4-3活塞加速度變化曲線4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析4.2.1作用力分析1 基本作用力氣體力： 其中 ：取自然計(jì)算結(jié)果，即修正后的實(shí)際缸內(nèi)壓力值，也就是圖中的壓力值，每個(gè)5度曲軸轉(zhuǎn)角取一個(gè)；為曲軸箱內(nèi)的氣體壓力，近似取100千帕。運(yùn)動(dòng)零件慣性力 活塞組換算質(zhì)量： 實(shí)際質(zhì)量=0.341kg 連桿組換算質(zhì)量： 按兩質(zhì)量系統(tǒng)考慮mc =0.37 kg l=152 mm 小頭換算質(zhì)量： =0.18kg 大頭換算質(zhì)量： =0.19 kg往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力 ：，其中是活塞運(yùn)動(dòng)的加速度連桿大頭離心慣性力：=3184.65 N2 連桿作用力設(shè) 則有：連桿小頭氣缸中心線方向作用力： 垂直氣缸中心線方向（側(cè)壓力）：，其中連桿大頭曲柄旋轉(zhuǎn)方向（切向力）： 曲柄