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1、1 活塞课程设计说明书一设计题目 :活塞组设计二设计参数：195 柴油机，Pe=8.82kw,n=2000r/min, 水冷， Pme=650.4kpa,连杆重心位置LB/LA=0.3909 （其中 LB 指重心到连杆大头中心的距离，LA 指重心到连杆小头中心的距离）。三设计要求：1.用计算机绘制活塞（A1）,活塞销（ A3）各一张。2. 设计说明书一份（包括零件图分析、定位方案确定、定位误差计算等内容；最好能写出整个工艺过程）。目录前言 1 1 活塞的概述 2 1.1 活塞的功用及工作条件 2 1.2 活塞的材料 2 1.3 活塞结构 2 1.3.1活塞顶部 2 1.3.2活塞头部 3 1.
2、3.3活塞裙部 3 2 活塞的结构参数 4 3 活塞最大爆发压力的计算 5 3.1 热力过程计算 5 3.2 柴油机的指示参数 8 3.3 柴油机有效效率 10 4 活塞销的受力分析 11 5 活塞的加工工艺 14 参考文献： 15 前言名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 16 页 - - - - - - - - - 2 内燃机的不断发展，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进和提高的基础上的，尤其是随着发动机强化程度的提高、 功率的增大和转速的增加，零部件尤其
3、是直喷式柴油机活塞的工作环境变得更加恶劣了。活塞的结构直接影响活塞的温度分布和热应力分布，因此就有必要对活塞的结构和性能作出预测和评价。活塞是内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏，特别是坦克、舰艇和军用车船用内燃机活塞则要求更高，它已成为制约内燃机发展的一个突出问题。本次课程设计的题目是发动机铝活塞的结构及工艺设计，选择利用合适的机床加工发动机活塞，通过这次课程设计，要求熟练掌握并能在实际问题中进行创新和优化其加工工艺过程。1 活塞的概述1.1 活塞的功用及工作条件活塞是曲柄连杆机构的重要零件煤气主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞
4、销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。此外，活塞又是燃烧室的组成部分。活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达1416MPa 。而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下
5、降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。另外，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。活塞运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。1.2 活塞的材料现代内燃机广泛使用铝合金活塞。铝合金导热性好（比铸铁大3-4 倍），密度小（约为铸铁的1/3 ）。因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。目前铝活塞广泛采用含硅12% 左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，
6、以提高热稳定性和高温机械性能。铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。1.3 活塞结构活塞按部位不同，分为顶部，头部和裙部三部分。1.3.1活塞顶部活塞顶部是燃烧室的组成部分，其形状与燃烧室形状和压缩比有关，一般有平顶，凸顶和凹顶三种。1.3.2活塞头部名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 16 页 - - - - - - - - - 3 活塞头部是指由活塞顶部到油环下端面
7、之间的部分。在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽。在油环槽的低部还加工有回油孔或横向切槽。活塞头部有足够的厚度，从活塞顶部到环槽区的断面要尽可能的圆滑，过度圆角半径应足够大，以减少热流阻力，便于热量从活塞顶部经活塞环传给气缸壁，使活塞环的温度不至于过高。1.3.3活塞裙部活塞头以下的部分为活塞裙部，活塞销座位于裙部。裙部起导向作用，并承受侧压力。因此，活塞裙部的形状保证活塞在气缸得到良好的导向，气缸与活塞之间在任何工况下都能保证均匀，合适的间隙，并有一定的承压面积。2 活塞的结构参数发动机选取为195 型柴油机，参数设计参照柴油机设计手册活塞缸径D=95mm （一）压缩高度H1=
8、59.85mm （二）顶岸（第一环槽至活塞顶端距离）h=14.25mm （三）采用三道环（其中两道气环，一道油环）气环高度取5mm ，油环高度取7mm 第一道环岸高度为6mm 第二道环岸高度略小于第一道环岸高度，为5mm （四）活塞销直径为d=35.15mm 顶环槽宽为3mm （五）裙长H2=71.25mm 下裙长为 50.35mm （六）销座间距B=36.1mm （七）活塞重量比重量 G/D3=0.9-1.4 取为 1.23, G=G/D3*D3=1.23*953=1054.57g ( 八) 顶部厚度 =11.4mm 总长 =59.85+50.35=110.2mm 燃烧室 dk/D=0.6
9、dk/h=3 dk=0.6*95=57 h=dk/3=19 铝的线性膨胀系数为活塞头部的最大温度为350 摄氏度，所以其变形量为 X=95*23.1*10-6*350=0.7681mm0.8mm 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 16 页 - - - - - - - - - 4 活塞裙部最大温度为200 摄氏度，所以其形变量为Y=95*23.1*10-6*200=0.4389mm0.4mm 3 活塞最大爆发压力的计算最大爆发压力计算参考内燃机原理环境压力环境
10、温度几何压缩比有效压缩比燃烧过量空气系数参与废气系数参与废气温度增压空气压力最大燃烧压力 Z点热利用系数B点热利用系数燃烧室扫气系数燃料质量分数燃料低3.1 热力过程计算充气过程系数增压器后空气温度：式中，去增压器内平均多变压缩指数压缩始点温度式中，新气预热度，=5K; - 比热修正系数，=1.11 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 16 页 - - - - - - - - - 5 压缩始点压力充气系数平均多变压缩指数（1）式中，a，b常数，对于空气（忽略残
11、余废气），a= 19.26 ，b=0.0025 第一次试算，式（1）等号右端代入=1.37 , 第二次试算，式（1）等号右端代入=1.369, 压缩终点温度压缩终点压力燃料燃烧所需理论空气量燃烧所需的实际空气量理论分子变化系数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 16 页 - - - - - - - - - 6 实际分子变化系数Z 点烧去的燃料质量分数Z 点处分子变化系数Z 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容式中，b 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容式中，z 点燃烧产
12、物的平均摩尔比定压热容名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 16 页 - - - - - - - - - 7 燃料发热量压力升高比Cyz 段的燃料燃烧公式，就最大燃烧温度简化后得（2）第一次试算，取式（2）等号右端的= 2000K 得第二次试算，取式（2）等号右端的=2200K 得第三次试算，取式（2）等号右端的= 2196K 得名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
13、 - - - - - 第 7 页，共 16 页 - - - - - - - - - 8 最后取膨胀过程参数：初膨胀比后膨胀比求多变膨胀指数及膨胀终点温度，zb 膨胀线上的后燃公式，（3）（4）将式子（ 3）与式子（ 4）联立，得（5）第一次试计算，取=2000K 得，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 16 页 - - - - - - - - - 9 第二次试计算，取2189K 得，K 最后取（23） 膨胀终点压力3.2 柴油机的指示参数理论平均指示压力（以有
14、效行程为准）实际平均指示压力（以全行程为准）式中，示功图丰满系数，=0.98 指示油耗名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 16 页 - - - - - - - - - 10 指示效率增压器中绝热压缩功增压器中绝热效率式中， k-比热容比，=1.4 ，;-多变指数，。增压器实际压缩功式中，-增压器机械效率，=0.96 增压器的相对作功率名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理
15、- - - - - - - 第 10 页，共 16 页 - - - - - - - - - 11 3.3 柴油机有效效率柴油机总机械效率式中，；-增压器相对功率；。柴油机平均有效压力Pme=0.6504Mpa 柴油机有效油耗Be=3.6*106/ etHu=3.6*106/0.4*42286.68=212.83g/kw.h 有效功率活塞形成容积比例尺代表; 压力比例尺代表 0.1Mpa。压缩容积：=18.4 代表压缩终点压力：代表压缩始点容积代表压缩始点压力代表最大压力的容积代表，计算压缩曲线ac 上各点压力，即名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -
16、- - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 16 页 - - - - - - - - - 12 式中，在 1 至之间选定。计算膨胀曲线zb 上各点压力，即式中， x 在 1 至之间选定。根据以上两式，计算出压缩曲线和膨胀曲线各点坐标参数兵列表如下: 表 3-1 序号压缩线上的膨胀线上的1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 189 94.5 63.0 47.3 37.8 31.5 27.0 23.6 21.0 18.9 17.2 1 2.57 4.47 6.61 8.95 11.48 13.
17、2 17.0 19.9 23.0 26.2 3.36 8.6 15.0 22.2 30.1 38.6 44.4 57.1 1 2.00 3.01 4.02 5.03 6.04 7.04 8.05 9.06 28.46 38.7 63.5 90.18 118.6 171.9 200.4 229.1 257.8 根据上表画出示功图图 3-1 6120型柴油机计算示功图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 16 页 - - - - - - - - - 13 4 活塞
18、销的受力分析活塞受力分析：曲轴在 10 度转角时产生最大爆发压力，如图所示：60sin10=200sin 所以 sin=600.1736/200=0.0521 所以 =3 度图 4-1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 16 页 - - - - - - - - - 14 =60219+1662=61881N 其中： D活塞直径 R曲轴半径 mj往复运动质量连杆比=R/l=60/200=0.3 n=2000r/min 曲轴转速 =2n/60=2*3.14*2
19、000/60=209.33rad/s 对活塞销的校核：1、画出活塞销的Q 、 M图图 4-2 Fig. 4-2 活塞销外径d=35.15mm ，内径 do=0.55d=19.33mm W= d3/321-d4/D4=4181.57*10-9 选活塞销材料为45 号钢，调质处理，得=M/W=1684/4181.57*10-9*106=402.72600N/mm2 所以该活塞销符合强度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 16 页 - - - - - - - -
20、 - 15 5 活塞的加工工艺表 5-1 活塞加工工艺过程工序号工序名称定位基准及技术条件设备工装0 毛坯锻造按活塞锻造工艺进行1 粗车底面 B止口110 粗基准是毛坯外圆，金属模液压锻造，壁厚均匀有的用内腔做为基准车床三角卡盘自动定心2 粗镗活塞销孔44 下端面 B，内止口及毛坯销孔，活塞顶部压紧镗床镗刀3 粗车顶面 C，圆120及环槽下端面 B内止口销孔处半自动车床，液压、仿型、多刀专用刀具4 钻销座油空顶面 C定位下断面销孔定位方向台钻钻模5 精车下端面B，内止口 110 精基准：外圆面环槽端平面车床专用夹头6 精车：环槽外圆面顶面精基准： 下端面 B内止口销孔拉紧仿型、多刀车床专用刀具
21、7 精车燃烧室基准“统一原则”同工序6 车床成形刀8 铣裙部圆弧外圆面活塞销孔专用铣床铣刀9 精细镗活塞销孔顶面圆柱销孔专用镗床精镗销孔夹具10 车锁环槽销孔定位车锁环车床镗刀11 液压销孔销孔定位液压销孔车床液压器12 精磨裙部外圆外圆面定位仿型磨床参考文献：1刘达利 , 齐丕骧编著 . 新型铝活塞 . 北京 : 国防工业出版社，1999.8 （专著）2刘永长主编 . 内燃机原理 . 武汉：华中科技大学出版社，2001.6 （专著）3吴建华，常绿主编. 汽车发动机原理. 北京：机械工业出版社，2005.7 （专著）4甘永立主编 . 几何量与课程设计. 上海：上海科学技术出版社，2005.7
22、（专著）5陆耀祖主编 . 内燃机构造与原理. 北京：中国建材工业出版社，2004.1 （专著）6李凤平等主编. 机械图学 . 沈阳：东北大学出版社，2003.9 （专著）7唐大放等主编. 机械设计工程学. 徐州：中国矿业大学出版社，2001.9 （专著）8单辉祖编 . 材料力学 . 北京：高等教育出版社，2004.4 （专著）9刘希恭主编 . 微型汽车零部件及代换手册. 天津 : 天津科学技术出版社,2000.2 （专著）10曾东建主编 . 汽车制造工艺学. 北京 :机械工业出版社,2005.9 （专著）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 16 页 - - - - - - - - - 16 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 16 页 - - - - - - - - -