活塞結構設計與工藝設計

活塞結構設計與工藝設計,活塞,結構設計,工藝,設計 課程設計任務書 一、設計題目：活塞結構設計與加工工藝 二、設計參數(shù)：五十鈴6120、排量2.0L、為120135、轉速1300rmin 頂岸高度F、活塞銷直徑BO、裙長SL、銷座間距A、總長GL、最大爆發(fā)壓力、活塞銷校核 三、設計要求： 1用計算機繪制活塞總裝配圖一張（A1圖）、零件圖（加工工件）一張（A2圖） 2設計說明書一份（包括零件圖分析、定位方案確定、定位誤差計算等內容；最好能寫出整個工藝過程） 四、進度安排： 第一周： 查找課程設計所需要的書籍，資料。 第二周： 對活塞進行尺寸設計計算。 第三周： 強度校核 第四周： 繪圖并書寫說明書。 第五周： 應用制圖軟件繪制零件圖及裝配圖并完善課程設計說明書。 五、總評成績及評語： 指導教師 簽名日期 年 月 目 錄 前 言 1 1活塞的概述 2 1.1活塞的功用及工作條件 2 1.2活塞的材料 2 1.3活塞結構 2 1.3.1活塞頂部 2 1.3.2活塞頭部 3 1.3.3活塞裙部 3 2活塞的結構參數(shù) 4 3活塞最大爆發(fā)壓力的計算 5 3.1熱力過程計算 5 3.2柴油機的指示參數(shù) 8 3.3柴油機有效效率 10 4活塞銷的受力分析 11 5活塞的加工工藝 13 參考文獻： 14 課程設計 前 言 內燃機的不斷發(fā)展，是建立在主要零部件性能和壽命不斷改進和提高的基礎上的，尤其是隨著發(fā)動機強化程度的提高、功率的增大和轉速的增加，零部件尤其是直噴式柴油機活塞的工作環(huán)境變得更加惡劣了。活塞的結構直接影響活塞的溫度分布和熱應力分布，因此就有必要對活塞的結構和性能作出預測和評價。 活塞是內燃機上最關鍵的運動件，它在高溫高壓下承受反復交變載荷，被稱為內燃機的心臟，特別是坦克、艦艇和軍用車船用內燃機活塞則要求更高，它已成為制約內燃機發(fā)展的一個突出問題。 本次課程設計的題目是發(fā)動機鋁活塞的結構及工藝設計，選擇利用合適的機床加工發(fā)動機活塞，通過這次課程設計，要求熟練掌握并能在實際問題中進行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過程。 1活塞的概述 1.1活塞的功用及工作條件 活塞是曲柄連桿機構的重要零件煤氣主要功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉對外作功。此外，活塞又是燃燒室的組成部分。 活塞是內燃機中工作條件最嚴酷的零件。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內燃機的最高燃燒壓力可達14—16MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時側壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復慣性力和側壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側部磨損等。由此可見，活塞應有足夠的強度和剛度，而且質量要輕。 活塞頂部直接與高溫燃氣接觸，活塞頂部的溫度很高，各部的溫差很大，柴油機活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實際受熱面積加大，熱負荷更加嚴重。高溫必然會引起活塞材料的強度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。另外，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象。所以要求活塞應有足夠的耐熱性和良好的導熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時在結構上采取適當?shù)拇胧?，防止過大的熱變形。 活塞運動速度和工作溫度高，潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。要求應具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。 1.2活塞的材料 現(xiàn)代內燃機廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導熱性好（比鑄鐵大3-4倍），密度小（約為鑄鐵的1/3）。因此鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對改善工作條件減少熱應力延緩機油變質有利。目前鋁活塞廣泛采用含硅12%左右的共晶鋁硅合金制造，外加銅和鎳，以提高熱穩(wěn)定性和高溫機械性能。鋁活塞毛胚可采用金屬模鑄造，鍛造和液壓模鍛等方法生產(chǎn)。 為了提高鋁活塞的強度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對活塞進行淬火和時效熱處理。 1.3活塞結構 活塞按部位不同，分為頂部，頭部和裙部三部分。 1.3.1活塞頂部 活塞頂部是燃燒室的組成部分，其形狀與燃燒室形狀和壓縮比有關，一般有平頂，凸頂和凹頂三種。 1.3.2活塞頭部 活塞頭部是指由活塞頂部到油環(huán)下端面之間的部分。在活塞頭部加工有用來安裝氣環(huán)和油環(huán)的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。在油環(huán)槽的低部還加工有回油孔或橫向切槽。活塞頭部有足夠的厚度，從活塞頂部到環(huán)槽區(qū)的斷面要盡可能的圓滑，過度圓角半徑應足夠大，以減少熱流阻力，便于熱量從活塞頂部經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸壁，使活塞環(huán)的溫度不至于過高。 1.3.3活塞裙部 活塞頭以下的部分為活塞裙部，活塞銷座位于裙部。裙部起導向作用，并承受側壓力。因此，活塞裙部的形狀保證活塞在氣缸得到良好的導向，氣缸與活塞之間在任何工況下都能保證均勻，合適的間隙，并有一定的承壓面積。 2活塞的結構參數(shù) 發(fā)動機選取為6120型柴油機，參數(shù)設計參照《新型鋁活塞》 活塞缸徑D=120mm （一）壓縮高度KH=80mm （二）頂岸（第一環(huán)槽至活塞頂端距離）F=17mm （三）采用三道環(huán)（其中兩道氣環(huán)，一道油環(huán)） 氣環(huán)高度取5mm，油環(huán)高度取7mm 第一道環(huán)岸高度為6mm 第二道環(huán)岸高度略小于第一道環(huán)岸高度，為5mm （四）活塞銷直徑為BO=44mm 頂環(huán)槽寬為3mm （五）群長SL=100mm 下裙長為65mm （六）銷座間距AA=44mm （七）活塞重量 系數(shù)X=0.9—1.4 取X=1.23, (八)頂部厚度S=15mm 總長=80+65=145mm 燃燒室 鋁的線性膨脹系數(shù)為 活塞頭部的最大溫度為350攝氏度，所以其變形量為 活塞裙部最大溫度為200攝氏度，所以其形變量為 3活塞最大爆發(fā)壓力的計算 最大爆發(fā)壓力計算參考《內燃機原理》 環(huán)境壓力 環(huán)境溫度 幾何壓縮比 有效壓縮比 燃燒過量空氣系數(shù) 參與廢棄系數(shù) 參與非其溫度 增壓空氣壓力 最大燃燒壓力 Z點熱利用系數(shù) B點熱利用系數(shù) 燃燒室掃其系數(shù) 燃料質量分數(shù) 燃料低 3.1熱力過程計算 充氣過程系數(shù) 增壓器后空氣溫度： 式中，去增壓器內平均多變壓縮指數(shù) （1） 壓縮始點溫度 式中，——新氣預熱度，=5K; ---比熱修正系數(shù)，=1.11 （2） 壓縮始點壓力 （3） 充氣系數(shù) （4） 平均多變壓縮指數(shù) （1） 式中，a，b—常數(shù)，對于空氣（忽略殘余廢氣），a= 19.26 ，b=0.0025 第一次試算，式（1）等號右端代入=1.37 , 第二次試算，式（1）等號右端代入=1.369, （5） 壓縮終點溫度 （6） 壓縮終點壓力 （7） 燃料燃燒所需理論空氣量 （8） 燃燒所需的實際空氣量 （9） 理論分子變化系數(shù) （10） 實際分子變化系數(shù) （11） Z點燒去的燃料質量分數(shù) （12） Z點處分子變化系數(shù) （13） Z點燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 式中， （14） b點燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 式中， （15） z點燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定壓熱容 （16） 燃料發(fā)熱量 壓力升高比 （17） Cyz段的燃料燃燒公式，就最大燃燒溫度 簡化后得 （2） 第一次試算，取式（2）等號右端的= 2000K 得 第二次試算，取式（2）等號右端的=2200K 得 第三次試算，取式（2）等號右端的= 2196K 得 最后取 膨脹過程參數(shù)： （18） 初膨脹比 （19） 后膨脹比 （20） 求多變膨脹指數(shù)及膨脹終點溫度，zb膨脹線上的后燃公式， （3） （4） 將式子（3）與式子（4）聯(lián)立，得 （5） 第一次試計算，取=2000K 得， 第二次試計算，取2189K 得， K 最后取 （23） 膨脹終點壓力 3.2柴油機的指示參數(shù) （21） 理論平均指示壓力（以有效行程為準） （22） 實際平均指示壓力（以全行程為準） 式中， ————示功圖豐滿系數(shù)，=0.98 （23） 指示油耗 （24） 指示效率 （25） 增壓器中絕熱壓縮功 （26） 增壓器中絕熱效率 式中，k-------比熱容比，=1.4，;------多變指數(shù)，，。 （27） 增壓器實際壓縮功 式中，-----增壓器機械效率，=0.96 （28） 增壓器的相對作功率 3.3柴油機有效效率 （29） 柴油機總機械效率 式中， ；-------增壓器相對功率； 。 （30） 柴油機平均有效壓力 （31） 柴油機有效油耗 （32） 有效功率 （33） 活塞形成容積比例尺 代表 ; 壓力比例尺代表0.1Mpa。 壓縮容積： =18.4 代表 壓縮終點壓力： 代表 壓縮始點容積 代表 壓縮始點壓力 代表 最大壓力的容積 代表 ， 計算壓縮曲線ac上各點壓力，即 式中，，在1至之間選定。 計算膨脹曲線zb上各點壓力，即 式中，x在1至之間選定。 根據(jù)以上兩式，計算出壓縮曲線和膨脹曲線各點坐標參數(shù)兵列表如下: 表3-1 序號 壓縮線上的 膨脹線上的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 189 94.5 63.0 47.3 37.8 31.5 27.0 23.6 21.0 18.9 17.2 1 2.57 4.47 6.61 8.95 11.48 13.2 17.0 19.9 23.0 26.2 3.36 8.6 15.0 22.2 30.1 38.6 44.4 57.1 1 2.00 3.01 4.02 5.03 6.04 7.04 8.05 9.06 28.46 38.7 63.5 90.18 118.6 171.9 200.4 229.1 257.8 根據(jù)上表畫出示功圖 圖3-1 6120型柴油機計算示功圖 Fig.3-1 Table of 6120 diesel engine calculate exploit show 4活塞銷的受力分析 活塞受力分析： 曲軸在10度轉角時產(chǎn)生最大爆發(fā)壓力，如圖所示： 60sin10=200sinα 所以sin=600.1736/200=0.0521 所以α=3度 圖4-1 Fig..4-1 其中：D——活塞直徑 R——曲軸半徑 mj——往復運動質量 連桿比λ=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min 曲軸轉速 對活塞銷的校核： 1、畫出活塞銷的Q、M圖 圖4-2 Fig. 4-2 活塞銷外徑44mm，內徑do=0.25d=11mm = 選活塞銷材料為45號鋼，調質處理，得 所以該活塞銷符合強度。 5活塞的加工工藝 表5-1活塞加工工藝過程 Tablet.5-4 piston machining technics process 工序號 工序名稱 定位基準及技術條件 設備 工裝 0 毛坯鍛造 按活塞鍛造工藝進行 1 粗車底面B止口φ110 粗基準是毛坯外圓，金屬模液壓鍛造，壁厚均勻〔有的用內腔做為基準〕 車床 三角卡盤自動定心 2 粗鏜活塞銷孔φ44 下端面B，內止口及毛坯銷孔，活塞頂部壓緊 鏜床 鏜刀 3 粗車頂面C，圓φ120及環(huán)槽 下端面B內止口銷孔處 半自動車床，液壓、仿型、多刀 專用刀具 4 鉆銷座油空 頂面C定位下斷面 銷孔定位方向 臺鉆 鉆模 5 精車下端面B，內止口φ110 精基準：外圓面環(huán)槽端平面 車床 專用夾頭 6 精車： ①環(huán)槽 ②外圓面 ③頂面 精基準：下端面B內止口銷孔拉緊 仿型、多刀車床 專用刀具 7 精車燃燒室 基準“統(tǒng)一原則”同工序6 車床 成形刀 8 銑裙部圓弧 外圓面活塞銷孔 專用銑床 銑刀 9 精細鏜活塞銷孔 頂面圓柱銷孔 專用鏜床 精鏜銷孔夾具 10 車鎖環(huán)槽 銷孔定位 車鎖環(huán)車床 鏜刀 11 液壓銷孔 銷孔定位 液壓銷孔車床 液壓器 12 精磨裙部外圓 外圓面定位 仿型磨床 參考文獻： ［1］劉達利,齊丕驤編著.新型鋁活塞.北京:國防工業(yè)出版社，1999.8（專著） ［2］劉永長主編.內燃機原理.武漢：華中科技大學出版社，2001.6 （專著） ［3］吳建華，常綠主編.汽車發(fā)動機原理.北京：機械工業(yè)出版社，2005.7（專著） ［4］甘永立主編.幾何量與課程設計.上海：上?？茖W技術出版社，2005.7（專著） ［5］陸耀祖主編.內燃機構造與原理.北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.1（專著） ［6］李鳳平等主編.機械圖學.沈陽：東北大學出版社，2003.9（專著） ［7］唐大放等主編.機械設計工程學. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2001.9（專著） ［8］單輝祖編.材料力學. 北京：高等教育出版社，2004.4（專著） ［9］劉希恭主編.微型汽車零部件及代換手冊.天津:天津科學技術出版社,2000.2（專著） ［10］曾東建主編.汽車制造工藝學.北京:機械工業(yè)出版社,2005.9（專著） 15