活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)設(shè)計(jì)說明書

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1、 目　　錄 第1章 活塞組的設(shè)計(jì) 15 1.1 活塞的設(shè)計(jì) 15 1.1.1 活塞頭部的設(shè)計(jì) 16 1.1.2 活塞裙部的設(shè)計(jì) 21 1.2 活塞銷的設(shè)計(jì) 23 1.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 23 1.3 活塞銷座 24 1.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 1.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 25 1.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 25 1.5 本章小結(jié) 26 第2章 連桿組的設(shè)計(jì) 27 2.1 連桿的設(shè)計(jì) 27 2.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 27 2.1.2 連桿長度的確定 27 2.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、27 2.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30 2.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 2.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 35 2.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 35 2.3 本章小結(jié) 36 第3章 曲軸的設(shè)計(jì) 37 3.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 37 3.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求 37 3.1.2 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 37 3.2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 38 3.2.1 曲柄銷的直徑和長度 38 3.2.2 主軸頸的直徑和長度 38 3.2.3 曲柄 39 3.3 本章小結(jié) 47 第4章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 48 4.1 活塞的創(chuàng)建 48 4.

3、2 連桿的創(chuàng)建 50 4.3曲軸的創(chuàng)建 52 參考文獻(xiàn) 66 第1章 活塞組的設(shè)計(jì) 1.1 活塞的設(shè)計(jì) 活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，它們是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性與使用耐久性，在很大程度上與活塞組的工作情況有關(guān)。 1.1.1 活塞頭部的設(shè)計(jì) 1、設(shè)計(jì)要點(diǎn) 活塞頭部，活塞頭部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是： （1）保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛度，以免開裂和產(chǎn)生過大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過大勢必影響活塞環(huán)的正常工作； 2、壓縮高度的確定 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

4、強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。 （1）第一環(huán)位置 火力岸高度的選取原則是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般汽油機(jī)，為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑，確定火力岸高度為： （2）環(huán)帶高度 一般氣環(huán)高，油環(huán)高。 該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱之為壓縮環(huán)（氣環(huán)），第三環(huán)稱之為油環(huán)。取，，。 環(huán)岸的高度，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)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，其它較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，，，汽油機(jī)接近下限。 則

5、 ， 。 因此，環(huán)帶高度。 （3）上裙尺寸 對于汽油機(jī)，所以。 則 。 3、活塞頂和環(huán)帶斷面 （1）活塞頂 大多數(shù)汽油機(jī)正是采用平頂活塞，汽油機(jī)為，即。 活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取，取為5.6mm，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角，一般取，取0.07為5.6mm.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。 （2）環(huán)帶斷面 為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足

6、夠的壁厚使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過多地集中在最高一環(huán)，其平均值為。一般該倒角為。 （3）環(huán)岸和環(huán)槽 活塞環(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)?，回油孔對降低機(jī)油消耗量有重要意義， （4）環(huán)岸的強(qiáng)度校核 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)，，， 已知=4.5，則，， 環(huán)岸是一個(gè)厚、內(nèi)外圓直徑為、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，可以將其簡化為一

7、個(gè)簡單的懸臂梁進(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，環(huán)槽深為： 于是作用在岸根的彎矩為 （3.1） 而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 （3.2） 同理得剪切應(yīng)力為： （3.3） 接合成應(yīng)力公式為： （3.4） 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，，校核合

8、格。 1.1.2 活塞裙部的設(shè)計(jì) 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： （3.4） 式中、分別為橢圓的長短軸 缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。 1、裙部的尺寸 裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計(jì)算： （3.5） 式中：

9、—最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得，=2410.83 —活塞直徑，； —裙部高度，。 取。 則 一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比壓值約為，所以設(shè)計(jì)合適。 1.2 活塞銷的設(shè)計(jì) 1.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 1、活塞銷的結(jié)構(gòu)和尺寸 活塞銷的結(jié)構(gòu)為一圓柱體，中空形式，可減少往復(fù)慣性質(zhì)量，有效利用材料?；钊N與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采用“全浮式”?；钊N的外直徑，取，活塞銷的內(nèi)直徑，取活塞銷長度，取 2、活塞銷的材料 活塞銷材料為低碳合金鋼，表面滲碳處理，硬度高、耐磨、內(nèi)部沖擊韌性好。表面加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好。 1.3 活塞銷座 1.3.1

10、活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞銷座的內(nèi)徑，活塞銷座外徑一般等于內(nèi)徑的倍，取， 活塞銷的彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷—銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設(shè)計(jì)成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為，但當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共就足夠了，取間隙為。 1.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 1.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。 活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度、環(huán)的徑向厚度。氣環(huán)，油環(huán)，取，，?；钊h(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當(dāng)缸徑為時(shí)，，取。 1.5 本章小結(jié) 在活塞的設(shè)計(jì)過程中，分別確定了活塞、活塞銷、活塞銷座和活塞環(huán)的主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了

11、其工作條件，總結(jié)了設(shè)計(jì)要求，選擇合適的材料，并分別進(jìn)行了相關(guān)的強(qiáng)度和剛度校核，使其符合實(shí)際要求。  第2章 連桿組的設(shè)計(jì) 2.1 連桿的設(shè)計(jì) 2.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 1、工作情況 連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，連桿體除有上下運(yùn)動(dòng)外，還左右擺動(dòng)，做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。 2、設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)連桿的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。 2.1.2 連桿長度的確定 設(shè)計(jì)連桿時(shí)首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長

12、度它通常是用連桿比來說明的，通常0.3125，取，，則。 2.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在活塞組設(shè)計(jì)中確定，，。 為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為，取，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。 2.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度約等于(為氣缸直徑)，取，截面高度，取。 2.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 1、連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸 連

13、桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑、長度、連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。其中在、在曲軸設(shè)計(jì)中確定，，，則大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。 連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺高度，取，取，為了提高連桿大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。 2.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 2.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，取。 2.3 本章小結(jié) 本章在設(shè)計(jì)連桿的過程中，首先分析了連桿的工作情況，設(shè)計(jì)要求，并選擇了適當(dāng)?shù)牟牧?，然后分別確定了連桿小

14、頭、連桿桿身、連桿大頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了強(qiáng)度了剛度的校核，使其滿足實(shí)際加工的要求，最后根據(jù)工作負(fù)荷和預(yù)緊力選擇了連桿螺栓，并行檢驗(yàn)校核。  第3章 曲軸的設(shè)計(jì) 3.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 3.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求 曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。 3.1.2 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 曲軸的設(shè)計(jì)從總體結(jié)構(gòu)上選擇整體式，它具有工作可靠、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，而且剛度和強(qiáng)度較高，加工表面也比較少。為了提高曲軸的彎曲剛度和強(qiáng)度，采用全支撐半平衡結(jié)構(gòu)[11]，即四個(gè)曲拐，每

15、個(gè)曲拐的兩端都有一個(gè)主軸頸，如圖3.1所示： 圖3.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 3.2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 3.2.1 曲柄銷的直徑和長度 對于汽油機(jī)，，為氣缸直徑，已知=80.985，則，曲柄銷直徑取為=0.60=48。 曲柄銷的長度是在選定的基礎(chǔ)上考慮的。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作能力出發(fā)，應(yīng)使控制在一定范圍內(nèi)，同時(shí)注意曲拐各部分尺寸協(xié)調(diào)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)/=，取=0.6=28.8。 3.2.2 主軸頸的直徑和長度 從曲軸各部分尺寸協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)，建議取，取=1.2=57.6。 由于主軸承的負(fù)荷比連桿軸承輕，主軸頸的長度一般比曲柄銷的長度短，這樣可滿足增強(qiáng)剛性及保證

16、良好潤滑的要求。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，取=0.3mm=24。 3.2.3 曲柄 為了能最大限度地減輕曲軸的重量，并減小曲柄相對于主軸頸中心的不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，將曲柄上肩部多余的金屬削去。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，曲柄的寬度，取，厚度，取。 曲柄臂以凸肩接主軸頸和曲柄銷。凸肩的厚度根據(jù)曲軸加工工藝決定。全加工曲軸的只有0.5~1，取=1。 曲柄銷和主軸頸至曲柄臂凸肩的過渡圓角對應(yīng)力集中程度影響最大，加大圓角半徑可使圓角應(yīng)力峰值降低，故宜取大，至少不能小于0.05或2.5，取=3。 3.3 本章小結(jié) 本章首先分析了曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求，在合理選擇材料的基礎(chǔ)上，對曲軸的各個(gè)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有關(guān)的尺

17、寸校核，使其符合實(shí)際加工的要求，還對曲軸的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如油孔的位置以及曲軸的軸向定位等問題，給予了合理的解釋，最后對曲軸進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度校核。  第4章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 運(yùn)用UG軟件分別對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件進(jìn)行模型的建立，具體步驟如下： 4.1 活塞的創(chuàng)建 （1）創(chuàng)建草圖； （2）旋轉(zhuǎn)； （3）打孔； （4）制作倒角； （5）得到活塞圖。 4.2 連桿的創(chuàng)建 （1） 創(chuàng)建草圖 ； （2） 拉伸； （3） 通過拉伸打孔； （4)得到連桿圖。 4.3 曲軸的創(chuàng)建

18、 （1）創(chuàng)建草圖； （2）拉伸得到平衡塊； （3）創(chuàng)建草圖并拉伸得到主軸頸； （4）依次拉伸得到曲軸。 參考文獻(xiàn) [1]高秀華．內(nèi)燃機(jī)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．9． [2]楊連生．內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1980．6． [3]陳家瑞．汽車構(gòu)造[M]．北京：人民交通出版社，2002．4． [4]臧 杰．汽車構(gòu)造：上冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．7． - 15 -