第一章 緒論
內(nèi)燃機(jī)的不斷改進(jìn)，是建立在主要零部件性能與壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上的，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率與轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)零部件的要求不斷提高。直噴、渦流式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境很惡劣，活塞的結(jié)構(gòu)影響活塞的溫度分布與熱應(yīng)力分布，所以有必要對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測(cè)與改進(jìn)，連桿的承載能力也是研究的方向。
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)活塞連桿組的意義
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給世人在距離上帶來極大的便利，使人與人之間的距離縮短。 活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，為內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，汽車的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性，是建立在活塞的改進(jìn)上，活塞燃燒室的不同促使燃料的燃燒率不同，工作的行程不同使內(nèi)燃機(jī)的功率也就不同。發(fā)動(dòng)機(jī)就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，是將柴油或天然氣的熱能，通過在密封氣缸內(nèi)燃燒氣體膨脹時(shí)，推動(dòng)活塞作功，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。發(fā)動(dòng)機(jī)所有結(jié)構(gòu)都是為能量轉(zhuǎn)換服務(wù)的，活塞是啟動(dòng)系統(tǒng)，連桿是推動(dòng)系統(tǒng)的一部分，所以說活塞連桿是內(nèi)燃機(jī)的重要部件，活塞伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)走過了100多年，在設(shè)計(jì)、制造、工藝還是在性能、控制都有很大的提高，但其基本原理仍然沒有改變，在這個(gè)創(chuàng)新的年代，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者們，不斷地將最新科技與發(fā)動(dòng)機(jī)融為一體，把發(fā)動(dòng)機(jī)變成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化器件，然而活塞連桿性能達(dá)到近乎完善的程度，在世界著名發(fā)動(dòng)機(jī)廠家將活塞的性能與潔凈的作為競(jìng)爭(zhēng)亮點(diǎn)，現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)不僅注重汽車動(dòng)力的體現(xiàn)，而且注重能源消耗、尾氣排放等與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的方面。在快速發(fā)展的社會(huì)里，也能是人們呼吸較為新鮮的空氣。
第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平取決于其零部件的發(fā)展水平，而內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平是由生產(chǎn)制造技術(shù)等因素來決定的。也就是說，內(nèi)燃機(jī)的零部件的制造技術(shù)水平，對(duì)主機(jī)的性能、壽命及可靠性有決定性的影響。進(jìn)入21世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)異常迅猛，新設(shè)備的研制周期將越來越短，因此新世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)必將形成迅速發(fā)展的局面。
活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的零件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變的載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，不同的行業(yè)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的活塞連桿組要求不同，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)突出問題?；钊兔婧突钊N座的改變、活塞頂部的增厚、活塞高度的縮短等，正逐漸向“矮胖”方向發(fā)展，為了提高剛性，發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)高度在縮短變“矮”主要措施是縮短活塞裙部和減少環(huán)槽數(shù)，后者可使壓縮高度減小發(fā)動(dòng)機(jī)本身在不斷強(qiáng)化，所以活塞的性能必須相應(yīng)增強(qiáng)變“胖” 主要是指各部分的壁厚都在不斷增加，過渡圓角處的r也在增大因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，活塞必須減輕重量，以減小慣性力盡管壁厚在增大，活塞的整個(gè)重量卻在不斷減輕，整個(gè)活塞高度縮短所引起的重量將大于因壁厚增加引起的增重。由于活塞結(jié)構(gòu)變“矮胖”，使活塞的表面積對(duì)于整個(gè)體積來說比例縮小了，所以不利于活塞的散熱。為保證活塞不被燒熔和正常潤(rùn)滑，除了在設(shè)計(jì)方面必須采取一些措施外，以減輕其熱負(fù)荷；活塞在制造方面也必須有所改變和提高，如活塞的材料、鑄造和機(jī)加工，以滿足其對(duì)熱負(fù)荷的要求。另外，還通過對(duì)活塞進(jìn)行一些表面處理來提高儲(chǔ)油性，改善潤(rùn)滑條件。
連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)形式多樣，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、移動(dòng)和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已知軌跡。低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機(jī)構(gòu)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減?。恢圃旆奖?，易獲得較高的精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來保持接觸。平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。
隨著連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)有關(guān)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)精度有了較大的提高，而且在滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的同時(shí)，還可考慮到動(dòng)力學(xué)特性。特別是微電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的引入，多自由度連桿機(jī)構(gòu)的采用，使連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，使用范圍也更為廣泛。
第三節(jié) 研究的內(nèi)容
這次研究的內(nèi)容是：先分析內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)與原理其目的是為表明活塞工作的環(huán)境及所受到的力，再次在495柴油機(jī)基礎(chǔ)上加大了活塞的工作行程，改球形燃燒室為W形燃燒室，使其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性都有所提高。由于工作行程的加大，平衡性變差，噪音與震動(dòng)加大，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其采取一定的措施。燃燒系統(tǒng)采用直噴型。符合當(dāng)今低速汽車對(duì)轉(zhuǎn)速及功率的需求方向的迅速發(fā)展，又使研究員更加注重發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)?；钊鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，是一種技術(shù)含量比較高的零部件。在本次設(shè)計(jì)中慮到495柴油機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的中小型機(jī)。通過參數(shù)及工藝性能的控制可使燃油消耗率保持在245g/kW.h以內(nèi)。本文著重討論了活塞連桿組部位的設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)。主要任務(wù)是設(shè)計(jì)495柴油機(jī)的活塞連桿組，首先根據(jù)柴油機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)柴油機(jī)主要的性能參數(shù)進(jìn)行了選擇。然后在參照495柴油機(jī)的活塞連桿組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在闡述活塞連桿組設(shè)計(jì)過程的同時(shí)也對(duì)主要零部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了總結(jié)，本說明書中重點(diǎn)論述了495柴油機(jī)活塞連桿組的設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)過程。
第二章 內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)介
發(fā)動(dòng)機(jī)是將某種形式的能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。是將液體或氣體的化學(xué)能通過燃燒后轉(zhuǎn)化為熱能，再把熱能通過膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并對(duì)外輸出動(dòng)力。現(xiàn)如今許多動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來自發(fā)動(dòng)機(jī)。
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)
內(nèi)燃機(jī)是由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的機(jī)器。汽油機(jī)還是柴油機(jī)；四行程還是二行程發(fā)動(dòng)機(jī)；單缸還是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。
曲柄連桿機(jī)構(gòu)：曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)完成能量轉(zhuǎn)換的主要零件。它由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功時(shí)，活塞承受燃?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，通過連桿轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并從曲軸對(duì)外輸出動(dòng)力。而在進(jìn)氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成活塞的直線運(yùn)動(dòng)。
配氣機(jī)構(gòu)：配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序和工作過程，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使可空氣進(jìn)入氣缸適時(shí)時(shí)噴油，充分燃燒后使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。配氣機(jī)構(gòu)大多采用頂置氣門式配氣機(jī)構(gòu)，一般由氣門組、氣門傳動(dòng)組和氣門驅(qū)動(dòng)組組成。
燃料供給系統(tǒng)：汽油機(jī)燃料供給系的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，配制出一定數(shù)量和濃度的混合氣，噴進(jìn)氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內(nèi)排出到大氣中；柴油機(jī)燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別噴入、排進(jìn)氣缸，在燃燒室內(nèi)形成混合氣體并燃燒，最后將燃燒后的氣體排出。
潤(rùn)滑系統(tǒng)：潤(rùn)滑系的功用是向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面輸送定量的潤(rùn)滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨損。潤(rùn)滑系通常由潤(rùn)滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和一些閥門等組成。
冷卻系統(tǒng)：冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系通常由冷卻油、水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組成。
點(diǎn)火系統(tǒng)：氣缸內(nèi)的可燃混合氣是靠電火花點(diǎn)燃的，因此在汽油機(jī)的氣缸蓋上裝有噴油器，噴油器頭部伸入燃燒室內(nèi)。能夠按時(shí)在噴油器電極間產(chǎn)生電火花的全部設(shè)備稱為點(diǎn)火系，點(diǎn)火系通常由蓄電池、發(fā)電機(jī)、分電器、點(diǎn)火線圈等組成
起動(dòng)系統(tǒng)：要使發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)使曲軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)才運(yùn)轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才自動(dòng)進(jìn)行。
活塞是曲軸機(jī)構(gòu)的重要零件，氣體受熱膨脹推動(dòng)活塞上下循環(huán)的運(yùn)動(dòng)，活塞與連桿連接，所以活塞的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿上下運(yùn)動(dòng)，在其他機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)的相互配合下完成內(nèi)燃機(jī)的做功。
第二節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的工作原理
柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是按進(jìn)氣過程、壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程的順序循環(huán)反復(fù)的。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min左右，額定功率約27kW，符合當(dāng)今低速汽車對(duì)轉(zhuǎn)速及功率的需求方向的迅速發(fā)展，又使研究員更加注重發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
根據(jù)實(shí)習(xí)地生產(chǎn)的柴油內(nèi)燃機(jī)型號(hào)簡(jiǎn)述內(nèi)燃機(jī)的工作原理。
配置形式
4缸
排量
2.716cc
缸徑×行程
98mm×90mm
功率（kw/r/min)
27/3000
最大扭矩
14.4/2400
燃油消耗率（g/(kw.h)）
300
平均有效壓力（kpa)
498
凈質(zhì)量（kg)
37
比質(zhì)量（kg/kw)
8.54
進(jìn)氣方式
增壓/中冷
汽缸體
鑄鐵
汽缸蓋
整體式鋁缸蓋
排放裝置
催化轉(zhuǎn)換器排氣再循環(huán)裝置
冷卻方式
水冷、油冷
燃油噴射系統(tǒng)
電控共軌
氣門機(jī)構(gòu)
雙頂置凸輪軸、４氣門、氣缸
表2.1原機(jī)型有關(guān)參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)確定:氣缸容積：V=2.7L
缸數(shù)：n=4
沖程數(shù)：=4
行程缸徑比：S/D=1.45
由公式：V=/4
得行程：S=138mm
缸徑：D=95mm
曲柄半徑：R=S/2=69mm
連桿長(zhǎng)度：L=R/=69/0.3230mm
表2.1實(shí)際工作循環(huán)計(jì)算選取參數(shù)表格
柴油燃料成分
C=0.870 H=0.126 O=0.004
柴油低發(fā)熱值
=42860KJ/kg
行程缸徑比
S/D=1.45
外界壓力
=0.1MPa
外界溫度
=300K
壓縮比
=17.5
壓縮始點(diǎn)溫度
=320
空氣進(jìn)入氣缸的溫度升高
=6K
充氣系數(shù)
=0.9
燃燒過量空氣系數(shù)
a=1.7
增壓器增壓比
=2.5
壓力升高比
1=1.5
示功圖豐滿系數(shù)
=0.98
平均壓縮多變指數(shù)
=1.36
平均膨脹多變指數(shù)
=1.2
機(jī)械效率
=0.9
殘余廢氣系數(shù)
=0.04
一、進(jìn)氣過程
從進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉，內(nèi)燃機(jī)吸入新鮮充量的整個(gè)過程稱為進(jìn)氣過程。為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸入上止點(diǎn)前要提前開啟，在吸氣下止點(diǎn)后應(yīng)推遲關(guān)閉。進(jìn)氣門提前開啟的角度稱為進(jìn)氣提前角。進(jìn)氣時(shí)進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)。盡管進(jìn)氣門提前開啟，新鮮充量的真正吸入還是要等到氣缸中的殘余廢氣膨脹，壓力降至低于進(jìn)氣壓力后才開啟，然后新鮮空氣才能吸入氣缸，由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力一般小于環(huán)境壓力，用來克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)受到發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零件及殘余廢氣的加熱，進(jìn)氣終點(diǎn)溫度總是高于大氣溫度。進(jìn)氣過程中進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力0～0.095Mpa和溫度的范范圍為0.08圍300~430K增壓壓力： =1.8×0.1=0.18Mpa
增壓器出口溫度：==300×（0.18/0.1）×（1.4-1）/1.4=355K
進(jìn)氣箱壓力： ==0.18-0.02=0.16Mpa
進(jìn)氣箱溫度： =355-40=315K
進(jìn)氣終點(diǎn)壓力：1.1×0.16=0.176Mpa
進(jìn)氣終點(diǎn)溫度：
充量系數(shù)：
二 、壓縮過程
活塞從下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，進(jìn)氣門和排氣門均關(guān)閉，吸入氣缸內(nèi)的空氣受到活塞的壓縮，壓力提高，溫度也隨之升高。工作時(shí)壓縮的程度用壓縮比表示。壓縮過程的作用是增大做工過程的溫差獲得最大限度地膨脹比，提高熱工轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也為燃燒過程創(chuàng)造條件。在柴油機(jī)中，壓縮后氣體的高溫還是保證燃燒著火的必要條件。
工程熱力學(xué)中，滿足方程為常數(shù)的過程統(tǒng)稱為多變過程，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過程實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的多變過程。壓縮開始時(shí)，新鮮空氣的溫度較低受氣缸壁加熱，>K，隨著工作溫度升高，某一時(shí)刻與氣缸壁溫度相同，=K，此后，由于工作溫度高于氣缸壁溫度，向缸壁傳熱
k。不過，如同壓縮過程，為了簡(jiǎn)便起見，在計(jì)算中用一個(gè)不變的平均膨脹多變指數(shù)代替，只要以這個(gè)指數(shù)計(jì)算的多變過程，其起點(diǎn)和終點(diǎn)的狀態(tài)與實(shí)際膨脹過程始、終狀態(tài)相似。 柴油機(jī)的范圍為1.15～1.28。 取=1.2
后膨脹比：==27.5÷1.44=12.15
膨脹終點(diǎn)的壓力和溫度可用下式計(jì)算：
==12.95÷=0.647Mpa
k
式中：是膨脹終點(diǎn)的壓力（Mpa);
是最高爆發(fā)壓力（Mpa)；
是膨脹終點(diǎn)的溫度（K);
是最高爆發(fā)壓力是對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度（K);
是平均膨脹多變指數(shù)。
五、排氣過程
當(dāng)膨脹過程接近終了時(shí)，排氣門打開，廢氣開始靠自身壓力自由排氣，膨脹過程結(jié)束時(shí)，活塞由下止點(diǎn)返回上止點(diǎn)移動(dòng)，將氣缸內(nèi)的廢氣排出。由于排氣系統(tǒng)有阻力，排氣終了的壓力大于環(huán)境壓力，壓力差-用來克服排氣系統(tǒng)的阻力。排氣系統(tǒng)阻力越大，排氣終了的壓力越大，殘留在氣缸里的廢氣就越多。排氣終了的壓力(Mpa)范圍為0.103～0.108，溫度（K）范圍為700～900
排氣終了壓力：=0.105Mpa
排氣終了溫度：=800K
四沖程柴油機(jī)的循環(huán)過程因壓力、溫度的不斷變化直接影響到活塞的功能與壽命，因此要對(duì)活塞組連桿進(jìn)行分析確定。當(dāng)柴油機(jī)完成排氣行程后，在曲軸飛輪總成的慣性力作用下，又重復(fù)上述工作循環(huán)過程，使柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)外輸出功率
第三章活塞組的設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)，選擇利用合適的機(jī)床加工發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，通過這次設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過程。
第一節(jié) 活塞設(shè)計(jì)的外界因素及影響
一、活塞的功用及工作條件
活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件，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(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外作功?；钊质侨紵业慕M成部分，是內(nèi)燃機(jī)中工作條件最嚴(yán)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(shí)作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時(shí)側(cè)壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)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(cè)部磨損等。由此可見，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。
活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，活塞各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫必然會(huì)引起活塞材料的強(qiáng)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(yīng)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(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止過大的熱變形?；钊\(yùn)動(dòng)速度和工作溫度高，潤(rùn)滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。
二、活塞組的影響
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性的要求越來越嚴(yán)格，活塞已發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料、異型外圓復(fù)合型面、異型銷孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品，以保證活塞的耐熱性、耐磨性、平穩(wěn)的導(dǎo)向性和良好的密封功能，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功損失，降低油耗、噪聲和排放。通常將活塞的外圓設(shè)計(jì)成異型外圓(中凸變橢圓)，即垂直于活塞軸線的橫剖面為橢圓或修正橢圓，且橢圓度沿軸線方向按一定的規(guī)律變化，橢圓度精度達(dá)0.005mm；活塞縱剖面的外輪廓為高次函數(shù)的擬合曲線，輪廓精度為0.005～0.01mm；為提高活塞的承載能力，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率，通常將高負(fù)荷活塞的銷孔設(shè)計(jì)成微內(nèi)錐型或正應(yīng)力曲面型(異型銷孔),銷孔尺寸精度達(dá)IT4級(jí)，輪廓精度為0.003mm。
活塞作為典型的內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件，在切削加工方面具有很強(qiáng)的工藝特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)活塞制造行業(yè)通常是由通用機(jī)床和結(jié)合活塞工藝特點(diǎn)的專用設(shè)備組成機(jī)加工生產(chǎn)線，因此，用設(shè)備就成為活塞切削加工的關(guān)鍵設(shè)備，其功能和精度將直接影響最終產(chǎn)品的關(guān)鍵特性的質(zhì)量指標(biāo)。
三、活塞的工作條件
（1）高溫—導(dǎo)致熱負(fù)荷大：活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔茫細(xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2000～2500℃，因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?，溫度分布不均勻有很大的熱?yīng)力。
（2）高壓—沖擊性的高機(jī)械負(fù)荷：高壓包括兩面性?活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，氣壓力（Mpa)一般在膨脹沖程開始的上止點(diǎn)后～達(dá)到最大；?活塞組在氣缸力作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。
（3)高速滑動(dòng)：內(nèi)燃機(jī)在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向力是比較大的，特別是在短連桿內(nèi)燃機(jī)中。
(4)交變的側(cè)壓力：活塞上下行程時(shí)活塞要改變壓力面，側(cè)向力方向不斷改變，造成了活塞在工作時(shí)承受交變的側(cè)向載荷。
四、設(shè)計(jì)要求
（1）選用強(qiáng)度好、散熱性好，膨脹系數(shù)小、耐磨；（2）形狀和壁厚合理，吸熱好、散熱好，剛度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中，與缸套有最佳的配合間隙；（3）密封性好、摩擦損失?。唬?）重量輕、質(zhì)量小，盡量減小往復(fù)慣性力。
五、活塞的材料
對(duì)活塞設(shè)計(jì)根據(jù)上述的要求，活塞材料應(yīng)滿足下列要求：強(qiáng)度高，即在高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞；導(dǎo)熱性好、吸熱性差。以降低頂部與環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力；使活塞與氣缸間保持較小間隙；以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而減低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重；有良好的耐磨性，耐磨、耐蝕；公益性好低廉。
在發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本高、工藝性好等原因，曾廣泛的被作為活塞的材料。但近幾年來，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因比重大和導(dǎo)熱差兩個(gè)根本缺點(diǎn)而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵正相反，約占有灰鑄鐵的1/3，結(jié)構(gòu)重量約占灰鑄鐵活塞的50～70％，其慣性小這對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。鋁合金另一優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約占灰鑄鐵的3～4倍，使活塞溫度顯著下降。采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。
第二節(jié) 活塞的結(jié)構(gòu)
整個(gè)活塞主要可以分為活塞頂、活塞頭和活塞裙3個(gè)部分。
活塞的主要作用是承受汽缸中的燃燒壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與汽缸蓋、汽缸壁共同組成燃燒室?；钊斒侨紵业慕M成部分，因而常制成不同的形狀.汽油機(jī)活塞頂多采用平頂或凹頂，以便使燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，制造工藝簡(jiǎn)單。凸頂活塞常用于二行程汽油機(jī)。柴油機(jī)的活塞頂常制成各種凹坑。
一、活塞頭部的設(shè)計(jì)
由活塞頂至最下面一道活塞環(huán)槽之間的部分稱為活塞頭。作用是承受氣體壓力，防止漏氣.將熱量通過活塞環(huán)傳給汽缸壁?；钊^切有若干環(huán)槽，用以安置活塞環(huán)。上面的1、2道槽用來安置氣環(huán)，下面的3道槽用來安裝油環(huán)。油環(huán)槽的底部鉆有若干小孔，可使油環(huán)從汽缸壁刮下的多余潤(rùn)滑油經(jīng)此小孔流回油底殼。
（一） 壓縮高度的確定
活塞壓縮高度的選取直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構(gòu)成的，即：
為了降低壓縮高度，應(yīng)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷空的直徑。1、第一環(huán)位置
根據(jù)活塞環(huán)的位置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂的火力岸高度。為減小,當(dāng)然希望盡可能小，但過小會(huì)使第一環(huán)溫度過高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。因此火力岸高度選擇的原則是：在滿足第一槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般柴油機(jī)=（0.15～0.25)D,D為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑D=95，確定火力岸高度為：
=0.15D=0.15×95=15mm
2、環(huán)帶高度
為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性，但b太小，會(huì)致環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高b=2～3mm,油環(huán)高b=4～6mm。
該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。
?。?2.5mm ， =2.75mm ， =5mm 。
環(huán)岸高度c，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)被破壞。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)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。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其他較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明:=(1.5～2.5)，=(1～2),柴油機(jī)接近下限。
則 =2=2×2.5=5mm
=1.5=1.5×2.5=3.75mm 。
因此，環(huán)帶高度
=++ + +=2.5+5+2.75+3.75+5=19mm 。
3、上裙尺寸
確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，壓縮高度最后決定與活塞銷軸線到最低環(huán)槽的距離，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(huì)使油環(huán)卡住而失效，所以在一般設(shè)計(jì)中，選取活塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面，并且保證銷座的強(qiáng)度不致因開槽而消弱，同時(shí)也不致因銷座處材料分布不均勻引起變形，影響油環(huán)工作。
綜上所述，可以確定油環(huán)的壓縮高度。對(duì)于柴油機(jī)=（0.6～0.8）D ，
所以， =0.74D=0.74×95=70mm則 ：
=-- =70-15-19=31mm 。
二、活塞頂和環(huán)帶斷面
（一）活塞頂
活塞頂部承受氣體壓力，是燃燒室的組成部分，其形狀、位置、大小、都和燃燒室的具體形式有關(guān)，都是為滿足可燃混合氣體形成和燃燒的要求，活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)的角度為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀。非直接噴射式的柴油機(jī)正是采用平頂活塞，而這次設(shè)計(jì)的是凹頂活塞。
中小型的柴油機(jī)活塞頂?shù)暮穸仁歉鶕?jù)結(jié)構(gòu)考慮決定的，主要從活塞向外傳熱條件和活塞的剛度出發(fā)，一般強(qiáng)度是足夠的，通常并不對(duì)鋁活塞頂部進(jìn)行強(qiáng)度校核。實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，柴油機(jī)為=（0.1~0.2)D，即=（0.16×95）=15mm，活塞頂接近的熱量，主要經(jīng)過活塞環(huán)傳出。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)無強(qiáng)制冷卻的活塞來說，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占70～80%。經(jīng)活塞本身傳到活塞比的熱量占10～20%,而傳給曲軸箱空氣和機(jī)油的僅占10%左右，所以活塞頂厚度應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過渡圓角r應(yīng)足夠大（一般取r=(0.05～0.1)D，取0.053D為r=5mm）。使活塞頂吸收的熱量能順利地被導(dǎo)至第二、三環(huán)，以減輕第一環(huán)的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度。為了減少積炭和受熱，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角，所有尖角均應(yīng)仔細(xì)修圓，以免在高溫下熔化。
W燃燒室的尺寸是根據(jù)活塞的受力情況在球型的基礎(chǔ)上進(jìn)行確定的如下圖
圖3.1燃燒室尺寸
（二）環(huán)帶斷面
為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚'使導(dǎo)熱良好，不讓熱量多地集中在最高一環(huán)，其平均值為=(2～3) 。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對(duì)于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。槽底圓角一般為0.2～0.5mm?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇?，否則當(dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過熱的原因，但倒角過大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為(0.2～0.5)×。
（三）環(huán)岸和環(huán)槽
環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計(jì)應(yīng)保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機(jī)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(yīng)與活塞軸線垂直，以保證環(huán)工作時(shí)下邊與缸桶接觸，減小向上竄機(jī)油的可能性?；钊h(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生上述損傷的情況下愈小愈好，目前，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為0.05～0.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.03～0.07mm，油環(huán)則更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機(jī)油消耗量，側(cè)隙確定油 環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)龋赜涂讓?duì)降低機(jī)油消耗量有重要意義，三道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙。
活塞環(huán)的背隙比較大，以免環(huán)與槽底圓角干涉。一般氣環(huán)=0.5毫米，油環(huán)的D則更大些，如圖3.1所示。
圖3.2 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 圖3.3第一環(huán)岸的受力情況
（四）環(huán)岸的強(qiáng)度校核
在膨脹沖程開始時(shí)，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。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力p1比下面壓力p2大得多，不平衡力會(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力時(shí)，p1=0.9，p2=0.2，如圖2.2所示。
已知=5.5MPa，則：p1=0.9×5.5=4.95MPa，
p2=0.2×5.5=1.1MPa，
環(huán)岸是一個(gè)厚c1、內(nèi)外圓直徑分別為D'、D的圓環(huán)形板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算固定面的應(yīng)力比較復(fù)雜，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行大致的計(jì)算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直徑：
D=0.95D=0.95×95=90mm，
環(huán)槽深: =0.052D=0.052×95=5mm
于是作用在岸根的彎矩為：
0.0026 (2.1)
而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于：
=0.47×25×95=1175
所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力：
（2.2）
= =0.0055×5.5×(95×95)÷(3.75×3.75)=21.5 N/mm
同理得剪切應(yīng)力為：
t= （2.3）
接合成應(yīng)力公式為：
= 23.44 N/mm （2.4）
考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力[]=30～40N/,s?=[]，校核合格。
三、活塞裙部的設(shè)計(jì)
活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞。活塞沿氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力N。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，具有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)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(dǎo)致活塞拉傷。
分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面。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(nèi)發(fā)生彎曲變形，使整個(gè)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(yán)重。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使裙部截面的形狀變成為“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。在這些因素中，機(jī)械變形影響一般來說并不嚴(yán)重，主要還是受熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比較大。因此，為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部與氣缸之間必須預(yù)先流出較大的間隙。當(dāng)然間隙也不能留得過大，否則又會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。解決這個(gè)問題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少從活塞頭部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最??；活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小等相適應(yīng)。
本文采用托板式裙部，這樣不僅可以減小活塞質(zhì)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(huì)卡死。把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長(zhǎng)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。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的：。
式中D、d分別為橢圓的長(zhǎng)、短軸。
小型高速柴油機(jī)的鋁活塞，在=45o處的半徑收縮量：e=0.045～0.06mm
(一）裙部的尺寸
活塞裙部是側(cè)壓力N的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其表面比壓q不應(yīng)超過一定的數(shù)值。因此，在決定活塞裙部長(zhǎng)度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。
(二）裙部壁厚bo
鋁活塞(包括鋼頂鋁裙的組合活塞)裙部最小壁厚一般為(0.03～0.06)D。薄壁裙部對(duì)減輕活塞重量有利，但又需保證裙部有足夠的剛性，則可沒置加強(qiáng)筋計(jì)算。
(三）銷孔的位置
一般取銷孔高度H5=-=70-26=44mm，這是決定活塞銷孔縱向位置的一個(gè)條件?？紤]到磨損，對(duì)柴油機(jī)而言，銷孔通常是偏向次推力面一側(cè)布置的。偏心量為1mm。
四、裙部與缸套的配合間隙
裙部受力和變形分析，首先，活塞受到側(cè)向力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面，裙部被壓扁。其次，由于活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形。再次，由于溫度升高引起的熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其他部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。這三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使得裙部截面的形狀變成“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。這種現(xiàn)象尤其是受熱膨脹影響比較大。為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部和缸套之間要預(yù)先留出較大的間隙。當(dāng)然如果間隙太大，又會(huì)造成敲缸現(xiàn)象。
第四章 活塞銷的設(shè)計(jì)及活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇
活塞銷承受氣體壓力和活塞組慣性力的作用，這些力的大小和方向，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)是隨曲軸轉(zhuǎn)角做周期性變化的。這種承載情況易使活塞銷產(chǎn)生疲勞破壞。在設(shè)計(jì)活塞銷時(shí)應(yīng)使銷具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)還要有較高的疲勞強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)是高速柴油機(jī)，所以活塞銷的質(zhì)量要盡量輕，以減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力?；钊N直徑d和銷座間隔B，d和B的選擇主要是考慮活塞銷座的承載壓力及活塞銷的剛度間題，應(yīng)滿足下列要求:
1）選擇d 和B時(shí)應(yīng)驗(yàn)算銷座比壓和連桿小頭軸承比壓，使這兩項(xiàng)平均比壓均在允許范圍之內(nèi)。
2）校檢活塞銷的彎曲變形和橢圓變形，d的選取應(yīng)保證活塞銷的變形在許可范圍內(nèi)。
3）d的一般范圍中小型高速柴油機(jī)，一般d/D<0.4d，若d/D太大，則使活塞銷外表面至活塞頂內(nèi)表面的距離（即所謂延伸長(zhǎng)度）過小，給活塞連桿組設(shè)計(jì)帶來困難。強(qiáng)化柴油機(jī)趨向于用較大的活塞直徑，d≥0.4d。
第一節(jié) 結(jié)構(gòu)和尺寸
圖4.1 活塞銷主要尺寸
活塞銷的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，材料選用20Cr。對(duì)于柴油機(jī)活塞銷的尺寸一般為：
外徑d1=（0.31～0.40）D ， 取d1=0.31D 即d1=30mm ，根據(jù)對(duì)活塞銷尺寸公差的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取銷子的外徑為。
內(nèi)徑：d2=（0.45～0.65）d1 ，取d2=0.6d1=18。
長(zhǎng)度： L=（0.8～0.9）D， 取L=0.85D=80。
第二節(jié) 活塞銷的固定方式
本設(shè)計(jì)的活塞銷用浮式銷，即銷在活塞銷座和連桿小頭中都可轉(zhuǎn)動(dòng)。浮式銷的工作表面相對(duì)滑動(dòng)速度較小，摩擦產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)減小，磨損較小且均勻，延長(zhǎng)了銷的壽命。浮式銷在運(yùn)轉(zhuǎn)中不易被卡住，裝配時(shí)不需要加熱就可以用手推入活塞的銷孔內(nèi)。從而簡(jiǎn)化了裝配工藝。為了防止浮式銷的軸向竄動(dòng)，用彈性擋圈來進(jìn)行軸向固定。擋圈采用矩形截面的，因?yàn)樗膹?qiáng)度高。
圖4.2 第一道氣環(huán)的截面形狀
第一道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu),為提高第一氣環(huán)在高溫時(shí)的抗結(jié)膠能力，第一環(huán)采用桶面梯形環(huán)，梯形頂角為,如圖4.2所示。這樣設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處。一是因?yàn)樗翘菪蔚?，所以?dāng)活塞在側(cè)壓力的交替作用下，梯形環(huán)在環(huán)槽內(nèi)徑移動(dòng)，使環(huán)的側(cè)隙時(shí)大時(shí)小，將環(huán)槽中的結(jié)膠擠出。這樣可以防止在熱負(fù)荷很高時(shí)，第一環(huán)粘結(jié)使環(huán)與缸壁接觸壓力徒增造成拉缸，或者造成竄氣竄油。二是因?yàn)槭峭懊娴模@樣可保證良好的潤(rùn)滑，避免棱緣負(fù)荷，密封性和磨合性也好。但梯形環(huán)也有壞處，那就是磨損后高速運(yùn)動(dòng)中的環(huán)易產(chǎn)生環(huán)振，為此選擇耐振性好的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵有較高的抗彎強(qiáng)度，一般在1300MPa以上，工作時(shí)不易折斷。而且有較高的彈力和較好的熱穩(wěn)定性，這樣的優(yōu)點(diǎn)正好符合活塞環(huán)設(shè)計(jì)所要求的。為了使第一道環(huán)在高溫時(shí)有較高的抗粘著性能，在環(huán)的外表面鍍Cr。
圖4.3 第二道氣環(huán)的截面形狀
第二道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu),第二道氣環(huán)采用錐面環(huán)，外表面錐角是1°±30’，這樣形狀的環(huán)常用作第一道環(huán)以下的活塞環(huán)。其結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。它可以提高表面接觸應(yīng)力，易于磨合，活塞上行易于在氣缸壁上形成油膜，下行刮油作用良好。它兼有氣環(huán)和油環(huán)的作用。而且由于它的接觸面小，所以可以提高與氣缸壁的接觸應(yīng)力，有利于密封和磨合。此道環(huán)用灰鑄鐵制成，表面全部氧化。
油環(huán)的材料和形式采用灰鑄鐵的彈簧脹圈油環(huán)，其內(nèi)襯螺旋彈簧材質(zhì)為彈簧鋼。這種油環(huán)是在開槽油環(huán)背后加置彈簧脹圈，從而環(huán)的徑向壓力Po(一般Po>8kgf/cm2)，保證油環(huán)與氣缸壁均勻而穩(wěn)定的貼合，能減小磨損和降低機(jī)油消耗量。同時(shí)在環(huán)的工作表面鍍Cr,提高它的耐磨性和抗腐蝕性。
第三節(jié) 活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇
活塞環(huán)的主要參數(shù)包括軸向高度h，徑向厚度t，自由開口間隙s，閉口間隙0s。軸向高度h的選擇可參考經(jīng)驗(yàn)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來選擇，潤(rùn)滑條件越好，轉(zhuǎn)速越高則h值選的小點(diǎn)。采用薄環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)是：減低活塞高度和重量；減少摩擦損失和環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊；對(duì)氣缸不均勻磨損的適應(yīng)性好。同時(shí)它也有自己的缺點(diǎn)：易于折斷；影響活塞散熱；制造較困難。所以環(huán)的高度不能做的太低。
第一道氣環(huán)尺寸如圖4.4所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定梯形環(huán)在基準(zhǔn)直徑上的軸向高度h=2mm。一般對(duì)于缸徑D=80～150mm的柴油機(jī)，D/t=22～28，取D/t=22則t=4.6mm。因?yàn)榇说拉h(huán)是球墨鑄鐵，對(duì)于這種材料S/D=0.08～0.10，取S/D=0.10，則開口間隙S=10mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
圖4.4 活塞環(huán)的尺寸及配合間隙
第二道氣環(huán)選軸向高度h=2.5mm，D/t=22，則t=4.6mm。對(duì)于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取
S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
油環(huán)根據(jù)同類型機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定軸向高度h=5mm。取D/t=22，則t=4.6mm。 對(duì)于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
環(huán)槽與活塞環(huán)的間隙，活塞環(huán)在環(huán)槽中運(yùn)動(dòng)，因此在環(huán)槽的徑向和軸向方向上，都應(yīng)該有適當(dāng)?shù)拈g隙。軸向間隙不能過大，因?yàn)楫?dāng)環(huán)在環(huán)槽中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)和環(huán)槽之間發(fā)生碰撞。間隙大，碰撞也大。增加可環(huán)和槽的機(jī)械負(fù)荷。此外，間隙大也不利于密封。同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于各處溫度不同，各道環(huán)與槽的端面間隙是不相同的，在上面的環(huán)靠近燃燒室，溫度較高，其值應(yīng)取大一些。一般在下列范圍：
第一環(huán)=0.08～0.20 ，取=0.09 mm；第二環(huán)=0.06～0.15 ，取=0.08 mm；
油環(huán)=0.03～0.08 ，取=0.03 mm； 對(duì)于徑向間隙，其一般范圍是：
氣環(huán)：=0.3～0.7，取第一、第二環(huán)的徑向間隙均為0.5mm；
油環(huán)：=1.5～0.5，取其D為0.8mm。
活塞組的重量對(duì)于四沖程的鋁合金活塞，活塞的比重量是G/=0.9～1.4g/,算取1.1，即活塞重量為1300g,再加上活塞銷和活塞環(huán)等的重量，取活塞組的重量為1600g。
第五章 活塞的受力
活塞的平均速度：Cm=sn/60=(0.138×3000)/60=7m/s
式中：S-活塞行程
n-轉(zhuǎn)速
活塞的平均有效壓力：
=P/0.785iCm
=(27×4×1000)/(0.785×1×0.95×0.95×7)
=2.18Mpa
其中：P-發(fā)動(dòng)機(jī)功率
-沖程數(shù)
i-汽缸數(shù)
根據(jù)平均有效壓力查表估計(jì)出活塞的最高爆發(fā)壓力為10Mpa。
第一節(jié) 活塞的校核
活塞頂?shù)臋C(jī)械應(yīng)力
=0.68
=0.68×75×
=23.5Mpa3
活塞頂?shù)牡撞坑屑訌?qiáng)筋，所以機(jī)械應(yīng)力的許用值是500kgf/，由此知活塞頂?shù)臋C(jī)械應(yīng)力強(qiáng)度是可靠的。
第一環(huán)岸進(jìn)行校核
彎曲應(yīng)力：=(3.14×-3.13×）×
=75×（3.14×47×47-3.14×37×37）×
=19Mpa
剪切應(yīng)力： =/（3.14××）×
=75/（3.14×78×17）×
=18Mpa
總應(yīng)力： ==
=36.2Mpa
對(duì)于像本設(shè)計(jì)的鋁合金活塞需用總應(yīng)力[]=30～40Mpa，所以第一環(huán)岸的強(qiáng)度足夠。
裙部比壓在確定裙部長(zhǎng)度時(shí)，首先根據(jù)裙部比壓最大的允許值，決定需要的最小長(zhǎng)度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改。 裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計(jì)算：
q=
式中： —最大側(cè)作用力。
D—活塞直徑，mm；
H2—裙部高度，mm。
活塞在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，一般在膨脹沖程上止點(diǎn)附近（與豎直方向10）達(dá)到最大值，而
RZ ==p
式中： —活塞投影面積；
D—?dú)飧字睆剑?
—?dú)飧變?nèi)工質(zhì)的最高燃燒壓力（巴，1巴=a），一般柴油機(jī)為60~90巴。
取=75，則：
R=58090N
oo =
=58090×
=10248N
則：=0.79D=0.79×95=75mm。
則：q=10248/(95×75)=1.46Mpa=
一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙75部比壓值約為0.5～1.5MPa，所以設(shè)計(jì)合適。
活塞銷座比壓:
q1=3.14/(2dl×)
=75×3.14/(2×30×80)
=48.08Mpa
其中： d-活塞銷直徑
l-銷座的工作長(zhǎng)度
允許值為[q1]=40～60Mpa，故在允許范圍內(nèi)安全。
第二節(jié) 活塞銷的受力與校核
活塞銷的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座與連桿小頭之間的截面上，其值按下面的公式計(jì)算，
=0.85P(1++)/[（1-）]
活塞銷的尺寸如圖
圖5.1 活塞銷的計(jì)算簡(jiǎn)圖
其中：P=-
-除活塞銷以外的全部活塞組零件的慣性力
=（-)/g[(1+)R
=(1.6-0.25)/9.8×[(1+0.3)×]×0.09
=83.22N
其中：—活塞組重量 —活塞銷的重量
則： P= -
=58090-83.22
=58006.7N
可得：
=0.85×58006.7×（1+0.3+）/[×(1-)]
=7.47Mpa
活塞銷材料選用20Cr;
起彈性模量為：E=198Gpa=202×kgf/
彎曲變形：a=0.8l c=0.12l b=0.4l
f=1/60×[(2a-b)/E/(-)]
=1/60×[75×××(2×24-12)/202×/(-)
=0.014mm
許用彎曲變形[f]=0.015×D/100=0.01425，在許用的范圍內(nèi)。
橢圓變形量：
=（/320）×[/El/]
=(3.14/320)×[75××/(202××80)/]
=0.0026mm
許用的橢圓變形[]=0.025×[100+0.5×(D-100)/100]=0.024mm，股橢圓變形在允許的范圍內(nèi)。
縱向彎曲應(yīng)力：
=（2a-b)d1/((-)
=(2×24-12)×75××30/(-)
=1036kgf/=101.66Mpa
橫行彎曲應(yīng)力： =（3/16）×（d1+d2)/[l×]
=（3×3.14/16）×75××（30+18）/[80×]
=1660kgf/=163Mpa
總應(yīng)力： ==1900kgf/=186.4Mpa
許用總應(yīng)力[]=150～350Mpa,在允許的范圍內(nèi)是安全的。
第三節(jié) 活塞環(huán)的校核
對(duì)于第一道氣環(huán)其最大彎曲應(yīng)力是，對(duì)于球墨鑄鐵，彈性模量E=180Gqa
=0.4E[(s/t)/]
=0.4×180×[(10/4.6)/(95/4.6-1)/(95/4.6-1)]
=385Mpa
活塞的許用應(yīng)力[]=300～400Mpa,在允許的范圍內(nèi)。
活塞的彈力： Po=0.141E[(S/D)/]
=0.141×180×[(10/95)/]
=0.355Mpa
對(duì)于第二道氣環(huán)其最大彎曲應(yīng)力是：對(duì)于灰鑄鐵，彈性模量E=100Gpa
=0.4E[(s/t)/]
=0.4×100×[(13/4.6)/(95/4.6-1)/(95/4.6-1)]
=300Mpa
活塞環(huán)的許用應(yīng)力[]=300～400Mpa,故彎曲應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。
活塞的彈力： Po1=0.141E[(S/D)/]
=0.141×100×[(13/95)/]
=0.102Mpa
環(huán)的套裝應(yīng)力是：手工安裝，取m=1.57,
[]=(3.9/m)E
=(3.9÷1.57)×100×
=434Mpa
許用套裝應(yīng)力[]=400～450Mpa,故套裝應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)。
第六章 連桿組零件及襯套