【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，它們是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。所以 要求設(shè)計(jì)出的 活塞 ，滿足活塞設(shè)計(jì)的技術(shù)要求： (1)使用熱強(qiáng)度好、耐磨比重小、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、工藝性好的材料； (2)有合理的形狀和壁厚，保證散熱良好，強(qiáng)度、剛度符合要求，重量輕，避免應(yīng)力集中； (3)保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油少； (4)在不同工況下保持活塞與缸套的最佳配合 間隙； (5)減少活塞從燃?xì)庵形諢崃?，而已吸收的熱量能順利地散走?(6)在較低的機(jī)油油耗條件下，應(yīng)該保證滑動(dòng)面上有足夠的潤(rùn)滑油 [8] 。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及工作 (1) 根據(jù)二甲醚燃料的特性 對(duì) 2100T 柴油機(jī)進(jìn)行 工作過(guò)程計(jì)算得到燃燒室混合氣瞬時(shí)爆發(fā)的最高溫度和壓力，根據(jù)教材和原有活塞原型設(shè)計(jì)出二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，和已有的研究成果和實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型，確定活塞其他各處傳熱的換熱邊界條件。 (2) 應(yīng)用軟件 PRO/E 對(duì) 活塞 進(jìn)行實(shí)體建模，并進(jìn)行模擬的運(yùn)動(dòng)分析。并將 活 10 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 塞 模型圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程圖并結(jié)合 CAD 軟件，完成 其圖樣的繪制，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。 (3) 應(yīng)用 ANSYS 軟件 ，將邊界條件加載到有限元模型中，計(jì)算出活塞在穩(wěn)態(tài)條件下的溫度場(chǎng)，對(duì)活塞的熱負(fù)荷進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 (4) 以穩(wěn)態(tài)條件下得到的溫度場(chǎng)作為邊界條件，施加約束，計(jì)算活塞在溫度載荷下的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。 (5) 分析活塞在最大爆發(fā)壓力的受力情況，忽略一些次要的受力，計(jì)算出活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件，耦合穩(wěn)態(tài)條件下的溫度場(chǎng)，施加約束條件，得到活塞在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷共同作用下的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。 11 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算 本課題 2100T 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)原始參數(shù) 表 21 2100T 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī) 機(jī)參數(shù)表 缸徑 D=100mm 活塞行程 S=120mm 連桿長(zhǎng)度 L=200mm 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n=2021r/min 壓縮比 16 供油提前角 18 缸數(shù) i=2 額定功率 eP = 大氣壓力 op = 大氣溫度 oT =288K gc gh go 示功圖豐滿系數(shù) Hμ低熱值 27600kJ/kg 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī) 工作過(guò)程計(jì)算 （一） 排氣過(guò)程 排氣壓力： MPa? 12 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 排氣溫度： ? （二） 進(jìn)氣過(guò)程 (1) 進(jìn)氣終了壓力： MPa? (2) 進(jìn)氣終點(diǎn)溫度： ? （三） 壓縮過(guò)程： (1)壓縮終點(diǎn)壓力： M P a? (2)壓縮終點(diǎn)溫度： ? （四）燃燒過(guò)程： (1)理論所需空氣量： 0 ? (2)實(shí)際分子變更系數(shù)： ?? (3)燃燒 最高 溫度： ? (4)最高燃燒壓力： MPa? （五）膨脹過(guò)程 (1)膨脹終點(diǎn)壓力： MPa? (2) 膨脹終點(diǎn)溫度： 977KbT ? （六）發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo) (1)平均指示壓力： MPa? (2)指示熱效率： ?? (3)有效熱效率： ? ? (4)有效燃油消耗率： 3 5 2 .5 2 g /eg kW h?? (5)平均有效壓力： MPa? (6)有效功率： ? (7)通過(guò)上述算出條件，繪制出 Pφ 圖 13 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 圖 21 2100T 二甲醚 柴油機(jī) Pφ?qǐng)D (8)通過(guò)上述算出條件，繪制出 Tφ 圖 圖 22 2100T二甲醚 柴油機(jī) Tφ?qǐng)D 14 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 3 活塞組設(shè)計(jì) 根據(jù)活塞工作條件，在進(jìn)行活塞設(shè)計(jì)時(shí)首先要求 [913]： （ 1） 選用的熱強(qiáng)度好，散熱性好，熱膨脹系數(shù)小，耐磨、有良好減摩性和工藝性的材料。 （ 2） 形狀和壁厚合理，吸熱少，散熱好，強(qiáng)度，剛 度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中，與缸套有最佳的配合間隙。 （ 3） 密封性好，摩擦損失小。 （ 4） 重量輕 活塞材料選擇 活塞工作時(shí)，由于承受極高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，對(duì)活塞的材料有以下要求： 強(qiáng)度高、重量輕、良好的滑動(dòng)性絕熱和導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)小良好的耐磨和耐腐蝕性根據(jù)現(xiàn)有機(jī)型，常用的活塞材料有： 1)灰口鑄鐵 灰口鑄鐵是較早應(yīng)用于活塞的制造材料，它有：耐磨，耐蝕，耐熱，熱強(qiáng)度好，膨脹系數(shù)小，成本低，工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。但是它的材料密度大，在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，質(zhì)量大，不適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。 2） 鋁合金 目前采用較多的是硅鋁系合金，它 是在鋁中加硅（ SI）以減小熱膨脹系數(shù)，提高耐磨、耐熱性能，改善鋁合金鑄造性能。在硅鋁系合金中，雖然亞共晶硅鋁合金的常溫和高溫強(qiáng)度均為最佳，但其熱膨脹系數(shù)較大（ 241061/℃ ）。對(duì)于共晶硅鋁合金（含硅 11%～ 13%），其膨脹系數(shù)較?。?1061/℃ ），但切削性比亞共晶硅鋁合金和銅鋁合金差。即便如此，共晶硅鋁合金仍是現(xiàn)代活塞的標(biāo)準(zhǔn)鑄造鋁合金材料。 3） 耐熱鋼及球墨鑄鐵材料 高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，大多采用鋼頂鋁群，或鋼頂鑄鐵群的組合油冷活塞。鋁合金 15 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 為現(xiàn)在比較流行的活塞材料。 參照相似機(jī)型，對(duì) 2100T二甲醚 發(fā) 動(dòng)機(jī)的活塞，選用了 ZL109共晶硅合金。 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞頭部設(shè)計(jì) a 圖 31活塞結(jié)構(gòu)尺寸 H總高度 H1壓縮高度 h3上裙高度 h4孔銷高度 H2裙長(zhǎng) h1火力岸高度 h2環(huán)帶高度 c1環(huán)岸高度 b1氣環(huán)環(huán)槽高度 b2油環(huán)環(huán)槽高度 如圖 31 可看出活塞頭部包括頂部和環(huán)帶部?jī)刹糠帧?二甲醚燃料較柴油有更好的揮發(fā)性，為了降低二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。提高舒適度，活塞采用偏置式半球型燃燒室 ，偏心度 a 為 ，半徑為 18mm。 活塞 火力岸高度 h1 是根據(jù)強(qiáng)度、剛度及散熱條件來(lái)確定的。通常情況下，柴油機(jī)鋁活塞 h1 值約為 （ ～ ） D。為了使活塞的第一環(huán)槽能正常工作而不至于過(guò)早損壞，除了適當(dāng)?shù)倪x擇頂岸高度外，采取以下措施： 1） 保證活塞在上止點(diǎn)時(shí)，第一環(huán)的位置處與冷卻水套中。 2） 將第一環(huán)槽安排在活塞頂厚度以下。 即：活塞 h1=20mm。 16 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 環(huán)帶的高度 h2取決于氣環(huán)和油環(huán)的數(shù)目以及各環(huán)槽和環(huán)岸的高度。活塞環(huán)數(shù)取決于密封的要求，它與內(nèi)燃機(jī)的氣體壓力及轉(zhuǎn)速有關(guān)。由于漏氣量隨氣體壓力和氣缸直徑的增大而增大， 隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而減小，因此高速內(nèi)燃機(jī)的環(huán)數(shù)比低速內(nèi)燃機(jī)的少，汽油機(jī)的環(huán)數(shù)比柴油機(jī)的少。根據(jù)上述理論，采用三道氣環(huán)一道油環(huán)較為合理。 因受到高壓燃?xì)庾饔煤铜h(huán)對(duì)環(huán)槽肩的沖擊，環(huán)槽肩應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以防止環(huán)槽。而第一環(huán)受到的氣體壓力比其他環(huán)肩高，所以第一道環(huán)槽肩的厚度比其他環(huán)槽肩的后的大。 ? ?1 3C ( )ZPz mm?? (1) 由 (1)式中： z環(huán)槽深度， mm； PZ最高爆發(fā)壓力， N/mm2； [σ]環(huán)槽材料許用應(yīng)力。 又由：鋁合金 [σ]=26N/mm2 得： 氣環(huán)槽高 b1=；油環(huán)環(huán)槽高 b2=4mm；環(huán)岸 C1=4mm 活塞裙部設(shè)計(jì) 活塞銷上部的裙部長(zhǎng)度是影響 H1 的另一關(guān)鍵要素。一方面為了保證油環(huán)工作狀況良好，則環(huán)在槽中的軸向間隙很小，另一方面間隙小會(huì)由于銷座的變形而使油環(huán)卡住而失效。 綜上所述，現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)活塞的壓縮高度取值范圍： 汽油機(jī)： H1=（ ～ ） D 柴油機(jī)： H1=(～ ） D 公差： H1177。 即： H1= 活塞裙部 H2 是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽一下的部分。它導(dǎo)引活塞在氣缸中高速滑動(dòng)，承受由于連桿擺動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)壓力。 汽油機(jī)： 2 ~ ? 17 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 柴油機(jī)： 2 ~ D ? 根據(jù)相似機(jī)型得： H2=80mm 活塞與氣缸配合間隙 參照常溫時(shí)活塞各部分配合間隙，如表 31 確定活塞與氣缸配合間隙。 選定：活塞頭部配合間隙： ΔD= 活塞上裙配 合間隙： ΔD1= 活塞下裙配合間隙： ΔD2= 表 31 活塞與氣缸配合間隙 材料 間隙 ΔD ΔD1 ΔD2 鑄鐵 (~)D (~)D2 AlSi (~)D (~)D1 (~)D2 AlCu 注： D活塞頭部直徑 D1活塞上裙直徑 D2活塞下裙直徑 活塞環(huán)的設(shè)計(jì) 活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件之一，其工作直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩類。 氣環(huán)的設(shè)計(jì) 氣環(huán)的作用是 ： 1）與活塞一起密封氣缸工作腔； 2）將活塞頭部的熱量導(dǎo)出。油環(huán)的主要作用是：使氣缸壁面的潤(rùn)滑油分布均勻，并避免多余的潤(rùn)滑油竄入燃燒室，造成積炭和增大潤(rùn)滑油的消耗量。 18 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 活塞的氣環(huán)有：矩形環(huán)、錐形環(huán)、正扭曲內(nèi)切環(huán)、反扭曲錐面環(huán)、梯形環(huán)、桶面環(huán)。所設(shè)計(jì)的活塞采用最常用的三道氣環(huán)，一道油環(huán)。 通常情況下我們會(huì)考慮矩形環(huán)作為第一道環(huán)，但是當(dāng)活塞下行時(shí)，由于環(huán)與缸壁之間的摩擦阻力，環(huán)將壓靠到上端面，缸壁上的機(jī)油就被刮到下邊隙與背隙內(nèi)。當(dāng)活塞上行時(shí)，環(huán)又壓靠在環(huán)槽的下斷面上，第一道環(huán)背隙里的機(jī)油經(jīng)過(guò)上邊隙就進(jìn)入氣缸中。這樣容易引起燃燒室積炭，增加機(jī)油的消耗。于是我考慮梯形環(huán)，如圖 24 所示在活塞側(cè)壓力 Fn 作用下橫動(dòng)時(shí)，環(huán)的的側(cè)隙 δ發(fā)生變化，能把膠狀油焦從環(huán)槽中擠出。在這方面考慮第一環(huán)選擇梯形環(huán)較為合適。 圖 32 梯形環(huán) 結(jié)構(gòu)示意圖 為了進(jìn)一步減少和消除有害的泵油作用，第二 環(huán)采用正扭曲矩形環(huán)，第三環(huán)采用反扭曲矩形環(huán)。如圖 33， 34所示 圖 33 第二道活塞環(huán)截面 19 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 圖 34 第三道活塞環(huán)截面 油環(huán)的設(shè)計(jì) 油環(huán)沒(méi)有足夠的環(huán)背氣壓力使其貼向氣缸壁，因此要求足夠的彈力和較小的外圓表面，以形成較高的徑向單位面積壓力。普通單體油環(huán)的徑向壓力最低，刮油能力和耐久性都較差，帶波形板襯簧的油 環(huán)有較大的徑向壓力，于是采用此種組合式油環(huán)如圖 35所示： 圖 35 活塞油環(huán)（左為波形板襯簧，右油環(huán)截面） 活塞銷的設(shè)計(jì) 活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連桿。活塞銷在高溫下承受很大的周期性沖擊載荷，潤(rùn)滑條件很差，因此要求有足夠的剛度和強(qiáng)度，表面耐磨，質(zhì)量盡可能小。活塞銷如圖 36 所示： 圖 36 活塞銷 20 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 活塞熱分析 活塞熱負(fù)荷概述 首先我們知道活塞是處在非常惡劣的條件下工作的，其燃燒室中燃?xì)獾淖罡咚矔r(shí)溫度一般都高達(dá) 1600～ 1800℃ 左右，燃?xì)馄骄鶞囟纫哺哌_(dá) 600～ 800℃ 左右。柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的高溫氣體通過(guò)對(duì)熱換流及熱輻射的方式向活塞傳遞熱量，使其溫度升高，活塞通過(guò)活塞頭，活塞環(huán)，活塞內(nèi)表面 ，活塞裙部等部位向新鮮沖量，氣缸壁，冷卻液及潤(rùn)滑油等散熱 。評(píng)定活塞的熱負(fù)荷首先要看活塞的最高溫度。一般活塞頂?shù)淖罡邷囟雀哌_(dá) 300℃ ～ 350℃ 左右，考慮到活塞處在氣缸體冷卻水套和飛濺潤(rùn)滑油 冷卻的環(huán)境下，這些情況都導(dǎo)致了活塞內(nèi)外壁的溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。內(nèi)燃機(jī)的活塞，只從機(jī)械強(qiáng)度方面來(lái)衡量往往是不夠的，還必須考慮適當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力狀態(tài)。 鋁合金和灰口鑄鐵是鑄造活塞經(jīng)常選則的材料，其中當(dāng)鋁合金的溫度達(dá)到300℃ 時(shí)，它的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)下降 50%，當(dāng)溫度達(dá)到 350℃ 左右時(shí)，達(dá)到它的材料允許極限，當(dāng)鋁合金活塞的溫度在 380℃ ～ 400℃ 或者更高的時(shí)候，活塞不能保證可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)疲勞裂縫損壞 ?；钊淖畹?