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1、精选优质文档-倾情为你奉上学 号： 32课程设计题 目2.8L四冲程汽油机活塞组设计学 院汽车工程学院专 业热能与动力工程班 级热动1102班姓 名冯 伟指导教师胡 杰2014年11月23日专心-专注-专业课程设计任务书学生姓名： 冯 伟 专业班级： 热动1102班 指导教师： 胡 杰 工作单位： 汽车工程学院 题 目: 2.8L四冲程汽油机活塞组设计初始条件：1、平均有效压力：0.81.2MPa2、活塞平均速度：18m/s要求完成的主要任务: 1、 装配图设计。2、 零件图设计。3、 说明书1份。时间安排：序号项目应完成时间备注1课题准备1、 设计发动机的结构参数。2、 进行运动学计算。3、
2、 形成文档。2012.11.32装配图设计与绘图1、 热力学计算。2、 动力学计算。3、 形成文档。2012.11.43装配图设计与绘图1、 结构参数设计并形成文档。2、 装配图设计绘图（草图）。2012.11.54装配图设计与绘图（底图）2012.11.65装配图设计与绘图（加粗与标注）2012.11.76零件图设计1、 零件计算。2、 形成文档。2012.11.107零件图设计绘图2012.11.118零件图设计绘图2012.11.129零件图设计绘图2012.11.1310零件图设计绘图2012.11.1411零件图设计绘图2012.11.1712撰写设计说明书2012.11.1813撰
3、写设计说明书2012.11.1914答辩2012.11.2015答辩2012.11.21注意事项：1、 课程设计期间必须严格遵守学校的作息时间。2、 指导教师每天点名。3、 学生每天的任务必须完成，指导教师作好相应的进度记录。指导教师签名：胡杰 2012年11月08日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录前言-11汽油机的结构参数-1 1.1初始条件-1 1.2发动机类型-1 1.3基本参数-22热力学计算-2 2.1热力循环基本参数的确定-22.2P-V图的绘制-3 2.3P-V图的调整-3 2.4有效功及有效压力的求解-4 2.5 p-V 图向P-a图的转化-53运动学计算-5 3.1
4、曲柄连杆机构的类型-5 3.2连杆比的选择-5 3.3活塞运动规律-53.4连杆运动规律-64动力学计算-7 4.1质量换算-74.2作用在活塞上的力-85活塞设计-12 5.1活塞的材料-12 5.2活塞主要尺寸设计-12 5.3活塞裙部及其侧表面形状设计-13 5.4活塞头部的质量计算-14 6活塞销的设计-156.1活塞销与销座的结构设计-156.2活塞销与销座的的配合-156.3活塞销质量-166.4活塞销刚度和强度校核-16 7活塞环设计-177.1活塞环材料的选择-177.2活塞的断面形状-187.3气环的尺寸参数-18 7.4油环的设计-18 7.5活塞环强度校核-19 小结-2
5、0 参考文献-21 2.8L排量四行程汽油机活塞组设计前言 本学期我们学习了必修课程汽车发动机设计,学习了发动机设计的基础知识。紧接着学院为我们专业开设了为期三周的汽车发动机设计课程设计，目的在于让我们通过亲自的设计实践，全面地复习和巩固我们以前所学习的理论知识，让我们对专业课知识有更深刻的理解和掌握。使我们在分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种资料以及计算机应运能力等各个方面得到进一步的提高。每个同学都有不同的设计题目，我们要根据自己的题目来查阅资料，结合所学知识，设计出合理的发动机部件。 我十分希望能通过这次的课程设计加深我对专业知识的理解，同样，我也希望通过这次课程设计对
6、自己未来将从事的工作进行一次系统的训练。我会在这次的课程设计中锻炼自己分析问题和理解问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础。利用这次机会，巩固自己所学理论知识，开阔眼界，了解发动机设计知识，同时发挥自己的思维发散能力，按时保质地完成这次课程设计。1汽油机的结构参数 11初始条件排量：2.8L 平均有效压力： 活塞平均速度： 12发动机类型 1.2.1冲程数的选择 四冲程。 1.2.2冷却方式 水冷。 1.2.3气缸数与气缸布置方式直列式六缸机。 13基本参数 1.3.1行程缸径比的选择 在（0.81.2）初步选择行程缸径比为1.0。 1.3.2气缸工作容积,缸径D的选择 根据内燃机学的基本
7、计算公式：其中 为发动机的有效功率 为发动机的平均有效压力，依题为，取 为气缸工作容积 ，取0.4667L 为发动机的汽缸数目 ，依题为为6 为发动机的转速，取n=5000r/min 为活塞的平均速度，依题为 为发动机活塞的行程 为发动机汽缸直径为发动机的行程数，依题为4根据以上条件代入公式算得D=84mm S=84mm =14 2 热力学计算 2.1热力循环基本参数的确定根据参考文献【内燃机学】压缩过程绝热指数，初步取，初取 根据参考文献【内燃机学】汽油机压缩比，初取 根据参考文献【发动机设计】 ，初取 2.2P-V图的绘制通常情况下，压缩始点的压强在（为当地大气压力值），假定外界，选定，将
8、压缩过程近似看作绝热过程，由，并利用，可以在EXCEL中绘出压缩过程线。混合气体在气缸中压缩后，经等容加热，利用值可得最大爆发压力值。膨胀过程类似于压缩过程，由，绘出膨胀线。最后连接膨胀终点和压缩始点。得出理论的P-V图1。简化的条件为：假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同。假设工质是在闭口系统中作封闭循环。假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程。假设燃烧过程为等容加热过程，工质放热为定容放热。，图12.3 P-V图的调整实际的P-V图和利用多变过程状态方程绘制的P-V图还存在一些差别，主要是点火提前角和配气相位的原因。对1图作以下调整：最大爆发压力： 取理论水平的2/3，
9、具体值为3.58MPa，以此值与原图形相交，水平线以上的部分去掉，余下部分作些调整。考虑到实际过程与理论过程的差异，最大爆发压力发生在上止点之后12 15，选择最高爆发压力出现在上止点后12。点火提前角：据资料得常用的范围是20 30，经调整后取26。排气提前角：常使用的范围是40 80，经调整后取60。调整后的P-V图如下图2：图22.4有效功及有效压力的求解由热力学计算所绘制的示功图为理论循环的示功图，其围成的面积表示的是汽油机所做的指示功，数值由对示功图积分后求得的面积来表示：其中： 平均有效压力： 与前面计算的结果大致一样，在2%以内，故上面选取的参数和以后的相关计算在满足制造的同时能
10、够前后一致。2.5P-V 图向 P图的转化 其中为燃烧室容积, 为气缸容积，知道活塞位移x和曲轴转角的关系，则可以在 EXCEL 表格中，求取出相应转角时对应的气缸容积 。由 2.3 和 2.4 的内容，综合应用，每隔 5求（P，V）。做出图，如图3所示，数据记录于附表。图33 运动学计算 3.1曲柄连杆机构的类型在往复活塞式内燃机中基本上采用三种曲柄连杆机构：中心曲柄连杆机构，偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构。其中中心曲柄连杆机构应用最广泛。本次设计选择中心曲柄连杆机构。 3.2连杆比的选择据【发动机设计】知，车用发动机多用小连杆，初选。则连杆长度。 3.3活塞运动规律 活塞位移：，r为曲
11、柄半径， 经计算后图如下图4所示：图4 活塞速度： ， 图5 活塞加速度：图63.4连杆运动规律连杆做复合平面运动，即其运动是由随活塞的往复运动以及绕活塞销的摆动合成。连杆相对于气缸中心的摆角为。连杆运动规律如下图7所示。图74 动力学计算 4.1 质量转换沿气缸轴线作直线运动的活塞组零件，可以按质量不变的原则简单相加，并集中在活塞销中心。粗略计算，将活塞看作薄壁圆其中D=84mm，t=8mm，活塞材料为共晶铝合金：，活塞高度H=75mm，得。匀速旋转的曲拐质量，可以按产生离心力不变的原则换算，并集中在曲柄销的中心.做平面运动的连杆组，根据动力学等效性的质量，质心和转动惯量守恒原则进行质量换算
12、。3个条件决定三个未知数，可用位于比较方便的位置上即连杆小头，大头和质心处三个质量来代替连杆。实际结果表明m与m、m相比很小，为简化受力分析，常用集中在连杆小头和大头的2个质量代替连杆。 其中D为活塞的外径，D=84mm t为活塞的厚度， t=8mm H为活塞的高度，H=(0.81.0)D，取H=75mm 为活塞的密度，在此处用45钢，密度为7.85g/cm3 L为连杆的长度，L=125 为连杆质心到连杆大头的距离 为连杆的质量 经过估算得到 mj = m2+m1=320g。 4.2作用在活塞上的力作用在活塞销中心的力，是 和的合力，为气体作用力，为往复惯性力。一、气体力 P活塞顶上的压力，-
13、活塞背压根据气缸内压力与曲轴转角 的关系，应用EXCEL求解相关数据（数据记录在附录中）作出下图8。图8 二、惯性力 往复惯性力： 在机构中的传递情况与很相似，也使机构受负荷，也产生转矩和倾覆力矩，由于对汽缸盖没有作用，所以它不能在机内自行抵消，是向外表现的力，需要由轴承承受。则由于活塞和连杆小头的往复运动而引起的往复惯性力的大小：和曲轴转角满足下列关系式。 即 应用EXCEL求解相关数据（数据记录在附录中）,作出下图9图9旋转惯性力:，当曲轴角速度不变时，大小不变，其方向总是沿着曲轴半径向外。如果不用结构措施（如平衡块）消除，它也是自由力，使曲轴轴承和内燃机承受支反力，它不产生转矩和倾覆力矩
14、。在本次设计中，用平衡块结构措施消除，所以在计算中可以忽略它。作用在活塞销中心的力，是和合力。即。把该力分解到连杆方向和垂直于气缸中心线方向。连杆方向的力沿连杆传递到连杆大头，该力以同样的方向和大小作用在曲柄销上。把分解到曲柄销半径方向和垂直于曲柄销半径方向。其中各力在大小上满足下列关系式：侧压力 Pn=Ptan 连杆力Pl=P/cos 切向力 t=Pl sin(+)=P 径向力k=Plcos(+)=P 作出下图10-13,数据见附表图10图11图12图135 活塞设计 5.1活塞的材料共晶硅铝合金制造活塞的材料应有小的密度、足够的高温强度、高的热导率、低的线胀系数以及良好的摩擦性能(减摩性和
15、耐磨性)。常用材料为铝硅合金，。共晶铝硅合金具有满意的综合性能，工艺性良好，应用最为广泛。过共晶铝硅合金中的初生硅晶体使耐热性、耐磨性改善，膨胀系数减小，但加工工艺性恶化。过共晶铝硅合金广泛用于高热负荷活塞。 5.2活塞主要尺寸设计 5.2.1活塞高度H参考文献1，；选择H=75mm。 5.2.2压缩高度H1参考文献1，H1=0.5D；选择H=42mm。 5.2.3火力岸高度h参考文献1，。 5.2.4环带高度现代四行程发动机一般采用二道气环和一道油环。参考文献1，气环的厚度一般为2.03.0mm，环岸要求有足够的强度，使其在最大气压下不致被损坏。第一道环的环岸高度b1 一般为1.52.5c（
16、c指环槽高度），第二道环的环岸高度b2为12c。第一环岸高 b1=0.030.04D 取2.0mm,则，=4.0mm。第二环岸高 b2=0.030.04D 取2.0mm,则，=2.0mm。油环高b3 为4.06.0mm取4.0mm； 5.2.5活塞顶部厚度 参考文献1 ：=0.08D0.10D=8mm；取=8mm 5.2.6活塞侧壁厚度及内部过渡圆角活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取（0.050.1）D，取厚度则为8mm。为改善散热状况，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过度圆角，一般取R=0.050.1D。则圆角半径取为8mm。 5.2.7活塞销座间距B=0.35-0.40D；取0.4则
17、活塞销座间距为34mm。 5.3活塞裙部及其侧表面形状的设计活塞裙部及其侧表面形状设计的关键，在于保证裙部有足够的贴切合面积和良好的润滑条件，以及保证发动机在不同工况下都具有最小的活塞间隙。 5.3.1裙部椭圆 1、将裙部设计成椭圆。 2、将销座附近的裙部外侧部位设计成凹陷状。裙部椭圆的规律：为了使活塞在正常工作温度下于气缸壁之间保持右比较均匀的间隙，不至于在气缸内卡死或是引起局部磨损，必须在常温下预先把活塞裙部的横断面加工成椭圆形，其长轴垂直于活销轴线方向，其矩轴于长轴的差值视发动机的不同而不同，一般为0.080.025mm。为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做
18、成上小下大的 近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.050.1mm。实际取：对活塞下下部和头部取0.1mm；对活塞裙中部取0.08mm5.3.2配缸间隙为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.050.1mm。活塞顶部间隙：0.240mm（活塞销中心平面内）；0.210mm垂直于活塞销中心线平面内活塞裙部间隙：0.09mm（活塞销中心平面内）；0.04mm垂直于活塞销中心线平面内5.4活塞头的质量计算对活塞进行简化变成可计算体积的几何体，从而计算出其体积和质量。简化如图14。H4H3DHH2H1活
19、塞销孔轴线VVV图14 活塞的质量在估算时，将活塞当作薄壁圆筒处理。活塞 ： 其中D为活塞的外径，D=84mm t为活塞的厚度， t=8mm H为活塞的高度，H=(0.81.0)D=75mm 为活塞的密度，在此处用共晶铝硅合金66-1，密度为2.7g/cm3故可知活塞的质量为m活塞=203.6g。6活塞销的设计活塞工作时顶部承受很大的大气压力，这些力通过销座传给活塞销，再传给连杆。因而活塞销座和活塞销的设计必须保证足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。 6.1活塞销的材料活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢（如20Cr）制造，经表面参碳淬火处理，以提高表面硬度，使中心具有一定的冲击韧性。表面需进行精磨
20、和抛光。 6.2活塞销与销座的结构设计d=（0.250.3）D=25.5m；d0=(0.60.79)d=15mm；l=(0.80.9)D=76mm；活塞销外径d=21,;活塞销内径d=13。活塞销长度l=63mm。 6.3活塞销与销座的配合活塞顶所承受的气压力通过活塞销座和活塞销传给连杆。由于结构上的限制，活塞销的直径d不可能超过0.4D，活塞销的长度不可能超过0.85D，因此活塞销总的承压面积极为有限，还要在活塞销座与连杆小头衬套之间合理分配。经验表明，当活塞销与销座以及活塞销与连杆小头衬套之间的工作状态(热态)间隙在(13) 10-4d时，可以可靠工作。于是，在装配状态(冷态)，销与销座则
21、有(13) 10-4d的过盈，以补偿铝合金活塞销孔在工作时较大的热膨胀。为了稳定地保持极小的间隙而又转动灵活，活塞销外圆、活塞销孔和连杆小头衬套孔都应有极高的加工精度。不但尺寸公差要严格，尤其要保证严格的圆柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圆柱度和表面粗糙度值足够小，则可以按尺寸分组选配的办法保证配合副的理想间隙。 6.3活塞销质 m=134g 6.4活塞销刚度和强度的校核为保证活塞销和销座的可靠工作，需校核活塞销的弯曲变形，失圆变形，销座上的表面压力和活塞销的应力。=d/D=25/86=0.3=d2/d1=0.6活塞销的弯曲变形： 0.0327mm许用变形：满足要求。失圆变形：0.032
22、7许用失圆变形：满足要求。作用在销孔上的表面压力：小于极限值560bar，满足要求。活塞销的纵向弯曲应力：活塞销的横向弯曲应力：所以总弯曲应力： =354.4N/mm2在许用应力200到400 N/mm2之间，满足要求。 7活塞环设计包括气环和油环的设计。一般要求通过环组的窜气量不超过总进气量的0.5%，机油消耗量不超过燃油消耗量的0.5%。 7.1活塞环的材料选择活塞环是内燃机中磨损最快的零件，因此适当选择材料和表面处理工艺十分重要。活塞环一般是由合金铸铁铸造，高强度环用球墨铸铁，经热处理以改善材料的热稳定性。少数活塞环用合金钢制造。所有活塞环都要进行磷化、镀锡或氧化处理，以改善磨合性和防锈
23、。7.2气环的断面形状设计 采用桶面环，它能适应活塞的摆动，并且在活塞上行和下行时均能压在环的外表面上形成润滑的油膜，摩擦面不易烧伤。环与气缸接触面积小，比压大，密封性好。 7.3气环的尺寸参数 在保证密封的前提下，活塞环的数目应尽可能少，因为减少环数可缩小活塞高度，减轻活塞质量，减小发动机总高度，降低发动机摩擦损失。现代高速内燃机大多采用2道气环(另有1油环)，重型强化柴油机则用3道气环。气环的尺寸参数主要有环的径向厚度、轴向高度以及环的自由状态形状和自由开口端距S0。减小环高b有利于缩短活塞高度，减小环的颤振倾向，目前已达到1mm左右的极限。过小的使环和环槽的加工困难。径向厚度较大的环弯曲
24、刚度大，对气缸表面畸变的跟随性差，但耐磨性相对较好。刚性环在较小的端距S0下就可得出要求的平均径向壁压，但在套装到活塞头部上时易于折断。对合金铸铁的活塞环来说，=0.10.2MPa，。环槽深度取0.9d=76mm 7.4油环的设计根据活塞环的密封机理，形状简单、加工方便的矩形(断面)环完全可以满足要求。但这种环磨合性较差，作用在活塞环上的力及其密封面密封性不理想。故油环采用具有切向弹力的螺旋衬簧的铸铁油环，可使壁压达到0.8Mpa以上，其厚度很小，柔性好，表面要通体镀烙。 7.5活塞环强度校核为了确定任意断面 BB中的弯矩，可把活塞环看成是开口对面的对称面AA固定的悬臂梁，因为活塞环从自由状态
25、变到工作状态时AA断面不发生旋转。于是作用在单元环上rd的单元力dp=p0br0d对断面BB产生的弯矩可写成 环从=到段上的压力对BB断面的总弯矩M为 式中：材料确定后E为常数，P0也为常数，对结构参数D一定的均压环，自然状态的曲率半径随而变，故活塞环在自由状态下不是圆形。 小 结通过这次我们亲身的设计实践，让我们对这些专业课的基础知识和基本理论能有进一步的理解和掌握。设计的整个过程都有老师在一旁指导，有问题可以及时解决，学到了很多发动机和曲轴的知识，这也是我觉得这次设计比以前简单的原因吧。我把这次课程所学到的东西总结为以下几点：1分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种设计手册与
26、资料。2.计算机计算，绘图的应用能力等方面得到进一步的提高。3.初步建立了工程的观念处理问题。4. 能够全面地检验并巩固我们以前所学的专业课知识，并通过结合实际，让我们能从一个全新的角度重新学习、认识以前学过的专业课知识。5. 了解国内外发动机的发展现状，对当代先进的发动机技术有了一些了解。6. 此次课程设计还为我们下学期的毕业设计奠定了坚实的基础。参考文献1 徐兀汽车发动机现代设计北京：人民交通出版社，19812 朱仙鼎中国内燃机工程师手册上海：上海科学技术出版社，20003 杨连生内燃机设计北京：中国农业机械出版社，19814 唐增宝，何永然，刘安俊机械设计课程设计武汉：华中科技大学出版社，19995 周龙保内燃机学北京：机械工业出版社，20056 吴兆汉内燃机设计北京：北京理工大学出版社，19907 沈维道工程热力学北京：高等教育出版社，2002