课程设计（论文）-395柴油机活塞设计.doc

课程设计说明书 设计题目： 395柴油机活塞设计 班 级： 能工131 学 号： 姓 名： 指导老师： 日 期： 2016年12月30日 目 录目 录ii1 任务要求ii2 柴油机曲柄连杆机构的动力学计算ii2.1 原始参数ii2.2 动力计算ii1 任务要求12 柴油机曲柄连杆机构的动力学计算22.1 原始参数22.2 动力计算33. 零部件设计123.1活塞作用123.2活塞的工作条件和设计要求123.3活塞的材料143.4活塞结构要求153.5 活塞的计算194.课程设计小结215. 参考资料及文献211 任务要求(1).柴油机的曲柄连杆机构设计(2).计算活塞运动规律及曲柄连杆机构受力分析(位移，速度，加速度，气体力，往复惯性力，连杆力，切向力，径向力，侧压力，单缸输出转矩，总转矩)(3).编写课程设计说明书内容包括：封面，目录，原始资料及数据，设计计算及说明。参考资料及文献等，计算机打印，装订成册。2 柴油机曲柄连杆机构的动力学计算2.1 原始参数原始参数及已知条件1） 柴油机型号：395柴油机2） 燃烧室形式：涡流式 气缸直径D：95mm3） 活塞行程S：115mm4） 总排量：2.445L5） 标定转速(r/min)： 24006） 压缩比：18.5 : 17） 连杆长：175mm8） 质量：活塞 764g 连杆大头 812g，小头438g9） 曲柄半径57.5mm；10） 连杆比0.329；11） 活塞面积6939.778mm；12） 标定功率35KW；13） 活塞平均速度(m/s)：9.2m/s2.2 动力计算（1）运动参数的计算 活塞运动规律计算公式：活塞位移：活塞速度：活塞加速度：连杆摆角：以上个参数具体位置见 图2-1曲柄连杆机构简图所示。计算活塞在一个循环内各位置的运动规律，结果如表2-1所示。画出活塞运动规律曲线图，如图2-2所示。 表2-1柴油机活塞运动规律计算表连杆摆角活塞位移 活塞速度活塞加速度10 0.06 1.16 3.32 4698.24 20 0.11 4.58 6.47 4327.16 30 0.17 10.08 9.28 3742.10 40 0.21 17.40 11.63 2989.51 50 0.25 26.17 13.41 2127.39 60 0.29 35.98 14.57 1219.32 70 0.31 46.38 15.11 328.04 80 0.33 56.93 15.04 -490.71 90 0.34 67.22 14.45 -1193.38 100 0.33 76.90 13.42 -1752.10 110 0.31 85.72 12.05 -2156.40 120 0.29 93.48 10.46 -2412.70 130 0.25 100.09 8.73 -2541.84 140 0.21 105.50 6.95 -2575.06 150 0.17 109.67 5.17 -2548.73 160 0.11 112.64 3.42 -2498.80 170 0.06 114.41 1.70 -2455.43 180 0.00 115.00 0.00 -2438.64 190 -0.06 114.41 -1.70 -2455.43 200 -0.11 112.64 -3.42 -2498.80 210 -0.17 109.67 -5.17 -2548.73 220 -0.21 105.50 -6.95 -2575.06 230 -0.25 100.09 -8.73 -2541.84 240 -0.29 93.48 -10.46 -2412.70 250 -0.31 85.72 -12.05 -2156.40 260 -0.33 76.90 -13.42 -1752.10 270 -0.34 67.22 -14.45 -1193.38 280 -0.33 56.93 -15.04 -490.71 290 -0.31 46.38 -15.11 328.04 300 -0.29 35.98 -14.57 1219.32 310 -0.25 26.17 -13.41 2127.39 320 -0.21 17.40 -11.63 2989.51 330 -0.17 10.08 -9.28 3742.10 340 -0.11 4.58 -6.47 4327.16 350 -0.06 1.16 -3.32 4698.24 360 0.00 0.00 0.00 4825.39 图2-2 柴油机活塞运动规律曲线（2）动力参数的计算i.计算在一个循环中活塞连杆曲轴所受的运动分力。结果如表2-2所示。绘制的变化曲线，如图2-3所示；绘制的变化曲线；绘制的变化曲线；绘制曲轴输出扭矩曲线。可见，单缸柴油机曲轴的输出扭矩曲线与其曲柄切向力曲线形状完全一样，只是纵坐标值相差倍。 表2-2柴油机曲柄连杆机构受力分析计算表 Fg（气体作用力） Fj（往复惯性力） F（合力） Fn（侧压力） Fl(切向力) Fk（径向力） M（转矩）0-1.46 -52102.70 -52104.16 0.00 0.00 -55167.08 0.00 10-1.42 -80367.56 -80368.98 -4593.00 -18479.15 -82670.39 -1062.55 20-1.31 -80367.56 -80368.87 -9089.27 -36028.89 -75650.83 -2071.66 30-1.13 -80367.56 -80368.69 -13385.30 -51776.35 -64729.80 -2977.14 40-0.90 -80367.56 -80368.47 -17365.68 -64962.74 -50905.29 -3735.36 50-0.64 -80367.56 -80368.21 -20901.63 -75000.92 -35296.63 -4312.55 60-0.37 -80367.56 -80367.93 -23854.93 -81528.14 -18975.67 -4687.87 70-0.10 -80367.56 -80367.66 -26088.67 -84443.75 -2844.84 -4855.52 800.15 -80367.56 -80367.42 -27483.87 -83918.98 12425.57 -4825.34 900.36 -80367.56 -80367.20 -27958.66 -80367.20 26406.37 -4621.11 1000.53 -80367.56 -80367.04 -27483.74 -74373.58 38878.19 -4276.48 1100.65 -80367.56 -80366.91 -26088.43 -66597.43 49776.75 -3829.35 1200.73 -80367.56 -80366.84 -23854.61 -57672.42 59130.37 -3316.16 1300.77 -80367.56 -80366.80 -20901.26 -48129.47 67002.87 -2767.44 1400.78 -80367.56 -80366.79 -17365.32 -38356.17 73450.95 -2205.48 1500.77 -80367.56 -80366.80 -13384.98 -28591.66 78500.73 -1644.02 1600.75 -80367.56 -80366.81 -9089.04 -18946.16 82144.12 -1089.40 1700.74 -80367.56 -80366.82 -4592.88 -9432.45 84351.20 -542.37 1800.74 -80367.56 -80366.83 0.00 0.00 85091.17 0.00 1900.74 -79005.40 -79004.66 4515.03 9272.58 82921.51 533.17 2000.75 -76621.62 -76620.87 8665.39 18063.07 78315.34 1038.63 2100.77 -74374.05 -74373.28 12386.77 26459.38 72646.39 1521.41 2200.78 -71785.94 -71785.17 15511.04 34260.47 65607.80 1969.98 2300.77 -65588.11 -65587.34 17057.52 39278.46 54681.04 2258.51 2400.73 -55848.65 -55847.92 16576.87 40077.28 41090.43 2304.44 2500.65 -49378.38 -49377.73 16028.83 40917.70 30583.02 2352.77 2600.53 -34735.13 -34734.61 11878.46 32144.24 16803.14 1848.29 2700.36 -13485.40 -13485.04 4691.26 13485.04 4430.80 775.39 2800.15 15732.97 15733.12 -5380.38 -16428.39 -2432.49 -944.63 290-0.10 53737.30 53737.20 -17443.98 -56462.64 1902.18 -3246.60 300-0.37 126136.21 126135.84 -37439.84 -127956.76 29781.92 -7357.51 310-0.64 247572.96 247572.32 -64386.96 -231038.54 108730.43 -13284.72 320-0.90 474577.28 474576.38 -102544.46 -383605.43 300596.08 -22057.31 330-1.13 706144.84 706143.71 -117607.28 -454922.75 568735.69 -26158.06 340-1.31 1365771.84 1365770.54 -154461.06 -612266.95 1285593.1-35205.35 350-1.42 2488125.32 2488123.90 -142193.61 -572091.55 2559372.5-32895.26 360-1.46 3344107.99 3344106.54 0.00 0.00 3540688.60.00 370-1.42 5302011.71 5302010.29 303004.19 1219085.30 5453835.970097.40 380-1.31 4512570.65 4512569.35 510346.51 2022958.46 4247659.5 116320.11 390-1.13 3013306.92 3013305.79 501862.00 1941278.13 2426948.6111623.49 400-0.90 1632074.54 1632073.64 352651.57 1319223.48 1033753.3 75855.35 410-0.64 1192096.17 1192095.53 310032.24 1112483.04 523552.29 63967.77 420-0.37 793731.86 793731.50 235596.62 805189.95 187407.88 46298.42 430-0.10 649070.25 649070.15 210698.89 681989.69 22975.66 39214.41 4400.15 490582.69 490582.83 167768.43 512262.46 -75848.81 29455.09 4500.36 344695.12 344695.48 119914.87 344695.48 -113257.119819.99 4600.53 257789.18 257789.71 88158.35 238564.77 -124707.813717.47 4700.65 212497.29 212497.94 68980.34 176090.08 -131614.6 10125.18 4800.73 197649.72 197650.45 58666.91 141836.85 -145422.58155.62 4900.77 159073.29 159074.06 41370.92 95265.08 -132622.2 5477.74 5000.78 133083.24 133084.02 28756.23 63516.21 -121631.7 3652.18 5100.77 111901.62 111902.39 18637.19 39810.91 -109304.1 2289.13 5200.75 108019.46 108020.21 12216.49 25465.35 -110409.1 1464.26 5300.74 88744.86 88745.60 5071.72 10415.85 -93145.38 598.91 5400.74 83636.75 83637.49 0.00 0.00 -88554.09 0.00 5500.74 57619.46 57620.20 -3292.93 -6762.74 -60476.86 -388.86 5600.75 16686.49 16687.24 -1887.23 -3933.95 -17056.28 -226.20 5700.77 -10897.30 -10896.53 1814.80 3876.60 10643.52 222.90 5800.78 -20228.11 -20227.33 4370.64 9653.78 18486.70 555.09 5900.77 -27175.13 -27174.37 7067.33 16273.98 22655.63 935.75 6000.73 -40047.57 -40046.84 11886.76 28738.20 29464.70 1652.45 6100.65 -58641.08 -58640.43 19035.65 48593.40 36320.05 2794.12 6200.53 -58641.08 -58640.55 20053.77 54267.37 28367.83 3120.37 6300.36 -58641.08 -58640.72 20400.31 58640.72 19267.66 3371.84 6400.15 -58641.08 -58640.93 20053.90 61232.37 9066.45 3520.86 650-0.10 -58641.08 -58641.18 19035.89 61615.34 -2075.77 3542.88 660-0.37 -58641.08 -58641.45 17406.05 59488.01 -13845.83 3420.56 670-0.64 -58641.08 -58641.72 15251.15 54725.41 -25754.65 3146.71 680-0.90 -58641.08 -58641.98 12671.11 47400.97 -37143.76 2725.56 690-1.13 -58641.08 -58642.21 9766.78 37779.38 -47231.06 2172.31 700-1.31 -58641.08 -58642.38 6632.13 26289.04 -55199.79 1511.62 710-1.42 -58641.08 -58642.50 3351.36 13483.60 -60321.75 775.31 图2-3 图2-4 图2-5 图2-6 图2-7 图2-8 图2-9 图2-10 3. 零部件设计 3.1活塞作用 活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。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。 活塞的作用：1、活塞环在气缸内起着密封作用。联动连杆使曲轴沿一个方向旋转以达到活塞连续工作的目的。2、进气行程时活塞向下运动，进气门开启，汽油和空气合成的可嫌混合气被吸入气缸。3、压缩行程时进气门关闭，活塞向上运动，可燃混合气受到压缩。4、工作行程(或称动力行程、爆发行程)时活塞压缩到顶点，火花塞内通过高压电流而产生火花。火花引起可燃混合气着火嫩烧，温度高达2,0001以上，使所有的气体急剧膨胀而产生极高的压力 (约30-40公斤/平方厘米)，推动活塞向下运动，由连杆的作用而使曲轴旋转。5、排气行程时活塞向上运动，排气门开放，燃烧后的废气被活塞挤迫而由排气门排出。6、由此可见，发动机的活塞通过排气、进气、压缩、爆发四行程的不断循环，将发动机作的功输送出来。 3.2活塞的工作条件和设计要求1 活塞组的工作条件（一）机械负荷 1燃烧气体压力（1）大小：在膨胀冲程的上止点附近达到最大值Pgmax=最大燃烧压力（由 示功图实测）。（2）特性：周期性气体压力的直接作用；受压；数值大；大冲击性。（3）影响：使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时使活塞销座从内侧纵向开裂，第一道环岸断裂等。 2高速运动往复惯性力（1）大小：在上止点时有最大值Pj=mjr2（1+）。（2）特性：周期性的拉压；在整个周期都具有相当数值；其值与转速的平方成正比，受转速影响较大，如转速为8000时，其惯性力是活塞质量3000倍左右。（3）影响：拉压作用产生疲劳破坏；周期性的拉压作用产生机的振动等。 3侧压力（1）大小： 缸壁给活塞的反作用力Pn，其约在34左右时有最大值=Ptg/lD PPg+Pj；l活塞裙部长；D缸径 。（2）特性：是由于连杆摆动，作用在活塞上的力传给连杆，连杆反作用于活塞而产生的。由于作用在活塞上力大小是交变的，Pn也是交变的；且Pn的方向在活塞下行时向左，在上行时向右，即在整个工作周期内力的方向是交变进行。（3）影响：活塞在Pn力的作用下反复撞击缸壁；增加摩擦力中的正压力造成薄壁活塞裙部变形与磨损。4机械负荷的影响：（1）机械负荷数值大，且具有冲击性。（2）交变作用，具有疲劳破坏作用。（3）产生下列应力：（A）活塞顶部动态弯曲应力；（B）销座拉压及弯曲应力；（C）环岸弯曲及剪切应力；（D）环槽及裙部磨损。（二）热负荷1高温：（1）大小：工作时，活塞顶受瞬变高温燃气作用，最高温度可达2000 C。（2）影响：温度升高，（A）材料的机械强度下降；（B）材料抗塑性变形的能力下降；（C）活塞顶超过400 C会产生疲劳热裂现象；（D）使润滑油变稀、变质、碳化，从而造成润滑不良和结焦，使活塞环粘结或使环槽磨损变形。一般第一环槽温度不超过200 C，否则积碳会成倍增加。2热应力：（1）来源：在活塞体整个范围内分布不均匀，各点温度梯度很大。（2）影响：增加活塞体内的应力使活塞开裂。（三） 强摩损活塞在缸内高速上下运动，由于Pn的作用及润滑条件极差，磨损及摩损消耗有用功（活塞组的摩损占机摩损的40%左右）较大。且在不同工况下，活塞具有不同的温度，使活塞的配缸间隙很难做到最佳，如冷态间隙合适，则热态出现拉缸；反之则出现敲缸、变形。二活塞组的设计要求（一）一般设计要求1材料热强度好、耐磨、比重小、导热性好、热膨胀系数小。2结构散热良好；刚度、强度符合要求；重量轻。3气密性好；不同工况与汽缸配合好。4受热少，吸热、散热好。（二）重点设计要求1改善活塞顶与第一环的工作条件，防止顶部开裂和环粘结。2改善活塞销与销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂。3合适裙部外形，以减少热膨胀，提高裙部的承载能力、减少配缸间隙，使之运转平顺，磨损小。3.3活塞的材料由于活塞组是往复运动质量的主要部分，加之工作条件恶劣，对于高速机通常采用含硅量为1013%的有一定强度且质量较轻的共晶铝硅合金作为活塞材料。3.4活塞结构要求（一）基本结构和作用：分成三部分1头部：顶、环带（1）顶：与缸盖组成燃烧室、承气压。（2）环带：安装活塞环，保证气密。2裙部：环带以下部分，起导向和承侧压作用。3销座：在裙部中央上方，安装活塞销。（二）头部设计1设计要求：（1）足够刚度强度，防止开裂与变形。（2）温度不过高，温差小，防止热变形。（3）尺寸紧凑，以减轻重量。2顶（1）形状：其取决于燃烧室的要求，二冲程机为扫气导流，多用球形凸顶；四冲程机为结构简单，多用平顶。（2）顶厚：由活塞顶刚度、强度及散热条件来确定。顶厚传热面积传热量顶温。满足传热就基本满足刚度、强度，一般=（0.0060.17）D，热负荷大（如二冲程机）取上限。但顶厚活塞重量增加。（3）顶过度圆角R：其对降低顶与第一环的温度影响较大。R可降低顶温，并可将热导向第二、三环，成所谓的热流型（如GL125机）。但R重量增加。3头部（1）火力岸高度H4：重要尺寸。H4活塞高度尺寸；活塞从第一环导出热量顶温爆燃；二冲程机活塞有效行程希望H4。但H4第一环温度环松弛；易结焦粘结。一般H4=（0.070.10）D (四冲)；H4=（0.0460.085）D (二冲) 。（2）环带高H3：取决于环数与各环岸、环槽高。（A）环数：在保证气密情况下，少用。二冲程机多用二道气环（极少只用一道）；四冲程机用二道气环，一道油环。（B）各环岸高：取决于在最大气压下有足够强度，不至于断裂破坏。第一环负荷较大，环岸高大，其余较小。（C）环槽：取决于环高和环槽侧隙高。环槽侧隙环对槽冲击；环槽侧隙易粘结。一般环槽侧隙=0.080.15mm。为避免环与槽的圆角干涉，环槽背隙=0.5mm。（3）压缩高度H1：重要尺寸，它决定销座位置，并和机高直接相关，最主要对压缩比有直接影响。因此其精度要求较高。现趋势是要求压缩高度H1小，H1=（0.450.65）D。如雅马哈YBBD H1=0.6D （二冲） ；本田GL145 H1=0.45D （四冲） 。（4）活塞头部与汽缸间隙 ：其影响环的功能、对油耗与排放产生影响。（A）从漏气出发，希望；但头部易与缸壁接触损坏。（B）传热活塞温度环槽内积碳卡环现象。（C）汽缸间隙应铝活塞与铸铁缸套线膨胀量的差值。活塞头部外表面开细浅螺旋槽：可存一定积碳，并具退让性。（三）销座设计1工作条件与设计要求（1）工作条件：（A）承受周期性燃气压力。（B）销座上部的惯性力有冲击性，并形成上下冲击载荷。（C）润滑条件差，难以形成润滑油膜。（2）设计要求：（A）足够强度以承压。（B）适应销的变形，减小活塞变形。（C）使H1小。（3）重点：（A）销座与环的连接部（应力集中）。（B）棱缘负荷，导致销座开裂。2结构设计（1）销座中心：由压缩高度H1确定。（2）销座外径：1.41.6内径，内径由销的承压面积确定。（3）克服棱缘负荷：销座承受销的反作用力产生变形，并使销孔内侧产生棱缘负荷导致销座开裂。为此将可采取（A）在销座与顶部间设置加强筋。（B）将销孔内缘加工成大圆角，以减小应力集中。（C）销孔中心相对外圆中心下移34mm，使上部大于下部，加强上部承压。（D）采用契形销座，上部长以承受大的燃气压力，下部成斜面，承受较小的惯性力。（4）销座与销配合间隙：(A)噪声、冲击；由于润滑不好，易卡死。(B)一般=0.00030.0005d (销直径)，此为工作状态时的下限，上限为制造公差。（C）考虑销孔与销的配合，销孔加工精度较高，并分组装配。（四）裙部设计1工作条件与设计要求（1）作用：裙部高H2是指最低环槽以下部分，其作用（A）承受侧压力（B）导向。（2）条件：（A）受活塞头部传来的热量。（B）承受连杆摆动所产生的侧压力，易产生敲击噪声和变形。（C）与缸壁直接接触并上下高速滑动，但润滑困难，易磨损。（D）汽缸活塞的温度随工况不断变化，铝合金活塞与铸铁缸套的线膨胀系数不同，要保持整个工况下裙部与缸套间的最佳间隙困难。间隙小易磨损、拉缸；而间隙大易产生敲击噪声和变形。（3）设计要求：（A）保证导向。 （B）足够承压面积。（C）形成足够厚油膜。（D）保持整个工况下裙部与缸套间的最佳间隙（最难）。2结构设计（1）裙部高H2：主要从承侧压和油膜厚度考虑，其影响活塞运动的稳定、噪声与耐久性。初步设计时可用其表面比压小于许可值来计算：（裙部比压）Ps=PNmax/Fs= PNmax/0.01 H2D。Fs裙部表面积；最大侧压力PNmax=0.1Pg(最大燃气压力)。（2）销孔中心高H5 （中心到底边高度）：从活塞得到稳定导向的滑块理论考虑，即侧压力的作用线与膨胀行程时油膜合力作用线一致时，滑块有自动导向能力。一般H5=0.60.65 H2，如JH50 H5=0.59 H2 ；CG125 H5=0.77 H2。（3）销孔偏心：为避免活塞在上下止点换向时，侧压力作用方向改变而使活塞拍击缸壁，高速机常将活塞销中心偏向主推力面（膨胀行程侧压力作用面）0.51.5mm，如JH125为0.5mm。3裙部形状（1）裙部所处的工作条件及影响：裙部为了很好地起平顺导向作用，除有足够的H2尺寸外，还需在工作状态整个圆周与汽缸保持不变的最小间隙。而在实际工作中，它却受到周期性变化及分布不均匀的力与温度的作用，使其产生机械变形与热变形：（A）机械变形：受侧向力PN的压缩作用，使薄壳裙部沿销座方向伸长；活塞顶受燃气压力，顶部弯曲，使裙部在销中心线有向外扩张的趋势。（B）热变形：沿活塞纵向截面，越接近顶部温度越高其热膨胀量就越大热变形量大；销座处金属多刚度大热膨胀量大热变形大。因此为了保持工作状态的最小间隙，需在制作时将工作状态时变形伸长的裙部部位设计成缩小相应的伸长量，这样工作时的变形伸长成与汽缸匹配的圆形。（2）横截面：（A）形状：由于工作时的机械变形是沿销中心线伸长，所以其横截面为短轴为销轴方向的椭圆。（B）椭圆度计算：按裙部为开口薄壁圆筒；只考虑最大侧压力PNmax且为集中载荷；计算公式见书。（C）由于裙部上部金