活塞的设计

《活塞的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《活塞的设计（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、毕业设计课题名称活塞的设计二 O1 二 年 四 月 二十三 日目录摘要 1ABSTRACT 错误!未定义书签。1.绪论 22.设计要求 33. 活塞的结构及参数分析63.1 活塞的选型 63. 2 活塞的主要尺寸 86 环岸高度 133.3 活塞头部设计 183.4 活塞的裙部设计. 203.5 活塞销座设计. 223.6 活塞与缸套的配合间隙 234. 活塞实体模型的建立 245. 活塞实体模型的参数化 265.1. PROPROGRAM 的语法结构 275.2 活塞独立参数的确定 275.3 PROPR()GRAM 程序设计 276.用户界面的开发 29结语 30参考文献 31摘要装采用基

2、于特征的参数化设计方法，利用pro/e软件的pro/PROGRAM块建立了发动机活塞的参数化模型，分析发动机活塞的结构特点，确定影响活塞设计的独立参数化和关联参 数，不仅实现了零件的参数化，而且实现了活塞结构的控制特征拼合。最后通过VB开发 技术，实现活塞的自动化设计，是设计人员只需要输入必要的设计参数就可草拟零件图, 并可以变动某些约束参数二不必运行产品设计的全过程来更新设计。参数化设计已成为进 行初始设计。产品模型编辑修改的有效手段。订关键词：活塞;设计;参数化;PRO/E1.绪论汽车是现代化社会重要的交通运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽车已经进入 了现代的生活之中与人类的生活已经密

3、不可分，一方面它的高效率，高机动化等特点为人 类带来了极大的方便，提高了人们的生活水平，另一方面它的噪声，污染等公害也降低了 人们的生活质量。因此，人们对汽车提出了越来越高的要求。活塞作为发动机的重要运动 件之一，它所处的工作条件相当严酷，即高温、高负荷、高速运动、润滑不良和冷却困难 等，使其成为发动机改进的重大障碍之一。随着发动机技术水平的提高，高速大负载发动 机的研制和运用，使活塞处于一个更严酷的工作环境中，活塞就不可避免的成为发动机强 化的首要障碍。发动机在运转时，活塞工作在高负荷环境中。首先，活塞受气体压力、惯性力和侧向 力的作用，气体压力和惯性力的方向和大小都是变化的，这就引起了活塞

4、内应力的极度不 均匀，容易引起材料的疲劳破坏。其次，活塞在径向和高度方向上的受热不均匀，引起内 部附加极大的热应力，这也是活塞疲劳破坏的主要原因之一。此外，活塞的不同部位还承 受着局部力的作用。活塞环岸作用着气体压力和活塞的惯性力，活塞在上止点摇摆使活塞 上下边缘遭到冲击。而且由于活塞形状复杂，各部分金属分布不均匀，在不同的直径方向， 活塞的刚度是不同的，在不同的刚度之间，轴线方向上，活塞的热变形和热应力是不同的， 活塞的受力和内应力也是极度不均匀的。这就是活塞设计的重点和难点。早期单件研究中，为了计算简便，柴油机活塞通常被简化为对称构件，因而采用1/ 2或1/4模型进行网格划分和有限元分析，

5、既可以节省计算时间，又可得到较为真实的 研究成果。然而，对称模型只适用于那些没有冷却油道的中小功率发动机活塞，对那些有 冷却腔等非对称结构的活塞而言，1/4或1/2简化模型是不适合的。为此，内燃机非对 称活塞的研究势必要求利用整体三维实体模型进行有限元分析，但唯一不足的是所耗费的 CPU时间太多。所以，对对称结构的活塞完全可以用1/2或1/4模型来简化计算，即可 节省 CPU 时间，又不影响计算精度；而对非对称结构的活塞从保证计算精度出发不宜采用 对称模型。活塞组的热传导分析过程中，稳态传热的方法因计算简便得到了广泛应用。在计算 此类边界条件时，通常采用第 3类边界条件进行计算。与稳态方法相比

6、，瞬态的热传导分 析具有更高的可信度，也与实际情况更为贴近。在瞬态研究中，实际工况下的每循环中， 由于活塞的运动，活塞的有限元计算网格是随时间的变化自动生成新的有限元网格；而且对应每个边界条件都得做一次有限元分析，这对计算机和软件的要求都很高。故迄今为止 此类研究在国内还是以简化模型为基础,通过相应的经验公式拟合使用稳态传热来研究瞬 态问题。在未来的活塞组部件研究中，三维非对称模型有限元分析将得到广泛应用，缸内热 传导将以整体耦合的方法为指导，而随着社会的不断进步，瞬态传热的研究将有助于活塞 装 组设计的简化。本设计是运用现代设计方法和设计理念，结合国内外先进的设计技术和设计经验， 为重庆马勒

7、发动机有限公司开发设计的新型高速发动机活塞BH135进行三维建模和有限 元分析，分析活塞和发动机整机工作状态相耦合的传力和传热特性。订2设计要求本次的发动机主要设计参数如下表：NO.名称Data数据1缸径 mm902冲程 mm1153Number of cylinder 汽缸数44Rated power 额定功率kW123005最大转矩Nm9106最大转矩时的转速1/min15007设计转速1/min8额定转速1/min9最大爆发压力Mpa15.810压缩比17.511每缸气阀数12连杆长度mm21013连杆宽度mm14连杆锥度15连杆导向16缸体材料17缸套类型18缸壁涂层19汽缸孔距mm2

8、0汽缸咼度mm21珩磨方式22活塞冷却内冷23活塞冷却油流量1/min24火力岸高度mm25压缩咼度mm26销孔间距mm27环槽表面处理28第一环槽形状29第一环槽高度mm2.6830第二环槽高度mm231第三环槽高度mm332燃烧室表面处理33活塞表面处理34发动机结构35.应用范围一36.应用范围二37燃料柴油38进气方式TCI39发动机冷却方式水冷40增压气体冷却器空空41燃油喷射方式直喷42喷射压力Mpa10011043喷射角度degree14244喷孔数545总排量dm37.2646每缸排里dm31.20947升功率kW31.83348冲程/连杆比49活塞平均速度m/s50最大转矩时

9、的平均压力Mpa51进气增压52增压气体冷却前温度C53.进/出油温C95/10554.进/出水温C80/9055销座56活塞销外径mm57活塞销内径mm58Pin length活塞销长度mm59活塞销轴向定位方式60活塞销孔形状3. 活塞的结构及参数分析.结构是由众多的结构参数来描述的，这些结构参数之间存在着一定的关系和规律。就 发动机活塞而言，部分结构参数是独立的，部分结构参数是非独立的；有的是所有类型活塞共有的，有的是特殊结构类型专有的。总结归纳出活塞的各种结 构类型和结构参数，是进行参数化设计的前提。恬塞主蔓组成部分有亍顶肆、耳楷部、褂部等三个部分組两，如图L活M缁构刑觇圏a）全剖b）

10、部分刑I-顶2-活塞头3-沾塞斫 忙活議带座5-话解桶6-活舉掲请环7活塞鋁弹-加质勲9-环厲3.1活塞的选型活塞设计应从发动机的强化指标、使用要求和加工条件等方面综合考虑，首先制 定出技术上和经济上最合理的活塞结构方案，然后再进行技术设计。活塞选型要点如 下：1. 能承受所规定的机械负荷和热负荷。2. 密度据单位活塞面积功率或平均有效压力，选择合适的活塞结构，保证活塞小以减轻活塞的重量和往复惯性力。3. 导热系数大，以降低活塞顶部的温度，改善活塞的受热情况。4. 线膨胀系数小，以减小活塞的热变形，从而是热车不拉缸，冷 车不敲缸。5. 在高温 下能保持良好的机械性能。6. 具有良好的减摩性能，

11、以减小摩擦损失且具有足够的热稳定性及耐磨性。7. 易于铸造或模压，易于加工。8. 具有较好的耐腐蚀性。本设计要求的活塞是高速、内冷柴油机活塞，要求质量小，经济成本低，首选铝合金 活塞。整体铝活塞的各处壁厚均较大（材料强度低），但由于铝合金的密度小，其质量比铸 铁活塞轻，这对发动机的高速是有利的。同时由于铝合金的导热率高，对于水冷四冲程发 动机可以在内壁喷油冷却的情况下保持良好的温度。但由于铝合金的线膨胀系大可能会破 坏配缸间隙和增加摩擦损。活塞的主要结构尺寸（2-1）可根据同类型发动机或统计数据选取本活塞选用共晶铝合金作为活塞材料，它的特点是在高温时有良好的抗拉强度忽然屈 服极限，并且在延伸率

12、小，热膨胀系数较低，是很好的活塞材料，本次设计选用的共晶铝 合金的主要性能参数如下表（表 2-2）表 2-2密度导热率线膨胀系教soor下的抗 扌立強度共晶铝硅合金心2.69-2.74104.6-167.482021.56Q 100*过共晶铝 硅合金*2.652.6L17.2146.55p1719.5609Z铝铜合釘2.82.85138.17-159.1234”150-2603. 2活塞的主要尺寸1. 塞高度H1）活塞高度取决于以下因素:（1）对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关）（2）转速 n（3）燃烧室形状及尺寸（4）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

13、较小的活塞高度2）数据范围（表 3-3、图 3-2）表 3-3 活 塞高度 H 与缸 径 D 之比 的范围机械性能温度（C）20150250350抗拉强度MPa24321110555屈服点MPa2231858647延伸率%1129抗弯强度MPa110865037物理性能温度（C）20150250350弹性模量MPa84000790007500070000热导性W/mk130136142146横向收缩0.32Pg/cm32.77热膨胀率温度（C）2010020200203002040010-6mm/C19.220.521.121.8机型H/D说明一般范围推荐值中小型高速1.01.31.1左右转速越高,H越小，以减轻质量,从而控高速大功率11.361.2左右制由于转速升咼而引起的惯性力增大中速机1.451.801.5左右要求活塞使用寿命长，选得较大特殊用途0.740.80牺牲活塞使用寿命，选择最小以满足整机高度尺寸严格限制要求图3-2高速柴油机活塞高度 -nV3000rpm k -n3000rpm2. 压缩高度Hl 压缩高度H1决定活塞销的位置。H1取决于第一道活塞环至顶面的距 离h、环带高度H5 （H