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活塞设计说明书

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2020年4月19日
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汽油机活塞设计说明书

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一、活塞设计要求

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，并将燃烧气体压力经过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。另外，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。
本次课程设计的目的是设计四冲程汽油机的活塞，根据某些现有发动机的参数，确定活塞直径D=73mm。
二、活塞材料
活塞材料常见灰铸铁和铝合金，然而由于铸铁材料密度大，产生的往复惯性力也很大，因此当前只用于大中型、低速柴油机上，故采用铝合金活塞。
为了使活塞拥有较好的热导率、高温强度、可锻性以及较小的热膨胀系数，因此才用铝硅铜合金。
三、活塞的结构设计
活塞按部位不同能够分为顶部、头部和裙部。

1.活塞顶部设计
活塞顶部形状对于四冲程内燃机取决于燃烧室形状，一般有平顶、凸顶和凹顶，此处选用平顶活塞。
活塞顶的厚度δ是根据强度、刚度及散热条件来确定，在满足强度的条件下δ值尽量取小。对于铝合金材料的活塞δ值，汽油机为（0.06~0.10）D,柴油机为（0.1~0.2）D。
则：δ=（0.06~0.10）*73=（4.38~7.3）mm
取δ=5.00mm
2.活塞头部设计
2.1设计要求
活塞头主要功用是承受气压力，并经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H1缩短1单位，整个发动机高度就能够缩短2~5.1单位，并显著减轻活塞重量。而H1则直接受头部尺寸的影响。
2.2压缩高度H1的确定
压缩高度为活塞销中心到活塞顶的高度，压缩高度H1是由火力岸高度h1、环带高度h2和上裙高度h3构成的,即：
H1= h1+ h2+ h3
在保证气环有较好的工作条件的前提下，应该尽量缩短压缩高度。
2.2.1火力岸高度
为了尽可能地缩小压缩高度H1，则火力岸高度h1也要尽量地取小，对于一般汽油机而言，火力岸高度：h1=（0.06~0.08）D，即此处火力岸高度h1=（0.06~0.08）*73=（4.38~5.84）mm，取h1=5.5mm。
2.2.2环带高度
该发动机采用三道活塞环，其中2道气环，1道油环。在小型高速内燃机上，一般气环高b=2~3mm，油环高b=4~6mm,取b1=3mm，b2=3mm，b3=4mm。
环岸高度主要根据机械强度来确定，由于第一环岸承受的气压力较大且工作温度较高，故其高度往往可稍大于其它环岸。第一环岸高度c1=2~4mm，取c1=4mm。
又c2=（1~2）b1=3~6mm，且小于c1，则取c2=3mm
因此，环带高度h2= b1+ b2+ b3+ c1+ c2 =3+3+4+4+3+=17mm。
2.2.3上裙高度
压缩高度最后由上裙高度来确定，对于一般汽油机而言，
H1=（0.45~0.6）D=（0.45~06）*73=32.85~43.8mm
因此能够先确定压缩高度再确定上裙高度，
取压缩高度H1=40mm
则h3= H1- h1- h2=40-5.5-17=17.5mm
2.3活塞头部侧壁
活塞头部需要安装活塞环，因此侧壁必须加厚以保证强度等要求，一般而言侧壁厚为（0.05~0.1）D=（0.05~0.1）*73=3.65~7.3mm，取壁厚为6.5mm。
活塞侧壁与顶部之间要采用较大的过渡圆角，一般去圆角半径为（0.05~0.1）D=（0.05~0.1）*73=3.65~7.3mm，取圆角半径为5mm。
3.活塞裙部设计
发动机运转时，正圆形的裙部与气缸在活塞销方向上经常发生拉毛现象，主要是由于活塞侧向力、活塞顶爆发力和惯性力联合作用以及温度升高引起的热膨胀导致裙部横截面变成“椭圆”形。
为了防止裙部变形，能够进行反椭圆设计，选择膨胀系数小的材料（比如本次课程设计所选择的铝硅铜合金材料）、采用绝热槽隔离活塞顶传下的热量、销座采用恒范钢片等等。
如若采用反椭圆设计，在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线方向上，短轴平行于销轴方向的椭圆形。常见的椭圆形状是按下列公式设计的：
△θ=(1-cos2θ)
缸径小于100mm的裙部开槽的活塞，椭圆度（△）的大小，一般为0.1~0.25mm，取△=0.2mm。

D=73，则d=D-△=73-0.2=72.8mm，则裙部椭圆长短轴分别为73和72.8，由此可用绘出椭圆形状。

活塞裙部其余各尺寸可根据下列公式算出：
裙长H2=（0.6~0.8）D=（0.6~0.8）*73=43.8~58.4mm，取H2=55mm
销孔高度h4=（0.45~0.55）D=（0.45~0.55）*73=32.85~40.88=35mm
活塞销直径d=（0.25~0.3）D=（0.25~0.3）*73=18.25~21.9=20mm
销座间距B’=(0.35~0.4)D=(0.35~0.4)*73=25.55~29.2=28mm
三、活塞的结构设计
1.活塞销的材料
活塞销材料为低碳合金钢，表面渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。表面加工精度及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。
2.活塞销的结构
活塞销的结构为一圆柱体，为减小质量以及有效地利用材料，一般活塞销都制成空心。
对于一般发动机而言，活塞销的固定方式采用浮式销，为防止浮式销在活塞销座内发生轴向窜动，可采用挡圈结构来固定。
3.活塞销的尺寸
活塞销外直径d已经确定为20mm，活塞销内径d’=(0.65~0.75)d=(0.65~0.75)*20=13~15mm=14mm。
活塞销长度l=(0.8~0.9)D=(0.8~0.9)*73=58.4~65.7mm=60mm。
四、活塞成果图

活塞ug工程图

活塞ug三维模型