【正文】 選則為 5mm。 鋼帶組合油環(huán)由上、下刮片和軌形撐簧組合而成 ， 撐簧不僅使刮片與氣缸壁貼緊，而且還使刮片與環(huán)槽側(cè)面貼緊。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。另外，上下刮片能單獨動作，因此對氣缸失圓和活塞變形的適應(yīng)能力強。 查閱相關(guān)資料得知一般活塞設(shè)計中，氣環(huán)與油環(huán)的環(huán)槽徑向尺寸相同，所以油環(huán)的徑向厚度取為 。 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。由于在工作時活塞頭部要比下面其它部分熱，因此在冷態(tài)時其頭部間隙大于裙部。但大的間隙會使環(huán)和環(huán)岸產(chǎn)生很大應(yīng)力，因此又希望間隙要盡可能小些。因此，常在柴油機活塞的頂岸或環(huán)岸上制出圖 213 所示退讓槽，這種結(jié)構(gòu)既能減少間隙，又能防止拉缸。裙部間隙主要取決于活塞結(jié)構(gòu)，熱膨脹控制活塞的間隙要小于普通整體鋁活塞。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。 圖 225(d)為水冷柴油機各重要部位與氣缸間隙取值范圍，查圖得出各自范圍如下：活塞火力岸頂端 D3=～ ；裙部上 端 D2=～ ；裙部下端 D1=～?？紤]到本活塞采用鑲筒形鋼片熱膨脹控制活塞，裙部在全長上保持等橢圓，所以對于活塞與氣缸間的間隙選擇如下：活塞火力岸頂端 D3=；裙部間隙D2=D1=。 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。環(huán)槽尺寸由基本尺寸 (環(huán)的公稱高度 )和一個附加值組成，這一附加值可根據(jù)不同需要而變。表 29 為不同內(nèi)燃機活塞環(huán)與環(huán)槽的軸向間隙，本 活塞設(shè)計參考表 29選取活塞環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙。 選取結(jié)果如下：上氣環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙為 ；下氣環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙為；油環(huán)與環(huán)槽間的軸向間隙為 。 ② 活塞環(huán)與環(huán)槽間的徑向間隙 當活塞環(huán)裝入環(huán)槽進入工作狀態(tài)時，不允許與環(huán)槽底徑相碰，因此需有一最小徑向間隙。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。此外還要考慮環(huán)槽底面與側(cè)面之間要有 的圓角半徑。 選取結(jié)果如下：氣環(huán)與環(huán)槽間的徑向間隙為 ；油環(huán)與環(huán)槽間的徑向間隙為 。 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。這種活塞銷因間隙過大會引起額外沖擊，過小不能保證潤滑，使活塞銷被鎖死，所以對銷孔的配合精度要求高。現(xiàn)代高速內(nèi)燃機鋁活塞要求活塞銷冷態(tài)就要有間隙，其目的是使活塞銷在冷磨合和冷起動時不存在預(yù)應(yīng)力，活塞銷能自由轉(zhuǎn)動，降低銷孔開裂的危險。 由于活塞與活塞銷材料不同，溫度升高時，不同的熱膨脹系數(shù)會使兩者之間的間隙加大。由圖 227(a)可直接得出不同活塞材料 在不同溫度下，活塞銷與銷孔之間的熱態(tài)間隙。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。具體間隙可以根據(jù)公式計算，一般均為 μm級的。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計 15 4 活塞鑲?cè)Φ脑O(shè)計 鑲?cè)Φ谋匾? 由于活塞在氣缸中上下運動的接觸面是不斷變換的，而且氣缸的實際形狀及幾何基準形狀也總是有偏差的，這樣在活塞運動時，活塞環(huán)相對于環(huán)槽在徑向上存在著徑向運動；而且由于環(huán)與環(huán)槽之間有間隙，所以在交變氣體作用力、慣性力和氣缸摩擦力的作用下，環(huán)就在環(huán)槽兩側(cè)來回運動。這兩種運動使得環(huán)槽和環(huán)側(cè)面出現(xiàn)磨損。 當環(huán)槽磨損到一定程度時，環(huán)槽與活塞環(huán)之間的間隙迅速擴大，對燃氣不再能起到有效的密封作用，這就將導(dǎo)致活塞與活塞環(huán)的同時損壞。因此，對活塞使用壽命起決定作用的是環(huán)槽的耐磨性，特別是第一、二到環(huán)槽 [6]。 本活塞設(shè)計中，活塞材料選用的是共晶 AlSi 合金。共晶 AlSi 合金平均磨損速度為～ ，在使用條件稍苛刻時，其平均磨損速度還要大。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。這種活塞大大提高了環(huán)槽的使用壽命，因此本活塞設(shè)計中的環(huán)槽有必要采用鑲?cè)Α? 鑲?cè)Φ?結(jié)構(gòu)形式 鑲?cè)︿X活塞的鑲?cè)Y(jié)構(gòu)有如下幾種：單環(huán)槽及雙環(huán)槽鑲?cè)?；帶燃燒室鑲塊的鑲?cè)?；鍛造活塞用成形鑲?cè)蜐L裝鋼片。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)Α? 在圖 63 中，表示出了標準單環(huán)槽鑲?cè)εc活塞基體的聯(lián)結(jié)位置，在本活塞設(shè)計中，鑲?cè)εc活塞采用齊平式，這樣可以增大環(huán)槽下側(cè)表面的工作面，其最大倒角為 ，有減少積炭的作用。 本活塞采用的帶燃燒室鑲塊的鑲?cè)Σ牧线x用高鎳鑄鐵，其典型磨損率為 5～25μm/1000h。鑲?cè)Φ木唧w形狀及尺寸，將在零件圖中詳細說明。 黃永波：柴油 機活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 5 活塞冷卻 活塞冷卻的必要性 絕大部分高速柴油機采用整體鑄造鋁活塞，特別是鑲?cè)︿X活塞，不僅提高了活塞的使用性能，而且兼顧了活塞的強度、重量、耐磨、承載、高溫性能和成本。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]。 油冷活塞和組合活塞在結(jié)構(gòu)上比非油冷活塞復(fù)雜，制造成本也較高。一般認為，汽車用發(fā)動機活塞，其單位活塞面積功率超過 ，中等功率船用柴油機活塞，其單 位活塞面積功率超過 ，就必須對活塞進行冷卻 [8]。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。按照以上標準，本可不對活塞進行冷卻，但考慮到活塞采用 ω型燃燒室，其吸熱面積較大，如冷卻不良，對其性能有較大損傷，所以仍需對其冷卻。 活塞冷卻方式 從活塞的使用范圍、負載穩(wěn)定性和使用壽命等方面的要求來看，表 81所示的冷卻方式有噴油冷卻、蛇形管冷卻、冷卻油道和帶冷卻油腔活塞。參考表 81，本柴油機活塞的冷卻方式采用噴油冷卻，噴嘴安裝 在曲軸箱或機體上，參考圖 81(b)。 采用噴油冷卻，使活塞頂部內(nèi)壁不斷被一股高速噴射油柱沖刷而達到散熱冷卻的目的?；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?；钊敳恐醒肜鋮s效果好，與非冷卻活塞相比，可降低溫度 40oC左右，環(huán)帶部分能降低 10～ 20oC。這種冷卻方式主要用于高速車用柴油機鋁活塞上，以固定噴嘴結(jié)構(gòu)冷卻效果最佳。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計 17 6 三維實體建模 通過運用 Pro/ENGINER 軟件，根據(jù)課程設(shè)計中選出的活塞類型及相關(guān)尺寸，制作了如下三維實體模型。 圖 61活塞實體 建模 Figure 61 Pistons Solid Modeling 黃永波：柴油 機活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 圖 62活塞主視圖 Figure 62 Pistons main view 圖 63活塞右視圖 Figure 63 Pistons right view 圖 64活塞俯視圖 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計 19 Figure 64 piston vertical view 圖 65桶面環(huán) Figure 65 barrels surface ring 圖 66錐面環(huán) Figure 66 Central cone 圖 67油環(huán) Figure 67 Oil Ring 黃永波：柴油 機活塞建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 7 結(jié)論 活塞是內(nèi)燃機上最關(guān)鍵的運動件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機的心臟。活塞設(shè)計的好壞關(guān)系到內(nèi)燃機的效率、功率和油耗等，在內(nèi)燃機設(shè)計中十分關(guān)鍵。 本活塞設(shè)計主要以《新型鋁活塞》（國防工業(yè)出版社版）為依據(jù)，結(jié)合其它相關(guān)書籍和論文，對柴油機活塞進行了初步設(shè)計。在設(shè)計中，考慮到其工作特點，選用了熱膨脹控制活塞，并在裙部鑲了筒形鋼板，以使其工作噪聲控制在最小。經(jīng)過近三周的時間，所做的設(shè)計基本上達到了活塞設(shè)計要求，繪制出了活塞零件與裝配圖，并利用 Pro/ENGINEER軟 件進行了三維實體建模，將設(shè)計中的尺寸運用軟件進行檢驗，使相關(guān)尺寸選取更為合理。 在 此次 柴油機 活塞 建模與結(jié)構(gòu) 設(shè)計 中，通過查閱相關(guān)資料，對活塞的基本結(jié)構(gòu)以及基本尺寸有了初步了解，掌握了活塞設(shè)計的一般步驟。但在如下方面還存在不足之處： ① 未運用工程熱力學(xué)知識，對活塞的熱變形進行計算和分析，在設(shè)計中采用的是經(jīng)驗圖表選取的相關(guān)值。 ② 在設(shè)計過程中，對工藝要求這一塊考慮不足，有的尺寸標示在生產(chǎn)中不盡合理。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計 21 參考文獻 [1] 劉達利 ,齊丕驤 .新型鋁活塞 [M].第 1版 .北京 :國防工業(yè)出版社 ,1999. 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