6100柴油机活塞设计

1、100柴油机活塞设计、100系列柴油机主要结构尺寸及参数:气缸直径D100mm活塞行程S115mm缸数4曲柄半径R57.5mm冲程数4有效功率60kw转速2400r/min平均有效压力1.05MPa升功率21.52kW/L最大爆发压力5.5MPa二、活塞材料选取：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

2、缸套材料间的摩擦系数较小），耐磨、耐蚀；（6）工艺性好，低廉。几种材料的比较：（1）灰铸铁：优点是耐磨性、耐蚀性、耐热性好、热强度较好、膨胀系数小，成本低， 工艺性好；但其材料密度大，相同的活塞结构尺寸，质量比铸铝材料打，因而不宜用于高速 发动机。铸铁材料导热性差，不利于向外传递活塞热量导致活塞的热负荷比较大，因而现只 应用于大中型、低速柴油机。（2）铝基合金：优缺点与灰铸铁相反，密度只有灰铸铁的1/3，相对密度为2.65-2.82。 因此惯性小，有利于高速发动机的发展。此外，其导热性非常好，热导率比铸铁大很多。现 今主要包括以下几种常用铝合金：铝硅合金；铝铜合金;铝硅铜合金。共晶铝硅合金 是

3、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%左右的亚共晶铝硅合 金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广。综上所述，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。三、活塞的结构设计：1.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。（1）压缩高度的确定：压缩高度1H是由火力岸高度七、环带高度七和上裙尺寸h3构 成的，即：H = q + h2 + h3第一道环位置：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， 即所谓火力岸高度%。为缩小气，当然希望h尽可

4、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。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷 要求的前提下，尽量取小点。一般柴油机h=（0.15-0.25）D，D为活塞直径。有火力岸高度七=0.2 x D = 0.2 x100 = 20mm环带高度：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。彳也太小，使制环工艺困难。在小型 高速内燃机上，一般气环高b=2-3mm，油环高b=4-6mm。该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称之为油环。其中 b = 2.5mm, b = 2.

5、5mm, b = 5mm环岸的高度c，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。环岸高度一般第一环最大， 其它较小。实际发动机的统计表明，C =（1.5-2.5）b c = c = （1 -2）b。 TOC o 1-5 h z 11231 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document c = 2b = 5mm,c = 1.6b = 4mm因此，环带高度h = b + b + b + c + c = 2.5 + 2.5 + 5 + 5 + 4 = 19mm HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 212312上群高度：

6、确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度H1最后决定于活塞销轴线到最 低环槽（油环槽）的距离（1-1）。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。所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使 销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也 不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。综上所述，可以决定活塞的压缩高度 H。对于柴油机H =（0.6-0.8）D，所以取压缩高度 H 1 = 0.7 D = 0.7 x 100 = 70mm上群高度 h3 = H1 - h1 - h2 = 70 - 20 -19 = 31m

7、m活塞顶和环带断面活塞顶：活塞顶的形状主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。 实际统计数据表明，活塞顶部最小厚度，柴油机为& = (0.10.2)D，取为，5 = 0.15x 100 = 15mm。专门的实验表明，对无强制冷却的活塞来说，经活塞环传到气缸 壁的热量占7075%，经活塞本身传到气缸壁的占1020%，而传给曲轴箱空气和机油的 仅占10%左右。所以活塞顶厚度 应从中央到四周逐渐加大，而且过渡圆角r应足够大，使 活塞顶吸收的热量能顺利地被导至第二、三环，以减轻第一环的热负荷，并降低了最高

8、温度。 活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般 取 r = (0.05 0.1)D，取 r = (0.05 0.1)D = 0.075 x 100 = 7.5mm。环带断面：为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚 使导热良好，不让热量过 多地集中在最高一环，其平均值为5 = (23)t，正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合 间隙，对于环和环槽工作的可靠性与耐久性十分重要。槽底圆角一般为0.20.5mm。活塞环 岸锐边必须有适当的倒角，否则当岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为 严重漏气和过热的原因，但倒角过大又使活塞环漏气增加。一般该倒角

9、为0.20.5x45环岸和环槽：环岸和环槽的设计应保持活塞、活塞环正常工作，降低机油消耗量，防 止活塞环粘着卡死和异常磨损，气环槽下平面应与活塞轴线垂直，以保证环工作时下边与缸 桶接触，减小向上窜机油的可能性。目前，第一环与环槽侧隙一般为0.050.1mm，二、三环为0.030.07mm，油环则更小。活塞环的背隙A比较大，以免环与槽底圆角干涉。一般气环=0.5mm，油环的则更大 些。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1p比下面压力2p大得多，不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪 切应力，岸根有可能断裂，当活塞顶上作

10、用着最高爆发压力Pz时，由数据可知p.5MPap1 机 0.9p = 0.9 x 5.5 = 4.95MPaP2 机 0.2p = 0.2x 5.5 = 1.1MPa环岸是一个厚c 1、内外圆直径分别为D、D的圆环形板，沿内圆柱面固定，在通常的尺寸比例下，可假定环槽深t = 0.05 D = 0.05 x 100 = 5mm槽低（岸根）直径 D = 0.9 D = 0.9 x 100 = 90mm TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 作用在岸根的弯钜为（P - P ） v（D2 - D2）- = 0.0026p D3

11、12 42z环岸根断面的抗弯断面系数近似等于1 c兀x0.9D = 0.47c2D6 11所以环岸根部危险断面上的弯曲应力Q = 0.0026P?3 = 0.0055p (D)2 = 0.0055 x5.5 x (四)2 =12.1N/mm20.47c2Dz c15剪切应力t = 0.037p D = 0.037 x 5.5 x 100 = 4.07N / mm 21合成应力为b = Jb 2 + 3t 2 =、f12.12 + 3 x 4.072 = 14N / mm2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，铝合金的许用应力为L = 30 - 40N/mm2，由于b = 14N

12、/mm2 b，所以强度符合，安全r四、活塞群部的设计：活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。活塞沿气缸往复运动时，依靠 裙部起导向作用，并承受由于连杆摆动所产生的侧压力N。所以裙部的设计要求，是保证活 塞得到良好的导向，具有足够的实际承压面积，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，也不因间隙过小而导致活塞拉伤。为了避免拉毛现象，在活塞裙部与气缸之间必须预先流出较大的间隙。当然间隙也不能 留得过大，否则又会产生敲缸现象。解决这个问题的比较合理的方法应该使尽量减少从活塞 头部流向裙部的热量，使裙部的膨胀减低至最小；活塞裙部形状应与活塞的温度分布、裙部 壁

13、厚的大小等相适应。群部的尺寸和销孔的位置：活塞裙部是侧压力N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q不应超过一定的数值。因此，在决定活塞裙部长度是应保持足够的承压面积， 以减少比压和磨损。裙部单位面积压力（裙部比压）按下式计算:a =maxDH2（其中Nmax为最大侧作用力，D为活塞直径，mm； H 2为群部高度，mm）活塞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（与竖百方 向10。）达到最大值七兀Pz = Fp(Pz T) = 4 D2(Ps T)（其中，Fp为活塞投影面积；D为汽缸直径；Ps为气缸内工质的最高燃烧压力，一般柴油机为6090bar）取Ps =80，则兀兀-P = F (p -1) = -D2(p -1) = -x0.12 x (80-1)x 105 = 62046N则 N = P tan