课程设计活塞设计新Word文档格式.docx
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及转矩特性应满足汽车或其他工作机械动力性要求，并具有优越
的瞬态响应特性。
环境方面：
有害物的排放和运行噪声要尽可能
的低。
燃油经济性要求：
特别注意在部分负荷特性和低转速下的
燃油经济性，以及在瞬态工况下的经济性。
为了能够正常工作，
内燃机还必须具备尽可能高的工作可靠性能和足够的使用耐久
性能。
结构方面，要求结构紧凑、自身的质量要轻、方便发动机
的布局。
制造工艺性要好，制造成本要尽可能低，努力追求发动
机产品的系列化和零部件的通用化。
此外，还必须具备良好的起
动性能，瞬态响应速度快，运行平顺等使用性能。
1．2选用原则
型式：
立式、直列、水冷、四冲程。
特点：
冷却较均匀，热负荷低，充气效率、平均有效压力及升功
率较高。
气缸冷却效率高，机油消耗率低。
柴油机体积较小，机
体刚性好，机油温度低、且使用寿命长。
工作过程易于组织，低
速性能好，可在较宽广的转速范围内获得良好的性能，燃油消耗
率低。
燃油喷射系统转速较低，便于设计制造，寿命较长。
起动
性能较好。
但是，冷却系统对环境温度变化适应性较差，且结构
复杂，造价高，保养困难。
配气机构噪声较高，结构复杂，且制
造费用较高。
2.标定工况工作过程及热力计算和示功图绘制
2.1实际循环热力计算
2.1.1热力计算的目的
（1）对柴油机的动力性能和经济性能参数起一定的校核作用，
供柴油机主要热力参数之间相互关系的简单计算方法。
（2）提供在设计阶段零部件强度计算的依据。
（3）为柴油机的性能改进提供初步的理论依据。
2.1.2热力计算的方法
简单计算法。
2.2重要参数选取
型式
立式、直列、水冷、四冲程
缸径×
行程
95×
105
气缸数
4
压缩比
17.5
各缸工作顺序
1-3-4-2
最高燃烧压力[bar]
130
额定功率/转速[Kw/rpm]
66KW/3000r/min
曲柄半径mm/连杆长度[mm]
52.5/175
大气平均压力[kpa]
98.39
大气平均温度[k]
293
中冷器后空气温度[k]
318
增压器压比
2
燃烧室型式
ω型
燃料低热值[KJ/kg]
42500
单缸活塞组质量[Kg]
1.277
连杆组质量[Kg]
1.500
用途
轻型货车
2.2.1压缩比
选取压缩比为n=17.5:
1。
n=17.5
2.2.2过量空气系数
选取过量空气系数=1.7。
=1.7
2.2.3扫气系数
选取扫气系数为=1.2。
=1.2
2.2.4残余废气系数
因为=1.2，所以选取残余废气系数=0。
=0
2.2.5进气温升
选取进气温升=10k
=10k
2.2.6热量利用系数
选取热量利用系数=0.82。
=0.82
2.2.7示功图丰满系数
查看柴油机设计手册上第106页，选取=0.92。
=0.92
2.2.8机械效率
查看柴油机设计手册上第107页，选取=0.81。
=0.81
2.2.9平均多变压缩指数
查看柴油机设计手册上第103页，选取=1.35。
=1.35
2.2.10平均多变膨胀指数
查看柴油机设计手册上第104页
选取平均多变膨胀指数=1.24。
=1.24
2.3燃料燃烧化学计算
2.3.1理论空气量的计算
1kg燃料完全燃烧理论上所需空气量为
=0.495（kmol/kg）
1kg10号轻柴油完全燃烧理论上所需空气量为14.3kg
进气充量公斤摩尔数为
2.3.2理论分子变化系数
2.3.3实际分子变化系数
2.4燃气过程参数的确定与计算
已知
增压后进气压力
选取进气压力损失
所以进气系统压力
2.4.1压缩始点的气体状态
压缩始点的温度=318+10=328K
压缩始点的压力=0.95*0.1938=0.1841MPa
2.4.2压缩终点气体状态
压缩终点的压力
压缩终点的温度:
2.3.3燃烧过程及燃烧终点气体状态
压力升高比取
定容燃烧点y的温度：
最高爆发压力
燃料低热值Hu=42500kj/kg=10140kcal/kg
Hu=10140kcal/kg
假定tz=1700℃查表3-3得燃烧始点c时空气及废气的平均定压
摩尔比热
（μcp）m=7.264kcal/kgmol°
C（μcp2）m=8.447kcal/kgmol°
C则
求得≈1697℃≈1700℃
满足如下图3-2所示图形
取
气缸的工作容积
燃烧室容积
燃烧终点z的气缸容积
所以初期膨胀比ρ=Vz/Vc=0.0795/0.0451=1.763
ρ=1.763
2.4.4膨胀终点气体状态
膨胀终点压力
膨胀终点温度：
所以℃
2.4.5排气温度的计算
查表3-3、3-4得平均定压摩尔比热
因为，查表3-3、3-4得平均定压摩尔比热
当取，查表3-3、3-4得平均定压摩尔比热
求得=598.123°
C，与600°
C接近，所以相符。
2.3.6示功图的绘制
如下图：
2.5发动机性能参数
2.5.1平均指示压力
理论平均指示压力：
求得=1.7165MPa
=1.7165MPa
实际平均指示压力：
2.5.2平均有效压力
2.5.3有效功率
2.5.4充量系数
=0.977
2.5.5指示热效率
2.5.6有效热效率
2.5.7燃油消耗率
有效燃油消耗率
2.4.7发动机总进气量
空气气体常数
增压四冲程柴油机的扫气系数
进气流量
3.活塞位移、速度、加速度随曲轴转角变化曲线
曲柄半径=52.5mm，连杆长度
=52.5mm
发动机转速n=3000r/min曲轴转速,
连杆比
n=3000r/min
活塞位移近似式
活塞速度近似式
活塞加速度近似式
可得活塞位移、速度、加速度随曲轴转角变化曲线如下图
4气缸侧击力、连杆力、曲柄销切向力，径向力、活塞销合力
4.1气缸侧击力N
气体作用力
往复惯性力
气缸侧击力
4.2连杆力S
4.3曲柄销切向力T径向力K
4.4活塞销合力P
活塞销合力、侧击力、连杆力、曲柄销切向力、径向力随曲轴转
角的变化曲线。
5活塞设计及强度校核
5.1活塞销参数的选取
d=29mm
活塞销外径d=29mm内径=13mm长度l=78mm
=13mm
连杆小头厚度b=35销座距离=38mm
l=78mm
a=58mmb=38mm
b=35
5.2活塞销参数的校核
=38mm
（1）弯曲变形
a=58mm
b=38mm
符合要求。
（2）椭圆变形
（3）纵向弯曲应力
=
（4）横向弯曲应力
（5）总应力
5.3活塞参数的选取
H=97mm
1.活塞总高度H=97mm2.压缩高度
3.裙部长度
4.群部高度5.顶板厚度δ=14mm
6.火力岸高度h=10mm
7．第一环岸高度第二环岸高度
δ=14mm
8.活塞环数目：
2个气环，1个油环
h=10mm
9.环槽尺寸：
气环槽
油环槽
选取系数K=0.006，t=3.5mm
10.裙部壁厚，取
5.4活塞的校核
（1）活塞顶:
机械应力
选用铝合金（有筋顶）满足要求。
（2）第一环岸
弯曲应力
剪切应力
总应力
选用铝合金满足要求。
（3）群部比压
估算
，满足高速柴油机要求。
（4）销座比压
<
400满足要求。
综上活塞的参数皆符合要求。
6.有限元分析
6.1实体模型的建立
6.2活塞受力分析
6.2.1活塞网格
6.2.2以活塞销座内孔为固定面，分别在活塞上施加最大气体作
用力，惯性力和侧击力，如下图所示；
6.2.3如下为分析结束后的变形图和应力图：
6.2.4以活塞顶为固定面，分别施加最大气体作用力、惯性力、
侧击力和连杆力，如下图所示：
6.2.5如下为分析受力结果：
6.3活塞计算分析
由以上分析得出：
活塞顶最大应力为，最大变形量为0.04mm；
第一环岸最大应力为，最大变形量为0.01mm；
裙部最大应力为，最大变形量为0.09mm;
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