车辆与动力工程学院毕业设计说明书
体力的理论计算公式，进行了机构中运动质量的换算。
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第3章 活塞组的设计
§3.1 活塞的设计
活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。 §3.1.1 活塞的工作条件和设计要求
一、活塞的机械负荷
在发动机工作中，活塞承受的机械载荷包括周期变化的气体压力、往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。在机械载荷的作用下，活塞各部位了各种不同的应力：活塞顶部动态弯曲应力；活塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。
为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。
二、活塞的热负荷
活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达2000?C~2500?C。因而活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，而且温度分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正是这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用。
三、磨损强烈
发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，同时，活塞在气缸中的高速往复运动，活塞组与气缸表面之间会产生强烈磨损，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。
四、活塞组的设计要求
1、要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性的材料；
2、有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减
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轻重量，避免应力集中；
3、保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失； 4、在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；
5、减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走； 6、在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。 §3.1.2 活塞的材料
根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：
一、热强度高。即在300~400?C高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；
二、导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力； 三、膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙；
四、比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；
五、有良好的减磨性能（即与缸套材料间的摩擦系数较小），耐磨、耐蚀；
六、工艺性好，低廉。
在发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。但近几十年来，由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因此比重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。
铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金比重小，约占有灰铸铁的1/3，结构重量仅占铸铁活塞的50~70%。因此其惯性小，这对高速发动机具有重大意义。铝合金另一突出优点是导热性好，其热传导系数约为铸铁的3~4倍，使活塞温度显著下降。对汽油机来说，采用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。
共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，既可铸造，也可锻造。含硅9%左右的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广。
综合分析，该发动机活塞采用Gk—AlSi12CuMgNi材料铸造而成。 §3.1.3 活塞头部的设计
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一、设计要点
活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此，活塞头部的设计要点是：
1、保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；
2、保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；
3、尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度H1缩短1单位，整个发动机高度就可以缩短1.5~2单位，并显著减轻活塞重量。而H1则直接受头部尺寸的影响。
二、压缩高度的确定
活塞压缩高度的选取将直接影响发动机的总高度，以及气缸套、机体的尺寸和质量。尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原则，压缩高度H1是由火力岸高度h1、环带高度h2和上裙尺寸h3构成的，即
H1=h1+h2+h3
为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。
1、第一环位置
根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度h1。为缩小H1，当然希望h1尽可能小，但h1过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般柴油机
h1?(0.15~0.D2，0)D为活塞直径，该发动机的活塞标准直径D?100mm，确定
火力岸高度为：
h1?0.09D?0.18?100?18mm
2、环带高度
为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b（即槽宽）应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但b太小，使制环工艺困难。
该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三
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环称之为油环。取b1?3mm，b2?2.5mm，b3?5mm。
环岸的高度c，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，c1?(0.04~0.07)D，c2?(0.025~0.045)D，汽油机接近下限。 则 c1?0.065D?6.5mm，
c2?0.042D?4.2mm。
因此，环带高度h2?b1?c1?b2?c2?b3?3?6.5?2.5?4.2?5?21.2mm。
3、上裙尺寸
确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度H1最后决定于活塞销轴线到最低环槽（油环槽）的距离h1。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。
8)，综上所述，可以决定活塞的压缩高度H1。对于柴油机H1?(0.6~0.D2?182?15.325.m?m所以 H1?0.72?D?0.72?100?72mm。则h3?H1?h1?h2?7。
三、活塞顶和环带断面 1、活塞顶
活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计，本次设计中由于采用直喷燃烧系统，因此采用w型燃烧室。活塞顶接受的热量，主要通过活塞环传出。专门的实验表明，对无强制冷却的活塞来说，经活塞环传到气缸壁的热量占70～80%，经活塞本身传到气缸壁的占10～20%，而传给曲轴箱空气和机油的仅占10%左右。所以活塞顶厚度?应从中央到四周逐渐加大，而且过渡圆角r应足够大，使活塞顶吸收的热量能顺利地被导至第二、三环，以减轻第一环的热负荷，并降低了最高温度。
活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取(0.05~0.1)D，取0.075D为活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取r?(0.05~0.1)D，0.75mm，
取0.074D为7.4mm.为了减少积炭和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角，所有尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。
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