活塞结构设计与加工工艺说明书

课程设计任务书
一、设计题目：活塞结构设计与加工工艺
二、设计参数：五十铃6120、排量2.0L、D S
⨯为120⨯135、转速1300r•min 顶岸高度F、活塞销直径BO、裙长SL、销座间距A、总长GL、
最大爆发压力、活塞销校核
三、设计要求：
1用计算机绘制活塞总装配图一张（A1图）、零件图（加工工件）一张（A2图）2设计说明书一份（包括零件图分析、定位方案确定、定位误差计算等内容；最好能写出整个工艺过程）
四、进度安排：
第一周：查找课程设计所需要的书籍，资料。

第二周：对活塞进行尺寸设计计算。

第三周：强度校核
第四周：绘图并书写说明书。

第五周：应用制图软件绘制零件图及装配图并完善课程设计说明书。

五、总评成绩及评语：
指导教师签名日期年月
目录
前言 (1)
1活塞的概述 (2)
1.1活塞的功用及工作条件 (2)
1.2活塞的材料 (2)
1.3活塞结构 (2)
1.3.1活塞顶部 (2)
1.3.2活塞头部 (3)
1.3.3活塞裙部 (3)
2活塞的结构参数 (4)
3活塞最大爆发压力的计算 (5)
3.1热力过程计算 (5)
3.2柴油机的指示参数 (8)
3.3柴油机有效效率 (10)
4活塞销的受力分析 (12)
5活塞的加工工艺 (14)
参考文献： (15)
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课程设计
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。

本次课程设计的题目是发动机铝活塞的结构及工艺设计，选择利用合适的机床加工发动机活塞，通过这次课程设计，要求熟练掌握并能在实际问题中进行创新和优化其加工工艺过程。

活塞结构设计与工艺设计
1活塞的概述
1.1活塞的功用及工作条件
活塞是曲柄连杆机构的重要零件煤气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。

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。

活塞运动速度和工作温度高，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。

1.2活塞的材料
现代内燃机广泛使用铝合金活塞。

铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。

因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。

目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提高热稳定性和高温机械性能。

铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。

为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。

1.3活塞结构
活塞按部位不同，分为顶部，头部和裙部三部分。

1.3.1活塞顶部
活塞顶部是燃烧室的组成部分，其形状与燃烧室形状和压缩比有关，一般有平顶，凸
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顶和凹顶三种。

1.3.2活塞头部
活塞头部是指由活塞顶部到油环下端面之间的部分。

在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽。

在油环槽的低部还加工有回油孔或横向切槽。

活塞头部有足够的厚度，从活塞顶部到环槽区的断面要尽可能的圆滑，过度圆角半径应足够大，以减少热流阻力，便于热量从活塞顶部经活塞环传给气缸壁，使活塞环的温度不至于过高。

1.3.3活塞裙部
活塞头以下的部分为活塞裙部，活塞销座位于裙部。

裙部起导向作用，并承受侧压力。

因此，活塞裙部的形状保证活塞在气缸得到良好的导向，气缸与活塞之间在任何工况下都能保证均匀，合适的间隙，并有一定的承压面积。

活塞结构设计与工艺设计
2活塞的结构参数
发动机选取为6120型柴油机，参数设计参照《新型铝活塞》 活塞缸径D=120mm （一）压缩高度KH=80mm
（二）顶岸（第一环槽至活塞顶端距离）F=17mm （三）采用三道环（其中两道气环，一道油环）
气环高度取5mm ，油环高度取7mm
第一道环岸高度为6mm 第二道环岸高度略小于第一道环岸高度，为5mm （四）活塞销直径为BO=44mm 顶环槽宽为3mm （五）群长SL=100mm 下裙长为65mm （六）销座间距AA=44mm
（七）活塞重量 系数X=0.9—1.4 取X=1.23,
331.23122128N G X D g =⨯=⨯=
(八)顶部厚度S=15mm 总长=80+65=145mm
燃烧室
0.6k
d D
=
3k
d h
= 0.612072k d mm =⨯= 243
k
d h mm =
=
铝的线性膨胀系数为623.110⨯ 1o C
活塞头部的最大温度为350摄氏度，所以其变形量为 612023.1103500.97021X mm mm -=⨯⨯⨯=≈ 活塞裙部最大温度为200摄氏度，所以其形变量为
612023.1102000.55440.6Y mm mm -=⨯⨯⨯=≈
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3活塞最大爆发压力的计算
最大爆发压力计算参考《内燃机原理》
环境压力
00.1013p Mp α
= 环境温度
0293T K
=
几何压缩比21ε= 有效压缩比18.9ε'
=
燃烧过量空气系数α=1.65 参与废弃系数0.02r γ=
参与非其温度720r T K
= 增压空气压力0.12135k p Mpa
=
最大燃烧压力
6.47265z p Mpa
= Z 点热利用系数
0.70z ξ=
B 点热利用系数
0.85b ξ= 燃烧室扫其系数 1.15s ϕ=
燃料质量分数0.87C = 0.126H = 0.004O = 燃料低42286.68u kJ
H kg =
3.1热力过程计算
充气过程系数 增压器后空气温度：
01 1.81
1.8
00.121352933180.1013k k
n n k k p T T K p --⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
式中，去增压器内平均多变压缩指数 3.8k n =
（1） 压缩始点温度
3185 1.110.02720331
1 1.02
k k c r r a r T T T T K ξγγ+∆+++⨯⨯===+
式中，k T ∆——新气预热度，k T ∆=5K; c ξ---比热修正系数，c ξ=1.11 （2） 压缩始点压力
1.0 1.00.121350.12135a k p p Mpa ==⨯=
（3） 充气系数`118.43640.121351
0.73811203310.161810.02
k a
v a k r T p T p εηεγ=
=⨯⨯⨯=-++
（4） 平均多变压缩指数
()
()
()1111`18.3158.315
119.260.0025374118.41n n n a bT ε---==+⨯+++ （1） 式中，a ，b —常数，对于空气（忽略残余废气），a= 19.26 ，b=0.0025
第一次试算，式（1）等号右端代入1n =1.37 , 1 1.968
10.3625.382n -=
= 第二次试算，式（1）等号右端代入1n =1.369, 1 1.968
10.3625.382
n -==
（5） 压缩终点温度
()11 1.3621`33118.4950n c a T T K K ε--==⨯= （6） 压缩终点压力
`
1 1.3620.161818.48.544n c a p p Mpa Mpa ε==⨯=
活塞结构设计与工艺设计
（7） 燃料燃烧所需理论空气量
()
()0110.870.1260.004=0.4950.21124320.2112432kmol C H O L kg ⎛⎫⎛⎫=+-=+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
空气燃料 （8） 燃烧所需的实际空气量
()()()()0 1.650.495/0.817/L L kmol kg kmol kg α==⨯=空气燃料空气燃料 （9） 理论分子变化系数
00.03690.0639
11 1.03871.65
βα=+=+=
（10） 实际分子变化系数
0 1.03870.02 1.035110.02
r r βγβγ++===++
（11） Z 点烧去的燃料质量分数
0.700.8240.85
z z b x ξξ===
（12） Z 点处分子变化系数
01 1.03871
110.824 1.0313110.02
z z r x ββγ--=+=+⨯=++
（13） Z 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容
()[]()()
()()()()()'''1.0641()10.0641.0640.8240.0220.470.00361.6510.020.640.8241.6510.020.8240.0219.260.00251.6510.020.0640.824
19.890.00307z r v r z r v vpmz r z
Z z z
x c x c c x T T T γαγγαγ++(+)--=
(+)+⨯++=
⨯++⨯+-++⎡⎤⎣
⎦+++⨯=+ 式中，'v a c a bT =+
（14） b 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容
()()()()()()()'''1.064(1)(1)10.064
1.0640.0220.470.0036 1.65110.0219.260.00251.6510.020.06420.180.00322r v r v vpmb r b z b c c c T T T γαγαγ++-+=
(+)++++-++=++=+
式中，'v a c a bT =+
（15） z 点燃烧产物的平均摩尔比定压热容
8.31519.890.003078.315
28.2020.00307ppmz vpmz z z
c c T T =+=++=+
（16） 燃料发热量
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()()()()()()
''1293
42286.680.8710.02 1.03520.180.003229319.260.002529329342743.34/u u r vpmb v H H L c c kJ kg γβ=++-⨯=+++⨯-+⨯⎡⎤⎣⎦⨯=燃料压力升高比
6.472560.7588.544
z c p p λ===
（17） Cyz 段的燃料燃烧公式，就最大燃烧温度Z T
()()()()()()''0
8.3158.3150.7042743.34
(1) 1.650.495
19.260.00259288.3150.7589280.0220.180.003239288.3150.758928
1.031310.0228.2020.00307z u
v c r vpmb z r ppmz z z z
H c T c T L c T T T ξλγλαβγ+++++=+=
+
⨯+⨯+⨯⨯++⨯+⨯⨯=⨯+⨯+
简化后得 80740.06
29.670.0032294z z
T T =+ （2）
第一次试算，取式（2）等号右端的z T = 2000K 得
170202234.88.15
z T K K ==
第二次试算，取式（2）等号右端的z T =2200K 得
170202195.58.52
z T K K ==
第三次试算，取式（2）等号右端的z T = 2196K 得
1702021968.52
z T K K ==
最后取2196z T K =
膨胀过程参数： （18） 初膨胀比
1.0352196
2.420.785950z c βρλT ⨯===T ⨯
（19） 后膨胀比
'18.47.62.42
εδρ===
（20） 求多变膨胀指数2n 及膨胀终点温度b T ，zb 膨胀线上的后燃公式，
()()28.3151'1z Z b b u b z z
vpmz z vpmb b
r b
T T n H c T c T L ββξξβγββ⎛⎫- ⎪
⎝⎭-==-+-+
活塞结构设计与工艺设计
()()()()2 1.03138.31521961.0315142743.340.850.70 1.0313 4.750.00073421962196 4.820.00070.81710.021.035 1.0315b b b T n T T ⎛⎫⨯- ⎪
⎝⎭-=
⎡⎤
-+++⨯-+⎢
⎥+⎣⎦
（3）
()2182568.315121401.42 4.820.0007b
b b
T n T T --=-- （4）
将式子（3）与式子（4）联立，得
2
2
11
1 1.0351
2196 1.03137.6
b z
n n z T T K ββδ--==⨯⨯ （5） 第一次试计算，取b T =2000K 得，
21533
10.11177100
n -=
= 1757b T = 第二次试计算，取b T =2189K 得，
21515
10.003257070
n -=
= 2189b T =K 最后取2189b T K = 2 1.00325n =
（23） 膨胀终点压力
2 1.00325
6.47265
0.957.6
z
b n p p Mpa Mpa δ=
=
= 3.2柴油机的指示参数
（21） 理论平均指示压力（以有效行程为准）
()()2111210.003250.362111'111'111'8.5440.758 2.421110.758 2.4211117.40.003757.6 1.369118.42.242c n n p p n n Mpa Mpa
λρλρρεδε--⎡⎤
⎛⎫⎛⎫=-+---⎢⎥ ⎪ ⎪---⎝⎭⎝⎭⎣
⎦⎡⨯⎤⎛⎫⎛
⎫=
⨯-+--- ⎪ ⎪⎢⎥-⎝⎭⎝⎭⎣
⎦= （22） 实际平均指示压力（以全行程为准）
()()()()()''1''2.24218.410.950.121352118.40.98211
2.0346
i b a i p p p p Mpa εεεφ
ε-+--=-1
-+--=⨯-=
式中，φ ————示功图丰满系数，φ=0.98 （23） 指示油耗
()
()
66
12.54100.8710.161812.541028.9628.960.871318 2.034697.69v k
i k i p g
g Kw h LT p g
Kw h η⨯⨯⨯=⨯⨯=
•⨯⨯⨯=•
（24） 指示效率
33
3600103600100.87197.6942286.68
i i u g H η⨯⨯===⨯
（25） 增压器中绝热压缩功
()1000.2861005.210.121351005.229310.101342.2078k k k TkS p W T p kJ kg kJ kg
-⎡⎤⎛⎫⎢⎥
=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎡⎤
⎛⎫=⨯-⎢⎥ ⎪
⎝⎭⎢⎥⎣⎦
= （26） 增压器中绝热效率
()
()10.286
00.444100.12135110.10130.620.12135110.1013k k
k kS TkS
k k
k k p p T T p p η--⎛⎫⎛⎫-- ⎪ ⎪∆⎝⎭⎝⎭=-=
==∆⎛⎫⎛
⎫-- ⎪ ⎪⎝⎭⎝
⎭
式中，k-------比热容比，k =1.4，
1 1.41
0.2861.4
k k --==;k n ------多变指数， 1.8k n =，1 1.81
0.4441.8
k k n n --==。

（27） 增压器实际压缩功
42207.83
70.9140.620.96
TkS
Tkp TkS mk
W W kJ kg kJ kg ηη=
=
=⨯
式中，TkS η-----增压器机械效率，mk η=0.96 （28） 增压器的相对作功率
3
070913.7
0.1016'42743.34100.444
28.9614.335 1.65 1.15
Tkp k u i AW H L αδηαϕ=
==⨯⨯
⨯ 3.3柴油机有效效率
（29） 柴油机总机械效率 0.8710.10160.7694mE k ηηδ=-=-=
式中，0.871mE η= ；k δ-------增压器相对功率；0.1016k δ= 。

（30） 柴油机平均有效压力
2.03460.7694 1.5654e i m p p Mpa Mpa η==⨯=
（31） 柴油机有效油耗
()()97.69
126.970.7694
i
e m
g g g kW h g kW h η=
=
•=• （32） 有效功率
0.4440.76940.342e i m ηηη==⨯=
（33） 活塞形成容积比例尺200A mm = 代表s V 3m ;
压力比例尺3B mm =代表0.1Mpa 。

压缩容积：'
11.51
A
A ε=
=- 'ε=18.4 代表c V 3m 压缩终点压力：85.44256.32B ⨯= 代表c p Mpa 压缩始点容积189L mm = 代表a V Mpa 压缩始点压力 1.12135 3.36B ⨯= 代表a p Mpa 最大压力的容积 '
2001
A
mm ρ
ε=- 代表 a V ，3m 计算压缩曲线ac 上各点压力，即
1
1 1.362n n a a a V p p p x V ⎛⎫
=== ⎪⎝⎭
式中，a V x V =，在1至'ε之间选定。

计算膨胀曲线zb 上各点压力，即
2
2 1.00325n n a b b V p p p x V ⎛⎫
=== ⎪⎝⎭ 式中，x 在1至δ之间选定。

根据以上两式，计算出压缩曲线和膨胀曲线各点坐标参数兵列表如下:
表3-1
序号 e V x V
=
V mm 1n x
压缩线上的P mm
2n x 膨胀线上的P mm
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
189 94.5 63.0 47.3 37.8 31.5 27.0 23.6 21.0 18.9 17.2
1 2.57 4.47 6.61 8.95 11.48 13.
2 17.0 19.9 23.0 26.2
3.36 8.6 15.0 22.2 30.1 38.6 4
4.4 57.1
1 2.00 3.01 4.0
2 5.0
3 6.0
4 7.04 8.0
5 9.06
28.46 38.7 63.5 90.18 118.6 171.9 200.4 229.1 257.8
根据上表画出示功图
图3-1 6120型柴油机计算示功图
Fig.3-1 Table of 6120 diesel engine calculate exploit show
4活塞销的受力分析
活塞受力分析：
曲轴在10度转角时产生最大爆发压力，如图所示： 60⨯sin10=200⨯sin α 所以sin=60⨯0.1736/200=0.0521 所以α=3度
图4-1 Fig..4-1
()260104g j g F F F D P P π=+=⨯⨯-⨯)(2cos cos2j m R ϖϕλϕ-+
)()
(266
323.141208.60.11010 2.1286010136.070.98480.30.93974
--⨯⨯-⨯⨯=
-⨯⨯⨯⨯-+⨯ 96084166297746N =+=
其中：D ——活塞直径 R ——曲轴半径 mj ——往复运动质量 连杆比λ=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min 170o ϕ=
曲轴转速22 3.141300
136.0760
60n
rad s
πϖ⨯⨯=== 对活塞销的校核：
1、画出活塞销的Q 、M 图
图4-2
Fig. 4-2
活塞销外径44mm ，内径do=0.25d=11mm
3
43
443.14441323210.25D d W D π⎡⎤⨯=-=⎥⎢⎦⎡⎣⎤⨯-⎦⎣
=98326.0310-⨯
选活塞销材料为45号钢，调质处理，得2
600B N
mm δ=
6
29
168410202.256008326.0310
M N mm W β--=
=⨯=<⨯ 所以该活塞销符合强度。

5活塞的加工工艺
表5-1活塞加工工艺过程
Tablet.5-4 piston machining technics process
参考文献：
［1］刘达利,齐丕骧编著.新型铝活塞.北京:国防工业出版社，1999.8（专著）
［2］刘永长主编.内燃机原理.武汉：华中科技大学出版社，2001.6 （专著）
［3］吴建华，常绿主编.汽车发动机原理.北京：机械工业出版社，2005.7（专著）
［4］甘永立主编.几何量与课程设计.上海：上海科学技术出版社，2005.7（专著）
［5］陆耀祖主编.内燃机构造与原理.北京：中国建材工业出版社，2004.1（专著）
［6］李凤平等主编.机械图学.沈阳：东北大学出版社，2003.9（专著）
［7］唐大放等主编.机械设计工程学. 徐州：中国矿业大学出版社，2001.9（专著）［8］单辉祖编.材料力学. 北京：高等教育出版社，2004.4（专著）
［9］刘希恭主编.微型汽车零部件及代换手册.天津:天津科学技术出版社,2000.2（专著）［10］曾东建主编.汽车制造工艺学.北京:机械工业出版社,2005.9（专著）。