480柴油机的活塞的设计.doc

1、 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 1 第一章 绪论 1 我国柴油机的发展状况及趋势 从建国初期开始，我国柴油机得到了长足的发展。 1959 年农业机械部成立， 对我国柴油机的规划与发展起了重要作用。这一时期中，上海柴油机厂试制成功 了可与汽车、工程机械、船舶、农业机械、发电机等多种用途配套的 135 系列柴 油机。 在大功率柴油机方面，我国自行设计了 12V180 型机车用柴油机、 6250Z 型 增压柴油机（用于发电与船舶）以及 6300 系列柴油机（用于船用、发电、排灌）。 在废气涡轮与增压柴油机方面： 1958 年新中动力机厂研制成功我国第一台 轴流 式 T250X 型排气涡轮增压

2、器及 882kW 的 8L350Z 型柴油机，之后有关单位 先后研制成功 10 号径流式增压器（配 6135 型柴油机）和 12 号径流式增压器（配 6160 型柴油机）。 1966 年开始的文化大革命使柴油机工业遭到严重的破坏，基本停留在 20 世 纪 60 年代甚至倒退到 50 年代的水平，与此同时国外技术迅速发展，从而拉大了 我国柴油机工业与世界先进水平的差距。 这一时期我国柴油机发展的鼎盛时期，引进和开发的新产品种类繁多，其主要代表产品有南汽生产配依维柯Sofim8140.01 柴油机；一 汽集团公司大连柴油机厂、无锡柴油机厂的CA498ACA4110A、 CA6110A、 CA611

3、3 型柴油机；玉林柴油机厂、湖南动力机厂、柳州机械总厂的 6105 Q 柴油机、朝阳柴油机厂 100、 102 等系列柴油机；第一拖拉机厂 R100 系列柴油机；上海柴油机厂 D6114、 3300B 系列柴油机；江铃、庆铃的 4JB1 柴油机；潍坊柴油机厂和杭州汽车发动机厂的 WD615 系列柴油机；重庆康明斯发动机公司的 N.K.L 系列柴油机；陕西柴油机厂 12PC2 5V 型柴油机；上海船厂 8RTA52U 柴油机；上海 FM 公司 的 P7 泵；无锡动力机厂的 Holset H 系列增压器；无锡欧压柴油机喷射有限公司的 P 系列孔式喷油器。此外，还有许多工厂生产各种类型柴油机和多种型

4、号小型单缸柴油机，难以一一列举。 近百年来，我国柴油机取得了长足的进步，截止 2001 年底，我国柴油机的 品种、数量与质量可满足国民经济日益增长的需求。但与国际先进水平相比，在 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 2 性能、质量与可靠性以及自主开发能力方面还有很大差距，为了控制排气对空气 的污染，从而有力推动我国采用多气门、增压、排气再循环、高压喷射与排气后 处理技术的柴油机的发展。 2004 年全国 共生产了 1118.35 万台柴油机、其中单缸柴油机 879.98 万台， 多缸柴油机 236.51 万台，中低速柴油机 1.86 万台。 据权威部门预计到 2010 年单缸柴油机市场需求可

5、能在 600-700 万台左右。 从长远发展来看，单缸柴油机必须考虑开发新一带单缸柴油机，对单缸柴油机要 求是质的提升，而不是量的增加。 其中，风冷柴油机的用途非常广泛。小型风冷单缸柴油机的主要用途有：小 型拖拉机，农用运输车，小型发电机组，水泵机组，小型工程机械，空压机，内 河船舶及农副产品加工（脱粒机，碾米机，磨粉机等）的动力装 置 柴油机 是节约能源的一种燃油型动力机械，具有热效率高（较汽油机提高40%），功率大，可靠性和耐用性好，维修方便，费用较低等优点。随着柴油机制造技术的提高，柴油机的一些不足之处有了较大的提高，如：发动机难启动（尤其在寒冷的天气），发动机反应粘滞，噪声高以及冒黑烟

6、等。为满足消费者和日益苛刻的环保法规的需求，现代柴油机大量采用新技术。如增压技术的进步和工作过程的改善，单位活塞面积功率不断提高。 现代柴油机应该在减少 PM（颗粒物）和 NOX（氮氧化物）排放量的同时，不断改进其可操作性和耐用性，大量采用电 子设备，降低操作和维修的综合费用。内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，在经历了超过一个世纪的发展之后，它的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性以及排污方面还在不断地改进。新材料的出现导致内燃机可以进一步减轻质量、降低成本和热损失，综合了汽油机和柴油机的优点的缸内直喷式汽油机、均质混合气压缩燃烧发动机、各种代用清洁燃料发动机等将会有很好的应用前景。这

7、些都对内燃机工作者提出新挑战。 2 零部件中的基本问题 1） 受力问题 2） 磨损问题 3） 热负荷问题 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 3 第二章 活塞组 1 概述 活塞组由活塞、活塞销、 活塞 环等零件组成，其主要功用是： 1） 组成燃烧室，承受燃烧作用力，并把它传给连杆。 2） 密封气缸，防止燃气泄露及滑油窜入燃烧室。 3） 将活塞顶部接受的热量传给汽缸壁，进而传至冷却介质。 4） 将连杆的侧压力传给汽缸壁。 2 活塞组的设计 2.1 活塞组的设计要求 1） 在保证强度和刚度，以及散热良好的前提下，应尽量降低活塞高度，减轻活塞质量。 2） 保证密封性良好，并尽量减少磨损损失。 3）

8、 减少活塞顶吸收的热量，已传给活塞的热量应尽量散掉，保证活塞温度不超过允许极限，目前铝活塞某些部位的问题不得超过下类数值： 活塞顶 375 第一道环槽 180 220 活塞顶内表面 250 振动冷却油腔内侧 220 活塞销座 180 4） 保证导向部分润滑可靠同时又需防止润滑油上窜，尽量降低润滑油消耗 量。 5） 耐磨性好，尤其是第一道环槽。 6） 活塞裙部与汽缸壁的接触面积要尽可能大，但又要防止活塞拉毛和卡死。 7） 活塞与气缸的配合间隙小，以减少对气缸的撞击和噪声，以及使变工况适应性好。 8） 抗拉缸性能强。 9） 易于制造，成本低。 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 4 2.2 活塞

9、的分类 活 塞 整体活塞 组合活塞 铝 活 塞 钢铁铝裙活塞 铸铁活塞 铸铁顶铸裙活塞 钢顶铸铸铁活塞 铸铁顶铝裙活塞 不冷却的普通铝活塞 喷油冷却的铝 活 塞 镶 钢 片 铝 活 塞 蛇型管冷却的铝活塞 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 5 第三章 活塞组的设计过程 3.1 活塞头部设计 3.1.1 活塞顶形状 活塞顶形状主要根据燃油系统的要求进行设计，而活塞的热 负荷也是选择燃烧系统的重要依据之一。 3.1.2 活塞头部截面形状 图 2-1 活塞头部截面形状对温度分布的影响 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 6 图 2-2 热流型活塞 活塞截面形状影响活塞的热流及温度分布（图 1）

10、。铝活塞的头部常设计成导热良好的“热流型”（图 2），即根据活塞的热流通路，采用大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞头部的温度得到降低。温度降低的 同时也有利于消除应力集中，可提高活塞的承载能力。 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 7 图 2-3 活塞头部设计改进示例 3.1.3.解决活塞头部裂纹的措施 1） 合理设计活塞头部形状，降 低活塞顶面的机械应力，使顶面应力状态在疲劳极限的 范围以内（图 4）。 图 4 活塞顶面应力及其疲劳极限图 2） 避免加工尖角，采用较大的过渡圆角，以消除应力集中。（图 4） 3） 降低活塞热负荷，提高铝合金的疲劳极限，使

11、顶面的应力状态处在安全范围之内。 4） 在燃烧室喉口铸入镍合金护圈，护圈可通过三条筋与环槽镶圈连接，并铸成一体。 3.1.4 减轻第一道环槽热负荷的措施 1） 选用活塞热负荷较小的燃烧系统。 2） 将活塞头部设计成导热良好的“热流型”。 3） 适用加大顶岸高度。 4） 使第一道活塞环的位置处于冷却良好的区域。 5） 减小活塞头部与气缸套的配合 间隙。 6） 在活塞顶部喷镀陶瓷或进行硬膜阳极氧化处理，以增加热阻，减少传入活塞的热量。 7） 对活塞进行冷却，并合理布置冷却油腔的位置，使冷却腔有效地隔断热流，提高第一道环槽的冷却效果。 3.1.5 提高环槽耐磨性的措施 江苏大学 2008 届 本科毕

12、业论文 8 1） 采用镶环座：注意材料，环座截面积的形状，以及环座的综合工艺 2） 采用耐磨环 3） 环槽上、下表面镀硬铬 4） 环槽上、下表面淬硬 3.2 活塞销座的设计 3.2.1 销座结构 1） 单筋销座 （图 5） 2） 双筋弹性销座（图 5） 3） 宽型整体支承筋的刚性销座（图 5） 4） 斜面销座和阶梯销座 (图 5) 5） 镶衬套的销座（图 5） 图 2-5 销座 结构 3.2.2 提高活塞销座抗裂能力的措施 1） 将销孔内缘加工成圆角、倒角或销座设计成弹性结构，以减少销孔内边缘的应力集中。（图 6） 江苏大学 2008 届 本科毕业论文 9 图 2-6 销孔边缘形状对应力集中的

13、影响 2） 提高活塞的刚度，减少活塞销的变形。 3） 选用韧性较好的活塞材料。（图 7） 图 2-7 活塞材料和结构对销座抗裂能力的影响 4） 在铸造铝活塞销孔中压入锻铝衬套。 5） 适当加大活塞销与销座的配合间隙，要求冷态就有间隙，但要防止间隙加大使噪声过分增高。 3.2.3 销座轴承的润滑 浮式活塞销在销孔中有相对转动，故要求对销孔进行润滑。如果销孔表面温度过高或比 压过高，使润滑油膜破坏，可能引起活塞销咬住。（图 8） （参考图 6） 3.2.4 销座与连杆小头的端面间隙 销座与连杆小头的端面间隙与连杆的定位方式有关： 连杆小头定位 0.3 0.85mm 江苏大学 2008 届 本科毕业

14、论文 10 连杆大头定位 2 5mm 3.3 活塞裙部及其侧表面形状的设计 3.3.1 下裙结构 近代高速柴油机力求结构紧凑，总是尽量缩短连杆长度，但此时需避免活塞裙部与曲轴平衡块或机体的主轴承座圈相碰，所以一般将裙部下端铅去 两块，这种裙部既面干涉，又使活塞质量减少，并不影响活塞的导向长度。为增强裙部刚性，可在下裙内侧设置环形加强筋。裙部与曲轴平衡重之间的最小间隙可参考下列数值选取： 最小间隙（ mm） 不加工的裙部与不加工的平衡块 3 4 加工的裙部与不加工的平衡块 2 2.5 不加工的裙部与加工的平衡块 2 2.5 加工的裙部与加工的平衡块 1 1.5 3.3.2 裙部椭圆 活塞在气体压力和侧压力作用下的变形，以及活塞温度 场的不均匀而产生 的热变形，均时活塞裙部沿活塞销轴向方向变长，而气缸产生的是沿 销轴方向缩短的椭圆变形。 (图 9)为了适应这种变形，需采取一定的措施，以保证活塞有足够的承推面积，和防止活塞被拉毛或过渡磨损。所用措施有： 1） 将裙部加工成椭圆（图 10）。 2） 将销座附件的裙部外侧部位设计成凹陷，凹陷深 0.4 0.8mm，主要用在小型农用柴油机的铝活塞上。