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1、发动机活塞连杆机构设计书目 第1章 绪论 4 1.1 选题的目的和意义 4 1.2 国内外的探讨现状 4 第2章 整体设计方案 6 2.2活塞组设计方案 6 2.3连杆组设计方案 7 2.3 柴油机动力计算 8 2.3.1已知原始数据 8 2.3.2动力计算 9 2.4本章小结 12 第3章活塞组的设计 13 3.1 活塞的设计 13 3.1.1活塞的工作条件和设计要求 13 3.1.2活塞的材料 14 3.1.3 活塞头部的设计 14 3.1.4 活塞裙部的设计 18 3.2 活塞销的设计 19 3.2.1 活塞销的结构、材料 19 3.2.2 活塞销强度和刚度计算 20 3.3 活塞销座
2、21 3.3.1 活塞销座结构设计 21 3.4活塞环的设计 21 3.5 本章小结 23 第4章 连杆组的设计 24 4.1 连杆的设计 24 4.1.1 连杆的工作状况、设计要求和材料选用 24 4.1.2 连杆长度的确定 24 4.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 24 4.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算 27 4.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算 30 4.2 本章小结 31 5曲轴组的设计 32 5.1 曲轴的选型 32 5.2 曲轴主要尺寸设计及计算 32 5.3 曲柄的选择 33 5.4 平衡重的设计 33 5.5 油道设计及油孔位置 33 5.4 本章
3、小结 34 第6章 活塞连杆组的创建 34 6.1 对Solidworks软件基本功能的介绍 35 6.2 活塞的创建 35 6.2.1 活塞的建模步骤 35 6.3 连杆的创建 37 6.3.3 连杆盖的建模 38 6.4 活塞连杆组其它零件的创建 39 6.4.1 活塞销的创建 39 6.4.2 活塞销卡环的创建 39 6.4.3 连杆小头衬套的创建 39 6.4.4 大头轴瓦的创建 39 6.4.5 连杆螺栓的创建 40 6.5 本章小结 40 第7章有限元分析 41 7.1连杆模态分析 41 7.1.1数字化建模 41 7.1.2导入外部几何模型 41 7.1.3网格划分 41 7.1
4、.4边界条件的施加 42 7.1.5求解 42 7.2本章小结 43 1绪论 1.1 选择该题的目的与意义 活塞连杆机构是内燃机中实现动力输出以及传递运动的重要组成部分，内燃机通过活塞连杆组把活塞顶部所受到的燃气爆发力通过活塞销和小头串联传递给杆身，小头和曲轴销串联曲轴把力变成转矩，同时也能顺带着将活塞的上下往复运动奇妙的变为曲轴地旋转运动。活塞连杆机构设计时，优先保证机构整体上具有足够的结构强度和刚度，如何削减活塞连杆机构应力集中的同时又能设计出结构紧凑重量轻的机构是此次设计的关键。 通过此次设计能够促进我们对高校四年已学学问总结和综合应用，熟识各参数对活塞连杆组计算结果的影响和改变规律，熬
5、炼自己对数据的分析实力，从而达到在困难数据的状况下能快速选择有用参数的目的。 同时也能让自己对活塞连杆组之间的各个工作过程的相互的影响有一个清晰的认知，通过运用绘图软件绘制活塞连杆机构零件图、三维图、装配图，能培育我们的快速识图和快速制图的实力，使我们能够驾驭如何利用有限元分析软件模拟活塞连杆组的实际工作过程。从而能看出所设计的结构是否合理，结构是否存在运动干涉，设计参数能否达到实际生产要求等问题都能在零件图三维图以及应力云图上得到不同程度的反映，同时它还能熬炼我们综合高校所学学问对整体机构中各零部件以及各附件系统之间的协作关系进行一个充分的探究，培育了自己毕业后能够从事设计工作增加了优势。
6、1.2 国内外的探讨现状 自十九世纪六十年头年首台内燃机诞生以来，德国人鲁道夫狄塞尔觉得当时的发动机效率低下，经过一系列挫折最终在一八九二年研发出了世界第一台可以正常实现扭力输出的压燃式柴油发送机，至今发动机经过了近160年的发展，它变更了人类的出行方式，极大的提高了人类出行效率，同时给各大机器供应了强大的动力，极大地促进了社会生产力发展，间接的丰富了人们的物质追求，提高了人们的生活质量，已经成为人类发展不行或缺的一部分。但是，随着人类对机械动力的需求不断增加，工作环境越来越严酷，到目前为止内燃机的发展还远远没有达到其极限，在动力性、经济性和排放性等方面依旧存在很大探讨发展空间。柴油发动机相比
7、较于汽油机来说其热效率更高和经济性较好等优点，柴油机点火方式很独特，采纳的是压燃点火，结构 上比较简洁，点火原理就是在压缩空气的同时喷入柴油，使空气分子猛烈挤压使空气温度瞬间达到柴油的燃点，同时和空气混合完成点火燃烧，较汽油机来说柴油机无需点火系统。大量数据和试验表明，在现在各种动力机械中，柴油机不仅热效率最高，而且能量利用率最好 。 进入21世纪，由于人们环保意识的增加，国家对柴油车废气污染物的要求和汽油车一样日渐严格，同时对柴油机经济性也提出了更高的要求，面对能源危机和环境污染等问题，如何提高内燃机的经济性和削减废气排放，如今已成为国内外探讨的重点。 目前发动机柴油化呈现全球化趋势，尤其在
8、北美、欧洲日本等地区这种发展趋势最为明显。据调查显示，在欧美日这些国家的重型机械全部以柴油机作为动力，美国和欧洲商用车百分之九十为柴油车，百分之三十左右的小轿车为柴油车，据专家预料，在今后十年甚至是更长时间发动机柴油化将成为主流趋势。欧洲在柴油机上拥有大量的技术优势，柴油机燃油经济性较好，供油充分，寿命长，结构紧凑2。我国虽然在世界上单缸柴油机产量，厂家和品种最多，但是整体水平仍让落后于西方国家1020年，比起汽油机，国家对柴油机也不够重视，有些城市甚至对柴油车限行处理，严峻制约了生产工艺水平和规模发展及自主开发实力的提高3。在大多数人的印象里，柴油机充斥着严峻的噪声，刺鼻的气味和浓浓的黑烟，
9、社会整体呈现出“厌柴”心理。随着一些先进柴油机和技术的引进，我国柴油机自二十世纪八十年头以来有了较快的发展，整体技术水平达到了国外八十年头末九十年头初的水平，诞生了如常柴、玉柴、潍柴等优秀柴油机研发制造企业，随着高压共轨喷射、增压中冷技术、废弃再循环等技术的运用，国内某些最新柴油机产品排放水准甚至能达到欧洲的最高排放标准。 2 整体设计方案 2.1原始参数 1) 所选柴油机：S195柴油机; 2) 燃烧室类型：涡流式； 3) 气缸数目Z：1; 4) 柴油机冲程数t : 4; 5) 气缸直径D: 95mm； 6) 活塞行程S: 115mm； 7) 排量： 0.815L; 8) 标定功率 Ne :
10、 8.8kw (12PS)； 9) 标定转速： 2000 rpm; 10) 怠速转速： <800 rpm； 11) 压缩比s: 20; 12) 冷却方式：水冷； 13) 净质量： 145kg; 14) 润滑方式：压力润滑+飞溅润滑； 15) 启动方式：电启动； 16) 最高爆发压力pz: 75kgf /cm2 ； 17) 压力上升比：1.50 18) 平均有效压力pc：6.78 kgf/cm2 19) 最高燃烧温度: 2230 K 2.2 活塞组总体设计方案 2.2.1对活塞头部进行结构尺寸设计 活塞头部这一块区域主要由顶部和环带部两个小区域组成，作用很简洁就是，承受高温高压燃气压力，然
11、后通过活塞销座把运动从连杆小头传递到连杆大头，推动曲轴转动，实现动力输出。同时活塞头部还与汽缸盖、汽缸壁三者共同组成燃烧室，活塞环一起打协作保证气缸气密性。因此，在设计柴油机活塞头部时要特殊关注以下几个方面：其一：所选择制作活塞头部的材料肯定要具有充分的强度与刚度，防止头部因应力集中开裂或者明显的变形，因为头部的变形最终会导致活塞环槽的空间受到压缩， 活塞环的空间变小受到挤压，破化了活塞环的正常工作；其二：肯定要减小头部的最高温度，同时温差梯度要匀称，一头温度高一头温度低就会形成大的热应力以及热变形，引起头部疲惫损伤，严峻时能导致热疲惫开裂，不好的地方能避开的尽量去避开，活塞环嘛，也须要一个好
12、的工作条件；其三：在保证活塞头部有足够的强度及刚度的状况下结构尽可能灵巧，尺寸尽可能紧凑，因为头部对压缩高度的影响还是蛮大的，比如说头部尺寸缩小量最大甚至能达到压缩高度尺寸缩短的两倍，同时还能显著减小活塞重量，降低活塞往复惯性质量。 2.2.2活塞环 为保证机构具有足够气密性，本次社稷的活塞环准备设计成四道，准备设计三道气环，一道油环。第一道活塞环准备运用梯形环，材料预选用球墨铸铁，表面镀多孔性铬，活塞寿命长。其次、三道活塞环准备运用锥形环，材料为灰铸铁，表面压力高，有利于磨合密封，布油效果也好。第四道是油环，运用弹簧膨胀环，选用优质钢，质量小，基础比压高，回油通路大刮油实力强。 2.2.3活
13、塞裙部 活塞裙部指的是活塞油环槽以下的部分9。当活塞受到气压力下行，受凸轮惯性力上行时，主要靠裙部起导向作用，在这个过程中由于连杆快速摇摆，导致气缸壁会给裙部一个气体侧压力。所以设计裙部时应留意以下几点，第一务必要保证活塞能够以最小摩擦往复运动的同时能得到正确的导向，同时具有足够大实际承压面积，减小来自气缸壁的侧应力冲击；其次裙部表面要有足够厚的润滑油膜，既不因间隙过小而导致活塞卡住拉伤，造成拉毛，也不因间隙过大发生敲缸，引起噪音和加速磨损。为了避开出现拉毛现象，在活塞裙部与气缸之间必需留有适当的间隙。由于活塞头部距离高温燃气最近，导致活塞外表面上下温度分布很不匀称，活塞顶温度最高可达两百甚至
14、五百度，所以环带温度梯度要比裙部更明显，在设计时应多加考虑如何加速塞头部流向裙部的热量，使活塞头部快速冷却；把活塞外圆面制成有不同锥度的圆锥面，尽最大的努力缩小活塞裙部膨胀；活塞裙部形态要与活塞本身的温度改变相对应起来、还要和裙部壁厚薄厚度等对应起来10。翻了一下柴油机设计手册这本书，对于共晶硅铝合金活塞顶部间隙0、垂直销孔方向裙部间隙的举荐值为： 0D=0.006,D=0.0014 2.3连杆组设计方案 连杆组事实上就是住在活塞组和曲轴组中间，起到一个纽带桥梁的作用，一方面连杆小头与活塞携手做往复运动，另一方面连杆大头和曲柄销联合起来，做旋转运动，在这个将往复运动转变为旋转运动这个过程中，连
15、杆本身会做一个困难的平面运动，此时连杆不仅要承受往复惯性力与气压力联合拉压疲惫交变载荷，同时也会由于连杆受力不均时引起的横向弯曲载荷以及与衬套轴过盈压入时的装配静载荷，要想结构灵巧，还想有足够的刚度强度，依据发送机制造工厂的老师傅举荐，这次设计预选中碳结构钢 2.3.1连杆小头 由于薄壁圆环结构简洁，制造便利，材料利用率高，常用于工厂中大批量生产，所以在小头设计中优先考虑薄壁圆环结构。小头到杆身的过度为单圆弧过渡，小头和活塞销座之间要保留肯定间隙，可以弥补温度上升时材料热膨胀系数不一样时引起零件之间装配关系的改变，小头要有足够的承压面积减小单位面积上所承受的应力，运用耐磨连杆衬套减小活塞销对小
16、头的磨损。两者之间采纳过盈协作，并在小头上面开机集油孔，利用从曲轴箱飞溅来的油雾来进行润滑，同时还能把热量带走，起到降温作用。 2.3.2连杆杆身预设计方案 连杆杆身在连杆组这个小家庭里面起到一个顶梁柱的作用，做功行程时连杆小头像它的肩膀扛着来自活塞的气体压力，引起连身压缩，同时在吸气行程时大头就像腿陷在了往复惯性这个泥塘里拉伸，连杆杆身采纳工字形截面，这种截面对材料的利用最为合理，对于中高速柴油机，截面平均高度和气缸直径的比值一般取值范围在0.30.4，截面高宽比取值略大，一般取值范围在1.4-1.8，平均截面积和活塞面积之比在0.03-0.05，在对杆身进行校核时，主要考虑拉压交变载荷所产
17、生的应力。 2.3.3连杆大头 为了保持运动连续性，连杆大头盖的尺寸参数连杆大头的尺寸参数要保持一样，一般对于四冲程发动机连杆大头盖可运用加强筋结构来减小惯性载荷所造成的影响，为了保证连杆大头能通过气缸，螺钉的中心线尽量向轴瓦靠近，为了能在连杆体通过气缸的同时增大曲柄销直径，把连杆大头的剖分面做成斜切口，斜切口还能减小连杆螺钉所承受的拉伸负荷。斜切口也有不足之处，如连杆只能运用螺钉或者螺柱连接，不能运用螺栓连接，会增加连个螺钉之间的距离，减弱了连杆体，连杆螺钉还要承受剪切力，综合考虑，斜切口的斜角一般在300-600。 2.3 柴油机动力计算 2.3.1已知原始数据 活塞面积FP=D24=78
18、.65cm2 曲柄半径与连杆长度比； 曲轴旋转角速度 ; 活塞平均速度； 2.3.2 活塞头部运动分析 (1)各个运动参数的计算公式如下： 活塞位移： 活塞速度： 活塞加速度： 连杆摆角： 详细计算结果见图2.1，活塞1个循环内的运动规律见表2.1。 活塞运动规律的曲线见图2.2。 图2.1曲柄连杆机构简图 表2.1柴油机活塞运动规律表 曲轴转角 连杆摆角 位移m 速度ms 加速度ms2 0 0.00 0.00 0.00 3230.02 10 2.64 1.22 2.37 3219.64 20 5.73 4.28 520 2920.10 30 7.91 9.70 7.51 2543.21 40
19、 10.20 16.74 9.39 2063.06 50 12.11 25.21 10.88 1509.39 60 13.72 34.74 11.89 920.73 70 14.91 44.90 12.41 335.42 80 15.64 55.29 12.50 -210.98 90 15.90 65.49 12.10 -695.01 100 15.70 75.32 11.29 -1092.81 110 14.20 84.32 10.30 -1400.12 120 13.82 92.30 9.10 -1625.11 130 12.22 100.12 7.75 -1760.21 360 0.00
20、 0.00 0.00 3230.04 350 -2.73 1.11 -2.66 3149.64 340 -5.37 4.39 -5.19 2914.68 330 -7.87 9.68 -7.47 2543.17 320 -10.14 16.73 -9.39 2063.06 310 -12.11 25.21 -10.88 1509.39 300 -13.72 34.74 -11.89 920.73 290 -14.91 44.90 -12.41 335.42 280 -15.64 55.29 -12.46 -212.09 270 -15.89 65.53 -12.08 -694.29 260 -
21、15.64 75.26 -11.33 -1092.75 250 -14.91 84.24 -10.28 -1399.13 240 -13.72 92.24 -9.03 -1615.02 230 -12.11 99.13 -7.62 -1750.51 220 -10.14 104.83 -6.13 -1821.94 210 -7.87 109.27 -4.61 -1848.88 200 -5.37 112.46 -3.07 -1850.97 190 -2.73 114.36 -1.53 -1844.81 180 0.00 115.00 0.00 -1841.5 170 2.81 114.41 1
22、.61 -1845.18 160 5.51 111.50 2.99 -1851.00 150 7.90 110.11 4.59 -1849.11 140 10.21 104.90 6.21 -1822.00 130 12.22 100.12 7.75 -1760.21 120 13.82 92.30 9.10 -1625.11 110 14.20 84.32 10.30 -1400.12 100 15.70 75.32 11.29 -1092.81 90 15.90 65.49 12.10 -695.01 80 15.64 55.29 12.50 -210.98 70 14.91 44.90
23、12.41 335.42 60 13.72 34.74 11.89 920.73 50 12.11 25.21 10.88 1509.39 40 10.20 16.74 9.39 2063.06 30 7.91 9.70 7.51 2543.21 20 5.73 4.28 520 2920.10 10 2.64 1.22 2.37 3219.64 0 0.00 0.00 0.00 3230.02 曲轴转角 连杆摆角 位移m 速度ms 加速度ms2 140 10.21 104.90 6.21 -1822.00 150 7.90 110.11 4.59 -1849.11 160 5.51 111.
24、50 2.99 -1851.00 170 2.81 114.41 1.61 -1845.18 180 0.00 115.00 0.00 -1841.5 190 -2.73 114.36 -1.53 -1844.81 200 -5.37 112.46 -3.07 -1850.97 210 -7.87 109.27 -4.61 -1848.88 220 -10.14 104.83 -6.13 -1821.94 230 -12.11 99.13 -7.62 -1750.51 240 -13.72 92.24 -9.03 -1615.02 250 -14.91 84.24 -10.28 -1399.1
25、3 260 -15.64 75.26 -11.33 -1092.75 270 -15.89 65.53 -12.08 -694.29 280 -15.64 55.29 -12.46 -212.09 290 -14.91 44.90 -12.41 335.42 300 -13.72 34.74 -11.89 920.73 310 -12.11 25.21 -10.88 1509.39 320 -10.14 16.73 -9.39 2063.06 330 -7.87 9.68 -7.47 2543.17 340 -5.37 4.39 -5.19 2914.68 350 -2.73 1.11 -2.
26、66 3149.64 360 0.00 0.00 0.00 3230.04 图2.2 S195柴油机活塞运动规律曲线 2.3.3质量换算 往复运动质量mj 试验室拆卸测得195发动机活塞组实际总重G0=1.36kg。包括活塞重0.9kg，活塞销重0.36kg，油环重0.03kg，气环重0.065kg，挡圈重0.005kg，。 连杆组质量换算：195连杆组拆卸测得实际重量GC=2.315kg。包括连杆体1.89kg，连杆螺钉0.124kg，连杆轴瓦0.11kg。依据称重法原理得到，连杆体实际重量安排取值为0.600 : 1.293。所以Gca=1.293+0.11+0.124+0.008=1.5
27、35kg,mj=mp+mca=1g1.36+0.6=0.2005 (kg.s2m),mj=mjFP=0.200570.88=0.00283(0.00283kgs2mcm2) 旋转运动质量mr2.3曲柄质量换算图 因为曲柄臂以椭圆曲轴旋转中心为对称中心，见图2.3，所以只用考虑椭圆部分质量换算 曲柄部分重量及其重心至曲轴旋转中心线距离计算如下： G=0.71kg,=7.6cm G=0.108kg,=7.5cm G=0.563kg,=5.7cm 其中部分表示平衡块，即Gb=0.71kg,=7.6cm 所以Gb=G-GR =0.5635.7-0.1087.525.75=0.276kg mr=md+m
28、cb=1g0.276+1.535=0.1847kg.s2m 2.4本章小结 本章对活塞头部、活塞环活塞裙部，连杆小头，连杆杆身，连杆大头等主要零部件进行了在正式具体设计计算之前制定了一个也许方向，并对话塞进行了动力计算和运动规律的探讨 3活塞组个零部件结构和尺寸的设计 3.1 对于活塞结构和尺寸设计 活塞组由活塞、活塞销和活塞环以及弹性挡圈组成,顶部与高温高压腐蚀性燃气接触，高速运动时活塞表面和汽缸壁不断摩擦，冷却润滑困难，是内燃机中工作环境最为恶劣的组件。活塞组的工作状态越好，内燃机的运用寿命更长。 3.1.1工作环境 1、高压环境下-冲击性机械负荷高 柴油机在工作时,在压缩上止点旁边活塞顶
29、部受到最大爆发压力，产生很大的机械负荷。可能出现活塞销断裂，环岸断裂以及活塞卡环卡死断裂。把活塞设计成合理的结构形态来适应高压冲击性负荷，削减应力集中，保证活塞能正常工作。 2、高温环境下-热负荷大 活塞在气缸内工作时，活塞顶部和熊熊燃烧的火焰接触，燃气瞬间最高温度能达到。由于处在高温密闭导热不良的工作环境，沿轴线各部分的温度改变极大，简单积累热应力，给活塞表面变心甚至开裂埋下了不良隐患 3高速环境下剧烈摩擦 本次设计的柴油发送机规划短轴连杆发动机一类，在工作时产生的侧向力比长轴连杆发动机大许多，加剧了侧向拍击引起裙部变形，甚至缸套振动造成缸套腐蚀，与此同时活塞环以极高的上下行速度紧贴汽缸壁运
30、动，原本活塞和汽缸壁之间的协作间隙就小难以润滑，简单加活剧塞表面与气缸壁表面之间磨损。 4、活塞组设计要求 （1）选择受热膨胀量小、耐磨、稳定性导热性好、较高的屈服强度 （2）重量轻任何状况下活塞都能和缸套保持最佳协作； （3）保证燃烧室气密性好，削减活塞组的摩擦同时不发生窜气、窜油现象； （4）有合理的形态和壁厚，保证活塞有足够强度和刚度，避开应力集中； （5）活塞吸热实力差导热实力好，保证头部汲取的热量能够顺当地散走； 3.1.2 活塞的材料 在发动机中，灰铸铁由于耐磨耐热性好、廉价等缘由，很早之前就起先大范围运用。但是近年来，人们对于发动机动力要求不断增加，越来越期盼高转速高压缩比发动机
31、由于对发动机要求不断提高，材料密度小质量轻和导热性好的铝合金活塞渐渐占据了灰铸铁活塞的市场。 铝合金活塞相对于灰铸铁活塞材料性能要高，在比重上铝合金比灰铸铁小许多，比灰铸铁活塞小的三分之二，结构重量要比铸铁活塞要青百分之四十左右，但是铝合金导热系数要比铸铁的导热系数大三到四倍，所以其导热性好惯性力也小，可使活塞快速散热。铝合金也有不足之处，受热时硬度和强度会大幅度下降，同时膨胀量却大幅度增加，经常在铝合金活塞中适量加入其它合金元素改善活塞整体性能 综合考虑，活塞选用铝合金中添加硅元素也就是人们常说的共晶铝硅合金。 3.1.3 头部尺寸设计 1、确定压缩高度 压缩高度是由顶岸高度、环带高度和上裙
32、高度组成的，设计时总的原则是在保证活塞能正常工作的前提下，尽量缩短顶岸高度，环带高度和上群高度这三部分的尺寸，尺寸愈小，往复运动质量越低，同时也能够使得发送机布局更紧凑 （1）计算火力岸高度 火力岸高度即第一气环上表面到活塞顶部燃烧室边缘的尺寸高度。火力岸高度选择要遵守以下原则：第一：气环槽要布置在顶部厚度的下方；其次：第一环工作温度不超过允许极限温度，避开第一环出现弹性松弛、粘结等问题；因此满意上述选取条件的基础上顶岸高度取的越小越好。一般柴油机h1=0.070.2D，也就是活塞直径的意思，该发动机的活塞直径D=95mm，所以顶岸高度取值为： （2）计算环带高度值 对于小型中速柴油机机，一般
33、气环高b可取范围在24mm，油环高b可取范围在46mm。环槽高度能取多小值就取多小值高度高了惯性灵力大，取小值可以减小活塞环惯性力对环槽侧面撞击，能够提高环槽运用寿命。 本次设计的单缸柴油机活塞设计采纳四道活塞环。气环高取b1=b2=b3=2.5mm，油环高b4=5mm 环岸的高度，必需保证受到最大燃气压力作用时不会破坏。其次、三环第四环不不像第一环那样与燃气干脆接触，所以这几个环的环岸负荷要比第一环的环岸要小许多许多，只有当在第一环岸遭到破坏时，余下环岸才有被破坏的可能。因此，在设计之前就要给第一环岸预先留出较大高度，其它环岸可以取较小值。依据柴油机设计手册，c1=0.0350.04D，c2
34、=c3=(12)b1，柴油机取值接近上限。 则 c1=o.o37D=3.5mm， c2=c3=1b1=13=3mm。 因此，环带高度h2=b1+b2+b3+c1+c2+c3=24.5mm。 （3）上裙高度的计算 上裙高度h3即活塞销轴线与油环槽之间的的距离。由于油环和油环槽在设计时所设计的装配间隙特别小的，因为可以减小惯性力冲击，原来活塞开槽槽跟就会出现应力集中，油环槽厚度原来就不是特殊厚，要是还受到机械载荷猛烈冲击的话，环槽就简单变形时，导致间隙变小，槽上下两个面就会夹住油环导致工作失效。所以在设计上裙高度时，油环槽的位置应当布置在活塞销座外径之上，并且保证销座的强度不会对油环正常工作造成影
35、响。 综合火力岸高度、环带高度以及上群高度，可以确定活塞的上群高度。依据设计手册，对于柴油机H1=0.60.8D，所以 H1=0.63D=0.6395=60mm 则 h3=H1-h1-h2=60-14-24.5=21.5mm。 2、对活塞顶厚度经行计算和环带断面进行计算 （1）活塞顶厚度计算 活塞顶的形态主要取决于燃烧室的选择和设计14。由于S195 0.815L发动机为高压缩比发动机=20，同时其燃烧室结构为涡流式结构，为了使燃烧室中空气和燃料充分混合，活塞顶制成w形。依据柴油机设计手册，活塞顶部最小厚度，柴油机为=0.10.2D，取=0.15D=0.1595=14mm。活塞顶部所汲取的热量
36、，主要通过活塞环传递给汽缸壁从冷去水套导出。为了加愉快塞顶部热量的散出，减小第一环收到的热应力，在设计时把活塞顶厚度应从活塞中心面到燃烧室边缘渐渐加厚，并过渡圆角设计的足够大， （2）环带断面设计计算 在塞环岸旁边全部锐边都要开适量的倒角，削减第一环所受热量。环岸和汽缸壁的间隙不能太小，太小会造成活塞卡住过热，间隙又不能太否则将会导致活塞环失去密封作用，所以要选择活塞环与环槽之间有一个恰当的的协作间隙，削减应力集中，保证活塞环能在环槽中正常工作。一般该倒角为，槽底圆角通常限制在0.20.5个毫米。 （3）环岸尺寸设计及环槽的设计计算 为了保证活塞及活塞环之间的协作能长时间处于正常工作状态，要对
37、环岸和活塞槽间隙进行具体设计，侧间太大，则会加剧活塞环对环槽的冲击，太小简单导致活塞简单黏着失去密封作用，气环槽下平面应垂直于活塞轴线，防止机油上窜。活塞环侧隙在不产生猛烈冲击和黏着卡死状况下尽量取小值，依据柴油机制造手册，第一环与环槽侧隙一般取0.05到0.1个毫米，二、三环热应力小，取值可以适当小些，为0.03到0.07个毫米，油环取值可以更小，有利于削减应力集中给活塞一个稳定的工作环境延长运用寿命还可以减小机油消耗，油环槽侧隙中必需匀称布置回油孔，可以削减机油损耗，降低局部温度，四道环的开口间隙、侧隙祥见表2.1 为了让活塞有较高的抗粘性，气环和油环的背隙取值相对于其它间隙来说要去的比较
38、大，减小活塞环与活塞槽底圆角出现干涉的几率。气环背隙可取0.5毫米，油环的背隙取值则更大些，详细分析见图3.1。 （4）对活塞环岸强度校核 在膨胀上止点，柴油和空气混合瞬间被压燃，在燃气爆发压力作用下，气环死死的压着环岸，环岸上压力比下压力大得多，导致岸根出现较大的弯曲和剪切应力，造成环岸根部裂开。依据柴油机设计手册，当气缸出现最高爆发压力时，见图2.2 已知=7.5，则p1=0.97.5=6.75，p2=0.27.5=1.5， 图3.1 环与环槽之间的协作间隙 图3.2环岸受力分析 环岸固定面比较困难，难以计算出应力的精确值。一般状况下，可假定岸根直径，环槽深为： t=0.08D=0.089
39、5=7.7mm 作用在活塞环岸根的弯矩计算 （3.1） 活塞环岸根部断面的抗弯断面系数计算： 活塞环岸根部危急断面弯曲应力计算： （3.2） 同理计算剪切应力： （3.3） 因此合成应力等于： （3.4） 因为硅铝合金的许用应力=300400，所以校核合格。 3.1.4 活塞裙部设计计算 （3.5） 式中的意思是指椭圆长轴，就是椭圆短轴的意思，见图3.3。 依据柴油机设计手册，当缸径小于时，活塞裙部椭圆度的取值通常在=0.251.45mm。取=1mm = 一般高速柴油机裙部比压58 图3.3 活塞销裙部的椭圆形态 活塞冷却方式依据据活塞比功率选取 其值小于 无油冷方式的上限值 0.3 ，因此无
40、需对话塞进行冷却处理。 3.2 活塞销设计计算 3.2.1 话塞销的尺寸计算、对进行材料选用 1、话塞销的结构设计以及尺寸计算 空心圆柱体的相对于实心体来说质量很轻，可以削减往复惯性质量，同时有足够的承压面积足够大，表面光滑圆润，压强小，应力集中不明显，实际安装到活塞上时采纳偏心布置，缩小热膨胀时带来的误差。活塞销、活塞销座、衬套孔三者之间的连接协作方式选用“全浮式”协作。采纳圆形形弹性挡圈定位，防止活塞轴向串动，弹性挡圈按GB893.1-1986选用，销座采纳宽体整体支撑筋式，并对销孔加以润滑 据柴油机设计手册，活塞销的外径d1=0.310.40D，取d1=0.37D=35mm，内径d2=0
41、.450.65d1,取d2=0.57d1=20mm,活塞销长度，L=0.80.9D,取L=0.8D=80mm，一般状况下当外径为35毫米时，活塞销和销座的协作间隙取5m 2、活塞销的材料 由于活塞销自身和连杆小头以及活塞串联起来，在工作时受到各种冲击载荷，过盈装配时使得摩擦更加猛烈，径向变形不协调油膜难以形成润滑条件差，所以优先选择耐磨、韧性高、抗冲击性好，综合考虑活塞销材料选用含碳量为百分之二十的低碳镉合金钢， 同时渗碳处理，进一步提高其强度 3.2.2 活塞销强度计算以及刚度计算 图3.4活塞销的计算简图 1、弯曲变形计算f f=160pzD2a2(2a-b)E(d4-do4) (3.6)
42、 =160759.525.8225.8-3.32.21063.54-24 =1.0710-4cm f<f=1.4310-4cm,校核合格 2、椭圆变形d d=pzD2d+d03EId-d03 (3.7) =5.9310-3cm d<d= 13.710-5cm,校核合格 3、纵向弯曲应力1 1=（2a-b）pzD2dd4-d04 (3.8) =1467kgf/cm2 1<1=35005000kgf/cm2,校核合格 4、横向弯曲应力2 2=316pzd2D(d+d0)I（d-d0）2 (3.9) =1219kgf/cm2 2<2=35005000kgf/cm2,校核合格
43、总应力=12+22=1907kgf/cm2,<=35005000kgf/cm2,所以校核合格 3.3 话塞销座设计计算 3.3.1对结构进行设计 话塞销座的作用是支承活塞，与活塞销一起组成一队摩擦副传递运动及动力，工作时受到周期性气体压力和销座以上活塞惯性力；销座要有足够的刚度和强度来应对活塞销的变形，在受到特殊大的应力不得不变形甚至是断裂时，结构强度和刚度要比活塞销的大，让活塞稍先损坏，爱护销座，因为销座和活塞是一体的，更换过程困难，更换成本也比更换话塞销成本高。销座的内径d0=22mm，查柴油机设计手册，活塞销座外径通常比内径大1.41.6倍17。取d=1.5d0=33mm,话塞销沿径向方向的弯曲变形量肉眼看上去越不明显，证明设计出来的销座系统牢靠性就越好，两者之间是一个正比关系。依据柴油机设计手册，连杆小头与活塞销座之间的间隙限制在45mm，假如制造机器越先进，技术工人制造水平够高时，两边取23mm就可以了，综合考虑两边取间隙为3mm。 3.3.2 验算销座比压力 计算活塞销座比压力结果为： =21N （3.10） 柴油机活塞销许用比压力 3.4活塞环的结构及选型设计 参考195单缸柴油机，话塞选用四道话塞环，前三环为气环，最终一个为油环。 第一道气环选用梯形环，梯形的意思就是把活塞环切断，视察到此时的话塞环的截面为梯形材料选用球墨