課程設(shè)計(jì)活塞設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱： 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 活塞設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 交通工程 專 業(yè)： 車輛工程 年 級(jí)： 車輛xxx班 學(xué)生姓名： xxxxxx 指導(dǎo)教師： xxxxxx 日 期： 2013年9月 教 務(wù) 處 制目 錄1總體布局，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及選用原則系統(tǒng)分析11.1總體設(shè)計(jì)的一般要求112選用原則12.標(biāo)定工況工作過(guò)程及熱力計(jì)算和示功圖繪制22.1實(shí)際循環(huán)熱力計(jì)算2熱力計(jì)算的目的2熱力計(jì)算的方法22.2重要參數(shù)選取2壓縮比3過(guò)量空氣系數(shù)4掃氣系數(shù)4殘余廢氣系數(shù)4進(jìn)氣溫升4熱量利用系數(shù)4示功圖豐滿系數(shù)4機(jī)械效率4平均多變壓縮指數(shù)4平均多變膨脹指數(shù)42.3 燃料燃燒化學(xué)計(jì)算52.3.1 理論空

2、氣量的計(jì)算52.3.2 理論分子變化系數(shù)52.3.3 實(shí)際分子變化系數(shù)52.4 燃?xì)膺^(guò)程參數(shù)的確定與計(jì)算52.4.1 壓縮始點(diǎn)的氣體狀態(tài)52.4.2 壓縮終點(diǎn)氣體狀態(tài)62.3.3 燃燒過(guò)程及燃燒終點(diǎn)氣體狀態(tài)62.4.4 膨脹終點(diǎn)氣體狀態(tài)7排氣溫度的計(jì)算8示功圖的繪制82.5 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)92.5.1 平均指示壓力9平均有效壓力10有效功率10充量系數(shù)10指示熱效率10有效熱效率10燃油消耗率10發(fā)動(dòng)機(jī)總進(jìn)氣量113 .活塞位移、速度、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線114氣缸側(cè)擊力、連桿力、曲柄銷切向力，徑向力、活塞銷合力134.1氣缸側(cè)擊力N134.2連桿力S134.3曲柄銷切向力T徑向力K134

3、.4活塞銷合力P135活塞設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核165.1活塞銷參數(shù)的選取165.2活塞銷參數(shù)的校核165.3活塞參數(shù)的選取175.4活塞的校核186.有限元分析196.1實(shí)體模型的建立196.2活塞受力分析196.3活塞計(jì)算分析226.4活塞銷分析236.5活塞銷計(jì)算分析247.結(jié)論248.參考文獻(xiàn)25課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果1總體布局，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及選用原則系統(tǒng)分析1.1總體設(shè)計(jì)的一般要求動(dòng)力性能方面：內(nèi)燃機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、使用轉(zhuǎn)速范圍、最大轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)滿足汽車或其他工作機(jī)械動(dòng)力性要求，并具有優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)特性。環(huán)境方面：有害物的排放和運(yùn)行噪聲要盡可能的低。燃油經(jīng)濟(jì)性要求

4、：特別注意在部分負(fù)荷特性和低轉(zhuǎn)速下的燃油經(jīng)濟(jì)性，以及在瞬態(tài)工況下的經(jīng)濟(jì)性。為了能夠正常工作， 內(nèi)燃機(jī)還必須具備盡可能高的工作可靠性能和足夠的使用耐久性能。結(jié)構(gòu)方面，要求結(jié)構(gòu)緊湊、自身的質(zhì)量要輕、方便發(fā)動(dòng)機(jī)的布局。制造工藝性要好，制造成本要盡可能低，努力追求發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的系列化和零部件的通用化。此外，還必須具備良好的起動(dòng)性能，瞬態(tài)響應(yīng)速度快，運(yùn)行平順等使用性能。12選用原則型式：立式、直列、水冷、四沖程。特點(diǎn)：冷卻較均勻，熱負(fù)荷低，充氣效率、平均有效壓力及升功 率較高。氣缸冷卻效率高，機(jī)油消耗率低。柴油機(jī)體積較小，機(jī)體剛性好，機(jī)油溫度低、且使用壽命長(zhǎng)。工作過(guò)程易于組織，低速性能好，可在較寬廣的轉(zhuǎn)速

5、范圍內(nèi)獲得良好的性能，燃油消耗課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果率低。燃油噴射系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較低，便于設(shè)計(jì)制造，壽命較長(zhǎng)。起動(dòng)性能較好。但是，冷卻系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度變化適應(yīng)性較差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，保養(yǎng)困難。配氣機(jī)構(gòu)噪聲較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且制造費(fèi)用較高。2.標(biāo)定工況工作過(guò)程及熱力計(jì)算和示功圖繪制2.1實(shí)際循環(huán)熱力計(jì)算熱力計(jì)算的目的（1）對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)起一定的校核作用，供柴油機(jī)主要熱力參數(shù)之間相互關(guān)系的簡(jiǎn)單計(jì)算方法。（2）提供在設(shè)計(jì)階段零部件強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。（3）為柴油機(jī)的性能改進(jìn)提供初步的理論依據(jù)。熱力計(jì)算的方法 簡(jiǎn)單計(jì)算法。2.2重要參數(shù)選取課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)

6、計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果型式立式、直列、水冷、四沖程缸徑×行程95×105氣缸數(shù)4壓縮比17.5各缸工作順序1-3-4-2最高燃燒壓力bar130額定功率/轉(zhuǎn)速 Kw/rpm66KW/3000r/min曲柄半徑mm/連桿長(zhǎng)度mm52.5/175大氣平均壓力kpa98.39大氣平均溫度k293中冷器后空氣溫度k318增壓器壓比2燃燒室型式型燃料低熱值KJ/kg42500單缸活塞組質(zhì)量Kg1.277連桿組質(zhì)量Kg1.500用途輕型貨車2.2.1壓縮比課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果選取壓縮比為n=17.5:1。n=17.52.2.2過(guò)量空氣系數(shù)選取過(guò)量空氣系數(shù)

7、=1.7。=1.72.2.3掃氣系數(shù)選取掃氣系數(shù)為=1.2。=1.22.2.4殘余廢氣系數(shù)因?yàn)?1.2，所以選取殘余廢氣系數(shù)=0。=02.2.5進(jìn)氣溫升選取進(jìn)氣溫升=10k=10k2.2.6熱量利用系數(shù)選取熱量利用系數(shù)=0.82。=0.822.2.7示功圖豐滿系數(shù) 查看柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)上第106頁(yè)，選取=0.92。=0.922.2.8機(jī)械效率 查看柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)上第107頁(yè)，選取=0.81。=0.812.2.9平均多變壓縮指數(shù) 查看柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)上第103頁(yè)，選取=1.35。=1.352.2.10平均多變膨脹指數(shù) 查看柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)上第104頁(yè)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果選

8、取平均多變膨脹指數(shù)=1.24。=1.242.3 燃料燃燒化學(xué)計(jì)算2.3.1 理論空氣量的計(jì)算1kg燃料完全燃燒理論上所需空氣量為 =0.495(kmol/kg) 1kg10號(hào)輕柴油完全燃燒理論上所需空氣量為14.3kg進(jìn)氣充量公斤摩爾數(shù)為 2.3.2 理論分子變化系數(shù)2.3.3 實(shí)際分子變化系數(shù)2.4 燃?xì)膺^(guò)程參數(shù)的確定與計(jì)算已知增壓后進(jìn)氣壓力選取進(jìn)氣壓力損失所以進(jìn)氣系統(tǒng)壓力2.4.1 壓縮始點(diǎn)的氣體狀態(tài)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果壓縮始點(diǎn)的溫度 =318+10=328K壓縮始點(diǎn)的壓力 =0.95*0.1938=0.1841MPa2.4.2 壓縮終點(diǎn)氣體狀態(tài)壓縮終點(diǎn)的壓力

9、 壓縮終點(diǎn)的溫度 : 燃燒過(guò)程及燃燒終點(diǎn)氣體狀態(tài)壓力升高比 取定容燃燒點(diǎn)y的溫度： 最高爆發(fā)壓力 燃料低熱值Hu=42500kj/kg=10140kcal/kgHu=10140kcal/kg假定tz=1700 查表3-3得燃燒始點(diǎn)c時(shí)空氣及廢氣的平均定壓摩爾比熱(cp)m=7.264kcal/kgmol°C(cp2)m=8.447 kcal/kgmol°C則求得 16971700課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果滿足如下圖3-2所示圖形取氣缸的工作容積燃燒室容積燃燒終點(diǎn)z的氣缸容積所以初期膨脹比=Vz/Vc=0.0795/0.0451=1.763=1.763

10、2.4.4 膨脹終點(diǎn)氣體狀態(tài)膨脹終點(diǎn)壓力課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果膨脹終點(diǎn)溫度：所以排氣溫度的計(jì)算取 查表3-3、3-4得平均定壓摩爾比熱因?yàn)?，查?-3、3-4得平均定壓摩爾比熱當(dāng)取，查表3-3、3-4得平均定壓摩爾比熱 求得=598.123°C，與600°C接近，所以相符。取示功圖的繪制 如下圖：課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)2.5.1 平均指示壓力課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果理論平均指示壓力：求得=1.7165MPa=1.7165MPa實(shí)際平均指示壓力：2.5.2平均有效壓力2.5

11、.3有效功率2.5.4充量系數(shù)=0.9772.5.5指示熱效率2.5.6有效熱效率2.5.7燃油消耗率有效燃油消耗率課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果發(fā)動(dòng)機(jī)總進(jìn)氣量空氣氣體常數(shù)增壓四沖程柴油機(jī)的掃氣系數(shù) 進(jìn)氣流量3 .活塞位移、速度、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線 曲柄半徑=52.5mm，連桿長(zhǎng)度=52.5mm發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=3000r/min曲軸轉(zhuǎn)速, 連桿比n=3000r/min活塞位移近似式 活塞速度近似式 活塞加速度近似式 可得活塞位移、速度、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如下圖課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果4氣缸

12、側(cè)擊力、連桿力、曲柄銷切向力，徑向力、活塞銷合力4.1氣缸側(cè)擊力N 氣體作用力 往復(fù)慣性力氣缸側(cè)擊力4.2連桿力S 4.3曲柄銷切向力T徑向力K4.4活塞銷合力P 活塞銷合力、側(cè)擊力、連桿力、曲柄銷切向力、徑向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果5活塞設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核5.1活塞銷參數(shù)的選取d=29mm活塞銷外徑d=29mm 內(nèi)徑=13mm 長(zhǎng)度l=78mm=13mm連桿小頭厚度b=35 銷座距離=38mml=78mma=58mm b=38mmb=355.2活塞銷參數(shù)的校核=38mm（1）彎曲變形a=58mmb=38mm 符合要求。課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì)

13、 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果（2）橢圓變形 符合要求。（3）縱向彎曲應(yīng)力 =（4）橫向彎曲應(yīng)力（5）總應(yīng)力 符合要求。5.3活塞參數(shù)的選取H=97mm1.活塞總高度 H=97mm 2.壓縮高度 3.裙部長(zhǎng)度4.群部高度 5.頂板厚度 =14mm 6.火力岸高度 h=10mm7第一環(huán)岸高度 第二環(huán)岸高度=14mm 8.活塞環(huán)數(shù)目： 2個(gè)氣環(huán)，1個(gè)油環(huán)h=10mm9.環(huán)槽尺寸：氣環(huán)槽 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果油環(huán)槽 選取系數(shù)K=0.006，t=3.5mm 10.裙部壁厚 ，取5.4活塞的校核（1）活塞頂: 機(jī)械應(yīng)力 選用鋁合金（有筋頂）滿足要求。（2）第一環(huán)岸彎曲應(yīng)力剪切應(yīng)力總

14、應(yīng)力選用鋁合金滿足要求。（3）群部比壓估算，滿足高速柴油機(jī)要求。課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果（4）銷座比壓<400 滿足要求。綜上活塞的參數(shù)皆符合要求。6.有限元分析6.1實(shí)體模型的建立6.2活塞受力分析活塞網(wǎng)格以活塞銷座內(nèi)孔為固定面，分別在活塞上施加最大氣體作用力，慣性力和側(cè)擊力，如下圖所示；如下為分析結(jié)束后的變形圖和應(yīng)力圖：以活塞頂為固定面，分別施加最大氣體作用力、慣性力、側(cè)擊力和連桿力，如下圖所示：課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果如下為分析受力結(jié)果：6.3活塞計(jì)算分析由以上分析得出：活塞頂最大應(yīng)力為，最大變形量為0.04mm；第一環(huán)岸最大應(yīng)力

15、為，最大變形量為0.01mm；裙部最大應(yīng)力為，最大變形量為0.09mm;課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果銷座最大平均應(yīng)力為，最大變形量為0.06mm。以上結(jié)果真實(shí)可靠，分析結(jié)果證明活塞基本滿足設(shè)計(jì)要求。6.4活塞銷分析活塞銷網(wǎng)格以活塞銷兩端為固定面，施加最大的連桿力；如下為受力結(jié)果：課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果6.5活塞銷計(jì)算分析活塞銷平均最大應(yīng)力為，最大變心量為所以活塞銷分析基本符合設(shè)計(jì)要求。7.結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)要求在三后的時(shí)間內(nèi)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的三大計(jì)算（熱力計(jì)算動(dòng)力計(jì)算和零件強(qiáng)度計(jì)算），其時(shí)間短，但任務(wù)重。需要抓緊時(shí)間，不能放松。但是通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)到了發(fā)動(dòng)機(jī)熱課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)計(jì) 算 及 說(shuō) 明結(jié) 果力計(jì)