【文章內(nèi)容簡介】 面峰值應(yīng)力與圓柱形銷孔相比可降低 25%。 圖 2— 5活塞銷孔形狀示意圖 下一步要確定活塞銷孔直徑，必須綜合考慮活塞銷的直徑、活塞銷座處的溫度來計算二者之間的間隙?，F(xiàn)己知活塞銷的外徑為中 ，活塞銷孔處工作狀態(tài)時的中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 75 頁 溫度為 140℃ (有限元分析結(jié)果 )，活塞銷材料為 20Cr，其線膨脹系數(shù)為 11xl0 一 6/K，活塞材料為 38MnVs6，其線膨脹系數(shù)也為 11x10 一 6/K，則熱負(fù)荷工作狀態(tài)下，活塞銷孔的膨脹量為： △ D1= α179。 D。 (t－ t。 )=11179。 10－ 6 179。 45179。 (140－ 20)= 同樣，活塞銷的膨脹量為： △ D2= α179。 D。 (t－ t。 )=11179。 10－ 6 179。 45179。 (140－ 20)= 二者差值：△ =△ Dl－△ D2=－ = 以上數(shù)值只是在熱負(fù)荷狀態(tài)下的理論計算值，而實際情況是銷孔變形還受機(jī)械負(fù)荷的影響，同樣，活塞銷也產(chǎn)生彎曲變形和橢圓變形。 銷孔直徑的確定 根據(jù)經(jīng)驗，一般增壓柴油機(jī)的活塞銷和銷孔之間工作狀態(tài)為間隙配合，配合間隙為 ( 士 )D 時，活塞和活塞銷之間能夠可靠工作。鍛鋼活塞直徑中 110mm，按中間值計算，配合間隙應(yīng)為 士 。 綜合考慮工作狀態(tài)下活塞銷的變形、銷孔的變形影響，活塞銷、銷孔的制造精度，冷態(tài)情況下，活塞銷在銷孔中在冷磨合和冷起動時不存在預(yù)應(yīng)力，活塞銷在銷孔中能自由轉(zhuǎn)動，根據(jù)實際的設(shè)計經(jīng)驗，鍛鋼活塞銷孔和活塞銷間隙值應(yīng)該為 ? 左右才能保證銷座減少開裂的危險。已知活塞銷的直徑為中 ，這樣，最終確定活塞銷孔內(nèi)徑冷態(tài)值為中 45(+， +)mm。 活塞在工作狀態(tài)時，銷孔表面發(fā)生彎曲變形，成為外側(cè)小、內(nèi)側(cè)大的圓椎梯形，而活塞銷的變形量相對較小，基本保持平直，這樣，為了保證工作狀態(tài)時銷孔和活塞銷之間的接觸面積足夠大，活塞銷孔表面也應(yīng)該是平直的。這樣，冷態(tài)時的銷孔表面就應(yīng)該設(shè)計成外側(cè)大、內(nèi)側(cè)相對小的圓錐梯形。 銷孔縱向素線形狀可按冪函數(shù)公式 Y= aXb 來計算?；钊N孔直線段理論長度為 (54— )/2=，外側(cè) 處比銷孔圓柱部分直徑大 ，可求出曲線方程為 : Y=104X2 內(nèi)側(cè) 處比銷孔圓柱部分直 徑大 ，可求出曲線方程為 : Y=104X2 這兩段曲線和直線段圓滑過渡，比兩段斜線和直線尖角過渡減少了應(yīng)力集中，增加了銷孔壽命。這種銷孔結(jié)構(gòu)是當(dāng)今活塞設(shè)計中最先進(jìn)的銷孔形式。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 75 頁 銷座徑向高度 對于活塞的徑向結(jié)構(gòu)的設(shè)計，我取兩個活塞銷座平行，這樣不僅容易加工，而且能降低成本，提高生產(chǎn)效率?；钊麅蓚€銷座平行，我取的是兩個活塞銷座活塞銷座間距取=110mm=44mm。 所以，活塞銷孔總長度為（ 80?44） /2=18mm 活塞外圓型面設(shè)計 首先，要 選擇合適的配缸間隙，因為活塞材料為鍛鋼，其熱膨脹系數(shù)與缸套相當(dāng)，所以，受熱時，活塞的熱膨脹與缸套相當(dāng)。這樣，可設(shè)計的配缸間隙是鋁活塞的 1/2 左右便可。由于工作時活塞頭部要比其它部分溫度高，在冷態(tài)時其頭部間隙大于裙部。但配缸間隙大了，會使環(huán)和環(huán)岸產(chǎn)生很大的應(yīng)力，因此希望配缸間隙盡可能小些?；钊鹆Π秴^(qū)與缸套之間的配合間隙可以較鋁活塞減小，使兩者之間形成油膜潤滑，減少了磨擦磨損，同時對燃?xì)庥懈玫拿芊庾饔?，第一環(huán)免受了燃?xì)鉀_擊，減輕了活塞環(huán)的負(fù)載，與一般鋁活塞相比，摩擦減少了 5%— 10%。由于配合間隙的減少，使 燃燒室有害容積減少， HC 排放和油耗降低，一般測試結(jié)果表明 HC 下降 20— 50%。對于小缸徑柴油機(jī)由于死區(qū)容積占有比例較大，因此效果更為明顯。死區(qū)容積減少使柴油機(jī)冷起動性能大大改善。根據(jù)缸套尺寸 110(0， +)mm，設(shè)計配缸間隙為 — ，由此確定活塞最大直徑尺寸為 士 。小的裙部配缸間隙可減弱活塞換向時的傾斜擺動和敲缸現(xiàn)象，從而大大減輕缸套穴蝕，同時對柴油機(jī)性能十分有利，其動力性和經(jīng)濟(jì)性都有明顯改善。 活塞裙部是活塞設(shè)計中特別重要的部位，在活塞的往復(fù)運動過程中，活塞 裙部起導(dǎo)向作用。裙部形狀和表面粗糙度影響著動態(tài)油膜的形成與保持，直接影響到發(fā)動機(jī)機(jī)械效率和漏氣量，尤其體現(xiàn)在現(xiàn)代高速、高性能發(fā)動機(jī)上。 內(nèi)燃機(jī)工作時，各零件之間存在著相對運動，其運動形式有活塞組與缸套之間的往復(fù)運動，有滑動軸承間的旋轉(zhuǎn)運動等，這些零件間不僅有很高的相對運動速度，而且存在著很大的作用力，鍛鋼活塞平均運動速度達(dá)到 14m/s，活塞側(cè)向推力達(dá)數(shù)千公斤，在相互接觸之間就會產(chǎn)生切向運動阻力一摩擦力，因而造成摩擦損失。一般情況下，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率為 75— 90%，有 10— 15%的功率消耗在摩擦損失上，摩擦力 導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的有效效率下降、機(jī)體的溫度上升、材料性能下降，摩擦還使機(jī)體表面磨損，造成表面接觸不良，間隙增大，產(chǎn)生振動和噪音，并且降低使用壽命。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 75 頁 活塞與缸套間的摩擦，無論是對內(nèi)燃機(jī)的有效效率，還是對活塞與缸套磨損的影響都是很嚴(yán)重的，它使有效效率下降，活塞與缸套間的間隙增大，使燃燒性能降低。由于工作狀態(tài)下，活塞裙部要受到機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的共同作用，而產(chǎn)生較大的變形，使得裙部與缸套實際上只在不大的區(qū)域上接觸，因此容易造成潤滑狀態(tài)惡化，使活塞裙部磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)擦傷、拉缸的情況。因此活塞外圓型面設(shè)計，既充分考慮活塞 的熱變形、機(jī)械變形、二階運動以及缸孔的熱變形， 又要保證活塞與缸孔間實現(xiàn)流體動力潤滑 [20]。 目前，內(nèi)燃機(jī)活塞裙部橫截面一般采用橢圓形狀，縱向截面則普遍由一般的圓錐面發(fā)展到中凸曲面 (桶形曲面 )[21]。根據(jù)實測結(jié)果并通過活塞 CAE 分析即機(jī)械變形、熱變形和二階運動等各項因素的分析，確定在裙部上端主要考慮主推力面的徑向收縮量大，裙部下端主要考慮次推力面的內(nèi)縮，將二者結(jié)合并擬合成為一個主、次推力面統(tǒng)一的縱向中凸形型面，亦即主、次推力面的中凸形裙部采用同一種縱向型線。這種型線在裙部高度上存在中凸點，即最大直徑點。 型線上半段基本上遵循主推力面的實際磨合規(guī)律，而下半段則遵循次推力面的實際磨合規(guī)律。 一般來講，增壓中冷強(qiáng)化機(jī)型則普遍的采用中凸變橢圓型面。中凸變橢圓型面母線可近似看作兩條曲線相接構(gòu)成。裙部橫截面為橢圓，橢圓度為銷軸截面內(nèi)的型面對圓周最大直徑的偏差值，且橢圓度沿活塞裙部變化。這就確定了在接觸處型面對潤滑油影響的基本要素。冷態(tài)活塞的中凸形狀，裙部上端收縮量較下端收縮量大，這可保證活塞在熱狀態(tài)下裙部不同高度有不同的熱膨脹時，與缸套貼合良好，也有利于活塞與缸套間的液體潤滑，改善活塞裙部表面的磨擦和磨損，當(dāng)活塞發(fā)生傾 斜，特別是換向時，可避免產(chǎn)生裙部邊棱負(fù)荷，改善活塞對缸壁沖擊。必須注意，橢圓度較小時，潤滑油膜厚度較小，可能發(fā)生臨界摩擦 。若橢圓度較大，則活塞承壓性能降低，導(dǎo)致連桿擺動平面方向的潤滑油層厚度減少。潤滑油層最小厚度值取決于裙部上端桶形變化值。當(dāng)型面呈直線或變化不大時，油層厚度將急劇減少。 工作狀態(tài)下，中凸點的位置接近于活塞銷孔中心或稍偏高一些，有利于潤滑油膜的壓力分布，使圍繞活塞銷孔中心的油膜支承力矩改變，有利于缸內(nèi)傾斜角的減少和平穩(wěn)運動性的提高，但在活塞機(jī)械變形和熱變形的影響下，裙部中凸點的位置將向銷孔中心方向上移一段距離。因此從綜合考慮滿足活塞熱變形的需求和冷態(tài)下的平穩(wěn)運動來考慮，將中凸點在冷態(tài)下布置在銷孔中心以下一小段距離是合適的。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 75 頁 根據(jù)這些原理，所設(shè)計的鍛鋼活塞外圓型面為橢圓型，為減少漏氣量和機(jī)油耗，活塞第一環(huán)岸由原來的錐形改進(jìn)為中凸形，與缸孔間隙減小，使工作狀態(tài)下該部位參與導(dǎo)向，不僅改善了該部位的潤滑狀態(tài)，而且減小了活塞的二階運動，使活塞運行更平穩(wěn)。裙部縱向形線為中凸形，凸點偏下方。因側(cè)壓力作用下的裙部變形和裙部不均勻的熱膨脹，裙部橫截面可以取作單一橢圓、雙橢圓、橢圓和偏心圓、橢圓和橢圓的組合。橢圓規(guī) 律應(yīng)據(jù)發(fā)動機(jī)的具體情況進(jìn)行設(shè)計、修正，比較常用的設(shè)計為： 單橢圓形狀規(guī)律 [22]：△ R=G/4179。 ( l－ cos2α)=G/2179。 sin2α 式中：△ R— 相對于橢圓長軸的半徑收縮量 G— 橢圓度 (G=橢圓長軸尺寸－橢圓短軸尺寸 ) α— △ R 處所在位置與橢圓長軸的夾角 為了改善裙部與缸套的貼合情況，又能滿足制造過程的工藝可行性，如在工作中發(fā)現(xiàn)活塞 θ =45176。左右有擦傷痕跡，采用雙橢圓公式 [22]： △ R=G/4179。 [(1— cos2α)+β(1－ cos4α)]=G/2179。 (sin2α+βsin2α) 式中： β— 橢圓修正系數(shù) 在橢圓設(shè)計過程中， β一般應(yīng)取－ p。 鍛鋼活塞裙部橫向為變修正橢圓設(shè)計，橢圓度自上而下逐漸增大，修正系數(shù)為－。其橢圓半徑收縮量公式： △ R= G/4179。 [(1— cos2α)－ ( l— cos4α)] 目前對活塞裙部表面粗糙度也有了新的認(rèn)識。試驗己證實，活塞裙部表面加工成有規(guī)則狀凹凸刀紋，凹紋可儲油，向摩擦表面帶去足夠的潤滑油，凸紋可加速磨合，自動適應(yīng)裙部與缸套的尺寸配合。當(dāng)然，粗糙度值 (裙部刀紋 )也不宜過大否則將加速加大發(fā)動機(jī)配缸間隙。鍛鋼活塞設(shè)計中，粗糙度值采用 左右。 活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定 因為所設(shè)計的鍛鋼活塞為薄壁結(jié)構(gòu)，各部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的確定，要結(jié)合發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷情況選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，同時要考慮與活塞相鄰零件的配合情況。也就是各部位的壁厚一定要選擇合適的數(shù)值。在滿足強(qiáng)度及可靠性的基礎(chǔ)上，壁厚越薄越好，因為薄了能夠節(jié)省材料，并且能夠減輕活塞重量，符合活塞輕量化設(shè)計要求。如圖26 所示，為我公司為鍛鋼活塞設(shè)計所出的一般規(guī)范，各關(guān)鍵部位的壁厚可以在以下參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 75 頁 圖 26活塞各部位壁厚示意圖 1.）冷卻油腔距頂面的最小 距離 Kl: K1=D179。 (— )% D— 發(fā)動機(jī)缸徑，以下同。 所設(shè)計活塞缸徑 D=110mm。 Kl=D179。 (－ )%=110179。 (－ )%=— 考慮到可靠性，取 K1=6； 2.）冷卻油腔距環(huán)槽底最小距離 K2 K2=D179。 (－ )%=110179。 (－ )%=— 在此范圍內(nèi)選擇中間值 K2=3； 3.）冷卻油腔距燃燒室最小距離 K3 K3=D179。 (－ )%=110179。 (－ )%=— 在此范圍內(nèi)選擇 K3=5； 4） .燃燒室底部最小壁厚 K4(頂厚 ) K4=D179。 (－ )%=110179。 (－ )%=— 。 活塞頂設(shè)計成薄殼結(jié)構(gòu)，在能承受機(jī)械負(fù)荷的條件下，頂部壁厚盡可能薄，以使冷卻效果好，減小熱應(yīng)力，防止頂部因局部過熱而產(chǎn)生龜裂損壞。在此范圍內(nèi)選擇K4=7mm。 5.）銷座最小壁厚 =D179。 (－ )%=110179。 (－ )%=— 在滿足強(qiáng)度基礎(chǔ)上，在此范圍內(nèi)選擇小值 8，以進(jìn)一步減輕重量。 6.）裙部壁厚 =D179。 (3－ )%=110179。 (3－ )%=— 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 75 頁 一般 ，鋁活塞裙部壁厚最小為缸徑的 5%。在開始設(shè)計時，在活塞下端加上加強(qiáng)筋以增加它的剛度，但是，考慮到鍛鋼的強(qiáng)度、剛度較鋁材料大許多，不加加強(qiáng)筋也能滿足要求，并且，加上加強(qiáng)筋不容易鍛造毛坯，所以，最后設(shè)計時取消了加強(qiáng)筋。鍛鋼活塞可以選擇的壁厚較小，在這里選擇中間壁厚處為 ，但是，鍛造毛坯時，有 度的拔模斜度，所以最薄處為： ?20=?=。其中， 20 為有拔模斜度的高度。對活塞主要尺寸進(jìn)行完設(shè)計后，最后再對活塞所有細(xì)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計，完成了該活塞的產(chǎn)品圖紙的設(shè)計工作。 冷卻油腔的設(shè)計 在確定了活塞各個最要部位的尺寸后，我們要盡量減小活塞的質(zhì)量，減小體積，這樣也能最大程度上的增大冷卻油腔的容量。 保證冷卻油腔要有足夠的冷卻機(jī)油，確保合適的充油度（一般充油度以 50%為宜）。一般認(rèn)為出油口面積為進(jìn)油口面積的 倍。與此相應(yīng)的出油口直徑為進(jìn)油孔直徑的— 倍 [23]。而進(jìn)油孔直徑是由噴嘴直徑來確定的，在此我們?nèi)娮熘睆綖?3mm，所以進(jìn)油孔直徑為 4mm，所以，出油口直徑為 179。 4mm=6mm。為了更好的使冷卻機(jī)油進(jìn)入冷卻油腔，把進(jìn)油孔做成喇叭形的，出油口不用。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 75 頁 3 活塞強(qiáng)度計算 第一環(huán)岸校核 第一環(huán)岸溫度越高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂，所以應(yīng)首先校核第 一環(huán) 岸在 最大 氣體 爆發(fā) 壓力 Pgmax 彎 曲強(qiáng) 度。 活塞 環(huán)軸 向高 度取t==110=， c1=8mm 環(huán)岸根部所受的彎矩 M為： M=() Pgmax 4? [D2()2] DD? [24] =? PgmaxD3 其抗彎斷面系數(shù)： W= ?? 2 此時環(huán)岸根部的彎曲應(yīng)力為： WM?? = 2)(max CDPg ?? = 環(huán)岸根部的剪切應(yīng)力： DCDDPg??? ])([4m a x)(22 ??? CDPg ? = MPa