活塞課程設(shè)計說明書

1、活塞課程設(shè)計指導(dǎo)一、設(shè)計主題：活塞組設(shè)計Ii .設(shè)計參數(shù)：195柴油機(jī)，Pe=8.82kw，n=2000r/min，水冷，Pme=650.4kpa，連桿重心位置LB/LA=0.3909(其中LB指重心與連桿大頭中心的距離，LA指重心與連桿小頭中心的距離)。三.設(shè)計要求：1.用計算機(jī)繪制一個活塞(A1)和一個活塞銷(A3)。2.設(shè)計說明書(包括零件圖分析、定位方案確定和定位誤差計算等。)；最好寫出整個過程)。目錄前言11活塞2的視圖1.1活塞2的功能和工作條件1.2活塞2的材料1.3活塞結(jié)構(gòu)21.3.1活塞頂部21.3.2活塞頭31.3.3活塞裙32活塞4的結(jié)構(gòu)參數(shù)3活塞5最大破裂壓力的計算3.

2、1熱力過程的計算53.2指示柴油機(jī)8的參數(shù)3.3柴油發(fā)動機(jī)的有效效率104活塞銷11的受力分析5活塞14的加工工藝參考文獻(xiàn)：15序內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展是基于主要部件性能和使用壽命的不斷改進(jìn)和提高。特別是隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)度、功率和轉(zhuǎn)速的提高，部件的工作環(huán)境，尤其是直噴式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境越來越差。活塞的結(jié)構(gòu)直接影響活塞的溫度分布和熱應(yīng)力分布，因此有必要對活塞的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行預(yù)測和評價?；钊莾?nèi)燃機(jī)最關(guān)鍵的運(yùn)動部件，承受著高溫高壓下的反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，尤其是坦克、艦船、軍用車輛和艦船上使用的內(nèi)燃機(jī)活塞，已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的突出問題。本課程設(shè)計的題目是發(fā)動機(jī)鋁活塞的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計。選擇合

3、適的機(jī)床加工發(fā)動機(jī)活塞，通過本課程設(shè)計，要求在實際問題中熟練掌握、創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝。1活塞概述1.1活塞的功能和工作條件活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要組成部分。氣體的主要作用是承受燃?xì)獾膲毫蛻T性力，通過活塞銷將燃?xì)獾膲毫鬟f給連桿，推動曲軸轉(zhuǎn)動做功。此外，活塞是燃燒室的組成部分。活塞是內(nèi)燃機(jī)中最重要的部件。作用在活塞上的氣體壓力和慣性力周期性地變化，在燃燒過程中瞬間作用在活塞上的氣體壓力非常高。例如，增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可以達(dá)到14-16兆帕。此外，當(dāng)連桿傾斜時，活塞還承受著側(cè)壓力的周期性沖擊，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，會導(dǎo)致活塞變形、活塞銷座開裂和活塞側(cè)面磨損。因此，活

4、塞應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度和剛度，質(zhì)量應(yīng)該輕。活塞頂部與高溫氣體直接接觸，活塞頂部溫度很高，不同部位之間的溫差很大。柴油機(jī)活塞頂部常布置坑形燃燒室，增加了頂部的實際受熱面積，使熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫不可避免地會導(dǎo)致活塞材料的強(qiáng)度降低，活塞的熱膨脹增加，并破壞活塞與氣缸壁之間的正常間隙。另外，冷熱不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易導(dǎo)致活塞頂部的疲勞和熱裂紋。因此，要求活塞具有足夠的耐熱性和良好的熱傳導(dǎo)性性，線性膨脹系數(shù)小。同時，采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)措施，防止過度的熱變形?；钊\(yùn)動速度快，工作溫度高，潤滑條件差，摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。需要良好的減摩或特殊表面處理。1.2活塞材料鋁合金活塞廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)。鋁合金具有良好的導(dǎo)

5、熱性(比鑄鐵大3-4倍)和低密度(約為鑄鐵的1/3)。因此，鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度均勻為了提高鋁活塞的強(qiáng)度和硬度，穩(wěn)定其形狀和尺寸，有必要對活塞進(jìn)行淬火和時效處理。1.3活塞結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的零件，活塞分為三個部分：頂部，頭部和裙部。1.3.1活塞頂部活塞頂部是燃燒室的組成部分，其形狀與燃燒室形狀和壓縮比有關(guān)。通常有三種類型：平頂、凸頂和凹頂。1.3.2活塞頭活塞頭是指從活塞頂部到油環(huán)下端面的部分?；钊^上加工有安裝氣環(huán)和油環(huán)的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。油環(huán)槽的下部還設(shè)有回油孔或橫向切割槽。活塞頭有足夠的厚度，從活塞頂部到環(huán)槽區(qū)域的橫截面應(yīng)盡可能的光滑，多余的圓角半徑應(yīng)足夠大，以減少熱流阻力，從而

6、便于熱量從活塞頂部通過活塞環(huán)傳遞到氣缸壁，使活塞環(huán)的溫度不會太高。1.3.3活塞裙活塞頭下面的部分是活塞裙，活塞銷位于裙上。裙邊起導(dǎo)向作用，承受側(cè)向壓力。因此，活塞裙的形狀保證了活塞能夠在氣缸內(nèi)得到很好的導(dǎo)向，在任何工況下都能夠保證氣缸與活塞之間有一個均勻合適的間隙，并且能夠獲得一定的承載面積。2活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)動機(jī)選用195柴油機(jī)，參數(shù)設(shè)計參考柴油機(jī)設(shè)計手冊活塞內(nèi)徑D=95mm毫米(1)壓縮高度H1=59.85毫米(2)頂排(從第一個環(huán)槽到活塞頂部的距離)高度=14.25毫米(3)采用三環(huán)(包括兩個氣環(huán)和一個油環(huán))氣環(huán)高度為5毫米，油環(huán)高度為7毫米第一環(huán)堤高度為6mm，第二環(huán)堤高度略小于第一

7、環(huán)堤高度，即5mm(4)活塞銷直徑為d=35.15mm毫米，頂環(huán)槽寬度為3毫米(5)裙長H2=71.25毫米，裙長50.35毫米(6)銷座間距B=36.1mm毫米(7)活塞重量的比重(G/D3=0.9-1.4)取1.23。G=G/D3*D3=1.23*953=1054.57g(8)頂部厚度=11.4毫米總長度=59.85 50.35=110.2毫米燃燒室dk/D=0.6 dk/h=3dk=0.6*95=57 h=dk/3=19鋁的線膨脹系數(shù)為活塞頭的最高溫度為350，因此其變形為x=95*23.1*10-6*350=0.7681mm0.8mm活塞裙的最高溫度為200，因此其變形為y=95*23

8、.1*10-6*200=0.4389mm0.4mm3活塞最大破裂壓力的計算關(guān)于最大爆破壓力的計算，請參考內(nèi)燃機(jī)原理環(huán)境壓力、環(huán)境溫度幾何壓縮比有效壓縮比燃燒過量空氣系數(shù)參與廢氣系數(shù)增壓空氣壓力參與廢氣溫度最大燃燒壓力Z點的熱利用系數(shù)b點熱利用系數(shù)燃燒室掃氣系數(shù)低燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.1熱工過程計算增壓器后充氣過程系數(shù)空氣溫度：其中，去除了增壓器中的平均多變壓縮指數(shù)壓縮起點溫度式中，新氣體預(yù)熱度，=5K-比熱修正系數(shù)，=1.11壓縮起點壓力通貨膨脹系數(shù)平均多變壓縮指數(shù)(1)其中a和b是常數(shù)，對于空氣(忽略殘余廢氣)，a=19.26，b=0.0025在第一次試算中，公式(1)的等號右端被替換為=1.37

9、。在第二次試算中，公式(1)的等號右端被替換為=1.369。壓縮終點溫度壓縮終點壓力燃料燃燒所需的理論空氣量燃燒所需的實際空氣量理論分子變異系數(shù)實際分子變異系數(shù)在Z點燃燒的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)z點的分子變化系數(shù)Z點燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容量其中，b點燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比恒定體積熱容量其中，Z點燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比恒壓熱容燃料熱值壓力上升率Cyz段的燃料燃燒公式為最高燃燒溫度簡化后得到(2)對于第一次試算，取公式(2)中等號右端的=2000K對于第二次試算，取右端=220萬實際平均指示壓力(基于全沖程)式中，指示圖充滿系數(shù)，=0.98指示油耗指示效率增壓器中的絕熱壓縮功增壓中的絕熱效率其中，k是比熱

10、容比值，=1.4；多變指數(shù)。增壓器的實際壓縮功式中，-增壓器的機(jī)械效率，=0.96增壓器的相對工作功率3.3柴油機(jī)的有效效率柴油機(jī)的總機(jī)械效率在公式中，-增壓器的相對功率；柴油機(jī)平均有效壓力Pme=0.6504Mpa柴油機(jī)的有效油耗be=3.6*106/ethu=3.6*106/0.4*42286.68=212.83g/kw.h有效動力活塞形成體積的比例表示；壓力等級代表0.1兆帕壓縮體積：=18.4壓縮終點壓力：代表性壓縮起點體積表示壓縮起點壓力代表最大壓力的體積表示，計算壓縮曲線ac上各點的壓力，即其中，在1和之間選擇。計算膨脹曲線zb上各點的壓力，即在公式中，x選擇在1和之間。根據(jù)以上兩

11、個公式，壓縮曲線和膨脹曲線各點的坐標(biāo)參數(shù)表計算如下：表3-1序列號在壓縮線上在膨脹線上1234567891011123456789101118994.563.047.337.831.527.023.621.018.917.212.574.476.618.9511.4813.217.019.923.026.23.368.615.022.230.138.644.457.112.003.014.025.036.047.048.059.0628.4638.763.590.18118.6171.9200.4229.1257.8根據(jù)上表繪制示功圖圖3-1 6120柴油機(jī)計算示功圖4活塞銷的受力分析活塞的受

12、力分析：當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)10度時，會產(chǎn)生最大爆破壓力，如圖所示：60sin10=200sin，因此sin=600.1736/200=0.0521所以=3度圖4-1=60219 1662=61881N其中：D活塞直徑R曲軸半徑mj往復(fù)質(zhì)量連桿比率=R/l=60/200=0.3 n=2000r/min曲軸轉(zhuǎn)速=2 n/60=2 * 3.14 * 2000/60=209.33弧度/秒檢查活塞銷：1.繪制活塞銷的q和m圖圖4-2圖4-2活塞銷的外徑d=35.15mm毫米，內(nèi)徑do=0.55d毫米=19.33毫米w=d3/321-d4/d4=4181.57*10-9選擇活塞銷材料為45號鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，獲得

13、=m/w=1684/4181.57*10-9*106=402.72600n/mm2因此，活塞銷符合強(qiáng)度。5活塞加工技術(shù)表5-1活塞加工工藝流程編號進(jìn)程名定位基準(zhǔn)和技術(shù)條件裝備工具作業(yè)0毛坯鍛造根據(jù)活塞鍛造工藝1粗車B底面，110粗加工基準(zhǔn)是毛坯的外圓，由金屬模具液壓鍛造而成，具有均勻的壁厚(有些使用內(nèi)腔作為基準(zhǔn))車床三角卡盤自動對中2粗鏜活塞銷孔44下端面b、內(nèi)擋塊、空銷孔和活塞頂部被壓縮鉆孔器鉆具3粗頂面c、圓120和環(huán)槽在下端面b的止回銷孔處半自動車床，液壓，仿形，多刀具專用工具4鉆銷座中的油孔頂面c位于下部銷孔的定位方向臺式鉆床吉格舞5用內(nèi)擋塊110完成下端面B的車削精密基準(zhǔn)：圓柱面環(huán)槽的端面車床特殊卡盤6完成車削：環(huán)槽圓柱面頂面精基準(zhǔn)：下端面B的銷孔擰緊仿形、多刀具車床專用工具7微調(diào)燃燒室基準(zhǔn)“統(tǒng)一原則”與流程6相同車床前任的8銑裙弧圓柱形活塞銷孔專用銑床銑刀9精鏜活塞銷孔頂部圓柱銷孔專用鏜床精鏜銷孔夾具10汽車鎖環(huán)槽銷孔定位帶鎖環(huán)的車床鉆具11液壓銷孔銷孔定位液壓銷孔車床液壓機(jī)12磨平裙子的外圓圓柱面定位仿形磨床參考文獻(xiàn)：1劉大力、齊丕祥主編。新鋁制活塞。北京：國防工業(yè)出版社，1999.8(專著)2劉永昌主編。內(nèi)燃機(jī)原理。武漢