【正文】 工作狀態(tài)下的彎曲應力 活塞斷面的最大彎矩為： )(40m a x tDbDpM ?? （ ） 由此 可得最大彎曲應力 max? 為 ： 6)(220m a xm a x bttDbDpWM ???? （ ） 對于斷面均壓環(huán)其開口間隙 0S 與活塞環(huán)平均接觸壓力 0p 之間有如下關系 ： tDtDtSEp300)1(。 活塞環(huán)強度校核 活塞環(huán)在工作時，因剪應力和軸向力影響較小，所以只計算彎矩。氣環(huán) mmb 3~? ，油環(huán)mmb 5~3? ，取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? 。 第三道是油環(huán)，是鋼帶組成環(huán)，重量輕，比壓高，刮油能力強。桶形環(huán)與缸筒為圓弧接觸，對活塞擺動適應性好，并容易形成楔形潤滑油膜。 活塞環(huán)設計及計算 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設計 該發(fā)動機采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。 活塞銷座的內徑 mmd 220 ? ， 活塞銷座外徑 d 一般等于內徑的 ~ 倍，取mmdd 0 ?? ， 活塞銷 的彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷 — 銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設計成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為 mm5~4 ，但當制造精度有保證時，兩邊共 mm3~2 就足夠了，取間隙為 mm3 。 活塞銷座 活塞銷座結構設計 活塞銷座用以支承活塞，并由此傳遞功率。 最大彎曲應力計算 活塞銷中央截面的彎矩為 )(121lllPM P ??? ? （ ） 空心銷的抗彎斷面系數(shù)為 314 )1( dW ??? ， 其中 ??? dd? 所以彎曲應力為 WM?? 即 )1( )( 431 1?? ???? ? d lllP P （ ） )( )( 43 ??? ?????? ? 本科生畢業(yè)設計 23 最大剪切應力計算 最大剪切應力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭之間的截面上。表面加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好?；钊N與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采 用 “ 全浮式 ” 。如果把活塞銷偏心布置，則能使瞬時的過渡變成分布的過渡，并使本科生畢業(yè)設計 22 過渡時刻先于達到最高燃燒壓力的時刻，因此改善了發(fā)動機的工作平順性 [13]。 取裙部比壓值約為 ~ ，所以設計合適。 在確定裙部長度時，首先根據(jù)裙部比壓最大的允許值，決定需要的最小長度，然后按照結構上的要求加以適當修改。為保證活塞裙表面能 保持住必要厚度的潤滑油膜，其表面比壓 q 不應超過一定的數(shù)值。 缸徑小于 mm100 的裙部開槽的活塞，橢圓度（ ? ）的大小，一般為 ~?? 。在設計時把裙部橫斷截面制成長軸是在垂直與活塞銷中心線方向上，短軸平行于銷軸方向的橢圓形。 本文采用托板式裙部，這樣不僅可以減小活塞質量，而且裙部具有較大的彈性，可使裙部與氣缸套裝配間隙減小很多，也不會卡死。當然間隙也不能留得過大，否則又會產生敲缸現(xiàn)象。在這些因素中，機械變形影響一般來說并不嚴重，主要還是受熱膨脹產生變形的影響比較大 [11]。這樣，裙部就有被壓偏的傾向，使它在活塞銷座方向上的尺寸增大；其次，由于加在活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內發(fā)生彎曲變形，使整個活塞 在銷座方向上的尺寸變大；再次，由于溫度升高引起熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其它部分要厚，所以熱膨脹比較嚴重。首先，活塞受到側向力的作用。所以裙部的設計要求，是保證活塞得到良好的導向，具有足夠的實際承壓面積，能形成足夠厚的潤滑油膜，既不因間隙過大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過小而導致活塞拉傷。 活塞裙部的設計 活塞裙部是指活塞頭部最低一個環(huán)槽以下的那部分活塞。D 、 D 的圓環(huán)形板，沿內圓柱面固定，要精確計算固定面的應力比較復雜，可以將其簡化為一個簡單的懸臂梁進行大致的計算。一般氣環(huán) ?? = 毫 米 ，油環(huán)的 ?? 則 更 大 些 ， 如 在膨脹沖程開始時，在爆發(fā)壓力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。 （ 3） 環(huán)岸和環(huán)槽 環(huán)岸和環(huán)槽的設計應保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機油消耗量，防止活塞環(huán)粘著卡死和異常磨損，氣環(huán)槽下平面應與活塞軸線垂直，以保證環(huán)工作時下邊與缸桶接觸，減小向上竄機油的可能性?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當?shù)牡菇牵駝t當岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴重漏氣和過熱的原因，但倒角過大又使活塞環(huán)漏氣增加。正確設計環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。)~(39。 （ 2）環(huán)帶斷面 為了保證高熱負荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚 39。 活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側壁必須加厚，一般取 D)~( ，取 為，活塞頂與側壁之間應該采用較大的過渡圓角，一般取 Dr )~(? ，取 為 ，活塞頂表面應光潔，在個別情況下甚至拋光。專門的實驗表明，對無強制冷卻的活塞來說，經活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占 70～ 80%，經活塞本身傳到氣缸壁的占 10～ 20%，而傳給曲軸箱空氣和機油的僅占10%左右。實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，汽油機為D)~(?? ，即 )( ???? 。僅從活塞設計角度，為了減輕活塞 組的熱負荷和應力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡單的活塞頂形狀，即平頂。 則 mmhhHh 7 6 8 9 ??????? 。 綜上所述，可以決定活塞的壓縮高度 1H 。為了保證油環(huán)工作良好，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會使油環(huán)卡住而失效。 本科生畢業(yè)設計 17 因此，環(huán)帶高度 mmbcbcbh ??????????? 。實際發(fā)動機的統(tǒng)計表明，Dc )~(1 ? ， 12 )2~1( bc ? ，汽油機接近下限。當然，第二環(huán)岸負荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? 。在小型高速內燃機上，一般氣環(huán)高 mmb ~? ，油環(huán)高 mmb 5~2? 。一般汽油機 Dh )~(1 ? ， D 為活塞直徑，該發(fā)動機的活塞標準直徑 mmD ? ，確定火力岸高度為： mmDh ???? （ 2）環(huán)帶高度 為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度 b 應盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會減輕對環(huán)槽側面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。為縮小 1H ，當然希望 1h 盡可能小，但 1h 過小會使第一環(huán)溫度過高，導致活塞環(huán)彈性松弛、粘結等故障。盡量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動機活塞設計的一個重要原則，壓縮高度 1H 是 由火力岸高度 1h 、環(huán)帶高度 2h 和上裙尺寸 3h 構成的，即 1H = 1h + 2h + 3h 為了降低壓縮高度，應在保證強度的基礎上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。而 1H 則直接受頭部尺寸的影響。 活塞頭部的設計 設計要點 活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過銷座把它傳給連桿，同時與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質。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，適應大量生產工藝的要求，應用也很廣。對汽油機來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動機性能創(chuàng)造了重要的條件。因此其慣性小，這對高速發(fā)動機具有重大意義。但近幾十年來，由于發(fā)動機轉速日益提高，工作過程不斷強化，灰 鑄鐵活塞因此比重大和導熱性差兩個根本缺點而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。以降低活塞組的往復慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機械負荷和平衡配重； （ 5） 有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。?，耐磨、耐蝕； （ 6） 工藝性好，低廉。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應力； （ 3） 膨脹系數(shù)小。 活塞的材料 根據(jù)上述對活塞設計的要求，活塞材料應滿足如下要求： （ 1） 熱強度高。 活塞組的設計要求 （ 1）要選用熱強度好、耐磨、比重小、熱膨脹 系數(shù)小、導熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料； （ 2）有合理的形狀和壁厚?；钊粌H溫度高，而且溫度分布不均勻，各點間有很大的溫度梯度， 這 就成為熱應力的根源，正是這些熱應力對活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用 [9]。 活塞的熱負荷 活 塞在氣缸內工作時，活塞頂面承受瞬變高溫燃氣的作用，燃氣的最高溫度可達CC ?? 2500~2022 。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。 活塞的工作條件和設計要求 活塞的機械負荷 在發(fā)動機工作中 ,活塞承受的機械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復慣性力以及由此產生的側向作用力。 本科生畢業(yè)設計 14 第 3 章 活塞組的設計 活塞的設計 活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作往復運動的零件，它們是發(fā)動機中工作條件最嚴酷的組件。 當 ? = ?13 時，根據(jù)正弦定理， 可得： ?? sinsin rl ? 求得 ?????? 13s i rc s i ns i na rc s i n lr ?? 將 ? 分別代入式（ ）、式（ ），計算結果 如 表 所示： 表 連桿力 K 、側向力 N 的計算結果 四個沖程 連桿力 K /N 側向力 N /N 進氣終點 ? ? 本科生畢業(yè)設計 13 壓縮終點 膨脹終點 ? ? 排氣終點 力 K 通過連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也分解成兩個力，即推動曲軸旋轉的切向力 T ， 即 ? ???? c os )s i n()s i n( ???? ?PKT （ ） 和壓縮曲柄臂的徑向力 Z ，即 ? ????