課程設(shè)計-活塞設(shè)計

課程設(shè)計-活塞設(shè)計PAGE1PAGE18課程設(shè)計課程名稱：發(fā)動機設(shè)計設(shè)計題目：活塞設(shè)計學(xué)院：交通工程專業(yè)：車輛工程年級：車輛xxx班學(xué)生姓名：xxxxxx指導(dǎo)教師：xxxxxx日期：2013年9月課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第1頁。教務(wù)處制課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第1頁。目錄TOC\o"1-3"\u1總體布局，結(jié)構(gòu)特點以及選用原則系統(tǒng)分析 11.1總體設(shè)計的一般要求 11．2選用原則 12.標(biāo)定工況工作過程及熱力計算和示功圖繪制 22.1實際循環(huán)熱力計算 22.1.1熱力計算的目的 22.1.2熱力計算的方法 22.2重要參數(shù)選取 22.2.1壓縮比 32.2.2過量空氣系數(shù) 42.2.3掃氣系數(shù) 42.2.4殘余廢氣系數(shù) 42.2.5進氣溫升 42.2.6熱量利用系數(shù) 42.2.7示功圖豐滿系數(shù) 42.2.8機械效率 42.2.9平均多變壓縮指數(shù) 42.2.10平均多變膨脹指數(shù) 42.3燃料燃燒化學(xué)計算 52.3.1理論空氣量的計算 52.3.2理論分子變化系數(shù) 52.3.3實際分子變化系數(shù) 52.4燃氣過程參數(shù)的確定與計算 52.4.1壓縮始點的氣體狀態(tài) 52.4.2壓縮終點氣體狀態(tài) 62.3.3燃燒過程及燃燒終點氣體狀態(tài) 62.4.4膨脹終點氣體狀態(tài) 72.4.5排氣溫度的計算 82.3.6示功圖的繪制 82.5發(fā)動機性能參數(shù) 92.5.1平均指示壓力 92.5.2平均有效壓力 102.5.3有效功率 102.5.4充量系數(shù) 102.5.5指示熱效率 102.5.6有效熱效率 102.5.7燃油消耗率 10課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第2頁。2.4.7發(fā)動機總進氣量 11課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第2頁。3.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N 134.2連桿力S 134.3曲柄銷切向力T徑向力K 134.4活塞銷合力P 135活塞設(shè)計及強度校核 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實體模型的建立 196.2活塞受力分析 196.3活塞計算分析 226.4活塞銷分析 236.5活塞銷計算分析 247.結(jié)論 248.參考文獻 25課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第3頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第3頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果1總體布局，結(jié)構(gòu)特點以及選用原則系統(tǒng)分析1.1總體設(shè)計的一般要求動力性能方面：內(nèi)燃機的功率、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械動力性要求，并具有優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)特性。環(huán)境方面：有害物的排放和運行噪聲要盡可能的低。燃油經(jīng)濟性要求：特別注意在部分負荷特性和低轉(zhuǎn)速下的燃油經(jīng)濟性，以及在瞬態(tài)工況下的經(jīng)濟性。為了能夠正常工作，內(nèi)燃機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)動機的布局。制造工藝性要好，制造成本要盡可能低，努力追求發(fā)動機產(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性能，瞬態(tài)響應(yīng)速度快，運行平順等使用性能。1．2選用原則型式：立式、直列、水冷、四沖程。特點：冷卻較均勻，熱負荷低，充氣效率、平均有效壓力及升功率較高。氣缸冷卻效率高，機油消耗率低。柴油機體積較小，機體剛性好，機油溫度低、且使用壽命長。工作過程易于組織，低速性能好，可在較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好的性能，燃油消耗課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第4頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第4頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果率低。燃油噴射系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較低，便于設(shè)計制造，壽命較長。起動性能較好。但是，冷卻系統(tǒng)對環(huán)境溫度變化適應(yīng)性較差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，保養(yǎng)困難。配氣機構(gòu)噪聲較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且制造費用較高。2.標(biāo)定工況工作過程及熱力計算和示功圖繪制2.1實際循環(huán)熱力計算2.1.1熱力計算的目的（1）對柴油機的動力性能和經(jīng)濟性能參數(shù)起一定的校核作用，供柴油機主要熱力參數(shù)之間相互關(guān)系的簡單計算方法。（2）提供在設(shè)計階段零部件強度計算的依據(jù)。（3）為柴油機的性能改進提供初步的理論依據(jù)。2.1.2熱力計算的方法簡單計算法。2.2重要參數(shù)選取課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第5頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第5頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第6頁。課程設(shè)計說明書課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第6頁。計算及說明結(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[bar]130額定功率/轉(zhuǎn)速[Kw/rpm]66KW/3000r/min曲柄半徑mm/連桿長度[mm]52.5/175大氣平均壓力[kpa]98.39大氣平均溫度[k]293中冷器后空氣溫度[k]318增壓器壓比2燃燒室型式ω型燃料低熱值[KJ/kg]42500單缸活塞組質(zhì)量[Kg]1.277連桿組質(zhì)量[Kg]1.500用途輕型貨車2.2.1壓縮比課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果選取壓縮比為n=17.5:1。n=17.52.2.2過量空氣系數(shù)選取過量空氣系數(shù)=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)因為=1.2，所以選取殘余廢氣系數(shù)=0。=02.2.5進氣溫升選取進氣溫升=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)查看柴油機設(shè)計手冊上第106頁，選取=0.92。=0.922.2.8機械效率查看柴油機設(shè)計手冊上第107頁，選取=0.81。=0.812.2.9平均多變壓縮指數(shù)查看柴油機設(shè)計手冊上第103頁，選取=1.35。=1.352.2.10平均多變膨脹指數(shù)查看柴油機設(shè)計手冊上第104頁課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第7頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第7頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果選取平均多變膨脹指數(shù)=1.24。=1.242.3燃料燃燒化學(xué)計算2.3.1理論空氣量的計算1kg燃料完全燃燒理論上所需空氣量為=0.495(kmol/kg)1kg10號輕柴油完全燃燒理論上所需空氣量為14.3kg進氣充量公斤摩爾數(shù)為2.3.2理論分子變化系數(shù)2.3.3實際2.4燃氣過程參數(shù)的確定與計算已知增壓后進氣壓力選取進氣壓力損失所以進氣系統(tǒng)壓力2.4.1壓縮始點的氣體狀態(tài)課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第8頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第8頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果壓縮始點的溫度QUOTE293+14+0.04*7501+0.04=318+10=328K壓縮始點的壓力=0.95*0.1938=0.1841MPa2.4.2壓縮終點氣體狀態(tài)壓縮終點的壓力壓縮終點的溫度:2.3.3燃燒過程及燃燒終點氣體狀態(tài)壓力升高比取定容燃燒點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c時空氣及廢氣的平均定壓摩爾比熱(μcp)m=7.264kcal/kgmol°C(μcp2)m=8.447kcal/kgmol°C則求得≈1697℃≈1700℃課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第9頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第9頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第10頁。課程設(shè)計說明書課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第10頁。計算及說明結(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z的氣缸容積所以初期膨脹比ρ=Vz/Vc=0.0795/0.0451=1.763ρ=1.7632.4.4膨脹終點氣體狀態(tài)膨脹終點壓力課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第11頁。課程設(shè)計說明書課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第11頁。計算及說明結(jié)果QUOTE(VzVb)n2QUOTE(0.08193/0.95625)1.24膨脹終點溫度：所以℃2.4.5排氣溫度的計算取查表3-3、3-4得平均定壓摩爾比熱因為，查表3-3、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2.3.6示功圖的繪制如下圖：課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果2.5發(fā)動機性能參數(shù)2.5.1平均指示壓力課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第12頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第12頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果理論平均指示壓力：QUOTEPi，QUOTE1εn1-1求得=1.7165MPa=1.7165MPa實際平均指示壓力：2.5.2平均有效壓力QUOTEηm2.5.3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有效燃油消耗率課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第13頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第13頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果2.4.7發(fā)動機總進氣量空氣氣體常數(shù)增壓四沖程柴油機的掃氣系數(shù)進氣流量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，連桿長度=52.5mm發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=3000r/min曲軸轉(zhuǎn)速,連桿比QUOTE57.5184n=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-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第14頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第14頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第15頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第15頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果4氣缸側(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S4.3曲柄銷切向力T徑向力K4.4活塞銷合力PQUOTE((Pg+Pjh)2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-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第16頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第16頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第17頁。課程設(shè)計說明書課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第17頁。計算及說明結(jié)果課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第18頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第18頁。5活塞設(shè)計及強度校核5.1活塞銷參數(shù)的選取d=29mm活塞銷外徑d=29mm內(nèi)徑QUOTEd0=13mm長度l=78mmQUOTEd0=13mm連桿小頭厚度b=35銷座距離QUOTEB，=38mml=78mma=58mmb=38mmb=355.2活塞銷參數(shù)的校核QUOTEB，=38mm（1）彎曲變形a=58mmQUOTE16081.6*1002b=38mm符合要求。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第19頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第19頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果（2）橢圓變形QUOTE3.14*81.6*10000*符合要求。（3）縱向彎曲應(yīng)力QUOTE2a-b*Pz*D2（4）橫向彎曲應(yīng)力QUOTEσ2QUOTE3*3.14*Pz*D2*(（5）總應(yīng)力QUOTE(σ1^2+σ2^2)符合要求。5.3活塞參數(shù)的選取H=97mm1.活塞總高度H=97mm2.壓縮高度3.裙部長度QUOTEH24.群部高度5.頂板厚度δ=14mm6.火力岸高度h=10mm7．第一環(huán)岸高度QUOTEc1第二環(huán)岸高度δ=14mm8.活塞環(huán)數(shù)目：2個氣環(huán)，1個油環(huán)h=10mm9.環(huán)槽尺寸：氣環(huán)槽課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第20頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第20頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果油環(huán)槽選取系數(shù)K=0.006，t=3.5mm10.裙部壁厚，取5.4活塞的校核（1）活塞頂:機械應(yīng)力QUOTE0.68*81.6*712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，滿足高速柴油機要求。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第21頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第21頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第22頁。課程設(shè)計說明書課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第22頁。計算及說明結(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實體模型的建立6.2活塞受力分析6.2.1活塞網(wǎng)格6.2.2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；課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第23頁。6.2.3如下為分析結(jié)束后的變形圖和應(yīng)力圖：課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第23頁。6.2.4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-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第24頁。課程設(shè)計-活塞設(shè)計全文共28頁，當(dāng)前為第24頁。課程設(shè)計說明書計算及說明結(jié)果6.2.5如下為分析