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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文 設(shè)計 任務(wù)書 論文 設(shè)計 題目 活塞加工及金屬模設(shè)計 學(xué)號 2007964236 姓名 易維 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 周里群 教授 系主任 一 主要內(nèi)容及基本要求 1 檢索國內(nèi)外活塞的發(fā)展動態(tài)和現(xiàn)狀 2 分析活塞的工作環(huán)境 3 分析活塞的工作條件 4 分析活塞的工作原理 5 完成活塞的設(shè)計 6 分析活塞金屬型的材料 7 完成活塞金屬型的設(shè)計方案的選取 8 完成活塞金屬型的設(shè)計 9 完成畢業(yè)論文的文稿工作 要求 使用 A4 編輯及打印裝訂成冊 10 技術(shù)圖紙 活塞圖紙一張 A1 金屬型零件圖紙 5 張 A4 兩張 A2 兩張 A1 一張 金屬型裝配圖紙一張 A0 11 翻譯英文技術(shù)資料 翻譯國內(nèi)外活塞相關(guān)課題的英文資料 要求 原稿及其翻 譯打印裝訂同冊 二 重點研究的問題 1 活塞的設(shè)計 2 活塞金屬型的設(shè)計 三 進(jìn)度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 查閱資料 調(diào)研 第 1 2 周 2 活塞的設(shè)計 第 3 5 周 3 金屬模具的設(shè)計 第 6 8 周 4 畫零件圖和裝配圖 第 9 12 周 5 寫出說明書 第 13 15 周 6 答辯 2010 年 6 月 四 應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) 1 宮克強特種鑄造北京 機械工業(yè)出版社 1982 2 耿鑫明鋁合金金屬型鑄造北京 國防工業(yè)出版社 1976 3 王瑞芳金工實習(xí)北京 機械工業(yè)出版社 2001 4 丁陽喜機械制造及其自動化生產(chǎn)實習(xí)教程北京 中國鐵道出版社 2002 5 胡傳忻 熱加工手冊 北京 北京工業(yè)大學(xué)出版社 2002 6 北京機械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會編 鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊 北京 機械工業(yè)出版社 1993 7 曹巖 李建華 solidworks2004 產(chǎn)品設(shè)計實例精解 北京 機械工業(yè)出版社 2004 8 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 鑄造工藝學(xué) 北京 機械工業(yè)出版社 1985 9 鑄造專業(yè)學(xué)會 鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊 北京 機械工業(yè)出版社 1993 10 賈策 李漢明 solidworks2001 實踐與提高 重慶 重慶大學(xué)出版社 2001 11 吳宗澤 羅圣國 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 北京 高等教育出版社 2003 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文 設(shè)計 評閱表 學(xué)號 2007964236 姓名 易維 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文 設(shè)計 題目 活塞加工及金屬模設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1 是否符合培養(yǎng)目標(biāo) 體現(xiàn)學(xué)科 專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求 達(dá)到 綜合訓(xùn)練的目的 2 難度 份量是否適當(dāng) 3 是否與生產(chǎn) 科研 社會等實際相結(jié)合 能力 1 是否有查閱文獻(xiàn) 綜合歸納資料的能力 2 是否有綜合運用知識的能力 3 是否具備研究方案的設(shè)計能力 研究方法和手段的運用能力 4 是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力 5 工科是否有經(jīng)濟分析能力 論文 設(shè)計 質(zhì)量 1 立論是否正確 論述是否充分 結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理 實驗是否正確 設(shè) 計 計算 分析處理是否科學(xué) 技術(shù)用語是否準(zhǔn)確 符號是否統(tǒng)一 圖表 圖紙是否完備 整潔 正確 引文是否規(guī)范 2 文字是否通順 有無觀點提煉 綜合概括能力如何 3 有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值 有無創(chuàng)新之處 綜 合 評 價 該生選題基本符合培養(yǎng)目標(biāo) 難度分量適當(dāng) 與生產(chǎn)實際相結(jié)合 綜合運 用知識能力一般 具備初步設(shè)計方案的能力和手段運用 具備一定的外文 與計算機應(yīng)用能力 經(jīng)濟分析能力有待提高 立論正確 論述合理 結(jié)構(gòu) 基本符合要求 文字通順 綜合概括能力較差 綜合來說本次畢業(yè)設(shè)計基 本符合要求 評閱人 2010 年 5 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文 設(shè)計 鑒定意見 學(xué)號 2007964236 姓名 易維 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文 設(shè)計說明書 43 頁 圖 表 10 張 論文 設(shè)計 題目 活塞加工及金屬模設(shè)計 內(nèi)容提要 本說明書通過分析活塞的工作環(huán)境 工作條件和工作原理結(jié)合國內(nèi)外活塞 的 發(fā)展及其現(xiàn)狀 還結(jié)合材料的性能 最終決定活塞采用鋁合金制造 活塞裙部設(shè)計成 橢 圓形 橢圓長軸方向與銷座垂直 短軸方向沿銷座方向 這樣能使活塞工作時裙部趁 近 正圓 不會造成活塞在氣缸內(nèi)卡住 為了防止活塞打到氣門 活塞采用凹頂 通過分析 活塞的制造采用用金屬型鑄造 金屬型模具材料使用灰鑄鐵 金屬型 鑄 造有許多優(yōu)點 能反復(fù)使用多次 有永久型鑄造之稱 并且拆裝方便快捷 型芯采用 組 合式 方便活塞鑄造毛坯從模具中取出和型芯從毛坯中取出 指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任 年 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目 活塞加工及金屬模設(shè)計 學(xué) 院 興湘學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號 2007964236 姓 名 易維 指導(dǎo)教師 周里群 完成日期 2010 年 5月 20日 第 1 頁 共 43 頁 摘要 汽車發(fā)動機的活塞是發(fā)動機中的主要配件之一 它與活塞環(huán) 活塞銷等零 件組成活塞組 與氣缸蓋等共同組成燃燒室 承受燃?xì)庾饔昧Σ⑼ㄟ^活塞銷和 連桿把動力傳給曲軸 以完成內(nèi)燃發(fā)動機的工作過程 油氣燃燒所產(chǎn)生的熱由 活塞的頂部所吸收 并傳至氣缸壁 而燃燒后氣體膨脹所產(chǎn)生的力量也必須經(jīng) 由活塞來吸收 活塞會把燃燒氣體壓力及慣性力經(jīng)由連桿傳到曲軸上 利用連 桿的作用將活塞的線性往復(fù)運動轉(zhuǎn)換曲軸的旋轉(zhuǎn)運動 活塞的功用是承受氣體壓力 井通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn) 活塞 項部還是燃燒室的組成部分 活塞在高溫 高壓 高速 潤滑不良的條件下 1 二作 活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度往復(fù)運動 且速度在不斷地變化 這就產(chǎn)生 了很大的慣性力 使活塞受到很大的附加載荷 活塞在這種惡劣的條件 卜工作 會產(chǎn)生變形并加速磨損 還會產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力 同時受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐 蝕作用 現(xiàn)代的活塞設(shè)計主要有鑄造和鍛造兩種 而鑄造又比鍛造簡單便宜 但卻不及鍛造活塞能承受較大的熱度和壓力 由于活塞與活塞環(huán)都必須在高溫 高壓 高速及臨界潤滑的狀態(tài) 卜工作 因此長期以來 發(fā)動機設(shè)計者都為提供 一個最佳的設(shè)計而不斷努力 進(jìn)而可以從活塞方而來提高引擎的性能 本文以捷達(dá) EA113 汽油機的相關(guān)參數(shù)作為參考 對四缸汽油機的曲柄連桿 機構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 并對曲柄連桿機構(gòu)進(jìn)行了有關(guān)運動學(xué) 和動力學(xué)的理論分析與計算機仿真分析 首先 以運動學(xué)和動力學(xué)的理論知識為依據(jù) 對曲柄連桿機構(gòu)的運動規(guī)律 以及在運動中的受力等問題進(jìn)行詳盡的分析 并得到了精確的分析結(jié)果 其次 分別對活塞組 連桿組以及曲軸進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強度和剛 度的校核 一再次 應(yīng)用三維 CAD 軟件 Pro Engineer 建立了曲柄連桿機構(gòu)各零 部件的幾何模型 在此工作的基礎(chǔ)上 利用 Pro E 軟件的裝配功能 將曲柄連 桿機構(gòu)的各組成零件裝配成活塞組件 連桿組件和曲軸組件 然后利用 Pro E 軟件的機構(gòu)分析模塊 Pro Mechanism 建立曲柄連桿機構(gòu)的多剛體動力學(xué)模型 進(jìn)行運動學(xué)分析和動力學(xué)分析模擬 研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻 速轉(zhuǎn)動的情況下 活塞和連桿的運動規(guī)律以及曲柄連桿機構(gòu)的運動包絡(luò) 仿真 結(jié)果的分析表明 仿真結(jié)果與發(fā)動機的實際工作狀況基木一致 文章介紹的仿 真方法為活塞組的結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計提供了一種新思路 關(guān)鍵詞 活塞 氣缸蓋 燃燒室 曲軸 慣性力 附加載荷 第 2 頁 共 43 頁 ABSTRACT The piston of car motor is one of the main accessorieses in the motor it and the piston wreath piston sell etc the spare parts constitute a piston set and cover with air cylinder etc Constitute combustion room together bear gas function the dint also sell through a piston and connect the pole motive song stalk to complete inside the work process of ran motor the oil annoys the combustion produce of hot from the coping of piston absorb and spread to air cylinder wall and combustion empress thestrengh produced by air inflation have to also absorb through the piston the piston will chase combustion air pressure and inertial dint through connect the spread to song stalk up make use of connect the function of pole exercise the line back and forth of piston to convert revolving of song stalk sport The effect of piston bears air pressure and sell to pass to connect a pole to order about song stalk to revolve through a piston constituting of the piston a coping still a combustion room part piston under the condition that heat high pressure high speed lubricate bad work The piston is exercised with very high speed back and forth in the air cylinder and speed at constantly variety this produced very greatly inertial inertial dint and made the piston been subjected to very big of the affixture carry a lotus The piston is under this bad condition work will produce to transform and accelerate to wear away also produce affixture to carry lotus and heat in response to the dint be subjected to chemistry of the gas corrosion function in the meantime Modern of the piston design to mainly have the foundry forging 2 kinds but cast again than forging simple cheapness but cannot compare with forging piston can bear bigger heat and pressure Piston and piston wreaths have to work under the appearance of the heat high pressure and high speed and the critical lubrication therefore for long time the motor designs all continuously make great effort for providing a design then can raise the function of from the piston 第 3 頁 共 43 頁 第一章 活塞的運行原理和工作條件 2 1 活塞的運行原理 汽車發(fā)動機的活塞是發(fā)動機的重要配件之一 它與活塞環(huán) 活塞銷等零件組 成活塞組 與汽缸蓋等共同組成燃燒室 承受燃?xì)庾饔昧Σ⑼ㄟ^活塞銷和連桿 把動力傳給曲軸 以完成內(nèi)燃發(fā)動機的工作過程 油氣燃燒所產(chǎn)生的熱由活塞 的頂部所吸收 活塞會把燃燒氣體壓力及慣性力經(jīng)由連桿傳到曲軸上 利用連 桿的作用將活塞的線性往復(fù)運動轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動 活塞的功用是承受氣體壓力 并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn) 活塞頂 部還是燃燒室的組成部分 2 2 活塞的機械負(fù)荷 在發(fā)動機的工作中 活塞承受的機械載荷包括周期變化的氣體壓力 往復(fù) 慣性力以及由此產(chǎn)生的側(cè)向作用力 在機械在和的作用下 活塞各部位承受各 種不同的壓力 活塞頂部動態(tài)彎曲應(yīng)力 活塞銷座承受拉壓及彎曲應(yīng)力 環(huán)岸 承受彎曲及剪應(yīng)力 此外 在環(huán)槽部及裙部還有較大的磨損 為適應(yīng)機械負(fù)荷 設(shè)計活塞時要求各處有適合的壁厚和合理的形狀 即在 保證足夠的強度 剛度的前提下 結(jié)構(gòu)要盡量簡單 輕巧 截面變化處的過度 要圓滑 以減少應(yīng)力集中 2 3 活塞的熱負(fù)荷 活塞在氣缸內(nèi)工作時 活塞頂面承受瞬間高溫燃?xì)獾淖饔?燃?xì)獾淖罡邷?度可達(dá) 2000 2500 因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?活塞不僅溫度高 而且溫 度分布不均勻 各點間有很大的溫度梯度 這就成為熱應(yīng)力的根源 正式這些 熱應(yīng)力對活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用 2 4 磨損強烈 發(fā)動機在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向作用力是較大的 同時 活塞在汽缸中的告 訴往復(fù)運動 活塞組與汽缸表面之間會產(chǎn)生強烈磨損 由于此處潤滑條件較差 磨損情況比較嚴(yán)重 第 4 頁 共 43 頁 第二章 汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取 1 1 汽缸直徑的確定 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所提供的設(shè)計條件 所一要設(shè)計的宇氣油發(fā)動機的排量為 2 0L 平均有效壓力 p 0 8 1 2Mpa 活寨平均速度 Cm 18m s 根據(jù)內(nèi)燃機學(xué)的基本公式 Pe Pe Vs i n 30t Vm S n 30 Vs D 2 S 4 其中 Pe 為發(fā)動機的有效功率 Pem 為汽缸的工作容積 依題為 0 5L i 為發(fā)動機的汽缸數(shù)目 依題為 4 n 為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速 vm 為活塞的平均速度 依題為 18m s S 為發(fā)動機活塞的行程 D 為發(fā)動機的行程數(shù) 依題為 4 根據(jù)以上的條件帶入公式 1 2 3 得 70 0 8 D 2 S 4 30 C m S 30 4 計算化簡后取 D 84mm S 90mm 帶回原式可以確定 n 5500r m 所以基本參數(shù)得以確定 缸徑行程比 S D 汽油機 S D 的取值范圍為 0 8 1 2 S D 90 84 1 07 1 2 轉(zhuǎn)速 n 的確定 根據(jù) 內(nèi)燃機設(shè)計 楊連生 P2 汽油機轉(zhuǎn)速在 2500 6000n min 之間 取 n 5000r m 活塞速度 Vm s n 30 15m s 符合活塞速度小于 18m s 的要求 1 3 汽缸工作容積與升功率 氣缸工作容積 Vs D 2S 4 0 498L 由于平均有效壓力 Pme 范圍在 0 8Mpa 1 2Mpa 取 Pme 0 9Mpa 得 Pe Pme Vs n i 30 75Kw 第 5 頁 共 43 頁 氣缸工作容積 Vs D 2S 4 0 498L 升功率 PL Pme n 30 37 5KW L 曲柄半徑于連桿長度之比 r 1 的范圍在 1 3 1 4 之間 選取 0 3 又因 曲柄半徑 r 45mm 所以桿長度為 L r 45 0 3 150mm 1 4 缸心距的確定 由于汽油和干缸套的缸心矩 Lo D 為 1 12 1 24 所以初選 Lo D 二 1 2 得 Lo 84mm 1 5 壓縮比與燃燒室容積 Vc 總?cè)莘e Va 壓縮比范圍為 7 一 12 根據(jù) 內(nèi)燃機學(xué) 周保龍 P3O8 受爆燃限制 汽 油機壓縮比 不超過 10 取 9 則燃燒室容積 Vc Vs 一 1 62 3 mL 汽缸總?cè)莘e Va Vc Vs 62 3 498 5 560 8mL 第 6 頁 共 43 頁 第三章 活塞組的設(shè)計 活塞組包括活塞 活塞銷和活塞環(huán)等在汽缸里往復(fù)運動的零件 他們是發(fā) 動機中工作條件最嚴(yán)酷的組件 發(fā)動機的工作可靠性與使用耐久性 在很大程 度上與活塞組的工作情況有關(guān) 3 1 活塞組的設(shè)計要求 1 要選用強度好 耐磨 比重小 熱膨脹系數(shù)小 導(dǎo)熱性好 具有良好 減磨性 工藝性的材料 2 有合理的形狀和壁厚 使散熱良好 強度 剛度符合條件 盡量減輕 重量 避免應(yīng)力集中 3 保證燃燒室氣密性好 竄氣 竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失 4 在不通工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合 5 減少活塞從燃?xì)馕盏臒崃?而缸吸收的熱量則能順利地散走 6 在較低的機油耗條件下 保證滑動面上有足夠的潤滑油 3 2 活塞的材料 根據(jù)上述對活塞設(shè)計的要求 活塞材料應(yīng)滿足如下要求 1 熱強度高 即在 300 400 C 高溫下任然有足夠的機械性能 使零件 不致?lián)p壞 2 導(dǎo)熱性好 吸熱性差 以降低頂部及環(huán)區(qū)得溫度 并減少熱應(yīng)力 3 膨脹系數(shù)小 是活塞與氣缸間能保持較小的間隙 4 比重小 以降低活塞組的往復(fù)慣性力 從而降低了曲軸連桿的機械負(fù) 荷和平衡配重 5 有良好的減磨性能 即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較小 耐磨 耐蝕 6 工藝性好 低廉 在發(fā)動機中 灰鑄鐵由于耐磨性 耐蝕性好 膨脹系數(shù)小 熱強度搞 成本 低 工藝性好等原因 曾廣泛的被作為活塞材料 但近幾十年來 由于發(fā)動機 轉(zhuǎn)速日益提高 工作過程不斷強化 灰鑄鐵活塞因此比重大和導(dǎo)熱性差兩個根 本缺點而被逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰 鋁合金的優(yōu)缺點于灰鑄鐵正相反 鋁合金比重小 約占有灰鑄鐵的 1 3 結(jié) 構(gòu)重量僅占鑄鐵活塞的 50 70 因此其慣性小 這對高速發(fā)動機具有重大意 義 鋁合金另一突出優(yōu)點是導(dǎo)熱性好 其熱導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的 3 4 倍 使活塞 溫度顯著下降 對汽油機來說 采用鋁活塞還為提高壓縮比 改善發(fā)動機性能 創(chuàng)造了重要的條件 第 7 頁 共 43 頁 共晶鋁硅合金是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料 即可鑄造 也可鍛造 還硅 9 左右的亞共晶鋁硅合金 熱膨脹系數(shù)稍大一些 但由于鑄造性能好 適 應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求 應(yīng)用也很廣 綜合分析 該發(fā)動機的活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成 3 3 活塞各部分尺寸 1 活塞高度 H H 1D 選擇 H 84mm 2 活塞頭部的設(shè)計 設(shè)計要點 活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分 其主要功用是承受氣壓力 并通過銷座把 它傳給連桿 同時與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì) 因此 活塞頭部的設(shè)計要 點是 1 保證它具有足夠的機械強度與剛度 以免開裂和產(chǎn)生過大變形 因為 環(huán)槽的變形過大勢必影響活塞的正常工作 2 保證溫度不過高 溫差小 防止長生過大的熱變形和熱應(yīng)力 為活塞 環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件 并避免頂部熱疲勞開裂 3 尺寸盡可能緊湊 因為一般壓縮高度 H1縮短 1 個單位 整個發(fā)動機高 度就可以縮短 1 5 2 個單位 并顯著減輕活塞重量 而 H1則直接受頭部尺寸 的影響 壓縮高度的確定 活塞壓縮高低的選取將直接影響發(fā)動機的總高度 以及汽缸套 集體的尺 寸和質(zhì)量 盡量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動機活塞設(shè)計的一個重要原則 壓 縮高度 H1是有火力按高度 h1 環(huán)帶高度 h2 和上群尺寸 h3構(gòu)成的 即 H1 h1 h2 h3 為了降低壓縮高度 應(yīng)保證強度的基礎(chǔ)上盡量壓縮環(huán)岸 環(huán)槽的高度及銷 控的直徑 1 第一環(huán)位置 根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時 首先須定出第一環(huán)的位置 即所 謂火力岸高度 h1 為縮小 H1 當(dāng)然希望 h1盡可能小 但 h1過小會使第一環(huán)溫 度過高 導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛 粘接等故障 因此火力岸高度的選取原則是 在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下 盡量取得小些 一般汽油機 h1 0 06 0 12 D D 為活塞直徑 該發(fā)動機的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑 D 80 985mm 確定火力高度為 第 8 頁 共 43 頁 h1 0 09D 0 09x84 7 56 取 h1 8mm 2 環(huán)帶高度 為減小活塞高度 活塞環(huán)槽軸向高度 b 應(yīng)盡可能小 這樣活塞環(huán)慣性力也 小 會減輕對環(huán)槽側(cè)面沖擊 有助于提高環(huán)槽耐久性 但 b 太小 使制環(huán)工藝 困難 在小型高速內(nèi)燃機上 一般氣環(huán)高 b 1 5 2 5mm 油高 b 2 5mm 該發(fā)動機采用三道活塞環(huán) 第一和第二稱之為壓縮環(huán) 氣環(huán) 第三道環(huán) 稱之為油環(huán) 取 b1 2mm b2 2mm b3 4mm 環(huán)岸高度 c 應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會破壞 當(dāng)然 第二環(huán) 岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸負(fù)荷小的多 溫度也低 只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下 它才可能被破壞 因此環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大 其他較小 實際發(fā)動機的統(tǒng) 計表明 c 1 0 04 0 05 D c 2 1 2 b 汽油機接近下限 則 c 1 0 045D 4mm C2 1 5b1 4mm 因此 環(huán)帶高度 h2 b1 c1 b2 c2 b3 16mm 3 上裙尺寸 確定好活塞頭部環(huán)的布置以后 壓縮高度 H1最后決定于活塞銷軸線到最低 環(huán)槽 油環(huán)槽 的距離 h1 為了保證油環(huán)工作良好 環(huán)在槽中的軸向間隙是很 小的 環(huán)槽如有較大變形就會使油環(huán)卡主而失效 所以在一般設(shè)計中 選取活 塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面 并且保證銷座 的強度不至因開槽而削弱 同事也不致因銷座處材料分布不均引起變形 影響 油環(huán)工作 綜上所述 可以決定活塞的壓縮高度 H1 對于汽油機 H1 0 35 0 6 D 所以 H1 0 6xD 0 6x84 50mm 則 h 3 H1 h1 h2 26mm 3 活塞頂和環(huán)斷面 1 活塞頂 活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計 僅從活塞設(shè)計角度 為了 減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中 希望采用受熱面積最小 加工最簡單的活塞 頂形狀 即平頂 大多數(shù)汽油機正是采用平頂活塞 由于 EA1135V1 6L 發(fā)動機 為高壓縮比 9 3 因而采用近似于平頂?shù)幕钊?實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明 活塞頂 部最小厚度 汽油機為 0 06 0 1 D 即 0 08x84 6 72mm 取 8mm 活塞頂接受的熱量 主要通過活塞環(huán)傳出 專門的實驗表明 對無強 第 9 頁 共 43 頁 制冷卻的活塞來說 經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占 70 80 經(jīng)活塞本身傳到 氣缸壁的占 10 20 而傳給曲軸箱空氣和機油的僅占 10 左右 所以活塞頂厚 度 應(yīng)從中央到四周逐漸加大 而且過度圓角 r 應(yīng)足夠大 使活塞頂吸收的熱 量能順利的被導(dǎo)致第二 三環(huán) 以減輕第一環(huán)的熱負(fù)荷 并降低了最高溫度 活塞頭部要安裝活塞環(huán) 側(cè)壁必須加厚 一般取 0 05 0 1 D 取 0 1D 厚度則為 8mm 活塞頂于側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角 一般取 r 0 05 0 1 D 取 8mm 為了減少積碳和受熱 活塞頂表面應(yīng)光潔 在個 別情況下甚至拋光 復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角 所以尖角均自習(xí) 修圓 以免在高溫下熔化 2 環(huán)帶斷面 為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚 使導(dǎo)熱性良好 不讓熱量 過多的集中在最高一環(huán) 起平均值為 1 5 2 0 t 正確設(shè)計環(huán)槽斷面和選 擇環(huán)于環(huán)槽的配合間隙 對于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性于耐久性十分重要 槽底 圓角一般為 0 2 0 5mm 活塞環(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇?否則當(dāng)岸部于剛壁 壓緊出現(xiàn)毛刺時 就可能把活塞環(huán)卡主 成為嚴(yán)重的漏氣和過熱的原因 但倒 角過大又可能使活塞環(huán)漏氣增加 一般該倒角為 0 2 0 5 x45 3 環(huán)岸和環(huán)槽 環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計以偶那個保持活塞 活塞環(huán)正常工作 降低機油消耗量 防止活塞粘著卡死和異常磨損 起環(huán)槽下平面應(yīng)與活塞軸線垂直 以保證環(huán)工 作時下邊于缸桶接觸 減小向上竄機油的可能性 活塞環(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生上述損 傷的情況下越小越好 目前 第一環(huán)于環(huán)槽側(cè)隙一般 0 05 0 1mm 二 三環(huán) 適當(dāng)小些 為 0 03 0 07mm 油環(huán)則更小些 這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低 機油消耗量 側(cè)隙去誒電腦該油環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔 并均勻的布置再主次 推力面?zhèn)?回油孔對降低機油消耗量有重要意義 三道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè) 隙如表 3 1 所示 表 3 1 活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙 活塞環(huán)的背隙 比較大 以免環(huán)于草底圓角干涉 一般氣環(huán) 0 5 活塞環(huán) 開口間隙 mm 側(cè)隙 mm 第一道環(huán) 0 20 0 40 0 05 0 09 第二道環(huán) 0 20 0 40 0 03 0 06 第三道環(huán) 0 25 0 45 0 03 0 06 第 10 頁 共 43 頁 毫米 油環(huán)的 則更大些 如圖 3 1 所示 4 環(huán)岸的強度校核 在膨脹沖程開始時 在爆發(fā)力作用下 第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上 由于節(jié)流作用 第一環(huán)岸上面的壓力 p1比下面幾力 p2大得多 不平衡力會在岸 根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力 當(dāng)應(yīng)力值超過鋁合金在其工作溫度下的強度極 限或疲勞極限時 岸根有一可能斷裂 專門的試驗表明 當(dāng)活塞頂上作用著最 高爆發(fā)壓力 pmax時 p 1 0 9p max p 2 0 2p max 如圖 3 2 所示 已知 pmax 4 5Mpa 則 p 1 0 9x4 5 4 05Mpa p 2 0 2x4 5 0 9Mpa 圖 3 1 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 第 11 頁 共 43 頁 圖 3 2 第一環(huán)岸的受力情況 環(huán)岸是一個厚 c1 內(nèi)外圓直徑為 D D 的圓環(huán)形板 沿內(nèi)圓柱面固定 要 精確計算同定而的應(yīng)力比較復(fù)雜 可以將其簡化為一個簡單的懸竹梁進(jìn)行大致 的計算 在通常的尺寸比例下 可假定槽底 岸根 直徑 D 0 9D 0 8 84 67 2mm 在槽深 t 為 t 0 1D 0 1 84 8 5mm 于是作用在岸根的彎矩為 p1 p2 D 2 D 2 t 4 2 0 002pmaxD3 而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 C12 0 9D 6 0 47c 13D 所以環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應(yīng)力 0 0026p maxD3 0 47c12D 0 055pmax D c1 2 0 055x4 5x 84 3 64 2 1 23N cm2 同理得剪切應(yīng)力為 0 37pmaxD c1 0 37x4 5x 84 3 64 37 04N cm2 結(jié)合成應(yīng)力公式為 38 64N mm 2 考慮到鋁合金在高溫下的強度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中 鋁合金的許用應(yīng) 力 30 40N mm 2 校核合格 4 活塞裙部的設(shè)計 活塞裙部是指活塞頭部最低一個環(huán)槽以下的那部分活塞 活塞沿氣缸往復(fù) 運動時 依靠裙部起導(dǎo)向作用 并承受山于連桿擺動所產(chǎn)生的側(cè)壓力 N 所以 裙部的設(shè)計要求 是保證活塞得到良好的導(dǎo)向 具有足夠的實際承壓面積 能 形成足夠厚的潤滑油膜 既不因問隙過大發(fā)生敲缸 引起噪音和加速損傷 也 不因問隙過小而導(dǎo)致活塞拉傷 分析活塞在發(fā)動機中工作時裙部的變形情況 首先 活塞受到側(cè)壓力的作 用 承受側(cè)向力作用的裙部表面 一般只是在兩個銷孔之間的弧形表面 這樣 裙部就有被扭偏的傾向 使它在活塞銷座力一向上的尺寸增大 其次 由于加在 活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用 使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生 彎曲變形 使整個活塞在銷座方向上的尺寸變大 再次 由于溫度升高引起熱膨 脹 其中銷座部分因壁厚較其它部分要厚 所以熱膨脹比較嚴(yán)重 三種情況共 同作用的結(jié)果都使活塞在工作時沿銷座方向漲大 使裙部截面的形狀變成為 第 12 頁 共 43 頁 橢圓 形 使得在橢圓形長軸方向上的兩個端而與氣缸間的間隙消失 以致 造成拉毛現(xiàn)像 在這些因素中 機械變形影響一般來說并不嚴(yán)重 主要還是受 熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比較大 因此 為了避免拉毛現(xiàn)象 在活塞裙部一與氣缸之間必須預(yù)先流出較大的 間隙 當(dāng)然間隙也不能留得過大 否則又會產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象 解決這個問題的比 較合理的方法應(yīng)該使盡量減少從活塞頭部流向裙部的熱量 使裙部的膨脹減低 至最小 活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布 裙部壁厚的大小等和適應(yīng) 本文采用托板式裙部 這樣不僅可以減小活塞質(zhì)量 而且裙部具有較大的 彈性 可使裙部 與氣缸套裝配間隙減小很多 也不會卡死 把活塞裙部的橫斷面設(shè)計成與裙部變形相適應(yīng)的形狀 在設(shè)計時把裙部橫 斷截面制成長軸是在垂直與活塞銷中心線力一向上 短軸平行于銷軸力一向的 橢圓形 常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計的 D d 1 cos2 4 式中 D d 分別為橢圓的長短軸 如圖 3 3 所示 缸徑小于 100mm 的裙部開槽的活塞 橢圓度 的大小 一般為 0 1 0 25 圖 3 3 活塞銷裙部的橢圓形狀 1 裙部的尺寸 活塞裙部是側(cè)壓力 N 的主要承擔(dān)者 為保證活塞裙表面能保持住必要厚度 的潤滑油膜 其表而比托 q 不應(yīng)超過一定的數(shù)值 因此 在決定活塞裙部長度 是應(yīng)保持足夠的承壓面積 以減少比壓和磨損 在確定裙部長度時 首先根據(jù)裙部比壓最人的允許值 決定需要的最小長 第 13 頁 共 43 頁 度 然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改 裙部單位面積扭力 裙部比壓 按下式計算 q Nmax DH2 式中 N max 最大側(cè)作用力 由動計算求得 N max 2410 83N D 活塞直徑 mm H2 裙部高度 mm 取 H2 0 46D 0 46X84 37 253mm 則 q 2410 83 80 985x37 253 0 799Mpa 一般發(fā)動機活塞裙部比亞值約為 0 5 1 5Mpa 所以設(shè)計合適 2 銷孔的位置 活塞銷與活塞裙軸線不相交 而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面 稱為主推力面 相 對的一面稱為次推力面 偏移了 1 2mm 這是因為 如果活塞銷巾心布置 即 銷軸線與活塞軸線相交 則在活塞越過上止點 側(cè)壓力作用力一向改變時 活 塞從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個地橫掃過米變到主推力面貼緊氣缸壁 的另一面 與氣缸發(fā)生 拍擊 產(chǎn)生噪音 有損活塞耐久性 如果把活寨銷偏 心布置 則能使瞬時的過渡變成分布的過渡 并使過渡時刻先于達(dá)到最高燃燒 托力的時刻 因此改善了發(fā)動機的工作平順性 3 活塞銷座 1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計 活塞銷座用以支承活塞 并由此傳遞功率 銷座應(yīng)當(dāng)有足夠的強度和適當(dāng) 的剛度 使銷座能夠適應(yīng)活塞銷的變形 避免銷座產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞斷 裂 同時要有足夠的承壓表面和較高的耐磨性 活塞銷座的內(nèi)徑 d 22mm 活塞銷座外徑 d 一般等了于內(nèi)徑的 1 4 1 6 倍 取 d 1 5d0 33mm 活塞銷的彎曲跨度越小 銷的彎曲變形就越小 銷一銷座系統(tǒng)的工作越可 靠 所以 一般設(shè)計成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為 4 一 5mm 但少 當(dāng)制造精度有保證時 兩邊共 2 一 3mm 就足夠了 取間隙為 3mm 2 驗算比壓力 銷座比壓力為 q P 2d0 l lp 23 3Mpa q 一般 q q 因此金屬型的工作溫度必然升高 所以 每澆一次 就需要將金屬型打 開 停放一段時一間 待冷至規(guī)定溫度時再澆 如靠自然冷卻 需要時間較長 會降低生產(chǎn)率 因此常采用強制冷卻的方法 冷卻的方式一般有以下幾種 1 風(fēng)冷在金屬型外圍吹風(fēng)冷卻 強化對流散熱 其冷卻效果與金屬型外邊 的散熱而積有關(guān) 散熱而積大 冷卻效果好 故可在金屬型背而鑄出散熱片或 散熱針 與沒有散熱片和散熱針的金屬型比較 冷卻效果提高 20 30 如果 采用密封風(fēng)冷 即通壓縮空氣強制對流 其效果就更好 風(fēng)冷方式的金屬型 雖然結(jié)構(gòu)簡單 容易制造 成本低 但冷卻效果不十分理想 2 間接水冷在金屬型背而或某一局部 鑲鑄水套 其冷卻效果比風(fēng)冷好 適用于澆注銅件或可鍛鑄鐵件 但對澆注薄壁灰鐵鑄件或球鐵鑄件 激烈冷卻 會增加鑄件的白口缺陷 為防止金屬型在背面強烈冷卻時所產(chǎn)生的應(yīng)力或裂紋 一般在水套與型壁之間鑲鑄異熱性好的材料 3 直接水冷在金屬型的背而或局部直接制出水套 在水套內(nèi)進(jìn)行冷卻 這 主要用于澆注鋼件或其他合金鑄件 鑄型要求強烈冷卻的部位 由于向型壁直 接噴水 很快將熱量帶走 冷卻效果很好 由于直接冷卻 金屬型產(chǎn)生的熱應(yīng) 力大 故不宜用易裂材料 鑄鐵 制作 一般用碳鋼或合金鋼制造金屬型 因此 成本高 只適用于大批量生產(chǎn) 6 4 金屬型芯的設(shè)計 設(shè)計為組合型芯 第 27 頁 共 43 頁 由兩側(cè)的單型芯和中間芯組成 方便從毛柸中取出型芯 中間芯寬 18 單型芯底部寬 15 第 28 頁 共 43 頁 總結(jié) 通過為期十四周的畢業(yè)設(shè)計 使我收獲了很多東西 不但學(xué)到了很多有用 的知識 還學(xué)到很多從書本上無法學(xué)習(xí)到的東西 像編程經(jīng)驗 調(diào)錯能力 理 論與實際相結(jié)合 獨立動手能力等等 既開闊了視野 增長了知識 又鍛煉了 自己 同時也認(rèn)識到了自己的不足 通過一段時間的努力終一于克服了困難 拿出了自己的作品 發(fā)現(xiàn)知識的增長果然是個艱苦的過程 指導(dǎo)老師周里群老師給予了我悉心的指導(dǎo) 在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中 周 老師從方方而而都給予幫助和支持 從畢業(yè)設(shè)計任務(wù)的提出到最終論文的審閱 批改 在每一細(xì)節(jié)上 周老師都細(xì)心的指異 設(shè)計中遇到的許多問題 也是在 周老師的幫助下得以解決 使我的畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成 在此表示衷心的感 謝 周老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致 一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作 學(xué)習(xí)中的榜樣 他們循循 善誘的教異和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪 同時也非常感謝的幾位同學(xué) 他們同樣給予了我很大的幫助 第 29 頁 共 43 頁 參考文獻(xiàn) 1 宮克強特種鑄造北京 機械工業(yè)出版社 1982 2 耿鑫明鋁合金金屬型鑄造北京 國防工業(yè)出版社 1976 3 王瑞芳金工實習(xí)北京 機械工業(yè)出版社 2001 4 丁陽喜機械制造及其自動化生產(chǎn)實習(xí)教程北京 中國鐵道出版社 2002 5 胡傳忻 熱加工手冊 北京 北京工業(yè)大學(xué)出版社 2002 6 北京機械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會編 鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊 北京 機械工業(yè)出版 社 1993 7 曹巖 李建華 solidworks2004 產(chǎn)品設(shè)計實例精解 北京 機械工業(yè)出版社 2004 8 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 鑄造工藝學(xué) 北京 機械工業(yè)出版社 1985 9 鑄造專業(yè)學(xué)會 鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊 北京 機械工業(yè)出版社 1993 10 賈策 李漢明 solidworks2001 實踐與提高 重慶 重慶大學(xué)出版社 2001 11 吳宗澤 羅圣國 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 北京 高等教育出版社 2003 第 30 頁 共 43 頁 附錄 英文技術(shù)資料及其翻譯 1 中文翻譯 汽車發(fā)動機活塞材質(zhì)的選取及發(fā)展趨勢 活塞被稱為發(fā)動機的心臟 它是發(fā)動機中最重要的零件之一 其功用是承 受氣體壓力 并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn) 在發(fā)動機工作時 活塞直 接與瞬時溫度 2200 攝氏度的高溫氣體接觸 其頂部溫度達(dá) 3008 且溫度分布 不均勻 在做功行程時活寨頂部承受著很大的氣體壓力 汽油機達(dá) 4MPa 一 5MPa 柴油機高達(dá) 8MPa 一 9MPa 甚至更高 此外 活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運動線 速度可達(dá) l1m s 一 16m s 在這種惡劣的條件下工作 活塞承受著高溫 高壓 的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷 因此活塞作為汽車發(fā)動機中傳遞能量的一個非常重要的 構(gòu)件 對其材料具有特殊的要求 密度小 質(zhì)量輕 熱傳導(dǎo)性好 熱膨脹系數(shù)小 并 具有足夠的高溫強度 耐磨和耐蝕性能 尺寸穩(wěn)定性好 另外還應(yīng)具有容易制 造 成本低廉的特點 伴隨著汽車發(fā)動機的不斷發(fā)展與進(jìn)步 人們對活塞材料 的研究與應(yīng)用也取得了長足的發(fā)展 鋁合金活塞材料的發(fā)展應(yīng)用概況 世界上最旱的汽車發(fā)動機活塞是鑄鐵的 1911 年 鋁合金材料以其質(zhì)輕 良好熱傳導(dǎo)性以及較低的熱膨脹系數(shù)等特點的得到人們的關(guān)注并開始用于制造 活塞 1920 年一種 Al Cu NI Mg 系合金正式成功地應(yīng)用于汽車發(fā)動機活寨 從 而證明了鑄造鋁合金作者簡介 1 Al Cu NI Mg 系合金 該系合金于 1920 年開始就在英國得到應(yīng)用 其典型合金代號有 LMI4 英 SAE39 美 AC5A 日 該類合金的優(yōu)點是良好的高溫強度 導(dǎo)熱性 延伸率及 耐磨性 但囚其線膨脹系數(shù)和密度較大 鑄造性能差且含有較多貴重金屬價格較 貴而被淘汰 2 Al Cu Si 系合金 這類合金的優(yōu)點是 由于含有一定量的硅 鑄造性能較好 切削加工性能一 也有所改善 在常溫和高溫下均有較好的機械 物理性能 在 70 年代之前 該 類合金曾是前蘇聯(lián)等國應(yīng)用最廣泛的一種材料 我國的解放牌 CAIOA CAIOB CAIOC 型汽車活塞一也采用此合金 其典型合金代號有 SAE300 美 A110B 俄 AC2A 日 該類合金的缺點是 線膨脹系數(shù)較大 因含有較多的 Cu 所以體積穩(wěn)定性不好 會產(chǎn)生永久性 長大 現(xiàn)象引起活塞 咬缸 所以 國內(nèi)現(xiàn)已停止使用這類材料 3 AI Si 合金 第 31 頁 共 43 頁 由于 AI Si 合金線脹系數(shù)小 比熏小 耐磨性好 鑄造性能好等一系列優(yōu) 點而成為應(yīng)用于現(xiàn)代發(fā)動機活塞制造最廣泛的材料 這類合金按含 Si 量的高低 可分為共 業(yè) 晶型和過共晶型兩大類 4 共晶 亞共晶 型 AI Si 合金 國內(nèi)外輕 巾型汽車汽 柴油發(fā)動機以及轎車發(fā)動機活塞大多采用了共晶 亞共晶 型 AI Si 合金 具有代表性的共晶 亞共晶 型 AI Si 合金活塞材料的 牌號及化學(xué)成分見表 1 該類合金含 I 量一般在 8 5 一 13 為了提高合金的 室溫及高溫性能在其中加入了 Cu Mg Mn Ni 等合金元素進(jìn)行多元合金化 表 2 所列為共晶 亞共晶 型 Al 一 Si 合金活塞材料常溫和高溫性能 合金中的 Cu 可提高合金的常溫及高溫強度 改善合金切削加工性能及表面 光潔度 但 Cu 量過多會使合金密度增大 熱裂傾向增大 耐蝕性降低 鑄造性 能變壞 同時還使合金成本增加 囚而作為活塞用的 AI Si 合金應(yīng)在保證其強 度的前提下盡川一能降低含銅量 Mg 也是 AI Si 合金中提高合金強度的重要元素 特別是與 CU 配合使用時 可進(jìn)一步提高合金耐熱性 但 Mg 加入量過多時易在晶界上形成脆性相 反而降 低了合金強度 另外 Mg 還可能造成鑄件夾渣 所以 Mg 的加入量一般控制在 0 4 一 1 5 國內(nèi)廠家多控制在 0 7 一 1 0 之間 Mn 可以提高合金的熱穩(wěn)定性 高溫持久強度和使度 同時還 閨一以減少 雜質(zhì)元素對鐵的危害 但加入過多的 Mn 會形成粗大脆性化合物 反而降低合金 強度 Mn 的加入量多控制在 1 以下 國外資料認(rèn)為 Ni 可以提高合金的高溫強度及合金熱穩(wěn)定性 如含有 Ni 的 ZLI09 比不合 Ni 的 ZLI08 體積穩(wěn)定性好 這對活塞這種零件來說是非常有意 義的 但近年來的一些試驗研究又表明 加 Ni 對合金的高溫性能并無顯著提高 國內(nèi)外汽車發(fā)動機活塞材料的發(fā)展及應(yīng)用 由于鋁硅合金中 Si 含量超過 6 一 8 時 組織中便會出現(xiàn)粗針狀共晶硅組 織 使合金的機械性能降低 因此 共晶 亞共晶 型 AI Si 合金需進(jìn)行變質(zhì)處 理 共晶硅常用的變質(zhì)元素有 Na Sr P Sb RE 等 其中國內(nèi)應(yīng)用較多的是 Na 鹽變質(zhì) 效果良好 但 Na 款變質(zhì)有效時間較短 同時還會腐蝕增竭給生產(chǎn) 帶來不便 Sr 有較強的變質(zhì)作用和足夠 長的變質(zhì)有效期 但 r 較貴且變質(zhì)時 會增加合金吸氣 故目前還不能取代 Na 目前 對于共晶型 I i 合金來說 如 ZLID9 更多地采用了磷變質(zhì)劑以代替 Na 變質(zhì) 且磷變質(zhì)效果優(yōu)于 Na 鹽變質(zhì)而 被國內(nèi)眾多活塞制造廠推廣使用 現(xiàn)在在汽車發(fā)動機上應(yīng)用最廣泛的 AI Si 活塞材料為 ZLIQ9 GMahlel24 AC8A 國 外著名發(fā)動機制造廠 如 Cummins Renault 等 和國內(nèi)玉柴 錫柴等發(fā)動機制造 第 32 頁 共 43 頁 廠均采用該材料制造的活塞 共晶型 AI Si 合金 隨著發(fā)動機對功率 扭矩 噪聲 排放的要求越來越高 共晶 亞共晶 型 AI Si 合金已難以達(dá)到使用性能要求 因此 人們把目光投向另一種更為理想 的活塞材料 過共晶型 AI Si 合金 這類合金含 Si 量高達(dá) 17 一 26 而隨著 Si 含量的增加 合金的線脹系數(shù)減小 耐磨性和體積穩(wěn)定性相應(yīng)提高 且合金 密度也隨之減小 用其制造發(fā)動機活塞 可在設(shè)計上縮小氣缸筒內(nèi)壁與活塞之 問的問隙 從而提高發(fā)動機效率 因此受到世界各國研究者的重視 3 國外對過 共晶型 AI Si 合金的研究應(yīng)用較早 使用范圍已從摩托車活塞擴大到載貨汽車 的活塞上 國內(nèi)近些年也對該類活塞材料進(jìn)行了大量的研究 但實際應(yīng)用的還 較少 國內(nèi)外具有代表性的過共晶 AI Si 合金牌號及化學(xué)成分見表 3 表 4 為 過共晶型 AI Si 合金活寨材料常溫和高溫性能對比 過共晶型活塞合金按 Si 的 含量分為三組 組一為 17 一 19 組二為 20 一 23 組三為 24 一 26 一二 組工藝性較好 在實際生產(chǎn)中應(yīng)用較多 第三組由于 si 含量高 結(jié)晶范圍大 鑄造工藝性能很差 初晶 Si 的變質(zhì)困難 為保證合金滿足活塞性能要求 也在 其中加入 Cu Mg Mn Ni Ti RE 等等 所起作用與共晶型合金中基本相同 新型鋁合金活塞材料的研究及應(yīng)用 美國航空航天局 NASA 馬歇爾空間飛行中心 MSFC 兩位美籍華人科學(xué)家發(fā) 明了一種名為 MS FC 388 高強度鋁合金 用于制造 EvinrudeE 一下 TECTM 外置 發(fā)動機活塞 取得了十分令人滿意效果與經(jīng)濟效益 其特點是 發(fā)動機的噪聲大 幅度下降 排放的污染顯著減少 燃料效率大為提高 使用壽命顯著延 長 比普通的常規(guī)活塞鋁合金的強度高 1 5 倍 生產(chǎn)材料成本比常規(guī)合金的低 2 21 美元 Kg 在 260 370 仍有令人驚奇的強度 該新型鋁合金不但滿足汽車工 業(yè)低排放污染物的要求 而且能滿足航天器在高溫下有很強的耐腐蝕性的要求 此外 國外許多發(fā)動機制造商采用鍛造鋁合金 2618 LD7 用于制造各種高級轎 車及賽車發(fā)動機活塞 圖 4 所示為應(yīng)用于 Ford 發(fā)動機上的鍛造活塞 圖 5 為 Chrysler 汽車發(fā)動機鍛鋁活塞 國內(nèi)外汽車發(fā)動機活塞材料的發(fā)展及應(yīng)用 鋁基復(fù)合材料的研究及應(yīng)用 在滿足內(nèi)燃機輕量小型化 可靠性和耐久性的情況下 發(fā)動機向著高速 大功率 大壓縮比的方向發(fā)展 其燃燒室內(nèi)溫度和壓力變得更高 以往使用的 鋁合金已達(dá)到或接近使用極限 為此 鋁基復(fù)合材料活塞的開發(fā)近年來受到了 高度重視 4 美 日及歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)國家在這方面已取得了重要進(jìn)展 并在車 用柴油機上迅速得到了推廣 第 33 頁 共 43 頁 1 碳化硅顆粒增強鑄鋁活塞 粒度為 5um 10um 含量為 5 一 7 的 SIC 陶瓷顆粒 經(jīng)過特殊處理后用流 變鑄造法加入到 ZL I 中然后擠壓鑄造成型 可用于活塞的整體或局部增強 該材料的熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)各為 0 32w m 和 18x10 6 C 國內(nèi)研制的碳化 硅顆粒局部增強鋁合金活 塞經(jīng)上海 50 型拖拉機田間試驗證明 第一道環(huán)槽導(dǎo)熱得到了較大改善 燃 燒喉 口得到加強 耐磨性比鑲奧氏體鑄鐵圈的活塞要好 活塞質(zhì)量也得到了加強 2 氧化鋁 硅酸鋁和硼酸鋁短纖增強鋁合金活塞 CFR 該材料采用陶瓷纖維氧化鋁或硅酸鋁 硼酸鋁短纖維增強基體材料 一般為 共晶性或亞共晶性 Al 一 Si 合金 的活塞 CFR 活塞 與基體鋁合金相比 在 300 時的抗拉強度極限提高 20 以上 熱膨脹系數(shù)降低 15 導(dǎo)熱率降低 25 而密度基本不變 耐磨性能優(yōu)異 熱穩(wěn)定性好 具有更好的高溫綜合性能 6 采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn)的局部增強復(fù)合材料活塞 界面結(jié)合牢固可靠 成 品率高 工藝寬容好 特別適合于經(jīng)增壓 強化的工作條件苛刻的柴油發(fā)動機 目前 硼酸鋁單晶纖維團?；黧w 強化活塞第一道環(huán)槽和頂部的二沖程 汽油機用鋁基復(fù)合材料活塞 已經(jīng)在舷外機和摩托雪橇上得到了應(yīng)用 國外日 本豐田 ART 公司以年產(chǎn) C FR 活塞達(dá)百萬只 l l 國內(nèi)東南大學(xué)材料學(xué)院與躍進(jìn) 集團及南京金陵汽車配件廠合作的 NJ433 發(fā)動機采用增強基體材料的活塞 通 過了 1000 小時臺架試驗 與玉柴機器公司 德國馬勒 南京 公司合作的 YC6112 發(fā)動機活塞頂部燃燒室周邊增強 現(xiàn)已通過一系列試驗及技術(shù)鑒定并達(dá)到批量 化生產(chǎn) 迄今已經(jīng)生產(chǎn)復(fù)合材料活塞毛坯 20 萬件 形成年產(chǎn)數(shù)千萬元的復(fù)合材 料活塞產(chǎn)業(yè) 使陶瓷纖維增強鋁基復(fù)合材料在我國的汽車發(fā)動機行業(yè)進(jìn)入了工 業(yè)應(yīng)用階段 3 國內(nèi)外其它活塞材料的研究應(yīng)用 隨著大馬力汽車發(fā)動機快速發(fā)展 尤其是重型柴油發(fā)動機渦輪增壓 中冷 技術(shù)的應(yīng)用以及大缸徑高壓縮比 低排放要求的不斷提高 傳統(tǒng)鋁合金活塞材 料已無法滿足其使用要求 因而國內(nèi)外眾多活塞材料研究機構(gòu)和制造商推出了 許多新型活塞材料 鋼頂鋁裙材料 與鑄鋁和比 鑄鋼的機械強度高 耐磨性能好 但加工麻煩 密度大 成 本高 對缸套的磨損嚴(yán)重 因此很少全部用鑄鋼做活塞 而是在一些強化程度 高的柴油機上用鑄造合金鋼 如 40CrMn 4CrlDSi2Mo 做活塞頭部 用鑄鋁做活 第 34 頁 共 43 頁 塞裙部 從而構(gòu)成了所謂的鋼頂鋁裙的組合式活寨 該結(jié)構(gòu)的活塞已經(jīng)在超長 沖程的 L G GBE 系列的低迷發(fā)動機上得到了應(yīng)用 法國 Renault 公司制造的重 型商用車用 420 馬力 dill 發(fā)動機也采用了這種結(jié)構(gòu)的活塞 圖 6 所示為德國 Mahel 活塞有限公司制造的重型商用車用鋼頂鋁裙的組合式活塞 陶瓷材料 陶瓷是各種氧化物 氮化物 碳化物等無機非金屬材料的通稱 全陶瓷活 塞目前還無成功的應(yīng)用實例 但織合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動機上得到了一定 的應(yīng)用 五十鈴汽車公司所研制的絕熱發(fā)動機已運行了 3500h 據(jù)介紹 它的 活塞是采用 Si3N4 活塞頭部 用一鋼卡環(huán)與鑄鐵裙部連接 頭部與裙部之間設(shè) 置空氣隙 并安裝一隔熱襯墊 這種設(shè)計的活塞隔熱效果較佳 頭部最高溫度 為 700 裙部卻只有 100 200 但由于陶瓷的性能特點 復(fù)雜的制造技術(shù) 和高成本 要使陶瓷活塞大規(guī)模地應(yīng)用于內(nèi)燃機 還需要做許多研究工作 樹脂基復(fù)合材料 樹脂基復(fù)合材料作為一種新型的工程材料已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的許多領(lǐng) 域 如鑄造用的玻璃纖維增強塑料模具和軍工用的導(dǎo)彈頭錐 美國西密歇根大 學(xué)采用 30 短切石墨纖維增強聚酞業(yè)胺樹脂基復(fù)合材料 260 下抗拉強度可達(dá) 102MPa 延伸率僅為 7 2 制造活塞 囚此材料的耐熱溫度較低 故在活寨頂 部等離子噴涂了一層 Mg 一 A1203 尖晶石熱障涂層 爾后將該活塞裝在了功率為 3 7kw 轉(zhuǎn)速為 3800r m 的二沖程風(fēng)冷小型發(fā)動機上進(jìn)行了 1500 小時臺架試驗 盡管活塞頂部出現(xiàn)燒蝕 但該復(fù)合材料在制造小型活塞仍具有一定的生命力 碳及碳纖維增強碳基復(fù)合材料 石墨具有自潤滑性好 導(dǎo)熱率高 耐熱性能優(yōu)良 尺一寸穩(wěn)定性好 熱膨 脹系數(shù)小 體積密度低等特點 但普通石墨的力學(xué)性能不高 使其在活塞材料 上一直難于應(yīng)用 隨著等靜壓成型技術(shù)和細(xì)結(jié)構(gòu)高強度石噩的發(fā)明 綜合性能 良好的高強度石墨材料在活塞上的應(yīng)用才真正具有了可能性和現(xiàn)實性 碳纖維 增強碳基復(fù)合材料除了石墨材料所具有的一切理化性能外具有最優(yōu)異的高溫性 能 在 1700 C 的惰性環(huán)境下抗彎強度為 571 9MPa 美國賽車公司在 2 4KW 發(fā)動機 32 小時全負(fù)荷性能臺架試驗中發(fā)現(xiàn)碳纖維增強碳基復(fù)合材料的活塞明顯 優(yōu)于鋁合金活寨 且活塞頂面完好無損 其成本分析報告指出 按年產(chǎn) 25 萬只 碳基復(fù)合材料的活塞計算 每只活塞成本為 14 美元 如果將年產(chǎn)量擴至 100 萬 只則單只活塞成本可降到 9 1 美元 而鋁合金活塞的單只成本為 6 一 12 美元 由此一可見 碳基復(fù)合材料活塞有著廣闊的應(yīng)用前景 結(jié)束語 現(xiàn)代道路交通設(shè)施的完善以及物資流通速度的加快促使汽車工業(yè)制造出快 第 35 頁 共 43 頁 速 高效的交通運輸工具而對汽車發(fā)動機提出了更高的要求 提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速和 功率一活塞工作速度達(dá) 11m s 16m s 功率達(dá)到 450 馬力或更高 隨著汽車發(fā) 動機向高速化 大功率方向的發(fā)展 活塞材料除對常溫強度 使度 延伸率 熱膨脹系數(shù)等性能要求不斷提高外 還對其高溫性能 如高溫拉伸強度 高溫疲 勞強度 導(dǎo)熱率 及耐磨性能提出了更高的要求 因此合理選擇活寒制造材料對 于新型發(fā)動機的開發(fā)至關(guān)重要 對于輕 中型汽車及轎車用發(fā)動機來說 共晶 亞共晶 AI Si 合金以其良 好的材料綜合性能仍然是制造活塞的 首選材料 對于重型大馬力發(fā)動機而言 鋼頂鋁裙材料的活塞已經(jīng)得到大量應(yīng)用 而在眾多活塞新材料中過共晶 Al Si 合金 鋁基復(fù)合材料以及碳纖維增強碳基復(fù)合材料均以其優(yōu)良的材料綜合性能 以及關(guān)鍵技術(shù)的突破 逐步降低的制造成本等優(yōu)點而最具發(fā)展前途 第 36 頁 共 43 頁 2 英文技術(shù)資料 Automobile engine piston material selection and development trend The piston is called the engine s heart It is the most important parts in the engine of one Its function is withstanding gas pressure and driven by the piston pin to crankshaft connecting When the engine work directly with transient temperature the pistons 22 degrees Celsius temperature gas contact the top temperatures reached 3008 and temperature distribution uneven In power stroke ZhaiDing department live under a lot of gas pressure 4MPa a gasoline engine 5MPa diesel engine of 8MPa a 9MPa as even higher In addition the piston cylinder reciprocating movement in linear can reach l1m s a dedicated 16m s In this harsh conditions work The piston under high temperature and high pressure the heat load and mechanical load Therefore the pistons as automobile engine transmission of energy a very important component of its material has special requirements density is small light quality thermal conductivity good thermal expansion coefficient little And have enough of the high temperature strength wear and corrosion resistance dimension stability is good Also should have easy to manufacture and cheap characteristics With the continuous development of automobile engine with progress people on the research and application of the piston material have also made considerable development The development and application of aluminium alloy piston material profiles The world s most drought car engine piston is cast iron In 1911 aluminum alloy material with its light good low thermal conductivity and characteristics of thermal expansion coefficient of the focus of people s attention and began to get used to manufacture the piston 1920 a