课程设计说明书2011年12月目录一．柴油机工作过程的热力学分析1．原始参数及选取参数2．热力分析计算参数二．活塞组的设计1．概述2．活塞的选型3．活塞的基本设计3.1活塞的主要尺寸3.2活塞头部设计3.3活塞销座的设计3.4活塞裙部及其侧表面形状设计3.5活塞与缸套的配合间隙3.6活塞重量3.7活塞强度计算4．活塞的冷却5．活塞的材料及工艺6．活塞销的设计6.1活塞销的结构及尺寸6.2轴向定位6.3活塞销和销座的配合6.4活塞销的强度校核6.5活塞销材料及强化工艺7．活塞环的设计7.1活塞环的选择7.2活塞环主要参数选择7.3活塞环的材料选择及成型方法7.4活塞环的间隙7.5环槽尺寸三．连杆组的设计1．概述2．连杆的结构类型3．连杆的基本设计3.1主要尺寸比例3.2连杆长度4．连杆小头设计4.1连杆小头结构4.2小头结构尺寸4.3连杆衬套5．连杆杆身6．连杆大头6.1连杆大头结构6.2大头尺寸6.3大头定位7．连杆强度的计算校核7.1连杆小头7.2连杆杆身7.3连杆大头8．连杆螺栓的设计四.曲轴组的设计1. 曲轴的概述1.1曲轴的工作条件和设计要求1.2曲轴的结构型式1.3曲轴的材料2. 曲轴的主要尺寸确定2.1主轴颈2.2曲柄销2.3曲柄臂2.4曲轴圆角2.5提高曲轴疲劳强度方法3. 曲轴油孔位置4. 曲轴端部结构5. 曲轴平衡块6. 曲轴的轴向定位7. 曲轴疲劳强度计算7.1强度计算已知条件7.2强度计算已知曲轴载荷 7.3 圆角疲劳强度校核7.4 油孔疲劳强度校核8.飞轮的设计五．参考文献一．柴油机工作过程的热力学分析1． 原始参数及选取参数原始参数 1） 柴油机型号：4100； 2） 气缸数：Z: 4； 3）气缸直径D ：100mm ；热力分析选取参数1） 燃烧室型式：直喷式浅盆形燃烧室 2） 增压方式：非增压 3） 冲程数τ：4； 4） 转速n ：2000 r/min ； 5） 行程S ：120mm ； 6） 压缩比ε：16；7） 平均有效压力e p :7.16 2/cm kgf ； 8） 最高爆发压力z p ：73 2/cm kgf ； 9） 环境压力0p =1.01 2/cm kgf ； 10） 压缩始点压力a p =0.98 2/cm kgf ; 11） 压缩多变指数1n ：1.35； 12） 标定功率e N ：60 PS ； 13） 用途：中小型载重车；2. 热力分析计算参数热力分析计算参数 1） 汽缸工作容积：000942.012.01.04422=⨯⨯==ππS D V h 3m ；2） 压缩终点容积：00006283.0116000942.01=-=-=εh c V V 3m ； 3） 进气系统温度：K T T s 2930==；4） 压缩终点气缸压力：38.411698.035.11=⨯==n a c p p ε 2/cm kgf ； 5） 压力升高比：；76.138.4173P P λc z ===二．活塞组的设计1．概述活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。
活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封，否则活塞式发动机就不能正常的运转。
活塞组的作用归结为：1） 传力、导向。
承受燃烧室内气体的压力，将压力传递给连杆，并保证活塞在气缸内顺畅运动。
2） 密封：通过活塞环和活塞密封气体，保证缸内工质不泄露或者很少泄露。
3） 传热：在密封的基础上，通过活塞环和活塞裙部向缸壁传递热量； 4） 配气：完成进气、压缩和排气功能。
2．活塞的选型综合各方面因素考虑，优先考虑采用铸造共晶铝活塞。
根据平均有效压力：e p =7.16 2/cm kgf 大大低于铝活塞的平均有效压力上限铝。
根据活塞比功率选择活塞冷却方式，由比功率计算公式174.010/121044/60/422=⨯=='ππDS D N N ep 2/cm PS其值小于无油冷方式的上限值0.3 2PS，故无需对活塞进行油冷却。
/cm3．活塞的基本设计3.1活塞的主要尺寸根据同类型发动机和统计数据进行选取，结果如下H/D H1/D H2/D h/D h1/D δ/D d/D B/D gδ/D 1.20 0.73 0.71 0.20 0.04 0.15 0.35 0.42 0.043.2活塞头部设计1）活塞顶形状活塞顶的形状根据燃烧系统的要求进行设计——半开式浅盆型燃烧室。
2）活塞头部截面形状头部截面形状影响活塞的热流及温度分布，铝活塞头部常设计成导热良好的“热流型”，采用大圆弧过渡，增加从顶部到裙部的传热截面，同时有利于提高活塞的承载能力。
3.3活塞销座的设计1）销座结构采用双筋弹性销座，具有较好的弹性，能在一定程度上适应活塞销的变形，减少销孔在A点的应力集中。
2）提高活塞销座抗裂能力a.销孔内缘加工成倒角，减小销孔内缘的应力集中。
b.提高活塞刚度，减小活塞销变形。
c.选用韧性较好的活塞材料。
d.在铸造铝活塞销孔中压入锻铝。
e.适当加大活塞销与销座的配合间隙。
3）销座轴承的润滑由于采用浮式活塞销，其在销孔中有相对转动，故需要对销孔进行润滑。
其结构如图所示。
4）销座与连杆小头的端面间隙销座与连杆小头的两端面间隙与连杆的定位有关，其值如下：连杆小头定位0.3~0.85mm连杆大头定位2~5mm3.4活塞裙部及其侧表面形状设计1）下裙结构为力求柴油机结构紧凑，避免活塞裙部与曲轴块相碰，所以一般将裙部下端铣去两块，这既避免干涉，又使活塞重量减轻，并不影响活塞的导向长度。
选用不加工的裙部与不加工的曲轴平衡块最小间隙在3~4mm 。
2）裙部椭圆活塞在气体压力和侧压力作用下的变形，以及活塞温度场的不均匀产生的热变形，均使活塞裙部沿活塞销轴线方向变长，为适应这种变形，须将裙部加工成椭圆。
其椭圆形状采用正矢曲线椭圆(如图)：)2cos 1(421θ--=D D e 此法可使活塞与气缸有较大的贴合面积，降低比压，减少磨损。
图中21D D -=∆'为活塞椭圆度。
现有铝活塞为∆'=0.25~1.45 mm 。
3）活塞侧表面形状为了适应活塞工作时不同的热膨胀，活塞与缸套间相应留有较小而又安全的间隙，将活塞侧表面设计成腰鼓形，这种形状不仅适应活塞的温度分部，而且能保证裙部有良好的润滑条件及较高的承载能力。
3.5活塞与缸套的配合间隙由于活塞侧表面形状及椭圆的要求，活塞间隙沿高度及圆周方向有不同的数值，其中重要的是活塞顶部间隙0∆和垂直销孔方向的裙部间隙⊥∆。
由表7-10可知，对于共晶铝硅合金，推荐值为006.00=∆D ，0014.0=∆⊥D。
3.6活塞重量由表7-11可知，铝合金活塞4冲程柴油机的活塞比重量33/4.1~9.0cm g DG= 3.7活塞强度计算项目计算公式许用值 [2/cm kgf ]活塞顶 机械应力u σ 234.205152617368.0)2(68.0221=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯==δσD p z u铝合金有筋顶 500][=u σ第一环岸 弯曲应力w σ剪切应力τ总应力σ2125.8104100735.410)(5.43321=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⨯=--h D p z w σ305.571041007314.310)(14.3221=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⨯=--h D p z τ594.99305.5732125.832222=⨯+=+=τσσw铝合金400~300][=σ裙部比压1q075.871100734010022max 1=⨯⨯⨯∏==DH N q 高速柴油机8~5][1=q销座比压2q 014.195423524731002212=⨯⨯⨯⨯∏='-=l d P P q j z600~400][2=q经计算表明，活塞强度满足要求。
4．活塞的冷却活塞比功率174.0='p N 2/cm PS其值小于 无油冷方式的上限值 0.3 2/cm PS ，故无需对活塞进行油冷却。
5．活塞的材料及工艺采用共晶铝硅合金铸造。
6．活塞销的设计 6.1活塞销的结构及尺寸1）结构的选用 采用如图典型结构 2）尺寸 外径：d = 35 mm内径：d 0=15.75~22.75mm 取20mm ； 长度： l = 82~88mm 取82mm ；6.2轴向定位由于采用浮式活塞销，工作时在销座内有相对滑动，为防止活塞销轴向串动，擦伤气缸，用矩形弹性挡圈GB 893-67定位的方式。
6.3活塞销和销座的配合查表可知活塞销外径：d = 0.35D=35 mm ； 选择活塞销和销座的配合间隙为5m μ。
6.4活塞销的强度校核项目 计算公式许用值弯曲变形fcm d d E b a a D p f o z 44462244221043.1)25.3(102.2)85.33.62(3.61073)()2(601-⨯=-⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=--⋅=cmD f 4105.1100010015.01000015.0][-⨯=⨯==椭圆变形d ∆cmd d El d d D p d z 5363230302106.19)25.3(2.8102.2)25.3(1073320)()(320-⨯=-⨯⨯⨯+⨯=-+⋅=∆ππcmD 3105.21000)100100(5.0100025.01000)100(5.0100025.0][-⨯=-⨯+⨯=-+=δ纵向弯曲应力1σ24424421/1668)25.3(5.31073)85.33.62()2(cm kgf d d dD p b a z =-⨯⨯⨯-⨯=--=σ2/5000~3500][cm kgf =σ横向弯曲应力2σ22220022/1281)25.3(2.8)25.3(1073163)()(163cm kgf d d l d d D p z =-⨯+⨯⨯=-+=ππσ2/5000~3500][cm kgf =σ总应力σ 2222221/210312811668cmkgf =+=+=σσσ2/5000~3500][cm kgf =σ经校核，活塞销强度满足。
6.5活塞销材料及强化工艺1）材料：20Cr2）强化工艺：冷挤压成型，双面渗碳或氰化，提高表面光洁度。
7．活塞环的设计7.1活塞环的选择推荐选用两道气环，一道油环，油环在销孔上方。
第一道气环 梯形桶面喷钼 第二道气环 直面正扭曲 油环弹簧涨圈油环7.2活塞环主要参数选择缸径Dmm 主要尺寸mm D/t s/t 弹力（kgf ） 气环油环气环 油环 气环 油环 气环油环htsh t s切向Q 1径向Q 2 切向Q 1 径向Q 2 1002.54.7144.75 3.51421.2 27.2 2.983.625357.3活塞环的材料选择及成型方法1）材料：采用铬钼合金铸铁，其力学性能：弹性模量E 抗弯强度w σ永久变形 硬度HRB8540~90002/cm kgf 2/60~54cm kgf%12~6 103~982）成型方法：椭圆环坯的靠模车削法。