活塞加工及金属模设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 页 共 43 页 摘要 汽车发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。油气燃烧所产生的热由活塞的顶部所吸收，并传至气缸壁，而燃烧后气体膨胀所产生的力量也必须经由活塞来吸收，活塞会把燃烧气体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆的作用将活塞的线性往复运动转换曲轴的旋转运动。 活塞的功用是承受气体压力，井通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞项部还是燃烧室的组成部分。活塞在高温、高压、高速、润 滑不良的条件下 1二作。活塞在气缸内以很高的速度往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件 卜工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。现代的活塞设计主要有铸造和锻造两种，而铸造又比锻造简单便宜，但却不及锻造活塞能承受较大的热度和压力。由 于 活塞与活塞环都必须在高温、高压、高速及临界润滑的状态 卜工作，因此长期以来，发动机设计者都为提供一个最佳的设计而不断努力，进而可以从活塞方而来提高引擎的性能。 本文以捷 达 油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。 首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。一再次，应用三维 件 :立了曲柄连杆机构各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用 软件的装配功能 ，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后利用 软件的机构分析模块 (建立曲柄连杆 机 构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟，研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基木一致，文章介绍的仿真方法为 活塞组的结构， 优化设计提供了一种新思路。 关键词 : 活塞 气缸盖 燃烧室 曲轴 惯性力 附加载荷 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 共 43 页 he of is of in it a a to of of of to by to to of of of to of of to to a to to a of a a is in at to of a is to to to in to be to of in of to to of a of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 页 共 43 页 目录 摘要 1 2 第一章 活塞的运行原理和工作条件 3 活塞的运行原理 3 活塞的机械负荷 3 活塞的热负 荷 3 磨损强烈 3 第二章 汽油机结构参数得选取 4 汽缸 直径的确定 4 转速 n 的确定 4 汽缸工作容积与升功率 4 缸心距的确定 5 压缩比与燃烧室容积 容积 5 第三章 活塞组的设计 6 活塞组的 设计要求 6 活塞的材料 6 活塞各部分尺寸 7 活塞总尺寸 13 第四章 活塞加工 15 第五章 活塞铸造方式的选取及优缺点 16 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4 页 共 43 页 铸造 方式的比较 16 铝合金的铸造方式的选取及优缺点 17 第六章 金属型的设计 18 冒口的设计 18 浇注系统的设计 20 金属型的设计 21 金属型芯的设计 26 总结 28 参考文献 29 英文技术资料及其翻译 30 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5 页 共 43 页 第一章 活塞的运行原理和工作条件 活塞的运行原理 汽车发动机的活塞是发动机的重要配件之一，它与活塞环，活塞销等零件组成活塞组，与汽缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。油气燃烧所产生的热由活塞的顶部所吸收，活塞会把燃烧气 体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆的作用将活塞的线性往复运动转换成曲轴的旋转运动。 活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。 活塞的机械负荷 在发动机的工作中，活塞承受的机械载荷包括周期变化的气体压力、往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。在机械在和的作用下，活塞各部位承受各种不同的压力：活塞顶部动态弯曲应力；活塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。此外，在环槽部及裙部还有较大的磨损。 为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有适合的 壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度的前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过度要圆滑，以减少应力集中。 活塞的热负荷 活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬间高温燃气的作用，燃气的最高温度可达 2000 2500。因而活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，而且温度分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正式这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用。 磨损强烈 发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，同时，活塞在汽缸中的告诉往复运动，活塞组与汽缸表面之间会 产生强烈磨损，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6 页 共 43 页 第二章 汽油机结构参数的选取 汽缸直径的确定 根据设计任务书所提供的设计条件 : 所一要设计的宇气油发动机的排量为 平均有效压力： p=寨平均速度： 此金属型的工作温度必然升高，所以，每浇一次，就需要将金属型打开，停放一段时一间，待冷至规定温度时再浇。如靠自然冷却，需要时间较长，会降低生产率，因此常采用强制冷却的方法。冷却的方式一般有以下几种。 (1)风冷在金属型外围吹风冷却，强化对流散热，其冷却效果与金属型外边的散热而积有关。散热而积大，冷却效果好，故可在金属型背而铸出散热片或散热针。与没有散热片和散热针的金属型比较，冷却效果 提高 20%30%。如果采用密封风冷，即通压缩空气强制对流，其效果就更好。风冷方式的金属型，虽然结构简单，容易制造，成本低，但冷却效果不十分理想。 (2)间接水冷在金属型背而或某一局部，镶铸水套，其冷却效果比风冷好，适用于浇注铜件或可锻铸铁件。但对浇注薄壁灰铁铸件或球铁铸件，激烈冷却会增加铸件的白口缺陷。为防止金属型在背面强烈冷却时所产生的应力或裂纹，一般在水套与型壁之间镶铸异热性好的材料。 (3)直接水冷在金属型的背而或局部直接制出水套，在水套内进行冷却，这主要用于浇注钢件或其他合金铸件，铸型要求 强烈冷却的部位。由于向型壁直接喷水，很快将热量带走，冷却效果很好。由于直接冷却，金属型产生的热应力大，故不宜用易裂材料 (铸铁 )制作，一般用碳钢或合金钢制造金属型，因此成本高，只适用于大批量生产。 金属型芯的设计 设计为组合型芯 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 29 页 共 43 页 由两侧的单型芯和中间芯组成，方便从毛柸中取出型芯。 中间芯宽 18，单型芯底部宽 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 30 页 共 43 页 总结 通过为期十四周的毕业设计，使我收获了很多东西。不但学到了很多有用的知识，还学到很多从书本上无法学习到的东西，像编程经验、调错能力、理论与实际相结合、独立动手能力 等等，既开阔了视野，增长了知识，又锻炼了自己，同时也认识到了自己的不足。通过一段时间的努力终一于克服了困难，拿出了自己的作品。发现知识的增长果然是个艰苦的过程。 指导老师周里群老师给予了我悉心的指导，在整个毕业设计的过程中，周老师从方方而而都给予帮助和支持。从毕业设计任务的提出到最终论文的审阅批改，在每一细节上，周老师都细心的指异，设计中遇到的许多问题，也是在周老师的帮助下得以解决，使我的毕业设计能够顺利完成。在此表示衷心的感谢。 周老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样 ;他 们循循善诱的教异和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。同时也非常感谢的几位同学，他们同样给予了我很大的帮助。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 31 页 共 43 页 参考文献 1机械工业出版社， 1982 2国防工业出版社， 1976 3机械工业出版社， 2001 4中国铁道出版社， 2002 5热加工手册 北京工业大学出版社， 2002 6铸造技术数据手册 机械工业出版社， 1993 7建华 品设计实例精解 机械工业出版社，2004. 8铸造工艺学 机械工业出版社， 1985 9铸造技术数据手册 机械工业出版社， 1993 10汉明 践与提高 重庆大学出版社， 2001 11圣国 北京 :高等教育出版社， 2003 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 32 页 共 43 页 附录：英文技术资料及其翻译 汽车发动机活塞材质的选取及发展趋势 活塞 被称为发动机的心脏。它是发动机中最重要的零件之一。其功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。在发动机工作时，活塞直接与瞬时温度 2200摄氏度的高温气体接触，其顶部温度达 3008，且温度分布不均匀 ;在做功行程时活寨顶部承受着很大的气体压力，汽油机达 4油机高达 8甚至更高 ;此外，活塞在气缸内往复运动线速度可达， 6m/s;在这种恶劣的条件下工作。活塞承受着高温、高压的热负荷和机械负荷。因此活塞作为汽车发动机中传递能量的一个非常重要的构件，对其材料具 有特殊的要求 :密度小、质量轻、热传导性好、热膨胀系数小 ;并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好。另外还应具有容易制造、成本低廉的特点。伴随着汽车发动机的不断发展与进步，人们对活塞材料的研究与应用也取得了长足的发展。 铝合金活塞材料的发展应用概况 世界上最旱的汽车发动机活塞是铸铁的。 1911 年，铝合金材料以其质轻、良好热传导性以及较低的热膨胀系数等特点的得到人们的关注并开始用于制造活塞。 1920 年一种 合金正式成功地应用于汽车发动机活寨，从而证明了铸造铝合金作者简介 : 1、 该系合金于 1920 年开始就在英国得到应用。其典型合金代号有 )、 )、 )。该类合金的优点是良好的高温强度、导热性、延伸率及耐磨性 ;但囚其线膨胀系数和密度较大，铸造性能差且含有较多贵重金属价格较贵而被淘汰。 2、 这类合金的优点是 :由于含有一定量的硅，铸造性能较好，切削加工性能一也有所改善 ;在常温和高温下均有较好的机械、物理性能。在 70年代之前，该类合金曾是前苏联等国应用最广泛的一种材料，我国的解放牌 典型合金代号有 )、 )、 )。该类合金的缺点是 :线膨胀系数较大，因含有较多的 以体积稳定性不好，会产生永久性“长大”现象引起活塞“咬缸”，所以国内现已停止使用这类材料。 3、 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 33 页 共 43 页 由于 熏小，耐磨性好，铸造性能好等一系列优点而成为应用于现代发动机活塞制造最广泛的材料。这类合金按含 的高低可分为共 (业 )晶型和过共晶型两大类。 4、共晶 (亚共晶 )型 国内外轻、巾型汽车汽、柴油发动机以及轿车发动机活塞大多采用了共晶 (亚共晶 )型 金。具有代表性的共晶 (亚共晶 )型 金活塞材料的牌号及化学成分见表 1。该类合金含 13%，为了提高合金的室温及高温性能在其中加入了 合金元素进行多元合金化。表 2 所列为共晶 (亚共晶 )型 合金中的 提高合金的常温及高温强度，改善合金切削加工性能及表面光洁度 ;但 裂倾向增大，耐蚀性降低， 铸造性能变坏，同时还使合金成本增加。囚而作为活塞用的 别是与 入量过多时易在晶界上形成脆性相，反而降低了合金强度。另外 可能造成铸件夹渣，所以 加入量一般控制在 国内厂家多控制在 间。 以提高合金的热稳定性、高温持久强度和使度，同时还闺一以减少杂质元素对铁的危害。但加入过多的 形成粗大脆性 化合物，反而降低合金强度。 %以下。 国外资料认为。 含有 不合 积稳定性好。这对活塞这种零件来说是非常有意义的。但近年来的一些试验研究又表明 :加 国内外汽车发动机活塞材料的发展及应用 由于铝硅合金中 %一 8%时，组织中便会出现粗针状共晶硅组织，使合金的机械性能降低。因此，共晶 (亚共晶 )型 晶硅常用的变质元素有 P ，其中国内应用较多的是 变质，效果良好。但 变质有效时间较短。同时还会腐蚀增竭给生产带来不便。较强的变质作用和足够长的变质有效期，但 r 较贵且变质时会增加合金吸气，故目前还不能取代 前，对于共晶型 如 多地采用了磷变质剂以代替 磷变质效果优于 现在在汽车发动机上应用最广泛的 国外著名发动机制造厂 (如 )和国内玉柴、锡柴等发动机制买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 34 页 共 43 页 造厂均采用该材料制造的活塞。 共晶型 随着发动机对功率、扭矩、噪声、排放的要求越来越高，共晶 (亚共晶 )型此，人们把目光投向另一种更为理想的活塞材料 过共晶型 金。这类合金含 高达 17%一 26%，而随着 ，合金的线胀系数减小，耐磨性和体积稳定性相应提高，且合金密度也随之减小，用其制造发动机活塞，可在设计上缩小气缸筒内壁与活塞之问的问隙，从而提高发动机效率 3国外对过共晶型金的研究应用较早，使用范围已从摩托车活塞扩大到载货汽车的活塞上。国内近些年也对该类活塞材料进行了大量的研究，但实际应用的还较少。国内外具有代表性的过共晶 金牌号及化学成分见表 3。表 4 为过共晶型金活寨材料常温和高温性能对比。过共晶型活塞合金按 含量分为三组 :组一为 17%一 19%，组二为 20%一 23%，组三为 24%一 26%。一二组工艺性较好，在实际生产中应用较多 ;第三组由于 晶范围大，铸造工艺性能很差，初晶 保证合金满足活塞性能要求。也在其中加入 g、 等 新型铝合金活塞材料的研究及应用 美国航空航天局 (歇尔空间飞行中心 (位美籍华人科学家发明了一种名为 于制造 置发动机活塞，取得 了十分令人满意效果与经济效益。其特点是 :发动机的噪声大幅度下降，排放的污染显著减少，燃料效率大为提高，使用寿命显著延长，比普通的常规活塞铝合金的强度高 ，生产材料成本比常规合金的低 元/ 260 370仍有令人惊奇的强度。该新型铝合金不但满足汽车工业低排放污染物的要求，而且能满足航天器在高温下有很强的耐腐蚀性的要求。此外，国外许多发动机制造商采用锻造铝合金 2618(于制造各种高级轿车及赛车发动机活塞。图 4 所示为应用于 5为 锻铝活塞。 国内外汽车发动机活塞材料的发展及应用 铝基复合材料的研究及应用 在满足内燃机轻量小型化、可靠性和耐久性的情况下，发动机向着高速、大功率、大压缩比的方向发展，其燃烧室内温度和压力变得更高，以往使用的铝合金已达到或接近使用极限。为此，铝基复合材料活塞的开发近年来受到了高度重视 4美、日及欧洲工业发达国家在这方面已取得了重要进展，并在车用柴油机上迅速得到了推广。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 35 页 共 43 页 1)碳化硅颗粒增强铸铝活塞 粒度为 5量为 5%一 7%的 过特殊处理后用 流变铸造法加入到 中然后挤压铸造成型，可用于活塞的整体或局部增强。该材料的热导率及热膨胀系数各为 0. 32w/(m 和 18)。国内研制的碳化硅颗粒局部增强铝合金活。 塞经上海 50 型拖拉机田间试验证明，第一道环槽导热得到了较大改善，燃烧喉 口得到加强，耐磨性比镶奥氏体铸铁圈的活塞要好，活塞质量也得到了加强。 2)氧化铝、硅酸铝和硼酸铝短纤增强铝合金活塞 (该材料采用陶瓷纤维氧化铝或硅酸铝、硼酸铝短纤维增强基体材料 (一般为共晶性或亚共晶性 的活塞 (，与基体铝合金相比，在 300时的抗拉强度极限提高 20%以上，热膨胀系数降低 15%，导热率降低 25%，而密度基本不变，耐磨性能优异，热稳定性好、具有更好的高温综合性能 6。采用挤压铸造工艺生产的局部增强复合材料活塞，界面结合牢固可靠，成品率高，工艺宽容好，特别适合于经增压、强化的工作条件苛刻的柴油发动机。 目前，硼酸铝单晶纤维团粒化坯体，强化活塞第一道环槽和顶部的二冲程汽油机用铝基复合材料活塞，已经在舷外机和摩托雪橇上得到了应用。国外日本丰田 塞达百万只 ll:国内东南大学 材料学院与跃进集团及南京金陵汽车配件厂合作的 过了 1000小时台架试验 ;与玉柴机器公司、德国马勒 (南京 )公司合作的 已通过一系列试验及技术鉴定并达到批量化生产，迄今已经生产复合材料活塞毛坯 20 万件。形成年产数千万元的复合材料活塞产业，使陶瓷纤维增强铝基复合材料在我国的汽车发动机行业进入了工业应用阶段。 3)国内外其它活塞材料的研究应用 随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压、中冷技术的应用以及大缸径 高压缩比、低排放要求的不断提高。传统铝合金活塞材料已无法满足其使用要求，因而国内外众多活塞材料研究机构和制造商推出了许多新型活塞材料。 钢顶铝裙材料 与铸铝和比，铸钢的机械强度高、耐磨性能好，但加工麻烦，密度大，成本高，对缸套的磨损严重。因此很少全部用铸钢做活塞，而是在一些强化程度高的柴油机上用铸造合金钢 (如 404活塞头部，用铸铝做活塞裙部，从而构成了所谓的钢顶铝裙的组合式活寨。该结构的活塞已经在超长冲程的列的低迷发动机上得到了应用。法国 司制造的重型商用买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 36 页 共 43 页 车用 420 马力 动机也采用了这种结构的活塞。图 6 所示为德国 塞有限公司制造的重型商用车用钢顶铝裙的组合式活塞。 陶瓷材料 陶瓷是各种氧化物、氮化物、碳化物等无机非金属材料的通称。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但织合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。五十铃汽车公司所研制的绝热发动机已运行了 3500h。据介绍，它的活塞是采用 一钢卡环与铸铁裙部连接，头部与裙部之间设置空气隙，并安装一隔热衬垫。这种设计的活塞隔热效果较佳，头部最高温 度为 700，裙部却只有 100 200。但由于陶瓷的性能特点、复杂的制造技术和高成本，要使陶瓷活塞大规模地应用于内燃机，还需要做许多研究工作。 树脂基复合材料 树脂基复合材料作为一种新型的工程材料已广泛应用于国民经济的许多领域，如铸造用的玻璃纤维增强塑料模具和军工用的导弹头锥。美国西密歇根大学采用 30%短切石墨纤维增强聚酞业胺树脂基复合材料 (260下抗拉强度可达102伸率仅为 制造活塞。囚此材料的耐热温度较低，故在活寨顶部等离子喷涂了一层 晶石热障涂层。尔后将 该活塞装在了功率为3 800r/m 的二冲程风冷小型发动机上进行了 1500小时台架试验。尽管活塞顶部出现烧蚀，但该复合材料在制造小型活塞仍具有一定的生命力。 碳及碳纤维增强碳基复合材料 石墨具有自润滑性好、导热率高、耐热性能优良、尺一寸稳定性好、热膨胀系数小、体积密度低等特点。但普通石墨的力学性能不高，使其在活塞材料上一直难于应用。随着等静压成型技术和细结构高强度石噩的发明，综合性能良好的高强度石墨材料在活塞上的应用才真正具有了可能性和现实性。碳纤维增强碳基复合材料除了石墨材料所具有的 一切理化性能外具有最优异的高温性能 在1700 国赛车公司在 2 2小时全负荷性能台架试验中发现碳纤维增强碳基复合材料的活塞明显优于铝合金活寨，且活塞顶面完好无损。其成本分析报告指出 :按年产 25万只碳基复合材料的活塞计算 4美元，如果将年产量扩至 100万只则单只活塞成本可降到 元，而铝合金活塞的单只成本为 6 一 12 美元，由此一可见，碳基复合材料活塞有着广阔的应用前景。 结束语 现代道路交通设施的完善以及物资流通速度的加快促 使汽车工业制造出快速、高效的交通运输工具而对汽车发动机提出了更