【正文】 44 MWNiCr 高硬度強(qiáng)度耐熱鋼比較滿足條件，在高溫下的強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，但是硬度不高，但是可以在氣門錐面上焊接硬質(zhì)合金的材料，能夠提高它的硬度以及耐磨性。現(xiàn)在的汽車，工程機(jī)械，拖拉機(jī)的行程比在 ~ 之間，而高速柴油機(jī)的 DS/ ，一般在 ~ 之間，中速柴油機(jī)在1~，低速柴油機(jī)比較大為 ~,。根據(jù)我要設(shè)計(jì)的柴油機(jī)，我選擇 S/D 為 1. ，因?yàn)楦讖綖?120mm，所以行程 S 為 132mm，又因?yàn)椴裼蜋C(jī)每缸的工作容積 62 104 ??? SDVh ?,所以 LVh 62 ????? ??。所以，功率 kwpe 88430 2 2 0 044 9 ?? ???? （ 12小時(shí)功率），活塞平均速度的計(jì)算 mC ： smnSC m / 1 3 2 0 030 ???? 活塞組的工作條件和設(shè)計(jì)要求 活塞組是柴油 機(jī)中受到工作強(qiáng)度最大的組件之一，它的工作特點(diǎn)如下：活塞在工作中要受很大的負(fù)荷，主要包括慣性力，氣體壓力，側(cè)作用力，現(xiàn)在增壓柴油機(jī)的最大氣體壓力大約為MPa15~13 。為了適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)時(shí)要使得活 塞有合適的壁厚以及合理的形狀，在能承受足夠的強(qiáng)度下和剛度下，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，輕巧，截面變化處用圓滑過渡來減少應(yīng)力集中。活塞的熱負(fù)荷決定于活塞的材料，結(jié)構(gòu)，以及使用情況等?；钊?使用過程中會(huì)發(fā)生磨損，當(dāng)沿氣缸做高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)磨損，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)的活塞速度挺高，有的達(dá)到了12~14m/s。在潤(rùn)滑不好的情況下，經(jīng)常使得活塞，活塞環(huán)以及氣缸之間劇烈摩擦和磨損。所以在設(shè)計(jì)活塞組時(shí)要滿足以下幾方面。通常車 用活塞為整體鑄造，或者整體鍛造的鋁合金活塞。然而現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高，強(qiáng)化度增加。鋁合金的密度小，是灰鑄鐵的 3/1 ,重量為它的%70~%50 左右。能降低活塞的工作溫度，提高充氣系數(shù)，防止?jié)櫥偷淖冑|(zhì)。當(dāng)含硅量增加時(shí)，鋁合金的強(qiáng)度，密度，導(dǎo)熱率以及膨脹系數(shù)都下降，而硬度及耐磨性提高。 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞的尺寸如圖 78 活塞的尺寸查表 51 名稱 柴油機(jī) 汽油機(jī) 活塞高度 H （ ~） D （ ~） D 壓縮高度 H1 （ ~） D （ ~） D 裙部高度 H2 （ ~） D （ ~） D 頂岸高度 h1 （ ~） D （ ~） D 上裙部高度 h3 （ ~） D （ ~） D 下裙部高度 h4 （ ~） D （ ~） D 銷孔直徑 d （ ~） D （ ~） D 第一環(huán)岸高度 C1 （ ~） D （ ~） D 其他環(huán)岸高度 （ ~） D （ ~） D (1)活塞高度 H。總原則是應(yīng)盡量選取小的高度。 (2)壓縮高度 H1。在保證氣環(huán)較好的工作下，應(yīng)盡量縮短 H1 的值，能夠降低柴油機(jī)的高度。 確 定 了 H1 為 72mm 。如圖 716 mmh ??? 活塞頭部 活塞頭部包含了頂部和環(huán)帶部，主要目的是承受氣體壓力，并由銷座把力傳給連桿。為了能使第一環(huán)槽正常工作且不至于過早的損壞，可采取如下的措施。 （ 3） 減少頂岸與缸套的間隙，減少氣流流過 第一環(huán)槽的流通面積，降低第一環(huán)槽的溫度。槽中積炭后可以吸附機(jī)油，在失油的情況工作時(shí)，可以防止活塞與氣缸咬合，能避免出現(xiàn)拉缸。增大燃燒室的容積 活塞環(huán)帶的設(shè)計(jì) 現(xiàn)在的活塞環(huán)一般分為有氣環(huán)和油環(huán)兩種，活塞環(huán)的環(huán)數(shù)受約于密封的限制，與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和氣體壓力有關(guān)系，因?yàn)槁饬侩S著缸徑和氣體壓力增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速 上升時(shí)，漏氣量減少，現(xiàn)在的氣環(huán)數(shù)有三道或兩道氣環(huán)，一道或兩道油環(huán)。本次設(shè)計(jì)，我采用兩道氣環(huán)，一道油環(huán)?；蛘吒Z油竄氣。第一道氣環(huán)的材料選擇球墨鑄鐵，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生環(huán)振，而球墨鑄鐵的抗彎強(qiáng)度為 1300MPa,滿足要求，而且，它的彈力和熱穩(wěn)定性能好。材料用灰鑄鐵，并且表面要氧化。同時(shí)加工表面要鍍 Cr。 活塞環(huán)的尺寸 （ 1） 第一氣環(huán)，根據(jù)資料，一般氣環(huán)的查表 307? ，從而高度 h 為 2mm，當(dāng)缸徑在 80~150mm 時(shí)， 28~22/ ?tD ，因?yàn)楦讖揭驗(yàn)?120mm，所以 22/ ?tD 解得 t=,由于材質(zhì)為球墨鑄鐵，所以 ,~?DS取 ?DS , 則開口間隙為 12mm ，閉口間隙為mmDS 61 2 00 0 0 ???? (2)第二氣環(huán)，高度 h 為 ， 22/ ?tD ,解得 t=,由于材質(zhì)是灰鑄鐵，所以 ~?DS ,所以取 ?DS ,得S=,則閉口間隙為 mmDS 61 2 00 0 0 ???? 。 間隙，徑向和軸向的間隙，徑向間隙 ~ ?? ，氣環(huán)的間隙 都是 1? =，油環(huán) ~ ?? mm，取 1? =?！恫裼蜋C(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 79 D(mm) h(mm) 124? 2 170~124 250~170 4 370~250 550~370 920~550 10 設(shè)計(jì) 活塞的傳力機(jī)構(gòu)，所承受的氣體壓力經(jīng)活塞銷座傳給活塞銷，所以活塞銷及銷座容易產(chǎn)生交變應(yīng)力及變形。根據(jù)表 51 取 d=, 所 以 活 塞 銷 的 直 徑 為mmd ??? 。 活塞的校核 : 活塞的頂部應(yīng)力； 22211 / cmk gfDp z ??????? ????????????? ?? 其中， 1D 是活塞頭部直徑， ? 是活塞頂?shù)暮穸?，因?yàn)榛钊數(shù)撞坑屑訌?qiáng)筋，所以 ? ??1? 500 2/cmkgf ，滿足要求。 切應(yīng)力： 222221/ cmk g fhDP Z ????????????????????? ??? 其中 zp 為最高爆發(fā)壓力 。 22222w / cmk g f?????? ??? 總 查表 127? 知：鋁合金 2k g f / c m400~300?總? 滿足要求。 活塞環(huán)上的彈力： M p atD DSEp )( 1 2 0/ 0 01 4 )1/( /1 4 330 ??????? 活塞環(huán)的套裝應(yīng)力，手工安裝，取 m= M p atD tSEm 1 1 2)( 1 1 0 )1/( /1 1 39。 ?? ,所以滿足要求。 活塞銷座比壓 2239。2 cmk g fdlpq z ??? ????? ? ??2q 400~600 2/cmkgf 所以滿足要求。)1( )1( 42 2m a x ? ??? ? ??? dp 其中， d 表示銷的直徑， p= jpN ?max ， jp 表示除了銷以外的活塞組的慣性力： ?????????? 22 2 3 00 6 )( )1(39。彈性模量： E=198GPa ? 202 24 /10 cmkgf 如圖 42，是活塞銷的計(jì)算簡(jiǎn)圖 彎曲變形： mmpf z )2442(1020260 )( 444 22 ????? ????? ? ? mmDf 0 1 0 00 1 ??? ??ff? ,所以滿足。 縱向上的彎曲應(yīng)力： 244 24042 / 692442 4212 082)()2(39。 cmk gf???? ?? 許用應(yīng)力 ??? =3500~5000 2/cmkgf ，滿足要求。因?yàn)樾☆^是由于壓入襯套引起的，在大頭擰連桿螺栓時(shí)，二者會(huì)造成靜載荷。 設(shè)計(jì)要求： （ 1） 結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，尺寸要緊湊，耐用。 （ 3） 要縮短長(zhǎng)度，有力于減少總體尺寸和重量， （ 4） 螺栓的疲勞強(qiáng)度要強(qiáng)，連接可靠。 連桿的材料： 連桿在工作情況是非常惡劣的，所以，連桿的材料選擇很關(guān)鍵，在結(jié)構(gòu)輕巧的情況下，還要有足夠的強(qiáng)度和剛度。而且，現(xiàn)在的輥鍛技術(shù)成熟，制造的成本變得更低。 （ 3） 鑄鋁合金，一般用于小型的發(fā)動(dòng)機(jī)。 如圖 85，所示。對(duì)于柴油機(jī)來說， b=d=42mm。所以，桿身的重量要小，并且它的強(qiáng)度和剛度要大，結(jié)合這些方面，我選擇“工”字鋼來作為桿身的截面。它的截面如圖 25? 所示，因?yàn)?，此缸徑?120mm，行程 S 為 132mm，所以，取 ?? 查表 mmSr 6621322 ??? ， L= mmr 220?? ， H/D=，所以 H=120*=，取 H=38mm, B/H=,所以 B=*38=，取 B=26mm。 連桿組的重量 連桿組的重量可以根據(jù)表 821 的數(shù)據(jù)，得出本次的連桿組的重量為 2300g。 連桿的小頭的校核計(jì)算 1） 溫度過盈量： T? =( ???B )d1t= C??????? ?? 0 4 2 548)( 55 其中， B? 是襯套的熱膨脹系數(shù) B? = 510?? ， ? — 小頭材料的熱膨脹系數(shù)， ? =1 510?? ， t 是連桿小頭的溫升高，通常 t=100~150 C? ,取 t=125 C? 。 2） 徑向壓力 P ????????????? ????????????Eudd ddEudd dddTP222222221112211M p 4248 5848485222252222 ??????????????????????? 其中， d2 是小頭的外徑， d2=58mm。 d 為襯套的內(nèi)徑，也是銷的直徑， 42?d mm。 E 是連桿材料 的抗拉彈性模數(shù)， E= 510? MPa 。 ? 表示襯套裝配過盈量。 222222 ??????? 2） 內(nèi)應(yīng)力： M P add ddPi 4 64858 12 2222222 ????????? 因?yàn)?? ?? ?ia ?? , 在 150~100 MPa ，所以，滿足要求。jP 。jP = ? ? KNrgG 2 6662 3 2)1(39。 當(dāng) c? =0 時(shí)，彎矩為 0M ，法向力 0N ,按以下公式計(jì)算 ? ? mNrjPM c ?????? ?? 0 20 2 9 2 40 0 0 3 2 6 )0 2 9 0 0 3 (39。 m a x0 ? 所以，彎距為： M= mNrjPrNM ccc ???????? ????? ) ( s i ) os1( )c os( s i n39。 o s m a x0 ccc jPN ??? ?? = KNc 9 7) 2 4c o 2 4( s i 2 o 3 7 ????? ? 所以，固定的表面應(yīng)力：hbKNhrh hrMaj 11)2(62 ?????? ????? = ? ? k ???????? ???? ??? 連桿小頭的截面積 ? ? ? ? cmbdds ????? 襯套的截面積 ? ? )(139。39。4 cmk g fjPDpp zc ???????? ? 作輔助函數(shù)： ??rPMC， ??rPNC 小頭的中央截面的彎矩： 20 / cmk g fM ?????? 小頭的中 央截面的法向力： 20 / 5 8 5 0 3 2 cmk g fN ???? 小頭受到壓力時(shí)的固定截面的彎矩以及法向力： )()c o s1(002 ccc rfprNMM ?? ???? =2/ 9 90 2 3 8 5 2 4c o 5 cmk g f???????? ? ? 202 / o 2 3 8 5 3c o s cmk g fNfPN ccc ???????? ?? 受壓時(shí)表面應(yīng)力：hbkNhrh hrMac 11)2(62 22 ?????? ????? cmk gf / 1)()(5 ??????? ?????? ???? 因?yàn)椴牧线x取的 Cr40 鋼 ， 所 以 它 的 抗 拉 強(qiáng) 度 極 限 ：2/ cmkgfB ?? ，所以 ??1? ~ B? ，得21 / cmk g f????? ， ??z1? ~ 1?? , 所以21 / cmk g fz ????? ； ?0? ~ 1?? = 21 / cmk g f????? 。221 cmk g facajm ???????? ???? 1 101 ???????? ????????zn ? ，所以安全。 ??? ??= ? ? cm36623 ?????? ??? ? ，滿足。 22 ????????? ?? 桿身最大的壓縮力 cp = k g fPDpjz 9 9 8 71 3 1 74 22 ?????? 則拉伸應(yīng)力： 2/ 1 3 1 7 cmk g fSP jj ???? 截面慣性矩： ? ? ? ?? ? 43333 )(121 cmhtBBHJ x ???????? ? ?? ? ? ?? ? 43333 cmhtBhHJ y ???????? 合應(yīng)力： 2221 / 39。 cmk gfpJlCSp cyc ??????? 所以，桿身的中間截面的應(yīng)力幅為 ax? ，和平均應(yīng)力 mx