1.2升汽车发动机活塞组设计

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目录

0前言 .........................................................................................................3 1汽油机结构形式的设计 (3)

1.1气缸数和气缸布置的选择 (3)

1.2冷却方式的选择 ....................................................................................3 2 汽油机结构参数的选择 (4)

2.1缸径的确定 (4)

2.2行程缸径比S/D 的选取 (5)

2.3转速n 的确定 (5)

2.4汽缸工作容积与升功率 (5)

2.5曲柄半径与连杆长度之比λ的选取 (5)

2.6 缸心距的确定 (5)

2.7压缩比、燃烧室容积及总容积 ..............................................................................5 3热力学计算 (6)

3.1作出P-V 图 (6)

3.1.1压缩过程 (6)

3.1.2膨胀过程 (6)

3.1.3 P-V 图的绘制 ................................................................................................7 4运动学计算 ................................................................................................9 5动力学计算 (11)

5.1曲柄连杆机构的动力分析 (11)

5.1.1沿气缸中心线的总作用力 (12)

5.1.2 P 力的传递与分解 ..........................................................................................13 6活塞设计 (15)

6.1活塞的材料 (16)

6.2活塞主要尺寸设计 (16)

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2 6.2.1活塞高度 (16)

6.2.2压缩高度 (16)

6.2.3火力岸高度 (16)

6.2.4环带高度 (16)

6.2.5活塞顶部厚度 (17)

6.3活塞裙部及其侧表面形状的设计 (17)

6.3.1裙部椭圆 (17)

6.3.2配缸间隙 (17)

6.4活塞头的质量计算 ................................................................................................17 7活塞销的设计 (18)

7.1活塞销的材料 (18)

7.2活塞销与销座的结构设计 (18)

7.3活塞销与销座的配合 (18)

7.4活塞销质量 (18)

7.5活塞销刚度和强度的校核 .......................................................................................19 8活塞环设计 (20)

8.1活塞的密封机理 (20)

8.2气环的设计 (20)

8.3油环的设计 (20)

8.4强度校核 ............................................................................................................20 10小结 ......................................................................................................20 参考文献 ...................................................................................................21 附表1 ......................................................................................................22 附表2 ......................................................................................................23 附表3 ......................................................................................................25 附表4 ......................................................................................................27 附表5 (30)

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2.0L 四行程汽油机活塞组设计

0前言

这学期学院为我们专业开始了《汽车发动机设计》，为期3周。

汽车工程学院针对我们热能与动力工程专业特别开设的专业课设计《汽车发动机设计》是非常必要的，这是因为发动机是汽车的心脏，汽车的行使速度、加速性、爬坡度、牵引力决定于发动机；汽车常见故障大部分来源于发动机；汽车的然有经济性和经常费用也主要决定于发动机。为了实现汽车的设计目标，根据发动机的重要性，汽车方案设计对发动机的型式和主要参数、指标是作了规定的。所以发动机设计是一个重要的阶段，其中包括结构空间、总质量、功率、环境保护、生产成本、使用成本等指标。通过这次我们亲身的设计实践，让我们对这些专业课的基础知识和基本理论能有进一步的理解和掌握，使我们在分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种设计手册与资料以及计算机应用能力等各个方面得到进一步的提高，能够全面地检验并巩固我们以前所学的专业课知识，并通过结合实际情况，让我们能从一个全新的角度重新学习、认识以前学过的专业课知识。除此之外，此次课程设计还为我们下学期的毕业设计奠定了坚实的基础，为我们将来走上工作岗位埋下了铺路石。

我们要充分利用这次课程设计的机会，了解国内外发动机的发展现状，并尽可能发挥我们的能力，保质保量地完成此次课程设计。本设计主要工作任务是四行程汽油机活塞组的设计。

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4 1汽油机结构形式的设计

1．1汽缸数和气缸布置的选择

直列4缸

内燃机的气缸数和气缸布置方式，对其结构紧凑性、外形尺寸比例、平稳性及制造使用成本都有很大影响。目前小轿车各轻型车除最小排量的车型用2缸或3缸外，绝大多数用4缸机，少数高级轿车用6缸机或八缸机。

至于气缸布置，不超过6缸的内燃机绝大数是单列的，单列式发动机结构简单，工作简单，成材本低，使用维修方便，能满足一般要求，而且以各气缸线所在平面与地面垂直居多。 结合国内制造使用成本，生产条件及运转平衡性等，初步选用直列4缸机。

目前汽车发动机多采用直列4缸、6缸和V 型8缸的结构。

根据现有的国产汽油发动机的功率和汽缸数目的匹配关系，设计2.0升的汽油发动机，所要匹配的汽缸数目定为直列4缸机。

1.2冷却方式

水冷

常用的冷却方式有水冷和风冷两种，水冷式发动机由于冷却较好而且均匀，强化的潜力要比风冷式发动机大，因此在汽车发动机上至今大多数还是水冷式发动机。参考文献[5]在条件相同时，主要由于充量系数的差别，水冷机比风泠机高5%～10%。此外风冷发动机功率和燃料消耗受气温变化影响较大，不如水冷发动机指标稳定。综合以上各因素，本设计冷却方式选用水冷方式。

2．汽油机结构参数的选取

2．1汽缸直径的确定

根据设计任务书所提供的设计条件：

所要设计的汽油发动机的排量为1.2L

平均有效压力： M p a p 2.1~8.0=

活塞平均速度： 根据内燃机学的基本计算公式：

s

m C m 18<

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5

其中e P ——为发动机的有效功率，

em p ——为发动机的平均有效压力，依题为Mpa 2.1~8.0

s V ——为汽缸的工作容积，依题为0.3L

i ——为发动机的汽缸数目 ，依题为为4

n ——为发动机的转速

m v ——为活塞的平均速度，依题为< S ——为发动机活塞的行程

D ——为发动机汽缸直径

τ——为发动机的行程数，依题为4

根据以上的条件代入公式（1），（2），（3）得： 计算化简后取D=75mm S=71mm

带回原式可以确定n=5000 r/min 所以基本参数得以确定。

2．2缸径行程比S/D

汽油机S/D 的取值范围为0.8-1.2

S/D=0.95

2．3转速n 的确定

根据《内燃机设计》（杨连生）P2，汽油机转速在2500-6000r/min 之间 取n=5000r/min

活塞速度 符合活塞速度小于18m/s 的要求

)

3(*4)2(30*)1(30***2 S D V n S v n i V p P s m s em e πτ

=

==

s m 18230*0.8*

***4*

47030*4m C D S S

π=s m n s v m /1530

*==

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6 2．4汽缸工作容积与升功率

气缸工作容积Vs=L S D 498.042=π

由于平均有效压力Pme 范围在0.8MPa —1.2Mpa,取Pme=0.9 MPa .得

P e =τ

i n Vs p me ***30/1=75Kw 气缸工作容积Vs=L S

D 498.042=π

升功率 P L =P me *n/30τ=37.5KW/L 2.5曲柄半径与连杆长度之比λ的选取

于λ=r/l 的范围在1/3～1/4之间，选取λ=0.3。又因曲柄半径r=45mm 所以连杆长度为L=r/λ=45/0.3=150mm

2.6缸心距的确定

由于汽油机干缸套的缸心矩Lo/D 为1.12-1.24，所以初选Lo/D ＝1.2，得Lo=90mm 。

2.7压缩比与燃烧室容积Vc,总容积Va

压缩比范围为7—12，根据《内燃机学》（周保龙）P308，受爆燃限制，汽油机压缩比不超过10，取ε=9

则燃烧室容积Vc=Vs/(ε-1)=62.3mL,

汽缸总容积Va=Vc+Vs=（62.3+498.5）=560.8mL

3热力学计算

3.1燃烧过程数学模型

根据设计任务书的要求，设计的为2.0L ，4行程的汽油发动机，将其实际循环简化为混合加热循环，这个循环过程称为汽油发动机的理论循环。选取汽油机压缩

比 ，理论范围8~12之间其中 a V ——为活塞在下止点时气缸的容积

c V ——为活塞在上止点时气缸的容积

《内燃机学》的简化知：发动机的热力实际循环过程分为进气过程、压缩过程、膨胀过程、排气过程。实际的循环过程复杂，难以用简单的数学模型来分析，所以为了计算发动机的循环做功过程提出了理论循环过程。发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以简化，忽略一些因素，以便于作简易的定量处理。通过对理论循环的研究，可以清9==c

a V V ξ

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7 楚的确定影响性能的一些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径。最简单的理论循环是空气标准循环，简化的条件为：

1）假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同。

2）假设工质是在闭口系统中作封闭循环。

3）假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程。

4）假设燃烧时外界无数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热。 根据汽油机的混合气燃烧迅速，近似为定容加热循环。

3.1.1绝热压缩起点

选取压缩冲程的下止点（设为A 点）时的气体参数()01~8.0P P a = 其中0P 为大气的压力，0P =1.03*105pa ，系数取为0.93，得： Mp P a 9.0=，3410*68.5m V a -= 根据活塞的运动规律，计算出气缸内容积随曲轴转角的变化规律，得：αV =0.563L

3.1.2绝热压缩过程

选取压缩冲程终点（设为B 点），从A 点到B 点的压缩过程看作是多变的压缩过程，多变指数取为30.11=n 根据多变过程的热力学计算公式3.13.1**a a V P V P ==常数和A 点的气体状态，可以计算出从A 点到B 点的压缩过程中各个点的状态参数。经过计算后得到B 点的状态参数：3310*062.0565.1m V Mpa P b b -==

3.1.3定容增压过程

选取定容增压的终点（设为C 点），从B 点到C 点看作为定容压缩过程，其定容增压比7=λ，则C 点的状态参数：3310*055.096.10565.1*7*m V Mpa P P c b c -====λ

3.1.4 绝热膨胀过程

选取膨胀过程的终点（设为D 点），从C 点到D 点可以看作是多变的膨胀过程，其多变指数为30.12=n 。

3.2 绘制P-V 图

3.2.1绘制理论P-V 图

根据多变过程的热力学计算公式==3.1**d d n V P V P 常数和C 点的气体状态，可以计算出从C 点到D 点的膨胀过程中各个点的状态参数。计算后，得：

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3310*56.063.0m V Mpa P e D -==

未调整的P-V 图

图 1理想P-V 图

3.2.2 绘制调整P-V 图

调整的P-V 图: 因为实际过程比较复杂，所以在得到的P ～V ，P ～φ图上要修正得到，最高压力不在上止点，还有点火提前角，排气提前角的修正，显然实际的边界条件是不可能得到的，所以只能做一些适当的修正。

9 图2 调整P-V 图 3.3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i W 数值由对示功图积分后求得的面积来表示

其中 3056.0-=m Va M p a P 56.82=

3556.0-=m Vc 35.135.11*a a a V V P P = 305176.0-=m Vd 29.129.11*d d d V V P P = 经过计算后得：J W i 772=

所以汽油机的平均有效压力：

其中m η——为汽油机的机械效率，85.0=m η

()()??-+-=Vd Vc Va Vd i dv P P dv P P W 1312Mpa V W P s

m i em 878.0084.0*084.0*14.3*25.085.0*572*===η

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10

?

?

?

??+=αλαω22Sin Sin r V 根据计算得2.1878.08.0<=

a

c

V i V W Pdv =

?得到计算结果如下

表1 示功图积分数据表

所给定的结果满足设计要求（Pme ＝0.8～1.2，Pe ＝70kw ）， 所以校核合格。

4运动学计算

4．1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λ——为曲柄半径和连杆长度的比，根据设计书的要求，取λ=0.29

r ——为曲轴半径，mm r 462/92==

经过计算后的数据和α-X 得图表，数据见后附附录。

图3 活塞位移

4.2活塞瞬时速度

根据活塞的位移规律，对曲轴转角α求倒得到活塞的瞬时速度V 随曲轴转角α的变化规律：

经过计算后的数据和α-V 得图表，数据见后附附录。

()()??

?

???-+-=αλαCos Cos r X 141

*

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11

图4 活塞速度

4.3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α求倒得到活塞的加速度V 随曲轴转角α的变化规律：()αλαω22Cos Cos r j +=

经过计算后的数据和α-j 得图表，数据见后附附录。

图 5 活塞加速度

5力学计算

5.1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

V P --图转化为α--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

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12 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()01~8.0P 。由于已知了曲轴转角α和活塞位移X 的关系式，又因V=13。33+πD 2X/4000，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5°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：

图6 p ～α

图 5.2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 21m m m j +=，

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=84mm t ——为活塞的厚度， t=8mm

()()

H t D D m **4*221--=π

ρ

0 200 400

600 800

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13 H ——为活塞的高度，H=(0.8~1.0)D=84mm

ρ——为活塞的密度，在此处用共晶铝硅合金66-1，密度为2.7g/cm 3

其中L ——为连杆的长度

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 m j = m 2+m 1=0.938kg

用公式)αλαω2*2Cos Cos r m P j j +-=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。

5.3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 cr m m m =+。 （4）

1j p m m +＝m 2(sin 2sin2)j P r ωαλα=-+ （5）

2r r K m r ω= （6）

随曲轴转角的变化规律，具体的计算数据见后附录。

5.4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 -＝ （7）

G P ――缸内绝对压力，Mpa ；

0P ――大气压力，一般取0.1Mpa

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

m L

l L m *2-=

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14 2(sin 2sin2)g j g h P P P P F r ωαλα=+=-+ （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=Ptan β （9）

连杆力P l =P/cos β （10）

切向力 t=P l sin(α+β)=P sin(α+β) cos β

（11） 径向力k=P l cos(α+β)=P cos(α+β) cos β

（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。

如图：

图8侧压力、连杆力

单缸扭矩 210i h M trF -=? （13）

2

h cm F cm r -----曲轴半径，；活塞面积，

用Excel 表绘制，得出单缸扭矩图：