【正文】 同樣感謝我們系的張志香張老師，本課題的完成得到了張老師的大力支持與精心指導(dǎo)，在活塞的結(jié)構(gòu)上用她深厚的理論知識(shí)給了我大力的支持。崔老師他是一位樸實(shí)無華而品德高尚的人，他知識(shí)淵博，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，注重細(xì)節(jié)。在崔老師的精心指導(dǎo)下，我完 成了本課程設(shè)計(jì)。 H， 匹辛格 (4)未來展望： 6D 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞為整體鍛鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適應(yīng)了高強(qiáng)化柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化要求，代表了未來活塞結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向， 目前各主要柴油機(jī)公司在開發(fā)歐Ⅲ、歐Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，都在考慮采用整體鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞。所設(shè)計(jì)的鍛鋼活塞重量偏重，與活塞輕量化設(shè)計(jì)相悖，從其它方面做進(jìn)一步工作以減輕活塞重量 。同時(shí)，對(duì)鋼質(zhì)活塞的頭部型線、橢圓進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使 環(huán)岸部位參與導(dǎo)向。本文的主要工作和該項(xiàng)目的市場前景如下： (l)主要工作： 借鑒國外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和鋁活塞成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鍛鋼活塞進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，完成了方案設(shè)計(jì)；所設(shè)計(jì)的鍛鋼活塞通過了所有的試驗(yàn)，說明所設(shè)計(jì)的鍛鋼活塞是能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 27 頁 共 30 頁 總結(jié) 鋼質(zhì)活塞的研制開發(fā)是在國內(nèi)、國際市場對(duì)大功率、高負(fù)載、高可靠性、低排放柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的迫切需求的背景下實(shí)施的。高精度的定位裝置和高剛度的驅(qū)動(dòng)裝置 。 活塞在加工過程中必須保證形位精度和粗糙度要求，鍛鋼活塞生產(chǎn)線采用高精度多功能模塊數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)活塞相似加工特征在單機(jī)上的集成加工，減少了活塞重復(fù)定位造成的誤差，從而保證了活塞的各精度要求。退火工藝為： 580℃保溫 2 h，中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 26 頁 共 30 頁 隨爐冷至 200℃后空冷。該焊接方式在航空、航天、核能、海洋開發(fā) 等高技術(shù)領(lǐng)域及電力、機(jī)械制造、石油鉆探、汽車制造等產(chǎn)業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用 .[25] 焊后熱處理 焊接過程由于其溫度和變形的分布特點(diǎn)，焊合區(qū)部位存在一定的殘余應(yīng)力。因此焊縫不會(huì)產(chǎn)生與熔化和凝固冶金有關(guān)的一些焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象，如粗大的柱狀晶、氣孔、偏析、夾雜和裂紋等。同時(shí)，摩擦焊過程中母材不發(fā)生熔化，屬于固相熱壓焊，接頭為鍛造組織。焊接過程可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程 序控制，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與閉環(huán)控制，可進(jìn)一步提高摩擦焊過程的控制精度與可靠性。 摩擦焊是一種優(yōu)良、高效、節(jié)能的固態(tài)連接技術(shù)，具有焊接質(zhì)量高、可靠，焊件尺寸精度高等特點(diǎn)。 活塞頭部與裙部毛坯鍛造成型 頭部及裙部毛坯的鍛造在 2500T 熱模鍛壓力機(jī)鍛造生產(chǎn)線上進(jìn)行，其工藝流程如下： 備料 → 中頻感應(yīng)爐加熱 (1250℃ )→ 2500T 壓力機(jī)墩粗 → 2500T 壓力 機(jī)模鍛 → 250T 壓力切邊 → 箱式爐、鏈?zhǔn)綘t熱處理 (550℃ )→ 拋丸清理 → 布式硬度計(jì)硬度檢測 → 鍛件 100%磁粉探傷 → 防銹處理 活塞頭部與裙部粗加工 在粗加工時(shí)要考慮給精加工留下足夠的加工余量、合適的精加工定位基準(zhǔn)、摩擦焊軸向縮短量等因素。活塞與活塞環(huán)的最大往復(fù)慣性力： 602 ?? n? =LR?? = ?maxjp (1+? )mjR 2? = MN 最大氣體作用力： Pgmax= 42PzD? = MN 則比壓 1q 1q =(PgmaxPjmax)/2dl1 =45 MPa 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 24 頁 共 30 頁 1q 的 許用值：一般內(nèi)燃機(jī)為 15~35 MPa，強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)為 40~60 MPa。 活塞銷座比壓 活塞銷座與活塞銷是一對(duì)摩擦副。 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(shí)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 m ? = MPa 根據(jù)第三強(qiáng)度理論，其合成應(yīng)力為： 22 3??? ??? = MPa 安全系數(shù) ????bbn =6 活塞裙部校核 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁 共 30 頁 裙部起導(dǎo)向作用，裙部在側(cè)壓力作用下在氣缸中高速滑動(dòng)，因此磨損比較嚴(yán)重，裙部比壓 q 對(duì)活塞和氣缸的壽命有很大的影響。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。與此相應(yīng)的出油口直徑為進(jìn)油孔直徑的— 倍 [23]。 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）。對(duì)活塞主要尺寸進(jìn)行完設(shè)計(jì)后，最后再對(duì)活塞所有細(xì)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了該活塞的產(chǎn)品圖紙的設(shè)計(jì)工作。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(shí)，有 度的拔模斜度，所以最薄處為： ?20=?=。 6.）裙部壁厚 =D (3－ )%=110 (3－ )%=— 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 21 頁 共 30 頁 一般，鋁活塞裙部壁厚最小為缸徑的 5%。在此范圍內(nèi)選擇K4=7mm。 Kl=D (－ )%=110 (－ )%=— 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=D (－ )%=110 (－ )%=— 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=D (－ )%=110 (－ )%=— 在此范圍內(nèi)選擇 K3=5； 4） .燃燒室底部最小壁厚 K4(頂厚 ) K4=D (－ )%=110 (－ )%=— 。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 20 頁 共 30 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=D (— )% D— 發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑，以下同。在滿足強(qiáng)度及可靠性的基礎(chǔ)上，壁厚越薄越好，因?yàn)楸×四軌蚬?jié)省材料，并且能夠減輕活塞重量，符合活塞輕量化設(shè)計(jì)要求。 活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定 因?yàn)樗O(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)要考慮與活塞相鄰零件的配合情況。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(dòng)機(jī)配缸間隙。其橢圓半徑收縮量公式： △ R= G/4 [(1— cos2α)－ ( l— cos4α)] 目前對(duì)活塞裙部表面粗糙度也有了新的認(rèn)識(shí)。左右有擦傷痕跡，采用雙橢圓公式 [22]： △ R=G/4 [(1— cos2α)+β(1－ cos4α)]=G/2 (sin2α+βsin2α) 式中： β— 橢圓修正系數(shù) 在橢圓設(shè)計(jì)過程中， β一般應(yīng)?。?p。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。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 30 頁 根據(jù)這些原理，所設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，使活塞運(yùn)行更平穩(wěn)。 工作狀態(tài)下，中凸點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)的位置將向銷孔中心方向上移一段距離。潤滑油層最小厚度值取決于裙部上端桶形變化值。必須注意，橢圓度較小時(shí)，潤滑油膜厚度較小，可能發(fā)生臨界摩擦 。這就確定了在接觸處型面對(duì)潤滑油影響的基本要素。中凸變橢圓型面母線可近似看作兩條曲線相接構(gòu)成。型線上半段基本上遵循主推力面的實(shí)際磨合規(guī)律，而下半段則遵循 次推力面的實(shí)際磨合規(guī)律。根據(jù)實(shí)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(yùn)動(dòng)等各項(xiàng)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(gè)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。因此活塞外圓型面設(shè)計(jì)，既充分考慮活塞的熱變形、機(jī)械變形、二階運(yùn)動(dòng)以及缸孔的熱變形， 又要保證活 塞與缸孔間實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力潤滑 [20]。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁 共 30 頁 活塞與缸套間的摩擦，無論是對(duì)內(nèi)燃機(jī)的有效效率，還是對(duì)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。 內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，各零件之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式有活塞組與缸套之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有滑動(dòng)軸承間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，這些零件間不僅有很高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，而且存在著很大的作用力，鍛鋼活塞平均運(yùn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)阻力一摩擦力，因而造成摩擦損失。 活塞裙部是活塞設(shè)計(jì)中特別重要的部位，在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，活塞裙部起導(dǎo)向作用。根據(jù)缸套尺寸 110(0， +)mm，設(shè)計(jì)配缸間隙為 — ，由此確定活塞最大直徑尺寸為 士 。對(duì)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?；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(shí)對(duì)燃?xì)庥懈玫拿芊庾饔茫谝画h(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%。由于工作時(shí)活塞頭部要比其它部分溫度高，在冷態(tài)時(shí)其頭部間隙大于裙部。 所以，活塞銷孔總長度為（ 80?44） /2=18mm 活塞外圓型面設(shè)計(jì) 首先，要選擇合適的配缸間隙，因?yàn)榛钊牧蠟殄戜摚錈崤蛎浵禂?shù)與缸套 相當(dāng)，所以，受熱時(shí)，活塞的熱膨脹與缸套相當(dāng)。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第