課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝二、設(shè)計(jì)參數(shù)：五十鈴 6120、排量 2.0L、 為 120 135、轉(zhuǎn)速DS?1300r min?頂岸高度 F、活塞銷直徑 BO、裙長(zhǎng) SL、銷座間距 A、總長(zhǎng) GL、最大爆發(fā)壓力、活塞銷校核 三、設(shè)計(jì)要求：1用計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（包括零件圖分析、定位方案確定、定位誤差計(jì)算等內(nèi)容；最好能寫出整個(gè)工藝過(guò)程）四、進(jìn)度安排：第一周： 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書籍，資料。第二周： 對(duì)活塞進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。第三周： 強(qiáng)度校核第四周： 繪圖并書寫說(shuō)明書。第五周： 應(yīng)用制圖軟件繪制零件圖及裝配圖并完善課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。五、總評(píng)成績(jī)及評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月 目 錄前 言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 活塞的概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.1活塞的功用及工作條件 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.2活塞的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.3活塞結(jié)構(gòu) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.3.1 活塞頂部 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.3.2 活塞頭部 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31.3.3 活塞裙部 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53.1熱力過(guò)程計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53.2柴油機(jī)的指示參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83.3柴油機(jī)有效效率 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????104 活塞銷的受力分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????115 活塞的加工工藝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13參考文獻(xiàn)： ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14課程設(shè)計(jì)1 前 言內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，是建立在主要零部件性能和壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上的，尤其是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率的增大和轉(zhuǎn)速的增加，零部件尤其是直噴式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境變得更加惡劣了?；钊慕Y(jié)構(gòu)直接影響活塞的溫度分布和熱應(yīng)力分布，因此就有必要對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)?；钊莾?nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，特別是坦克、艦艇和軍用車船用內(nèi)燃機(jī)活塞則要求更高，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)突出問(wèn)題。本次課程設(shè)計(jì)的題目是發(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(guò)這次課程設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過(guò)程?；钊Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)21 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(jī)構(gòu)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(guò)活塞銷傳給連桿，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外作功。此外，活塞又是燃燒室的組成部分?；钊莾?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?；钊敳恐苯优c高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，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(guò)大的熱變形。活塞運(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。1.2活塞的材料現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導(dǎo)熱性好（比鑄鐵大 3-4倍） ，密度?。s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(duì)改善工作條件減少熱應(yīng)力延緩機(jī)油變質(zhì)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(jī)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(qiáng)度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對(duì)活塞進(jìn)行淬火和時(shí)效熱處理。1.3活塞結(jié)構(gòu) 活塞按部位不同，分為頂部，頭部和裙部三部分。 1.3.1 活塞頂部課程設(shè)計(jì)3 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(guān)，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(lái)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?；钊^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(guò)度圓角半徑應(yīng)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(guò)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(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。因此，活塞裙部的形狀保證活塞在氣缸得到良好的導(dǎo)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?；钊Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)42 活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)選取為 6120型柴油機(jī)，參數(shù)設(shè)計(jì)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(zhǎng) SL=100mm 下裙長(zhǎng)為 65mm（六）銷座間距 AA=44mm （七）活塞重量 系數(shù) X=0.9—1.4 取 X=1.23,331.28NGXDg???(八)頂部厚度 S=15mm 總長(zhǎng)=80+65=145mm燃燒室 0.6kdkdh.127km??243km?鋁的線性膨脹系數(shù)為 6.10?oC活塞頭部的最大溫度為 350攝氏度，所以其變形量為61203.5.9721X?????活塞裙部最大溫度為 200攝氏度，所以其形變量為6.0.40.6Ym?課程設(shè)計(jì)5 3 活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算最大爆發(fā)壓力計(jì)算參考《內(nèi)燃機(jī)原理》環(huán)境壓力 環(huán)境溫度0.13pMp?? 0293TK?幾何壓縮比 有效壓縮比2? 18.??燃燒過(guò)量空氣系數(shù) 參與廢棄系數(shù)????r?參與非其溫度 增壓空氣壓力70rTK? 0.235kpMpa?最大燃燒壓力 Z點(diǎn)熱利用系數(shù)6.425zpMpa7z?B點(diǎn)熱利用系數(shù) 燃燒室掃其系數(shù)8b? 1.s?燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 燃料低0.7C?.126H0.4O?4286ukJHg?3.1熱力過(guò)程計(jì)算充氣過(guò)程系數(shù) 增壓器后空氣溫度：式中，去增011.80.2359knkpTK????????????????壓器內(nèi)平均多變壓縮指數(shù) .kn（1） 壓縮始點(diǎn)溫度3185.027311kcraTT?????????式中， ——新氣預(yù)熱度， =5K; ---比熱修正系數(shù)， =1.11k k?c?c?（2） 壓縮始點(diǎn)壓力 .0.2350.1235akpMpa?（3） 充氣系數(shù)` 8460.12350.73818.2kvarT???????????（4） 平均多變壓縮指數(shù)（1） ?? ??111`8.35.9.2605374.nnnab? ???式中，a，b—常數(shù)，對(duì)于空氣（忽略殘余廢氣） ， a= 19.26 ，b=0.0025 第一次試算，式（1）等號(hào)右端代入 =1.37 , 1n1.9680.325?第二次試算，式（1）等號(hào)右端代入 =1.369, .?（5） 壓縮終點(diǎn)溫度 ??11.362`84950ncaTK??????活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)6（6） 壓縮終點(diǎn)壓力 `11.3620.848.54ncapMpa????（7） 燃料燃燒所需理論空氣量??0 0.7.1260.4=0.495.2 3kmolCHOL g????????????????空 氣 燃 料（8） 燃燒所需的實(shí)際空氣量 ????????01.6549/.8/kmolgl????空 氣 燃 料 空 氣 燃 料（9） 理論分子變化系數(shù) 0.30.31.7???（10） 實(shí)際分子變化系數(shù) 01.87.2.5r??（11） Z 點(diǎn)燒去的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 4085zbx?（12） Z 點(diǎn)處分子變化系數(shù) 01.03871.24.031zzrx?????????（13） Z 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 ????????' '.64()10.61.0.82.4735.82.6. 19.0510619.837zrvrzrvvpmz rZzzcxcc TT?????????????式中， 'vacb?（14） b 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 ???????' '.064(1)0.6412.73.510.29.6025.2640.83rvrvvpmb zbcTT???????????式中， 'vac（15） z 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定壓熱容 .159.80378.1528.037pmvz zzTT???（16） 燃料發(fā)熱量課程設(shè)計(jì)7 壓力????????' '12934286.07.105.802931.2605293934/urvpmbvHLckJg???????????? ?? ??燃 料升高比 .5.88zcp???（17） Cyz 段的燃料燃燒公式，就最大燃燒溫度 ZT????? ???''0.31.3150.742()65.919.269880.3.10.75928.302.3zuvcrvpmbzrpmz zHTLT????????????????簡(jiǎn)化后得 （2）7469.2z zT?第一次試算，取式（2）等號(hào)右端的 = 2000K 得17023.88.5zK第二次試算，取式（2）等號(hào)右端的 =2200K 得zT9zT?第三次試算，取式（2）等號(hào)右端的 = 2196K 得z170268.5zK最后取 9zT?膨脹過(guò)程參數(shù)：（18） 初膨脹比 1.03526.4789zc??????（19） 后膨脹比 '.42???（20） 求多變膨脹指數(shù) 及膨脹終點(diǎn)溫度 ，zb 膨脹線上的后燃公式，nbT??28.3151'zZbubzzvpmzvpbrHcL??????????????活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)8??????21.0385296473.085.134.75021964.820712b bTn T??????????? ???????? ?? ?（3）（4）??2 .140.2bbT?將式子（3）與式子（4）聯(lián)立，得（5）2 21 1.035967.6bzn nTK??????第一次試計(jì)算，取 =2000K 得，bT21530.7n??157b?第二次試計(jì)算，取 2189K 得，bTK2150.3257n??2189b?最后取 89bTK2.035n（23） 膨脹終點(diǎn)壓力21.0325647.9zbnpMpa???3.2柴油機(jī)的指示參數(shù)（21） 理論平均指示壓力（以有效行程為準(zhǔn)） ??2 112 0.3250.362' 1'8.540.758.410.7.41376.9842.c nnp MpaMpa???????? ????????? ?????????? ?? ???? ??????（22） 實(shí)際平均指示壓力（以全行程為準(zhǔn)） ????'1''2.48.0.951238.40.98.036ibai pp Mpa?????????課程設(shè)計(jì)9 式中， ————示功圖豐滿系數(shù)， =0.98??（23） 指示油耗 ????6612.540.871.612.54028.968932047vki ip gg KwhLTKwh???????（24） 指示效率 336016010.87197.42.iiugH?????（25） 增壓器中絕熱壓縮功 ??100.28615.2.35.9142078kTkSpWkJgkJg??????????????????（26） 增壓器中絕熱效率 ????10.2860 .410.135kkSTkSkp????????????????????式中，k-------比熱容比， =1.4， ; ------多變指數(shù)， ，k1.0.2864?kn1.8kn?。1.80.4kn??（27） 增壓器實(shí)際壓縮功 4207.8370.91469TkSkpmWkJgkJg????式中， -----增壓器機(jī)械效率， =0.96TkS mk?（28） 增壓器的相對(duì)作功率活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)10307091.0.16'42.428.965.65TkpkuiAWHL????????3.3柴油機(jī)有效效率（29） 柴油機(jī)總機(jī)械效率 0.871.60.794mEk?????式中， ； -------增壓器相對(duì)功率； 。0.871mE??k 1k?（30） 柴油機(jī)平均有效壓力 2.346.91.564eimpMpapa??（31） 柴油機(jī)有效油耗 ????97.126.97064iemgkWhgkh????（32） 有效功率 790.342eim??（33） 活塞形成容積比例尺 代表 ;AmsV3壓力比例尺 代表 0.1Mpa。B壓縮容積： =18.4 代表 '1.5???'?c3m壓縮終點(diǎn)壓力： 代表8.426.3?cpMa壓縮始點(diǎn)容積 代表 19LmaV壓縮始點(diǎn)壓力 代表.5.B?最大壓力的容積 代表 ，'201A???a3m計(jì)算壓縮曲線 ac 上各點(diǎn)壓力，即式中， ，在 1 至 之間選定。11.362nnaaVppx???????? aVx?'?計(jì)算膨脹曲線 zb 上各點(diǎn)壓力，即課程設(shè)計(jì)11 式中，x 在 1至 之間選定。221.035nnabbVppx???????? ?根據(jù)以上兩式，計(jì)算出壓縮曲線和膨脹曲線各點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)兵列表如下:表 3-1序號(hào) eVx?m1nx壓縮線上的 Pm2nx膨脹線上的 Pm1234567891011123456789101118994.563.047.337.831.527.023.621.018.917.212.574.476.618.9511.4813.217.019.923.026.23.368.615.022.230.138.644.457.112.003.014.025.036.047.048.059.0628.4638.763.590.18118.6171.9200.4229.1257.8根據(jù)上表畫出示功圖圖 3-1 6120型柴油機(jī)計(jì)算示功圖Fig.3-1 Table of 6120 diesel engine calculate exploit show活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)124 活塞銷的受力分析活塞受力分析：曲軸在 10度轉(zhuǎn)角時(shí)產(chǎn)生最大爆發(fā)壓力，如圖所示：60 sin10=200 sinα 所以 sin=60 0.1736/200=0.0521??所以 α=3 度圖 4-1Fig4-1??26014gj gFDP????????2cos2jmR???????26 323.1408.1.28.07.9840.397? ?96974N其中：D——活塞直徑 R——曲軸半徑 mj——往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 連桿比 λ=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min 170o??曲軸轉(zhuǎn)速 23.4136.076nrads????對(duì)活塞銷的校核：1、畫出活塞銷的 Q、M 圖 圖 4-2Fig. 4-2活塞銷外徑 44mm，內(nèi)徑 do=0.25d=11mm課程設(shè)計(jì)13 =3434.1412210.5DdW???????????? ????98326.01??選活塞銷材料為 45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，得 2BNm??629168402.5032.M??????所以該活塞銷符合強(qiáng)度。活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)145 活塞的加工工藝表 5-1活塞加工工藝過(guò)程Tablet.5-4 piston machining technics process工序號(hào) 工序名稱 定位基準(zhǔn)及技術(shù)條件 設(shè)備 工裝0 毛坯鍛造 按活塞鍛造工藝進(jìn)行1粗車底面 B止口 φ110粗基準(zhǔn)是毛坯外圓，金屬模液壓鍛造，壁厚均勻〔有的用內(nèi)腔做為基準(zhǔn)〕車床三角卡盤自動(dòng)定心2粗鏜活塞銷孔φ44下端面 B，內(nèi)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(nèi)止口銷孔處半自動(dòng)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(tái)鉆 鉆模5精車下端面B，內(nèi)止口φ110精基準(zhǔn)：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(zhǔn)：下端面 B內(nèi)止口銷孔拉緊仿型、多刀車床專用刀具7 精車燃燒室 基準(zhǔn)“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(xì)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 液壓器課程設(shè)計(jì)15 12 精磨裙部外圓 外圓面定位 仿型磨床參考文獻(xiàn)：［1］劉達(dá)利,齊丕驤編著.新型鋁活塞.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1999.8（專著）［2］劉永長(zhǎng)主編.內(nèi)燃機(jī)原理.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.6 （專著） ［3］吳建華，常綠主編.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.7（專著）［4］甘永立主編.幾何量與課程設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.7（專著）［5］陸耀祖主編.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004.1（專著）［6］李鳳平等主編.機(jī)械圖學(xué).沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2003.9（專著）［7］唐大放等主編.機(jī)械設(shè)計(jì)工程學(xué). 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.9（專著）［8］單輝祖編.材料力學(xué). 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(cè).天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2000.2（專著）［10］曾東建主編.汽車制造工藝學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.9（專著）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝二、設(shè)計(jì)參數(shù)：五十鈴 6120、排量 2.0L、 為 120 135、轉(zhuǎn)速DS?1300r min?頂岸高度 F、活塞銷直徑 BO、裙長(zhǎng) SL、銷座間距 A、總長(zhǎng) GL、最大爆發(fā)壓力、活塞銷校核 三、設(shè)計(jì)要求：1用計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（包括零件圖分析、定位方案確定、定位誤差計(jì)算等內(nèi)容；最好能寫出整個(gè)工藝過(guò)程）四、進(jìn)度安排：第一周： 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書籍，資料。第二周： 對(duì)活塞進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。第三周： 強(qiáng)度校核第四周： 繪圖并書寫說(shuō)明書。第五周： 應(yīng)用制圖軟件繪制零件圖及裝配圖并完善課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。五、總評(píng)成績(jī)及評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月 目 錄前 言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 活塞的概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.1活塞的功用及工作條件 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.2活塞的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.3活塞結(jié)構(gòu) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.3.1 活塞頂部 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.3.2 活塞頭部 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31.3.3 活塞裙部 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53.1熱力過(guò)程計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53.2柴油機(jī)的指示參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83.3柴油機(jī)有效效率 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????104 活塞銷的受力分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????115 活塞的加工工藝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13參考文獻(xiàn)： ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14課程設(shè)計(jì)1 前 言內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，是建立在主要零部件性能和壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上的，尤其是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率的增大和轉(zhuǎn)速的增加，零部件尤其是直噴式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境變得更加惡劣了?；钊慕Y(jié)構(gòu)直接影響活塞的溫度分布和熱應(yīng)力分布，因此就有必要對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，特別是坦克、艦艇和軍用車船用內(nèi)燃機(jī)活塞則要求更高，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)突出問(wèn)題。本次課程設(shè)計(jì)的題目是發(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(guò)這次課程設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過(guò)程?；钊Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)21 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(jī)構(gòu)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(guò)活塞銷傳給連桿，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外作功。此外，活塞又是燃燒室的組成部分?；钊莾?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，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)拇胧乐惯^(guò)大的熱變形。活塞運(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。1.2活塞的材料現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導(dǎo)熱性好（比鑄鐵大 3-4倍） ，密度?。s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(duì)改善工作條件減少熱應(yīng)力延緩機(jī)油變質(zhì)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(jī)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(qiáng)度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對(duì)活塞進(jìn)行淬火和時(shí)效熱處理。1.3活塞結(jié)構(gòu) 活塞按部位不同，分為頂部，頭部和裙部三部分。 1.3.1 活塞頂部課程設(shè)計(jì)3 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(guān)，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(lái)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?；钊^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(guò)度圓角半徑應(yīng)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(guò)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(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。因此，活塞裙部的形狀保證活塞在氣缸得到良好的導(dǎo)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。活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)42 活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)選取為 6120型柴油機(jī)，參數(shù)設(shè)計(jì)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(zhǎng) SL=100mm 下裙長(zhǎng)為 65mm（六）銷座間距 AA=44mm （七）活塞重量 系數(shù) X=0.9—1.4 取 X=1.23,331.28NGXDg???(八)頂部厚度 S=15mm 總長(zhǎng)=80+65=145mm燃燒室 0.6kdkdh.127km??243km?鋁的線性膨脹系數(shù)為 6.10?oC活塞頭部的最大溫度為 350攝氏度，所以其變形量為61203.5.9721X?????活塞裙部最大溫度為 200攝氏度，所以其形變量為6.0.40.6Ym?課程設(shè)計(jì)5 3 活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算最大爆發(fā)壓力計(jì)算參考《內(nèi)燃機(jī)原理》環(huán)境壓力 環(huán)境溫度0.13pMp?? 0293TK?幾何壓縮比 有效壓縮比2? 18.??燃燒過(guò)量空氣系數(shù) 參與廢棄系數(shù)????r?參與非其溫度 增壓空氣壓力70rTK? 0.235kpMpa?最大燃燒壓力 Z點(diǎn)熱利用系數(shù)6.425zpMpa7z?B點(diǎn)熱利用系數(shù) 燃燒室掃其系數(shù)8b? 1.s?燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 燃料低0.7C?.126H0.4O?4286ukJHg?3.1熱力過(guò)程計(jì)算充氣過(guò)程系數(shù) 增壓器后空氣溫度：式中，去增011.80.2359knkpTK????????????????壓器內(nèi)平均多變壓縮指數(shù) .kn（1） 壓縮始點(diǎn)溫度3185.027311kcraTT?????????式中， ——新氣預(yù)熱度， =5K; ---比熱修正系數(shù)， =1.11k k?c?c?（2） 壓縮始點(diǎn)壓力 .0.2350.1235akpMpa?（3） 充氣系數(shù)` 8460.12350.73818.2kvarT???????????（4） 平均多變壓縮指數(shù)（1） ?? ??111`8.35.9.2605374.nnnab? ???式中，a，b—常數(shù)，對(duì)于空氣（忽略殘余廢氣） ， a= 19.26 ，b=0.0025 第一次試算，式（1）等號(hào)右端代入 =1.37 , 1n1.9680.325?第二次試算，式（1）等號(hào)右端代入 =1.369, .?（5） 壓縮終點(diǎn)溫度 ??11.362`84950ncaTK??????活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)6（6） 壓縮終點(diǎn)壓力 `11.3620.848.54ncapMpa????（7） 燃料燃燒所需理論空氣量??0 0.7.1260.4=0.495.2 3kmolCHOL g????????????????空 氣 燃 料（8） 燃燒所需的實(shí)際空氣量 ????????01.6549/.8/kmolgl????空 氣 燃 料 空 氣 燃 料（9） 理論分子變化系數(shù) 0.30.31.7???（10） 實(shí)際分子變化系數(shù) 01.87.2.5r??（11） Z 點(diǎn)燒去的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 4085zbx?（12） Z 點(diǎn)處分子變化系數(shù) 01.03871.24.031zzrx?????????（13） Z 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 ????????' '.64()10.61.0.82.4735.82.6. 19.0510619.837zrvrzrvvpmz rZzzcxcc TT?????????????式中， 'vacb?（14） b 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 ???????' '.064(1)0.6412.73.510.29.6025.2640.83rvrvvpmb zbcTT???????????式中， 'vac（15） z 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定壓熱容 .159.80378.1528.037pmvz zzTT???（16） 燃料發(fā)熱量課程設(shè)計(jì)7 壓力????????' '12934286.07.105.802931.2605293934/urvpmbvHLckJg???????????? ?? ??燃 料升高比 .5.88zcp???（17） Cyz 段的燃料燃燒公式，就最大燃燒溫度 ZT????? ???''0.31.3150.742()65.919.269880.3.10.75928.302.3zuvcrvpmbzrpmz zHTLT????????????????簡(jiǎn)化后得 （2）7469.2z zT?第一次試算，取式（2）等號(hào)右端的 = 2000K 得17023.88.5zK第二次試算，取式（2）等號(hào)右端的 =2200K 得zT9zT?第三次試算，取式（2）等號(hào)右端的 = 2196K 得z170268.5zK最后取 9zT?膨脹過(guò)程參數(shù)：（18） 初膨脹比 1.03526.4789zc??????（19） 后膨脹比 '.42???（20） 求多變膨脹指數(shù) 及膨脹終點(diǎn)溫度 ，zb 膨脹線上的后燃公式，nbT??28.3151'zZbubzzvpmzvpbrHcL??????????????活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)8??????21.0385296473.085.134.75021964.820712b bTn T??????????? ???????? ?? ?（3）（4）??2 .140.2bbT?將式子（3）與式子（4）聯(lián)立，得（5）2 21 1.035967.6bzn nTK??????第一次試計(jì)算，取 =2000K 得，bT21530.7n??157b?第二次試計(jì)算，取 2189K 得，bTK2150.3257n??2189b?最后取 89bTK2.035n（23） 膨脹終點(diǎn)壓力21.0325647.9zbnpMpa???3.2柴油機(jī)的指示參數(shù)（21） 理論平均指示壓力（以有效行程為準(zhǔn)） ??2 112 0.3250.362' 1'8.540.758.410.7.41376.9842.c nnp MpaMpa???????? ????????? ?????????? ?? ???? ??????（22） 實(shí)際平均指示壓力（以全行程為準(zhǔn)） ????'1''2.48.0.951238.40.98.036ibai pp Mpa?????????課程設(shè)計(jì)9 式中， ————示功圖豐滿系數(shù)， =0.98??（23） 指示油耗 ????6612.540.871.612.54028.968932047vki ip gg KwhLTKwh???????（24） 指示效率 336016010.87197.42.iiugH?????（25） 增壓器中絕熱壓縮功 ??100.28615.2.35.9142078kTkSpWkJgkJg??????????????????（26） 增壓器中絕熱效率 ????10.2860 .410.135kkSTkSkp????????????????????式中，k-------比熱容比， =1.4， ; ------多變指數(shù)， ，k1.0.2864?kn1.8kn?。1.80.4kn??（27） 增壓器實(shí)際壓縮功 4207.8370.91469TkSkpmWkJgkJg????式中， -----增壓器機(jī)械效率， =0.96TkS mk?（28） 增壓器的相對(duì)作功率活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)10307091.0.16'42.428.965.65TkpkuiAWHL????????3.3柴油機(jī)有效效率（29） 柴油機(jī)總機(jī)械效率 0.871.60.794mEk?????式中， ； -------增壓器相對(duì)功率； 。0.871mE??k 1k?（30） 柴油機(jī)平均有效壓力 2.346.91.564eimpMpapa??（31） 柴油機(jī)有效油耗 ????97.126.97064iemgkWhgkh????（32） 有效功率 790.342eim??（33） 活塞形成容積比例尺 代表 ;AmsV3壓力比例尺 代表 0.1Mpa。B壓縮容積： =18.4 代表 '1.5???'?c3m壓縮終點(diǎn)壓力： 代表8.426.3?cpMa壓縮始點(diǎn)容積 代表 19LmaV壓縮始點(diǎn)壓力 代表.5.B?最大壓力的容積 代表 ，'201A???a3m計(jì)算壓縮曲線 ac 上各點(diǎn)壓力，即式中， ，在 1 至 之間選定。11.362nnaaVppx???????? aVx?'?計(jì)算膨脹曲線 zb 上各點(diǎn)壓力，即課程設(shè)計(jì)11 式中，x 在 1至 之間選定。221.035nnabbVppx???????? ?根據(jù)以上兩式，計(jì)算出壓縮曲線和膨脹曲線各點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)兵列表如下:表 3-1序號(hào) eVx?m1nx壓縮線上的 Pm2nx膨脹線上的 Pm1234567891011123456789101118994.563.047.337.831.527.023.621.018.917.212.574.476.618.9511.4813.217.019.923.026.23.368.615.022.230.138.644.457.112.003.014.025.036.047.048.059.0628.4638.763.590.18118.6171.9200.4229.1257.8根據(jù)上表畫出示功圖圖 3-1 6120型柴油機(jī)計(jì)算示功圖Fig.3-1 Table of 6120 diesel engine calculate exploit show活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)124 活塞銷的受力分析活塞受力分析：曲軸在 10度轉(zhuǎn)角時(shí)產(chǎn)生最大爆發(fā)壓力，如圖所示：60 sin10=200 sinα 所以 sin=60 0.1736/200=0.0521??所以 α=3 度圖 4-1Fig4-1??26014gj gFDP????????2cos2jmR???????26 323.1408.1.28.07.9840.397? ?96974N其中：D——活塞直徑 R——曲軸半徑 mj——往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 連桿比 λ=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min 170o??曲軸轉(zhuǎn)速 23.4136.076nrads????對(duì)活塞銷的校核：1、畫出活塞銷的 Q、M 圖 圖 4-2Fig. 4-2活塞銷外徑 44mm，內(nèi)徑 do=0.25d=11mm課程設(shè)計(jì)13 =3434.1412210.5DdW???????????? ????98326.01??選活塞銷材料為 45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，得 2BNm??629168402.5032.M??????所以該活塞銷符合強(qiáng)度?；钊Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)145 活塞的加工工藝表 5-1活塞加工工藝過(guò)程Tablet.5-4 piston machining technics process工序號(hào) 工序名稱 定位基準(zhǔn)及技術(shù)條件 設(shè)備 工裝0 毛坯鍛造 按活塞鍛造工藝進(jìn)行1粗車底面 B止口 φ110粗基準(zhǔn)是毛坯外圓，金屬模液壓鍛造，壁厚均勻〔有的用內(nèi)腔做為基準(zhǔn)〕車床三角卡盤自動(dòng)定心2粗鏜活塞銷孔φ44下端面 B，內(nèi)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(nèi)止口銷孔處半自動(dòng)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(tái)鉆 鉆模5精車下端面B，內(nèi)止口φ110精基準(zhǔn)：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(zhǔn)：下端面 B內(nèi)止口銷孔拉緊仿型、多刀車床專用刀具7 精車燃燒室 基準(zhǔn)“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(xì)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 液壓器課程設(shè)計(jì)15 12 精磨裙部外圓 外圓面定位 仿型磨床參考文獻(xiàn)：［1］劉達(dá)利,齊丕驤編著.新型鋁活塞.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1999.8（專著）［2］劉永長(zhǎng)主編.內(nèi)燃機(jī)原理.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.6 （專著） ［3］吳建華，常綠主編.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.7（專著）［4］甘永立主編.幾何量與課程設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.7（專著）［5］陸耀祖主編.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004.1（專著）［6］李鳳平等主編.機(jī)械圖學(xué).沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2003.9（專著）［7］唐大放等主編.機(jī)械設(shè)計(jì)工程學(xué). 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.9（專著）［8］單輝祖編.材料力學(xué). 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(cè).天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2000.2（專著）［10］曾東建主編.汽車制造工藝學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.9（專著）