汽油机活塞说明书资料.docx
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汽油机活塞说明书资料
沈阳理工大学课程设计说明书
1汽油机基本参数选择2
1.1内燃机基本设计要求2
1.2汽油机基本结构参数选用2
2汽油机的近似热计算4
2.1燃料燃烧热化学计算4
2.2换气过程计算5
2.3压缩过程计算5
2.4燃烧过程计算6
2.5膨胀过程计算9
2.6示功图绘制9
2.7汽油机性能指标计算10
3活塞的设计12
3.1活塞的工作条件12
3.2活塞的设计要求12
3.3活塞的材料12
3.4活塞的主要尺寸设计12
3.5活塞二维图的绘制13
3.6活塞三维实体建模13
4汽油机的动力计算25
4.1活塞位移、速度、加速度的计算25
4.2曲柄连杆机构动力分析26
4.2.1作用力分析26
4.2.2曲柄销载荷和连杆轴承载荷28
参考文献29
沈阳理工大学课程2设计说明书
1汽油机基本参数选择
1.1内燃机基本设计要求
设计一台新的四冲程非增压汽油机，必须提出设计指标。
1、功率Pe
有效功率是汽油机基本性能指标。
Pe由汽油机的用途选定，任务书已经指定所需汽油机有效功率Pe=86kw。
2、转速n转速的选用既要考虑被汽油机驱动的工作机械的需要，也要考虑转速对汽油机自身工作的影响。
任务书已经指定所需汽油机转速n=6000r/min。
3、冲程数τ本设计中的车用汽油机都采用四冲程，即τ=4。
4、平均有效压力Pme
平均有效压力Pme表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功，是汽油机
的强化指标之一，一般车用汽油机的平均有效压力为0.9MPa～1.2MPa，这里取Pme=0.9MPa。
5、有效燃油消耗率be这是汽油机最重要的经济性指标。
四冲程车用汽油机250g/（kw·h）～380g/（kw·h）
6、可靠性和寿命可靠性和寿命是车用汽油机的基本要求之一，设计时必须提出具体指标，但本课程设计从略。
此外，设计指标还可能包括造价、排污、噪声等方面的因素。
1.2
汽油机基本结构参数选用
可知由于Pe、Pme、n、τ已选定，则汽油机的总排量i×Vs也已选定，下一步设计应选定汽油机的基本结构参数：
气缸直径D、活塞形成S、缸数i及其他一些参数。
1、气缸直径D
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气缸直径D的选取影响汽油机的尺寸和重量，还影响汽油机的机械负荷和热负荷。
本设计任务书规定了车用汽油机的气缸直径D=78m。
m
2、活塞行程S
增大活塞行程S使活塞平均速度vmsn/3（0m/s）提高，机械负荷加大，一般车用汽油机vm17m/s，同时S也是汽油机基本结构指标S/D的决定因素，车用汽油机的S/D=0.7～1.2，校核所设计的汽油机的vm和S/D的值。
即vmsn/300.0856000/30=17m/s符合要求
S/D=85/78=1.09符合要求
3、气缸数i及气缸排列方式由于设计任务书已指明D的值，S确定后，满足功率要求可通过改变气缸数i实现，所以采用4缸直列排布。
4、连杆长度L与曲柄连杆比λ=r/L连杆长度加大，会使汽油机总高度增加；虽然连杆摆角减小，侧压力减小，但效果不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。
因而尽量采用短连杆，目前一般λ值在1/4～1/3.2之间，取λ=1/3.6。
则2r=85，r/L=1/3.6即L=152mm，r=42.5mm
5、气缸中心距l0及其与气缸直径之比l0/D
l0/D影响汽油机的长度尺寸和重量指标，设计时力求缩小l0/D的值。
l0/D值的影响因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析，一般其值为1.25～1.35，取l0/D=1.22，则l0=1.22×78=95mm。
选用湿缸套。
6、压缩比εc
选用压缩比εc也就是选用燃烧室容积。
选用压缩比时要考虑汽油机的经济性能、工作可靠性、爆燃等。
任务书给定车用汽油机的εc=10
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2汽油机的近似热计算
汽油机工作过程热计算是对汽油机各工作过程中工质的状态参数、主要性能质变进行计算，并绘出示功图。
通过热计算可以分析各工作过程的影响因素，找出提高动力性和经济性的途径，又为动力计算、结构设计提供数据。
汽油机实际循环热力计算有近似热计算（简单计算法）和模拟热计算（点算法）二种。
本设计要求进行近似热计算。
2.1燃料燃烧热化学计算
1理论空气量L0
1gcgHgOL0
00.2112432
10.8550.1450.000
=0.512（千摩尔/千克汽油）
0.2112432
燃料采用轻汽油gc0.855，gH0.145，go0.000汽油低热值Hu=44100千焦/千克燃料
2新鲜空气量M1
1
M1aL01mr
1
0.90.512=0.461（千摩尔/千克）
114
其中a——过量空气系数，a0.85~0.96，取a=0.9；mr114
燃烧产物M2
gHgo0.4610.1450.000=0.497（千摩尔/千克）
32432
0r
1r
1.0790.06=1.074
10.06
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其中，γr——残余废气系数，γr=0.04～0.10，取γr=0.06
2.2换气过程计算
c0.7～0.9，经验证符合要求。
2.3压缩过程计算
1平均多变压缩指数n1
n1=1.32～1.38取n1=1.34
2压缩过程中任意曲轴转角cx时的压力Pcx（画示功图时用）
其中：
Vca——进气终点气缸容积
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D2S0.07820.085
4c410=0.4513Lc1c101
Vcx——对应于cx时的气缸容积。
VcxD2r（1coscxsin2cx）Vc
42
式中：
r——曲柄半径，r=S/2；
λ——曲柄连杆比，λ=r/L。
3压缩终点充量的状态参数
1.34
压力：
PcbPacn1=1.86MPa
温度：
TcbTacn11360101.341=787.59K
2.4燃烧过程计算
1热量利用系数ζZ热量利用系数ζZ表示燃烧热量被工质吸收多少的程度。
由于不完全燃烧、传热损失、高温分解、节流损失等因素，燃料燃烧所发出的热量中只有一部分被工质吸收。
燃烧终点的热量利用系数ζZ在此范围内选取：
ζZ=0.80～0.95，取ζZ=0.82燃烧最高温度TZ
1）工质的平均等容摩尔热容（Cv）m和平均等压摩尔热容（Cp）m间有如下关系：
（Cp）m（Cv）m8.314[kJ/（kmol·K）]
工质的平均等压摩尔热容（Cp）m按下列方法计算：
查图法：
由下图按过量空气系数查出。
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不同a时，石油燃料完全燃烧产物和空气（a）的平均等压摩尔比热（Cp）m与温度的关系
2）
燃烧方程
式中：
（Cpcb）m——压缩终点新鲜空气和残余废气混合气的平均等压摩尔热容，按
列方法进行计算：
（Cv）m——在Tcb温度下，空气的平均等容摩尔热容。
可按a∞求出（Cp）m，再
（Cv）m——在Tcb温度下，残余废气的平均等容摩尔热容。
可按a值求出（Cp）m，
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H=61100（1-a）
3）燃烧最高温度TZ的计算
利用燃烧方程式，TZ采用试凑法求解，即先假设一个TZ，由过量空气系数求出（CvZ）'m'，然后代入燃烧方程，反复试算，直到方程两边的值相差在5%以内。
计算步骤如下：
设Tz=2600K
a,（Cp）'m34.1,（Cv）'m25.787
a0.9,（Cp）''m38.4,（Cv）''m30.087
（Cvcb）m（25.7870.0630.087）/（10.06）26.030
62220.2226.030787.5982721.5
130.087260078226.2相差5.40%
所以Tz=2650K
3压力升高比
1TZ1.07426503.365
1Tcb787.59
一般汽油机2.0~4.0，所以符合要求。
4燃烧最高压力pz
pzPcb3.3651.86=6.258MPa
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般汽油机pz3～8.5MPa，所以符合要求。
2.5膨胀过程计算
1平均多变膨胀指数
n21.23~1.28
取n2=1.26
2膨胀过程中任意曲轴转角bx时的气体压力Pbx（供画示功图时用）
VZn
Pbxpz（VZ）n2
Vbx
3膨胀过程终点状态参数
压力：
Pbpz（VZ）n2pz/cn2=6.258=0.343MPa
Vb10^1.26
温度：
VZn1n12650
TbTZ（VVZb）n21Tz/cn21=10^（216.52061）=1456.28K
2.6示功图绘制
1理论示功图绘制根据各过程计算结果可以绘制出汽油机实际循环的理论示功图，其中，燃烧过程按等容过程绘制。
理论示功图的理论循环指示功L1按下式计算：
=0.4810-3
按示功图上纵横坐标比例：
压力值/格，容积值/格，可以算出L1对应的方格数
沈阳理工大学课1程0设计说明书
2实际示功图绘制理论示功图没有考虑下列因素的影响，因而必须进行修正得到实际的示功图：
1）没有考虑进排气过程。
虽然泵气损失并入机械损失，不计入指示功，但为了示功图完整，根据进气终点压力Pa和排气压力Pr近似画出进排气过程线。
2）点火提前的影响：
压力急剧升高应该从上止点前就开始。
3）燃烧规律的影响：
燃烧过程压力线应连续、圆滑，燃烧最高压力应出现在上止点后12°~15°之间。
4）排气阀提前开启的影响：
在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过渡到排气线。
整个过程的换气也应修圆。
修圆后实际示功图的循环指示功比理论示功图小。
计算因修圆而减少的方格数
S1=5，即可求出示功图的丰满系数f。
fS0S12400023599%fS024000
一般f0.92~0.99，经检查示功图的丰满系数在该范围之内,符合要求。
3p示功图的绘制
由pV示功图转换成p示功图。
1）计算法转换：
对于任意曲轴转角，有气缸容积V
D22
Vr[（1cos）sin2]Vc（3.8）
42
2）作图法转换：
按下图所示方法进行转换。
2.7汽油机性能指标计算
1平均指示压力pmi
pmifLi0.950.48=1.12MPa
mifVs0.4062
10
沈阳理工大学课1程1设计说明书
2指示功Pi、指示热效率i和指示耗油率bi
汽油机指示热效率i0.30~0.40，即符合要求。
3机械效率m
四冲程汽油机的m0.80~0.90之间，取m=0.80
4有效功率Pe、有效热效率e、平均有效压力pme及有效油耗率be
PePim109.960.8=87.968KWpmepmim1.120.8=0.896MPaeim0.390.8=0.3
bebim209.30.8=261.625[g/（kw·h）]
四冲程汽油机be250~380[g/（kw·h）]，e0.2~0.3，即符合要求。
计算出的Pe和pme与任务书给定的Pe和计算开始时假定的pme的误差不超过5%，所以也符合要求。
11
沈阳理工大学课1程2设计说明书
3活塞的设计
3.1活塞的工作条件
1.高温导致热负荷大
2.高压冲击性的机械负荷
3.高速滑动
4.交变的侧压力
3.2活塞的设计要求
根据活塞的工作条件，在进行活塞设计时首先要求：
1.选用热强度好，散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好减摩性和工艺性的材料。
2.形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度、刚度符合要求，尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙。
3.密封性好，摩擦损失小
4.质量小
3.3活塞的材料在上面的设计要求中，实际上已经提出了对活塞材料的具体要求。
下面是常用的几种活塞材料：
1.灰铸铁
2.铝基合金
3.4活塞的主要尺寸设计
活塞直径D=78mm
活塞高度：
H（0.9~1.1）D=70.2mm取0.9
压缩高度：
H1（0.45~0.6）D=35.1mm取0.45
裙部高度：
H2（0.45~0.55）D=35.1mm取0.45
顶岸高度：
h1（0.06~0.08）D=4.68mm取0.06
气环高度取2mm油环高度取3mm环槽深度取4mm第一道气环距离活塞顶为6mm
第一道气环与第二道气环距离为3mm
12
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第二道气环与油环距离为2.4mm活塞销座间的距离为0.35D=27.3mm活塞壁厚取6mm活塞顶厚度取7mm销孔直径d（0.25~0.3）D=19.5取直径为22mm活塞销宽度取32mm由于销孔直径=22mm，根据标准卡环槽直径取32mm宽,度取1mm
3.5活塞二维图的绘制
图3-1活塞的二维半剖图
3.6活塞三维实体建模
1打开建模界面：
开始→机械设计→零件设计
2选择xy坐标系，绘制如图的草图。
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沈阳理工大学课1程4设计说明书
图3-2活塞整体轮廓草图
3退出草图界面，选择“旋转体”命令，生成活塞体。
14
沈阳理工大学课1程5设计说明书
图3-3旋转体
4选择xy坐标系，进入草图绘制界面，绘制如图草图
图3-4环槽草图
5退出草图界面，选择草图，选择“旋转槽”命令，画出气环槽和油环槽
15
沈阳理工大学课1程6设计说明书
图3-5旋转槽
6选择xy坐标轴，进入草图界面，绘制如图草图。
图3-6草图
7退出草图界面，选择“旋转槽”命令，生成如图凹槽
16
沈阳理工大学课1程7设计说明书
图3-7旋转槽
8偏移平面后，选择zy坐标轴，进入草图绘制界面，绘制如图草图。
图3-8销座
9退出草图界面，选择“凸台”命令，生成活塞销座。
然后选择“镜像”命令，生成另一边的销座。
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沈阳理工大学课1程8设计说明书
图3-9凸台
10进入草图界面，绘制如图草图
图3-10销孔草图
11退出草图界面后，选择“凹槽”命令，生成销孔
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沈阳理工大学课1程9设计说明书
图3-11凹槽
12选择xy界面，进入草图界面，绘制如图草图
图3-12草图
13退出草图界面，选择“凹槽”命令，生成如图凹槽
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3-13凹槽
14选择zy坐标轴，进入草图界面，绘制如图草图
图3-14草图
15退出草图界面，选择“凹槽”命令，生成如图模型
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沈阳理工大学课2程1设计说明书
图3-15凹槽
16偏移平面后，选择zy坐标轴，进入草图界面，绘制如图草图
图3-16卡环槽草图
17退出草图界面，选择“凹槽”命令，生成卡环槽。
同理生成另一边的
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沈阳理工大学课2程2设计说明书
图3-17卡环槽
图3-18导油孔草图
19退出草图界面后，选择“开槽”命令，画出导油孔。
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图3-19导油孔20然后选择“圆形阵列”，画出6个导油孔。
图3-20导油孔
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21选择zy界面，绘制肋板草图
图3-21肋板草图
22退出草图界面，选择“凸台”命令，生成肋板。
然后选择“镜像”，生成另一边的
图3-22肋板
23将图中所有尖锐部分倒圆角，半径为1mm。
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4汽油机的动力计算
课程设计中进行动力计算的目的：
掌握汽油机动力计算的方法；确定有关零件的运动、受力情况和轴承载荷情况。
要求按曲轴5°间隔计算，由计算结果画曲线图。
注意：
一律以力的实际值计算，不要用单位活塞面积作用力。
0～360度即可。
4.1活塞位移、速度、加速度的计算
对于活塞位移、速度和加速度的计算，由于周期性，只计算
vRsin（）
cos
根据计算结果画出X、V、a随的变化曲线
其中：
n
30
S
r2，
arcsin（sin）。
图4-1活塞位移变化曲线
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图4-2活塞速度变化曲线
图4-3活塞加速度变化曲线
4.2曲柄连杆机构动力分析
4.2.1作用力分析
1基本作用力
气体力：
其中：
P取自然计算结果，即修正后的实际缸内压力值，也就是P图中的压力值，每个5度曲轴转角取一个；Pg为曲轴箱内的气体压力，近似取100千帕。
运动零件惯性力
活塞组换算质量：
实际质量mp=0.341kg连杆组换算质量：
按两质量系统考虑mc=0.37kgl=152mm
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小头换算质量：
mcalbmc74.0670.37=0.18kg
calc152
大头换算质量：
mcblamc77.9330.37=0.19kg
cblc152
往复运动惯性力：
Pjmja（mpmca）a，其中a是活塞运动的加速度
连杆大头离心惯性力：
PrcmcbR0.190.0425（628）2=3184.65N
2连杆作用力
设PPgPjPg（mpmca）a则有：
连杆小头气缸中心线方向作用力：
Pgmpa垂直气缸中心线方向（侧压力）：
PNPtg，其中arcsin（sin）连杆大头曲柄旋转方向（切向力）：
TPsin（）
cos
曲柄法向（法向力）：
ZPcos（）PrcKmcbR
cos
习惯上令：
cos（）
KPcoscos
根据计算结果画出
Pj、PN、T、K随的变化曲线
图4-4PjPNTK随的变化曲线
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4.2.2曲柄销载荷和连杆轴承载荷
1曲柄销载荷
2连杆轴承载荷用坐标变换法计算：
ZTsin（）Zcos（）
TTcos（）Zsin（）
根据计算结果画出连杆轴承载荷图
图4-6连杆轴承载荷
28
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参考文献
[1]周龙保.《内燃机学》第3版.北京：
机械工业出版社，2010.
[2]袁兆成.《内燃机设计》第1版.北京：
机械工业出版社，2008.
[3]陈家瑞.《汽车构造》第3版.北京：
机械工业出版社，2009.
[4]
2005.
江洪、李仲兴.《CATIA基础教程》第1版.北京：
机械工业出版社，
29
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