【正文】 周的時間，所做的設(shè)計基本上達(dá)到了活塞設(shè)計要求，繪制出了活塞零件與裝配圖，并利用 Pro/ENGINEER軟 件進(jìn)行了三維實體建模，將設(shè)計中的尺寸運用軟件進(jìn)行檢驗，使相關(guān)尺寸選取更為合理?；钊Y(jié)構(gòu)與普通活塞基本相同，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較油道冷卻活塞低。為保證活塞頂有足夠的強度及第一環(huán)槽溫度不超過 230oC 左右，在強化的大功率中、高速柴油機上普遍采用機油噴射冷卻活塞頂部，或者把機油直接引入活塞油腔，因此在活塞設(shè)計上出現(xiàn)油冷活塞和組合活塞 [7]。為了提高活塞環(huán)槽的耐磨性， 1931 年德國人馬勒設(shè)計了鑲?cè)︿X活塞。Sw=Sk+ΔS 式中： Sw— 熱態(tài)間隙； Sk— 冷態(tài)間隙； ΔS— 升溫后間隙增大量。表 210 給出不同矩形環(huán)、油環(huán)與環(huán)槽底徑徑向間隙的推薦值。共晶 AlSi 合金活塞各個重要部位與氣缸之間的間隙值參考圖 225取值。這種組合油環(huán)的優(yōu)點是接觸壓力大，既可增強刮油能力，又能防止上竄機油。當(dāng)活塞下行 時，錐面環(huán)能起到向下刮油的作用。 氣環(huán)的斷面形狀多種多樣，根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點和強化程度， 選擇不同斷面形狀的氣環(huán)組合，可以得到最好的密封效果和使用性能。與普通活塞相比，這種活塞的裙部在全長上保持等橢圓，從而使裙部配缸間隙在各種工況下均能保持較小間隙，其側(cè)表面形狀采用圖 223(f)所示的正圓柱形狀。橢圓度沿活塞高度有不變化和變化兩種，將在活塞側(cè)表面形狀中討論。 ② 活塞頂上受到燃?xì)鈮毫Φ淖饔?，使活塞頂部在銷座跨度內(nèi)發(fā)生彎曲，并使活塞裙部有向外擴張的趨勢。按照 活塞銷承壓面積或長度與連桿小頭襯套的承壓面積或長度為 9:8可知，銷座單邊的承壓長度可選為 21mm。 已知條件如下：銷座材料為 鑄造共晶 AlSi 合金 ，其許用擠壓應(yīng) 力 [σb]=200Mpa；銷座中承壓面投影面積 St==；活塞上的總作用力 PΣmax= Pg+Pjmax =。這種結(jié)構(gòu)是提高銷座承載能力的有效辦法，在強化柴油機上普遍采用。 ⑤ 在活塞頭部合理布置冷卻油道，使其有效地隔斷熱流，提高第一環(huán)槽冷卻效果。本設(shè)計的活塞頭部截面形狀可以參考圖 211第 16 圖。 ② D100mm， n3000～ 3500r/min 的高速柴油機為降低油耗，改善起動性，有廣泛采用直噴式燃燒室的趨向。初步選定 SL 的范圍為 63mm，根據(jù)計算，裙部比壓 QSmax= PNmax/（ ）=，在 ～ 之間，滿足要求 ① 。 黃永波：柴油 機活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 裙部長度 SL 根據(jù)裙部功用對不同類型內(nèi)燃機活塞裙長應(yīng)考慮如下三點： ① 裙 部應(yīng)有一定長度和足夠的承壓面積，使裙部比壓 QS（最大側(cè)壓力與裙部投影面積之比）控制在 ～ 之間。第一環(huán)岸溫度較高，承受的氣體壓力最大，且易受環(huán)的沖擊，因此更易斷裂。應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷及活塞冷卻情況確定 F，使第一環(huán)槽溫度不超過允許極限。銷座間距數(shù)據(jù)范圍參考《新型鋁活塞》（國遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計 7 防工業(yè)出版社）圖 29和表 21 選取。為提高活塞銷抗彎能力及降低銷座與連桿小頭的比壓，希望活塞銷外徑盡量大些。 ④ 保證導(dǎo)向部分潤滑可靠，同時防止?jié)櫥蜕细Z，盡可能降低潤滑油耗量。Cm==對于缸徑小于 150mm 的各種柴油機活塞的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)表明： Pme 活塞選型 將根據(jù)柴油機強化指標(biāo)、使用要求 和加工條件等方面綜合考慮活塞的選型，主要方法如下： (1)根據(jù)單位活塞面積功率 NF 或平均有效壓力 Pme，選擇合適的活塞結(jié)構(gòu)，參考 《新型鋁活塞》（國防工業(yè)出版社）圖 17 和表 14,保證活塞能承受所規(guī)定的機械負(fù)荷與熱負(fù)荷。tanβ (18) 連桿作用力 Pk 使連桿受到壓縮和拉伸，側(cè)作用力 PN，當(dāng)連桿對氣缸中心線傾斜時，氣缸壁受到活塞的側(cè)向推力，它影響到活塞與氣缸壁之間的摩擦磨損，用于活塞裙部計 算。經(jīng)計算可知， Pjmax=(+)8803=。所以由該柴油機的Cm=，從表 11 中可知 ，該柴油機為轎車用柴油機。 活塞運動學(xué) (1) 活塞的位移 活塞上止點對應(yīng)的曲柄位置作 為曲軸轉(zhuǎn)角 α的起點，此時活塞的位移等于零（圖 11）。同時，也熟悉了各大專業(yè)技術(shù)論壇。 三、 設(shè)計 要求 （ 1）總裝圖 1 張 （ 2）零件圖 2 張 （ 3）課程設(shè)計說明書（ 5000～ 8000 字 ） 1 份 四、進(jìn)度安排（參考） （ 1）熟悉相關(guān)資料和參考圖 2 天 （ 2）確定基本參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)尺寸 2 天 （ 3）設(shè)計計算 3 天 （ 4）繪制總裝配草圖 4 天 （ 5）繪制總裝配圖 2 天 （ 6）繪制零件圖 2 天 （ 7） 編寫說 明書 3 天 （ 8） 準(zhǔn)備及答辯 3 天 五、指導(dǎo)教師評語 成 績： 指導(dǎo)教師 日 期 I 摘要 本課程設(shè)計的主要內(nèi)容是柴油機活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計，在課程設(shè)計中完成的工作有：給定參數(shù)下活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模 。 通過本次課程設(shè)計，使我對所學(xué)的知識做了一個較為全面的回顧，有助于從中找出自己的不足之處。在本設(shè)計中， R=59mm， L=178mm， λ=59/178=。 活塞動力學(xué) (1)往復(fù)慣性力 內(nèi)燃機的往復(fù)運動質(zhì)量為活塞質(zhì)量 mp 和連桿組往復(fù)質(zhì)量 m1 之和。一般 P’為常數(shù)， Pg 完全取決于氣缸內(nèi)的氣體壓力。同時考慮到該柴油機為車用柴油機，對噪聲的要求較為嚴(yán)格，所以選取活塞的基本結(jié)構(gòu)為熱膨脹控制鋁活塞。參考 《新型鋁活塞》（國防工業(yè)出版社）圖 18，可知在直徑為 100mm 時，鑄造鋁活塞的重量是最輕的，所以從這減輕 活塞組重量的角度考慮，選用鑄造鋁活塞是合理的。Cm=～ 對噪聲要求嚴(yán)格的汽車柴油機活塞，往往選用熱膨脹控制活塞。 ⑦ 活塞與氣缸的配合間隙小，以減少對氣缸的撞擊和噪聲，以及使變工況適應(yīng)性好。 由表 21 可知， BO/D=～ ， BO 的范圍為 30～ 40mm；由圖 28 可知， BO 的范圍為 31～ 41mm。 壓縮高 KH 壓縮高影響內(nèi)燃機總高度，而且影響氣缸、機體的尺寸和重量?？紤]到該柴油機為中功率，初步選定 F=12mm。 因此，該柴油機選用 2 道氣環(huán)， 1 道油環(huán)。如：活塞在下止點時，裝在下裙的油環(huán)不應(yīng)露出氣缸，及連桿和曲軸的平衡塊不要和下裙相碰。 由圖 22可知， GL=80～ 150mm；由表 21可知， GL/D=～ ， GL 的范圍為 90～ 130mm。 因此，根據(jù)本設(shè)計中 D=100mm， n=3200r/min 的條件，以及該柴油機用于車用，對起動性能要求較高，所以選取的活塞頂形狀為半開式 ω 型燃燒室，具體形狀參考圖 211 第16 圖。因此，采取有利措施提高活塞頭部可靠性十分有必要，主要方法有 [3]： ① 活塞頂岸高度要使活塞在上止點時，第一環(huán)要處 在水冷區(qū)域內(nèi)。銷座的應(yīng)力分布取決于銷座和活塞銷兩者變形是否相互適應(yīng)，因此銷座設(shè)計與活塞銷統(tǒng)一考慮，要求活塞銷有較高的剛度，減少彎曲變形，要求銷座能承受高的壓力，且有一定彈性，使之適應(yīng)活塞銷的變形。共有三種定位方法，如下：彈性擋圈定位、擋塞定位和擋蓋定位。 活塞銷孔潤滑 由于本活塞設(shè)計中采用的是浮式活塞銷，所以要進(jìn)行潤滑。 活塞裙部設(shè)計 活塞裙的功用是：在氣缸中為活塞本身起導(dǎo)向作用；承受側(cè)壓力；將活塞承受的部分熱量傳給氣缸壁；控制機油耗量等。 在高速柴油機的裙部設(shè)計上，大多采取偏心圓弧與正失曲線結(jié)合的方法，如《新型鋁活塞》（國防工業(yè)出版社）圖 222所示。 推薦如下：上、下裙部的橢圓度 均 為 ，即上、下裙部的橢圓度均 為 。 氣環(huán)與油環(huán)設(shè)計 氣環(huán)設(shè)計 氣環(huán)的主要功用是密封和傳熱。 桶面環(huán)，環(huán)的外圓面為外凸圓弧形。氣環(huán)的徑向厚度 t=D/～ D/25=4～ ，取 t=[5]。 配合間隙 活塞與氣缸間的間隙 活塞用鋁合金的熱膨脹系數(shù)比氣缸用鑄鐵要大，因此受熱時活塞的熱膨脹大于氣缸，這一差值必須在冷態(tài)時采用一定間隙來 補償。 黃永波：柴油 機活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 活塞環(huán)與環(huán)槽間的間隙 ① 活塞環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙 活塞環(huán)在環(huán)槽中的軸向間隙是環(huán)槽高與活塞環(huán)高的差值。 活塞銷與銷孔間的間隙 活塞銷與活塞及連桿小頭之間一般采用浮動方式連接，即在內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)過程中，活塞銷會緩慢地轉(zhuǎn)動，這樣活塞銷的磨損較均勻。這兩種運動使得環(huán)槽和環(huán)側(cè)面出現(xiàn)磨損。由于該活塞采用 ω型燃燒室，所以選用帶燃燒室鑲塊的鑲?cè)?。本活塞的單位活塞面積功率計算如下：單位活塞面積功率 =70kW/(π102)= kW/cm2。