480柴油机活塞的设计-毕业设计

480柴油机活塞的设计-毕业设计 第一章 绪论 1 我国柴油机的发展状况及趋势 从建国初期开始，我国柴油机得到了长足的发展。1959 年农业机械部成立， 对我国柴油机的规划与发展起了重要作用。这一时期中，上海柴油机厂试制成功 了可与汽车、工程机械、船舶、农业机械、发电机等多种用途配套的135 系列柴 油机。 在大功率柴油机方面，我国自行设计了12V180 型机车用柴油机、6250Z 型 增压柴油机(用于发电与船舶)以及6300 系列柴油机(用于船用、发电、排灌)。 在废气涡轮与增压柴油机方面:1958 年新中动力机厂研制成功我国第一台 轴流式T250X 型排气涡轮增压器及882kW 的8L350Z 型柴油机，之后有关单位 先后研制成功10 号径流式增压器(配6135 型柴油机)和12 号径流式增压器(配 6160 型柴油机)。 1966 年开始的文化大革命使柴油机工业遭到严重的破坏，基本停留在20 世 纪60 年代甚至倒退到50 年代的水平，与此同时国外技术迅速发展，从而拉大了 我国柴油机工业与世界先进水平的差距。这一时期我国柴油机发展的鼎盛时期，引进和开发的新产品种类繁多，其主要代表产品有南汽生产配依维柯Sofim8140.01 柴油机;一汽集团公司大连柴油机厂、无锡柴油机厂的CA498ACA4110A、CA6110A、CA6113 型柴油机;玉林柴油机厂、湖南动力机厂、柳州机械总厂的6105 Q 柴油机、朝阳柴油机厂100、102 等系列柴油机;第一拖拉机厂R100 系列柴油机;上海柴油机厂D6114、3300B 系列柴油机;江铃、庆铃的4JB1 柴油机;潍坊柴油机厂和杭州汽车发动机厂的WD615 系列柴油机;重庆康明斯发动机公司的N.K.L 系列柴油机;陕西柴油机厂12PC2—5V 型柴油机;上海船厂8RTA52U 柴油机;上海FM 公司的P7 泵;无锡动力机厂的Holset H 系列增压器;无锡欧压柴油机喷射有限公司的P 系列孔式喷油器。此外，还有许多工厂生产各种类型柴油机和多种型号小型单缸柴油机，难以一一列举。 近百年来，我国柴油机取得了长足的进步，截止2001 年底，我国柴油机的 品种、数量与质量可满足国民经济日益增长的需求。但与国际先进水平相比，在 性能、质量与可靠性以及自主开发能力方面还有很大差距，为了控制排气对空气 1 的污染，从而有力推动我国采用多气门、增压、排气再循环、高压喷射与排气后 处理技术的柴油机的发展。 2004 年全国共生产了1118.35 万台柴油机、其中单缸柴油机879.98 万台， 多缸柴油机236.51 万台，中低速柴油机1.86 万台。 据权威部门预计到2010 年单缸柴油机市场需求可能在600-700 万台左右。 从长远发展来看，单缸柴油机必须考虑开发新一带单缸柴油机，对单缸柴油机要 求是质的提升，而不是量的增加。 其中，风冷柴油机的用途非常广泛。小型风冷单缸柴油机的主要用途有:小 型拖拉机，农用运输车，小型发电机组，水泵机组，小型工程机械，空压机，内 河船舶及农副产品加工(脱粒机，碾米机，磨粉机等)的动力装置 柴油机是节约能源的一种燃油型动力机械，具有热效率高(较汽油机提高40%)，功率大，可靠性和耐用性好，维修方便，费用较低等优点。随着柴油机制造技术的提高，柴油机的一些不足之处有了较大的提高，如:发动机难启动(尤其在寒冷的天气)，发动机反应粘滞，噪声高以及冒黑烟等。为满足消费者和日益苛刻的环保法规的需求，现代柴油机大量采用新技术。如增压技术的进步和工作过程的改善，单位活塞面积功率不断提高。 现代柴油机应该在减少PM(颗粒物)和NOX(氮氧化物)排放量的同时，不断改进其可操作性和耐用性，大量采用电子设备，降低操作和维修的综合费用。内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，在经历了超过一个世纪的发展之后，它的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性以及排污方面还在不断地改进。新材料的出现导致内燃机可以进一步减轻质量、降低成本和热损失，综合了汽油机和柴油机的优点的缸内直喷式汽油机、均质混合气压缩燃烧发动机、各种代用清洁燃料发动机等将会有很好的应用前景。这些都对内燃机工作者提出新挑战。 2 零部件中的基本问题 1)受力问题 2)磨损问题 3)热负荷问题 第二章 活塞组 2 1 概述 活塞组由活塞、活塞销、活塞环等零件组成，其主要功用是: 1) 组成燃烧室，承受燃烧作用力，并把它传给连杆。 2) 密封气缸，防止燃气泄露及滑油窜入燃烧室。 3) 将活塞顶部接受的热量传给汽缸壁，进而传至冷却介质。 4) 将连杆的侧压力传给汽缸壁。 2 活塞组的设计 2.1活塞组的设计 1) 在保证强度和刚度，以及散热良好的前提下，应尽量降低活塞高度，减轻活 塞质量。 2) 保证密封性良好，并尽量减少磨损损失。 3) 减少活塞顶吸收的热量，已传给活塞的热量应尽量散掉，保证活塞温度不超 过允许极限，目前铝活塞某些部位的问题不得超过下类数值: 活塞顶 375 第一道环槽 180,220 活塞顶内表面 250 振动冷却油腔内侧 220 活塞销座 180 4) 保证导向部分润滑可靠同时又需防止润滑油上窜，尽量降低润滑油消耗量。 5) 耐磨性好，尤其是第一道环槽。 6) 活塞裙部与汽缸壁的接触面积要尽可能大，但又要防止活塞拉毛和卡死。 7) 活塞与气缸的配合间隙小，以减少对气缸的撞击和噪声，以及使变工况适应 性好。 8) 抗拉缸性能强。 9) 易于制造，成本低。 3 2.2 活塞的分类 不冷却的普通铝活塞 喷油冷却的铝 活 塞 铝 活 塞 镶 钢 片 铝 活 塞 整体活塞 蛇型管冷却的铝活塞 铸铁活塞 活 塞 钢铁铝裙活塞 钢顶铸铸铁活塞 组合活塞 铸铁顶铝裙活塞 铸铁顶铸裙活塞 4 第三章 活塞组的设计过程 3.1活塞头部设计 3.1.1活塞顶形状 活塞顶形状主要根据燃油系统的要求进行设计，而活塞的热负荷也是选择燃 烧系统的重要依据之一。 3.1.2活塞头部截面形状 图2-1 活塞头部截面形状对温度分布的影响 5 图2-2热流型活塞 活塞截面形状影响活塞的热流及温度分布(图1)。铝活塞的头部常设计成导热良好的“热流型”(图2)，即根据活塞的热流通路，采用大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞头部的温度得到降低。温度降低的同时也有利于消除应力集中，可提高活塞的承载能力。 图2-3活塞头部设计改进示例 3.1.3.解决活塞头部裂纹的措施 1) 合理设计活塞头部形状，降低活塞顶面的机械应力，使顶面应力状态 在疲劳极限的范围以内(图4)。 6 图4活塞顶面应力及其疲劳极限图 2) 避免加工尖角，采用较大的过渡圆角，以消除应力集中。(图4) 3) 降低活塞热负荷，提高铝合金的疲劳极限，使顶面的应力状态处在安 全范围之内。 4) 在燃烧室喉口铸入镍合金护圈，护圈可通过三条筋与环槽镶圈连接， 并铸成一体。 3.1.4减轻第一道环槽热负荷的措施 1) 选用活塞热负荷较小的燃烧系统。 2) 将活塞头部设计成导热良好的“热流型”。 3) 适用加大顶岸高度。 4) 使第一道活塞环的位置处于冷却良好的区域。 5) 减小活塞头部与气缸套的配合间隙。 6) 在活塞顶部喷镀陶瓷或进行硬膜阳极氧化处理，以增加热阻，减少传 入活塞的热量。 7) 对活塞进行冷却，并合理布置冷却油腔的位置，使冷却腔有效地隔断 热流，提高第一道环槽的冷却效果。 3.1.5提高环槽耐磨性的措施 1) 采用镶环座:注意材料，环座截面积的形状，以及环座的综合工艺 2) 采用耐磨环 3) 环槽上、下表面镀硬铬 4) 环槽上、下表面淬硬 7 3.2 活塞销座的设计 3.2.1销座结构 1) 单筋销座(图5) 2) 双筋弹性销座(图5) 3) 宽型整体支承筋的刚性销座(图5) 4) 斜面销座和阶梯销座(图5) 5) 镶衬套的销座(图5) 图2-5 销座结构 3.2.2提高活塞销座抗裂能力的措施 1) 将销孔内缘加工成圆角、倒角或销座设计成弹性结构，以减少销孔内 边缘的应力集中。(图6) 图2-6 销孔边缘形状对应力集中的影响 2) 提高活塞的刚度，减少活塞销的变形。 3) 选用韧性较好的活塞材料。(图7) 8 图2-7活塞材料和结构对销座抗裂能力的影响 4) 在铸造铝活塞销孔中压入锻铝衬套。 5) 适当加大活塞销与销座的配合间隙，要求冷态就有间隙，但要防止间 隙加大使噪声过分增高。 3.2.3销座轴承的润滑 浮式活塞销在销孔中有相对转动，故要求对销孔进行润滑。如果销孔表面温度过高或比压过高，使润滑油膜破坏，可能引起活塞销咬住。(图8)(参考图6) 3.2.4销座与连杆小头的端面间隙 销座与连杆小头的端面间隙与连杆的定位方式有关: 连杆小头定位 0.3,0.85mm 连杆大头定位 2,5mm 3.3 活塞裙部及其侧表面形状的设计 3.3.1下裙结构 近代高速柴油机力求结构紧凑，总是尽量缩短连杆长度，但此时需避免活塞裙部与曲轴平衡块或机体的主轴承座圈相碰，所以一般将裙部下端铅去两块，这种裙部既面干涉，又使活塞质量减少，并不影响活塞的导向长度。为增强裙部刚性，可在下裙内侧设置环形加强筋。裙部与曲轴平衡重之间的最小间隙可参考下列数值选取: 最小间隙(mm) 不加工的裙部与不加工的平衡块 3,4 9 加工的裙部与不加工的平衡块 2,2.5 不加工的裙部与加工的平衡块 2,2.5 加工的裙部与加工的平衡块 1,1.5 3.3.2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而产生的热变形，均时活塞裙部沿活塞销轴向方向变长，而气缸产生的是沿销轴方向缩短的椭圆变形。(图9)为了适应这种变形，需采取一定的措施，以保证活塞有足够的承推面积，和防止活塞被拉毛或过渡磨损。所用措施有: 1) 将裙部加工成椭圆(图10)。 2) 将销座附件的裙部外侧部位设计成凹陷，凹陷深0.4,0.8mm，主要 用在小型农用柴油机的铝活塞上。 图2-9 活塞裙部变形及气缸变形 10 图2-10 裙部椭圆与间隙 3.3.3活塞侧表面形状 为了适应活塞工作时不同的热膨胀，活塞与缸套间应保留较小而优安全的间隙，这样需将活塞侧面设计成各种形状，如图11所示。 图11 活塞侧表面形状 3.4 活塞与缸套的配合间隙 表 活塞与气缸的相对间隙 序号 机 型 活塞材料 活塞顶?/D 裙部下端垂直孔方向 1 165F 共晶铝硅 0.0054,0.0068 0.0023,0.0032 2 R175 66-1 0.0044,0.0057 0.0013,0.0017 3 485Q 66-1 0.0017,0.0023 4 490 共晶铝硅 0.0074,0.0085 0.0013,0.0021 5 195 ZL-8 0.0060,0.0071 0.0020,0.0027 6 4100 共晶铝硅 0.0067,0.0077 0.0022,.00028 7 X105 共晶铝硅 0.0062,0.0071 0.0016,0.0024 8 8V130 66-1 0.0053,0.006 0.0015,0.0020 11 9 6130 66-1 0.0059,0.0068 0.0012,0.0018 10 6135ZG 66-1 0.0063,0.0071 0.0013,0.0018 11 6150Z 过共晶铝硅 0.0057,0.0062 0.0017,0.0019 12 6160A 铝铜 0.0063,0.0068 0.0022,0.0044 13 12V180GC LD8 0.0057,0.0059 0.0015,0.0020 14 12V190 共晶铝硅 0.0079,0.0082 0.0021,0.0026 15 12V200 共晶铝硅 0.0050,0.0059 0.0020,0.0024 16 16V240Z 活塞套LD8 0.0079,0.0082 0.0028,0.0031 17 12V240Z 活塞裙LD7 0.0063,0.0069 0.0028,0.0032 18 6250GZ 近似ZL8 0.0064,0.0067 0.0022,0.0025 19 6300Z HT28-48 0.0011,0.0013 推 铝铜合金 0.007 0.0016 荐 共晶铝硅合金 0.006 0.0014 值 过共晶铝硅合金 0.0055 0.0011 铸铁 0.0035 0.001 3.5 活塞的基本设计 主要尺寸的选择要点 3.5.1.活塞高度H，活塞高度取决于下列因素 ?对柴油机高度尺寸的要求(与柴油机用途有关); ?转速n; ?燃烧室形状及尺寸; ?活塞裙部承压面积应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件 下，尽量选择较小的饿活塞高度 3.5.2 目前发展趋势:不断缩短活塞高度，特别是高速柴油机。近十年来，由于成功地减少活塞环数目，使活塞高度H 缩短约10%。 3.5.3 数据范围见表 机 型 H/D 说 明 一般范围 推荐值 转速约高， 欢迎越小，以尽 中小型高速 1.0,1.3 1.1 左右 量减轻活塞重量，从而控制由 高速大功率 1,1.36 1.2 左右 于转速升高而引起的惯性力 增大 要求活塞使用寿命长,H 选得 中速机 1.45,1.80 1.5 左右 较大些 12 往往牺牲活塞使用寿命，选择 特殊用途 0.74,0.80 最小的H，以满足整机高度尺 寸严格限制的要求 图3-7 各种活塞结构的应用范围(与平均有效压力e p 和转速n 的关 系) 图3-8 高速柴油机的活塞高度 图3-9 高速大功率柴油机的活塞高度 3.5.4 压缩高度 决定活塞销的位置。 取决于第一道活塞环至顶面的距离h、环带高度 ( 又决定活塞环的数目及高度)及上裙高度 。在保证 13 气环良好工作的条件下，宜缩短 ，以力求降低整机的高度尺寸 /D 的一般范围 本机采用H1 =44， /D=0.5 表 3-3 1 H /D 的一般范围 机 型 /D 小型高速 D<105mm 0.5,0.7 0.6,0.8 D>105mm 高速大功率 0.55,0.8 中速机 0.8,1.0 3.5.5 顶岸高度h ?h 越小，第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及活塞冷却状况确定h，使第一道活塞环的工作温度不超过允许极限(约180,220?) ?在保证第一道环工作可靠的条件下，尽量缩小h，以力求降低活塞高度和 重量。 ?h/D 的一般范围如下: 高速柴油机铝活塞 0.14,0.20 组合活塞 0.07,0.20 本机采用h=11.2 h/D=0.14 3.5.6 活塞环的数目排列 图3-11 高速大功率柴油机活塞的压缩高度 ? 塞环数目一般为: 高速机 气环2,3 道，油环1,2 道; 中速机 气环3,4 道，油环2 道 ?发展趋势:减少环数。环数减少后，须丛活塞及活塞环的结构上采取 14 措施，以确保良好的密封性能和防窜油性能。 ?油环布置;采用一道油环时，油环装在销孔上方. 采用二道油环时，一般是在销孔上方和活塞底下部各布置一道油环，但也有的大缸径柴油机活塞，二道油环均装在销座上部，这既能减少机油窜入燃烧室，又保证裙部有比较充分的润滑。 本机采用气环2道，油环1 道 图3-12 中高速柴油机活塞的压缩高度 图3-13 第一道环槽到活塞顶的距离h • —铝活塞 Δ —钢顶铝裙组合活塞 3.5.7环槽尺寸 环槽的轴向高度(名义尺寸)等于活塞环的轴向高度b。环槽底径D' 取决于活塞环的背面间隙(即活塞环内圆面与环槽底之间的间隙)，背隙大小与活塞的热膨胀有关，并对环的背压有一定的影响。 可按下式估算 气环槽 =,D?(2t+KD)+0.5,(mm) 油环槽 =,D?(2t+KD)+1.5,(mm) 式中 D——活塞名义直径 15 t——活塞环的饿径向厚度 K——系数，铝活塞K=0.006，铸铁活塞K=0.004。 环槽底部的过渡圆角一般为0.2,0.5mm。 气环槽 =,D?(2t+KD)+0.5,(mm)=80-(2×7+0.006×80)+0.5=65.75mm 油环槽 =,D?(2t+KD)+1.5,(mm)=80-14-0.48+1.5-1.25=65.77mm 3.5.8环岸高度 ? 第一环岸(第一道气环下面的环岸)温度较高，承受的气体压力最大， 又容易受环的冲击而断裂。所以第一环岸高度 一般比其余环岸要大一 些。 ? 必须保证环岸有足够的机械强度 ? 环岸高度的范围 表3-4 环岸高度 类 别 环岸高度与缸径之比 铝活塞 高速机 0.04,0.08 0.03,0.045 高速大功率 0.04,0.06 0.03,0.04 钢顶组合活塞 0.025,0.035 0.02,0.03 本机采用 =44 /D=0.5 3.5.9活塞顶厚度δ δ 是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞，如满足顶部有足够的饿传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随活塞顶厚度增加而增加，活塞顶厚度(特别是钢顶)只要厚到能承受燃气压力既可。δ 的一般范围如表 表3-5 δ 的一般范围 类别 备注 δ / D 16 铝活塞 小型高速 0.07,0.15 以0.07,0.12 居多 高速大功率 0.1,0.2 钢顶组合活塞 0.02,0.04 采用薄顶可降低热应力 铸铁活塞 0.06,0.08 本机采用δ=6,δ / D=0.1 3.5.10裙部长度 图3-14 下裙长度3 H 与裙部长度2 H 的比例 • —铝活塞 Δ —钢顶铝裙组合活塞 图3-15 高速柴油机活塞裙部最小壁厚g • —铝活塞 Δ —钢顶铝裙组合活塞 ? 取H2 应使裙部比压在许可范围之内。 ? H2 /D的一般范围如: 高速柴油机 0.65,0.88 中速柴油机 1.0,1.1 17 ? 上、下裙长应有恰当的比例，上裙长度 过小，易产生尖峰负荷，造 成活塞拉毛及擦伤。一般的比例如下: H3= (0.6,0.75) 本机采用=56 =0.7 =44 3.5.11裙部壁厚 铝活塞(包括钢顶铝裙的组合活塞)裙部最小壁厚一般为(0.03, 0.06)D。薄壁裙部对减轻活塞重量有利，但又需保证裙部有足够的 刚性，则可设置强筋. 本机采用=0.05D=4 3.5.12活塞销直径d 和销座间隙B d 和B 的选择主要是考虑活塞销座的承载压力及活塞销的刚度问题，应 满足下列要求: 1. 选择d 和B 时，检验销座比压和连杆小头承载比压，使这两项平均 比压均在允许范围之内。 2. 校验活塞销的弯曲变形和椭圆变形，d 的选取应保证活塞销的变形在 许可范围内。 3. 中小型高速柴油机，一般 <0.4,若太大，则使活塞销外表表面至 活塞顶内表面的距离(即所谓延伸长度)过小，给活塞连杆组设计带 来困难。强化柴油机趋向于用较大的活塞销直径，d?0.4D, 大缸径柴 油机值也较大。 综合上面计算得出 h=4.8 =44 /D=0.5 h=11.2 气环道3 道，油环1 道，D=80 H=88 =1.1 气环槽 = 油环槽 = 18 δ=6 =0.1 =0.7 =56 =44 =0.05D=4 附表 活塞强度简单计算 计算项目 许用值 本机强度计算值 活塞顶 [σu]kgf/c 机械应力 =0.68Pz 铸铁 无筋顶 300 铝合金 1000 =0.68×8×=77.13 kgf/c 铝合金 无筋顶 150 本机符合要求 有筋顶 500 钢 无筋顶 450 有筋顶 1500 第一环岸 [δu]kgf/c 弯曲应力σw 铝合金 300,400 =4.5× 剪切应力τ 铸铁 600,800 =354 kgf/c 总应力σ 钢 1000, 1500 τ=697.2 kgf/c τ =3.14× σ=1582 kgf/c 本机符合要求 σ= [q1]kgf/c 裙部比压 =9.6 kgf/c = 低速柴油机 3,4 高速柴油机 5,8 本机符合要求 强化柴油机 8,10 19 [q2]=400,600 销座比压 =457 kgf/c/ = kgf/c/ 符号说明 ——最高爆发压力 ——活塞头部内径 δ ——活塞顶厚度 D——缸径 ——第一环岸高度 ——最大侧压力 ——裙部长度 ——最高燃气作用力 ——除活塞销以外的活塞往复惯性力 d ——活塞销直径 ——销座的工作长度 结论 通过对480柴油机的活塞的设计，并对活塞等关键零部件进行了疲劳校核， 校核结果表明其安全系数符合使用条件。完全可以进行生产。活塞是内燃机很为 关键的一个部分，对内燃机的动力性能，经济性能，排放性能都有很大的影响， 所以设计出好的活塞是个相当重要的技术。当今的柴油机的活塞还是存在的很多 的问题，无论是设计的结构，材料的使用与世界先进水平还有很大的差距，所以 要善于吸收先进的技术，把活塞设计的更好。 20 致 谢 本是在王忠和梅德清两位导师的悉心指导下完成的，在此向他们表示 衷心的感谢～两位导师的严格要求和严谨的工作作风使我在整个设计过程中获益良多。本论文的完成同样要感谢唐冠岳同学的支持与帮助。在此一并向在论文写作过程中提供了很多帮助的朱鸣华表示感谢～ 21 参 考 文 献 1. 西安交通大学内燃机教研室，?柴油机设计?，1973 2. 铁道科学研究所、上海交通大学等，“615Q高速柴油机活塞应力的 计算、实测和”， 3. 吴兆汉，车辆发动机设计，国防工业出版社，1985.12. 4. 梅梯格H ，高速内燃机设计，机械工业出版社，1981. 5. 泰勒，内燃机(上册、下册)人民交通出版社，1982、1983. 6. 玛斯，内燃机设计手册，机械工业出版社，1980. 7. 谢加里，内燃机动力计算，机械工业出版社，1980. 8. 上海内燃机研究所编译，七十年代国外中小功率柴油机活塞，上 海内燃机研究所，1980. 9. 长春汽车研究所编译，国外柴油机曲轴强度研究，机部科技情报 研究所，1980.5. 10. 史绍熙等，柴油机手册(上、中、下)，机械工业社。1984. 11. 周保龙，内燃机学 ，械工业出版社 1999 12. 杨连生 ，燃机设计 ，国农业机械出版社，1981 13. 陆际清 ，车发动机设计，清华大学出版社 1993 14. 吉林工业大学内燃机教研室编，内燃机理论与设计，机械工业 出版社 1997 22