6100柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)

1、100柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)、100系列柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù):氣缸直徑D100mm活塞行程S115mm缸數(shù)4曲柄半徑R57.5mm沖程數(shù)4有效功率60kw轉(zhuǎn)速2400r/min平均有效壓力1.05MPa升功率21.52kW/L最大爆發(fā)壓力5.5MPa二、活塞材料選?。焊鶕?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

2、缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。?，耐磨、耐蝕；（6）工藝性好，低廉。幾種材料的比較：（1）灰鑄鐵：優(yōu)點(diǎn)是耐磨性、耐蝕性、耐熱性好、熱強(qiáng)度較好、膨脹系數(shù)小，成本低， 工藝性好；但其材料密度大，相同的活塞結(jié)構(gòu)尺寸，質(zhì)量比鑄鋁材料打，因而不宜用于高速 發(fā)動(dòng)機(jī)。鑄鐵材料導(dǎo)熱性差，不利于向外傳遞活塞熱量導(dǎo)致活塞的熱負(fù)荷比較大，因而現(xiàn)只 應(yīng)用于大中型、低速柴油機(jī)。（2）鋁基合金：優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵相反，密度只有灰鑄鐵的1/3，相對(duì)密度為2.65-2.82。 因此慣性小，有利于高速發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。此外，其導(dǎo)熱性非常好，熱導(dǎo)率比鑄鐵大很多。現(xiàn) 今主要包括以下幾種常用鋁合金：鋁硅合金；鋁銅合金;鋁硅銅合金。共晶鋁硅合金 是

3、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。綜上所述，該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。三、活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：1.活塞頭部的設(shè)計(jì)：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(guò)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)。（1）壓縮高度的確定：壓縮高度1H是由火力岸高度七、環(huán)帶高度七和上裙尺寸h3構(gòu) 成的，即：H = q + h2 + h3第一道環(huán)位置：根據(jù)活塞環(huán)的布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%。為縮小氣，當(dāng)然希望h盡可

4、能小，但h過(guò)小會(huì)使第一環(huán)溫度過(guò)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，盡量取小點(diǎn)。一般柴油機(jī)h=（0.15-0.25）D，D為活塞直徑。有火力岸高度七=0.2 x D = 0.2 x100 = 20mm環(huán)帶高度：為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度b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。彳也太小，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b=2-3mm，油環(huán)高b=4-6mm。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)。其中 b = 2.5mm, b = 2.

5、5mm, b = 5mm環(huán)岸的高度c，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)破壞。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，C =（1.5-2.5）b c = c = （1 -2）b。 TOC o 1-5 h z 11231 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document c = 2b = 5mm,c = 1.6b = 4mm因此，環(huán)帶高度h = b + b + b + c + c = 2.5 + 2.5 + 5 + 5 + 4 = 19mm HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 212312上群高度：

6、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（1-1）。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(kāi)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，可以決定活塞的壓縮高度 H。對(duì)于柴油機(jī)H =（0.6-0.8）D，所以取壓縮高度 H 1 = 0.7 D = 0.7 x 100 = 70mm上群高度 h3 = H1 - h1 - h2 = 70 - 20 -19 = 31m

7、m活塞頂和環(huán)帶斷面活塞頂：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。 實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，柴油機(jī)為& = (0.10.2)D，取為，5 = 0.15x 100 = 15mm。專門(mén)的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)無(wú)強(qiáng)制冷卻的活塞來(lái)說(shuō)，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸 壁的熱量占7075%，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(guò)渡圓角r應(yīng)足夠大，使 活塞頂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

8、溫度。 活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過(guò)渡圓角，一般 取 r = (0.05 0.1)D，取 r = (0.05 0.1)D = 0.075 x 100 = 7.5mm。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(guò) 多地集中在最高一環(huán)，其平均值為5 = (23)t，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)牡菇?，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(guò)熱的原因，但倒角過(guò)大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角

9、為0.20.5x45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。目前，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為0.050.1mm，二、三環(huán)為0.030.07mm，油環(huán)則更小?；钊h(huán)的背隙A比較大，以免環(huán)與槽底圓角干涉。一般氣環(huán)=0.5mm，油環(huán)的則更大 些。環(huán)岸的強(qiáng)度校核：在膨脹沖程開(kāi)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1p比下面壓力2p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，岸根有可能斷裂，當(dāng)活塞頂上作

10、用著最高爆發(fā)壓力Pz時(shí)，由數(shù)據(jù)可知p.5MPap1 機(jī) 0.9p = 0.9 x 5.5 = 4.95MPaP2 機(jī) 0.2p = 0.2x 5.5 = 1.1MPa環(huán)岸是一個(gè)厚c 1、內(nèi)外圓直徑分別為D、D的圓環(huán)形板，沿內(nèi)圓柱面固定，在通常的尺寸比例下，可假定環(huán)槽深t = 0.05 D = 0.05 x 100 = 5mm槽低（岸根）直徑 D = 0.9 D = 0.9 x 100 = 90mm TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 作用在岸根的彎鉅為（P - P ） v（D2 - D2）- = 0.0026p D3

11、12 42z環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于1 c兀x0.9D = 0.47c2D6 11所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力Q = 0.0026P?3 = 0.0055p (D)2 = 0.0055 x5.5 x (四)2 =12.1N/mm20.47c2Dz c15剪切應(yīng)力t = 0.037p D = 0.037 x 5.5 x 100 = 4.07N / mm 21合成應(yīng)力為b = Jb 2 + 3t 2 =、f12.12 + 3 x 4.072 = 14N / mm2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)力為L(zhǎng) = 30 - 40N/mm2，由于b = 14N

12、/mm2 b，所以強(qiáng)度符合，安全r四、活塞群部的設(shè)計(jì)：活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊貧飧淄鶑?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N。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(guò)大 發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過(guò)小而導(dǎo)致活塞拉傷。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(guò)大，否則又會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。解決這個(gè)問(wèn)題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少?gòu)幕钊?頭部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最??；活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部 壁

13、厚的大小等相適應(yīng)。群部的尺寸和銷孔的位置：活塞裙部是側(cè)壓力N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q不應(yīng)超過(guò)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。裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計(jì)算:a =maxDH2（其中Nmax為最大側(cè)作用力，D為活塞直徑，mm； H 2為群部高度，mm）活塞在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，一般在膨脹沖程上止點(diǎn)附近（與豎百方 向10。）達(dá)到最大值七兀Pz = Fp(Pz T) = 4 D2(Ps T)（其中，F(xiàn)p為活塞投影面積；D為汽缸直徑；Ps為氣缸內(nèi)工質(zhì)的最高燃燒壓力，一般柴油機(jī)為6090bar）取Ps =80，則兀兀-P = F (p -1) = -D2(p -1) = -x0.12 x (80-1)x 105 = 62046N則 N = P tan