發(fā)動(dòng)機(jī)綜合實(shí)踐

1、發(fā)動(dòng)機(jī)綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)說明書姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 劉偉 劉建華 胡準(zhǔn)慶 日 期： 目錄0. 設(shè)計(jì)題目及要求1. 傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)1.1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)1.2 傳動(dòng)方案的選擇2.齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 高速齒輪的設(shè)計(jì)2.2 低速齒輪的設(shè)計(jì)2.3圓整中心距后齒輪的校核3. 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 軸的設(shè)計(jì) 3.1.1 中間軸的設(shè)計(jì)計(jì)算·····················&#

2、183;····································· 3.1.2高速軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ··········

3、;·········································· 3.1.3低速軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ·····&#

4、183;···········································3.2軸的校核·····&

5、#183;·················································&

6、#183;········ 3.2.1 中間軸的校核·······································

7、······················ 3.2.2高速軸的校核 ··························

8、;························· 3.2.3低速軸的校核·······················

9、;······································ 4.軸承的校核4.1 高速軸承的校核 4.2 低速軸承的校核······

10、3;·················································

11、3;···5. 潤(rùn)滑方式的選擇5.1 齒輪的潤(rùn)滑 5.2軸承的潤(rùn)滑 ··········································

12、;····················6. 箱體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)7. 設(shè)計(jì)小結(jié)8. 參考文獻(xiàn) 一、設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)四沖程汽油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，初始條件為：1平均有效壓力：=0.81.2MPa；2活塞的平均速度：<18m/s；3缸徑和行程 6缸、缸徑100mm，行程117mm二、設(shè)計(jì)要求：1用計(jì)算機(jī)繪制活塞裝配圖一張和連桿裝配圖一張（A4圖）2設(shè)計(jì)說明書一份，包括（1）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻形式、曲柄半徑r、

13、汽缸工作容積、燃燒室容積和汽缸總?cè)莘e、發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速和角速度、發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率和升功率等。 （2）每隔1度曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算活塞位移、活塞速度及活塞加速度數(shù)據(jù)，繪制曲線并進(jìn)行解釋（3）根據(jù)參考文獻(xiàn)工程熱力學(xué)和內(nèi)燃機(jī)學(xué)確定熱力循環(huán)基本參數(shù)，每隔1度取一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算P、V，作出理想p-v圖并進(jìn)行分析。修正最大爆發(fā)壓力、點(diǎn)火提前角、排氣提前角等數(shù)據(jù)并繪制實(shí)際p-v圖。計(jì)算汽油機(jī)指示功。將熱力學(xué)計(jì)算中的p-v圖轉(zhuǎn)化為p-圖，即氣缸氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。求出相應(yīng)轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)氣缸壓力p的數(shù)據(jù)，作出p-圖。（4）根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和汽車構(gòu)造（上冊(cè)），確定活塞組材料、活塞直徑、活塞高度、壓縮高度、活塞頂部形狀和厚度

14、、活塞環(huán)選擇及尺寸、活塞裙部長(zhǎng)度等并繪圖。確定活塞銷的材料和活塞銷的外徑、內(nèi)徑和長(zhǎng)度。（5）根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，確定曲軸材料和結(jié)構(gòu)、主軸頸直徑和長(zhǎng)度、曲柄銷直徑和長(zhǎng)度等，進(jìn)行強(qiáng)度校核并繪簡(jiǎn)圖。（6）根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，確定連桿的材料和長(zhǎng)度、連桿小頭軸承孔直徑和寬度、外形尺寸、襯套外徑，確定連桿的潤(rùn)滑方式，確定連桿桿身尺寸和連桿尺寸并進(jìn)行強(qiáng)度校核。 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 1結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算1.1已知條件 平均有效壓力:0.81.2 取=1.0 活塞平均速度:<18m/s，取=16m/s1.2發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式經(jīng)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為5.5L，四沖程直列6缸，冷卻方式采用水冷。1.3發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)壓縮比取壓縮比=10工

15、作容積工作容積為=0.918L燃燒室容積燃燒室容積為=0.102L氣缸總?cè)莘e則氣缸總?cè)莘e為=1.02L額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速4102 r/min額定角速度額定角速度=429.34rad/s曲柄半徑曲柄半徑為S/2=58.5mm升功率升功率34.14Mp有效功率有效功率=188Kw2 熱力學(xué)分析壓縮始點(diǎn)的壓強(qiáng)=0.80.9 ；取=0.092.1 多變指數(shù)的選擇壓縮過程： 取壓縮沖程終點(diǎn)（設(shè)為B點(diǎn)），從A點(diǎn)（壓縮過程始點(diǎn)）到B點(diǎn)的壓縮過程看作是多變的壓縮過程，壓縮多變指數(shù)范圍為=1.281.35， 取=1.30膨脹過程： 取定容增壓的終點(diǎn)（設(shè)為C點(diǎn)），從B點(diǎn)到C點(diǎn)看作為定容壓縮過程，膨脹多變指數(shù)范圍為=

16、1.30-1.40 取=1.35 由 可計(jì)算得到壓縮終點(diǎn)壓力為： 2.2壓力升高比的選擇查得壓力升高比=，在69之間。取=7則=12.53，圓整后2.3 P-V圖的繪制將壓縮過程近似看作絕熱過程，由=1.30，并利用PV=const，可以在orgin中繪出壓縮過程線?；旌蠚怏w在氣缸中壓縮后，經(jīng)等容加熱，利用值可得最大爆發(fā)壓力值。膨脹過程類似于壓縮過程，由=1.35，繪出膨脹線。最后連接膨脹終點(diǎn)和壓縮始點(diǎn)。得出理論的P-V圖1。簡(jiǎn)化的條件為：假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程。假設(shè)燃燒過程為等容加熱過

17、程，工質(zhì)放熱為定容放熱。 得Pb=0.56MPa =0.102L =1.02LP-V圖P-圖 2.4.P-V圖的圓整處理在發(fā)動(dòng)機(jī)中為了使其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)型達(dá)到最優(yōu)，采取了點(diǎn)火提前、排氣提前，從內(nèi)燃機(jī)學(xué)第48頁(yè)和汽車構(gòu)造可知，點(diǎn)火提前角常使用的范圍在20°30°之間，經(jīng)調(diào)整后取=28°，此時(shí)V=21.323mL, P=0.70723MPa。考慮實(shí)際過程與理論過程的差異，在實(shí)際過程中，最大爆發(fā)壓力點(diǎn)不在上止點(diǎn)處，而是在上止點(diǎn)之后12°15°，這樣才能達(dá)到充分利用燃料燃燒的能量。在此選取實(shí)際過程中的最大爆發(fā)壓力點(diǎn)發(fā)生在上止點(diǎn)之后13°，此時(shí)實(shí)

18、際的最大爆發(fā)壓力為=2×9.15÷3=6.1MPa。排氣提前角常使用的范圍是：30°80°，取=55°，此時(shí)V=39.7895mL,P=0.3132MPa由于存在點(diǎn)火提前角、排氣提前角，是得P-V圖不在按理論示功圖圖1變化，經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)記錄于附表2中，作出相應(yīng)的實(shí)際P-V圖，如圖所示：3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖下所示，圖中氣缸中心線通過曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿，B為曲柄銷中心，A為連桿小頭孔中心或活塞銷中心。當(dāng)曲柄按等角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄OB上任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連

19、桿AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng)，其大頭B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際分析中，為使問題簡(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)化為分別集中于連桿大頭和小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需要對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究3.1 活塞的位移X通過在EXCEL中輸入活塞的位移公式：，計(jì)算出每10°曲軸轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的活塞位移X，數(shù)據(jù)記錄于附表4中；并利用origin作出活塞的位移曲線。曲線圖如圖所示：3.2 活塞的速度V通過在EXCEL中輸入活塞的位移公式：，計(jì)算出每1°曲軸轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的活塞位移X，數(shù)據(jù)記錄于附表4中；并利用origin作出活

20、塞的位移曲線。曲線圖如圖所示：3.3 活塞的加速度a通過在EXCEL中輸入活塞的位移公式：，計(jì)算出每1°曲軸轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的活塞位移X，數(shù)據(jù)記錄于附表中；并利用origin作出活塞的位移曲線。曲線圖如圖所示：4動(dòng)力學(xué)計(jì)算4.1 質(zhì)量轉(zhuǎn)換沿氣缸軸線作直線運(yùn)動(dòng)的活塞組零件，可以按質(zhì)量不變的原則簡(jiǎn)單相加，并集中在活塞銷中心。粗略計(jì)算，將活塞看做薄壁圓： 其中D=100mm，L為活塞厚度L=8mm，活塞材料為鋁硅合金：=2.7g/cm3，H為活塞高度H=（0.81.0）D=90mm。得勻速旋轉(zhuǎn)的曲拐質(zhì)量，可以按產(chǎn)生離心力不變的原則換算，并集中在曲柄銷的中心。 做平面運(yùn)動(dòng)的連桿組，根據(jù)動(dòng)力學(xué)等效性

21、的質(zhì)量，質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量守恒三原則進(jìn)行質(zhì)量換算。3個(gè)條件決定三個(gè)未知數(shù)，可用位于比較方便的位置上即連桿小頭，大頭和質(zhì)心處三個(gè)質(zhì)量來代替連桿。實(shí)際結(jié)果表明m與m、m相比很小，為簡(jiǎn)化受力分析，常用集中在連桿小頭和大頭的2個(gè)質(zhì)量代替連桿 往復(fù)質(zhì)量： 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量： 4.2作用在活塞上的力作用在活塞銷中心的力，是Fg和Fj的合力，F(xiàn)g為氣體作用力，F(xiàn)j為往復(fù)慣性力。（1）氣體力 （公式18）P活塞頂上的壓力，P-活塞背壓根據(jù)氣缸內(nèi)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系，應(yīng)用EXCEL求解相關(guān)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)記錄在附錄中）作出下圖84連桿的設(shè)計(jì)連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，主要由連桿大頭、大頭蓋、連桿軸瓦及連桿螺栓等部分組成。其作用是

22、將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳給曲軸。連桿小頭與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿桿身作復(fù)雜的平面擺動(dòng)。連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。由于受力比較復(fù)雜并且需要實(shí)驗(yàn)來指導(dǎo)，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。4.1 連桿主要尺寸的設(shè)計(jì)4.1.1連桿長(zhǎng)度的確定由連桿比，參考袁兆成內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第2版，的取值范圍在1/3-1/5,取=0.25，則=4*r=234mm,4.1.2連桿小頭尺寸的確定連桿小頭位于活塞內(nèi)腔，尺寸小、軸承比壓高、溫度較高。本次設(shè)計(jì)汽油機(jī)的連桿材料選取為45鋼，密度=7.85g/cm. 連桿小頭的內(nèi)徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)

23、計(jì)，取，,=2-3mm,d=34mm, 連桿小頭的外徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，取， 連桿小頭的寬度，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)， 取， 襯套外徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)， 取4.1.3 連桿大頭尺寸的確定 連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定了曲柄銷直徑D2、長(zhǎng)度B2、連桿軸瓦厚度等等，對(duì)曲軸的強(qiáng)度、剛度和承壓能力有很大的 影響。大頭的外形尺寸又決定了凸輪軸位置和曲軸箱形狀，大頭的重量產(chǎn)生的離心力會(huì)使連桿軸承、主軸承負(fù)荷增大，磨損加劇，有時(shí)還不得不為此而增加平衡重，給曲軸設(shè)計(jì)帶來困難，因此在設(shè)計(jì)連桿大頭時(shí)，應(yīng)在保證強(qiáng)度和剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。 連桿大頭內(nèi)徑，參考楊連生版內(nèi)燃

24、機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，取 連桿大頭外徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)， 取D2 =0.62D=62mm 連桿螺栓孔間距離，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，C/ D2 =1.21.25, 取C=1.2D2 =74.4mm 高度H3，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，H3 / D2 =0.350.4，取H3 =0.38D2=24mm 高度H4 ，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，H4/ D2 =0.380.44，取H4=0.4D2=25mm4.2 連桿強(qiáng)度計(jì)算4.2.1 連桿小頭強(qiáng)度計(jì)算襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫升產(chǎn)生的應(yīng)力式中小頭外徑，為42.5mm；小頭內(nèi)徑，為30mm；襯套材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅，可取=1.81/；連

25、桿小頭材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于鋼可取=1.010（1/）；,泊桑比，一般可取=0.3；E連桿小頭材料的彈性模數(shù)對(duì)于剛，E=2.2N/mm襯套材料的彈性模數(shù)，對(duì)于青銅，=1.15N/mm計(jì)算得0.065mm.計(jì)算可得：把小頭視為內(nèi)壓厚壁圓筒，在壓力P的作用下外表面的切向應(yīng)力為內(nèi)表面=101.8 N/mm2外表面=79.3 N/mm2經(jīng)檢驗(yàn)小于100-150 N/mm2小頭應(yīng)力的校核當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于額定工況時(shí)，連桿小頭的最大拉伸作用力為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)工況時(shí)固定角 在的截面上 (0.5723213.26=2.63計(jì)算截面拉伸力引起的法向力和彎矩為：小頭壁厚為； 由拉伸作用在外表上產(chǎn)生的應(yīng)力為：取點(diǎn)火提

26、前角為：連桿小頭的合力為：計(jì)算截面中由壓縮力引起的法向力和彎矩： =不對(duì)稱循環(huán)的最大與最小應(yīng)力為：平均應(yīng)力及應(yīng)力幅： 又由n 材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，取=200應(yīng)力幅；平均應(yīng)力；考慮表面加工情況的工藝系數(shù)，其值在0.40.6之間，取角系數(shù)，材料在對(duì)稱循環(huán)下的彎曲疲勞極限，對(duì)于鋼，則取算得n=2.2 1.5 則小頭合格4.2.2連桿大頭強(qiáng)度校核計(jì)算連桿大頭受慣性力拉伸載荷：式中、分別是活塞組、連桿組往復(fù)部分、連桿旋轉(zhuǎn)部分及連桿大頭下半部分的重量。取則彎曲應(yīng)力為： 式中計(jì)算斷面的抗彎曲斷面模數(shù)，取計(jì)算圓環(huán)的曲率半徑，計(jì)算可得、大頭及軸承中央截面面積，計(jì)算可得查楊連生內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的值在1500

27、020000N·m之間，合格。5 活塞組的設(shè)計(jì)活塞組主要用來與氣缸、氣缸蓋相配合形成一個(gè)容積變化的密閉空間，在這里完成內(nèi)燃機(jī)的工作過程；同時(shí)活塞組也承受燃?xì)鈮毫?，并把它傳給連桿、曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外輸出扭矩，以驅(qū)動(dòng)汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng).它由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等機(jī)件組成。5.1活塞5.1.1活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求1、活塞的機(jī)械負(fù)荷在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中,活塞承受的機(jī)械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復(fù)慣性力以及由此產(chǎn)生的側(cè)向作用力。在機(jī)械載荷的作用下，活塞各部位了各種不同的應(yīng)力：活塞頂部動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應(yīng)力；環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。此外，在環(huán)槽及裙部

28、還有較大的磨損。為適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強(qiáng)度、剛度前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單、輕巧，截面變化處的過渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中。2、活塞的熱負(fù)荷活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔?，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨??；钊粌H溫度高，而且溫度分布不均勻，各點(diǎn)間有很大的溫度梯度，這就成為熱應(yīng)力的根源，正是這些熱應(yīng)力對(duì)活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用9。3、磨損強(qiáng)烈發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向作用力是較大的，同時(shí)，活塞在氣缸中的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞組與氣缸表面之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損，由于此處潤(rùn)滑條件較差，磨損情況比較嚴(yán)重。4、活塞組的設(shè)計(jì)要

29、求（1）要選用熱強(qiáng)度好、耐磨、比重小、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料；（2）有合理的形狀和壁厚。使散熱良好，強(qiáng)度、剛度符合要求，盡量減輕重量，避免應(yīng)力集中；（3）保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失；（4）在不同工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合；（5）減少活塞從燃?xì)馕盏臒崃?，而已吸收的熱量則能順利地散走；（6）在較低的機(jī)油耗條件下，保證滑動(dòng)面上有足夠的潤(rùn)滑油。5.1.2 活塞的材料根據(jù)上述對(duì)活塞設(shè)計(jì)的要求，活塞材料應(yīng)滿足如下要求：（1）熱強(qiáng)度高。即在高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞；（2）導(dǎo)熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少

30、熱應(yīng)力；（3）膨脹系數(shù)小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙；（4）比重小。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重；（5）有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較小），耐磨、耐蝕；（6）工藝性好，低廉。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。但近幾十年來，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因此比重大和導(dǎo)熱性差兩個(gè)根本缺點(diǎn)而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵正相反，鋁合金比重小，約占有灰鑄鐵的1/3，結(jié)構(gòu)重量?jī)H占鑄鐵活塞的。因此其慣性小，這對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。鋁

31、合金另一突出優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的倍，使活塞溫度顯著下降。對(duì)汽油機(jī)來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。共晶鋁硅合金是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。含硅9%左右的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣。綜合分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。5.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過銷座把它傳給連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。因此，活塞頭部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：（1）保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛度，以免開裂和產(chǎn)生過大變

32、形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過大勢(shì)必影響活塞環(huán)的正常工作；（2）保證溫度不過高，溫差小，防止產(chǎn)生過大的熱變形和熱應(yīng)力，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件，并避免頂部熱疲勞開裂；（3）尺寸盡可能緊湊，因?yàn)橐话銐嚎s高度縮短1單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度就可以縮短單位，并顯著減輕活塞重量。而則直接受頭部尺寸的影響。2、壓縮高度的確定活塞壓縮高度的選取將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。盡量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構(gòu)成的，即=+ 為了降低壓縮高度，應(yīng)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。（1）第一環(huán)位置根據(jù)活塞環(huán)的布

33、置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂火力岸高度。為縮小，當(dāng)然希望盡可能小，但過小會(huì)使第一環(huán)溫度過高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。因此火力岸高度的選取原則是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般汽油機(jī)，為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑，確定火力岸高度為：（2）環(huán)帶高度 為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。但太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高，油環(huán)高。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱之為壓縮環(huán)（氣環(huán)），第三環(huán)稱之為油環(huán)。取，。環(huán)岸的高度，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷

34、下不會(huì)破壞。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，汽油機(jī)接近下限。則 ， 。因此，環(huán)帶高度。（3）上裙尺寸確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，壓縮高度H1最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽（油環(huán)槽）的距離h1。為了保證油環(huán)工作良好，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會(huì)使油環(huán)卡住而失效。所以在一般設(shè)計(jì)中，選取活塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面，并且保證銷座的強(qiáng)度不致因開槽而削弱，同時(shí)也不致因銷座處材料分布不均引起變形，影響油環(huán)工作。綜上所述，可以決定活塞的壓

35、縮高度。對(duì)于汽油機(jī)，所以。則 。3、活塞頂和環(huán)帶斷面（1）活塞頂活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)角度，為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀，即平頂。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用平頂活塞，由于發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓縮比，因而采用近似于平頂?shù)幕钊?。?shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，汽油機(jī)為，即。活塞頂接受的熱量，主要通過活塞環(huán)傳出。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)無(wú)強(qiáng)制冷卻的活塞來說，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占7080%，經(jīng)活塞本身傳到氣缸壁的占1020%，而傳給曲軸箱空氣和機(jī)油的僅占10%左右。所以活塞頂厚度應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過渡圓角應(yīng)足夠大，使活塞頂

36、吸收的熱量能順利地被導(dǎo)至第二、三環(huán)，以減輕第一環(huán)的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度9?；钊^部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取，取為7.59mm，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角，一般取，取0.09為8.995mm.為了減少積炭和受熱，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角，所有尖角均應(yīng)仔細(xì)修圓，以免在高溫下熔化。（2）環(huán)帶斷面為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過多地集中在最高一環(huán)，其平均值為。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對(duì)于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。槽底圓角一般為0.20.5mm?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡?/p>

37、角，否則當(dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過熱的原因，但倒角過大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為。（3）環(huán)岸和環(huán)槽環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計(jì)應(yīng)保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機(jī)油消耗量，防止活塞環(huán)粘著卡死和異常磨損，氣環(huán)槽下平面應(yīng)與活塞軸線垂直，以保證環(huán)工作時(shí)下邊與缸桶接觸，減小向上竄機(jī)油的可能性?；钊h(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生上述損傷的情況下愈小愈好，目前，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為0.050.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.030.07mm，油環(huán)則更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機(jī)油消耗量，側(cè)隙確定油環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)龋赜涂讓?duì)降低機(jī)油消耗量有重要意義，三

38、道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙如表3.1所示:表3.1 活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙活塞環(huán)開口間隙/側(cè)隙/第一道環(huán)第二道環(huán)第三道環(huán)活塞環(huán)的背隙比較大，以免環(huán)與槽底圓角干涉。一般氣環(huán)=0.5毫米，油環(huán)的則更大些，如圖3.1所示。（4）環(huán)岸的強(qiáng)度校核在膨脹沖程開始時(shí)，在爆發(fā)壓力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力比下面壓力大得多，不平衡力會(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力時(shí)，如圖3.2所示。由內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)楊連生版可知汽油機(jī)活塞頂最高爆發(fā)壓力為3050Bar,即35

39、Mp,取=4.5，則，圖3.1 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 圖3.2第一環(huán)岸的受力情況 環(huán)岸是一個(gè)厚、內(nèi)外圓直徑為、的圓環(huán)形板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算固定面的應(yīng)力比較復(fù)雜，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行大致的計(jì)算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直徑，環(huán)槽深為：于是作用在岸根的彎矩為 （3.1）而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 （3.2） 同理得剪切應(yīng)力為： （3.3）接合成應(yīng)力公式為： （3.4）考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力，校核合格。5.1.3活塞裙部的設(shè)計(jì) 活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那

40、部分活塞。活塞沿氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，具有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)滑油膜，既不因間隙過大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過小而導(dǎo)致活塞拉傷。分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面。這樣，裙部就有被壓偏的傾向，使它在活塞銷座方向上的尺寸增大；其次，由于加在活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形，使整個(gè)活塞在銷座方向上的尺寸變大；再次，由于溫度升高引起熱膨脹，其

41、中銷座部分因壁厚較其它部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使裙部截面的形狀變成為“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。在這些因素中，機(jī)械變形影響一般來說并不嚴(yán)重，主要還是受熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比較大。因此，為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部與氣缸之間必須預(yù)先流出較大的間隙。當(dāng)然間隙也不能留得過大，否則又會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。解決這個(gè)問題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少?gòu)幕钊^部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最小；活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小等相適應(yīng)12。本文采用托板式裙部，這樣不僅可以減小活塞質(zhì)

42、量，而且裙部具有較大的彈性，可使裙部與氣缸套裝配間隙減小很多，也不會(huì)卡死。把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長(zhǎng)軸是在垂直與活塞銷中心線方向上，短軸平行于銷軸方向的橢圓形。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的： （3.4）式中、分別為橢圓的長(zhǎng)短軸，如圖3.3所示。缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。 圖3.3 活塞銷裙部的橢圓形狀1、裙部的尺寸活塞裙部是側(cè)壓力的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其表面比壓不應(yīng)超過一定的數(shù)值。因此，在決定活塞裙部長(zhǎng)度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。在確定裙部長(zhǎng)度時(shí)，首先根據(jù)裙部比壓

43、最大的允許值，決定需要的最小長(zhǎng)度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改。裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計(jì)算： （3.5）式中：最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得，=2410.83活塞直徑，；裙部高度，。取則 一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比壓值約為，所以設(shè)計(jì)合適。2、銷孔的位置活塞銷與活塞裙軸線不相交，而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面（稱為主推力面，相對(duì)的一面稱為次推力面）偏移了，這是因?yàn)?，如果活塞銷中心布置，即銷軸線與活塞軸線相交，則在活塞越過上止點(diǎn)，側(cè)壓力作用方向改變時(shí)，活塞從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個(gè)地橫掃過來變到主推力面貼緊氣缸壁的另一面，與氣缸發(fā)生“拍擊”，產(chǎn)生噪音，有損活塞耐久性。如果把活塞銷偏心布

44、置，則能使瞬時(shí)的過渡變成分布的過渡，并使過渡時(shí)刻先于達(dá)到最高燃燒壓力的時(shí)刻，因此改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作平順性5.2 活塞銷的設(shè)計(jì)5.2.1活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料1、活塞銷的結(jié)構(gòu)和尺寸活塞銷的結(jié)構(gòu)為一圓柱體，中空形式，可減少往復(fù)慣性質(zhì)量，有效利用材料?；钊N與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采用“全浮式”?；钊N的外直徑，取，活塞銷的內(nèi)直徑，取活塞銷長(zhǎng)度，取2、活塞銷的材料 活塞銷材料為低碳合金鋼，表面滲碳處理，硬度高、耐磨、內(nèi)部沖擊韌性好。表面加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好。5.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算由運(yùn)動(dòng)學(xué)知，活塞銷表面受到氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用，總的作用力，活塞銷長(zhǎng)度

45、，連桿小頭高度，活塞銷跨度。1、最大彎曲應(yīng)力計(jì)算活塞銷中央截面的彎矩為 （3.6）空心銷的抗彎斷面系數(shù)為，其中 所以彎曲應(yīng)力為 即 （3.7） 2、最大剪切應(yīng)力計(jì)算最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭之間的截面上。橫斷截面的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中性層上，其值按下式計(jì)算： （3.8）已知許用彎曲應(yīng)力；許用剪切應(yīng)力，那么校核合格。5.3 活塞銷座5.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞銷座用以支承活塞，并由此傳遞功率。銷座應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?，使銷座能夠適應(yīng)活塞銷的變形，避免銷座產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞斷裂；同時(shí)要有足夠的承壓表面和較高的耐磨性?；钊N座的內(nèi)徑，活塞銷座外徑一般等于內(nèi)徑的倍，取，活塞銷的

46、彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設(shè)計(jì)成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為，但當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共就足夠了，取間隙為。5.3.2 驗(yàn)算比壓力銷座比壓力為： （3.9）一般。5.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算5.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。第一道活塞環(huán)為桶形扭曲環(huán)，材料為球墨鑄鐵，表面鍍鉻。桶形環(huán)與缸筒為圓弧接觸，對(duì)活塞擺動(dòng)適應(yīng)性好，并容易形成楔形潤(rùn)滑油膜。第二道活塞環(huán)為鼻形環(huán)，材料為鑄鐵，鼻形環(huán)可防止泵油現(xiàn)象，活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑效果好。第三道是油環(huán)，是鋼帶組成環(huán)，重量輕，比壓高，刮油能力強(qiáng)。 活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度、環(huán)的徑向厚度。氣環(huán)，油環(huán)