【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (17) PN=PΣtanβ (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(duì)氣缸中心線傾斜時(shí)，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(jì) 算。由式 (18)可知， PNmax=PΣmaxtan10o==。 黃永波：柴油 機(jī)活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2 活塞的結(jié)構(gòu)與選型 活塞基本結(jié)構(gòu) 由給定參數(shù)該柴油機(jī)額定功率為 70kW，轉(zhuǎn)速為 3200r/min，可知該柴油機(jī)屬于中功率高速柴油機(jī)，按照《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）推薦，該柴油機(jī)活塞材料選用鑄造共晶 AlSi 合金，所設(shè)計(jì)的活塞為整體鋁活塞。同時(shí)考慮到該柴油機(jī)為車用柴油機(jī)，對(duì)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。 所謂熱膨脹控制活 塞，就是在鋁活塞裙部鑲?cè)霟崤蛎浵禂?shù)比鋁合金小的材料，減少裙部承壓面上的熱膨脹量，減少活塞配缸間隙，減輕氣缸穴蝕，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。熱膨脹控制活塞分三種形式，分別是：開(kāi)槽熱膨脹控制活塞、不開(kāi)槽熱膨脹控制活塞、熱膨脹雙重控制活塞和鑲筒形鋼片活塞，綜合考慮其特點(diǎn)，選用鑲筒形鋼片活塞。 鑲筒形鋼片活塞，是一種在活塞裙部鑲?cè)胪残武撈慕Y(jié)構(gòu)，它可使整個(gè)裙部具有均勻的較小熱膨脹。與普通活塞相比，這種活塞的裙部在全長(zhǎng)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。 活塞選型 將根據(jù)柴油機(jī)強(qiáng)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(guó)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(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷。該柴油機(jī)平均有效壓力 Pme=，轉(zhuǎn)速 n=3200r/min，由圖 17(a)可知，選用鑄造鋁活塞足以承受機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。 (2)從控制慣性負(fù)荷考慮，應(yīng)限制活塞組重量。參考 《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）圖 18，可知在直徑為 100mm 時(shí)，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。 (3)從經(jīng)濟(jì)上考慮，組合活塞的成本為簡(jiǎn)單整體活塞的數(shù)倍。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，選擇熱膨脹控制活塞是最經(jīng)濟(jì)的。 (4)根據(jù)柴油機(jī)強(qiáng)化程度，即平均有效壓力與活塞平均速度的乘積 (PmeCm 值 )考慮是否鑲?cè)Α?duì)于缸徑小于 150mm 的各種柴油機(jī)活塞的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)表明： PmeCmm/s 時(shí)不鑲?cè)Γ?PmeCm=～ m/s 時(shí)鑲?cè)εc不鑲?cè)Ω髡家话耄?PmeCmm/s 時(shí)一般鑲?cè)?，只有極少數(shù)不鑲?cè)ΑＴ摬裼蜋C(jī)的 PmeCm==m/s，根據(jù)以上原遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì) 5 則，該柴油機(jī)的活塞應(yīng)該鑲?cè)Α? (5)使用條件對(duì)活塞結(jié)構(gòu)選型的影響。對(duì)噪聲要求嚴(yán)格的汽車柴油機(jī)活塞，往往選用熱膨脹控制活塞。 從以上 5點(diǎn)選用原則可知，該柴油機(jī)活塞選用熱膨脹控制活塞，并且在環(huán)帶應(yīng)鑲?cè)Γ以谌共繎?yīng)鑲筒形鋼片 ，鋼片選用低碳優(yōu)質(zhì)鋼板，厚度一般為 ～ ，在本設(shè)計(jì)中選取厚度 2mm。 黃永波：柴油 機(jī)活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 3 活塞基本設(shè)計(jì) 活塞設(shè)計(jì)有如下要求： ① 在保證活塞強(qiáng)度、剛度及散熱良好的前提下，盡量縮短活 塞總高度，減輕活塞重量。 ② 保證密封良好并盡量減少摩擦損失。 ③ 減少活塞頂吸收的熱量，并良好冷卻，將活塞吸收的熱量迅速導(dǎo)出，使活塞各部位的溫度不超過(guò)下列極限數(shù)值：活塞頂， 375oC；第一道環(huán)槽， 180220 oC；活塞頂內(nèi)表面，250 oC；振蕩冷卻油腔內(nèi)側(cè)， 220 oC；活塞銷座， 180 oC。 ④ 保證導(dǎo)向部分潤(rùn)滑可靠，同時(shí)防止?jié)櫥蜕细Z，盡可能降低潤(rùn)滑油耗量。 ⑤ 活塞環(huán)槽與活塞環(huán)、銷 孔與活塞銷應(yīng)具有良好耐磨性，特別是第一道環(huán)槽。 ⑥ 活塞裙部與氣缸壁之間的接觸面積要盡可能大，且有良好抗拉缸性能。 ⑦ 活塞與氣缸的配合間隙小，以減少對(duì)氣缸的撞擊和噪聲，以及使變工況適應(yīng)性好。 ⑧ 易于制造，成本低 [2]。 活塞的主要尺寸 活塞主要尺寸由沖程、缸徑、連桿長(zhǎng)度和氣缸高度決定。在《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）中的圖 21和表 21 給出了活塞的主要尺寸及選用范圍。 活塞銷直徑與銷座間距 ① 活塞銷直徑 BO 活塞銷孔直徑一般就是活塞銷直徑 (除銷孔加襯套外 )，銷孔大小決定銷座與連桿小頭所承受的比壓大小及活塞銷工作的應(yīng)力值。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。但過(guò)分加大其外徑將使慣性力加大，帶來(lái)許多不利?；钊N直徑數(shù)據(jù)范圍參考 《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）圖 28 和表 21 選取。 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。參考表 23 初步選定活塞銷直徑 BO=32mm，最終尺寸將在活塞銷設(shè)計(jì)一節(jié)中確定。 ② 活塞銷座間距 AA 在考慮活塞銷座承壓面積或長(zhǎng)度時(shí)，必須同時(shí)考慮連桿小頭襯套要有足夠承壓面積或長(zhǎng)度。由于襯套承受負(fù)荷能力高于銷座，且連桿小頭溫度較低，因此要把活塞銷承壓面積或長(zhǎng)度與連桿小頭襯套的承壓面積或長(zhǎng)度定為 9:8。為避免加工誤差與熱膨脹引起連桿小頭側(cè)面與銷座相碰，兩者之間要留 2～ 5mm 間隙。銷座間距數(shù)據(jù)范圍參考《新型鋁活塞》（國(guó)遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì) 7 防工業(yè)出版社）圖 29和表 21 選取。 由表 21可知， AA/D=～ ， AA的范圍為 30～ 42mm；由圖 29 可知， AA 的范圍為 31～ 50mm。 初步選定活塞銷座間距 AA=36mm，最終尺寸將在活塞銷座設(shè)計(jì)一節(jié)中確定。 壓縮高 KH 壓縮高影響內(nèi)燃機(jī)總高度，而且影響氣缸、機(jī)體的尺寸和重量。壓縮高由環(huán)區(qū)高度 hf(即頂岸高度 F 加環(huán)帶高度 )和上裙高度構(gòu)成，其數(shù)據(jù)范圍參考 《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）圖 23 和表 21。 由表 23 可知， KH 的范圍為 50～ 80mm；由圖 23 可知， KH 的范圍為 53～ 82mm。從減少活塞尺寸的角度出 發(fā)，初步選定 KH=63mm。 ① 頂岸高度 F 頂岸 (第一環(huán)槽上端至活塞頂端距離 )越小，第一環(huán)本身的熱負(fù)荷越高。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(guò)允許極限。頂岸高度數(shù)據(jù)范圍參考《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）圖 24 和表 21 選取。 由圖 24可知， F 的范圍為 14～ 22mm；由表 21可知， F/D=～ ， F 的范圍為10～ 20mm?？紤]到該柴油機(jī)為中功率，初步選定 F=12mm。 ② 環(huán)帶高度 環(huán)帶高度取決于活塞環(huán)數(shù)目與高度 及環(huán)岸高度，參考《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）圖 25 選取。高速柴油機(jī)一般裝 2～ 3 道氣環(huán)， 1～ 2 道油環(huán)。發(fā)展趨勢(shì)是盡量減少活塞環(huán)數(shù)，目前中小型高速柴油機(jī)采用三環(huán)結(jié)構(gòu)日益增多。中小功率柴油機(jī)的氣環(huán)高度為 2～3mm,油環(huán)為 4～ 6mm。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。所以第一環(huán)岸要比其余環(huán)岸高一些，其高度推薦值參考《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）圖 26。其余環(huán)岸高度可設(shè)計(jì)得小些，柴油機(jī)不低于直徑的 %4%。 因此，該柴油機(jī)選用 2 道氣環(huán)， 1 道油環(huán)。由圖 26 選取第一環(huán)岸 高度為 6mm，其余環(huán)岸為 4mm,氣環(huán)高度為 3mm，油環(huán)高度為 5mm。由此可知環(huán)岸高度 =3+6+3+4+5=21mm。 ③ 上裙高度 選取上裙高度一般是使油環(huán)槽的位置能處于銷座上方，目的是保證銷座強(qiáng)度不因開(kāi)槽而消弱，且避免油環(huán)槽開(kāi)在厚度不均的銷座處，使環(huán)槽產(chǎn)生不均勻變形。 考慮到活塞銷直徑 BO 初選為 32mm，為了使油環(huán)槽的位置處于銷座上方，初步選定上裙高度為 30mm。 黃永波：柴油 機(jī)活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 裙部長(zhǎng)度 SL 根據(jù)裙部功用對(duì)不同類型內(nèi)燃機(jī)活塞裙長(zhǎng)應(yīng)考慮如下三點(diǎn)： ① 裙 部應(yīng)有一定長(zhǎng)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。 ② 銷孔上下兩部分裙長(zhǎng)要有一定比例，防止活塞工作時(shí)發(fā)生傾斜造成局部劇烈磨損。 ③ 裙長(zhǎng)確定后，還應(yīng)從整體布置角度對(duì)尺寸進(jìn)行校核。如：活塞在下止點(diǎn)時(shí)，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。 裙長(zhǎng) SL由上下裙長(zhǎng)構(gòu)成，其數(shù)據(jù)范圍參考 《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）圖 27和表 21選取。此外，裙部剛度也很重要，它取決于裙部 壁厚。一般柴油機(jī)活塞的裙部壁厚取活塞直徑的 3%，在本設(shè)計(jì)中，取裙部壁厚為 4mm。 由圖 27 可知， SL 的范圍為 40～ 80mm；由表 21 可知， SL/D=～ ， SL 的范圍為 50～ 90mm。初步選定 SL 的范圍為 63mm，根據(jù)計(jì)算，裙部比壓 QSmax= PNmax/（ ）=，在 ～ 之間，滿足要求 ① 。 活塞總長(zhǎng) GL 活塞總長(zhǎng)是壓縮高和下裙長(zhǎng)之和，高速柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是不斷縮短活塞總長(zhǎng)?；钊傞L(zhǎng)的選取范圍參考《新型鋁 活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）表 21 和圖 22。 由圖 22可知， GL=80～ 150mm；由表 21可知， GL/D=～ ， GL 的范圍為 90～ 130mm。在本設(shè)計(jì)中，活塞總長(zhǎng)初步選取值為： GL=KH+SL上裙長(zhǎng) =63+6330=96mm。 可見(jiàn)所初選的各尺寸基本正確，較好的滿足了設(shè)計(jì)要求。 活塞頭部設(shè)計(jì) 活塞頂形狀與厚度 活塞頂形狀主要取決于燃燒室的選擇與設(shè)計(jì)，而燃燒室的選擇取決于活塞直徑、轉(zhuǎn)速、經(jīng)濟(jì)性、功率、可靠性和公害等，詳參考《新型鋁活塞》（國(guó)防工業(yè)出版社）表 22。 柴油機(jī) 活塞