升汽车发动机活塞组设计

学号：课程设计题目 2.0升汽车发动机活塞组设计学院汽车工程学院专业热能与动力工程班级热动0604姓名杨辰指导教师刘志恩2009 年11 月15 日目录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 (1)15.1.1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活塞要紧尺寸设计 (16)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 (1)87.3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 (1)98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)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不开设的专业课设计《汽车发动机设计》是特不必要的，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要紧决定于发动机。

为了实现汽车的设计目标，依照发动机的重要性，汽车方案设计对发动机的型式和要紧参数、指标是作了规定的。

因此发动机设计是一个重要的时期，其中包括结构空间、总质量、功率、环境爱护、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差不多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往常所学的专业课知识，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、认识往常学过的专业课知识。

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，为我们今后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进展现状，并尽可能发挥我们的能力，保质保量地完成此次课程设计。

本设计要紧工作任务是四行程汽油机活塞组的设计。

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专门大阻碍。

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纳直列4缸、6缸和V 型8缸的结构。

依照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依旧水冷式发动机。

参考文献[5]在条件相同时，要紧由于充量系数的差不，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阻碍较大，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汽缸直径的确定依照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2.0L平均有效压力： Mpa p 2.1~8.0=sm C m 18<活塞平均速度：依照内燃机学的差不多计算公式：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 2.1~8.0s V ——为汽缸的工作容积，依题为0.5L 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 依照以上的条件代入公式（1），（2），（3）得：计算化简后取D=84mm S=90mm带回原式能够确定n=5500 r/min 因此差不多参数得以确定。

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=90÷84=1.07)3(*4)2(30*)1(30***2ΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛS D V n S v ni V p P s m s em e πτ===sm 18230*0.8****4*47030*4mC D S Sπ=2．3转速n 的确定依照《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 2．4汽缸工作容积与升功率气缸工作容积Vs=LSD 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 =τin Vs p me ***30/1=75Kw气缸工作容积Vs=L SD 498.042=π升功率P L =P me *n/30τ=37.5KW/L2.5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 因此连杆长度为L=r/λ=45/0.3=150mm2.6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，因此初选Lo/D ＝1.2，得Lo=84mm 。

2.7压缩比与燃烧室容积Vc,总容积Va压缩比范围为7—12，依照《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）=560.8mLs m ns v m /1530*==3热力学计算3.1燃烧过程数学模型依照设计任务书的要求，设计的为2.0L ，4行程的汽油发动机，将事实上际循环简化为混合加热循环，那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，因此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特不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，能够清晰的确定阻碍性能的一些重要因素，从而找到提高发动机性能的差不多途径。

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）假设燃烧时外界许多个高温热源定容或定压向工质加热。

工质放热为定容放热。

依照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9==caV Vξ中0P 为大气的压力，0P =1.03*105pa ，系数取为0.93，得： Mp P a9.0=，3410*68.5m V a -= 依照活塞的运动规律，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 依照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，能够计算出从A 点到B 点的压缩过程中各个点的状态参数。

通过计算后得到B 点的状态参数：3310*062.0565.1m V MpaP 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 MpaP P c b c -====λ3.1.4 绝热膨胀过程选取膨胀过程的终点（设为D 点），从C 点到D 点能够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 图依照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，能够计算出从C 点到D 点的膨胀过程中各个点的状态参数。

计算后，得：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，因此在得到的P ～V ，P ～φ图上要修正得到，最高压力不在上止点，还有点火提早角，排气提早角的修正，显然实际的边界条件是不可能得到的，因此只能做一些适当的修正。

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 Mpa P 56.82=3556.0-=m Vc 35.135.11*a a a V V P P =305176.0-=m Vd 29.129.11*dd d V V P P = 通过计算后得：J W i772=因此汽油机的平均有效压力：()()⎰⎰-+-=Vd VcVaVd i dvP P dv P P W 1312MpaV W P s m i em 878.0084.0*084.0*14.3*25.085.0*572*===η其中m η——为汽油机的机械效率，85.0=mη依照计算得2.1878.08.0<=<em P 依照得到的示功图能够按照积分的思想得到指示功acV 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 ）， 因此校核合格。