186F活塞組的設計與校核計算

1、武漢理工大學畢業(yè)設計本科畢業(yè)設計186F活塞組的設計與校核計算指導教師武漢理工大學交通工程系二O四年五月186F活塞組的設計與校核計算中文摘要 英文摘要1.刖言.柴油機的工作原理及分類.1.2國內(nèi)外柴油機產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.3柴油機的應用范圍與發(fā)展前景.1.4設計的內(nèi)容及目的.2.186F活塞組的設計2.1活塞組的工作條件和設計要求.2.2活塞的結構和材料.2.3活塞頭部的設計.2.3.1壓縮高度的確定2.3.2活塞環(huán)槽環(huán)岸的參數(shù)選擇112.3.3環(huán)岸的強度校核122.3.4活塞頂?shù)脑O計14152.4.活塞環(huán)的設計2.4.1活塞環(huán)各部份名稱及工作條件162.4.2氣環(huán)的設計162.4.3氣

2、環(huán)各項數(shù)值的確定202.4.4油環(huán)設計202.4.5油環(huán)的計算222.5活塞裙部的設計.232.5.1裙部形狀設計及尺寸確定232.5.2裙部的尺寸的強度校核242.6活塞銷的設計252.6.1.活塞銷的設計.252.6.2活塞銷尺寸的確定及校核計算262.7活塞銷座的設計.282.7.1活塞銷座的工作條件及設計要求282.7.2活塞銷座的結構潤滑及校核計算293132參考文獻33186F活塞組的設計與校核計算 186F活塞組的設計與校核計算活塞在柴油機中是很重要的運動件，它在相當惡劣的工作條件下工作，即高 溫，高速度，高負荷，潤滑和冷卻困難。隨著柴油機技術水平的提高，以及高速 柴油機活塞的開

3、發(fā)應用，使活塞必須適應比以前還要惡劣的環(huán)境，平均有效壓力, 最大氣體壓力和溫度急劇上升是其工作環(huán)境惡化的表現(xiàn)，如此惡劣的工作環(huán)境， 使活塞成為柴油機零部件比較常見的故障零件。 要想設計出可靠有效的活塞，必 須對柴油機進行詳細的了解。所以我對柴油機的工作原理，國內(nèi)外柴油機的發(fā)展 水平以及發(fā)展前景作出詳細的說明。分析表明： 經(jīng)過合理的活塞設計，能夠有效的提升活塞工作效率的可靠性，以及186F活塞剛度的耐久性.本次設計的任務主要是186F活塞組的設計，包括活塞頭部，活塞環(huán)，活塞 銷座，活塞裙部，活塞銷的設計。其中186F塞活塞頭部設計是本次設計很重要的一個環(huán)節(jié)，由于它承受周期性變化的氣壓力和應力，機

4、械符合高達62000牛頓；活塞在氣缸內(nèi)不停做往復運 動時，活塞頭部承受變高溫燃氣的作用，燃氣溫度最高可達2000-2500度，并且 活塞頭部溫度分布極不規(guī)律，這使得活塞頭的熱應力分布很不均勻，原因是在186F柴油機活塞頭有很大的熱負荷?？紤]到活塞頭部的惡劣環(huán)境。在對活塞裙部，活塞環(huán)，活塞銷和活塞銷座的設計，更應該加強對惡劣環(huán)境的適應性。本次186F活塞組設計策劃采用耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，比重小的共晶鋁硅合金材料。 盡最大可能減輕活塞機械負荷和熱負荷，加強活塞壽命加固活塞耐磨性。關鍵字：柴油機；活塞；活塞頭部；活塞裙部；活塞銷；活塞環(huán)。（此畢業(yè)設計獲得 2014屆優(yōu)秀畢業(yè)設計榮 譽，有完整的一套

5、圖紙，并且有開題報告、外文翻譯，保證讓你的 畢業(yè)設計順利過關！先找份好的工作，不再 為畢業(yè)設計而發(fā)愁！ ！有需要零件圖和裝配圖的同學請聯(lián)系 QQ 994166684）DESIGN CALCULATION AND CHECKING 186FPISTON GROUPAbstractThe p ist on in a diesel engine is very imp orta nt; it works, in bad work ingconditions as high temperature, high speed, high load, lubrication and cooling diff

6、iculty. With the tech ni cal level of diesel engine, and the app licati on of high sp eed diesel engine p ist on, the p ist on must ada pt to the en vir onment is worse tha n before, the mea n effective p ressure, the maximum p ressure and temp erature rise shar ply the work p erforma nee of en vir

7、onmen tal degradati on, so bad worki ng en vir onment, so that the p isto n failure p arts of diesel engine p arts become more com mon. To desig n piston is reliable and effective, must carry on the detailed un dersta nding to the diesel engine.So rm on diesel engine princip le of work, the level of

8、 devel opment of domestic and foreig n diesel enginesand the prospect to make a detailed explan ati on of. An alysis shows that: after reas on able p ist on desig n, reliability can improve efficie ncy of work piston efficie ntly, durability and 186F p ist on stiffness.The desig n of the main tasks

9、is to desig n 186F piston, p ist on head, p ist on ring, piston pin, p ist on skirt, desig n of piston pin.The 186F plug p ist on head desig n is a very imp orta nt li nk in the desig n, because the gas p ressure which are subjected to p eriodic cha nge and stress, mecha ni cal with up to 62000 Newt

10、 on; kee p the p ist on do reci procat ing motio n in the cyli nder, the piston head under variable of high-temperature gas, gas temperature can reach 2000-2500 degrees, and the temp erature distributio n of p isto n head very not the rule, which makes the p ist on head of the thermal stress distrib

11、uti on is not uniform, because there is a big thermal load on the 186F diesel engine piston head. Con sideri ng the harsh environment of the piston head The skirt part of the piston, piston ring, piston pin and piston pin seat design, should strengthen the adaptability to the bad en vir onment. The

12、186F planning p ist on desig n made of high temp erature resista nee, low thermal expansion eoeffieient, eutectic aluminum silieon alloy material, the prop orti on of small. As much as po ssible to reduce the meeha ni eal load and thermal load of piston, p isto n pist on wears resista nee rei nforce

13、me nt stre ngthe ning life.Keywords: diesel engine, piston； piston head; piston skirt,； piston pin,； piston ring186F活塞組的設計與校核計算 1.前言1.1柴油機的工作原理及分類圖1.1 186F柴油機1892年.魯?shù)婪虬l(fā)明了柴油機.他是德國著名的發(fā)明家.魯?shù)婪虬l(fā)明的柴油機是以柴油作為燃料。魯?shù)婪驗榱思o念自己的發(fā)明將柴油機用他的名字命名。柴 油機工作時，從氣缸內(nèi)吸入新鮮空氣， 活塞通過運動對氣體進行壓縮，當氣缸溫 度達到550750C的高溫時，將柴油以霧狀噴入空氣中，自動燃燒。燃燒

14、釋放 的能量并作用在活塞頂面，推動活塞并通過連桿和曲軸轉換成機械運動。柴油機的工作是由進氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣這四個過程來完成的， 這四 個過程構成了一個工作循環(huán)?；钊咄晁膫€過程才能完成一個工作循環(huán)， 所以稱 此種柴油機為四沖程柴油機。第一沖程是進氣，它的任務是使氣缸內(nèi)充滿新鮮空氣。當曲軸旋轉，在連 桿的作用下，活塞從上止點往下止點移動，同時， 與曲軸連聯(lián)的傳動機構使進氣 閥打開，外界新鮮空氣充入氣缸。第二沖程是壓縮。在壓縮沖程中活塞從下止點到上止點移動，功能有兩個: 是提高空氣溫度，準備點火燃料；二是為氣體膨脹作功創(chuàng)造條件。第三沖程是做功。在第三沖程開始時，噴入燃燒室內(nèi)的大部分燃料都已燃

15、活塞燒了。燃燒時放出大量的熱能，因此燃燒室內(nèi)的氣體壓力和溫度急劇升高, 在高溫高壓的氣體作用向下運動，對外作功。隨著活塞的下行，氣缸的容積增大, 氣體的壓力下降，工作沖程在活塞行至下止點，排氣閥打開時結束。第四沖程是排氣。排氣沖程中將上一沖程留下的廢氣從氣缸內(nèi)排出， 然后充 滿了新鮮的空氣進入氣缸，為下一個周期的循環(huán)很好的準備。發(fā)動機的整個工作循環(huán)就依照上述過程重復不斷的進行。由于這種柴油機的 工作循環(huán)由四個活塞沖程即進氣、 壓縮、做功、排氣完成的，故稱四沖程柴油機。柴油機種類是極其繁多的，按其不同工作條件有不同的分類， 比如按工作循。按內(nèi)環(huán)可分為四沖程和二沖程柴油機（上面柴油機的工作原理我們

16、已經(jīng)提到） 燃機冷卻方式不同可分為水冷柴油機和風冷柴油機。柴油機按燃燒室不同可分為 直接噴射式柴油機、渦流室式柴油機和預燃室式柴油機。 按發(fā)動機的氣缸數(shù)目可分為單缸發(fā)動機和多缸柴油機。按用途可分為船用柴油機、機車柴油機、車用柴 油機、農(nóng)業(yè)機械用柴油機、工程機械用柴油機、發(fā)電用柴油機、固定動力用柴油機。按供油方式可分為機械高壓油泵供油和高壓共軌電子控制噴射供油。按氣缸 排列方式可分為直列式和 V形排列,水平對置排列W型排列,星型排列等。1.2國內(nèi)外柴油機產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢在第二十世紀80年中國柴油機行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，隨著大量先進技術的引進，中國的柴油發(fā)動機技術已達到在90年初發(fā)達國家的水

17、平。一些國外的先進技術在國內(nèi)柴油機生產(chǎn)也有應用，如柴油產(chǎn)品研制生產(chǎn)的排放水平已經(jīng)達 到歐1排放限值要求，有些甚至可以滿足歐2排放限值要求。但是我國整體柴油 機產(chǎn)業(yè)還存在著很多的問題。在中國年產(chǎn)量逐年遞增的重型柴油車是我國柴油機產(chǎn)業(yè)的核心力量，中型和 小型汽車的增長率在增加。但是轎車還沒有柴油型轎車，而且我國的中型柴油產(chǎn) 業(yè)供大于求，我國的骨干企業(yè)所生產(chǎn)的柴油機大多是擬淘汰產(chǎn)品， 發(fā)展?jié)摿苄?。由于柴油機產(chǎn)業(yè)投入較少，所以嚴重制約了柴油機行業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展水平。整體水平落后于其他國家十到二十年。很多技術處于研發(fā)階段甚至處于空白階 段?，F(xiàn)代柴油機由于熱效率比汽油機高， 污染比汽油機小，所以收到了廣泛

18、地 應用。西歐國家不僅在重型載貨汽車上用柴油機， 而且轎車也開始越來越廣泛地 用柴油機提供動力。最近，美國聯(lián)邦政府能源和以美國三大汽車公司為代表的美國汽車研究所理事會正在開發(fā)新一代經(jīng)濟型轎車同樣將柴油機作為動力配置。經(jīng) 過多年的研究和大量新技術的運用，柴油機在煙度和噪音上取得了重大的突破, 達到了汽油機水平。1.3柴油機的應用范圍與發(fā)展前景柴油機在很多方面都有重要的運用。在航空動力方面：燃氣輪機、噴氣發(fā)動機幾乎是唯一的動力裝置，它的優(yōu)點是：重量輕，體積小，結構簡單，振動小, 有害氣體排出量小。但是也存在一些缺點：有熱效率低和燃料消耗高等。 在陸路 交通方面：內(nèi)燃機的發(fā)展，使人類的陸路交通產(chǎn)生了

19、質(zhì)的飛躍。此后，隨著“汽 車”的問世，對許多人來說不再是一個不現(xiàn)實的欲望。內(nèi)河船舶：柴油機幾乎是 唯一的原始動機。在工程機械方面：因為經(jīng)濟性好，柴油機占絕對優(yōu)勢。在遠洋海輪方面，柴油發(fā)動機也是動力，原因是最經(jīng)濟。備用電源的應用，“自動化柴 油發(fā)電機，可以進行遠程控制，單元計算機遙測，新的智能化柴油發(fā)電機組。使 用遠程讀取界面的控制面板，通過調(diào)制解調(diào)器和電話線和在他們的機器上實現(xiàn)“三搖”在以前，柴油機給人的映像都是笨重、龐大、大噪音、噴黑煙霧。但是經(jīng)過 多年科研人員的精心研究和國外柴油機產(chǎn)業(yè)的刺激。 新技術新產(chǎn)品逐漸問世?，F(xiàn) 在的柴油機已經(jīng)不在是以前龐大、笨重的樣子了?，F(xiàn)在柴油機采用電控制噴射,

20、 共軌、渦輪增壓技術，在重量，噪聲消除，煙霧方面取得重大突破，達到了汽油 機的水平。柴油機和汽油機在電子控制噴射系統(tǒng)的存在著明顯的差異，汽油發(fā)動機電子 控制噴射系統(tǒng)主要是控制汽油和空氣的比例， 而柴油機則是通過控制機油的噴油 時間來調(diào)節(jié)負荷的大小。卜一五計劃以來，柴油機行業(yè)不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，技術升級，優(yōu)化企業(yè)和行業(yè)集中度，大大提高資源配置。并且在柴油機企業(yè)得到飛速的發(fā)展，進行跨行業(yè)、 跨地域、跨所有制的革新發(fā)展。在中小企業(yè)、民營經(jīng)濟獲得了長足發(fā)展。在出口 外貿(mào)方面，柴油機行業(yè)有較快增長，中國柴油機產(chǎn)業(yè)逐漸走向國際化。1.4設計的內(nèi)容及目的我的畢業(yè)設計的題目是186F活塞組的設計與校核計算。畢業(yè)

21、設計的任務是 對活塞頭部、活塞群部、活塞銷、活塞環(huán)進行縝密的設計與校核計算。186F中1表示的是一缸，86表示活塞的直徑為 86mm,F是風冷。186F活塞的屬于柴油機活塞。首先，在設計 186F的活塞之前我們對柴油機進了全面的了解，為活塞設計做良好的鋪墊。柴油機介紹包括柴油機的工作原理， 柴油機的分類，以及國內(nèi)柴油機產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景。然后我對186F活塞進行設計。首先，我將活塞分為活塞頭部，活塞環(huán)，活塞裙部，以及活塞銷和活塞銷座 分別進行設計?；钊^部的設計主要是對活塞頂，火力岸和環(huán)帶部分具體數(shù)值的 確定及校核計算。在此說明一點，因為 186F柴油機是裝入微耕機中使用，柴油機工作效率比較

22、高。活塞頂?shù)谋诤袷潜容^厚的，燃燒室凹坑也是比較很深的?；?塞環(huán)也是本次設計的重點，分別對氣環(huán)、油環(huán)的形狀，配合間隙等做出了細致的 設計。然后對活塞裙部的形狀，高度予以確定，并對其進行校核計算。接下來對活塞銷和活塞銷座的具體數(shù)值進行確定于校核計算。下面是186F柴油機的基本參數(shù):表1.1 186F柴油機的基本參數(shù)發(fā)動機類型四沖程，單缸排量mL418缸徑X行程/ mrm I ,|z / /專門的試驗表明，當活塞頂上作用最高爆發(fā)壓力Pmax 時Pi 是 0.9 Pm axZZFX ly /J/ /圖23第一環(huán)的受力示意圖P2止O.2 pmax，如圖3.2所示。已知Pmax =5.5M Pa(2.8)

23、Pi俺 0. 9 X 5. 5 = 4. 95MPaP20. 2 咒 5. 5 = 1. 1MPa環(huán)岸是一個厚ci、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, 要精確計算固定面的應力比較復雜，可以將其簡化為一個簡單的懸臂梁進行大致 的計算。在通常的尺寸比例下：可假定槽底（岸根）直徑D = 0.9D =0.986 = 77.4mm環(huán)槽深 t 為：t = 0.04D = O.O5X 86 = 3mm于是作用在岸根的彎矩為J! 22 t3(2.9)(P1-P 2)-(D -D)-= 0.0026 PmaxD而環(huán)案抗彎斷面系數(shù)近似等于6&5心。仏2.45=646.7(2.10)所以環(huán)岸根部彎曲

24、應力為=0.00.=00055 Pmax 日 2(2.11)同理得剪切應力為:=0.0055乂5.5 謁)2=24.9N/mm接合成應力公式為:D86T =0.37Pmax =0.37x5.5x22 =58.33C13(2.12)匹=宀312 = J24.92 +3X5.832 =26 N /mm2(2.13)鋁合金的許用應力b =3040 N/mm2O-2*，校核合格。2.3.4活塞頂?shù)脑O計凸頂活#凹頂活塞平頂活s圖24各類活塞示意圖活塞的活塞頂類型分為三種，即平頂活塞，凸頂活塞，凹頂活塞?；钊?shù)男螤钪饕扇紵覜Q定的。平頂活塞主要用于汽油機，非直噴式柴油機。凹頂活 塞主要用于直噴式柴油機

25、但是直接噴射式的高速柴油機，由于混合氣形成的需要，活塞頂應設有一定深度的凹作槽為燃燒室.186F柴油機是直噴式柴油機，故 選用凹頂活塞。主要考慮活塞的兩直噴柴油機活塞頂?shù)暮穸仁歉鶕?jù)結構和工作負荷的考慮, 個條件即傳熱能力和活塞剛度。一般直噴式柴油機活塞頂厚度范圍是5 =(0. 1 O.D3)選186F柴油機活塞頂厚度如下6 = 0.24x86 = 20.64 mm(2.14)除了一個燃燒室，活塞頂還有防止活塞氣門干涉的氣門凹坑，氣門凹坑包括進氣閥坑和排氣閥坑坑，進氣閥凹坑大于排氣閥凹坑。活塞頂?shù)暮穸纫汛_定,塞頂燃燒室凹坑和氣門凹坑的具體數(shù)值如下:燃燒室凹坑的深度h4=12.5mm燃燒室凹坑的上

26、圓直徑為d4=38mm燃燒室凹坑的下圓直徑d5 = 43.31mm過度圓角半徑ri =1mm門氣凹坑的進氣凹坑直徑為d6=36.2mm氣門凹坑的排氣凹坑直徑為d7=30mm2.4.活塞環(huán)的設計活塞環(huán)是崁入活塞凹槽內(nèi)的金屬環(huán)。它是發(fā)動機中重要的零件之一，它工作的好壞直接影響發(fā)動的的機械效率和性能。活塞環(huán)和活塞， 氣缸套連接在一起，是發(fā)動機動力源的一個重要組成部分。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，內(nèi)燃機向著高效能、高效率、低排放、零污染、高壽命的方向發(fā)展。因此,對活塞環(huán)質(zhì)量的要求越來越高，各方面性能都達到良好的作態(tài)：如可靠性、經(jīng)濟性、耐高溫，機械強度等。圖2.5活塞環(huán)2.4.1活塞環(huán)各部份名稱及工作條件徑

27、向掰UjFd徑向母度工 自 工澤Q1自由開口尺寸m瑞面圖2.6活塞環(huán)各部分名稱一般柴油機的最高轉速為4000轉/分，186F柴油機的轉速為3600轉/分?；钊h(huán)需在高轉速的環(huán)境下工作， 而且活塞環(huán)線速度達1014米/秒?；钊h(huán)伴 隨著活塞在氣缸內(nèi)內(nèi)上下不停的做往復運動，活塞做功會使氣缸內(nèi)溫度急劇升 高，即使散熱或冷卻后，第一環(huán)的溫度也一直保持在 3000C左右。活塞環(huán)必須在高轉速，高溫，高壓的環(huán)境下保持良好的密封作用；活塞環(huán)的工作條件很差，使 潤滑油膜潤滑的工作狀態(tài)往往是關鍵的工作，這是很難保持完整性，不完全潤滑。2.4.2氣環(huán)的設計按其功能可分為氣環(huán)和油環(huán)的兩種， 氣環(huán)密封效果好，通常切入到

28、第一、第二環(huán)槽?；钊h(huán)按其功能作用可分為氣環(huán)和油環(huán)兩類分類，氣環(huán)具有良好的的密 封作用，通常崁入第一道環(huán)槽和第二道環(huán)槽內(nèi)。 油環(huán)的主要功用用是使氣缸壁的 潤滑油分布均勻。油環(huán)通常崁入第三道環(huán)槽內(nèi)。I O 匕亠一；： I桶形環(huán)性扭曲環(huán)矩形環(huán) 冬一I. / . f梯形環(huán)于少 錐形環(huán) 勺圖2.7各類氣環(huán)形狀結構圖氣環(huán)的斷面形狀有：矩形環(huán)、桶面環(huán)、錐面環(huán)、梯形環(huán)和扭曲環(huán)。圖2.8矩形環(huán)結構示意圖剖面是矩形的氣環(huán)稱為矩形環(huán)。矩形環(huán)結構簡單，易于加工，足夠的密封性 是活塞正常工作，與氣缸壁的接觸面積大，有利于活塞冷卻。矩形的磨合性能不 是很強，而且在與活塞一起作往復運動時， 易把機油擠入燃燒室，產(chǎn)生燃油噴

29、射 現(xiàn)象，增加燃油耗。由于矩形環(huán)的弊端的太多，所以使用受限制。ZjilWWV圖2.9.桶面環(huán)結構示意圖桶面環(huán)的環(huán)斷面形狀不盡相同，大多數(shù)桶面環(huán)的形狀外圓表面呈外凸圓弧 形。桶面環(huán)的磨合性和對活塞工作環(huán)境的適應能力很強。桶面環(huán)與氣缸壁的接觸桶面環(huán)的優(yōu)點方式為是線接觸，因為是線接觸所以對活塞的晃動適應能力很強。是對活塞具有良好的潤滑能力，密封性良好，而且磨合性也很強。在活塞環(huán)的選 取中常用作第一道氣環(huán)?，F(xiàn)在柴油機的生產(chǎn)要求越來越高，桶面環(huán)常與錐面環(huán)串聯(lián)使用。圖2.10.錐面環(huán)示意圖錐面環(huán)的形狀各異，大部分桶面環(huán)的形狀呈很小的錐面， 錐面環(huán)與氣缸壁接觸方式為線接觸。錐面環(huán)的磨合性好， 加大了接觸壓力

30、。錐面環(huán)對氣缸壁形狀的適應能力也很強。上行時在斜角的作用下,不會引起磨損；活塞下行時，易刮油。圖2.11.直角梯形環(huán)結構示意圖圖2.12.等腰梯形環(huán)結構示意圖在活塞氣環(huán)的形狀設計中為了提高氣環(huán)的抗結膠能力，梯形環(huán)結構就問世了。兩側面都傾斜的氣環(huán)稱為梯形環(huán)。當活塞受側壓力位置改變時，環(huán)的側隙就 會跟著發(fā)生變化，并且可以把結焦從環(huán)槽中擠出。梯形環(huán)槽處的表面工作溫度比 矩形環(huán)表面溫度高20r左右，可以讓活塞環(huán)在240250r的高溫下下持久工作 而不結焦。梯形環(huán)的夾角一般在 10o20o的范圍內(nèi)。根據(jù)活塞環(huán)不同形狀的各自的特點，186F活塞環(huán)第一環(huán)還選用桶面環(huán)，第 二環(huán)選用錐面環(huán)活塞材料的選擇，隨著發(fā)

31、動機工作過程的的強化，特別是第一環(huán)，承受很大 的沖擊負荷，有時會折斷，甚至碎成很多小塊。所以，第一環(huán)的材料除了要求耐熱、耐磨外，還應該有高強度和耐高溫性。有效的對策是采用堅韌的材料，目前 灰墨鑄鐵甚是流行。球墨鑄鐵有接近鋼的的機械性能?？箯潖姸龋捕?，彈性模 數(shù)的范圍都很適合選用為活塞環(huán)的材料,球墨鑄鐵中的石墨彼此分離，與灰鑄鐵相比，可阻礙高溫下氧的擴散。因此 球墨鑄鐵的抗氧化性和抗生長性均優(yōu)于灰鑄鐵，也優(yōu)于可鍛鑄鐵。鐵素體球墨鑄 鐵的咼溫抗生長性優(yōu)于珠光體球墨鑄鐵。 提咼硅含量或鋁含量可改善球墨鑄鐵的 抗氧化性及耐熱性。而且灰墨鑄鐵的熱膨脹系數(shù)比較小.在0100 C線脹系數(shù)a 1 :11.2

32、 X 10( -6)/K .在 0200r 線脹系數(shù) a 1: 12.2 X 10( -6)/K. 在 0500E線脹系數(shù)a 1: 13.5 X10A(-6)/K.活塞在150度高溫條件下工作，活塞的膨脹尺 寸為2mm所以在設計活塞自由端距及壓人活塞凹槽活塞因溫度過高產(chǎn)生的膨脹 誤差需重點考慮。鑄型要有高的緊實度，以使鑄型有足夠的剛度以抵擋球墨鑄鐵共晶凝固時的 共晶膨脹力。合理設置澆冒口。球墨鑄鐵的冒口與普通鋼及白口鐵不同， 球墨鑄鐵冒口設置的合理性在于它能夠充分增補鐵液的液態(tài)收縮，而當鐵液進入共晶膨 脹階段時，澆注系統(tǒng)和冒口頸及時冷凍，使鑄件利用石墨析出的膨脹進行自補 縮。這種鑄鐵用于制造受

33、力較大而又承受振動和沖擊的零件。目前在國外一些用 離心鑄造方法大量生產(chǎn)的球墨鑄鐵鐵管也是鐵素體， 并能承受地基下沉以及輕微 地震所造成的管道變形，而且具有比鋼高得多的耐腐蝕性，因而具有高的可靠性 及經(jīng)濟性。所以活塞環(huán)的材料選為球墨鑄鐵。根據(jù)186F活塞環(huán)的工作條件，截面形狀的設計要求是:第一，密封性能必須好，特別是在活塞環(huán)工作條件極其惡劣的時候不易漏氣;第二，磨合性能要高,保證活塞持久、耐用。第三，刮油能力要強、保持活塞的良好潤滑;第四，提高抗損傷性,要有良好的剛度和強度，避免出現(xiàn)熔著磨損，活塞環(huán)拉缸等不正常磨損的現(xiàn)象1。根據(jù)各類活塞環(huán)斷面形狀的介紹結合活塞環(huán)的設計要求及其各自環(huán)斷面的優(yōu)缺點，

34、186F柴油機活塞組設計第一道氣環(huán)選用桶面環(huán)，；第二道氣環(huán)采用錐面 環(huán),243氣環(huán)各項數(shù)值的確定1.承壓環(huán)的確定按徑向壓力不同，活塞環(huán)可分為三類:高壓環(huán)，用于轉速特別高的發(fā)動機，就國內(nèi)而言n =36004500r/min ；中壓環(huán)，用于高速柴油機或一般汽油機，n = 2000 3600r/min ；低壓環(huán)用于轉速 在2000轉/分以下的低速、大缸徑柴油機。186F柴油機活塞環(huán)轉速為3600r/min 所以選用中壓環(huán)氣環(huán)徑向厚度的確定上面我們選擇兩道氣環(huán)的背向間隙都為0.5mm.般柴油機氣環(huán)的厚度為 t =23.mm,i86F活塞的環(huán)槽深為3mr所以選擇兩道氣環(huán)的厚度均為t2.5mm氣環(huán)軸向?qū)挾?/p>

35、的確定氣環(huán)的軸向?qū)挾确謩e為 6,b4我們已確定第一道活塞環(huán)側向間隙為0.07mm.所以選擇從、第一道氣環(huán)的軸向?qū)挾? =1.93mm ；第二道活塞環(huán)側向間隙為0.05mm所以第二道活塞環(huán)的軸向氣環(huán)的自由端距的確定活塞自由端距用S0表示，是指活塞環(huán)沒裝入活塞的卡槽內(nèi)自由端的開口距 離。一般柴油機自由短距離在 48mm。186F活塞環(huán)自由端距為5mm氣環(huán)端隙的確定,氣環(huán)的端隙又稱為氣環(huán)的開口間隙， 是氣環(huán)卡入活塞槽內(nèi)端口的間隙。 端口間隙越小越好，因為間隙越小活塞環(huán)的密封作用就越好，186F活塞的端口間隙為也d F.MD如=0.00i2mm2.4.4油環(huán)設計油環(huán)形狀的確定油環(huán)的功用是刮掉活塞上一行

36、程留在汽缸壁上多余的機油，并在汽缸壁上鋪 涂一層均勻的機油油膜，為活塞下一行程做準備。這樣可以迅速防止機油竄入汽 缸內(nèi)被燃燒，良好的潤滑減少氣缸內(nèi)的磨損。油環(huán)有整體式和組合式兩種。整體 式油環(huán)包括：外階梯倒角油環(huán)環(huán)、鼻形油環(huán)、開槽油環(huán)；組合式油環(huán)分為：彈簧脹圈油環(huán)、鋼片組合油環(huán)等。如圖所示:外階梯倒角油環(huán)鼻形油環(huán)開槽油環(huán)彈簧脹圈油環(huán)鋼片組合油環(huán)占Sz/j)圖2.14.各類油環(huán)結構示意圖梯倒角油環(huán)外階梯倒角油環(huán)廣泛應用于缸徑加大的柴油機，使用在向下刮油和布油環(huán),效果很理想。鼻形環(huán)切口呈鼻形外切扭曲環(huán)。作為中速發(fā)動機的向下刮油環(huán)。 鉤形切口保證了刮 油邊尖角的豎實性和不變形側面接觸寬度。開槽油環(huán)在

37、平行的兩個側邊，有兩個接觸環(huán)，并有回油環(huán)和回油孔。由由于窄環(huán)，可 以獲得高的壓力的油環(huán)是最常見的。 它通過回油槽把刮油帶一分為二，根據(jù)實際 應用需求，想改變油環(huán)表面接觸壓力和刮油效率需要通過控制刮油帶的寬度彈簧脹圈油環(huán)在油環(huán)背面增加多形式的彈簧，稱為彈簧脹圈油環(huán)，彈簧脹圈油環(huán)的結構型 式有很多種。螺旋彈簧由方形或圓形截面的鋼絲制作， 環(huán)的接觸壓力通過彈簧擴 脹作用而獲得。襯簧可以增加、均勻環(huán)的壓力，使環(huán)彈性穩(wěn)定，促使活塞油膜均勻、磨損下 降。為了減少油環(huán)，螺旋環(huán)接觸表面的磨損，可以將襯簧和環(huán)背面設計成鍍鉻抗。該環(huán)廣泛用于高速發(fā)動機。鋼片組合油環(huán)圖2.14鋼片組合油環(huán)鋼帶組合油環(huán)由上刮片、下刮片

38、和軌形撐簧組合構成的一種先進的組合油環(huán)形式。撐簧的作用是不光使刮片與氣缸壁貼的很緊，而且還使刮片與環(huán)槽側面貼的很緊。該組合油環(huán)的優(yōu)點是接觸壓力大，既可以提高刮油能力，而且還可以防止竄油。除此之外，上刮片和下刮片能單獨工作，鋼片組合油環(huán)的適應能力強。但制作材料需優(yōu)質(zhì)鋼，成本高。經(jīng)分析，186F活塞組設計油環(huán)選用鋼片組合油環(huán)，因為鋼片組合油環(huán)刮片 與氣缸壁貼緊，刮片與環(huán)槽側面也貼的很緊，這樣加強了刮油能力及工作耐久 性，能夠滿足其工作要求。2.4.5油環(huán)的計算1.承壓環(huán)的確定按活塞環(huán)承受的壓力不同，活塞環(huán)可分為三類：高壓環(huán)，用于很高轉速的的 內(nèi)燃機，轉速范圍是n =3600 4500r/min ；

39、中壓環(huán)，用于高速柴油機或一般汽 油機，n =2000 3600r/min ；轉速低于2000轉/分的內(nèi)燃機為低壓環(huán)一般用在 大缸徑柴油機上。186F柴油機活塞環(huán)轉速為3600/ min所以選用中壓環(huán)鋼片組合油環(huán)徑向厚度的確定確定徑向厚度t2，因為上面我們已經(jīng)確定油環(huán)的惻隙和背隙。 選擇油環(huán)背向間隙為0.5mm 186F活塞的油環(huán)槽深為3mm所以選擇油環(huán)的徑向厚度為t2 =2.5mm鋼片組合油環(huán)軸向?qū)挾鹊拇_定鋼片組合油環(huán)是由上刮片、撐簧和下刮片構成的。油環(huán)的軸向?qū)挾萣5.我們已確定油環(huán)側向間隙為 0.04m m油環(huán)的環(huán)槽高度為 4mm所以選油環(huán)的軸向?qū)挾萣5=3.96mm，上刮片和下刮片的尺寸是

40、相同寬度都為0.94mm,撐簧的寬度為 1.88mm.鋼片組合油環(huán)自由端距的確定活塞自由端距用s。表示，是指活塞環(huán)沒裝入活塞的卡槽內(nèi)自由端的開口距 離。一般柴油機自由短距離在 48mm。186F活塞環(huán)自由端距為4mm2.5活塞裙部的設計2.5.1裙部形狀設計及尺寸確定活塞裙部是指活塞頭以下的部分活塞， 不過不包括活塞銷和活塞銷座。裙部的形狀選擇首先應該考慮在氣缸內(nèi)應該起到良好的導向作用，其次考慮活塞應該 與氣缸壁保持均勻的、適宜的間隙。間隙過大活塞敲缸，間隙過小活塞可能被氣 缸卡住。另外活塞應該有良好的承受側向力的能力?；钊ぷ鞯臏囟群芨?，活塞裙部受熱易變形，表現(xiàn)為活塞銷孔軸線尺寸的增加?；顬?/p>

41、了避免活塞裙部的變形，盡量減少活塞頭部傳給裙部的熱量，另外應該 將活塞裙部橫斷面設計為橢圓形?；钊共恐饕惺軅认驂毫?。活塞裙部的表面比壓一定要控制在一定的范 圍內(nèi)，確保活塞裙表面有一定的潤滑油膜。 因此，再設計活塞裙部的長度應首先要考慮是否有足夠的承壓面積，盡量減少磨損。186F活塞群部設計長度如下:活塞的頭部高度為hh 24.8mm活塞總高為79mm所以活塞裙部的長度尺寸為54.2m.活塞裙部的橢圓半徑為r=56.14mm活塞橢圓裙部的過度圓角為r=1.5mm橢圓裙部圓弧長為80.49mm橢圓裙部最低位置的長24.5mm活塞裙部的配合間隙對活塞潤滑起到至關重要的作用。合理選擇活塞群補配合間

42、隙，經(jīng)過大量查閱資料查出活塞裙部和氣缸套配合間隙在0.130.195毫米范圍內(nèi)。所以選186F活塞裙部配合間隙為0.15毫米。9x10活塞銷軸戯0.50A0.48A0.45A0.37A、0.28A0,18A圖2.15.活塞銷裙部的橢圓形狀示意圖2.5.2裙部的尺寸的強度校核裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計算:_ _ N max q -(2.15)DH 2式中：Nmax最大側作用力。186F活塞組的設計與校核計算 186F活塞組的設計與校核計算圖2.16活塞銷 D 活塞直徑;H2-裙部高度 ；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附近（與豎直方向10）達到最大值Pz

43、,而兀 2P2=Fp(pz-P-D (pz-(2.16)式中Pz活塞投影面積;D氣缸直徑;Pz 氣缸內(nèi)工質(zhì)的最高燃燒壓力（巴，1巴=10a），一般柴油機為6090巴。取 Pz =75,則 186FNrnax = Pztan100 =37157.5咒 0.1763 = 6550.87N仃)取 H2 =0.63D =0.63咒86 =54 mmq=655凹=1.4M Pa86 咒 54(2.18)一般發(fā)動機活塞裙部比壓值約為0.5 1.5MPa ,所以設計合適。2.6活塞銷的設計2.6.1.活塞銷的設計rt活塞銷，是裝在活塞裙部的圓柱形銷子，是活塞與連桿連接的樞紐，把活塞 承受的氣體作用力傳給連桿

44、。活塞的工作環(huán)境溫度是很高的，活塞銷需要承受很大的沖擊力，而且活塞銷的銷孔內(nèi)的活動空間很小，很難形成油膜，所以潤滑條 件很差?；钊N為了應對惡劣的工作環(huán)境，即高溫、高壓、高負荷；活塞銷務必 要具有良好的剛度、強度和耐磨性。另外在活塞銷設計時要注意活塞銷質(zhì)量盡可 能銷小，銷與活塞銷孔應有良好的配合間隙。262活塞銷尺寸的確定及校核計算以前，活塞銷的尺寸是通過銷本身的允許應力、剛度、強度彎曲變形確定的。這樣設計的活塞銷本身是能保證可靠的供暖工作的,除非材料有缺陷活淬硬層過后時才招致?lián)p壞。但是隨著發(fā)動機的飛速發(fā)展， 活塞形式不斷創(chuàng)新，活塞銷與活 塞銷座開始相互發(fā)生故障。這是因為兩種截然不同的兩種材料

45、相互配合工作造成 的。因此，為了保證活塞銷、活塞銷座能穩(wěn)定可靠地工作，我們必須選擇兩種合 適的材料，使活塞銷與活塞銷座配合工作時不易發(fā)生問題。首先我們就從限制活 塞銷的彎曲變形入手，由此決定活塞銷的外徑尺寸，活塞銷圓心軸線與活塞中心 線向右偏移1.5mm1.186F柴油機活塞銷設計尺寸確定決定銷尺寸時，按計算項目重要性的排列次序如下:活塞銷的彎曲變形;活塞銷的橢圓變形;銷座上的表面壓力;活塞銷的應力。當然它們共同的前提是是銷座重量盡可能減輕。 活塞銷設計成為中空的圓柱 形，所以挖去芯部可減輕活塞銷的重量，強度降低較少，而剛度較低更少。F面來根據(jù)允許的彎曲變形來選擇銷的外徑di，為使計算簡化并具

46、有普遍性，假定:活塞銷上負荷分不是：在連桿小頭中是均勻負荷，在活塞銷座上是作用在支 撐面中點的集中負荷。B=Bi =0.51，即連桿襯套與銷座表面上平均比壓相等;. 2 2 】 2活塞銷長度 ID -d，則活塞的彎曲變形f =4.5(1-也2尸PzD d0mm(2.19)(2.20)i (1 一0 )統(tǒng)計表明柴油機6 = 0.55-0.65186F活塞選 = 0.55一般柴油機也/D =0.25 - 0.38，選 i =0.26f =4.5(1 -0.262)%X100.264(1 -0.554)=0.018mm柴油機許用值f=0.00012D0.0004D=0.010.0344，在許用范圍內(nèi)

47、。由上式可知，因為5 1,故61，所以活塞銷的彎曲變形幾乎僅與其相對直徑 P/D有關。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和對186F活塞銷工作環(huán)境的各方面考慮?；钊N各部分 長度確定如下:活塞銷的外徑 di = AD = 0.26X86 = 22.4mm一般柴油機活塞銷長度范圍為1 =（0.70.85）D選活塞銷長度I = 0.76x86 = 65mm活塞銷內(nèi)徑 6 = d2/d1d2=1 =0.55X23 = 13mm1活塞銷失圓的校核計算活塞銷圓柱形內(nèi)徑對彎曲剛度有很小的影響， 但內(nèi)直徑太大，銷座銷壁太薄, 活塞銷璧易被壓扁或縱向開裂，d2或5 7兀1可以允許的失圓變形來選擇。失圓按以下公式計算銷失圓變形的

48、校核 = di/D = 23/86 = 0.26(2.21)(2.22)亠二4.7。2)0.5= 4.72L(055)沢10J1 -0.262 1 -0.55)= 0.00067mm2.活塞銷的應力校核計算活塞銷的縱向彎曲應力可表示為活塞銷的橫向彎曲應力Pz2093I(N/mm2(2.23)550.930.26(1 -0.554)3=262.3 N / mm26 = 0.0685 憶 1 中云 2 N / A (1-6)22 mm(2.24)= 0.0685邑咒上0冬0.26 (1 0.55)2= 742N /mm22柴油機橫向彎曲應力b 1 =245-490 N/mm ,縱向彎曲應力2 =1

49、18-2162N/mm,都在許用范圍內(nèi)。由于總彎曲應力b = J昇+訂，因此口 =J262.32 +74.22 =272.6 N/mm2(2.25)算出的總應力應在200 400N / mm2范圍內(nèi)。計算得出在范圍之內(nèi)，所以符合要求。2.7活塞銷座的設計2.7.1活塞銷座的工作條件及設計要求活塞銷和活塞銷座屬于發(fā)動機中環(huán)境最惡劣的軸和軸承。很多壓力和承載面積很小。壓力很大而承壓面積很??；活塞銷的銷孔內(nèi)的活動空間很小，很難形成油膜。溫度可達到150 C左右，潤滑油性能下降；，壓力分布很不均勻。因此,為了保證可靠地工作，務必對活塞的配合間隙，摩擦表面質(zhì)量，承壓面積等進行精心的設計?；钊N座必須有足

50、夠的強度、剛度、承壓面積和耐磨性。因為活塞工作時會產(chǎn)生大量的熱量和很大的氣壓力?；钊敳砍惺艿臒嶝摵珊蜌怏w壓力會傳遞給其他原件，活塞頭部通過銷座傳給活塞銷。雖然最終傳給活塞銷但活塞銷座也應該有足夠的強度、剛度、承壓面積和耐磨性，如果活塞銷剛度不足，會引起活塞銷座疲勞破壞。我們應該努力提高銷座的實際承載能力，應使其適應活塞銷的變形2.7.2活塞銷座的結構潤滑及校核計算因為活塞銷座的工作環(huán)境比較惡劣，希望活塞銷有良好的剛度和強度。由于柴油機活塞銷座負載大，看起來挺笨重，但是實際上銷座的負荷是向外逐漸減小的，活塞銷的壁厚向外也是逐漸減小的，但不會影響到失圓變形的允許值,目前高速內(nèi)燃機中大多說采用全浮

51、式活塞銷，由于這種銷在工作過程中會緩慢的自轉，所以雖然銷的工作負荷基本是定向的， 仍能保證銷沿圓周磨損的均勻性。全浮式活塞銷既在連桿襯套孔滑動， 又在銷座孔中滑動，所以要兩者兼顧不能顧此失彼。由于整個活塞銷表面基本上全被這兩摩擦副占據(jù)， 而活塞銷的全長為 h =65mm銷座的承壓面積2t =0.0214 = 0.02X65X23 =30mm2(2.26)連桿襯套承壓面積2F2 =0.01B1d1 =0.01天咒 23 = mm(2.27)活塞銷座的比壓5500q =Pz=5500- = 11.4N / mm2d/(l-l2) 23 x(65 -32)(2.28)許用值q =11.4N/mm2m

52、n在許用范圍內(nèi)?；钊N摩擦表面不易形成潤滑油膜，另一方面潤滑率很低,所以差距不是太大。經(jīng)驗表明，在活塞高溫的工作環(huán)境下，活塞銷與連桿襯套的間隙好在（0.0003 0.0005）di范圍內(nèi)。本次設計活塞銷與連桿襯套選配合間Ai =0.0004x23 = 0.0092mm。摩擦速度小，潤滑間隙也小，不需要太多的潤滑油，只要能保持很薄的有膜即可?；钊N孔軸線通常與活塞軸線垂直相交。這時，當壓縮行程結束、作功行程開始，活塞越過上止點時，側向力方向改變，活塞由次推力面貼緊氣缸壁突然轉 變?yōu)橹魍屏γ尜N緊氣缸壁，活塞與氣缸發(fā)生“拍擊”，產(chǎn)生噪聲，且有損活塞的耐久性。在許多高速發(fā)動機中，活塞銷孔軸線朝主推力面一側偏離活塞軸線1 2mm壓縮壓力將使活塞在接近上止點時發(fā)生傾斜，活塞在越過上止點時，將逐 漸地由次推力面轉變?yōu)橛芍魍屏γ尜N緊氣缸壁，從而消減了活塞對氣缸的拍擊?；钊N座的186F活塞銷選用優(yōu)質(zhì)合金鋼。優(yōu)質(zhì)合金鋼的膨脹系數(shù)小，有利地控制了塞銷的膨脹變形。優(yōu)質(zhì)合金鋼生產(chǎn)過程中需要特別控制質(zhì)量和性能。一般工程結構 用合金