活塞结构与加工工艺设计（含全套CAD图纸） .pdf

课程设计任务书 一、设计题目设计题目：活塞结构设计与加工工艺 二二、设计参数、设计参数：五十铃 6120、排量 2.0l、ds 为 120135、转速 1300rmin 顶岸高度 f、活塞销直径 bo、裙长 sl、销座间距 a、总长 gl、 最大爆发压力、活塞销校核 三三、设计要求设计要求： 1 用计算机绘制活塞总装配图一张（a1 图） 、零件图（加工工件）一张（a2 图） 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） 四四、进度安排进度安排： 第一周： 查找课程设计所需要的书籍，资料。 第二周： 对活塞进行尺寸设计计算。 第三周： 强度校核 第四周： 绘图并书写说明书。 第五周： 应用制图软件绘制零件图及装配图并完善课程设计说明书。 五五、总评成绩及评语总评成绩及评语： ： 指导教师 指导教师 签名日期 签名日期 年 年 月月 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 1.3.3 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12 5 活塞的加工工艺14 参考文献：15 课程设计 1 前 前 言言 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。 活塞结构设计与工艺设计 2 1 1 活塞的概述 活塞的概述 1.11.1 活塞的功用及工作条件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。 1.21.2 活塞的材料活塞的材料 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，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。 1.31.3 活塞结构活塞结构 活塞按部位不同，分为顶部，头部和裙部三部分。 1.3.1 1.3.1 活塞顶部活塞顶部 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 课程设计 3 顶和凹顶三种。 1.3.2 1.3.2 活塞头部活塞头部 活塞头部是指由活塞顶部到油环下端面之间的部分。 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 1.3.3 活塞裙部活塞裙部 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。 活塞结构设计与工艺设计 4 2 2 活塞的结构参数活塞的结构参数 发动机选取为 6120 型柴油机，参数设计参照新型铝活塞 活塞缸径 d=120mm （一）压缩高度 kh=80mm （二）顶岸（第一环槽至活塞顶端距离）f=17mm （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 bo=44mm 顶环槽宽为 3mm （五）群长 sl=100mm 下裙长为 65mm （六）销座间距 aa=44mm （七）活塞重量 系数 x=0.91.4 取 x=1.23, 33 1.23 122128 n gxdg = (八)顶部厚度 s=15mm 总长=80+65=145mm 燃烧室 0.6 k d d = 3 k d h = 0.6 12072 k dmm = 24 3 k d hmm = 铝的线性膨胀系数为 6 23.1 10 1 o c 活塞头部的最大温度为 350 摄氏度，所以其变形量为 6 120 23.1 103500.97021 xmmmm = 活塞裙部最大温度为 200 摄氏度，所以其形变量为 6 120 23.1 102000.55440.6 ymmmm = 课程设计 5 3 3 活塞最大爆发压力的计算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 0 0.1013 pmp = 环境温度 0 293 tk = 几何压缩比 21 = 有效压缩比 18.9 = 燃烧过量空气系数 =1.65 参与废弃系数 0.02 r = 参与非其温度 720 r tk = 增压空气压力 0.12135 k pmpa = 最大燃烧压力 6.47265 z pmpa = z 点热利用系数 0.70 z = b 点热利用系数 0.85 b = 燃烧室扫其系数 1.15 s = 燃料质量分数 0.87 c = 0.126 h = 0.004 o = 燃料低 42286.68 u kj h kg = 3.13.1 热力过程计算热力过程计算 充气过程系数 增压器后空气温度： 0 1 1.8 1 1.8 0 0.12135 293318 0.1013 k k n n k k p ttk p = 式中，去增 压器内平均多变压缩指数 3.8 k n = （1） 压缩始点温度 3185 1.11 0.02 720 331 11.02 kkcrr a r ttt tk + + + = + 式中， k t 新气预热度， k t =5k; c -比热修正系数， c =1.11 （2） 压缩始点压力 1.01.0 0.121350.12135 ak ppmpa = （3） 充气系数 118.43640.121351 0.738 11203310.16181 0.02 ka v akr t p t p = + （4） 平均多变压缩指数 ( ) ( ) ( ) 1 1 1 1 1 8.3158.315 1 19.260.0025 374 1 18.4 1 n n n abt = + + （1） 式中，a，b常数，对于空气（忽略残余废气） ，a= 19.26 ，b=0.0025 第一次试算，式（1）等号右端代入 1 n =1.37 , 1 1.968 10.362 5.382 n = 第二次试算，式（1）等号右端代入 1 n =1.369, 1 1.968 10.362 5.382 n = （5） 压缩终点温度 ( ) 1 1 1.362 1 331 18.4950 n ca ttkk = （6） 压缩终点压力 1 1.362 0.1618 18.48.544 n ca ppmpampa = 活塞结构设计与工艺设计 6 （7） 燃料燃烧所需理论空气量 ( ) ( ) 0 110.870.1260.004 =0.495 0.21 124320.2112432 kmol cho l kg =+=+ 空气 燃料 （8） 燃烧所需的实际空气量 ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1.65 0.495/0.817/ llkmolkgkmolkg = 空气 燃料 空气 燃料 （9） 理论分子变化系数 0 0.03690.0639 111.0387 1.65 = += += （10） 实际分子变化系数 0 1.03870.02 1.035 110.02 r r + + = + （11） z 点烧去的燃料质量分数 0.70 0.824 0.85 z z b x = （12） z 点处分子变化系数 0 1 1.0387 1 110.8241.0313 110.02 zz r x = += += + （13） z 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1.0641() 10.064 1.064 0.8240.0220.470.0036 1.6510.020.64 0.824 1.65 10.020.8240.0219.260.0025 1.65 10.020.064 0.824 19.890.00307 zrvrzrv vpmz rz z z z xcxc c x t t t +( +) = ( +)+ + = + + + + =+ 式中， va cabt =+ （14） b 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容 ( ) ( )( ) ( )( )( ) ( ) 1.064(1)(1) 10.064 1.0640.0220.470.00361.65 1 1 0.02 19.260.0025 1.65 1 0.020.064 20.180.00322 rvrv vpmb r bz b cc c tt t + = ( +)+ + = + =+ 式中， va cabt =+ （15） z 点燃烧产物的平均摩尔比定压热容 8.31519.890.003078.315 28.2020.00307 ppmzvpmzz z cct t =+=+ =+ （16） 燃料发热量 课程设计 7 ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1293 42286.680.87 1 0.021.035 20.180.0032 29319.260.0025 293 29342743.34/ uurvpmbv hhlcc kj kg =+ =+ = 燃料 压 力 升高比 6.47256 0.758 8.544 z c p p = （17） cyz 段的燃料燃烧公式，就最大燃烧温度 z t ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 8.3158.315 0.7042743.34 (1) 1.65 0.495 19.260.0025 9288.315 0.758928 0.02 20.180.00323 9288.315 0.758928 1.03131 0.0228.2020.00307 zu vcrvpmb zrppmzz zz h ctct l ct t t + + =+=+ + + =+ 简化后得 80740.06 29.670.0032294 z z t t = + （2） 第一次试算，取式（2）等号右端的 z t = 2000k 得 17020 2234.8 8.15 z tkk = 第二次试算，取式（2）等号右端的 z t =2200k 得 17020 2195.5 8.52 z tkk = 第三次试算，取式（2）等号右端的 z t = 2196k 得 17020 2196 8.52 z tkk = 最后取 2196 z tk = 膨胀过程参数： （18） 初膨胀比 1.035 2196 2.42 0.785 950 z c = （19） 后膨胀比 18.4 7.6 2.42 = （20） 求多变膨胀指数 2 n 及膨胀终点温度 b t ，zb 膨胀线上的后燃公式， ( ) ( ) 2 8.315 1 1 z zb b ubz z vpmzzvpmbb rb tt n h ctct l = + + 活塞结构设计与工艺设计 8 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1.0313 8.3152196 1.0315 1 42743.34 0.850.70 1.0313 4.750.000734219621964.820.0007 0.817 10.02 1.0351.0315 b bb t n t t = + + （3） ( ) 2 182568.315 1 21401.424.820.0007 b bb t n t t = （4） 将式子（3）与式子（4）联立，得 22 11 11.0351 2196 1.03137.6 bz nn z ttk = （5） 第一次试计算，取 b t =2000k 得， 2 1533 10.1117 7100 n = 1757 b t = 第二次试计算，取 b t =2189k 得， 2 1515 10.00325 7070 n = 2189 b t = k 最后取 2189 b tk = 2 1.00325 n = （23） 膨胀终点压力 2 1.00325 6.47265 0.95 7.6 z b n p pmpampa = 3.23.2 柴油机的指示参数柴油机的指示参数 （21） 理论平均指示压力（以有效行程为准） ( ) ( ) 21 11 21 0.003250.362 111 111 111 8.5440.758 2.42111 0.7582.42 111 17.40.003757.61.369 118.4 2.242 c nn p p nn mpa mpa =+ =+ = （22） 实际平均指示压力（以全行程为准） ( ) ( )( ) ( ) ( ) 1 2.242 18.4 10.950.12135 21 18.4 0.98 21 1 2.0346 iba i ppp p mpa + = 1 + = = 课程设计 9 式中， 示功图丰满系数，=0.98 （23） 指示油耗 ( ) ( ) 6 6 12.54 100.871 0.1618 12.54 10 28.9628.96 0.871 318 2.0346 97.69 vk i ki p g g kw h lt p g kw h = = （24） 指示效率 33 3600 103600 10 0.871 97.69 42286.68 i iu g h = （25） 增压器中绝热压缩功 ( ) 1 0 0 0.286 1005.21 0.12135 1005.2 2931 0.1013 42.2078 kk k tks p wt p kj kg kj kg = = = （26） 增压器中绝热效率 ( ) ( ) 1 0.286 0 0.444 1 0 0.12135 1 1 0.1013 0.62 0.12135 1 1 0.1013 kk k ks tks kk k k p p t t p p = = 式中，k-比热容比，k =1.4， 11.41 0.286 1.4 k k = ; k n -多变指数， 1.8 k n = ， 1 1.8 1 0.444 1.8 k k n n = 。 （27） 增压器实际压缩功 42207.83 70.914 0.62 0.96 tks tkp tksmk w wkj kgkj kg = 式中， tks -增压器机械效率， mk =0.96 （28） 增压器的相对作功率 活塞结构设计与工艺设计 10 3 0 70913.7 0.1016 42743.34 100.444 28.96 14.3351.65 1.15 tkp k ui aw h l = 3.33.3 柴油机有效效率柴油机有效效率 （29） 柴油机总机械效率 0.871 0.10160.7694 mek = 式中， 0.871 me = ； k -增压器相对功率； 0.1016 k = 。 （30） 柴油机平均有效压力 2.0346 0.76941.5654 eim ppmpampa = （31） 柴油机有效油耗 ( ) ( ) 97.69 126.97 0.7694 i e m g ggkwhgkwh = （32） 有效功率 0.444 0.76940.342 eim = （33） 活塞形成容积比例尺 200 amm = 代表 s v 3 m ; 压力比例尺 3 bmm = 代表 0.1mpa。 压缩容积： 11.5 1 a a = =18.4 代表 c v 3 m 压缩终点压力： 85.44256.32 b= 代表 c p mpa 压缩始点容积 189 lmm = 代表 a v mpa 压缩始点压力 1.121353.36 b= 代表 a p mpa 最大压力的容积 200 1 a mm = 代表 a v ， 3 m 计算压缩曲线 ac 上各点压力，即 1 1 1.362 n n a aa v ppp x v = 式中， a v x v = ，在 1 至 之间选定。 计算膨胀曲线 zb 上各点压力，即 课程设计 11 2 2 1.00325 n n a bb v ppp x v = 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 e v x v = v mm 1 n x 压缩线上的p mm 2 n x 膨胀线上的p mm 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 13.2 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 fig.3-1 table of 6120 diesel engine calculate exploit show 活塞结构设计与工艺设计 12 4 4 活塞销的受力分析活塞销的受力分析 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 fig.41 ( ) 26 0 104 gjg fffdpp =+= ) ( 2 coscos2 j m r + ) ( ) ( 266 32 3.14 1208.6 0.1 1010 2.128 60 10136.070.9848 0.3 0.9397 4 = + 96084166297746n =+= 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=1300r/min 170 o = 曲轴转速 22 3.14 1300 136.07 6060 nrad s = 对活塞销的校核： 1、画出活塞销的 q、m 图 图 4-2 fig. 42 活塞销外径 44mm，内径 do=0.25d=11mm 课程设计 13 343 4 4 3.1444 1 32 3210.25 dd w d = = 9 8326.03 10 选活塞销材料为 45 号钢，调质处理，得 2 600 b n mm = 6 2 9 1684 10202.25600 8326.03 10 m n mm w = 所以该活塞销符合强度。 活塞结构设计与工艺设计 14 5 5 活塞的加工工艺活塞的加工工艺 表