186F活塞组的设计与校核计算

1、武汉理工大学毕业设计本科毕业设计题目 186F 活塞组的设计与校核计算姓名 专业学号指导教师 武汉理工大学交通工程系二O四年五月目录中文摘要 I英文摘要 n1.前言 I1.1柴油机的工作原理及分类 11.2国内外柴油机产业的现状与发展趋势 21.3柴油机的应用范围与发展前景 31.4设计的内容及目的 42.186F活塞组的设计 62.1活塞组的工作条件和设计要求 62.2活塞的结构和材料 72.3活塞头部的设计 82.3.1压缩高度的确定 82.3.2活塞环槽环岸的参数选择 112.3.3环岸的强度校核 122.3.4活塞顶的设计 142.4.活塞环的设计 152.4.1活塞环各部份名称及工作

2、条件 162.4.2 气环的设计 162.4.3气环各项数值的确定 202.4.4油环设计 202.4.5油环的计算 222.5活塞裙部的设计 232.5.1裙部形状设计及尺寸确定 232.5.2裙部的尺寸的强度校核 242.6活塞销的设计 252.6.1.活塞销的设计 252.6.2活塞销尺寸的确定及校核计算 262.7活塞销座的设计 282.7.1活塞销座的工作条件及设计要求 282.7.2活塞销座的结构润滑及校核计算 29总结 31致谢 32参考文献 33186F活塞组的设计与校核计算活塞在柴油机中是很重要的运动件，它在相当恶劣的工作条件下工作，即高 温，高速度，高负荷，润滑和冷却困难。

3、随着柴油机技术水平的提高，以及高速 柴油机活塞的开发应用，使活塞必须适应比以前还要恶劣的环境，平均有效压力， 最大气体压力和温度急剧上升是其工作环境恶化的表现，如此恶劣的工作环境， 使活塞成为柴油机零部件比较常见的故障零件。要想设计出可靠有效的活塞，必须对柴油机进行详细的了解。所以我对柴油机的工作原理，国内外柴油机的发展 水平以及发展前景作出详细的说明。分析表明：经过合理的活塞设计，能够有效的提升活塞工作效率的可靠性，以及 186F活塞刚度的耐久性.本次设计的任务主要是186F活塞组的设计，包括活塞头部，活塞环，活塞 销座，活塞裙部，活塞销的设计。其中186F塞活塞头部设计是本次设计很重要的一

4、个环节，由于它承受周期 性变化的气压力和应力，机械符合高达62000牛顿；活塞在气缸内不停做往复运 动时，活塞头部承受变高温燃气的作用， 燃气温度最高可达2000-2500度，并且 活塞头部温度分布极不规律，这使得活塞头的热应力分布很不均匀，原因是在 186F柴油机活塞头有很大的热负荷。考虑到活塞头部的恶劣环境。在对活塞裙 部，活塞环，活塞销和活塞销座的设计，更应该加强对恶劣环境的适应性。本次 186F活塞组设计策划采用耐高温，热膨胀系数小，比重小的共晶铝硅合金材料。 尽最大可能减轻活塞机械负荷和热负荷，加强活塞寿命加固活塞耐磨性。 关键字：柴油机；活塞；活塞头部；活塞裙部；活塞销；活塞环。（

5、此毕业设计获得 2014届优秀毕业设计荣 誉，有完整的一套图纸，并且有开题报告、外文翻译，保证让你的 毕业设计顺利过关！先找份好的工作，不再 为毕业设计而发愁！ ！有需要零件图和装配图的同学请联系 QQ 994166684）DESIGN CALCULATION AND CHECKING 186FPISTON GROUPAbstractThe pist on in a diesel engine is very importa nt; it works, in bad work ing conditions as high temperature, high speed, high load,

6、lubrication and cooling difficulty. With the technical level of diesel engine, and the application of high speed diesel engine piston, the piston must adapt to the environment is worse than before, the mea n effective pressure, the maximum pressure and temperature rise sharply the work performa nee

7、of en vir onmen tal degradatio n, so bad work ing en vir onment, so that the pisto n failure parts of diesel engine parts become more com mon. To desig n piston is reliable and effective, must carry on the detailed understanding to the diesel engine. So rm on diesel engine prin ciple of work, the le

8、vel of developme nt of domestic and foreig n diesel enginesand the prospect to make a detailed expla nati on of. An alysis shows that: after reas on able pist on desig n, reliability can improve efficie ncy of work piston efficiently, durability and 186F piston stiffness.The desig n of the main task

9、s is to desig n 186F pist on, pist on head, pist on ring, pist on pin, pist on skirt, desig n of pist on pin.The 186F plug pist on head desig n is a very importa nt li nk in the desig n, because the gas pressure which are subjected to periodic cha nge and stress, mecha ni cal with up to 62000 Newt o

10、n; keep the piston do reciprocat ing motio n in the cyli nder, the piston head under variable of high-temperature gas, gas temperature can reach 2000-2500 degrees, and the temperature distribution of piston head very not the rule, which makes the piston head of the thermal stress distribution is not

11、 uniform, because there is a big thermal load on the 186F diesel engine pist on head. Con sideri ng the harsh environment of the piston head The skirt part of the piston, piston ring, piston pin and piston pin seat design, should strengthen the adaptability to the bad en vir onment. The 186F pla nni

12、ng pist on desig n made of high temperature resista nee, low thermal expansion eoeffieient, eutectic aluminum silieon alloy material, the proportion of small. As much as possible to reduce the meehanieal load and thermal load of pist on, pisto n pist on wears resista nee rein foreeme nt stre ngthe n

13、ing life.Keywords: diesel engine, piston； piston head; piston skirt； piston pin； piston ring1.刖言1.1柴油机的工作原理及分类图1.1 186F柴油机1892年鲁道夫发明了柴油机.他是德国著名的发明家.鲁道夫发明的柴油机是以柴油作为燃料。鲁道夫为了纪念自己的发明将柴油机用他的名字命名。柴油机工作时，从气缸内吸入新鲜空气， 活塞通过运动对气体进行压缩，当气缸温 度达到550750C的高温时，将柴油以雾状喷入空气中，自动燃烧。燃烧释放 的能量并作用在活塞顶面，推动活塞并通过连杆和曲轴转换成机械运动。柴油机

14、的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的， 这四 个过程构成了一个工作循环。活塞走完四个过程才能完成一个工作循环， 所以称 此种柴油机为四冲程柴油机。第一冲程是进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当曲轴旋转，在连 杆的作用下，活塞从上止点往下止点移动，同时， 与曲轴连联的传动机构使进气 阀打开，外界新鲜空气充入气缸。第二冲程是压缩。在压缩冲程中活塞从下止点到上止点移动，功能有两个： 一是提高空气温度，准备点火燃料；二是为气体膨胀作功创造条件。第三冲程是做功。在第三冲程开始时，喷入燃烧室内的大部分燃料都已燃烧了。燃烧时放出大量的热能，因此燃烧室内的气体压力和温度急剧升高，活塞在高

15、温高压的气体作用向下运动，对外作功。随着活塞的下行，气缸的容积增大， 气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。第四冲程是排气。排气冲程中将上一冲程留下的废气从气缸内排出，然后充满了新鲜的空气进入气缸，为下一个周期的循环很好的准备。发动机的整个工作循环就依照上述过程重复不断的进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即进气、 压缩、做功、排气完成的，故称四冲程柴油机。柴油机种类是极其繁多的，按其不同工作条件有不同的分类，比如按工作循 环可分为四冲程和二冲程柴油机（上面柴油机的工作原理我们已经提到）。按内燃机冷却方式不同可分为水冷柴油机和风冷柴油机。柴油机按燃烧室不同可分为

16、直接喷射式柴油机、涡流室式柴油机和预燃室式柴油机。 按发动机的气缸数目可 分为单缸发动机和多缸柴油机。按用途可分为船用柴油机、机车柴油机、车用柴油机、农业机械用柴油机、工程机械用柴油机、发电用柴油机、固定动力用柴油 机。按供油方式可分为机械高压油泵供油和高压共轨电子控制喷射供油。按气缸排列方式可分为直列式和 V形排列,水平对置排列,W型排列，星型排列等。1.2国内外柴油机产业的现状与发展趋势在第二十世纪80年中国柴油机行业也得到了快速的发展，随着大量先进技 术的引进，中国的柴油发动机技术已达到在 90年初发达国家的水平。一些国外 的先进技术在国内柴油机生产也有应用，如柴油产品研制生产的排放水平

17、已经达 到欧1排放限值要求，有些甚至可以满足欧2排放限值要求。但是我国整体柴油 机产业还存在着很多的问题。在中国年产量逐年递增的重型柴油车是我国柴油机产业的核心力量， 中型和 小型汽车的增长率在增加。但是轿车还没有柴油型轿车，而且我国的中型柴油产 业供大于求，我国的骨干企业所生产的柴油机大多是拟淘汰产品， 发展潜力很小。由于柴油机产业投入较少，所以严重制约了柴油机行业的生产和发展水平。 整体水平落后于其他国家十到二十年。很多技术处于研发阶段甚至处于空白阶 段。现代柴油机由于热效率比汽油机高， 污染比汽油机小，所以收到了广泛地 应用。西欧国家不仅在重型载货汽车上用柴油机， 而且轿车也开始越来越广

18、泛地 用柴油机提供动力。最近，美国联邦政府能源和以美国三大汽车公司为代表的美 国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究和大量新技术的运用，柴油机在烟度和噪音上取得了重大的突破， 达到了汽油机水平。1.3柴油机的应用范围与发展前景柴油机在很多方面都有重要的运用。在航空动力方面：燃气轮机、喷气发 动机几乎是唯一的动力装置，它的优点是：重量轻，体积小，结构简单，振动小， 有害气体排出量小。但是也存在一些缺点：有热效率低和燃料消耗高等。在陆路交通方面：内燃机的发展，使人类的陆路交通产生了质的飞跃。此后，随着“汽 车”的问世，对许多人来说不再是一个不现实的欲望。

19、内河船舶：柴油机几乎是 唯一的原始动机。在工程机械方面：因为经济性好，柴油机占绝对优势。在远洋 海轮方面，柴油发动机也是动力，原因是最经济。备用电源的应用，“自动化柴油发电机，可以进行远程控制，单元计算机遥测，新的智能化柴油发电机组。使 用远程读取界面的控制面板，通过调制解调器和电话线和在他们的机器上实现“三摇”在以前，柴油机给人的映像都是笨重、庞大、大噪音、喷黑烟雾。但是经过 多年科研人员的精心研究和国外柴油机产业的刺激。新技术新产品逐渐问世。现在的柴油机已经不在是以前庞大、笨重的样子了。现在柴油机采用电控制喷射， 共轨、涡轮增压技术，在重量，噪声消除，烟雾方面取得重大突破，达到了汽油 机的

20、水平。柴油机和汽油机在电子控制喷射系统的存在着明显的差异，汽油发动机电子控制喷射系统主要是控制汽油和空气的比例， 而柴油机则是通过控制机油的喷油 时间来调节负荷的大小。十一五计划以来，柴油机行业不断调整产业结构，技术升级，优化企业和行 业集中度，大大提高资源配置。并且在柴油机企业得到飞速的发展，进行跨行业、 跨地域、跨所有制的革新发展。在中小企业、民营经济获得了长足发展。在出口外贸方面，柴油机行业有较快增长，中国柴油机产业逐渐走向国际化。1.4设计的内容及目的我的毕业设计的题目是186F活塞组的设计与校核计算。毕业设计的任务是 对活塞头部、活塞群部、活塞销、活塞环进行缜密的设计与校核计算。18

21、6F中1表示的是一缸，86表示活塞的直径为 86mm,F是风冷。186F活塞 的属于柴油机活塞。首先，在设计 186F的活塞之前我们对柴油机进了全面的了 解，为活塞设计做良好的铺垫。柴油机介绍包括柴油机的工作原理， 柴油机的分 类，以及国内柴油机产业的现状和发展前景。然后我对186F活塞进行设计。首先，我将活塞分为活塞头部，活塞环，活塞裙部，以及活塞销和活塞销座 分别进行设计。活塞头部的设计主要是对活塞顶，火力岸和环带部分具体数值的 确定及校核计算。在此说明一点，因为186F柴油机是装入微耕机中使用，柴油机工作效率比较高。活塞顶的壁厚是比较厚的，燃烧室凹坑也是比较很深的。活塞环也是本次设计的重

22、点，分别对气环、油环的形状，配合间隙等做出了细致的 设计。然后对活塞裙部的形状，高度予以确定，并对其进行校核计算。接下来对 活塞销和活塞销座的具体数值进行确定于校核计算。下面是186F柴油机的基本参数：表1.1 186F柴油机的基本参数发动机类型四冲程，单缸排量mL418缸径x行程/ mrm mm86X72mm压缩比8.5最大功率及转速/(kW/r.min-1)6.5Hp/3600rpm设计目的通过对186 F活塞的设计，可以深入的了解186 F活塞的各部分组成、 功用和性能。翻阅大量的资料对 186F活塞进行合理精确地设计。这也是对我大 学四年所学知识的考察和运用。从活塞头部到活塞销座，每一

23、个设计细节都需要 自己付出百倍的努力。毕业设计也是培养我独立思考、独立解决问题的能力。2.186F活塞组的设计2.1活塞组的工作条件和设计要求图2.1.活塞示意图活塞是内燃机的重要动力原件它处于高温、高压、高速、润滑条件差的恶劣工作条件下。（1）机械负荷：活塞受到各个方向的应力和气压力。使活塞发生变形（2）热负荷：活塞工作的温度很高，活塞顶直接承受燃料燃烧的的高温和 热负荷。活塞顶表面温度高达 350 左右。（3）活塞的热负荷应力和热变形会随着活塞的工作环境恶化逐渐增大（4）燃烧室温度超过300 4000C时，活塞头部材料强度下降很快。（5）对于温度超过180220C时的第一环槽，容易引起结冷

24、胶润滑油变质， 活塞环卡死等不良现象。与气缸直径和平均有效压力增加活塞热负荷增加。活塞热负荷太高，必须采 取降温措施，将通过对活塞热迅速流，使活塞温度降低到允许范围内。高速滑动，润滑不良：一般的活塞活塞摩擦损失的速度增加，活塞式发动机 的摩擦损失，摩擦损失占约50%勺所有。活塞组的设计要求（1）活塞与各部分组件良好配合的前提下，应尽量压缩活塞高度，减轻活塞重量。（2）保证密封良好，尽量减少摩擦损失。（3）减少活塞顶吸收的热量，已传给活塞的热量应迅速散掉，保证活塞温 度不超过允许极限。（4） 确保引导部分可靠的润滑和需要防止润滑油的流动，降低润滑油消耗。（5）耐磨性好，尤其是第一道环槽。（6）活

25、塞裙部与气缸壁尽可能大的接触面积，但也要防止擦伤和夹紧活塞。（7）活塞与汽缸的配合间隙小，以减少对汽缸的撞击和噪声，以及使变工 况适应性好。（8）抗拉缸性能强。（9）易于制造，成本低。近十几年来，就活塞的结构发生了巨大的变化。它们的结构的比较， 无论是 在活塞环，活塞销的直径，数量，总高度，或在节环，环槽结构，裙状，销座的 设计，有非常显著的变化，而且这些改进都是向上述要求迈进的。2.2活塞的结构和材料根据上述对活塞工作条件和设计要求的总结，以及活塞结构及材料的选择要 求如下：（1） 活塞应该具有合理的形状和壁厚，足够的强度和刚度，在300-400度 的的高温工作环境下仍有足够的机械性能，不破

26、坏零件；（2）受热面积小、散热性好。高强度，高功率的柴油机活塞进行适当冷却（3）活塞材料应该是热膨胀系数小、导热性好、比重小，具有较好的减磨 性和热强度，耐腐蚀，（4）工艺精美，质量好，廉价。当代汽车的飞速发展，材料的选择直接关系都产品的的质量。 柴油机活塞材 料有铝合金，铸铁和耐热钢。铝合金的优点是：比重轻，导热性好，工作温度底，温度分布均匀，铝合金的缺点是：热膨胀系数大，当温度升高时，它的机械强度和硬度下降 的较快。灰铸铁的优点是：耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好；灰铸铁的缺点是：比重大和导热性差灰铸铁活塞逐渐被铝合金活塞所淘汰。 目前，对于共晶铝硅合金含含硅和过

27、共晶铝硅合金制造铝合金活塞，镍和铜， 为了提咼稳定性和咼温力学性能。 加铝 合金中的硅含量，可改善活塞表面的耐磨性。186F活塞选用铝合金材料。2.3活塞头部的设计图2.2.活塞结构示意图186F活塞的头部是由活塞顶和两个环岸、三道活塞环槽够成的，活塞头部 是本次186F活塞组设计的重点。活塞头部主要作用就是承受气体压力和热负荷， 将其头部的热量和气压力，通过活塞销和活塞销传给连杆。与活塞环紧密配合工 作头部的设计要点有：1具有足够的机械刚度和强度。防止开裂和变形。2温度不易过高，温差必须小，避免产生热变形和热应力。3尽量紧凑尺寸，因为压缩高度直接影响头部尺寸。2.3.1压缩高度的确定活塞的压

28、缩高度Hi是是活塞顶到活塞销轴线之间的距离。压缩高度的计算公式为Hi = hih2 h3(2.1)hl为火力岸高度、h2为环带高度，h3为上裙尺寸，压缩高度是由火力岸高度、环带高度、上群尺寸这三部分组成。在设计过程中尽量缩小压缩高度，在保证机械强度的基础上对环岸、 环槽的 高度及销孔的直径进行压缩设计。1.第一环位置第一环位置是活塞顶到第一个环槽上边缘的距离。根据186f活塞工作 实际活塞对压缩高度予以确定，必须先确定第一环的位置或火岸高度 hl。为缩小 活塞的压缩高度，。如何确定热岸高度？当然希望火力岸高度尽可能小，经查阅 资料总结以下结论：186F柴油机属于微耕机，所以需要柴油机的功率较大

29、。如果 火力岸高度hi过小，会使第一环温度过高，就不符合我们设计的初衷。因此， 火力岸高度hi的选取应该遵循的原则是：在保证活塞头部能承受最大热负荷，第 一环槽能承受最高热载量的前提下，尽量取小。般柴油机h =(0.130.25)D，d为活塞直径，186F标准直径为86mm，则火力岸高度为= 0.13D = 11mm(2, 2)一般柴油机活塞有三道活塞环，第一环和第二环都是压缩环，一般称为气环, 第三道为环为油环。186F活塞活塞也选用三道环。2.活塞环轴向高度b为活塞环槽轴向高度.轴向高度的选择对活塞环与凹槽配合间隙合适程度好坏有着密切的关系。轴向高度b的选择会影响到活塞整体的高度，环槽轴向

30、高 度b可以尽可能选的小一些，第一，可以减小活塞环的惯性力，第二减轻应力对环槽侧面冲击，第三有利于加强环槽的耐久性。如果选取过小也会使制作工艺困 难。一般柴油机气环环槽轴向高度在 b = 23mm之间，油环轴向环槽高度在b = 46mn之间。根据一般柴油机环槽轴向高度的范围选取186F活塞环槽轴向高度如下d =2.mm b2=2.mm d =4mm3 活塞环岸高度c为环岸高度，186F选择有两个环岸，因为活塞有三道活塞环。 其中第二环 岸负荷比第一环岸小，温度也低，所以在环岸选择的时候，第一环岸高度大于第二环岸高度。选取活塞环环岸的高度 c时，保证环岸不会被气压力形成的负荷破 坏。发动机环岸计

31、算范围如下，G = (1.5 2.5)bc2 = (1 2)b柴油机接近下限。所以选取186F活塞环岸高度如下:第一环岸高度G =1.50 =1.5 2 =3mm(2.3)第二环岸高度c2 =1.40 =1.4 2 = 2.8mm(2.4)环带高度为所有环槽轴向高度与环岸高度之和，计算如下h2 = d+b2 +q +6 = 2 +3 + 2 + 2.8 + 4 =13.8mm(? 5)上裙尺寸为活塞头部最低一个环槽到活塞销轴线的距离，最低一个环槽为油 环槽。油环在环槽中工作，想要使油环的工作条件良好，而且拥有良好的润滑条 件，活塞凹槽应该尽量选小，所以在设计中最低环槽必须在活塞销的外边缘。从上

32、面设计总结可确定活塞的压缩高度H1。一般柴油机压缩高度H1 =(0.45 0.75)D，选低卩活塞组的压缩系数为0.45.则压缩高度为H1 = 0.45 86 二 38.7 mm(2.6)上面提到压缩高度的计算公式为 Hh1 h2 h3所以由此公式可得上群尺寸的计算公式如下h3 =比一h| -h2 =38.7-11-13.8 = 13.9mm232活塞环槽环岸的参数选择正确设计环带断面对活塞气密性是至关重要的。环带断面的选择直接影响环与环槽的配合间隙的良好程度。环带断面选择合适，对于环和环槽工作之间的可 靠性与耐久性十分重要。环岸和环槽的设计首先考虑保活塞、活塞环工作情况， 以降低机油消耗量，

33、防止活塞环粘着卡死和异常磨损、减少窜机油为目，进行可以可靠的设计。环槽底过度圆角大小的选择，对活塞环的正常工作影响很大。如果活塞环槽 底圆角的圆弧选择过大，会影响活塞环自由进出槽底；如果槽底圆角选择过小， 可能会因为应力集中而发生疲劳断裂。槽底圆角一般为.2,.5mm, 186F活塞槽底圆角选用0.2mm.活塞在工作时是需要上下不停的做往复运动，如果活塞环岸没有适当的倒 角，活塞就不能正常工作。有很大的影响，环槽底圆角的活塞环的正常工作的大小，如果循环活塞环槽底部角落的大活塞槽底自由访问，如果选择环锐边倒角太小，活塞环岸会出现毛刺夜也可能会卡住活塞环，造成严重的泄漏和过热的现象，选择环倒角过大

34、，会使活塞环泄漏增加。一般柴油机的环岸倒角为0(0.020.5) 45，186F活塞环岸瑞边倒角选用0.08 45 。在选择活塞环侧向间隙时，尽量选的小一些。侧隙选的过大，活塞环的冲击力加强，铝合金在高温条件下硬度变低，环槽变宽，活塞不能正常工作甚至报废。 如果活塞侧隙选的过小也会是活塞环被环槽粘住而失效。目前，第一环与环槽侧隙一般为0.05 0.1mm ；第二环适当小些，为0.03 0.07mm;油环则更小些，为 0.03 0.06。一般活塞环的背向隙是比较大的，避免活塞环与槽底圆角发生干涉 现象，一般柴油机气环背间隙为 0.40.9mm；油环背向间隙为0.71mm.下面 是186F活塞环气

35、环和油环侧向间隙和背向间隙尺寸的选择：表2.1.活塞环的侧向间隙和背向间隙活塞环侧向间隙/ mm背向间隙/mm第一道环0.070.5第二道环0.050.5第三道环0.040.52.3.3环岸的强度校核在第三冲程即膨胀冲程开始时，在爆发压力急剧上升，在应力的作用下，第 一道活塞环紧压在第一环岸上。 在节流的影响下，第一环岸上下压力是极不平衡 的。第一环岸上面的压力P1比下面压力P2大很多，在不平衡力的作用下，会在 环岸根部产生很大的弯曲应力和剪切应力，当应力增大到超过铝合金强度极限， 环岸根部就会断裂。图23第一环的受力示意图专门的试验表明，当活塞顶上作用最高爆发压力Pmax时，P1 ： 0.9

36、pmaxP2 ：- 0.2Pmax，如图 3.2 所示。已知Pmax =5.5MPa(2.8)p1 : 0. 95. 5 = 4. 95MPap2 吒 0. 2 x 5. 5 = 1. 1MPa环岸是一个厚C1、内外圆直径分别为D、D的圆环形板，沿内圆柱面固定, 要精确计算固定面的应力比较复杂，可以将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致 的计算。在通常的尺寸比例下：可假定槽底（岸根）直径D”0.9DH0.9 86 = 77.4mm环槽深t 为：t 二 0.04D 二 0.05 86 二 3mm于是作用在岸根的弯矩为22 t3(P1P2)4(D D2=0.0026pmaxD而环案抗弯断面系数近似等于

37、6乳。.心0.47。2。.47 42 86 =646.7(2.9)(2.10)所以环岸根部弯曲应力为b =22笄詳=0.0055Pmax(E)2(2.11)二 0.0055 5.52= 24.9N/ mm2同理得剪切应力为:0.47C| Dg(2.12)(2.13)铝合金的许用应力门=3040 N/mm2，十】，校核合格。I； =0.37Pmax D =0.37 5.5 86 =58.33C13接合成应力公式为:-2 3，24.92 3 5.832 = 26 N /mm22.3.4活塞顶的设计平顶活塞numruC5P?凸顶活蠡凹顶活塞图2.4.各类活塞示意图活塞的活塞顶类型分为三种，即平顶活塞

38、，凸顶活塞，凹顶活塞。活塞顶的形状主要由燃烧室决定的。平顶活塞主要用于汽油机，非直喷式柴油机。凹顶活塞主要用于直喷式柴油机但是直接喷射式的高速柴油机，由于混合气形成的需要，活塞顶应设有一定深度的凹作槽为燃烧室.186F柴油机是直喷式柴油机，故 选用凹顶活塞。直喷柴油机活塞顶的厚度是根据结构和工作负荷的考虑，主要考虑活塞的两 个条件即传热能力和活塞刚度。一般直喷式柴油机活塞顶厚度范围是:=(0- 1 0.D3)选186F柴油机活塞顶厚度如下5 =0.24 汉 86 = 20.64 mm(2.14)除了一个燃烧室，活塞顶还有防止活塞气门干涉的气门凹坑，气门凹坑包括 进气阀坑和排气阀坑坑，进气阀凹坑

39、大于排气阀凹坑。活塞顶的厚度已确定，活塞顶燃烧室凹坑和气门凹坑的具体数值如下：燃烧室凹坑的深度h4 =12.5mm燃烧室凹坑的上圆直径为d4=38mm燃烧室凹坑的下圆直径d5 = 43.31mm过度圆角半径r1 =1mm门气凹坑的进气凹坑直径为d6=36.2mm气门凹坑的排气凹坑直径为d7=30mm2.4.活塞环的设计活塞环是崁入活塞凹槽内的金属环。它是发动 机中重要的零件之一，它工作的好坏直接影响发动 的的机械效率和性能。活塞环和活塞， 气缸套连接 在一起，是发动机动力源的一个重要组成部分。随 着汽车行业的飞速发展，内燃机向着高效能、高效 率、低排放、零污染、高寿命的方向发展。因此， 对活塞

40、环质量的要求越来越高，各方面性能都达到 良好的作态：如可靠性、经济性、耐高温，机械图2.5活塞环强度等。2.4.1活塞环各部份名称及工作条件一般柴油机的最高转速为4000转/分，186F柴油机的转速为3600转/分。 活塞环需在高转速的环境下工作， 而且活塞环线速度达1014米/秒。活塞环伴 随着活塞在气缸内内上下不停的做往复运动，活塞做功会使气缸内温度急剧升 高，即使散热或冷却后，第一环的温度也一直保持在 300C左右。活塞环必须在 高转速，高温，高压的环境下保持良好的密圭寸作用；活塞环的工作条件很差，使 润滑油膜润滑的工作状态往往是关键的工作，这是很难保持完整性，不完全润滑。242气环的设

41、计按其功能可分为气环和油环的两种， 气环密圭寸效果好，通常切入到第一、第 二环槽。活塞环按其功能作用可分为气环和油环两类分类， 气环具有良好的的密 封作用，通常崁入第一道环槽和第二道环槽内。 油环的主要功用用是使气缸壁的 润滑油分布均匀。油环通常崁入第三道环槽内。图2.7各类气环形状结构图气环的断面形状有：矩形环、桶面环、锥面环、梯形环和扭曲环。图2.8矩形环结构示意图剖面是矩形的气环称为矩形环。矩形环结构简单，易于加工，足够的密封性是活塞正常工作，与气缸壁的接触面积大， 有利于活塞冷却。矩形的磨合性能不 是很强，而且在与活塞一起作往复运动时， 易把机油挤入燃烧室，产生燃油喷射 现象，增加燃油

42、耗。由于矩形环的弊端的太多，所以使用受限制。图2.9.桶面环结构示意图桶面环的环断面形状不尽相同，大多数桶面环的形状外圆表面呈外凸圆弧形。桶面环的磨合性和对活塞工作环境的适应能力很强。桶面环与气缸壁的接触方式为是线接触，因为是线接触所以对活塞的晃动适应能力很强。桶面环的优点 是对活塞具有良好的润滑能力，密封性良好，而且磨合性也很强。 在活塞环的选 取中常用作第一道气环。现在柴油机的生产要求越来越高，桶面环常与锥面环串 联使用。图2.10.锥面环示意图锥面环的形状各异，大部分桶面环的形状呈很小的锥面， 锥面环与气缸壁接 触方式为线接触。锥面环的磨合性好， 加大了接触压力。锥面环对气缸壁形状的 适

43、应能力也很强。上行时在斜角的作用下，不会引起磨损；活塞下行时，易刮油图2.11.直角梯形环结构示意图图2.12.等腰梯形环结构示意图在活塞气环的形状设计中为了提高气环的抗结胶能力，梯形环结构就问世 了。两侧面都倾斜的气环称为梯形环。当活塞受侧压力位置改变时，环的侧隙就会跟着发生变化，并且可以把结焦从环槽中挤出。梯形环槽处的表面工作温度比 矩形环表面温度高20r左右，可以让活塞环在240250r的高温下下持久工作 而不结焦。梯形环的夹角一般在 10o20o的范围内。根据活塞环不同形状的各自的特点，186F活塞环第一环还选用桶面环，第 二环选用锥面环活塞材料的选择，随着发动机工作过程的的强化，特别

44、是第一环，承受很大 的冲击负荷，有时会折断，甚至碎成很多小块。所以，第一环的材料除了要求耐 热、耐磨外，还应该有高强度和耐高温性。有效的对策是采用坚韧的材料，目前 灰墨铸铁甚是流行。球墨铸铁有接近钢的的机械性能。抗弯强度，硬度，弹性模 数的范围都很适合选用为活塞环的材料，球墨铸铁中的石墨彼此分离，与灰铸铁相比，可阻碍高温下氧的扩散。因此 球墨铸铁的抗氧化性和抗生长性均优于灰铸铁，也优于可锻铸铁。铁素体球墨铸 铁的咼温抗生长性优于珠光体球墨铸铁。 提咼硅含量或铝含量可改善球墨铸铁的 抗氧化性及耐热性。而且灰墨铸铁的热膨胀系数比较小.在0100 C线胀系数a 1 :11.2 X 10A( -6)/

45、K .在 0200E线胀系数 a 1: 12.2 X 10A( -6)/K. 在 0500E 线胀系数a 1: 13.5 X10A(-6)/K.活塞在150度高温条件下工作，活塞的膨胀尺 寸为2mm所以在设计活塞自由端距及压人活塞凹槽活塞因温度过高产生的膨胀 误差需重点考虑。铸型要有高的紧实度，以使铸型有足够的刚度以抵挡球墨铸铁共晶凝固时的 共晶膨胀力。合理设置浇冒口。球墨铸铁的冒口与普通钢及白口铁不同，球墨铸铁冒口设置的合理性在于它能够充分增补铁液的液态收缩，而当铁液进入共晶膨胀阶段时，浇注系统和冒口颈及时冷冻，使铸件利用石墨析出的膨胀进行自补 缩。这种铸铁用于制造受力较大而又承受振动和冲击

46、的零件。 目前在国外一些用 离心铸造方法大量生产的球墨铸铁铁管也是铁素体， 并能承受地基下沉以及轻微 地震所造成的管道变形，而且具有比钢高得多的耐腐蚀性，因而具有高的可靠性 及经济性。所以活塞环的材料选为球墨铸铁。根据186F活塞环的工作条件，截面形状的设计要求是：第一，密封性能必须好，特别是在活塞环工作条件极其恶劣的时候不易漏气；第二，磨合性能要高，保证活塞持久、耐用。第三，刮油能力要强、保持活塞的良好润滑；第四，提高抗损伤性，要有良好的刚度和强度，避免出现熔着磨损，活塞环 拉缸等不正常磨损的现象1。根据各类活塞环断面形状的介绍结合活塞环的设计要求及其各自环断面的优缺点，186F柴油机活塞组

47、设计第一道气环选用桶面环，；第二道气环采用锥面 环，243气环各项数值的确定1. 承压环的确定按径向压力不同，活塞环可分为三类：高压环，用于转速特别高的发动机，就国内而言 n =36004500r/min ；中 压环，用于高速柴油机或一般汽油机， n = 2000 3600r/min ；低压环用于转速 在2000转/分以下的低速、大缸径柴油机。186F柴油机活塞环转速为3600r/min 所以选用中压环2. 气环径向厚度的确定上面我们选择两道气环的背向间隙都为0.5mm.般柴油机气环的厚度为t =23.mm，86F活塞的环槽深为3mr所以选择两道气环的厚度均为t2.5mm3. 气环轴向宽度的确

48、定气环的轴向宽度分别为b3 ,b4我们已确定第一道活塞环侧向间隙为0.07mm.所以选择从、第一道气环的轴向宽度b3 =1.93mm ；第二道活塞环侧向间隙为0.05mm所以第二道活塞环的轴向4. 气环的自由端距的确定活塞自由端距用S表示，是指活塞环没装入活塞的卡槽内自由端的开口距 离。一般柴油机自由短距离在 48mm。186F活塞环自由端距为5mm5. 气环端隙的确定，气环的端隙又称为气环的开口间隙， 是气环卡入活塞槽内端口的间隙。 端口 间隙越小越好，因为间隙越小活塞环的密封作用就越好，186F活塞的端口间隙为 d =3.14D t： =0.00i2mm2.4.4油环设计1 .油环形状的确

49、定油环的功用是刮掉活塞上一行程留在汽缸壁上多余的机油，并在汽缸壁上铺涂一层均匀的机油油膜，为活塞下一行程做准备。这样可以迅速防止机油窜入汽 缸内被燃烧，良好的润滑减少气缸内的磨损。油环有整体式和组合式两种。整体 式油环包括：外阶梯倒角油环环、鼻形油环、开槽油环；组合式油环分为：弹簧胀圈油环、钢片组合油环等。如图所示:外阶梯倒角油环鼻形油环开槽油环弹簧胀圈油环图2.14.各类油环结构示意图（1）梯倒角油环外阶梯倒角油环广泛应用于缸径加大的柴油机，使用在向下刮油和布油环， 效果很理想。（2）鼻形环切口呈鼻形外切扭曲环。作为中速发动机的向下刮油环。 钩形切口保证了刮 油边尖角的竖实性和不变形侧面接触

50、宽度。（3）开槽油环在平行的两个侧边，有两个接触环，并有回油环和回油孔。由由于窄环，可 以获得高的压力的油环是最常见的。 它通过回油槽把刮油带一分为二，根据实际 应用需求，想改变油环表面接触压力和刮油效率需要通过控制刮油带的宽度(4) 弹簧胀圈油环在油环背面增加多形式的弹簧，称为弹簧胀圈油环，弹簧胀圈油环的结构型 式有很多种。螺旋弹簧由方形或圆形截面的钢丝制作， 环的接触压力通过弹簧扩 胀作用而获得。衬簧可以增加、均匀环的压力，使环弹性稳定，促使活塞油膜均匀、磨损下 降。为了减少油环，螺旋环接触表面的磨损，可以将衬簧和环背面设计成镀铬抗。 该环广泛用于高速发动机。(5) 钢片组合油环钢带组合油

51、环由上刮片、图2.14钢片组合油环下刮片和轨形撑簧组合构成的一种先进的组合油环形式。撑簧的作用是不光使刮片与气缸壁贴的很紧，而且还使刮片与环槽侧面贴 的很紧。该组合油环的优点是接触压力大，既可以提高刮油能力，而且还可以防止窜油。除此之外，上刮片和下刮片能单独工作，钢片组合油环的适应能力强。 但制作材料需优质钢，成本高。经分析，186F活塞组设计油环选用钢片组合油环，因为钢片组合油环刮片 与气缸壁贴紧，刮片与环槽侧面也贴的很紧，这样加强了刮油能力及工作耐久 性，能够满足其工作要求。2.4.5油环的计算1. 承压环的确定按活塞环承受的压力不同，活塞环可分为三类：高压环，用于很高转速的的 内燃机，转

52、速范围是n = 3600 4500r/min ；中压环，用于高速柴油机或一般汽 油机，n = 2000 3600r/min ;转速低于2000转/分的内燃机为低压环一般用在 大缸径柴油机上。186F柴油机活塞环转速为3600r /min所以选用中压环2. 钢片组合油环径向厚度的确定确定径向厚度t2，因为上面我们已经确定油环的恻隙和背隙。选择油环背向间隙为0.5mm 186F活塞的油环槽深为 3mm所以选择油环的径向厚度为 t2 =2.5mm3. 钢片组合油环轴向宽度的确定钢片组合油环是由上刮片、撑簧和下刮片构成的。油环的轴向宽度b5.我们已确定油环侧向间隙为 0.04m m油环的环槽高度为 4

53、mm所以选油环的轴向宽度 b5 = 3.96mm，上刮片和下刮片的尺寸是相同宽度都为0.94mm,撑簧的宽度为1.88mm.4. 钢片组合油环自由端距的确定活塞自由端距用S。表示，是指活塞环没装入活塞的卡槽内自由端的开口距 离。一般柴油机自由短距离在 48mm。186F活塞环自由端距为4mm2.5活塞裙部的设计2.5.1裙部形状设计及尺寸确定活塞裙部是指活塞头以下的部分活塞， 不过不包括活塞销和活塞销座。 裙部 的形状选择首先应该考虑在气缸内应该起到良好的导向作用，其次考虑活塞应该与气缸壁保持均匀的、适宜的间隙。间隙过大活塞敲缸，间隙过小活塞可能被气 缸卡住。另外活塞应该有良好的承受侧向力的能

54、力。活塞工作的温度很高，活塞裙部受热易变形，表现为活塞销孔轴线尺寸的增 加。活为了避免活塞裙部的变形，尽量减少活塞头部传给裙部的热量，另外应该将活塞裙部横断面设计为椭圆形。活塞裙部主要承受侧向压力。活塞裙部的表面比压一定要控制在一定的范 围内，确保活塞裙表面有一定的润滑油膜。因此，再设计活塞裙部的长度应首先要考虑是否有足够的承压面积，尽量减少磨损。186F活塞群部设计长度如下：活塞的头部高度为hi h 24.8mm活塞总高为79mm所以活塞裙部的长度尺寸为54.2m.活塞裙部的椭圆半径为r=56.14mm活塞椭圆裙部的过度圆角为r=1.5mm椭圆裙部圆弧长为80.49mm椭圆裙部最低位置的长2

55、4.5mm活塞裙部的配合间隙对活塞润滑起到至关重要的作用。 合理选择活塞群补配 合间隙，经过大量查阅资料查出活塞裙部和气缸套配合间隙在0.130.195毫米范围内。所以选186F活塞裙部配合间隙为0.15毫米。0 UAo 0.01A 0 05A3045600.125A图2.15.活塞销裙部的椭圆形状示意图2.5.2裙部的尺寸的强度校核裙部单位面积压力（裙部比压）按下式计算:_ N maxq (2.15)DH 2式中：N max最大侧作用力。D 活塞直径;H2-裙部高度 ;般在膨胀冲程上止点附近活塞在工作中受周期性变化的气压力直接作用,（与竖直方向10）达到最大值而槪2AFpPz盲 Dpz（2.16）式中一一活塞投影面积；D气缸直径；Pz 气缸内工质的最高燃烧压力（巴，1巴=15汽），一般柴油机为6090 巴。取 Pz =75,则 186F(2.17)Nmax =Pzta n10 =37157.5 0.1763 = 6550.87N取 H 2 = 0.63 D = 0.63 86 = 54 mm6550.8786 54=1.4M