【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第一環(huán)槽： 180~220℃ 活塞頂內(nèi)表面： 250℃， 活塞銷座： 180℃。 活塞的材料 根據(jù)上述對(duì)活塞設(shè)計(jì)的 要求，活塞材料應(yīng)滿足如下要求： （ 1） 熱強(qiáng)度高 ， 即在 C?400~300 高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞； （ 2） 導(dǎo)熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力； （ 3） 膨脹系數(shù)小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙； （ 4） 比重小。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重； （ 5） 有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較小），耐磨、耐蝕； （ 6） 工藝性好， 價(jià)格 低廉。 重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 10 在發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本低、工 藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。但近幾十年來，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因此比重大和導(dǎo)熱性差兩個(gè)根本缺點(diǎn)而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。 鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵正相反，鋁合金比重小，約占有灰鑄鐵的 1/3，結(jié)構(gòu)重量?jī)H占鑄鐵活塞的 %70~50 。因此其慣性小，這對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。鋁合金另一突出優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的 4~3 倍 ，使活塞溫度顯著下降。對(duì)汽油機(jī)來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善 發(fā)動(dòng)機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。 共晶鋁硅合金是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。含硅 9%左右的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣。 綜合分析， 該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞采用 ZL109 鋁硅合金材料鑄造而成。 鋁合金的化學(xué)成分對(duì)材料的性能有很大的影響。 Si 使材料的線膨脹系數(shù)下降，耐磨性、硬度、剛度和疲劣強(qiáng)度提高。但是，過共晶合金中，由于 Si 的含量大，已超過共晶點(diǎn)，合金的熔點(diǎn)不斷提高，使得鑄造流動(dòng)性變差，另外含硅量增大使合金容易產(chǎn)生偏析，粗大的粗生硅 使毛坯又硬又脆，強(qiáng)度低，機(jī)械加工困難。 提高鋁合金的力學(xué)性能主要是依靠固熔強(qiáng)化、沉淀硬化、晶粒 細(xì)化等措施。Mg、 Cu在鋁中的固熔度較高，固熔效果較好，能夠提高合金的韌性及 疲勞強(qiáng)度。Mg、 Cu 有很好的沉淀硬化效果，沉淀過程中能形成均勻、彌散的過渡相。這種過渡相在基體中能造成較強(qiáng)烈的應(yīng)變場(chǎng)，提高對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。 Cr、 Ti、 Ni等元素雖然固熔度較低，但是可以改進(jìn)合金的晶粒結(jié)構(gòu)、沉淀過程或形成新相，提高鋁合金的使用性能和工藝性能。 Mn、 Cr、 Ti 等元素溶于基體能強(qiáng)烈地提高其再結(jié)晶溫度，當(dāng)彌散第二相質(zhì)點(diǎn)析出時(shí)，可以有 效地阻止再結(jié)晶過程及晶粒長(zhǎng)大。通過細(xì)化晶粒和使合金保持再結(jié)晶組織，可使材料的機(jī)械強(qiáng)度提高。 活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞的主要尺寸設(shè)計(jì) 活塞的主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖 21 重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 11 圖 21活塞的主要結(jié)構(gòu)尺寸 1．壓縮高度 1H 壓 縮高度 H1決定活塞銷的位置。 1H 取決于火力岸高 1H 及環(huán)帶高度 H3 在保證活塞環(huán) 良好工作條件下宜縮短 1H ，以求降低活塞 的總高 H。二行程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮高度 1H =（ ~)D。四行程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮高度 1H =（ ~)D。我們要設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)是二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，前面的設(shè)計(jì)中我們已經(jīng)知道了發(fā)動(dòng)機(jī)的D=36mm，取 1H ==18mm。 2．火力岸 高度 4H 火 力岸高度 4H 決定第一道環(huán)的熱負(fù)荷。 4H 應(yīng)根據(jù)活塞的熱負(fù)荷決定，使第一環(huán)的工作溫度不超 過允許極限值。同時(shí)，在保證第一環(huán)工作可靠的條件 下，盡量縮小 4H ，以求降低活塞的高度和質(zhì)量。 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)： 4H =（ ~） D； 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)： 4H =(~)D。 二行程發(fā)動(dòng)機(jī)火力岸高度比四行程發(fā)動(dòng)機(jī)小，是為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)有足夠大的重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 12 有效行程，然而將導(dǎo)致第一環(huán)熱負(fù)荷的加重，這是設(shè) 計(jì)中應(yīng)該特別注意的。則4H ==*32mm=2mm 3．環(huán)帶 高度 3H 環(huán)帶高度 3H 取決于環(huán)的數(shù)目及環(huán)的軸向高度。四行程發(fā)動(dòng)機(jī)采用二道氣環(huán)一道油環(huán)，二行程發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)采用二道氣環(huán)，有的甚至采用一道氣環(huán)。環(huán)的軸向高度氣環(huán)為 ~，高強(qiáng)化的汽油機(jī)有的為 ~。油環(huán)的高度為2~。 環(huán)岸的高度 b 要求有足夠的強(qiáng)度。一般取 b1＝ (~)1c ． b2＝ (1~2)2c 。因?yàn)槭嵌_程發(fā)動(dòng)機(jī)，我們只采用兩道氣環(huán)， 1c =2c =，而 b1=? =.那么環(huán)帶高 3H =。 4． 活塞總高度 H 活塞的總高度 H決定于活塞的質(zhì)量以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力，影響活塞裙部的承壓面積。四行程汽 油機(jī) H=(~)D，二行程汽油機(jī) H=(~)D。此發(fā)動(dòng)機(jī)的 H==32mm。 活 5． 塞頂部厚度 ? 活塞項(xiàng)部厚度應(yīng)根據(jù)活塞頂?shù)膽?yīng)力、剛度以及散熱要求來決定。 ? ＝(~)D。二行程發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷高， ? 取上限。四行程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī) ? 值大多數(shù)取下限。 此發(fā)動(dòng)機(jī) ? ＝ =。 活塞頂?shù)?設(shè)計(jì)首要原則是有足夠的傳熱截面。這 — 原則滿足后頂部的機(jī)械強(qiáng)度 — 般 也是 足夠的。摩托車汽油機(jī)活塞頂部的設(shè)計(jì)追求 熱流型 ，其作用是控制活塞的熱流分規(guī)律， 控 活塞的溫度的分布規(guī)律，使活塞各部位的溫度均在 允許的極限 之內(nèi)。熱流 型活塞的形狀通常是從中央到四周厚度逐漸加大，且具有足夠大的過渡圓角。 6． 活塞環(huán)槽設(shè)計(jì)。 活塞環(huán)槽設(shè)計(jì)包括環(huán)槽斷面形狀設(shè)計(jì)和選擇活塞環(huán)與環(huán)槽的配合間隙。 活塞環(huán)槽的斷面形狀見圖 22,。 重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 13 環(huán)槽底部設(shè)計(jì)圓角 R=~，我們?nèi)A角 R= 圓 角尺寸不僅要保證圓角處不產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，又要保證活塞環(huán)在環(huán)槽中有徑向 運(yùn)動(dòng)的空間。環(huán)槽必須有適當(dāng)?shù)牡菇?，一般為?~） ? ?45 ，取倒角為 ?? 。倒角過小，當(dāng)環(huán)岸出現(xiàn)毛刺時(shí)可能卡住活塞環(huán)，引起漏氣量增加。倒角過大會(huì)使活塞環(huán)漏氣量加大。環(huán)槽的行為精度 也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量。環(huán)槽上下兩平面 ?aR 。第一環(huán)槽平面的平面度在全部圓周上 不大于 ，其他環(huán)槽平面的平面度在全部圓周上不大于 ?；钊h(huán)槽 平面母線對(duì)裙部 軸線 的垂直度 ： 當(dāng)環(huán)槽呈蝶形 向上傾斜時(shí)不大于 25： ；當(dāng)環(huán)槽呈傘形向下傾斜時(shí)不大于 25： (梯形環(huán)槽除外 )。環(huán)槽平面對(duì)裙 部軸線的圓跳動(dòng)不大于 。底徑表面對(duì)裙部軸線的圓跳動(dòng)不大于 。 圖 22活塞環(huán)槽斷面形狀。 環(huán)槽的側(cè)隙 39。39。? 過大，會(huì)加劇環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊，加劇環(huán)槽的磨損，影響活塞的可靠性從壽命。側(cè)隙過大還將引起發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量增加。側(cè)隙過小，環(huán)槽內(nèi)油泥將積存引起活塞粘著燒壞。側(cè)隙 39。39。? 的參考值見表 21。 由于此發(fā)動(dòng)機(jī)為強(qiáng)制風(fēng)冷，缸徑為 32mm,則第一道氣環(huán)側(cè)隙取 ，第二道氣環(huán)側(cè)隙取 。背隙取為 重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 14 表 21環(huán)槽 側(cè)隙 參考值 環(huán)槽的背隙 39。39。? 比較大，以免環(huán)與槽底圓角干涉。一般氣環(huán)約為 左右，油環(huán)更大生。 發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量還與活塞頭部與氣缸之 間的間隙有關(guān) ?；钊^部配缸 間隙 應(yīng)盡量 小， 但 又不希望在大負(fù)荷工作時(shí)頭部與氣缸接觸。 活塞的裙部設(shè)計(jì) 活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞。活塞的裙部設(shè)計(jì)應(yīng)保證裙部的貼合面積和良好的潤(rùn)滑條件，應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下具有最小的活塞間隙 ]1[ 。 1． 活塞橫截面形狀 活塞在氣體壓力和側(cè)壓力作用下的變形，以及活塞溫度場(chǎng)的不均勻而產(chǎn)生的熱變形，均使 活塞裙部沿活寒銷軸線方向變長(zhǎng)，如圖 4— 3 所示。同 時(shí)，氣缸在側(cè)壓力的作用 下 的變形是沿活 塞銷軸線方向縮短。為了適應(yīng)這種變形，需要將活塞裙 部設(shè)計(jì)成橢圓 ，保證活塞有足夠的承壓面積，防止活塞被拉毛或過度磨損。 常用的橢圓規(guī)律有 ： 重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 15 圖 23 活塞裙部變形 圖 24 活塞裙部單橢圓規(guī)律 (1)單橢圓規(guī)律 單橢圓規(guī)律可以下式 設(shè)計(jì)。單橢圓規(guī)律活塞裙部形狀如圖 2— 4 所示。 )2c os1(4 ???? dDe 式中符號(hào)見圖 24 e 為裙部削薄量； ? 為裙部橢圓度。 dD??? 。 （ 2）雙橢圓規(guī)律 雙橢圓規(guī)律按式下式 設(shè)計(jì) ? ? ? ?? ??? 4c os12c os14 ????? kdDe 式中 k 修正系數(shù)。 修正系數(shù) k 的作用是為了調(diào)整活塞裙部橫截面的形狀。當(dāng) k ＝ 0 時(shí)，裙部 形狀為單橢圓規(guī)律。當(dāng) k ＞ 0時(shí)，裙部削薄量增加，活塞變瘦。當(dāng) k ＜ 0時(shí) ，裙部削薄量減少，活塞變胖。 （ 3）橢圓度 ]5[ 橢圓度的具體數(shù)值對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)很不相同，推薦為 ~ 左右。橢圓度與氣缸間隙也有關(guān)系，設(shè)計(jì)中應(yīng)該仔細(xì)選取。 裙部 橢圓度不足，可能導(dǎo)致重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 16 活塞卡死。 橢圓度過大會(huì)使活塞裙部與氣缸的實(shí)際接觸面 積減小，磨損拉毛的傾向加大。 活塞橢圓度沿高度有變化和不變化兩種。如圖 2 圖 24所示。橢圓度不變的活塞， 工 藝及檢驗(yàn)均簡(jiǎn)單，但在圓周上接觸寬度不等。通用機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞大多數(shù)采用變橢圓活塞。 此處活塞采用變橢圓活塞，在這個(gè)圓周范圍內(nèi)我們只需計(jì)算 一個(gè) 0 ~ 090 范圍內(nèi)來考慮 ， 在 0 ~ 060 時(shí)我們?nèi)?橢圓度為 ， 060 ~ 090 時(shí)我們?nèi)E圓度為 。計(jì)算 單橢圓規(guī)律來計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下。 ? e （ mm ） 0 010 020 030 040 050 060 070 080 090 重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 17 2． 活塞側(cè)表面形狀 活塞側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì)需要合理地解決以下問題： 1)適應(yīng)活塞工作時(shí)沿高度方向不同的熱膨脹，使活 塞工作中有良好的熱態(tài)形狀。 2)適應(yīng)活塞的住復(fù)運(yùn)動(dòng)，使活塞工作中在裙部與氣缸間 形成一雙向楔形油膜，楔形油膜將產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，使壁面間油壓開高，裙部具有較高的承載能力和良好的潤(rùn)滑條件，改善 裙 部與 氣缸間的摩擦與磨損。 3)使活塞與氣缸間有較小而又安全的配缸間隙，保證活塞與氣缸能夠穩(wěn)定可靠地工作。 圖 2— 3 描述了活塞形狀的設(shè)計(jì)思想及形狀的演變過程。圖中 a 所示活塞火力岸形狀為一 正圓柱，環(huán) 區(qū)為正圓柱，裙部為橢圓柱，而且橢圓度沿高度沒有變化。 b、 c 所示活塞頭部為一正圓臺(tái)，裙部為橢圓柱，不向的是 b 中橢圓度沒有變化， c 中 橢圓 度是變化的。 D 中活塞頭部為正圓臺(tái)，裙部形狀為凸形，且 橢 圓度是變化的。圖中虛線表示銷孔軸線方向形狀．實(shí) 線 表示 垂直 于銷孔 軸線方向形狀。 活塞側(cè)表面形狀設(shè)計(jì)首先必須研究 活塞側(cè)表面溫度 沿高度方向的分布規(guī)律。 如果已知活塞裙 部上端的溫度，且假定溫 度沿 活塞裙部 高 度方向不變，那么，活塞裙部側(cè)表面 形狀則 為 a。 由于實(shí)際活塞裙部上端的溫度比下端的溫度高，按照這種溫度分布設(shè)計(jì)的活塞裙 部的配缸間隙一定比較大。 如果已 知 活塞裙部上端與下端的溫度，且假定 溫度 分布規(guī)律為線性變化。那么，活塞側(cè)表面的形狀為 b。這種 溫度 分布規(guī)律 與 a比較 實(shí)際溫度分布規(guī)律較為接近。其 配缸間隙可以小些。 重慶理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 600w 便攜式發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì) 18 圖 25活塞型線實(shí)例 圖 26活塞側(cè)表面形狀設(shè)計(jì) 如果活塞縱向 的溫度分布規(guī)律用下式表示： mheTT ??? ?T 為活塞裙部上端 0?h 的溫度。這種溫度分布規(guī)律比較接近實(shí)際情況。如果認(rèn)為鋁合金上的線膨脹系數(shù)在 120~250C? 內(nèi)變化不大，則活塞的膨脹量?jī)H與溫度成正比。 令活塞裙部上端處的徑向縮減量為 ?? ，則 mhh e????? 式中 h? 為裙長(zhǎng) h