25kw四冲程汽油机发动机活塞设计课设说明书(编辑修改稿)

25kw四冲程汽油机发动机活塞设计课设说明书(编辑修改稿)内容摘要：

图 2 热力学平均有效压力校核 由热力学计算所绘制的示功图为理论循环的示功图，其围成的面积表示的是汽油机所做的指示功 iW 数值由对示功图积分后求得的面积来表示 其中 = 0. 3 , = 0. 09。 3 , = 15 M = 0. 03 , 8. 06。 , = 0. 40 4LMV PPaaaLV PPbabLMV cacV PPdad；。 212 21 1, = 1. 35, = 1. 30()()cbnznbV nPPVV nPPV 21V d V aiVc V bW dv dvPP 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 8 经过计算后得：  所以汽油机的平均有效压力： 其中 m —— 为汽油机的机械效率， =mn。 所给定的结果满足设计要求（ Pme＝ ～ ， Pe＝ 45kw） ， 所以校核合格。 4 运动学计算 活塞位移 根据活塞的运动规律，计算出活塞的位置随曲轴转角的变化规律： 其中  —— 为曲柄半径和连杆长度的比，根据设计书的要 求，取  = r—— 为曲轴半径， 70 / 2 35r mm 根据运动规律绘制活塞位移随曲轴转角关系图见图 3： 图 3 活塞位移随曲轴转角关系       CosCosrX 141** 3 1 1 .3 * 0 . 8 7 1 .0330 . 2 7 10immesWJP M p aV m  武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 9    22 Si nSi nrV23 0 2nrV S in S in  活塞瞬时速度 根据活塞的位移规律，对曲轴转角  求倒得到活塞的瞬时速度 V随曲轴转角  的变化规律： 又因为 =30nw ，所以 ， .， .\wo 取 n=3000r/min，计算数据见附录，绘制的图见图 4： 图 4 活塞速度随曲轴转角关系 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 10 活塞的加速度、最大加速度 根据活塞的瞬时速度规律，对曲轴转角  求倒得到活塞的加速度 V随曲轴转角  的变化规律：   22 C o sC o srj  ， =30nw  取 n=3000r/min，计算数据见附录，绘制的图见图 5： 图 5 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 11 5 力学计算 气体压力：由 P～ V 图转化为 P～α图 随着曲轴转角的变化，缸内的气体压力也会随之发生变化。 将热力学计算中的 VP  图转化为 P 图 ，即气缸内气体压力随曲轴转角的变化规律。 0~180 度为进气行程，汽缸内的气体压力在理论循环下基本可以认为是一恒定值且小于大气压力； 180~360 度为多边压缩行程，汽缸内的气体压力可由绝热方程求出； 360~540 度为多变的膨胀过程，汽缸内的气体压力可由绝热方程求出； 540~720 度为排气行程，可以认为汽缸内的气体压力是均匀下降至  01~ P。 由于已知了曲轴转角α和活塞位移 X 的关系式，又因 253+10 4 XDV   ，则可 以在 EXCEL 表格中，求取出相应转角α时对应气缸容积 V。 每隔 5176。 求（ p， V）。 下面列出来了一部分转角α下压力 p 的数据： 利用上面求解出的数据，做出 p～α图。 如图 6： 图 6P 往复惯性力 分析机构的惯性力时，通常将连续分布质量的实际活塞曲柄连杆机构离散成用往复运动质量的动力学等效当量系统来分析 ，往复惯性力的产生是由于 活塞和连杆小头的质量在武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 12 活塞瞬时速度的不均匀条件下产生的。 往复惯性力的大小不仅与活塞和连杆小头的往复惯性质量有关，还与活塞的瞬时加速度有关。 其加速度已经在运动学中计算完毕，往复惯性质量 21 mmmj  ， 其中 1m —— 为活塞组的质量 2m —— 计算断面以上那部分连杆往复运动质量。 活塞的质量在估算时，将活塞当作薄壁圆筒处理。 活塞 其中 D—— 为活塞的外径， D=70mm t—— 为活塞的厚度， t= H—— 为活塞的高度， H=(~)D，取 H=70mm —— 为活塞的密度，在此处用共晶铝硅合金 661，密度为 其中 L—— 为连杆的长度， L=125 l—— 为连杆质心到连杆大头的距离 m—— 为连杆的质量 经过估算得到 mj = m2+m1=320g。 用公式   2* 2 C o sC o srmP jj  即可以计算出活塞连杆小头的往复惯性力随曲轴转角的变化规律，具体的计算数据见后附表。 旋转往复惯性力 分析机构的惯性力时，通常将连续分布质量的实际活塞曲柄连杆机构离散成用往复运动质量和旋转运动质量的动力学等效当量系统来分析 ， 连杆质心以下的质量和曲柄销组质量离散为旋转惯性质量。 2r crm m m。 1jpmm＝ m 2 ( sin 2 sin 2 )jPr       2rrK m r 随曲轴转角的变化规律，具体的计算数据见后附录。 合力的计算 忽略机构摩擦阻力，则作用在曲柄连杆机构上的力只要研究气体压力和机构运动质量的惯   HtDDm **4* 221  mL lLm *2 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 13 性力。 气缸内工质作用在活塞上的总气体压力为： g G 0P P P＝ GP ―― 缸内绝对压力， Mpa； 0P ―― 大气压力，一般取 Pg 随着曲轴转角 α 的变化规律 Pg＝ f（ α），依据发动机型式和工况而不同。 对新设计得发动机可由热力计算或参考同类型发动机的示功图；对已有的发动机可用各种燃烧分析仪。 作用在曲柄连杆机构上的力：气体压力于往复惯性力两者作用在气缸中心线上，将往复惯性力也用单位活塞面积的压力来计算，则合成的单位面积的力为 2 ( sin 2 sin 2 )g j g hP P P P F r         （ 8） 其中分解后得到其他的力侧压力 Pn、连杆力 Pl、切向力 t、 径向力 k、单缸扭矩 Mi。 公式分别为： 侧压力 Pn=Ptanβ （ 9） 连杆力 Pl=P/cosβ （ 10） 切向力 t=Pl sin(α +β )=P sin(α +β ) cosβ （ 11） 径向力 k=Plcos(α +β )=P cos(α +β ) cosβ （ 12） 图 7 连杆受力图 用 Excel 表绘制侧压力、连杆力、切向力、径向力随曲轴转角的变化。 分别见图 11： 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 14 图 8nP  图 9 1P  武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 15 图 10 t  图 11 k  从发动机有效功率公式来看，当缸径Ｄ、缸数Ｚ和冲程数 τ 已选定时，在燃油经济性最佳武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 16 的前提下，要尽可能提高输出功率，就只有依靠平均有效压力 Pme 和活塞平均速度 Vm 两个主要参 数的合理选择了。 发动机的有效功率为： τ0785 2DicPP mmee  （ kw） 式中 Pme―― 平均有效压力， MPa Vm― ― 活塞平均速度， m/s； n――― 标定转速， r/min； D――― 气缸直径， cm； τ――― 行程数，四冲程 τ＝ 4，二冲程 τ＝ 2。 取整得到如下结果 ： 缸径、行程、转速参数 表 Pme(mpa) Vm（ m/s） S/D D(mm) S(mm) n(r/min) Vs(L) Vc(L) Va(L) 1 70 70 所示的结果得到发动机的结构参数。 查有关手册，所得到的发动机参数满足现代发动机的一般技术水平，而且现在的加工技术可以达到这个水平。 6 活塞设计 活塞的材料 共晶硅铝合金 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 17 制造活塞的材料应有小的密度、足够的高温强度 、高的热导率、低的线胀系数 a以及良好的摩擦性能 (减摩性和耐磨性 )。 常用材料为铝硅合金。 共晶铝硅合金具有满意的综合性能，工艺性良好，应用最为广泛。 过共晶铝硅合金中的初生硅晶体使耐热性、耐磨性改善，膨胀系数 减小，但加工工艺性恶化。 过共晶铝硅合金广泛用于高热负荷活塞。 活塞主要尺寸设计 活塞高度 H 参考文献 [1]， H=1D； 选择 H=70mm。 压缩高度 H1 参考文献 [1]， H1=； 选择 H1 =35mm。 火力岸高度 h 参考文献 [1]， h==。 环带高度 现代四行程发动机一般采用二道气环和一道油环。 参考文献 [1]，气环的厚度一般为 ～， 环岸要求有足够的强度，使其在最大气压下 不致被损坏。 第一道环的环岸高度 b1 一般为 ～ （ c 指环槽高度），第二道环的环岸高度 b2为 1～ 2c。 第一环岸高 b1=～ = 70= 取 3mm,则， c1=。 第二环岸高 b2=～ = 70= 取 3mm,则， c2=。 油环高 b3 为 ～ ； 活塞顶部厚度δ 参考文献 [1] ： δ ==； 取 mm6 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 18 活塞侧壁厚度及内部过渡圆角 活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取（ ~） D，取 ，厚度则为 7mm。 为改善散热状况，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过度圆角，一般取 R=~。 则圆角半径取为 7mm。 活塞销座间距 B=； 取 则活塞销座间距为 28mm。 有关活塞的尺寸设计结果： 名称 数值 单位 压缩高度取 H1 35 mm 环带高度 H3 15 mm 火力岸高度 H4 5 mm 总高度 70 mm 壁厚 7 mm 内圆直径 D’ 62 mm 外圆直径 D 70 mm 第一道环的环岸高度 b1 3 mm 第二道环的环岸高度 b2 3 mm 第一道环槽高度 C1 2 mm 第二道环槽高度 C2 2 mm 油环高度 C3 3 mm 环槽深度 4 mm 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书 19 活塞裙部及其侧表面形状的设计 活塞裙部及其侧表面。