文档介绍：100系列柴油机活塞设计
前言
活塞是发动机中的主要配件之一,它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组,与气缸盖等共同组成燃烧室,承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴,以完成内燃发动机的工作过程。由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境,又要考虑到发动机的运行平稳及耐用,因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度,导热性好,耐热性高,膨胀系数小(尺寸及形状变化要小),相对密度小(重量轻),耐磨及耐腐蚀,还要成本低。由于要求多而高,有些要求互相矛盾,很难找到一个能够完全满足各项要求的活塞材料。现代发动机的活塞普遍用铝合金制造,因为铝合金材具有密度小,导热性好的突出优点,但同时又有膨胀系数比较大,高温强度比较差的缺点,这些缺点只能通过合理的结构设计以满足使用要求。所以,发动机的质量优劣,不但要看采用的材料,同时也要看设计的合理性。
1活塞概述
活塞是发动机的“心脏”,承受交变的机械负荷和热负荷,是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力,并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转,活塞顶部还是燃烧室的组成部分。
活塞的工作条件
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触,瞬时温度可达2500K以上,因此,受热严重,而散热条件又很差,所以活塞工作时温度很高,顶部高达600~700K,且温度分布很不均匀;活塞顶部承受气体压力很大,特别是作功行程压力最大,汽油机高达3~5MPa,柴油机高达6~9MPa,这就使得活塞产生冲击,并承受侧压力的作用;活塞在气缸内以很高的速度(8~12m/s)往复运动,且速度在不断地变化,这就产生了很大的惯性力,使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作,会产生变形并加速磨损,还会产生附加载荷和热应力,同时受到燃气的化学腐蚀作用。
活塞的功用
活塞的功用是承受气体压力,并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转,活塞顶部还是燃烧室的组成部分。
活塞的结构
一般活塞都是园柱形体,根据不同发动机的工作条件和要求,活塞本身的构造有各种各样,一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。
     头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求,顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积,使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞,有些发动机(例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机)为了混合气形成的需要,提高燃烧效率,将爆燃减少到最小程度,需要活塞顶端具有较复杂的形状,设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽,用于安装活塞环。活塞环的作用是密封,防止漏气和防止机油进入燃烧室。
活塞裙部是指活塞的下部分,它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态,也就是活塞的导向部分。
   活塞裙部的形状极有讲究,尤其是象轿车一类的轻型乘用车,设计者从发动机的结构和性能出发,常在活塞裙部上动脑筋,以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。
   活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分,位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上,可向一侧偏移一点点,即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移,这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少,从而减少了发动机噪声。
活塞的设计要求及材料选择
(1) 要有足够的刚度和强度,传力可靠;
(2) 导热性好,耐高压、耐高温、耐磨损;
(3) 质量小,重量轻,尽可能减小往复惯性力。
铝合金材料基本上满足上面的要求,因此,活塞一般都采用高强度铝合金,但在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。
2 活塞的结构设计
发动机型号: 100系列柴油机
活塞直径:D=100

顶岸高度

环带高度
采用三道环(其中两道气环,一道油环)
气环高度取5,油环高度取6
第一道环岸高度为7
第二道环岸高度略小于第一道环岸高度为5
环带高度
环区高度

上裙高度
三. 裙部长度

四. 活塞销直径与销座间距
1. 活塞销直径

2. 活塞销座间距

五. 活塞重量
活塞头部设计
一. 活塞顶形状与厚度
活塞顶选用
活塞顶厚度取
二. 活塞头部截面形状
椭圆形
活塞销座设计
采用镶衬套销座:销空压如断铝或青铜衬套,使得在不提高活塞销直径与重量的前提下,能提高销座的承载能力

活塞的强度计算
:
环境压力
环境温度
几何压缩比
有效压缩比
燃烧过量空