《15kW四沖程汽油機活塞組設(shè)計 課程設(shè)計說明書》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《15kW四沖程汽油機活塞組設(shè)計 課程設(shè)計說明書（36頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、武漢理工大學(xué)《汽車發(fā)動機設(shè)計》課程設(shè)計說明書 學(xué) 號： 課程設(shè)計 題 目 15kW四沖程汽油機活塞組設(shè)計 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 指導(dǎo)教師 2013 年 11 月 14 日 1 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目:10kW四沖程汽油機活塞組設(shè)計 初始條件： 1、平均有效壓力：0.8~1.2MPa 2、活塞平均速

2、度：<18m/s 要求完成的主要任務(wù): 1、 裝配圖設(shè)計。 2、 零件圖設(shè)計。 3、 說明書1份。 時間安排： 序號 項目 應(yīng)完成時間 備注 1 課題準備 1、 設(shè)計發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 2、 進行運動學(xué)計算。 3、 形成文檔。 2013.10.28 2 裝配圖設(shè)計與繪圖 1、 熱力學(xué)計算。 2、 動力學(xué)計算。 3、 形成文檔。 2013.10.29 3 裝配圖設(shè)計與繪圖 1、 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計并形成文檔。 2、 裝配圖設(shè)計繪圖（草圖）。 2013.10.30 4 裝配圖設(shè)計與繪圖（底圖） 2013.

3、10.31 5 裝配圖設(shè)計與繪圖（加粗與標(biāo)注） 2013.11.1 6 零件圖設(shè)計 1、 零件計算。 2、 形成文檔。 2013.11.2 7 零件圖設(shè)計繪圖 2013.11.3 8 撰寫設(shè)計說明書 2013.11.11 9 答辯 2013.11.13 注意事項： 1、 課程設(shè)計期間必須嚴格遵守學(xué)校的作息時間。 2、 指導(dǎo)教師每天點名。 3、 學(xué)生每天的任務(wù)必須完成，指導(dǎo)教師作好相應(yīng)的進度記錄。 指導(dǎo)教師簽名： 2013年11月14日 系主任（或責(zé)任教師）簽名：

4、 2013年11月14日 目錄 前言 1 1 汽油機結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計 1 1.1汽缸數(shù)和氣缸布置的選擇 1 1.2冷卻方式 1 2 汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取 2 2.1汽缸直徑的確定 2 2.2缸徑行程比S/D 2 2.3轉(zhuǎn)速n的確定 3 2.4汽缸工作容積與升功率 3 2.5曲柄半徑與連桿長度之比λ的選取 3 2.6缸心距的確定 3 2.7壓縮比與燃燒室容積Vc,總?cè)莘eVa 3 3 熱力學(xué)計算 3 3.1燃燒過程數(shù)學(xué)模型 3 3.1.1絕熱壓縮起點 4 3.1.2絕熱壓縮過程 4 3.1.3定容增壓過程 4 3.1.4 絕熱膨脹過程

5、 4 3.2 繪制P-V圖 4 3.2.1繪制理論P-V圖 4 3.2.2 繪制調(diào)整P-V圖 5 3.3熱力學(xué)平均有效壓力校核 6 4 運動學(xué)計算 6 4.1活塞位移 6 4.2活塞瞬時速度 7 4.3活塞的加速度、最大加速度 8 5 動力學(xué)計算 9 5.1氣體壓力：由P～V圖轉(zhuǎn)化為P～α圖 9 5.2往復(fù)慣性力 9 5.3旋轉(zhuǎn)往復(fù)慣性力 10 5.4合力的計算 10 6活塞設(shè)計 13 6.1活塞的材料 13 6.2活塞主要尺寸設(shè)計 .................................................................

6、....................................................... ....13 6.2.1活塞高度H 13 6.2.2壓縮高度H1 13 6.2.3火力岸高度h 13 6.2.4環(huán)帶高度 13 6.2.5活塞頂部厚度δ 13 6.2.6活塞側(cè)壁厚度及內(nèi)部過渡圓角 13 6.2.7活塞銷座間距 14 6.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計 14 6.3.1裙部橢圓 14 6.3.2配缸間隙 15 31 6.4活塞頭的質(zhì)量計算....................................................

7、..........................................................................15 7活塞銷的設(shè)計....................................................................................................................................................16 7.1活塞銷的材料 .................................................

8、...................................................................................16 7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計..................................................................................................................16 7.3活塞銷與銷座的配合.................................................................

9、.........................................................16 7.4活塞銷質(zhì)量m3.....................................................................................................................................17 7.5活塞銷剛度和強度的校核...........................................................................

10、.......................................17 8活塞環(huán)設(shè)計........................................................................................................................................................18 8.1活塞環(huán)的密封機理 18 8.2氣環(huán)的設(shè)計 19 8.2.1氣環(huán)的斷面形狀 19 8.2.2氣環(huán)的尺寸參數(shù) 19 8.2.3活塞環(huán)的材料 20 8.3

11、油環(huán)的設(shè)計 20 8.4活塞環(huán)強度校核 21 小結(jié) 22 參考文獻 22 附錄 23 15KW四行程汽油機活塞組設(shè)計 前言 這學(xué)期我們專業(yè)學(xué)習(xí)了《汽車發(fā)動機設(shè)計》這門最重要的專業(yè)課之一。為了鞏固和提高，我們又開展了為期3周的《汽車發(fā)動機設(shè)計》的課程設(shè)計。我們要充分利用這次課程設(shè)計的機會，了解國內(nèi)外發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀，并盡可能發(fā)揮我們的能力，保質(zhì)保量地完成此次課程設(shè)計。本設(shè)計主要工作任務(wù)是15KW四行程汽油機活塞組的設(shè)計。 1汽油機結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計 1.1汽缸數(shù)和氣缸布置的選擇 發(fā)動機的汽缸數(shù)主要取決于排量

12、，根據(jù)任務(wù)是，我們所設(shè)計的發(fā)動機功率在15KW左右，而且目前發(fā)動機的升功率在35—70左右，鑒于設(shè)計手段不成熟，取較小值，故排量初步估算在0.3L左右，為小排量。小排量的發(fā)動機的汽缸數(shù)用1—4缸。鑒于功率小，排量小，為了保證最后計算的升功率符合實際，汽缸數(shù)取下限。即采用單缸。采用直列式。 1.2冷卻方式 水冷 常用的冷卻方式有水冷和風(fēng)冷兩種，水冷式發(fā)動機由于冷卻較好而且均勻，強化的潛力要比風(fēng)冷式發(fā)動機大，因此在汽車發(fā)動機上至今大多數(shù)還是水冷式發(fā)動機。參考文獻[5]在條件相同時，主要由于充量系數(shù)的差別，水冷機比風(fēng)泠機高5%～10%。此外風(fēng)冷發(fā)動機功率和燃料消耗受氣溫變化影響較大，不如水冷發(fā)

13、動機指標(biāo)穩(wěn)定。綜合以上各因素，本設(shè)計冷卻方式選用水冷方式。 2汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取 2.1汽缸直徑的確定 設(shè)計任務(wù)書所提供的設(shè)計條件： 額定功率： 平均有效壓力： p=0.8~1.2Mpa 活塞平均速度： v<18m/s 根據(jù)內(nèi)燃機學(xué)的基本計算公式： 其中 ——為發(fā)動機的有效功率， ——為發(fā)動機的平均有效壓力，依題為，取 ——為氣缸工作容積 ——為發(fā)動機的汽缸數(shù)目 ，依題為為2 —

14、—為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速 ——為活塞的平均速度，依題為 ，取=12m/s ——為發(fā)動機活塞的行程 ——為發(fā)動機汽缸直徑 ——為發(fā)動機的行程數(shù)，依題為4 根據(jù)以上條件代入公式 算得D=56mm 2.2缸徑行程比S/D 目前S/D范圍為0.8~1.2 初步取S/D=1.故S=D=56mm。 2.3轉(zhuǎn)速n的確定 根據(jù)公式（2）可得n=6553r/min,取n=6500r/min 2.4汽缸工作容積與升功率 氣缸工作容積=0.138L。 升功率 2.5曲柄半徑與連桿長度之比λ的選取 由于λ

15、=r/l的范圍在0.25-0.33之間。選擇曲柄連桿機構(gòu)為中心曲柄連桿機構(gòu)，因曲柄半徑r=28mm，取，則連桿長度為L=r/λ=28/0.3=94mm。 2.6壓縮比與燃燒室容積Vc,總?cè)莘eVa 壓縮比范圍為7-12，根據(jù)《內(nèi)燃機學(xué)》（周保龍）P308，受爆燃限制，汽油機壓縮比不超過14，取ε=9 則燃燒室容積Vc=Vs/(10-1)=0.0153 L, 汽缸總?cè)莘eVa=Vc+Vs=0.1533L。 3熱力學(xué)計算 3.1燃燒過程數(shù)學(xué)模型 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，設(shè)計的為15KW四行程的汽油發(fā)動機，將其實際循環(huán)簡化為等容加熱循環(huán)，這個循環(huán)過程稱為汽油發(fā)動機的理論循環(huán)。 發(fā)動機的

16、理論循環(huán)是將非常復(fù)雜的實際工作過程加以簡化，忽略一些因素，以便于作簡易的定量處理。通過對理論循環(huán)的研究，可以清楚的確定影響性能的一些重要因素，從而找到提高發(fā)動機性能的基本途徑。最簡單的理論循環(huán)是空氣標(biāo)準循環(huán)，簡化的條件為： 1） 假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。 2） 假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。 3） 假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程。 4） 假設(shè)燃燒時外界無數(shù)個高溫?zé)嵩炊ㄈ莼蚨▔合蚬べ|(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱。 根據(jù)汽油機的混合氣燃燒迅速，近似為定容加熱循環(huán)。 3.1.1絕熱壓縮起點 選取壓縮沖程的下止點（設(shè)為A點）時的氣體參數(shù) 其中為

17、大氣的壓力，=1.03105pa，系數(shù)取為0.8，得： ， 3.1.2絕熱壓縮過程 選取壓縮沖程終點（設(shè)為B點），從A點到B點的壓縮過程看作是多變的壓縮過程，多變指數(shù)取為根據(jù)多變過程的熱力學(xué)計算公式=常數(shù)和A點的氣體狀態(tài)，可以計算出從A點到B點的壓縮過程中各個點的狀態(tài)參數(shù)。經(jīng)過計算后得到B點的狀態(tài)參數(shù)：。 。 3.1.3定容增壓過程 選取定容增壓的終點（設(shè)為C點），從B點到C點看作為定容壓縮過程。參考文獻[2]，可知汽油機壓力升高比取，則C點的狀態(tài)參數(shù)： 3.1.4 絕熱膨脹過程 選取膨脹過程的終點（設(shè)為D點），從C點到D點可以看作是多變的膨脹過程，參考文獻[2]，汽

18、油機膨脹過程絕熱指數(shù)取，則D點的狀態(tài)參數(shù)： 3.2 繪制P-V圖 3.2.1繪制理論P-V圖 根據(jù)步驟3.1可以繪制理論P-V圖，理論P-V圖如圖1： 0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 250 300 350 絕熱壓縮 等容加壓 絕熱膨脹 等容減壓 圖1 理論P-V圖 3.2.2 繪制調(diào)整P-V圖 調(diào)整P-V圖 0 1 2 3 4 5 6 7 8

19、 9 0 50 100 150 200 250 體積V/mL 壓力P/Mpa 定容增壓 絕熱壓縮 絕熱膨脹 定容降壓 調(diào)整的P-V圖: 因為實際過程比較復(fù)雜，所以在得到的P～V，P～φ圖上要修正得到，最高壓力不在上止點，還有點火提前角，排氣提前角的修正，顯然實際的邊界條件是不可能得到的，所以只能做一些適當(dāng)?shù)男拚?。調(diào)整后的P-V圖見圖2： 圖2：調(diào)整后的P-V圖 3.3熱力學(xué)平均有效壓力校核 由熱力學(xué)計算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖，其圍成的面積表示的是汽油機所做的指示功數(shù)值由對示功圖積分后求得的面積來

20、表示 其中 Va=153mL,Pa=0.081Mpa Vb=15.3mL ,Pb=1.83Mpa Vc=Vb=15.3mL,Pc=12.69MPa Vd=Va=153mL,Pd=0.636Mpa 經(jīng)過計算后得：Wi=287.4J 所以汽油機的平均有效壓力： 其中——為汽油機的機械效率，。 所給定的結(jié)果滿足設(shè)計要求（Pme＝0.8～1.2，Pe＝10kw）， 所以校核合格。 4運動學(xué)計算 4.1活塞位移 根據(jù)活塞的運動規(guī)律，計算出活塞的位置隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律： 其中——為曲柄半徑和連桿長度的比，根據(jù)設(shè)計書

21、的要求，取=0.3 ——為曲軸半徑， 根據(jù)運動規(guī)律繪制活塞位移隨曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系圖見圖-3： 圖-3 活塞位移隨曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系 4.2活塞瞬時速度 根據(jù)活塞的位移規(guī)律，對曲軸轉(zhuǎn)角求倒得到活塞的瞬時速度V隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律： 又因為，所以 取n=6500r/min，計算數(shù)據(jù)見附錄，繪制的圖見圖-4： 活塞瞬時速度 -300 -200 -100 0 100 200 30

22、0 0 2 4 6 8 10 12 14 曲軸轉(zhuǎn)角/rad 活塞加速度/m/s 圖-4 活塞速度隨曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系 4.3活塞的加速度、最大加速度 根據(jù)活塞的瞬時速度規(guī)律，對曲軸轉(zhuǎn)角求倒得到活塞的加速度V隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：， 取n=6500r/min，計算數(shù)據(jù)見附錄，繪制的圖見圖5： 活塞加速度 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 2 4 6 8 10 12 14 曲軸轉(zhuǎn)角/rad 活塞加速度/m/s2

23、 圖5活塞加速度與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系 5力學(xué)計算 5.1氣體壓力：由P～V圖轉(zhuǎn)化為P～α圖 隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，缸內(nèi)的氣體壓力也會隨之發(fā)生變化。將熱力學(xué)計算中的圖轉(zhuǎn)化為圖，即氣缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。0~180度為進氣行程，汽缸內(nèi)的氣體壓力在理論循環(huán)下基本可以認為是一恒定值且小于大氣壓力；180~360度為多邊壓縮行程，汽缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；360~540度為多變的膨脹過程，汽缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；540~720度為排氣行程，可以認為汽缸內(nèi)的氣體壓力是均勻下降至。由于已知了曲軸轉(zhuǎn)角α和活塞位移X的關(guān)系式，又因，則可以在EXCEL表格

24、中，求取出相應(yīng)轉(zhuǎn)角α?xí)r對應(yīng)氣缸容積V。每隔5求（p，V）。下面列出來了一部分轉(zhuǎn)角α下壓力p的數(shù)據(jù)： 利用上面求解出的數(shù)據(jù)，做出p～α圖。如圖6： 圖6：p～α圖 5.2往復(fù)慣性力 分析機構(gòu)的慣性力時，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實際活塞曲柄連桿機構(gòu)離散成用往復(fù)運動質(zhì)量的動力學(xué)等效當(dāng)量系統(tǒng)來分析，往復(fù)慣性力的產(chǎn)生是由于活塞和連桿小頭的質(zhì)量在活塞瞬時速度的不均勻條件下產(chǎn)生的。往復(fù)慣性力的大小不僅與活塞和連桿小頭的往復(fù)慣性質(zhì)量有關(guān)，還與活塞的瞬時加速度有關(guān)。其加速度已經(jīng)在運動學(xué)中計

25、算完畢，往復(fù)慣性質(zhì)量 ， 其中——為活塞組的質(zhì)量 ——計算斷面以上那部分連桿往復(fù)運動質(zhì)量。 活塞的質(zhì)量在估算時，將活塞當(dāng)作薄壁圓筒處理。 活塞 其中D——為活塞的外徑，D=56mm t——為活塞的厚度， t=6mm H——為活塞的高度，H=(0.8~1.0)D，取H=50mm ——為活塞的密度，在此處用共晶鋁硅合金66-1，密度為2.7g/cm3 其中L——為連桿的長度，L=94 ——為連桿質(zhì)心到連桿大頭的距離 ——為連桿的質(zhì)量 經(jīng)過估算得到 mj = m2+m1=320g。 用公

26、式即可以計算出活塞連桿小頭的往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，具體的計算數(shù)據(jù)見后附表。 5.3旋轉(zhuǎn)往復(fù)慣性力 分析機構(gòu)的慣性力時，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實際活塞曲柄連桿機構(gòu)離散成用往復(fù)運動質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的動力學(xué)等效當(dāng)量系統(tǒng)來分析，連桿質(zhì)心以下的質(zhì)量和曲柄銷組質(zhì)量離散為旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量。 。 隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，具體的計算數(shù)據(jù)見后附錄。 5.4合力的計算 忽略機構(gòu)摩擦阻力，則作用在曲柄連桿機構(gòu)上的力只要研究氣體壓力和機構(gòu)運動質(zhì)量的慣性力。

27、 氣缸內(nèi)工質(zhì)作用在活塞上的總氣體壓力為： ――缸內(nèi)絕對壓力，Mpa； ――大氣壓力，一般取0.1Mpa Pg隨著曲軸轉(zhuǎn)角α的變化規(guī)律Pg＝f（α），依據(jù)發(fā)動機型式和工況而不同。對新設(shè)計得發(fā)動機可由熱力計算或參考同類型發(fā)動機的示功圖；對已有的發(fā)動機可用各種燃燒分析儀。 作用在曲柄連桿機構(gòu)上的力：氣體壓力于往復(fù)慣性力兩者作用在氣缸中心線上，將往復(fù)慣性力也用單位活塞面積的壓力來計算，則合成的單位面積的力為 （8） 其中分解后得到其他的力側(cè)壓力Pn、連桿力Pl、切向力t、徑向力k、單缸扭矩Mi。公式分別為：

28、 側(cè)壓力 Pn=Ptanβ （9） 連桿力Pl=P/cosβ （10） 切向力 t=Pl sin(α+β)=P （11） 徑向力k=Plcos(α+β)=P （12） 圖7 連桿受力圖 用Excel表繪制側(cè)壓力、連桿力、切向力、徑向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。 分別見圖-8、9、10、11： 圖-8側(cè)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

29、 圖-9連桿力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化 圖-10切向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化 圖-11徑向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化 從發(fā)動機有效功率公式來看，當(dāng)缸徑Ｄ、缸數(shù)Ｚ和沖程數(shù)τ已選定時，在燃油經(jīng)濟性最佳的前提下，要盡可能提高輸出功率，就只有依靠平均有效壓力Pme和活塞平均速度Vm兩個主要參數(shù)的合理選擇了。 發(fā)動機的有效功率為： （kw）

30、 式中Pme――平均有效壓力，MPa Vm――活塞平均速度，m/s； n―――標(biāo)定轉(zhuǎn)速，r/min； D―――氣缸直徑，cm； τ―――行程數(shù)，四沖程τ＝4，二沖程τ＝2。 取整得到如下結(jié)果： 缸徑、行程、轉(zhuǎn)速參數(shù)表 Pme(mpa) Vm（m/s） S/D D(mm) S(mm) n(r/min) Vs(L) Vc(L) Va(L) 1 12 1.0 56 56 6500 0.138 0.01533 0.1533 所示的結(jié)果得到發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。查有關(guān)手冊，所得到的發(fā)動機參數(shù)滿足現(xiàn)代發(fā)

31、動機的一般技術(shù)水平，而且現(xiàn)在的加工技術(shù)可以達到這個水平。 6活塞設(shè)計 6.1活塞的材料 共晶硅鋁合金 制造活塞的材料應(yīng)有小的密度、足夠的高溫強度、高的熱導(dǎo)率、低的線脹系數(shù)以及良好的摩擦性能(減摩性和耐磨性)。常用材料為鋁硅合金，。共晶鋁硅合金具有滿意的綜合性能，工藝性良好，應(yīng)用最為廣泛。過共晶鋁硅合金中的初生硅晶體使耐熱性、耐磨性改善，膨脹系數(shù)減小，但加工工藝性惡化。過共晶鋁硅合金廣泛用于高熱負荷活塞。 6.2活塞主要尺寸設(shè)計 6.2.1活塞高度H 參考文獻[1]，H=0.9D； 選擇H=50mm。 6.2.2壓縮高度H1 參考文獻[1]，H1=0.5D； 選擇H=2

32、8mm。 6.2.3火力岸高度h 參考文獻[1]，h=0.08D=4.5mm。 6.2.4環(huán)帶高度 現(xiàn)代四行程發(fā)動機一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。參考文獻[1]，氣環(huán)的厚度一般為2.0～3.0mm，環(huán)岸要求有足夠的強度，使其在最大氣壓下不致被損壞。第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1 一般為1.5～2.5c（c指環(huán)槽高度），第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為1～2c。 第一環(huán)岸高 b1=0.03～0.04D=0.0456=2.24mm 取2.5mm,則，c1=1.6mm。 第二環(huán)岸高 b2=0.03～0.04D=0.0456=2.24mm 取2.5mm,則，c2=1.6mm。 油環(huán)高b3 為4.0～6

33、.0mm取5.0mm； 6.2.5活塞頂部厚度δ 參考文獻[1] ： δ=0.08D=4.5mm；取 6.2.6活塞側(cè)壁厚度及內(nèi)部過渡圓角 活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取（0.05~0.1）D，取0.08D，厚度則為5mm。 為改善散熱狀況，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過度圓角，一般取R=0.05~0.1D。 則圓角半徑取為5mm。 6.2.7活塞銷座間距 B=0.35-0.40D； 取0.4則活塞銷座間距為22mm。 有關(guān)活塞的尺寸設(shè)計結(jié)果： 名稱 數(shù)值 單位 壓縮高度取H1 28 mm 環(huán)帶高度H3 12 mm 火力岸高度H

34、4 4.5 mm 總高度 50 mm 壁厚 5 mm 內(nèi)圓直徑D’ 46 mm 外圓直徑D 56 mm 第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1 2.5 mm 第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2 2.5 mm 第一道環(huán)槽高度C1 1.6 mm 第二道環(huán)槽高度C2 1.6 mm 油環(huán)高度C3 3.5 mm 環(huán)槽深度 4 mm 6.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計 活塞裙部及其側(cè)表面形狀設(shè)計的關(guān)鍵，在于保證裙部有足夠的貼切合面積和良好的潤滑條件，以及保證發(fā)動機在不同工況下都具有最小的活塞間隙。 6.3.1裙部橢圓 1、將裙部設(shè)計成橢圓。 2、將銷座附

35、近的裙部外側(cè)部位設(shè)計成凹陷狀。 裙部橢圓的規(guī)律： 為了使活塞在正常工作溫度下于氣缸壁之間保持右比較均勻的間隙，不至于在氣缸內(nèi)卡死或是引起局部磨損，必須在常溫下預(yù)先把活塞裙部的橫斷面加工成橢圓形，其長軸垂直于活塞銷軸線方向，其矩軸于長軸的差值視發(fā)動機的不同而不同，一般為0.08～0.025mm。 為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個圓柱形，害必須把活塞做成上小下大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動機的不同而不同，一般為0.05～0.1mm。 實際取Δ：對活塞下下部和頭部取0.1mm；對活塞裙中部取0.08mm 6.3.2配缸間隙 為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個圓柱形，害

36、必須把活塞做成上小下大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動機的不同而不同，一般為0.05～0.1mm。 活塞頂部間隙：0.240mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.210mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi) 活塞裙部間隙：0.09mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.04mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi) 6.4活塞頭的質(zhì)量計算 對活塞進行簡化變成可計算體積的幾何體，從而計算出其體積和質(zhì)量。簡化如圖11。 H4 H3 D H H2 H1 活塞銷孔軸線 V V V 活塞的質(zhì)量在估算時，將活塞當(dāng)作薄壁圓筒處理。 活塞 ：

37、 其中D——為活塞的外徑，D=56mm t——為活塞的厚度， t=5mm H——為活塞的高度，H=(0.8~1.0)D=50mm ——為活塞的密度，在此處用共晶鋁硅合金66-1，密度為2.7g/cm3 故可知活塞的質(zhì)量為m活塞=120g。 7活塞銷的設(shè)計 活塞工作時頂部承受很大的大氣壓力，這些力通過銷座傳給活塞銷，再傳給連桿。因而活塞銷座和活塞銷的設(shè)計必須保證足夠的強度、足夠的承壓面積和耐磨性。 7.1活塞銷的材料 活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼（如20Cr）制造，經(jīng)表面參碳淬火處理，以提高表面硬度，使中心具有一定的沖擊韌性。表面需進行精磨

38、和拋光。 7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 d=（0.25~0.3）D=0.25D=16m； d0=(0.6~0.79)d=0.6d=10mm； l=(0.8~0.9)D=0.8D=50mm； 活塞銷外徑d=16,;活塞銷內(nèi)徑d=10。活塞銷長度l=50mm。 7.3活塞銷與銷座的配合 活塞頂所承受的氣壓力通過活塞銷座和活塞銷傳給連桿。由于結(jié)構(gòu)上的限制，活塞銷的直徑d不可能超過0.4D，活塞銷的長度不可能超過0.85D，因此活塞銷總的承壓面積極為有限，還要在活塞銷座與連桿小頭襯套之間合理分配。所以，不論在銷與銷座之間，還是在銷與連桿之間，承壓面積都很小，表面比壓很高。加上活塞銷與銷座

39、或活塞銷與連桿襯套之間相對運動速度很低，液體潤滑油膜不易形成。在這種高壓低速條件下，要保證可靠的液體潤滑，配合副的工作間隙要盡可能小。經(jīng)驗表明，當(dāng)活塞銷與銷座以及活塞銷與連桿小頭襯套之間的工作狀態(tài)(熱態(tài))間隙在(1~3) 10-4d時，可以可靠工作。于是，在裝配狀態(tài)(冷態(tài))，銷與銷座則有(1~3) 10-4d的過盈，以補償鋁合金活塞銷孔在工作時較大的熱膨脹。為了穩(wěn)定地保持極小的間隙而又轉(zhuǎn)動靈活，活塞銷外圓、活塞銷孔和連桿小頭襯套孔都應(yīng)有極高的加工精度。不但尺寸公差要嚴格，尤其要保證嚴格的圓柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圓柱度和表面粗糙度值足夠小，則可以按尺寸分組選配的辦法保證配合副的理

40、想間隙。 7.4活塞銷質(zhì)量m3 m=120g 7.5活塞銷剛度和強度的校核 為保證活塞銷和銷座的可靠工作，需校核活塞銷的彎曲變形，失圓變形，銷座上的表面壓力和活塞銷的應(yīng)力。 Δ=d/D=16/56=0.3 δ=d2/d1=0.6 活塞銷的彎曲變形： 0.0254mm 許用變形： 滿足要求。 失圓變形： 0.0327 許用失圓變形： 滿足要求。 作用在銷孔上的表面壓力： 小于極限值560bar，滿足要求。 活塞銷的縱向彎曲應(yīng)力： 活塞銷的橫向彎曲應(yīng)力： 所以總彎曲應(yīng)力： =354.4N/mm2 在許用應(yīng)力200到40

41、0 N/mm2之間，滿足要求。 經(jīng)以上計算可知設(shè)計的活塞銷滿足剛度和強度要求。 8活塞環(huán)設(shè)計 活塞與活塞環(huán)一起防止氣缸內(nèi)的高壓氣體下竄到曲軸箱，同時把很大一部分活塞頂接收的熱量傳給氣缸壁，起這種作用的活塞環(huán)稱為氣環(huán)。此外，還設(shè)置專門的油環(huán)，在活塞下行時把氣缸壁上多余的機油刮回油底殼，以減少上竄機油量。一般要求通過環(huán)組的竄氣量不超過總進氣量的0.5%，機油消耗量不超過燃油消耗量的0.5%。 8.1活塞環(huán)的密封機理 內(nèi)燃機活塞組與氣缸之間應(yīng)用帶開口的彈性金屬環(huán)實現(xiàn)往復(fù)式密封。由于開口的存在，漏氣通路不可能完全消除。為了防止大量漏氣，一般采用多個活塞環(huán)形成隨活塞運動的迷宮式密封。 為

42、減小活塞組與氣缸之間的漏氣通路，活塞環(huán)的外周面必須以一定的彈力與氣缸壁緊密貼合，形成第一密封面。這樣一來，缸內(nèi)氣體不能短路直接通過環(huán)周與氣缸之間，而是進入環(huán)與環(huán)槽之間，一方面軸向不平衡力將環(huán)向環(huán)槽的側(cè)面壓緊，形成第二密封面，同時，作用在環(huán)背的氣壓力造成的徑向不平衡力又大大加強了第一密封面。盡管環(huán)背氣壓力有時大大超過環(huán)本身彈力，但的作用仍是關(guān)鍵。如果降到零，即環(huán)周與缸壁之間出現(xiàn)縫隙(一般稱為活塞環(huán)“漏光”)，第一密封面被破壞，氣體就直接從縫隙處短路外泄，任何環(huán)背壓力和FR都建立不起來。只要在整個環(huán)周上還剩下一個哪怕是很小的彈力，被密封氣體就會自行幫助密封，而且要密封的氣體壓力越高，附加的密封力也

43、越大?？梢哉J為，具有這種自適應(yīng)特性的簡單環(huán)式密封系統(tǒng)，是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機有強大生命力的結(jié)構(gòu)保證之一。 必須指出，活塞組的密封作用不僅取決于活塞環(huán)，而且與活塞的設(shè)計有很大關(guān)系?；钊麘?yīng)保證活塞環(huán)工作溫度不會過高。環(huán)帶部分與氣缸的間隙應(yīng)盡可能小。環(huán)槽應(yīng)加工精確，且在工作中不發(fā)生過大變形。環(huán)槽與環(huán)之間的間隙要合適。 8.2氣環(huán)的設(shè)計 8.2.1氣環(huán)的斷面形狀 根據(jù)活塞環(huán)的密封機理，形狀簡單、加工方便的矩形(斷面)環(huán)完全可以滿足要求。但這種環(huán)磨合性較差，作用在活塞環(huán)上的力及其密封面密封性不理想。 桶面環(huán)(圖11-9b)的外周面是直徑等于缸徑的球面的中段，其特點是能適應(yīng)活塞的擺動，并且活塞上行和

44、下行時均能在環(huán)的外周面上形成潤滑油膜，摩擦面不易燒傷。環(huán)與氣缸接觸面積小，比壓大，密封性好。桶面環(huán)廣泛用作高速、高負荷的強化內(nèi)燃機的第一環(huán)。 錐面環(huán)(圖11-9c)外周面具有很小的斜角(一般為)，它新裝入氣缸時與氣缸線接觸，磨合快，下行時有良好的刮油作用。安裝時不能上下裝反，否則使竄機油加劇。這種環(huán)適用于第二、三氣環(huán)。 梯形環(huán)(圖11—9d)兩側(cè)面夾角多為150左右。裝這種環(huán)的活塞在氣缸中工作時的側(cè)向位移使環(huán)與環(huán)槽側(cè)面間的間隙不斷變化，可防止環(huán)槽中機油結(jié)膠甚至碳化，適用于熱負荷較高的柴油機作為第一環(huán)。 扭曲環(huán)(圖11-9e)采用內(nèi)切或倒角造成斷面相對彎曲中性軸不對稱，使環(huán)裝入氣缸發(fā)生彎曲

45、變形后發(fā)生不超過10的盤狀正扭曲。它有與錐面環(huán)類似的作用，但加工容易些，不過扭曲環(huán)的扭曲角沿環(huán)周是不均勻的。 反扭曲環(huán)(圖11—9f)工作時扭曲成蓋子狀，配合外圓的錐面，具有很強的密封性和刮油能力，常用于緊挨油環(huán)的那道氣環(huán)。 8.2.2氣環(huán)的尺寸參數(shù) 在保證密封的前提下，活塞環(huán)的數(shù)目應(yīng)盡可能少，因為減少環(huán)數(shù)可縮小活塞高度，減輕活塞質(zhì)量，減小發(fā)動機總高度，降低發(fā)動機摩擦損失?，F(xiàn)代高速內(nèi)燃機大多采用2道氣環(huán)(另有1油環(huán))，重型強化柴油機則用3道氣環(huán)。 氣環(huán)的尺寸參數(shù)主要有環(huán)的徑向厚度、軸向高度以及環(huán)的自由狀態(tài)形狀和自由開口端距S0。 減小環(huán)高b有利于縮短活塞高度，減小環(huán)的顫振傾向

46、，目前已達到1mm左右的極限。過小的使環(huán)和環(huán)槽的加工困難。 徑向厚度較大的環(huán)彎曲剛度大，對氣缸表面畸變的跟隨性差，但耐磨性相對較好。剛性環(huán)在較小的端距S0下就可得出要求的平均徑向壁壓，但在套裝到活塞頭部上時易于折斷。對合金鑄鐵的活塞環(huán)來說，=0.1~0.2MPa，。 環(huán)槽深度取4mm 8.2.3活塞環(huán)的材料 活塞環(huán)是內(nèi)燃機中磨損最快的零件，因此適當(dāng)選擇材料和表面處理工藝十分重要。 活塞環(huán)一般是由合金鑄鐵鑄造，高強度環(huán)用球墨鑄鐵，經(jīng)熱處理以改善材料的熱穩(wěn)定性。少數(shù)活塞環(huán)用合金鋼制造。 活塞環(huán)的工作表面通常用各種鍍層或涂層，以提高其耐磨性、耐蝕性或改善磨合性。最常用的耐磨層為鍍鉻和噴鉬

47、。松孔鍍鉻不僅硬度高，耐磨耐蝕，而且儲油，抗膠合，廣泛用于汽油機和自然吸氣柴油機。鉬熔點高，噴鉬層抗膠合、抗磨損性能好，能適應(yīng)高溫下工作。噴涂法能造成一定多孔性，也有一定儲油能力。噴鉬環(huán)主要用于增壓強化柴油機的第一環(huán)。 所有活塞環(huán)都要進行磷化、鍍錫或氧化處理，以改善磨合性和防銹。 8.3油環(huán)的設(shè)計 氣缸與活塞運動副用飛濺的機油潤滑。油環(huán)的作用是把飛濺到氣缸壁上的多余潤滑油刮下來，回到油底殼，以減少發(fā)動機的機油消耗量。 為了能在高速運動中對抗機油的流體動壓力刮下機油，只留下很薄的油膜，油環(huán)工作面的著壁壓力應(yīng)足夠大。因為油環(huán)沒有環(huán)背氣壓力幫助壓向氣缸壁，著壁壓力完全靠本身的彈力產(chǎn)生。單體鑄

48、鐵油環(huán)，由于材料強度所限，只能通過減小與氣缸接觸的工作面積來提高壁壓，最高只能達到0.5MPa左右。如用高強度材料，用較大的徑向厚度，壁壓可能進一步提高，但環(huán)剛性大，對氣缸變形的追隨性差，刮油能力不好。用具有切向彈力的螺旋襯簧的鑄鐵油環(huán)可使壁壓達到0.8MPa以上，即使環(huán)的外圓磨損，壁壓也比較穩(wěn)定，因為壁壓主要由襯簧產(chǎn)生。這種環(huán)厚度小，柔性好，在氣缸變形較大的條件下也能很好地刮油。這種油環(huán)目前應(yīng)用很廣，尤其在高速柴油機上。鑄鐵環(huán)表面要通體鍍鉻。 上述兩種單體油環(huán)與環(huán)槽不可避免地有側(cè)向間隙，在環(huán)正常軸向移動或顫振而懸浮在環(huán)槽中間時，機油可能通過側(cè)隙上竄。這種影響在高轉(zhuǎn)速時更大，所以現(xiàn)代高速汽油

49、機常用無側(cè)隙鋼片組合式油環(huán)。 為了使油環(huán)刮油有效，除了油環(huán)結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)注意活塞的配合。用單體油環(huán)時必須保持環(huán)槽側(cè)隙盡可能小，這意味著環(huán)槽加工精度要高，變形要小。還應(yīng)注意環(huán)槽須有面積足夠的泄油通道，以免回油受節(jié)流造成過高動壓，使油環(huán)浮起。一般希望在油環(huán)槽底和槽下都加工出很多泄油孔，使泄油通暢。 8.4活塞環(huán)強度校核 為了確定任意斷面 BB中的彎矩，可把活塞環(huán)看成是開口對面的對稱面AA固定的懸臂梁，因為活塞環(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)時AA斷面不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。于是作用在單元環(huán)上rd的單元力dp=p0br0d對斷面BB產(chǎn)生的彎矩可寫成 環(huán)從=到段上的壓力對BB斷面的總彎矩M為

50、 式中： 材料確定后E為常數(shù)，P0也為常數(shù)，對結(jié)構(gòu)參數(shù)D一定的均壓環(huán)，自然狀態(tài)的曲率半徑ρ隨α而變，故活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是圓形。 小結(jié) 通過這次我們親身的設(shè)計實踐，讓我對發(fā)動機的認識從課本的基礎(chǔ)理論有了更加進一步的 理解和掌握。設(shè)計的整個過程都有老師在一旁指導(dǎo)，同學(xué)之間的相互討論，有問題可以及時解決，學(xué)到了很多發(fā)動機和曲軸的知識，我們設(shè)計的發(fā)動機功率很低所以尺寸很不好確定，很感謝老師以及同學(xué)在這方面給我的幫助，為我提供那么多的資料和個人簡介。首先最重要的分析、計算、設(shè)計、繪圖、運用各種標(biāo)準和規(guī)范、查閱各種設(shè)計手冊與資料。其次學(xué)會了用Excel計算，繪圖的應(yīng)用能力

51、等方面得到進一步的提高。這次課設(shè)我覺得鞏固了我們以前所學(xué)的專業(yè)課知識，并通過結(jié)合實際，讓我們能從一個全新的角度重新學(xué)習(xí)、認識以前學(xué)過的專業(yè)課知識。在設(shè)計的同時我們也了解國內(nèi)外發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀，對當(dāng)代先進的發(fā)動機技術(shù)有了一些了解。 參考文獻 [1] 徐兀．汽車發(fā)動機現(xiàn)代設(shè)計．北京：人民交通出版社，1981． [2] 朱仙鼎．中國內(nèi)燃機工程師手冊．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000． [3] 楊連生．內(nèi)燃機設(shè)計．北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981． [4] 周龍保．內(nèi)燃機學(xué)．北京：機械工業(yè)出版社，2005． [5] 吳兆漢．內(nèi)燃機設(shè)計．北京：北京理工大學(xué)出版社，1990． [6

52、] 沈維道．工程熱力學(xué)．北京：高等教育出版社，2002． 9 附錄 附表一 一些需要的數(shù)據(jù) 活塞行程s (mm) 活塞直徑D (mm) 轉(zhuǎn)速n(r/min) 往復(fù)慣性質(zhì)量mj(kg) (kg) 壓縮比ε 余隙容積vc(L) 56 56 6500 0.32 10 0.01533 曲柄半徑r(cm) 連桿長度ｌ(cm) 半徑/長度λ 曲柄角速度ω (rad/s) 進氣壓力pa （Mp) 壓力升高比 28 94 0.3 680.96 0.081 7 多變指數(shù)n1 多變指數(shù)n2 活塞面積Fh（cm2) 氣缸工作容積 +余隙容積

53、（L） 排量 （L） 旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量mr(kg) 1.35 1.3 128.7 0.1533 0.29 0.4 附表二 P-V圖計算表 絕熱壓縮行程 定容加熱過程 絕熱膨脹過程 定容換氣過程 修正曲線 30 2.594934 30 2.59 30 10.9221 290 0.572 30 10.8 34 2.19151 30 2.719 34 9.281994 290 0.5626 31 10.6 38 1.885958 30 2.848 38 8.032398 290 0.5557 32 10.5

54、1 42 1.647606 30 2.977 42 7.052447 290 0.5488 33 10.12 46 1.457192 30 3.106 46 6.265831 290 0.5419 34 9.59 50 1.302058 30 3.235 50 5.622156 290 0.535 35 9.31 54 1.173568 30 3.364 54 5.086886 290 0.5281 36 8.93 58 1.065644 30 3.493 58 4.635616 290 0.521

55、2 37 8.86 62 0.973893 30 3.622 62 4.250644 290 0.5143 38 8.64 66 0.895067 30 3.751 66 3.918833 290 0.5074 39 8.54 70 0.826718 30 3.88 70 3.630249 290 0.5005 74 0.766968 30 4.009 74 3.377246 290 0.4936 78 0.714352 30 4.138 78 3.153849 290 0.4867

56、 82 0.667715 30 4.267 82 2.955329 290 0.4798 86 0.626134 30 4.396 86 2.777895 290 0.4729 90 0.588861 30 4.525 90 2.618476 290 0.466 94 0.555287 30 4.654 94 2.474558 290 0.4591 98 0.52491 30 4.783 98 2.344067 290 0.4522 102 0.497313 30

57、 4.912 102 2.225275 290 0.4453 106 0.472147 30 5.041 106 2.116734 290 0.4384 110 0.449117 30 5.17 110 2.017221 290 0.4315 114 0.427975 30 5.299 114 1.925695 290 0.4246 118 0.408507 30 5.428 118 1.841269 290 0.4177 122 0.39053 30 5.557 122

58、 1.763178 290 0.4108 126 0.373886 30 5.686 126 1.690761 290 0.4039 130 0.35844 30 5.815 130 1.623445 290 0.397 134 0.344071 30 5.944 134 1.56073 290 0.3901 138 0.330676 30 6.073 138 1.502177 290 0.3832 142 0.318164 30 6.202 142 1.447402 29

59、0 0.3763 146 0.306453 30 6.331 146 1.396063 290 0.3694 150 0.295472 30 6.46 150 1.347861 290 0.3625 154 0.285159 30 6.589 154 1.302528 290 0.3556 158 0.275456 30 6.718 158 1.259823 290 0.3487 162 0.266314 30 6.847 162 1.219535 290 0.3418

60、 166 0.257688 30 6.976 166 1.181472 290 0.3349 170 0.249536 30 7.105 170 1.145461 290 0.328 174 0.241823 30 7.234 174 1.111347 290 0.3211 178 0.234516 30 7.363 178 1.078991 290 0.3142 182 0.227585 30 7.492 182 1.048265 290 0.3073 186 0.

61、221003 30 7.621 186 1.019054 290 0.3004 190 0.214745 30 7.75 190 0.991252 290 0.2935 194 0.208789 30 7.879 194 0.964765 290 0.2866 198 0.203115 30 8.008 198 0.939505 290 0.2797 202 0.197704 30 8.137 202 0.915392 290 0.2728 206 0.192539 30

62、 8.266 206 0.892353 290 0.2659 210 0.187605 30 8.395 210 0.87032 290 0.259 214 0.182886 30 8.524 214 0.849231 290 0.2521 218 0.178371 30 8.653 218 0.82903 290 0.2452 222 0.174046 30 8.782 222 0.809664 290 0.2383 226 0.1699 30 8.911 226 0.

63、791085 290 0.2314 230 0.165923 30 9.04 230 0.773246 290 0.2245 234 0.162106 30 9.169 234 0.756107 290 0.2176 238 0.158439 30 9.298 238 0.739629 290 0.2107 242 0.154913 30 9.427 242 0.723776 290 0.2038 246 0.151523 30 9.556 246 0.708514 290

64、 0.1969 250 0.148259 30 9.685 250 0.693812 290 0.19 254 0.145116 30 9.814 254 0.679642 290 0.1831 258 0.142087 30 9.943 258 0.665976 290 0.1762 262 0.139166 30 10.072 262 0.652788 290 0.1693 266 0.136348 30 10.201 266 0.640056 290 0.1624

65、 270 0.133628 30 10.33 270 0.627756 290 0.1555 274 0.131002 30 10.459 274 0.615869 290 0.1486 278 0.128463 30 10.588 278 0.604374 290 0.1417 282 0.12601 30 10.717 282 0.593253 290 0.1348 286 0.123636 30 10.846 286 0.582489 290 0.1279 290

66、 0.12134 30 10.92 290 0.572066 290 0.121 附表三 運動學(xué)計算表 曲軸轉(zhuǎn)角 活塞位移 活塞速度 活塞加速度 氣缸容積ml 往復(fù)慣性力N 氣缸容積 往復(fù)慣性力 0 0 0 21080.8 23.3123 -4343.762955 30 -1414.9065 0.1 0.187968 29.49169 20902.81543 25.92312 -4307.868515 30.860864 -1403.2145 0.2 0.749995 58.48617 20373.53715 28.08056 -4201.109879 33.429241 -1368.4397 0.3 1.680465 86.49927 19506.82921 31.63679 -4026.228557 37.662846 -1311.4751 0.4 2.97008 113.0724 18325.26388 36.53363 -3787