课程设计活塞设计.doc

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1、课程设计-活塞设计 课 程 设 计课程名称： 发动机设计 设计题目： 活塞设计 学 院： 交通工程 专 业： 车辆工程 年 级： 车辆xxx班 学生姓名： xxxxxx 指导教师： xxxxxx 日 期： 2013年9月 教 务 处 制目 录1总体布局，结构特点以及选用原则系统分析11.1总体设计的一般要求112选用原则12.标定工况工作过程及热力计算和示功图绘制22.1实际循环热力计算2热力计算的目的2热力计算的方法22.2重要参数选取2压缩比3过量空气系数4扫气系数4残余废气系数4进气温升4热量利用系数4示功图丰满系数4机械效率4平均多变压缩指数4平均多变膨胀指数42.3 燃料燃烧化学计算

2、5理论空气量的计算5理论分子变化系数5实际分子变化系数52.4 燃气过程参数的确定与计算5压缩始点的气体状态5压缩终点气体状态6燃烧过程及燃烧终点气体状态6膨胀终点气体状态7排气温度的计算8示功图的绘制82.5 发动机性能参数9平均指示压力9平均有效压力10有效功率10充量系数10指示热效率10有效热效率10燃油消耗率10发动机总进气量113 .活塞位移、速度、加速度随曲轴转角变化曲线114气缸侧击力、连杆力、曲柄销切向力，径向力、活塞销合力134.1气缸侧击力N134.2连杆力S134.3曲柄销切向力T径向力K134.4活塞销合力P135活塞设计及强度校核165.1活塞销参数的选取165.2

3、活塞销参数的校核165.3活塞参数的选取175.4活塞的校核186.有限元分析196.1实体模型的建立196.2活塞受力分析196.3活塞计算分析226.4活塞销分析236.5活塞销计算分析247.结论248.参考文献25课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果1总体布局，结构特点以及选用原则系统分析1.1总体设计的一般要求动力性能方面：内燃机的功率、转速、使用转速范围、最大转矩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

4、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。12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，燃油消耗课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结

5、 果率低。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重要参数选取课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果型式立式、直列、水冷、四冲程缸径

6、行程95105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bar130额定功率/转速 Kw/rpm66KW/3000r/min曲柄半径mm/连杆长度mm52.5/175大气平均压力kpa98.39大气平均温度k293中冷器后空气温度k318增压器压比2燃烧室型式型燃料低热值KJ/kg42500单缸活塞组质量Kg1.277连杆组质量Kg1.500用途轻型货车2.2.1压缩比课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果选取压缩比为n=17.5:1。n=17.52.2.2过量空气系数选取过量空气系数=1.7。=1.72.2.3扫气系数选取扫气系数为=1.2。=1.22.2.4残

7、余废气系数因为=1.2，所以选取残余废气系数=0。=02.2.5进气温升选取进气温升=10k=10k2.2.6热量利用系数选取热量利用系数=0.82。=0.822.2.7示功图丰满系数 查看柴油机设计手册上第106页，选取=0.92。=0.922.2.8机械效率 查看柴油机设计手册上第107页，选取=0.81。=0.812.2.9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。=1.352.2.10平均多变膨胀指数 查看柴油机设计手册上第104页课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果选取平均多变膨胀指数=1.24。=1.242.3 燃料燃烧化学计算2.3.1 理论

8、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课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果压缩始点的温度 =318+10=328K压缩始点的压力 =0.95*0.1938=0.1841MPa2.4.2 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

9、点y的温度： 最高爆发压力 燃料低热值Hu=42500kj/kg=10140kcal/kgHu=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(cp)m=7.264kcal/kgmolC(cp2)m=8.447 kcal/kgmolC则求得 16971700课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果满足如下图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=Vz/Vc=0.0795/0.0451=1.763=1.7632.4.4 膨胀终点气体状态膨胀终点压力课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果膨胀

10、终点温度：所以2.4.5排气温度的计算取 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=598.123C，与600C接近，所以相符。取2.3.6示功图的绘制 如下图：课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果2.5 发动机性能参数2.5.1 平均指示压力课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果理论平均指示压力：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=0.9772.5.5指示热效率2.5.6有效热效率2.5.7燃油消

11、耗率有效燃油消耗率课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果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课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果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

12、力气缸侧击力4.2连杆力S 4.3曲柄销切向力T径向力K4.4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。课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果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=38mml=78mma=58mm b=38mmb=355.2活塞销参数的校核=38mm（1）弯曲变形a=58mmb=38mm 符合要求。课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果（2）椭圆变形 符合要求。（3）纵向弯曲应力 =（4）横向弯曲应力

13、（5）总应力 符合要求。5.3活塞参数的选取H=97mm1.活塞总高度 H=97mm 2.压缩高度 3.裙部长度4.群部高度 5.顶板厚度 =14mm 6.火力岸高度 h=10mm7第一环岸高度 第二环岸高度=14mm 8.活塞环数目： 2个气环，1个油环h=10mm9.环槽尺寸：气环槽 课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果油环槽 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。课 程 设 计 说 明

14、书计 算 及 说 明结 果（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：课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果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，

15、最大变形量为0.09mm;课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果销座最大平均应力为，最大变形量为0.06mm。以上结果真实可靠，分析结果证明活塞基本满足设计要求。6.4活塞销分析6.4.1活塞销网格6.4.2以活塞销两端为固定面，施加最大的连杆力；6.4.3如下为受力结果：课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果6.5活塞销计算分析活塞销平均最大应力为，最大变心量为所以活塞销分析基本符合设计要求。7.结论本次课程设计要求在三后的时间内完成发动机的三大计算（热力计算动力计算和零件强度计算），其时间短，但任务重。需要抓紧时间，不能放松。但是通过本次课程设计，学习到了发动机热课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果力计算、动力计算和零件强度的计算方法和步骤。同时加深了对课本知识的理解和增强了实际运用能力。因为几个同学为一组同时设计一个曲柄连杆结构，需要一组的同学一起协调设计尺寸，培养了大家的合作和集体精神。也增强了大家的实际动手能力。8.参考文献1 柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册（上册）.北京： 中国农业机械出版社.19842汽车发动机设计；陆际清；清华大学出版社3 互换性与测量技术基础第三版；机械工业出版社20084 周龙保.内燃机学.第二版.北京：机械工业出版社.2005