活塞组的结构设计与计算

1、目 录摘 要. I II Abstract . I V 1 前 言. I V1.1选题背景和意义. 11.2 论文的主要工作. 12 95系列柴油机活塞的设计. 22.1活塞的工作条件和设计要求. 22.1.1活塞的机械负荷. 22.1.2活塞组的作用与特点. 22.1.3活塞的润滑. 52.1.4设计要求. 62.2活塞的材科. 62.3活塞头部的设计. 72.3.1压缩高度的确定. 72.3.2活塞顶和环带断面. 92.3.3环岸的强度校核. 92.3.4活塞头部与气缸的配合. 112.3.5提高活塞头部及第一道环工作可靠性的结构措施. 112.4活塞裙部的设计. 122.4.1裙部的尺寸

2、和稍孔的位置. 122.4.2裙部的膨胀控制. 132.4.3活塞裙的配合间隙. 143 95系列柴油机活塞销和活塞销座的选型设计. 153.1活塞销和销座的强度和刚度. 153.1.1活塞销尺寸的确定. 153.1.2活塞销座的设计. 173.2活塞销和销座的耐磨性. 173.2.1承压面积. 173.2.2配合间隙和润滑. 183.3活塞销的结构、材料和工艺. 184 95系列柴油机活塞环的设计. 194.1活塞环的工作情况. 194.1.1活塞环的密封作用. 194.1.2活塞环的不正常运动颤振. 204.2活塞环的计算. 214.2.1均压环的自由形状. 214.2.2活塞环的弹力、应

3、力与结构参数的关系. 234.2.3活塞环参数的选择与验算. 254.2.4活塞环材料的检验. 254.3活塞环断面形状的设计. 264.3.1桶面环. 264.3.2扭曲环. 264.3.3锥面环. 264.4油环的设计. 284.4.1普通槽孔式油环. 284.4.2弹簧胀圈油环. 294.4.3钢片组合油环. 295结 束 语. 30谢 辞. 31参考文献. 32摘 要柴油机活塞是柴油机重要运动件之一, 由于它所处的工作条件相当严酷, 即高温、高负荷、高速运动、润滑不良和冷却困难等, 使其成为柴油机常见故障较多的零件之一。随着柴油机技术水平的提高, 95系列高速柴油机活塞的研制和运用,

4、气缸内平均有效压力、最高燃气压力和温度均急剧地提高, 使活塞处在更严酷的工作环境中。活塞已成为柴油机强化的一个最大障碍。这就给设计高速柴油机活塞的人员提出了一个这样的课题, 如何在提高发动机性能的前提下, 提高活塞工作的可靠性和耐久性。分析表明：通过合理的活塞设计，可以有效的提高活塞工作的可靠性，以及活塞的耐久性，充分发挥95系列柴油机活塞的耐久性。本次设计的任务主要是95系列高速柴油机活塞组的设计，包括活塞头，活塞环，活塞销座，活塞裙部，活塞销的设计。其中95系列高速柴油机活塞活塞头部设计是本次设计重中之重，因为它承受周期性变化的气压力直接作用，机械符合高达62000牛顿的机械负荷；活塞在汽

5、缸内工作时 ，活塞头部承受舜变高温燃气的作用，燃气的最高温度高达2000-2500度，而且活塞头部温度梯度分布极不均匀，这就造成活塞头部热应力分布不均，95系列柴油机活塞组头部承受极大热负荷。本次设计活塞头部通过采用耐高温，热膨胀系数小，比重小的共晶铝硅合金材料以及合理的头部高度设计，将有效减轻活塞机械负荷和热负荷，增强活塞寿命以及耐磨性。关键字：柴油机；活塞；活塞裙；活塞销AbstractThe diesel engine piston is one of the movement parts of diesel engine, since the fact that its part wo

6、rk term is considerably perishing ,high temperature , high burthen , high speed movement,lubrication badness,cooling hardness and so on, therefore it becomes one of diesel engine which commonly becomes break down. Along with 95 set diesel engine piston at a high speed development and in the wake of

7、the gasoline, engine technique levels raiseing ,equal valid pressure and the supremeest gas turbinepressure force and temperature all sharply lift, the piston is in the bitterer work environment . The piston has become the largest obstruction that the diesel engine is intensified . This is a problem

8、 for staff who design the diesel engine piston at a high speed to propose such task , and how is living to lift below the motor performance prerequisite , making 95 set diesel engine piston work dependability and stably .The analysis makes known : By means of the rightful piston design , the raise p

9、iston work dependability that may be valid , along with the piston endurance , the 95 set diesel engine pistons endurance are sufficiently brought into playThe designing mission chiefly is piston series of 95 set diesel engine at a high speed, including piston head ,piston packing ring ,the piston p

10、in and the piston skirt.Keywords :Diesel engine; Piston ; Piston skirt; Piston pin1 前 言1.1选题背景和意义活塞组主要用于发动机，它的工作情况在很大程度上影响了发动机的工作可靠性和使用的耐久性。活塞组要求有可靠的密封性，从而保证活塞式发动机的正常运转。活塞组包括活塞、活塞销和活塞环。其中活塞的设计是本次设计的重要内容。由于活塞组零件工作的条件都是在高温情况下，并且在很高的机械符合下做告诉滑动。同时由于周期性运动中连杆产生摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞还受一个交变侧压力，致使活塞不断撞击缸套，常导致活塞

11、裙部变形。一般的活塞设计要在保证强度和刚度的情况下，向着结构简单、轻巧，且截面变化处的过度要圆滑，从而减少应力集中1。现代发动机向着大功率高负荷方向发展，在高强度情况下更容易磨损，提高活塞组零件的工作可靠性和耐久性至关重要。本次设计基于此，活塞的设计是本次设计工作的重中之重。1.2 论文的主要工作（1）95系列柴油机活塞组的工作条件分析和设计；（2）95系列柴油机活塞的结构设计与计算，包括活塞设计要求，材料选择，活塞头部的设计与计算（压缩高度的确定，活塞顶和断面的设计，环岸的强度校核，头部与汽缸的配合等），活塞裙部的设计与计算；（3）95系列柴油机活塞销和活塞销座的结构设计与计算，包括活塞销和

12、活塞销座的尺寸确定，材料选择，强度和刚度计算；（4）95系列柴油机活塞环的结构设计与计算。2 95系列柴油机活塞的设计2.1活塞的工作条件和设计要求 图2-1 活塞的受力简图2.1.1活塞的机械负荷活塞组在工作中受周期性变化的气压力直接作用，一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值P zP z =Fp (pz -1= 2D (pz -1 10-3（牛顿） （2-1） 4式中F p 活塞投影面积(厘米2 ；D 气缸直径(毫米 ；p z 气缸内工质的最高燃烧压力(巴 ，可由实测发动机示功图得出。柴油机为6090巴。直径为95毫米p z 7.5MPa 的柴油机活塞顶上就作用着高达62000牛顿的气压力。可

13、见活塞的机械负荷很大，它使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一道环岸断裂等等。有时与它相配合的活塞销也会因此而卡死或断裂。目前发动机向高速发展活塞组的最大惯性力一般已达活塞本身重量的10002000倍(汽油机 和300600倍(柴油机 。周期性变化的惯性力引起发动机的振动，并使连杆组、曲轴组零件特别是轴承负荷加重，导致发动机耐久性下降。为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简便、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中采用强度低比重小的材料1。2.1.2活塞组的作用与特点一般活塞都是圆柱形体

14、，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中

15、垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。汽车中有上万个零件，大至如曲轴、变速箱体，小至弹簧垫圈、螺栓螺帽。每一个零件都有它的作用，象活塞环这样的“小不点”，从形状上看似简单，重量很轻，价格也很便宜，

16、但作用却非同小可。缺少了它固然汽车动弹不得，甚至它有一点什么小毛病，汽车也会不正常，要么耗油大，要么动力不足。在整个活塞组与气缸的配合中，活塞组中真正与气缸缸壁接触的是活塞环，它填补了活塞与气缸壁间的空隙，以封闭燃烧室，因此它也是发动机中最容易磨损的零件。活塞环一般由铸铁做成，有一定弹性，截面有多种形状，表面有涂层以增加磨合性能。当发动机运转时活塞会受热膨胀，因此活塞环有开口间隙，安装时为了保持密封性，要将各活塞环的开口间隙位置错开。一个活塞往往有三至四个活塞环，它们按照作用的不同，分为气环和油环两大类。气环装在活塞头部上端的环槽内，用来防止漏气，将活塞头部的热量传递到气缸壁，疏散活塞的热量。

17、油环的作用是防止润滑油窜入燃烧室，将气缸壁上过量的润滑油刮回到油底壳，它安装在气环的下方环槽内。只要保证密封功能的要求，活塞环数目少比数目多好，活塞环数目少既保持了最小的摩擦面积，减少功率损耗，又缩短了活塞的高度，相应也就降低了发动机的高度，目前高速汽油发动机一般是两道气环和一道油环。活塞本体结构型式可分为整体式和组合式；按有无专门冷却介质冷却可分为冷却式活塞和非冷却式活塞。中小型柴油机多用筒形非冷却式整体活塞。特点：顶板与圆周壁有较大的过度圆弧，且有较厚尺寸，使热流有较大的传递截面。这种活塞对活塞环的传热可靠性要求较高；多用铝合金（如ZL109等）制造，它导热好，活塞温度分布较均匀，热应力小

18、，质量小，往复运动惯性力也小；为防止高温时头部与缸壁大面积接触和低温时因间隙过大而漏气太大，往往在头部制有螺纹外圆等结构。随着功率及最高爆发压力的提高，活塞的热负荷越来越大，特别在大型低速机中，一般都采用冷却式活塞，且较多采用铸铁薄壁结构或铸钢铸铁组合活塞。 筒形活塞利用润滑油冷却的型式有图多种形式。有从连杆小端向活塞顶壁内侧喷出压力润滑油。有从设置在曲轴箱的压力油管对活塞喷油冷却，有活塞长裙壁中钻油孔将压力油引入活塞冷却腔，还有活塞头部埋设（铸设）冷却盘管。还有从连杆经活塞销上油孔至活塞顶部冷却腔，由于冷却油不充满油腔，故在活塞作变速往复运动时，油腔中润滑油产生振荡，对活塞振荡冷却。十字头式

19、采用润滑油冷却活塞实例。其结构由活塞头1、活塞裙3用柔性螺栓6紧固于活塞杆4而形成。用固定在活塞上的油管将曲轴箱压力润滑油引入活塞顶内膛腔，振荡冷却后由较高的出油管泄入曲轴箱。结构特点：顶较薄，内外温差应力较小，顶板下有8根径向加强筋，这样形成薄壁强背结构型式，使冷却效果提高。活塞顶壁与圆周壁面过度圆角厚度也小，热量由顶壁传向圆周壁较少，使活塞环温度不高。活塞头部装有五道气封活塞环，活塞裙部装有四道青铜承磨环，用以改善裙部与气缸套磨合性能。活塞裙较长，保证活塞在上止点时遮闭进排气口。组合式结构，顶部用耐热合金钢，裙部用耐磨合金铸铁制造，这样使材质合理使用，制造简化。活塞顶与裙部用柔性螺栓从裙部

20、倒拧入活塞顶，细长螺栓采用球面垫圈，使螺栓抗疲劳强度提高，防止因对中误差造成的螺栓附加弯曲力矩。活塞顶与裙部安装支承面必须精密加工并拂刮，使接触面积大于85；活塞顶外圆圈与裙部接合部位轴向间隙将影响到工作后活塞顶的变形及应力分布，故有明确规定。在大功率中高速柴油机中，近几年开始应用新型整体的铸铁活塞。它用球墨铸铁制造、壁部较薄，也称“薄壁球铁”活塞。其结构特点如下：采用薄壁桁架结构，依靠设在顶壁的筋肋来承受最高燃烧压力。因刚度大质量小，已与钢顶铝裙组合活塞质量接近。活塞销座与活塞顶壁用筋肋与活塞销毂水平方向筋肋相联，最高爆发力经筋肋传给销座而不影响裙部围壁。这种悬挂式弹性销座使活塞裙部可以做成

21、薄壁圆筒。冷却油腔做得较大，振荡冷却效果显著。与缸套配合间隙仅为铝合金活塞的一半，且冷热态几乎一样，活塞对缸套晃动、敲击得以防止和减轻2。2.1.3活塞的润滑活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动(活塞平均速度已高达12米秒 ，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大(活塞组的摩擦损失约占发动机全部摩擦损失的40），磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。由于活塞在不同工况下具有非常不同的温度，所以在不同工况下始终保持最佳的配合间隙成为十分复杂的问题。2.1.4设计要求活塞是在高负荷、高温、高速、润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求：（1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热

22、性好、具有良好减磨性、工艺性的材料；（2）有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；（3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；（4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；（5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；（6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。当进行活塞的结构设计时，应着重解决的问题是：（1）改善活塞顶及第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结、卡死和过度磨损；（2）改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂；（3）确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减小配缸间

23、隙，改善磨损并使运转平顺2。2.2活塞的材科根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：（1）热强度高。即在300400 C 高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；（2）导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力；（3）膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙；（4）比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；（5）有良好的减磨性能(即与缸套材料间的摩擦系数较小 ，耐磨、耐蚀；（6）工艺性好，价廉。由于上述要求往往是互相矛盾的，因此，到目前为止，还没有一种能全面满足上述要求的单一材料，现在常用的活塞材料是铸铁、铝合金和钢。所以，选铝合金作

24、为活塞材料。在活塞式发动机中，灰铸铁由于耐解性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。在更严重的负荷条件下，则用珠光体可锻铸铁、珠光体球墨铸铁等。在强化发动机中可以来用镀锡铝合金活塞。共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，既可铸造，也可锻造。含硅9%作用的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能良好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广3。根据以上分析，本次95系列柴油机活塞组活塞材料选用共晶铝硅合金。2.3活塞头部的设计活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此

25、，活塞头部的设计要点是：（1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；（2）保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；（3）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度H 1缩短l 单位，整个发动机高度可以缩短1.52单位，并显著减轻活塞重量。而H 1则直接受头部尺寸的影响。2.3.1压缩高度的确定活塞压缩高度H 1(图22 系由火力岸高度h 、环带高度h 3和上裙尺寸h 三部分组成的。活塞环的数目、环的位置和轴向高度、环与环之间的环岸高度等都直接影响尺寸H 1。.图2-2 95活

26、塞的设计尺寸（1）第一环位置根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸的高度h 。为缩小H 1，当然希望h 尽可能小，但h 过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。一般柴油机h=（0.150.25）D ，选和h=0.18D=14毫米（2）环岸高度为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b 应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。般气环高b 23毫米，油环高b 46毫米, 选第一气环高b=第二气环高b=第三气环3毫米，油环高b=6毫米，环岸高c 1=4毫米，c 2=3毫米。 （3）活塞环数活塞环数目对活塞头部的高度H 1

27、有很大影响。选3道气环，1道油环。（4）活塞销上面的裙部长度确定好活塞头部环的布置以后，高度H 1最后决定于活塞销轴线到最低环槽（一般是油环槽）的距离h (图22 。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。活塞销上面裙部长度对于活塞裙部在气缸内的良好导向也有很大影响。如果能使裙部与缸壁配合间隙很小，裙两端的尖角负荷就不会太严重，那么h '小些也无妨。不然，就希望h '适当大些4。一般柴油机H 1=（0.60.8）D ，选H 1=0.7D=60毫米；所以h '=27.5毫米。2.3.2活塞顶和环带断面(1活塞顶活塞顶的形状主

28、要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的活塞顶形状，即平顶。大多数汽油机正是采用乎项活塞，非直接喷射的高速柴油机，也采用平顶或接近平顶的形状。直接喷射式的柴油机，由于混合气形成的需要，活塞顶上应设有一定深度的凹坑作为燃烧室。活塞顶部的最少厚度，柴油机=(0. 10. 2 D ，选=0.15D=14.25毫米；h=15.2毫米。(2环带断面与环槽尺寸为了使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，应保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚'，其平均值'=（23）t '，本次95系列柴油机活塞组设计选D &#

29、39;=0.77D=73.15毫米，'=2.5t ' ；t '=3.9毫米, '=9.75毫米。2.3.3环岸的强度校核在膨胀冲程开始时，在爆发压力作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。由于节流作用，第一环岸上面的压力p 1比下面压力p 2大得多(图23 ，不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪切应力，当应力值超过铝合金在其工作温度下的强度极限或疲劳极限时，岸根有可能断裂，专门的试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力p z =7.5MPa时，p 10.9p z =6.75MPa，p 2=0.2pz =1.5MPa。图2-3 第一环岸的受力情况环岸是一个厚度为c 1,

30、 内外圆直径为D 、D '的圆环行板，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计算。(p1-p 2 t '(D2-D '2 =0.0026pz D 3 24而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于12c 1*0.9D=0.47c12D 6所以环根部危险断面上的弯曲应力=0. 0026p z D 30. 47c 1D 2=0.055pz (D (2 c 1同理得剪切应力=0.37pz按合成应力公式=2+32=34(2 考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用D (厘米2 c 1应力可取=3040牛顿/厘米2

31、5。计算得在此范围之内，所以本次95系列柴油机活塞组设计符合要求。2.3.4活塞头部与气缸的配合一般情况下，柴油机活塞头部和缸套的间隙，考虑到头部上高下低的温度造成不同的膨胀量，实际头部环区往往不是一个直径，而是几个阶梯圆柱面或者是一个连续的锥面，这是比较合理的。活塞头部直径也有这样设计的：使环区在工作温度下，外圆表面正好能与缸壁直接接触。这时活塞顶接受的热量一部分直接通过活塞头部传给缸壁，以减轻活塞环的热负荷，并可使环带温度下降约50C 左右，相应改善了环的耐久性及可靠性。有利于改头6。本次95系列柴油机活塞组设计铝合金选=0.0006D=0.063毫米。2.3.5提高活塞头部及第一道环工作

32、可靠性的结构措施在强化的柴油机活塞工作过程中，随着热负荷的增加，顶部的稳态及循环热应力会引起热疲劳裂纹，而第一环也是经常发生故障的薄弱环节，诸如粘结、卡死、严重磨损、弹性松弛等情况，对此必须予以重视，一般可采取以下结构措施来改善：（1）将活塞头部设计成具有良好导热能力的变截面所谓“热流型”。尽量降低热应力，并且不使热量过多地集中在第一环。（2）在第一环槽或燃烧室喉口，铸入耐热护圈，以增强环槽的耐磨性，防止喉头开裂。此时，允许稍增大环的侧隙，有利于防止环的粘结和卡死。（3）活塞在上止点时，第一道活塞环应处于良好的冷却区域。如水冷式发功机活塞第一环位置不高于水套冷却水区域。对风冷发动机则应保证第一

33、环处在有足够放热筋片地区域。（4）减小活塞头部与缸套的配合间隙，使活塞顶所接受的热量有一部分直接通过环岸传给缸壁，改善活塞头部及环的热负荷。（5）第一环采用梯形环，以防粘结。（6）在活塞第一环槽上方车隔热槽，使部分热流偏离第一环，减轻其热负荷。（7）在活塞顶部喷镀陶瓷或进行硬膜阳极氧化处理，形成高硬度的隔热层，增加了热阻，减少头部吸收的热量。（8）对活塞头部采取冷却措施。2.4活塞裙部的设计活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。活塞裙与气缸直接接触并高速滑动，同时承受由于连杆摆动所产生的侧压力P N (图21 。所以裙部的设计要求，是保证活塞得到良好的导向，其有足够的实际承压面积，

34、能形成足够厚的润滑油膜。既不因间隙过大发生敲缸，引起噪音和加速损伤，也不因间隙过小而在气缸中咬住，导致重大事故。因此，活塞裙结构设计中的基本思想，是如何在发动不同工况下始终保持它与气缸间有最合适的间隙。但是因为活塞材料铝合金的热膨胀系数比较大，在发动机从冷起动到全负荷甚至超负荷运转的不同工况下活塞的工作温度又在很大幅度内变化，所以要完全实现上述要求是不容易的7。2.4.1裙部的尺寸和稍孔的位置活塞裙部是侧压力P N （图21 的主要承担者。为保证活塞裙表面能保持住必要厚度的润滑油膜，其表面比压p s 不应超过一定的数值。裙部的长度H 3(图22 影响活塞工作的稳定性、噪音和耐久性， 目前一般就

35、根据p s 来估计p s =P N max P =N max =9(巴 F s 0. 01H 3D式中 P N max 最大侧压力(牛顿 ；F s 活塞活塞裙投影面积（厘米2 。在考虑活塞裙长度与活塞销位置的相互关系时，可以把活塞裙看作铰支在活塞销上的滑块。如果活塞侧压力P n 的作用线与活塞膨胀冲程时油膜合力R 一致，则沿滑块就可在现代发动机活塞裙许用比压ps =612巴(高速柴油机 。此比压值越大，则在活塞材料的选择、设计、加工、表面处理等方面越要仔细。故本次95系列柴油机活塞组设计选H 2=0.53D=50.35毫米，H 2=0.70H3=50.35毫米，b 1min =3毫米，h 2=

36、13毫米。2.4.2裙部的膨胀控制因此，在设计活塞裙时一方面必须尽量减少从活塞头部传给裙部的热量，采用膨胀系数小的材料或采用限制膨胀的专门措施；另一方面使括塞裙部的形状与活塞的温度分布、金属分布相适应，与机械变形造成的失圆相适应。根据上述认识，在生产实践中采取下列三类结构措施。（1） 横向绝热槽和纵向补偿槽在活塞裙上端，或者最下面一道油环槽底加工出横槽，以减少从活塞头部传到裙部的热量，降低裙部的温度。与此同时还在活塞裙的次推力面上加工出纵向(带不大的斜度 直槽使裙部有一定的弹性。直档与上述横糟成T 形或成倒u 形，而在非推力面的销孔出口附近铸有深0.51毫米的凹陷面。（2）椭圆裙活塞工作时在销

37、轴方向尺寸伸长相对较多，为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙，不致在销孔附近卡住，在设计时把裙部做成长轴位于垂直销铀方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆形（图2-4a,b ）。 图2-4 典型活塞裙部椭圆形状公式 e 0=D -d (1-cos2 4式中 D 、d 分别是椭圆的长短轴。修正公式 e 0=D -d (1-cos2+(1-cos4 425式中 =1.782.4.3活塞裙的配合间隙活塞裙部和气缸套配合标准间隙为0.130.195毫米。故95系列柴油机活塞组设计选配合间隙为0.16毫米。3 95系列柴油机活塞销和活塞销座的选型设计活塞工作时顶部承受很大的气压力，它们全部通过销座传给活塞销，再

38、传到连杆。因而，活塞销与销座必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。其中活塞销的刚度有着关键意义，如果纵向刚度不足，则引起负荷分布不均匀，使销座疲劳破坏，导致活塞纵向开裂横向刚度不足，使销的失圆变形过大，润滑油膜遭受破坏，引起活塞销咬住8。3.1活塞销和销座的强度和刚度3.1.1活塞销尺寸的确定（1）95系列柴油机活塞销设计尺寸确定决定销尺寸时，按计算项目重要性的排列次序如下：活塞销的弯曲变形；活塞销的椭圆变形；销座上的表面压力；活塞销的应力。如图:根据95系列柴油机活塞销的工作条件故95系列柴油机活塞销设计选d 1=0.37D=38.85毫米；d 2=0.60d1=23.31毫米；l=0.

39、84D=88.2毫米；l 1=0.63d1=35.15毫米；B 1=0.97d1=34.09毫米；B '=B1+2=36.09毫米；公式 R 1+e =1.54 0. 5d 1得 R 1=24.34毫米；e=2.72毫米。图3-1 柴油机活塞销结构1活塞 2活塞销 3连杆 4连杆小头油孔 5活塞销座油孔（2）应力计算活塞销的应力是纵向变形所产生的纵向弯曲应力勺销的横断面失圆产生的横向弯曲应力的组合。活塞销的纵向弯曲应力可表示为1=0.093p z （牛顿/毫米2） 43(1-活塞销的横向弯曲应力2=0.06852p z 1+2*（牛顿/毫米） 2(1- 2由于总弯曲应力=1+2，因此4

40、p z 2(1+(1- 2+0. 74=295（牛顿/毫米2） =0.093324(1- (1-算出的总应力应在200400牛顿/毫米2范围内。计算得出在范围之内， 所以符合要求。3.1.2活塞销座的设计活塞工作时顶部承受很大的气压力，它们全部通过销座传给活塞销，再传到连杆。因而，活塞销与销座必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。其中活塞销的刚度有关键意义，如果纵向刚度不足，则引起负荷分布不均匀，使销座疲劳破坏，导致活塞纵向开裂横向刚度不足，使销的失圆变形过大，润滑油膜槽受破坏，引起活塞销咬住。要尽量提高销座的实际承裁能力，就须使它适应活塞销的变形，这一适应能力与下列三个因素有关：（1）活

41、塞销座的可变形长度。它决定于销座轴线到活塞顶的距离，即活塞压缩高度H 1；（2）活塞销座的结构和它的壁厚比；（3）活塞材料及其状态。活塞的压缩高度H 1=60毫米活塞的结构改进，首先是改变加强筋的结构形式，另一个结构措施是在销孔内压入衬套，这就在活塞销直径不变的前提下，提高了销座的实际承载能力9。本次设计选用铝合金做材料。3.2活塞销和销座的耐磨性活塞销和销座无疑是发动机中工作情况最恶劣的轴和轴承。一是负荷很大而承压面积很小；二是运转时活塞销与销座(或连杆衬套 之间只在不大的角度内相对摆动，无法形成充分的油膜；三是温度可达到150 C 左右，润滑油性能下降；四是由于前面分析过的变形，压力分布很

42、不均匀。因此要保证工作可靠，必须在承压面积、配合间隙、摩擦表面质量等方面进行详细的研究10。3.2.1承压面积一般销的全长实际上为l=(0.70.85D,本次95系列柴油机活塞销选L=0.84D=79.8毫米，因此销座的承压面积F 1=0.02l1d 1=16.5毫米2连杆衬套承压面积F 2=0.01B1d 1=14.8毫米23.2.2配合间隙和润滑活塞销和连杆衬套配合标准间隙为0.0350.057毫米。本次设计选配合间隙为0.046毫米。摩擦速度较小，润滑间隙也较小，不需要大量机油进行润滑，只要能维持薄层油膜就行。3.3活塞销的结构、材料和工艺活塞销的结构，正如前面所指出的，为了在最轻的重量

43、下获得最大的刚度，一般都呈中空的圆柱形(图32a ，柴油机活塞销由于负荷大，外径很大，而壁厚考虑到失圆变形问题也不能太薄，因而往往很笨重。但是实际上销座的负荷是向外逐渐减小的，所以在销座长度内活塞销的壁厚可以向外逐渐减小，而不致使失圆变形超出允许值，因此，为了减轻重量，柴油机活塞销内孔应制成锥形的(图32b ，但是锥孔部分不应该延伸到活塞销中央，而应只比销座支承长度稍深一些，销端部的最小壁厚可以减小到原壁厚的一半。故本次95柴油机活塞销设计，活塞销的材料选用高级合金钢。制作工艺使用冷挤压的加工工艺。 95系列高速柴油机活塞销结构4 95系列柴油机活塞环的设计活塞环是内燃机关键零件之一，活塞环工

44、作的好坏直接影响发动机性能。按其功用不同，活塞环可分为气环与油环两类。气环的主要作用是与活塞一起密封气缸工作腔。在实现密封的条件下，环的另一作用是将活塞头部热量导出。因为活塞环一旦密封失效，大量高温燃气从活塞与气缸间的缝隙中窜出，不但活塞从顶面接受的热量不能借助活塞环传给气缸壁，而且活塞外圆表面和活塞环的全部表面还被燃气强烈加热，最后可能导致活塞和活塞环烧坏。所以对气环的根本要求就是保证密封。油环的主要作用是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并避免多余的润滑油窜入燃烧室，造成积炭和增大润滑油消耗量。4.1活塞环的工作情况4.1.1活塞环的密封作用图4-1 活塞环所承受力 图4-2 通过环系的漏气通路 Pr 径向不平衡力 Pa轴向不平衡力气环要有良好的密封作用，首先应以一定弹力P 0与气缸壁压紧，形成所谓第一密封面(图41 ，使气体不易通过环周与气缸之间， 而钻入环与环槽间的空间。由三个气环组成的迷宫式通道(图856 将使气缸中压力为p 的燃气在经过节流后，压力迅速下降，正常情况下，其比例大致是：p 1086p,p 2020p ，p 30 076p使正常漏气量只有吸气量的o 21。这就是环式密封系统所以能成功地应用，并使往复活塞式发动机具有强大生命