活塞设计课程设计

目录

一、前言…………………………………………………………………………………….

二、零部件在内燃机中的作用和地位……………………………………….

三、该零件的工作条件、设计要求………………………………………….

四、零件的运动分析和受力分析………………………………………………

五、结构形式的选择；主要参数的选定、设计、计算…………….

六、零部件的强度、刚度校核…………………………………………………..

七、设计结果的分析…………………………………………………………………..

八、结束语………………………………………………………………………………….

九、参考文献

一、前言

内燃机的不断发展，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进和提高的基础上的，尤其是随着发动机强化程度的提高、功率的增大和转速的增加，零部件尤其是直喷式柴油机活塞的工作环境变得更加恶劣了。活塞的结构直接影响活塞的温度分布和热应力分布，因此就有必要对活塞的结构和性能作出预测和评价。活塞是内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏，特别是坦克、舰艇和军用车船用内燃机活塞则要求更高，它已成为制约内燃机发展的一个突出问题

二、零部件在内燃机中的作用和地位

活塞是曲柄连杆机构的重要零件，主要功用是承受燃烧气体压力

和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。此外，活塞又是燃烧室的组成部分。活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。

三、该零件的工作条件、设计要求

活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。另外，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。活塞运动速度快，工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。

四、零件的运动分析和受力分析

五、结构形式的选择；主要参数的选定、设计、计算

（一），活塞头部设计

1、设计要点

活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此，活塞头部的设计要点是：

（1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；

（2）保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；

（3）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度1H 缩短1单位，整个发动机高度就可以缩短2~5.1单位，并显著减轻活塞重量。而1H 则直接受头部尺寸的影响。

2、压缩高度的确定

活塞压缩高度的选取将直接影响发动机的总高度，以及气缸套、机体的尺寸和质量。尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原则，压缩高度1H 是由火力岸高度1h 、环带高度2h 和上裙尺寸3h 构成的，即

1H =1h +2h +3h

为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。

（1） 第一环位置

（2） 根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一

环的位置，即所谓火力岸高度1h 。为缩小1H ，当然希望1h 尽

可能小，但1h 过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性

松弛、粘结等故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满

足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般汽

油机D h )12.0~06.0(1=，D 为活塞直径，该发动机的活塞标

准直径mm D 0.88=，确定火力岸高度为：

mm D h 2.60.8807.007.01=⨯==

（2）环带高度

为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b 应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但b 太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高mm b 3~2=，油环高mm b 6~4=。

该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称之为油环。取mm b 31=，mm b 32=，mm b 43=。

环岸的高度c ，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，D c )05.0~04.0(1=，12)2~1(b c =，汽

油机接近下限。

则 m m 41取c ，

m m 32c 2、取、c

因此，环带高度mm b c b c b h 1633343322112=++++=++++=。

（3）上裙尺寸

确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度H1最后决定于活塞销轴线到最低环槽（油环槽）的距离h1。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。

综上所述，可以决定活塞的压缩高度1H 。对于汽油机

D H )0.6~0.35(1=，所以mm D H 500.8857.057.01

=⨯=⨯=。 则 mm h h H h 761.1289.12289.7394.322113=--=--=。

3、活塞顶和环带断面