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1、 课 程 设 计 学 号： 题 目 180kw 柴油机活塞组设计 学 院 汽车工程学院 专 业 热能与动力工程 班 级 姓 名 指导教师 年 月 日 武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书 目 录 0前言 1 1柴 油机结构形式的设计 1 1.1冲程数 1 1.2平均有效压力 1 1.3冷却方式 1 1.4气缸数和气缸布置的选择 1 2 柴油机结构参数的选择 1 2.1气缸缸径的确定 1 2.2连杆长度与曲柄连杆比 2 2.3气缸中心距及其与气缸直径之比 2 2.4压缩比 3 2.5压力升高比 3 2.6初期膨胀比 3 3热力学计算 3 3.1 燃烧过程 数学模型 3 3.2 热力学具体过程
2、的计算 3 3.3 绘制 P-V 图 4 4运动学计算 7 4.1活塞位移 7 4.2 活塞瞬时速度 7 4.3 活塞的加速度 8 5力学计算 9 5.1往复惯性力 9 5.2 离心惯性力 10 5.3气体力 10 武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书 5.4合成力 11 6活塞设计 15 6.1活塞的材料 15 6.2活塞主要尺寸设计 15 6.3活塞裙部及其侧表面形状的设计 17 6.4活塞头的质量计算 18 6.5活塞环岸的强度校核 18 7活塞销的设计 19 7.1活塞销的材料 19 7.2活塞销与销座的结构设 计 19 7.3活塞销质量 19 7.4活塞销刚度和强度的校核 19
3、8活塞环设计 20 8.1活塞环的材料 21 8.2气环的设计 21 8.3油环的设计 21 10小结 23 参考文献 24 附表 1 25 附表 2 26 1 180kW 四行程柴油机活塞组设计 0 前言 汽车发动机设计课程设计是在我们学习了工程制图、机械设计基础、发动机设计等课程的基础上进行的。是对我们大二、大三和大四学年学习的有关机械设计和发动机设计的专业知识的大综合，对我们熟悉和运用专业知识有很大的帮助。 通过这次我们亲身的设计实践，让我们对这些专业课的基础知识和基本理论能有进一步的理解和掌握，使我们在分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种设计手册与资料以及计算机应用能力
4、等各个方面得到进一步的提高，能够全面地检验并巩固我们以前所学的 专业课知识，并通过结合实际情况，让我们能从一个全新的角度重新学习、认识以前学过的专业课知识。 本 次 设计主要工作任务是四行程 柴 油机 活塞组 的设计。 1. 柴油机结构形式的设计 1.1 冲程数 本设计中的车用柴油机都采用四冲程，即 =4. 1.2 平均有效压力 Pem 平均有效压力 Pem 表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功，是柴油机的强化指标之一。范围为 Mpa2.18.0 ，取 Pem=1.0MPa 1.3 冷却方式 水冷 1.4 气缸数和 气缸布置方式 采用直列 6 缸机 2柴油机结构参数的选取 2.1 汽
5、缸直径的确定 根据设计任务书所提供的设计条件： 所要设计的柴油发动机功率为 180kW。 平均有效压力： Mpap 2.18.0 武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书 2 活塞平均速度： 根据内燃机学的基本计算公式： 其中 eP 为发动机的有效功率， emp 为发动机的平均有效压力，依题为 Mpa2.18.0 取 emp =1.0Mpa sV 为汽缸的工作容积 i 为发动机的汽缸数目 ，依题为 6 n 为发动机的转速 mv 为活塞的平均速度，依题为 S 为发动机活塞的行程 D 为发动机汽缸直径 S/D 的范围为 0.81.2 设定 S/D=1.1 为发动机的行程数，依题为 4 根据以上的条
6、件代入以 上公式，并圆整得： D=110mm ， S=121mm， Pme =1.0MPa， n=3300r/min， sV =1.1L 满足初始条件要求。 2.2、连杆长度 L与曲柄连杆比 =R/L 连杆长度加大，会使柴油机总高度增加；虽然连杆摆角减小，侧压力减小，但效果不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。因而尽量采用短连杆，一般值在1/3 1/5 之间。 取 =0.25，则 241mmRL ，符合要求。 2.3、气缸中心距 l0 及其与气缸直径之比 l0/D smCm 182* * *30*30*4em semsp V i nPSnvV D Ssm18武汉理工大学汽车发动机设
7、计课程设计说明书 3 l0/D 影响柴油机的长度尺寸和重量指标，设计时力求缩小 l0/D 的值。 l0/D 值的影响因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析，一般其值为 1.21.6。 取 I0=165mm， I0/D=136/110=1.5, 在 1.21.6 之间 ,符合要求。 2.4、压缩比 c 选用压缩比 c 也就是选用燃烧室容积。选用压缩比时要考虑柴油机的经济性能、工作可靠性、冷启动性能等。车用柴油机的 c 在 18 23，则选取 c=18。 2.5压力升高比 p 压力升高比 p=1.32，初取 p=2 2.6 初期膨胀比 一般情况下 7.11.1 ，初取 =1
8、.5 3 热力学计算 3.1燃烧过程数学模型 内燃机学的简化知： 发动机的热力实际循环过程分为进气过程、压缩过程、膨胀过程、排气过程。实际的循环过程复杂，难以用简单的数学模型来分析，所以为了计算发动机的循环做功过程提出了理论循 环过程。发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以简化，忽略一些因素，以便于作简易的定量处理。通过对理论循环的研究，可以清楚的确定影响性能的 一 些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径。最简单的理论循环是空气标准循环，简化的条件为： 1） 假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同。 2） 假设工质是在闭口系统中作封闭循环。 3） 假设工质的
9、压缩及膨胀是绝热等熵过程。 4） 假设燃烧时外界无数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热。 根据 柴 油机的混合气燃烧迅速，近似为定容加热循环。 3.2 热力学具体过程计算 3.2.1绝热压缩起点 武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书 4 选取压缩冲程的下止点（设为 a 点）时的气体参数 018.0 PPa 其中 0P 为大气的压力， 0P =1.03*105pa，系数取为 0.9，得： a=0.09 aP MP ， Va=Vc+Vs=1.165L。 3.2.2绝热压缩过程 选取压缩冲程终点（设为 b 点），从 a 点到 b 点的压缩过程看作是多变 的压缩过程，多变指数取为
10、1 1.35n 。根据多变过程的热力学计算公式 1.3 5 1.3 5*aaP V P V =常数，和 a点的气体状态，可以计算出从 a 点到 b 点的压缩过程中各个点的状态参数。经过计算后得到 b 点的状态参数： Pb=4.43Mpa Vb=0.065L. 3.2.3定容增压过程 选取定容增压的终点（设为 c 点），从 b 点到 c 点看作为定容压缩过程， 其定容增压比，即压力升功率 p=2，则 c 点的状态参数 ： pc=p*pb=8.86MPa。 3.2.4 定压膨胀 过程 c 点为定压膨胀过程的起点。 选取膨胀过程终点（设为 d 点）的气体状态参数 ： pd=8.86MPa。 从 c 点到 d 点的过程看作是定压膨胀过程，其初始膨胀比 =1.5，则 d 点气体状态参数： Vd=Vc*=0.0975L。 3.2.5 绝热膨胀过程 d 点为绝热膨胀过程的起点。 选取膨胀过程终点（设为 e 点）的气体状态参数： Ve=Vs+Vc=1.165L。 从 d 点到 e 点的过程看作是绝热膨胀过程，故多变指数 n2=1.28。根据绝热过程的热力学计算公式： 22 nddn VppV =常数，可
