《毕业设计-活塞的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计-活塞的设计（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文题 目 ： 活 塞 的 设 计班 级：姓 名：专 业： 机械制造与设计指导教师：答辩日期： 年 月 日编者的话本次的设计是在我们学完了机械制造专业两年的全部课程之后，一次知识能力综合训练，也是一次全部而且全面性的针对学生所学知识的检查，通过此次设计，可以把以前所学的专业知识和基础知识有机地结合起来，以达到全面能力培养的目的。该次毕业设计的主要任务是零件活塞的工艺设计及有关夹具设计。通过工装设计全面了解机械加工车间的生产过程。本次设计分二个阶段：准备阶段：通过去实习工厂考查和学习，实际调研主要了解零件加工的工艺过程，收集有关轴承座的技术资料。
2、同时了解其功能及加工该零件所采用的方法、加工要求和所使用的机器型号、夹具、量具和刀具。通过调研对零件基本上有一个完整的认识，并达到预期的目的。设计阶段：此阶段主在是对所搜集的技术资料来整理画出正视零件工作图。重新编制工艺过程，并设计各工序步骤中所采用的夹具。在此过程中认真查寻资料，做出设计每步均有根据确凿可信、满足所要求的技术条件。在较短的时间内圆满完成学校下达的任务。总之通过这次设计，又让我领略到掌握知识与运用知识的重要性。由于设计任务较繁重、时间仓促、资料不全、本人水平有限。设计过程中存在问题在所难免，请各位老师指出。摘要铝合金的突出优点是密度小，可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力，因
3、此铝合金活塞常常应用于中、小缸径的中、高速内燃机上，尤其以汽车发动机中居多。在同样强度的情况下，它比钢铁材料轻许多。因此，采用铝合金制作的活塞工作过程中产生的惯性小，对高速内燃机的减振和降低内燃机的比质量有着重要的意义。此外，质量较低的铝合金活塞运动时，对缸壁的侧压力和冲击力也较小，这样可以减小活塞组与缸壁以及活塞销的摩擦力，并降低它们的磨损量。铝合金的另外一个优点是导热性好，工作时，活塞表面温度比铸铁的低，而且活塞顶部的积炭也较少。现代内燃机尤其是柴油机，为了大幅度地提高其热效率，增压程度不断地提高，这使得气缸内部的热负荷明显增大。这使铝合金活塞本身所固有的热强度不高、线膨胀系数较大的缺点越
4、来越严重，铝合金活塞在柴油机上的使用范围受到明显的限制。为此，在一些大负荷的柴油机上，开始采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较低的铸铁活塞。铸铁的密度约为铝合金的 3 倍。与铝合金相比，它有较低的热膨胀系数及较高的高温力学性能。活塞重量的增加至少可以部分补偿为铸铁活塞显著提高的热强度，热强度的提高可以容许更小的截面积。铸钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞体断面很薄。由于省去了大量的材料，整个活塞
5、的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝合金活塞约轻 30%，具有实际应用价值。制造工艺上，需要设计好铸造工艺，以使得活塞体中较薄的截面都能准确铸成且成品率较高，同时变形小。关键词：铝合金活塞 铸铁活塞 铸钢活塞绪论：一、本课题的来源、目的及意义活塞是发动机作功的关键零件，通过活塞的往复运动，完成发动机的进气、压缩、膨胀作功和排气过程。它是承受发动机燃烧室点火燃烧产生爆发力的主要零件，同时还需要承受自身和其他运动件的惯性力。活塞在发动机运转中要随燃烧室中产生的高温，并将其一部分热量通过活塞传到气缸等部件。活塞还是一个密封导向的零件，密封燃气，保持活塞和气缸之间的润滑，防止窜机油。由于活塞的工作条
6、件十分严酷，活塞在发动机内装配、试验、使用、维修中会产生各种故障，由于各种不同的原因，产生的故障现象也不一样，其主要的故障类型如下：1、活塞头部故障：凡活塞头部产生烧损、裂纹、变形和穿孔均属于头部故障类型，此类故障均为活塞头部温度过高所致。摩托车用的二冲程汽油机因热负荷较高，产生本类型故障的机率较多。2、裙部故障：活塞裙部产生拉伤、裂纹、非正常磨损属此类型。本类型故障原因有多种因素，是常见的故障类型。3、销孔销座故障：销孔拉伤、挤压变形，卡簧槽失效等属此类型。4、环岸环槽故障：环岸、环槽裂纹、烧损、拉伤变形属此类型，一般也是温度过高所致。活塞的各种故障中占首位的故障是活塞过热造成的故障。活塞在
7、发动机中连续受高温火焰的冲刷，活塞顶部中心的温度可达到 300320，若活塞的热量不能及时由活塞环和活塞裙部散出，顶部温度超过 350时，顶部热变形加大，热强度下降，使顶部产生变形、裂纹、甚至穿孔，环岸部分也会拉伤，甚至销孔也会产生拉伤。活塞裙部的冷拉伤常见于发动机的装配试车和使用中，使活塞早期损伤造成试验和使用中其他活塞故障。气缸间隙不当，活塞外型线不合适，活塞热稳定性不良均会造成裙部位伤。1、提高活塞的高温强度和热稳定性为适应汽油机不断强化的要求，必须不断改善活塞材料的性能，选择共晶或过共晶铝合金和改善铸造工艺，以获得较好的高温强度和热稳定性。2、提高活塞表面抗咬合能力和耐磨性，这是防止活
8、塞早期损伤和提高使用寿命的关键。采用裙部表面硬质阳极氧化处理，是较好的技术措施。氧化层是多孔型的，有利于储油、润滑。3、在结构允许的条件下，降低活塞高度尺寸、减轻活塞重量。活塞是一薄壁弹性圆筒零件，裙部厚度已在 1.52.5mm，减轻重量可减少活塞的惯性力，可提高发动机转速。4、活塞在设计中应减少销座附近的壁厚，可减少疏松和缩孔，按有利于出模进行设计。若有条件采用液体锻造技术时，可大大提高活塞的材料性能。5、活塞设计 CAD 化，发展活塞的温度场、强度、刚度的有限元计算，以减轻活塞质量、结构合理化。6、新型材料和其它新工艺在活塞的应用二、课题背景及国内外研究现状陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，
9、具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度大等优点。活塞陶瓷化的主要优点有：可实现部分或全绝热，从而取消冷却系统并且回收废气能量以降低油耗；降低高强化柴油机活塞的温度，特别是环槽的温度；改善排放。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。活塞的陶瓷化大致有两种方式，一种是采用陶瓷镶块，材料有钛酸铝和氧化锆，以及反应烧结氮化硅等，另一种方法是采用陶瓷涂层，常用材料为氧化锆。据报道日本已开发出陶瓷涂层和双层陶瓷结构活塞，美国福待公司等还试验过全陶瓷活塞，取消了活塞环与陶瓷气缸套配对在无润滑条件下工作。由于陶瓷的脆性，复杂的制造技术和高成本，要使陶瓷活塞大规模地应
10、用于内燃机，还需要做许多工作。以轻金属为基体的复合材料除了具有基体金属的性能外，还具有更突出的优点，主要表现在复合材料重量轻、动载荷小、耐磨性好，与基体合金相比其高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。这些无疑对提高活塞使用寿命、降低油耗和废气排放量、提高发动机功率都具有极其重要的意义，因此受到了各国的重视。自二十世纪六十年代开始，世界各国都对轻金属基复合材料进行了广泛的研究，并取得了可喜的成果。活塞是最早应用铝基复合材料的汽车零件。为满足高速发动机的需要，上世纪 70 年代末，日本ArtMetal 公司和丰田汽车公司着手研制氧化铝短纤维局部增强铝活塞，用以代替传统的普通铝活塞
11、。1982 年，这种铝基复合材料活塞获得成功并用于丰田汽车上。经氧化铝短纤维增强后，活塞环槽区的耐磨性明显改善，高温强度、热稳定性明显提高，抗咬合性和导热性好，而且膨胀系数比普通铝活塞低 8%15%，可减小汽缸间隙，降低噪声水平。氧化铝短纤维局部增强铝活塞还能减小活塞顶部燃烧室表面边缘的开裂倾向，从而改善了高性能高速柴油机活塞的可靠性。ArtMetal 公司安装了专门加工这种活塞的设备，活塞直径最大可达200mm。1985 年这种活塞的日产量已达 10 万件；到 1986 年初，累计已生产了20 多万件，主要用于 8 种系列的丰田车用柴油机上。由于上述优异性能，装有复合材料活塞的丰田汽车的大修
12、里程可延长到 30 万 km，发动机的输出功率可提高 5%，而且燃油和润滑油的消耗均得到改善。丰田汽车公司打算开发一系列这种活塞，现已开发了多种系列的氧化铝短纤维增强铝活塞。此外，碳纤维、钛酸钾晶增强铝基复合材料活塞正在开发之中。 欧美国家也在研究和开发铝基复合材料活塞。美国也已试制出氧化铝短纤维增强铝合金活塞，并有了这方面的专利，除了用氧经铝纤维局部增强活塞的第一道环槽外，活塞的整个冠部也可用氧化铝纤维增强，活塞冠部的耐热性进一步提高，发动机的性能和燃烧效率也可显著改善。英国在金属基复合材料活塞的研制上亦做了许多工作，旨在开发这种材料在高性能内燃机的应用。1984年，英国 AE 公司就推出了
13、陶瓷纤维增强铝活塞的样品，后来又有了用氧化铝纤维增强铝合金制造内燃机活塞的专利。 国内一些高校和研究单位也在开展这方面的研究工作。据介绍，东南大学推出的陶瓷纤维增强复合材料铝活塞已在汽车发动机、大马力柴油机上得到应用，可使活塞使用寿命提高 35 倍，并提高发动机功率，减少燃油消耗和废气排放。与普通铝合金相比，高温抗拉强度提高 20%40%，线膨胀数降低20%。 。三、本课题研究的主要内容21 世纪对内燃机的要求是大功率、低油耗、低排放和长寿命，活塞质量的好坏直接影响到内燃机的工作质量。活塞材料的密度是高速内燃机选择的重要指标，此外还要求机械制造工艺简单且成本低。目前高速内燃机活塞材料主要是铝合
14、金，对于转速低一些，热负荷又比较大的柴油机，部分活塞的材料则选择了铸铁，另外国外还有采用钢材来制造活塞。随着未来大功率、中高速、小型化内燃机需求的不断增长，活塞的工作环境将变得更加恶劣，势必对活塞材料提出更苛刻的要求。铝基复合材料因其优异的性能特点，作为新型活塞材料，已在发动机行业得到应用，并开始进入产业化生产规模。随着复合材料技术的日益成熟及成本的不断下降，复合材料定将会取代当前使用的传统活塞材料。 零件的分析一活塞的工作特点及结构特点在发动机气缸内,活塞在一段时间内起着压缩气体的作用,在另一段时间内,气缸内的混合气体燃烧膨胀,活塞又要承受高温气体的压力,并把这个压力经过活塞销,连杆传给曲轴
15、,此外,活塞还起着吸入气体和排除废气的作用。因此，活塞工作的特点是：在高温高压下作长时间连续变负荷的往复直线运动。活塞的工作特点就要适应这样的工作条件。图 1 表示一个铝活塞。平面 1 表示活塞的顶面。它承受着气体的压力，并受到高温气体的直接作用。四个环形的槽 2 称为环槽。其中靠近顶面的三个环槽称为气环槽。在气环槽中放置有弹性的活塞环，用以密封活塞顶面上部的燃烧室。离顶面最远 一个环槽称为油环槽。早油环槽中放置油环（或称刮油环） ，后者把飞溅到气缸套内壁上的多余润滑油刮掉，使油从油环槽的小孔 8 中流回曲轴箱。包括顶面和环槽在内的部分 4 称为活塞头部。没有环槽的部分 5 称为活塞裙部，活塞
16、裙部在活塞工作过程中起导向作用，它包括装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力，所以，作功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。活塞中间的贯穿孔 7称为活塞销孔。活塞销孔的两端面有锁环槽 6。图中之 8 是一个短圆柱面和圆锥面的组合，通常称为止口。它是专门为加工活塞而设置的辅助精基面。在结构上和功能上没有任何作用。活塞在工作过程中将产生受力变形和热变形。活塞顶面在气体的作用下将45312678图产生如图 2(a)所视的变形。由于金属分布不均匀，在活塞销轴线方向的变形量比垂直于该方向的变形量为大。同时活塞顶面与高温的燃烧气体接触，使活塞的温度升高，产生热膨
