前言

    内燃机的不断发展，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进和提高的基础上的，尤其是随着发动机强化程度的提高、功率的增大和转速的增加，零部件尤其是直喷式柴油机活塞的工作环境变得更加恶劣了。活塞的结构直接影响活塞的温度分布和热应力分布，因此就有必要对活塞的结构和性能作出预测和评价。

    活塞是内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏，特别是坦克、舰艇和军用车船用内燃机活塞则要求更高，它已成为制约内燃机发展的一个突出问题。

    本次课程设计的题目是发动机铝活塞的结构及工艺设计，选择利用合适的机床加工发动机活塞，通过这次课程设计，要求熟练掌握并能在实际问题中进行创新和优化其加工工艺过程。

1、活塞的概述
1.1活塞的功用及工作条件

    活塞是曲柄连杆机构的重要零件煤气主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。此外，活塞又是燃烧室的组成部分。

    活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。

    活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。另外，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。

    活塞运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。

1.2活塞的材料

    现代内燃机广泛使用铝合金活塞。铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提高热稳定性和高温机械性能。铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。

    为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。

1.3 活塞结构   

    活塞按部位不同，分为顶部，头部和裙部三部分。

1.3.1活塞顶部

    活塞顶部是燃烧室的组成部分，其形状与燃烧室形状和压缩比有关，一般有平顶，凸顶和凹顶三种。

1.3.2活塞头部

   活塞头部是指由活塞顶部到油环下端面之间的部分。在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽。在油环槽的低部还加工有回油孔或横向切槽。活塞头部有足够的厚度，从活塞顶部到环槽区的断面要尽可能的圆滑，过度圆角半径应足够大，以减少热流阻力，便于热量从活塞顶部经活塞环传给气缸壁，使活塞环的温度不至于过高。

1.3.3活塞裙部

   活塞头以下的部分为活塞裙部，活塞销座位于裙部。裙部起导向作用，并承受侧压力。因此，活塞裙部的形状保证活塞在气缸得到良好的导向，气缸与活塞之间在任何工况下都能保证均匀，合适的间隙，并有一定的承压面积。

2、活塞的结构参数

    发动机选取为6120型柴油机，参数设计参照《新型铝活塞》

    活塞缸径D=120mm

（一）压缩高度KH=80mm

（二）顶岸（第一环槽至活塞顶端距离）F=17mm

（三）采用三道环（其中两道气环，一道油环）

气环高度取5mm，油环高度取7mm

第一道环岸高度为6mm 第二道环岸高度略小于第一道环岸高度，为5mm

（四）活塞销直径为BO=44mm             顶环槽宽为3mm

（五）群长SL=100mm                    下裙长为65mm

（六）销座间距AA=44mm

（七）活塞重量   系数X=0.9—1.4   取X=1.23,

(八)顶部厚度S=15mm                    总长=80+65=145mm

燃烧室          

        

铝的线性膨胀系数为 

活塞头部的最大温度为350摄氏度，所以其变形量为

    

    活塞裙部最大温度为200摄氏度，所以其形变量为

3、活塞最大爆发压力的计算

   最大爆发压力计算参考《内燃机原理》

环境压力               环境温度

几何压缩比                      有效压缩比

燃烧过量空气系数               参与废弃系数

参与非其温度                 增压空气压力

最大燃烧压力           Z点热利用系数

B点热利用系数                燃烧室扫其系数

燃料质量分数     燃料低

3.1热力过程计算

充气过程系数      增压器后空气温度：

 式中，去增压器内平均多变压缩指数

（1）    压缩始点温度

  式中，——新气预热度，=5K;  ------比热修正系数，=1.11

（2）    压缩始点压力

（3）    充气系数

（4）    平均多变压缩指数

     （1）    式中，a，b—常数，对于空气（忽略残余废气），a= 19.26   ，b=0.0025    

第一次试算，式（1）等号右端代入=1.37 , 

第二次试算，式（1）等号右端代入=1.369, 

（5）    压缩终点温度

（6）    压缩终点压力

（7）    燃料燃烧所需理论空气量

     

（8）    燃烧所需的实际空气量

（9）    理论分子变化系数

（10）    实际分子变化系数

（11）    Z点烧去的燃料质量分数

（12）    Z点处分子变化系数

（13）    Z点燃烧产物的平均摩尔比定容热容

式中，

（14）    b点燃烧产物的平均摩尔比定容热容

式中，

（15）    z点燃烧产物的平均摩尔比定压热容

（16）    燃料发热量

压力升高比

（17）    Cyz段的燃料燃烧公式，就最大燃烧温度

简化后得                                    （2）

第一次试算，取式（2）等号右端的= 2000K    得

第二次试算，取式（2）等号右端的=2200K     得

第三次试算，取式（2）等号右端的= 2196K    得

最后取

 膨胀过程参数：

（18）    初膨胀比

（19）    后膨胀比

（20）求多变膨胀指数及膨胀终点温度，zb膨胀线上的后燃公式，

                                                                 （3）

                           （4）

将式子（3）与式子（4）联立，得

                         （5）

第一次试计算，取=2000K   得，

    

第二次试计算，取2189K  得，

     K

最后取        

 （23） 膨胀终点压力

      

3.2柴油机的指示参数

（21）    理论平均指示压力（以有效行程为准）

（22）    实际平均指示压力（以全行程为准）

式中， ————示功图丰满系数，=0.98

（23）    指示油耗

（24）    指示效率

（25）    增压器中绝热压缩功

（26）    增压器中绝热效率

式中，k-------比热容比，=1.4，;------多变指数，，。

（27）    增压器实际压缩功

式中，-----增压器机械效率，=0.96

（28）    增压器的相对作功率

3.3柴油机有效效率

（29）    柴油机总机械效率      

式中，      ；-------增压器相对功率；    。

（30）    柴油机平均有效压力

（31）    柴油机有效油耗

（32）    有效功率

（33）    活塞形成容积比例尺    代表 ;

压力比例尺代表0.1Mpa。

压缩容积：   =18.4   代表 

压缩终点压力：   代表

压缩始点容积   代表 

压缩始点压力   代表

最大压力的容积   代表 ，

计算压缩曲线ac上各点压力，即

         式中，，在1至之间选定。

计算膨胀曲线zb上各点压力，即

       式中，x在1至之间选定。

根据以上两式，计算出压缩曲线和膨胀曲线各点坐标参数兵列表如下:

表3-1

序号				压缩线上的		膨胀线上的
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

    根据上表画出示功图

    图3-1   6120型柴油机计算示功图

Fig.3-1  Table of 6120 diesel engine calculate exploit show

4、活塞销的受力分析

    活塞受力分析：

    曲轴在10度转角时产生最大爆发压力，如图所示：

60sin10=200sinα   所以sin=600.1736/200=0.0521

所以α=3度

图4-1

Fig..4-1

  

其中：D——活塞直径    R——曲轴半径                   mj——往复运动质量    连杆比λ=R/l=60/200=0.3      n=1300r/min       

曲轴转速

对活塞销的校核：

1、画出活塞销的Q、M图          

                                             图4-2

                                                   Fig. 4-2

活塞销外径44mm，内径do=0.25d=11mm

=

   选活塞销材料为45号钢，调质处理，得

所以该活塞销符合强度。

5、活塞的加工工艺

    表5-1活塞加工工艺过程

Tablet.5-4 piston machining technics process

工序号	工序名称	定位基准及技术条件	设备	工装
0	毛坯锻造	按活塞锻造工艺进行
1	粗车底面B止口φ110	粗基准是毛坯外圆，金属模液压锻造，壁厚均匀〔有的用内腔做为基准〕	车床	三角卡盘自动定心
2	粗镗活塞销孔φ44	下端面B，内止口及毛坯销孔，活塞顶部压紧	镗床	镗刀
3	粗车顶面C，圆φ120及环槽	下端面B内止口销孔处	半自动车床，液压、仿型、多刀	专用刀具
4	钻销座油空	顶面C定位下断面 销孔定位方向	台钻	钻模
5	精车下端面B，内止口φ110	精基准：外圆面环槽端平面	车床	专用夹头
6	精车： ①环槽 ②外圆面 ③顶面	精基准：下端面B内止口销孔拉紧	仿型、多刀车床	专用刀具
7	精车燃烧室	基准“统一原则”同工序6	车床	成形刀
8	铣裙部圆弧	外圆面活塞销孔	专用铣床	铣刀
9	精细镗活塞销孔	顶面圆柱销孔	专用镗床	精镗销孔夹具
10	车锁环槽	销孔定位	车锁环车床	镗刀
11	液压销孔	销孔定位	液压销孔车床	液压器
12	精磨裙部外圆	外圆面定位	仿型磨床