目錄

0前言....................................................................................3

1汽油機(jī)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì).................................................................3

1.1氣缸數(shù)和氣缸布置的選擇............................................................3

1.2冷卻方式的選擇...................................................................3

2汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇..............................................................4

2.1缸徑的確定........................................................................4

2.2行程缸徑比S/D的選取.............................................................5

2.3轉(zhuǎn)速n的確定......................................................................5

2.4汽缸工作容積與升功率.............................................................5

2.5曲柄半徑與連桿長度之比X的選取..................................................5

2.6缸心距的確定....................................................................5

2.7壓縮比、燃燒室容積及息容積......................................................5

3熱力學(xué)計(jì)算.............................................................................6

3.1作出P-V圖.......................................................................6

3.1.1壓縮過程.......................................................................6

3.1.2膨脹過程.......................................................................6

3.1.3P-V圖的繪制...................................................................7

4運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算.............................................................................9

5動(dòng)力學(xué)訂算...........................................................................11

5.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析.........................................................11

5.1.1沿氣缸中心線的總作，書力.......................................................12

5.1.2P力的傳遞與分解................................................................13

6活塞設(shè)計(jì).............................................................................15

6.1活塞的材料........................................................................16

6.2活塞主要尺寸設(shè)計(jì)..................................................................16

6.2.1活塞局度...................................................................16

6.2.2壓縮高度16

6.2.3火力岸高度...................................................................16

6.2.4環(huán)帶高度16

6.2.5活塞頂部厚度.................................................................17

6.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì).......................................................17

6.3.1裙部橢圓....................................................................17

6.3.2配缸間隙....................................................................17

6.4活塞頭的質(zhì)量計(jì)算...................................................................17

7活塞銷的設(shè)計(jì)...........................................................................18

7.1活塞銷的材料.......................................................................18

7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................................................18

7.3活塞銷與銷座的配合.................................................................18

7.4活塞銷質(zhì)量.........................................................................18

7.5活塞銷剛度和強(qiáng)度的校核.............................................................19

8活塞環(huán)設(shè)計(jì).............................................................................20

8.1活塞的密封機(jī)理.....................................................................20

8.2氣環(huán)的設(shè)計(jì).........................................................................20

R.R油環(huán)的設(shè)計(jì)..........................................................................20

8.4強(qiáng)度校核............................................................................20

10小結(jié)..................................................................................20

參考文獻(xiàn)................................................................................21

附表1........................................................................................................................................................22

附表2........................................................................................................................................................23

附表3........................................................................................................................................................25

附表4........................................................................................................................................................27

附表5........................................................................................................................................................30

2.0L四行程汽油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)

0前言

這學(xué)期學(xué)院為我們專業(yè)開始了《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)》，為期3周。

汽車工程學(xué)院針對(duì)我們熱能與動(dòng)力工程專業(yè)特別開設(shè)的專業(yè)課設(shè)計(jì)《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)》

是非常必要的，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，汽車的行使速度、加速性、爬坡度、牽引

力決定于發(fā)動(dòng)機(jī)；汽車常見故障大部分來源于發(fā)動(dòng)機(jī)；汽車的然有經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)常費(fèi)用也主

要決定于發(fā)動(dòng)機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)汽車的設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性，汽車方案設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)

機(jī)的型式和主要參數(shù)、指標(biāo)是作了規(guī)定的。所以發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的階段，其中包括

結(jié)構(gòu)空間、總質(zhì)量、功率、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)成本、使用成本等指標(biāo)。通過這次我們親身的

設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓我們對(duì)這些專業(yè)課的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論能有進(jìn)一步的理解和掌握，使我們

在分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖、運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、查閱各種設(shè)計(jì)手冊(cè)與資料以及計(jì)算機(jī)

應(yīng)用能力等各個(gè)方面得到進(jìn)一步的提高，能夠全面地檢驗(yàn)并鞏固我們以前所學(xué)的專業(yè)課知

識(shí)，并通過結(jié)合實(shí)際情況，讓我們能從一個(gè)全新的角度重新學(xué)習(xí)、認(rèn)識(shí)以前學(xué)過的專業(yè)課

知識(shí)。除此之外，此次課程設(shè)計(jì)還為我們下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為我們將

來走上工作崗位埋下了鋪路石。

我們要充分利用這次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，了解國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，并盡可能發(fā)揮

我們的能力，保質(zhì)保量地完成此次課程設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要工作任務(wù)是四行程汽油機(jī)活塞組

的設(shè)計(jì)。

1汽油機(jī)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)

1.1汽缸數(shù)和氣缸布置的選擇

直列4缸

內(nèi)燃機(jī)的氣缸數(shù)和氣缸布置方式，對(duì)其結(jié)構(gòu)緊湊性、外形尺寸比例、平穩(wěn)性及制造使

用成本都有很大影響。目前小轎車各輕型車除最小排量的車型用2缸或3缸外，絕大多數(shù)

用4缸機(jī)，少數(shù)高級(jí)轎車用6缸機(jī)或八缸機(jī)。

至于氣缸布置，不超過6缸的內(nèi)燃機(jī)絕大數(shù)是單列的，單列式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作簡單,

成材本低，使用維修方便，能滿足一般要求，而且以各氣缸線所在平面與地面垂直居多。

結(jié)合國內(nèi)制造使用成本，生產(chǎn)條件及運(yùn)轉(zhuǎn)平衡性等，初步選用直列4缸機(jī)。

V,H-----為活塞的平均速度，依題為＜18么

S——為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的行程

D——為發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸直徑

r一一為發(fā)動(dòng)機(jī)的行程數(shù)，依題為4

根據(jù)以上的條件代入公式(1),(2),(3)得:

30*C'

08*。7r**s*4.

70=-―-------------------------J

30*4

計(jì)算化簡后取D=84mmS=90mm

帶回原式可以確定n=5500r/min所以基本參數(shù)得以確定。

2.2缸徑行程比S/D

汽油機(jī)S/D的取值范圍為0.8-1.2

S/D=904-84=1.07

2.3轉(zhuǎn)速n的確定

根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》(楊連生)P2,汽油機(jī)轉(zhuǎn)速在2500-6000r/min之間

MZn=5000r/min

G*77

活塞速度心=---=15m/s

30

符合活塞速度小于18m/S的要求

2.4汽缸工作容積與升功率

氣缸工作容積Vs=巫^=0.498L

4

由于平均有效壓力Pme范圍在0.8MPa—1.2Mpa,取Pme=0.9MPa.得

=75Kw

T

氣缸工作容積Vs二貯衛(wèi)=0.498L

4

升功率PL二七*n/30r=37.5KW/L

2.5曲柄半徑與連桿長度之比人的選取

于入=r/l的范圍在1/3?1/4之間，選取人=0.3。又因曲柄半徑r=45mni所以連桿長

度為L二r/人二45/0.3=150mm

2.6缸心距的確定

由于汽油機(jī)干缸套的缸心矩Lo/D為1.12-1.24,所以初選Lo/D=12,得Lo=84mm°

2.7壓縮比與燃燒室容積Vc,總?cè)莘eVa

壓縮比范圍為7—12,根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》（周保龍）P308,受爆燃限制，汽油機(jī)壓縮比

不超過10,取￡二9

則燃燒室容積VC=VS/（E-1）=62.3mL,

汽缸總?cè)莘eVa=Vc+Vs=（62.3+498.5）=560.8mL

3熱力學(xué)計(jì)算

3.1燃燒過程數(shù)學(xué)模型

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)的為2.0L,4行程的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，將其實(shí)際循環(huán)簡化為

混合加熱循環(huán)，這個(gè)循環(huán)過程稱為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)。選取汽油機(jī)壓縮

V

比4,理論范圍8~12之間其中

V,一一為活塞在下止點(diǎn)時(shí)氣缸的容積

V.一一為活塞在上止點(diǎn)時(shí)氣缸的容積

《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》的簡化知：發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力實(shí)際循環(huán)過程分為進(jìn)氣過程、壓縮過程、膨脹

過程、排氣過程。實(shí)際的循環(huán)過程復(fù)雜，難以用簡單的數(shù)學(xué)模型來分析，所以為了計(jì)算發(fā)

動(dòng)機(jī)的循環(huán)做功過程提出了理論循環(huán)過程。發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)是將非常復(fù)雜的實(shí)際工作過

程加以簡化，忽略一些因素，以便于作簡易的定量處理。通過對(duì)理論循環(huán)的研究，可以清

楚的確定影響性能的一些重要因素，從而找到提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的基本途徑。最簡單的理論

循環(huán)是空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，簡化的條件為：

1）假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。

2）假設(shè)工質(zhì)是在憂口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。

3）假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等燧過程。

4）假設(shè)燃燒時(shí)外界無數(shù)個(gè)高溫?zé)嵩炊ㄈ莼蚨▔合蚬べ|(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱。

根據(jù)汽油機(jī)的混合氣燃燒迅速，近似為定容加熱循環(huán)。

3.1.1絕熱壓縮起點(diǎn)

選取壓縮沖程的下止點(diǎn)（設(shè)為A點(diǎn)）時(shí)的氣體參數(shù)己=（0.8?1）匕其中均為大氣的

壓力，^=1.03*105pa,系數(shù)取為0.93,得：P“=09Mp,匕=5.68刃。%/根據(jù)活塞的

運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算出氣缸內(nèi)容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，得：吃=O.563L

3.1.2絕熱壓縮過程

選取壓縮沖程終點(diǎn)（設(shè)為B點(diǎn)），從A點(diǎn)到B點(diǎn)的壓縮過程看作是多變的壓縮過程，

多變指數(shù)取為%=1.30根據(jù)多變過程的熱力學(xué)計(jì)算公式=2”尸二常數(shù)和A點(diǎn)的

氣體狀態(tài)，可以計(jì)算出從A點(diǎn)到B點(diǎn)的壓縮過程中各個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。經(jīng)過計(jì)算后得到

B點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)：為=1.565〃加/匕=0.062*10%/

3.1.3定容增壓過程

選取定容增壓的終點(diǎn)（設(shè)為C點(diǎn)），從B點(diǎn)到C點(diǎn)看作為定容壓縮過程，其定容增

壓比；1=7,則C點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)：匕=%*丹=7*1.565=10.960。V<.=0.055*10-3/H3

3.1.4絕熱膨脹過程

選取膨脹過程的終點(diǎn)（設(shè)為D點(diǎn)），從C點(diǎn)到D點(diǎn)可以看作是多變的膨脹過程，其

多變指數(shù)為%=1.30。

3.2繪制P-V圖

3.2.1繪制理論P(yáng)-V圖

根據(jù)多變過程的熱力學(xué)計(jì)算公式常數(shù)和C點(diǎn)的氣體狀態(tài)，可以計(jì)算

出從C點(diǎn)到D點(diǎn)的膨脹過程中各個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。計(jì)算后，得：

PD=663MpaV.=0.56*KT%/

未調(diào)整的P-V圖

體積（mL）

圖1理想P-V圖

3.2.2繪制調(diào)整P-V圖

調(diào)整的PV圖：因?yàn)閷?shí)際過程比較曼雜，所以在得到的P?v,P?3圖上要修正得至I」,

最高壓力不在上止點(diǎn)，還有點(diǎn)火提前角，排氣提前角的修正，顯然實(shí)際的邊界條件是不可

能得到的，所以只能做一些適當(dāng)?shù)男拚?/p>

體不只(mL)

圖2調(diào)整P-V圖

3.3熱力學(xué)平均有效壓力校核

由熱力學(xué)計(jì)算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖，其圍成的面積表示的是汽油機(jī)所

做的指示功叱數(shù)值由對(duì)示功圖積分后求得的面積來表示

叱=［：(鳥—々"u+l：(鳥―勺.口

其中燈=()。566-3

P2=8.56股。

3

Vc=0.556/n-/一y'-35

a

出=0.0517前尸

匕29

經(jīng)過計(jì)算后得：叱=7721

所以汽油機(jī)的平均有效壓力:

p二叫*/=572*0.85

=0.878帥〃

皿一匕―0.25*3.14*0.084*0.084

其中心——為汽油機(jī)的機(jī)械效率，〃,”=0-85

里據(jù)計(jì)算得0.8<匕”=0.878<1.2根據(jù)得到的示功圖可以按照積分的思想得到指示功

叱=”辦得到計(jì)算結(jié)果如下

表1示功圖積分?jǐn)?shù)據(jù)表

Wi⑴Pi(Mpa)Pme(Mpa)Pe(KW)

574.4102331.549950240.813495521668.91868206

所給定的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求(Pmc=0.8-L2,Pc=70kw),所以校核合格。

4運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

4.1活塞位移

根據(jù)活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算出活塞的位置隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：

X=r*(1-+—(1-Cosa)

其中4——為曲柄半徑和連桿長度的比，根據(jù)設(shè)計(jì)書的要求，取4二0.29

1----為曲軸半徑，/?=92/2=46mm

經(jīng)過計(jì)算后的數(shù)據(jù)和X-a得圖表，數(shù)據(jù)見后附附錄。

活塞位移x(mm)

圖3活塞位移

4.2活塞瞬時(shí)速度

根據(jù)活塞的位移規(guī)律，對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角。求倒得到活塞的瞬時(shí)速度v隨加軸轉(zhuǎn)角。的變化規(guī)律:

經(jīng)過計(jì)算后的數(shù)據(jù)和V-a得圖表，數(shù)據(jù)見后附附錄。

V=rclSina+(Sin2a

活塞速度v(m/s)

30

20

10

0活塞速度v(m/s)

-10

-20

-30

圖4活塞速度

4.3活塞的加速度、最大加速度

根據(jù)活塞的瞬時(shí)速度規(guī)律，對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角a求倒得到活塞的加速度V隨曲軸轉(zhuǎn)角a的變化規(guī)

律：j=rco1(Cosa+ACosla)

5力學(xué)計(jì)算

5.1氣體壓力：由P?V圖轉(zhuǎn)化為P?a圖

隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，缸內(nèi)的氣體壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化。將熱力學(xué)計(jì)算中的

P--V圖轉(zhuǎn)化為2--a圖，即氣缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。0~180度為進(jìn)

氣行程，汽缸內(nèi)的氣體壓力在理論循環(huán)下基本可以認(rèn)為是--恒定值且小于大氣壓力；

180?360度為多邊壓縮行程，汽缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；360?540度為多變

的膨脹過程，汽缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；540?720度為排氣行程，可以認(rèn)為

汽缸內(nèi)的氣體壓力是均勻下降至（0.8~1）玲。由于已知了曲軸轉(zhuǎn)角。和活塞位移X的關(guān)

系式，又因V=13。33+^D2X/4000,則可以在EXCEL表格中，求取出相應(yīng)轉(zhuǎn)角Q時(shí)對(duì)應(yīng)

氣缸容積V。每隔5°求（p,V）o下面列出來了一部分轉(zhuǎn)角a下壓力p的數(shù)據(jù)：

利用上面求解出的數(shù)據(jù)，做出p?a圖。如圖：

P-a圖

0200400600

圖6p?a圖

5.2往復(fù)慣性力

分析機(jī)構(gòu)的慣性力時(shí)，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實(shí)際活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)離散成用往

復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)等效當(dāng)量系統(tǒng)來分析，往復(fù)慣性力的產(chǎn)生是由于活塞和連桿小頭

的質(zhì)量在活塞瞬時(shí)速度的不均勻條件下產(chǎn)生的。往復(fù)慣性力的大小不僅與活塞和連桿

小頭的往復(fù)慣性質(zhì)量有關(guān)，還與活塞的瞬時(shí)加速度有關(guān)。其加速度已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)中計(jì)

算完畢，往復(fù)慣性質(zhì)量=町+〃4，

其中犯一一為活塞組的質(zhì)量

叫一一計(jì)算斷面以上那部分連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。

活塞的質(zhì)量在估算時(shí)，將活塞當(dāng)作薄壁圓筒處理。

活塞m,=p*—*（D2—（Z）-r）2）*H

其中D——為活塞的外徑，D=84mm

t-----為活塞的厚度，t=8mm

H-----為活塞的高度，H=（0.8-1.0）D=84mm

p——為活塞的密度，在此處用共晶鋁硅合金66-1,密度為2.7g/cm3

L—I

in、=----*m

2L

其中L——為連桿的長度

I一一為連桿質(zhì)心到連桿大頭的距離

團(tuán)一一為連桿的質(zhì)量

經(jīng)過估算得到inj=im+mi=0.938kg

用公式Pj=-嗎*〃蘇(Osa4XCosla)即可以計(jì)算出活塞連桿小頭的往復(fù)慣性力

隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，具體的計(jì)算數(shù)據(jù)見后附表。

5.3旋轉(zhuǎn)往復(fù)慣性力

分析機(jī)構(gòu)的慣性力時(shí)，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實(shí)際活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)離散成用往復(fù)運(yùn)

動(dòng)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)等效當(dāng)量系統(tǒng)來分析，連桿質(zhì)心以下的質(zhì)量和曲柄銷組質(zhì)

量離散為旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量。

mr=mcr+tn2o(4)

m/=m〃+〃?iPj=-re}(sina+24sin2a)(5)

2

Kr=nirr(i)(6)

隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，具體的計(jì)算數(shù)據(jù)見后附錄。

5.4合力的計(jì)算

忽略機(jī)構(gòu)摩擦阻力，則作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力只要研究氣體壓力和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量

的慣性力。

氣缸內(nèi)工質(zhì)作用在活塞上的總氣體壓力為：

PS=PG-Po⑺

PG——缸內(nèi)絕對(duì)壓力，Mpa；

Pn---大氣壓力，一般取O.IMpa

Pg隨著曲軸轉(zhuǎn)角a的變化規(guī)律Pg=f(a),依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)型式和工況而不同。對(duì)新設(shè)計(jì)得發(fā)

動(dòng)機(jī)可由熱力計(jì)算或參考同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖；對(duì)已有的發(fā)動(dòng)機(jī)可用各種燃燒分析儀。

作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力：氣體壓力于往復(fù)慣性力兩者作用在氣缸中心線上，將往

復(fù)慣性力也用單位活塞面積的壓力來計(jì)算，則合成的單位面積的力為

P=Pg+Pj=rar(sincr+2Zsinla)(8)

其中分解后得到其他的力側(cè)壓力Pn、連桿力團(tuán)、切向力t、徑向力k、單靶扭矩Mi0公式

A

f.

分別為:

側(cè)壓力Pn=PtanB(9)

連桿力R=P/cosB(10)

切向力t=Pisin(a4p)=P(11)

cosp

徑向力k=PiCOS(a+0)=Pc。"“(12)

cosP

圖7連桿受力圖

用Excel表繪制側(cè)壓力、連桿力、切向力、徑向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。

如圖：

圖8側(cè)壓力、連桿力

單缸扭矩

M=f/xl0-2(13)

r----曲軸半徑，cm；

目——活塞面積，cm2

用Excel表繪制，得出單缸扭矩圖:

采用直列式四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其發(fā)火間隔角為

。=半=孥=180

點(diǎn)火順序?yàn)?-3-4-2,由此按發(fā)火次序依次疊加個(gè)缸得到合成扭矩圖:

合成扭矩(Nm)

圖9合成扭矩

從發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率公式來看，當(dāng)缸徑D、缸數(shù)Z和沖程數(shù)T已選定時(shí)，在燃油經(jīng)濟(jì)性

最佳的前提下，要盡可能提高輸出功率，就只有依靠平均有效壓力Pme和活塞平均速度

Vm兩個(gè)主要參數(shù)的合理選擇了。

發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率為：

p-ci-D1

P,=0.07854x------(kw)(I)

T

式中Pme——平均有效壓力，MPa

Vm——活塞平均速度，m/s；

n-----標(biāo)定轉(zhuǎn)速，r/min；

D-----氣缸直徑，cm；

T------行程數(shù)，四沖程1=4,二沖程1=2。

取整得到如下結(jié)果：表2缸徑、行程、轉(zhuǎn)速參數(shù)表

Pme(mpa)Vm(m/s)S/DD(mm)S(mm)n(r/min)Vs(L)Vc(L)Va(L)

1161.1849255000.510.050.56

所示的結(jié)果得到發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。查有關(guān)手冊(cè)，所得到的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的

一般技術(shù)水平，而且現(xiàn)在的加工技術(shù)可以達(dá)到這個(gè)水平。

6活塞設(shè)計(jì)

6.1活塞的材料

共晶硅鋁合金

制造活塞的材料應(yīng)有小的密度夕、足夠的高溫強(qiáng)度高的熱導(dǎo)率丸、低的線脹系數(shù)。

以及良好的摩擦性能(減摩性和耐磨性)。常用材料為鋁硅合金，。共晶鋁硅合金具有滿意的

綜合性能，工藝性良好，應(yīng)用最為廣泛。過共晶鋁硅合金中的初生硅晶體使耐熱性、

耐磨性改善，膨脹系數(shù)減小，但加TT藝性惡化.過共晶鋁硅合金廣泛用于高熱負(fù)荷活塞.

6.2活塞主要尺寸設(shè)計(jì)

圖11?2整體式始合金活塞

?)柒油機(jī)活塞b)汽油機(jī)活塞

>11-1活■的主要尺寸比例

?111活■的主基尺寸比例

尺寸比御我?帆機(jī)

Ht/D0.3S>0,600.50-0.SO

H/D0.60-1.000.90-1.40

H^/D0.40-0.so0.50-090

A/D0.04-0.100.12-0.20

4/D0.22-0.300.30-040

6.2.1活塞高度H

H=1D

選擇H=84mni

6.2.2壓縮高度Hi

Hi=O.5D

選擇=42mm

6.2.3火力岸高度h

h=0.07D=5.965mm

選取h=6mm

6.2.4環(huán)帶高度

現(xiàn)代四行程發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。氣環(huán)的厚度一般為2.0?3.0mm(《汽

車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)》p308)o

環(huán)岸要求有足夠的強(qiáng)度，使其在最大氣壓下不致被損壞。第一道環(huán)的環(huán)岸高度bi一般

為1.5?2.5c(c指環(huán)槽高度)，第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為1?2c。

第一環(huán)岸高Cl=().()3-0.04D=0.04*84=3.4mm取4mm

環(huán)高bi為2.0?3.Onur.取2.0mm

環(huán)高b2為2.0?3.Omir.取2.Omni

環(huán)高b3油環(huán)為4.0?6.0mm取4.Omni

環(huán)岸高C2為2bl取4.0mm

b尸2,b2=2,b3=4,G=4,C2=4O

則環(huán)帶高度為16mm

6.2.5活塞頂部厚度5

為0.06"0.10D

5=0.08D=6.72

取6=8nuno

6.2.6活塞側(cè)壁厚度及內(nèi)部過渡圓角

活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取(0.05^0.1)D,取0.1D,厚度則為

8mm

為改善散熱狀況，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過度圓角，一般取R4.05~0.1D

則圓角半徑取為8nun

6.2.7活塞銷座間距

B=0.35-0.40D

取0.4則活塞銷座間距為34mm

有關(guān)活塞的尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果:

名稱數(shù)值單位

壓縮高度取用42mm

環(huán)帶高度H316mm

火力岸高度乩6mm

總高度84mm

壁厚8mm

內(nèi)圓直徑D'66mm

外圓直徑D82mm

第一道環(huán)的環(huán)岸高度E2mm

2

第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2：I1I!I

第一道環(huán)槽高度Cl4mm

第二道環(huán)槽高度C24mm

環(huán)槽深度8mm

6.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì)

活塞裙部及其側(cè)表面形狀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于保證裙部有足夠的貼切合面積和良好的

潤滑條件，以及保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下都具有最小的活塞間隙。

6.3.1裙部橢圓

1）、將裙部設(shè)計(jì)成橢圓。

2）、將銷座附近的裙部外側(cè)部位設(shè)計(jì)成凹陷狀。

裙部橢圓的規(guī)律：

為了使活塞在正常工作溫度下于氣缸壁之間保持右比較均勻的間隙，不至于在氣缸內(nèi)

卡死或是引起局部磨損，必須在常溫下預(yù)先把活塞裙部的橫斷面加工成橢圓形，其長軸垂

直于活塞銷軸線方向，其矩軸于長軸的差值視發(fā)動(dòng)機(jī)的不同而不同，一般為0.08?

0.025mmo

為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個(gè)圓柱形，害必須把活塞做成上小下

大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動(dòng)機(jī)的不同而不同，一般為0.05?0.1mm。

實(shí)際取△:對(duì)活塞下下部和頭部取0.1mm；對(duì)活塞裙中部取0.08mm

632配缸間隙

為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個(gè)圓柱形，害必須把活塞做成上小下

大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動(dòng)機(jī)的不同而不同，一般為0.05?0.1川山。

活塞頂部間隙：0.240mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.210mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi)

活塞裙部間隙：0.09mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.04mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi)

6.4活塞頭的質(zhì)量計(jì)算

對(duì)活塞進(jìn)行簡化變成可計(jì)算體積的幾何體，從而計(jì)算出其體積和質(zhì)量。簡化圖如下。

活塞銷

孔軸線

活塞的質(zhì)量在估算時(shí)，將活塞當(dāng)作薄壁圓筒處理。

活塞m.=p*-*（D2-（D-r）2）*H

其中D-----為活塞的外徑，D=84mm

t-----為活塞的厚度，t=8mm

H——為活塞的高度,H=（0.8~L0）D=84mm

p一一為活塞的密度,在此處用共晶鋁硅合金66-1,密度為2.7g/cm3

故可知活塞的質(zhì)量為m活塞二227.8g

7活塞銷的設(shè)計(jì)

活塞工作時(shí)頂部承受很大的大氣壓力，這些力通過銷座傳給活塞銷，再傳給連桿。因

而活塞銷座和活塞銷的設(shè)計(jì)必須保證足夠的強(qiáng)度、足夠的承壓面積和耐磨性。

7.1活塞銷的材料

活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼（如20Cr）制造，經(jīng)表面參碳淬

火處理，以提高表面硬度，使中心具有一定的沖擊韌性。表面需進(jìn)行精磨和拋光。

7.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

d=（0.25飛.3）D=0.3D=2。5mm

取25mm

&二（0.6~0.79）d=0.6d=15mm

1=（0.8飛.9）D=0.9D=75.6

取76mm

活塞銷外徑d|=25,;活塞銷內(nèi)徑dz=15?；钊N長度l=76mm。

7.3活塞銷與銷座的配合

活塞頂所承受的氣壓力通過活塞銷座和活塞銷傳給連桿。由于結(jié)構(gòu)上的限制，活塞銷

的直徑d不可能超過0.4D（表11T）,活塞銷的長度不可能超過0.85D,因此活塞銷總的

承壓面積極為有限，還要在活塞銷座與連桿小頭襯套之間合理分配。所以，不論在銷與銷

座之間，還是在銷與連桿之間，承壓面積都很小，表面比壓很高。加上活塞銷與銷座或活

塞銷與連桿襯套之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低，液體潤滑油膜不易形成。在這種高壓低速條件下,

要保證可靠的液體潤滑，配合副的工作間隙要盡可能小。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)活塞銷與銷座以及

活塞銷與連桿小頭襯套之間的工作狀態(tài)（熱態(tài)）間隙在（「3）10-4d時(shí)，可以可靠工作。于

是，在裝配狀態(tài)（冷態(tài)），銷與銷座則有（廣3）10-4d的過盈，以補(bǔ)償鋁合金活塞銷孔在工

作時(shí)較人的熱膨脹。為了穩(wěn)定地保持極小的間隙而乂轉(zhuǎn)動(dòng)靈活?，活塞銷外圓、活塞銷孔和

連桿小頭襯套孔都應(yīng)有極高的加工精度。不但尺寸公差要嚴(yán)格，尤其要保證嚴(yán)格的圓柱度

和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，面圓柱度和表面粗糙度值足夠小，則可以按尺寸分組

選配的辦法保證配合副的理想間隙。

7.4活塞銷質(zhì)量m.3

m=134g

7.5活塞銷剛度和強(qiáng)度的校核

為保證活塞銷和銷座的可靠工作，需校核活塞箱的彎曲變形，失圓變形，銷座上的表

面壓力和活塞銷的應(yīng)力。

8=d2/dt=?

活塞銷的彎曲變形：

f=4.5（1-A2產(chǎn)2心。、X10-8=4.5X（1-0.292產(chǎn)2_8,-心、=0.0327〃〃〃

A4（l-^2）0.294（l-0.672）

許用變形：

滿足要求。

失圓變形:

3

Ix10s=0.020〃"〃

…7號(hào)修"。』7、探〔嚅

許用失圓變形:

滿足要求。

作用在銷孔上的表面壓力:

小于極限值560bar,滿足要求。

活塞銷的縱向彎曲應(yīng)力:

〃二

a-0.093=0.093x--------------二281N/mm2

tA-(i-<y4)0.293-(1-0.674)

活塞銷的橫向彎曲應(yīng)力：

6=0.0685匹=0.0685x—"閑=216N/mm2

-△(—J0.29(1-0.67)-

所以總彎曲應(yīng)力：

=354.4N/mm2

在許用應(yīng)力200到400N/mn?之間,滿足要求。

經(jīng)以上計(jì)算可知設(shè)計(jì)的活塞銷滿足剛度和強(qiáng)度要求。

8活塞環(huán)設(shè)計(jì)

活塞與活塞環(huán)一起防止氣缸內(nèi)的高壓氣體下竄到曲軸箱，同時(shí)把很大一部分活塞頂接

收的熱量傳給氣缸壁，起這種作用的活塞環(huán)稱為氣環(huán)。此外，還設(shè)置專門的油環(huán)，在活塞

下行時(shí)把氣缸壁上多余的機(jī)油刮回油底殼，以減少上竄機(jī)油量。一般要求通過環(huán)組的竄氣

量不超過總進(jìn)氣量的0.5%,機(jī)油消耗量不超過燃油消耗量的（）.5%。

8.1.活塞環(huán)的密封機(jī)理

內(nèi)燃機(jī)活塞組與氣缸之間應(yīng)用帶開口的彈性金屬環(huán)實(shí)現(xiàn)往復(fù)式密封。由于開口的存在,

漏氣通路不可能完全消除C為了防止大量漏氣，一般采用多個(gè)活塞環(huán)形成隨活塞運(yùn)動(dòng)的迷

宮式密封。

為減小活塞組與氣缸之間的漏氣通路，活塞環(huán)的外周面必須以一定的彈力兒與氣缸壁

緊密貼合，形成第一密封面（圖11-8）0這樣一來，缸內(nèi)氣體不能短路直接通過環(huán)周與氣缸

之間，而是進(jìn)入環(huán)與環(huán)槽之間，一方面軸向不平衡力％將環(huán)向環(huán)槽的側(cè)面壓緊，形成第二

密封面，同時(shí)，作用在環(huán)背的氣壓力造成的徑向不平衡力入又大大加強(qiáng)了第一密封面。盡

管環(huán)背氣壓力有時(shí)大大超過環(huán)本身彈力但幾的作用仍是關(guān)鍵。如果P”降到零，即環(huán)

周與缸壁之間出現(xiàn)縫隙（一般稱為活塞環(huán)“漏光”），第一密封面被破壞，氣體就直接從縫

隙處短路外泄，任何環(huán)背壓力和FR都建立不起來。只要在整個(gè)環(huán)周上還剩下一個(gè)哪怕是很

小的彈力，被密封氣體就會(huì)自行幫助密封，而且要密封的氣體壓力越高，附加的密封力也

越大?？梢哉J(rèn)為，具有這種自適應(yīng)特性的簡單環(huán)式密封系統(tǒng)，是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)有強(qiáng)大

生命力的結(jié)構(gòu)保證之一。

必須指出，活塞組的密封作用不僅取決于活塞環(huán)，而且與活塞的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。

活塞應(yīng)保

證活塞環(huán)工作溫度不會(huì)過高。環(huán)帶部分與氣缸的間隙應(yīng)盡可能小。環(huán)槽應(yīng)加工精確，且在

工作中不發(fā)

生過大變形。環(huán)槽與環(huán)之間的間隙要合適。

8.2.氣環(huán)的設(shè)計(jì)

8.2.1氣環(huán)的斷面形狀

根據(jù)活塞環(huán)的密封機(jī)理，形狀簡單、加工方便的矩形（斷面）環(huán)完全可以滿足要求。但

這種環(huán)磨合性較差，作用在活塞環(huán)上的力及其密封面密封性不理想。

桶而環(huán)（圖ll-9b）的外周面是直徑等于缸徑的球面的中段，其特點(diǎn)是能適應(yīng)活塞的擺動(dòng),

并且活塞上行和下行時(shí)均能在環(huán)的外周面上形成潤滑油膜，摩擦面不易燒傷。環(huán)與氣缸接

觸面積小，比壓大，密封性好。桶面環(huán)廣泛用作高速、高負(fù)荷的強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)的第一環(huán)。

a）

圖11—9常用的活塞環(huán)斷面形狀

a）矩形環(huán)b）桶面環(huán)c）錐面環(huán)。d）梯形環(huán)e）內(nèi)切止扭曲環(huán)f）錐面內(nèi)倒角反扭曲環(huán)

錐面環(huán)（圖U?9c）外周面具有很小的斜角（一般為3（）'~6（Y）,它新裝入氣缸時(shí)與氣缸線

接觸，磨合快，下行時(shí)有良好的刮油作用。安裝時(shí)不能上下裝反，否則使竄機(jī)油加劇。這

種環(huán)適用于第二、三氣環(huán).

梯形環(huán)（圖11—9d）兩側(cè)面夾角多為15°左右。裝這種環(huán)的活塞在氣缸中工作時(shí)的側(cè)向位

移使環(huán)與環(huán)槽側(cè)面間的間隙不斷變化，可防止環(huán)槽中機(jī)油結(jié)膠甚至碳化，適用于熱負(fù)荷較

高的柴油機(jī)作為第一環(huán)。

扭曲環(huán)（圖ll-9e）采用內(nèi)切或倒角造成斷面相對(duì)彎曲中性軸不對(duì)稱，使環(huán)裝入氣缸發(fā)生

彎曲變形后發(fā)生不超過1°的盤狀正扭曲。它有與錐面環(huán)類似的作用，但加工容易些，不過

扭曲環(huán)的扭曲角沿環(huán)周是不均勻的。

反扭曲環(huán)（圖11—9。工作時(shí)扭曲成蓋子狀，配合外圓的錐面，具有很強(qiáng)的密封性和刮

油能力，常用于緊挨油環(huán)的那道氣環(huán)。

8.2.2氣環(huán)的尺寸參數(shù)

在保證密封的前提下，活塞環(huán)的數(shù)目應(yīng)盡可能少，因?yàn)闇p少環(huán)數(shù)可縮小活塞高度，減

輕活塞質(zhì)量，減小發(fā)動(dòng)機(jī)總高度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失?，F(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)大多采用2道氣

環(huán)（另有1油環(huán)），重型強(qiáng)化柴油機(jī)則用3道氣環(huán)。

氣環(huán)的尺寸參數(shù)主要有環(huán)的徑向厚度，、軸向高度〃（圖11-8）以及環(huán)的自由狀態(tài)形狀和

自由開口端距Soo

減小環(huán)高b有利于縮短活塞高度，減小環(huán)的顫振傾向，目前粼而已達(dá)到1mm左右的極

限。過小的〃使環(huán)和環(huán)槽的加工困難。

徑向厚度『較大的環(huán)彎曲剛度大，對(duì)氣缸表面畸變的跟隨性差，但耐磨性相對(duì)較好。剛

性環(huán)在較小的端距So下就可得出要求的平均徑向壁壓〃。，但在套裝到活塞頭部上時(shí)易于

折斷。對(duì)合金鑄鐵的活塞環(huán)來說0〃=23~25,〃。力］?02MPa,5。"=3.5~3.7。

環(huán)槽深度取0.9d=76mm

8.2.3活塞環(huán)的材料

活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中磨損最快的零件，因此適當(dāng)選擇材料和表面處理工藝十分重要。

活塞環(huán)一般是由合金鑄鐵鑄造，高強(qiáng)度環(huán)用球墨鑄鐵，經(jīng)熱處理以改善材料的熱穩(wěn)定

性。少數(shù)活塞環(huán)用合金鋼制造。

活塞環(huán)的工作表面通常用各種鍍層或涂層，以提高其耐磨性、耐蝕性或改善磨合性。

最常用的耐磨層為鍍格和噴鋁。松孔鍍格不僅硬度高，耐磨耐蝕，而且儲(chǔ)油，抗膠合，廣

泛用于汽油機(jī)和自然吸氣柴油機(jī)。鋁熔點(diǎn)高，噴鋁層抗膠合、抗磨損性能好，能適應(yīng)高溫

下工作。噴涂法能造成一定多孔性，也有一定儲(chǔ)油能力。噴相環(huán)主要用于增壓強(qiáng)化柴油機(jī)

的第一環(huán)。

所有活塞環(huán)都要進(jìn)行磷化、鍍錫或氧化處理，以改善磨合性和防銹。

8.3.油環(huán)的設(shè)計(jì)

氣缸與活塞運(yùn)動(dòng)副用飛濺的機(jī)油潤滑。油環(huán)的作用是把飛濺到氣缸壁上的多余潤滑油

刮下來，回到油底殼，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗量。

為了能在高速運(yùn)動(dòng)中對(duì)抗機(jī)油的流體動(dòng)壓力刮下機(jī)油，只留下很薄的油膜，油環(huán)工作

面的著壁壓力應(yīng)足夠大。因?yàn)橛铜h(huán)沒有環(huán)背氣壓力幫助壓向氣缸壁，著壁壓力完全靠本身

的彈力產(chǎn)生。單體鑄鐵油環(huán)（圖ll-10a）,由于材料強(qiáng)度所限，只能通過減小與氣缸接觸的

工作面積來提高壁壓，最高只能達(dá)到0.5MPa左右。如用高強(qiáng)度材料，用較大的徑向厚度L

壁壓可能進(jìn)一步提高，但環(huán)剛性大，對(duì)氣缸變形的追隨性差，刮油能力不好。用具有切向

彈力的螺旋襯簧的鑄鐵油環(huán)（圖U-10b河使壁壓達(dá)到0.8MPa以上，即使環(huán)的外圓磨損，壁

壓也比較穩(wěn)定，因?yàn)楸趬褐饕梢r簧產(chǎn)生。這種環(huán)厚度/小，柔性好，在氣缸變形較大的

條件下也能很好地刮油。這種油環(huán)目前應(yīng)用很廣，尤其在高速柴油機(jī)上。鑄鐵環(huán)表面要通

體鍍銘。

上述兩種單體油環(huán)與環(huán)槽不可避免地有側(cè)向間隙，在環(huán)正常軸向移動(dòng)或顫振而懸浮在

環(huán)槽中間時(shí)，機(jī)油可能通過側(cè)隙上竄。這種影響在高轉(zhuǎn)速時(shí)更大，所以現(xiàn)代高速汽油機(jī)常

用無側(cè)隙鋼片組合式油環(huán)，

為了使油環(huán)刮油有效，除了油環(huán)結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)注意活塞的配合。用單體油環(huán)時(shí)必須保

持環(huán)槽側(cè)隙盡可能小，這意味著環(huán)槽加工精度要高，變形要小。還應(yīng)注意環(huán)槽須有面積足

夠的泄油通道，以免回油受節(jié)流造成過高動(dòng)壓，使油環(huán)浮起。一般希望在油環(huán)槽底和槽下

都加工出很多泄油孔，使泄油通暢。

8.4.活塞環(huán)強(qiáng)度校核

為了確定任意斷面BB中的彎矩，可把活塞環(huán)看成是開口對(duì)面的對(duì)稱面AA固定的

懸臂梁，因?yàn)榛钊h(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)時(shí)AA斷面不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。于是作用在單元環(huán)

上rd。的單元力dp二pobrod。對(duì)斷面BB產(chǎn)生的彎矩可寫成“例=dpr{}s\x\（（/）-a）d（l>

環(huán)從。=。到。二萬段上的壓力對(duì)BB斷面的總彎矩M為

M=JdM=jPobq）sin（。-a）d（/）=1/4帆0（。-r）（l+cosa）

夕」*DT

2l-A（l+cosa）

式中:匕堂號(hào)(％)

材料確定后E為常數(shù)，Po也為常數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)D一定的均壓環(huán)，自然狀態(tài)的曲率半徑

P隨a而變，故活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是圓形

小結(jié)

通過這次我們親身的設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓我們對(duì)這些專業(yè)課的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論能有進(jìn)一

步的理解和掌握。設(shè)計(jì)的整個(gè)過程都有老師在一旁指導(dǎo)，有問題可以及時(shí)解決，學(xué)到了很

多發(fā)動(dòng)機(jī)和曲軸的知識(shí)，這也是我覺得這次設(shè)計(jì)比以前簡單的原因吧。我把這次課程所學(xué)

到的東西總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1.分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖、運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、查閱各種設(shè)計(jì)手冊(cè)與資料。

2.計(jì)算機(jī)計(jì)算，繪圖的應(yīng)用能力等方面得到進(jìn)一步的提高。

3.初步建立了工程的觀念處理問題。

4.能夠全面地檢驗(yàn)并鞏固我們以前所學(xué)的專業(yè)課知識(shí)，并通過結(jié)合實(shí)際，讓我們能從

一個(gè)全新的角度重新學(xué)習(xí)、認(rèn)識(shí)以前學(xué)過的專業(yè)課知識(shí)。

5.了解國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)當(dāng)代先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有了一些了解。

6.此次課程設(shè)計(jì)還為我們下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[7]沈維道.工程熱力學(xué).北京：高等教育出版社，2002.

附錄

附表1一些需要的參數(shù)

活塞行程s活塞直徑D轉(zhuǎn)速往復(fù)慣性質(zhì)量叱城余隙容積

壓縮比￡

(mm)(mm)n(r/min)(kg)Vc(L)

92845500310.50.0537

進(jìn)氣壓力

曲柄半徑連桿長度1曲柄角速度3

半徑/長度XP”壓力升高比

r(cm)(cm)(rad/s)

(Mp)

461580.29575.9580.093.6

活塞面積Fh氣缸工作容積+余隙容排量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量

多變指數(shù)m多變指數(shù)出

(cm2)積(L)(L)mr(kg)