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課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 一、設(shè)計(jì)題目：活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝 二、設(shè)計(jì)參數(shù)：五十鈴6120、排量2.0L、為120135、轉(zhuǎn)速1300rmin 頂岸高度F、活塞銷直徑BO、裙長(zhǎng)SL、銷座間距A、總長(zhǎng)GL、最大爆發(fā)壓力、活塞銷校核 三、設(shè)計(jì)要求： 1用計(jì)算機(jī)繪制活塞總裝配圖一張（A1圖）、零件圖（加工工件）一張（A2圖） 2設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（包括零件圖分析、定位方案確定、定位誤差計(jì)算等內(nèi)容；最好能寫(xiě)出整個(gè)工藝過(guò)程） 四、進(jìn)度安排： 第一周： 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書(shū)籍，資料。 第二周： 對(duì)活塞進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。 第三周： 強(qiáng)度校核 第四周： 繪圖并書(shū)寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。 第五周： 應(yīng)用制圖軟件繪制零件圖及裝配圖并完善課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 五、總評(píng)成績(jī)及評(píng)語(yǔ)： 指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月 目 錄 前 言 1 1活塞的概述 2 1.1活塞的功用及工作條件 2 1.2活塞的材料 2 1.3活塞結(jié)構(gòu) 2 1.3.1活塞頂部 2 1.3.2活塞頭部 3 1.3.3活塞裙部 3 2活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù) 4 3活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算 5 3.1熱力過(guò)程計(jì)算 5 3.2柴油機(jī)的指示參數(shù) 8 3.3柴油機(jī)有效效率 10 4活塞銷的受力分析 11 5活塞的加工工藝 13 參考文獻(xiàn)： 14 課程設(shè)計(jì) 前 言 內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，是建立在主要零部件性能和壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上的，尤其是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率的增大和轉(zhuǎn)速的增加，零部件尤其是直噴式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境變得更加惡劣了。活塞的結(jié)構(gòu)直接影響活塞的溫度分布和熱應(yīng)力分布，因此就有必要對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。 活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，特別是坦克、艦艇和軍用車船用內(nèi)燃機(jī)活塞則要求更高，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)突出問(wèn)題。 本次課程設(shè)計(jì)的題目是發(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)，選擇利用合適的機(jī)床加工發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過(guò)程。 1活塞的概述 1.1活塞的功用及工作條件 活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件煤氣主要功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過(guò)活塞銷傳給連桿，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外作功。此外，活塞又是燃燒室的組成部分。 活塞是內(nèi)燃機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時(shí)作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時(shí)側(cè)壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開(kāi)裂，活塞側(cè)部磨損等。由此可見(jiàn)，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。 活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫必然會(huì)引起活塞材料的強(qiáng)度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。另外，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象。所以要求活塞應(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止過(guò)大的熱變形。 活塞運(yùn)動(dòng)速度和工作溫度高，潤(rùn)滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。 1.2活塞的材料 現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導(dǎo)熱性好（比鑄鐵大3-4倍），密度?。s為鑄鐵的1/3）。因此鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對(duì)改善工作條件減少熱應(yīng)力延緩機(jī)油變質(zhì)有利。目前鋁活塞廣泛采用含硅12%左右的共晶鋁硅合金制造，外加銅和鎳，以提高熱穩(wěn)定性和高溫機(jī)械性能。鋁活塞毛胚可采用金屬模鑄造，鍛造和液壓模鍛等方法生產(chǎn)。 為了提高鋁活塞的強(qiáng)度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對(duì)活塞進(jìn)行淬火和時(shí)效熱處理。 1.3活塞結(jié)構(gòu) 活塞按部位不同，分為頂部，頭部和裙部三部分。 1.3.1活塞頂部 活塞頂部是燃燒室的組成部分，其形狀與燃燒室形狀和壓縮比有關(guān)，一般有平頂，凸頂和凹頂三種。 1.3.2活塞頭部 活塞頭部是指由活塞頂部到油環(huán)下端面之間的部分。在活塞頭部加工有用來(lái)安裝氣環(huán)和油環(huán)的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。在油環(huán)槽的低部還加工有回油孔或橫向切槽?；钊^部有足夠的厚度，從活塞頂部到環(huán)槽區(qū)的斷面要盡可能的圓滑，過(guò)度圓角半徑應(yīng)足夠大，以減少熱流阻力，便于熱量從活塞頂部經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸壁，使活塞環(huán)的溫度不至于過(guò)高。 1.3.3活塞裙部 活塞頭以下的部分為活塞裙部，活塞銷座位于裙部。裙部起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。因此，活塞裙部的形狀保證活塞在氣缸得到良好的導(dǎo)向，氣缸與活塞之間在任何工況下都能保證均勻，合適的間隙，并有一定的承壓面積。 2活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)選取為6120型柴油機(jī)，參數(shù)設(shè)計(jì)參照《新型鋁活塞》 活塞缸徑D=120mm （一）壓縮高度KH=80mm （二）頂岸（第一環(huán)槽至活塞頂端距離）F=17mm （三）采用三道環(huán)（其中兩道氣環(huán)，一道油環(huán)） 氣環(huán)高度取5mm，油環(huán)高度取7mm 第一道環(huán)岸高度為6mm 第二道環(huán)岸高度略小于第一道環(huán)岸高度，為5mm （四）活塞銷直徑為BO=44mm 頂環(huán)槽寬為3mm （五）群長(zhǎng)SL=100mm 下裙長(zhǎng)為65mm （六）銷座間距AA=44mm （七）活塞重量 系數(shù)X=0.9—1.4 取X=1.23, (八)頂部厚度S=15mm 總長(zhǎng)=80+65=145mm 燃燒室 鋁的線性膨脹系數(shù)為 活塞頭部的最大溫度為350攝氏度，所以其變形量為 活塞裙部最大溫度為200攝氏度，所以其形變量為 3活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算 最大爆發(fā)壓力計(jì)算參考《內(nèi)燃機(jī)原理》 環(huán)境壓力 環(huán)境溫度 幾何壓縮比 有效壓縮比 燃燒過(guò)量空氣系數(shù) 參與廢棄系數(shù) 參與非其溫度 增壓空氣壓力 最大燃燒壓力 Z點(diǎn)熱利用系數(shù) B點(diǎn)熱利用系數(shù) 燃燒室掃其系數(shù) 燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 燃料低 3.1熱力過(guò)程計(jì)算 充氣過(guò)程系數(shù) 增壓器后空氣溫度： 式中，去增壓器內(nèi)平均多變壓縮指數(shù) （1） 壓縮始點(diǎn)溫度 式中，——新氣預(yù)熱度，=5K; ---比熱修正系數(shù)，=1.11 （2） 壓縮始點(diǎn)壓力 （3） 充氣系數(shù) （4） 平均多變壓縮指數(shù) （1） 式中，a，b—常數(shù)，對(duì)于空氣（忽略殘余廢氣），a= 19.26 ，b=0.0025 第一次試算，式（1）等號(hào)右端代入=1.37 , 第二次試算，式（1）等號(hào)右端代入=1.369, （5） 壓縮終點(diǎn)溫度 （6） 壓縮終點(diǎn)壓力 （7） 燃料燃燒所需理論空氣量 （8） 燃燒所需的實(shí)際空氣量 （9） 理論分子變化系數(shù) （10） 實(shí)際分子變化系數(shù) （11） Z點(diǎn)燒去的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) （12） Z點(diǎn)處分子變化系數(shù) （13） Z點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 式中， （14） b點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容 式中， （15） z點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定壓熱容 （16） 燃料發(fā)熱量 壓力升高比 （17） Cyz段的燃料燃燒公式，就最大燃燒溫度 簡(jiǎn)化后得 （2） 第一次試算，取式（2）等號(hào)右端的= 2000K 得 第二次試算，取式（2）等號(hào)右端的=2200K 得 第三次試算，取式（2）等號(hào)右端的= 2196K 得 最后取 膨脹過(guò)程參數(shù)： （18） 初膨脹比 （19） 后膨脹比 （20） 求多變膨脹指數(shù)及膨脹終點(diǎn)溫度，zb膨脹線上的后燃公式， （3） （4） 將式子（3）與式子（4）聯(lián)立，得 （5） 第一次試計(jì)算，取=2000K 得， 第二次試計(jì)算，取2189K 得， K 最后取 （23） 膨脹終點(diǎn)壓力 3.2柴油機(jī)的指示參數(shù) （21） 理論平均指示壓力（以有效行程為準(zhǔn)） （22） 實(shí)際平均指示壓力（以全行程為準(zhǔn)） 式中， ————示功圖豐滿系數(shù)，=0.98 （23） 指示油耗 （24） 指示效率 （25） 增壓器中絕熱壓縮功 （26） 增壓器中絕熱效率 式中，k-------比熱容比，=1.4，;------多變指數(shù)，，。 （27） 增壓器實(shí)際壓縮功 式中，-----增壓器機(jī)械效率，=0.96 （28） 增壓器的相對(duì)作功率 3.3柴油機(jī)有效效率 （29） 柴油機(jī)總機(jī)械效率 式中， ；-------增壓器相對(duì)功率； 。 （30） 柴油機(jī)平均有效壓力 （31） 柴油機(jī)有效油耗 （32） 有效功率 （33） 活塞形成容積比例尺 代表 ; 壓力比例尺代表0.1Mpa。 壓縮容積： =18.4 代表 壓縮終點(diǎn)壓力： 代表 壓縮始點(diǎn)容積 代表 壓縮始點(diǎn)壓力 代表 最大壓力的容積 代表 ， 計(jì)算壓縮曲線ac上各點(diǎn)壓力，即 式中，，在1至之間選定。 計(jì)算膨脹曲線zb上各點(diǎn)壓力，即 式中，x在1至之間選定。 根據(jù)以上兩式，計(jì)算出壓縮曲線和膨脹曲線各點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)兵列表如下: 表3-1 序號(hào) 壓縮線上的 膨脹線上的 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 44.4 57.1 1 2.00 3.01 4.02 5.03 6.04 7.04 8.05 9.06 28.46 38.7 63.5 90.18 118.6 171.9 200.4 229.1 257.8 根據(jù)上表畫(huà)出示功圖 圖3-1 6120型柴油機(jī)計(jì)算示功圖 Fig.3-1 Table of 6120 diesel engine calculate exploit show 4活塞銷的受力分析 活塞受力分析： 曲軸在10度轉(zhuǎn)角時(shí)產(chǎn)生最大爆發(fā)壓力，如圖所示： 60sin10=200sinα 所以sin=600.1736/200=0.0521 所以α=3度 圖4-1 Fig..4-1 其中：D——活塞直徑 R——曲軸半徑 mj——往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 連桿比λ=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min 曲軸轉(zhuǎn)速 對(duì)活塞銷的校核： 1、畫(huà)出活塞銷的Q、M圖 圖4-2 Fig. 4-2 活塞銷外徑44mm，內(nèi)徑do=0.25d=11mm = 選活塞銷材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，得 所以該活塞銷符合強(qiáng)度。 5活塞的加工工藝 表5-1活塞加工工藝過(guò)程 Tablet.5-4 piston machining technics process 工序號(hào) 工序名稱 定位基準(zhǔn)及技術(shù)條件 設(shè)備 工裝 0 毛坯鍛造 按活塞鍛造工藝進(jìn)行 1 粗車底面B止口φ110 粗基準(zhǔn)是毛坯外圓，金屬模液壓鍛造，壁厚均勻〔有的用內(nèi)腔做為基準(zhǔn)〕 車床 三角卡盤自動(dòng)定心 2 粗鏜活塞銷孔φ44 下端面B，內(nèi)止口及毛坯銷孔，活塞頂部壓緊 鏜床 鏜刀 3 粗車頂面C，圓φ120及環(huán)槽 下端面B內(nèi)止口銷孔處 半自動(dòng)車床，液壓、仿型、多刀 專用刀具 4 鉆銷座油空 頂面C定位下斷面 銷孔定位方向 臺(tái)鉆 鉆模 5 精車下端面B，內(nèi)止口φ110 精基準(zhǔn)：外圓面環(huán)槽端平面 車床 專用夾頭 6 精車： ①環(huán)槽 ②外圓面 ③頂面 精基準(zhǔn)：下端面B內(nèi)止口銷孔拉緊 仿型、多刀車床 專用刀具 7 精車燃燒室 基準(zhǔn)“統(tǒng)一原則”同工序6 車床 成形刀 8 銑裙部圓弧 外圓面活塞銷孔 專用銑床 銑刀 9 精細(xì)鏜活塞銷孔 頂面圓柱銷孔 專用鏜床 精鏜銷孔夾具 10 車鎖環(huán)槽 銷孔定位 車鎖環(huán)車床 鏜刀 11 液壓銷孔 銷孔定位 液壓銷孔車床 液壓器 12 精磨裙部外圓 外圓面定位 仿型磨床 參考文獻(xiàn)： ［1］劉達(dá)利,齊丕驤編著.新型鋁活塞.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1999.8（專著） ［2］劉永長(zhǎng)主編.內(nèi)燃機(jī)原理.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.6 （專著） ［3］吳建華，常綠主編.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.7（專著） ［4］甘永立主編.幾何量與課程設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.7（專著） ［5］陸耀祖主編.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004.1（專著） ［6］李鳳平等主編.機(jī)械圖學(xué).沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2003.9（專著） ［7］唐大放等主編.機(jī)械設(shè)計(jì)工程學(xué). 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.9（專著） ［8］單輝祖編.材料力學(xué). 北京：高等教育出版社，2004.4（專著） ［9］劉希恭主編.微型汽車零部件及代換手冊(cè).天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2000.2（專著） ［10］曾東建主編.汽車制造工藝學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.9（專著） 15