0075-活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝設(shè)計(jì)
0075-活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝設(shè)計(jì),活塞,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),加工,工藝,設(shè)計(jì)
課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、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)說明書一份(包括零件圖分析、定位方案確定、定位誤差計(jì)算等內(nèi)容;最好能寫出整個(gè)工藝過程)四、進(jìn)度安排:第一周: 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書籍,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: 繪圖并書寫說明書。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)說明書。五、總評(píng)成績(jī)及評(píng)語: 指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月 目 錄前 言11活塞的概述21.1活塞的功用及工作條件21.2活塞的材料21.3活塞結(jié)構(gòu)21.3.1活塞頂部21.3.2活塞頭部31.3.3活塞裙部32活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)43活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算53.1熱力過程計(jì)算53.2柴油機(jī)的指示參數(shù)83.3柴油機(jī)有效效率104活塞銷的受力分析115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)?;钊莾?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,通過這次課程設(shè)計(jì),要求熟練掌握并能在實(shí)際問題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過程。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?;钊莾?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)1416MPa。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,活塞銷座開裂,活塞側(cè)部磨損等。由此可見,活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度,而且質(zhì)量要輕?;钊敳恐苯优c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。活塞頭部有足夠的厚度,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=0.91.4 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熱力過程計(jì)算充氣過程系數(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1234567891011123456789101118994.563.047.337.831.527.023.621.018.917.212.574.476.618.9511.4813.217.019.923.026.23.368.615.022.230.138.644.457.112.003.014.025.036.047.048.059.0628.4638.763.590.18118.6171.9200.4229.1257.8根據(jù)上表畫出示功圖圖3-1 6120型柴油機(jī)計(jì)算示功圖Fig.3-1 Table of 6120 diesel engine calculate exploit show4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=200sin 所以sin=600.1736/200=0.0521所以=3度圖4-1Fig.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=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min 曲軸轉(zhuǎn)速 對(duì)活塞銷的校核:1、畫出活塞銷的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110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44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120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110精基準(zhǔn):外圓面環(huán)槽端平面車床專用夾頭6精車:環(huán)槽外圓面頂面精基準(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: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
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活塞
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