开题报告
1 课题名称：
轿车柴油机活塞结构设计
2 项目研究意义：
随着科技的不断发展创新，人们对于物质的需求也逐渐升华，从而演变成贪图于高品质的生活。所以，对于汽车而言，在这个充满商机的21世纪，汽车不久将会成为中国人民的必备交通工具，作为人们日常生活必需品，人们对它的要求也已经不再仅仅局限于实用，人们会不断地寻求更卓越的舒适感，更显挑的视觉感，以及充满刺激的高速感。再加上燃料的缺乏和对生态的保护，节能和减少尾气也是现代化发展的趋势。而对于机械零件来说，其可修复性以及修复时的便捷性也必须纳入考虑的范围。所以想要满足这些需求的话，对于现代汽车，就需要将其的内部结构，包括细小的零件和外部的结构设计都要进行一系列的改造和优化。
发动机轿车柴油机活塞结构组，作为发动机工作条件最严酷的零件，它所承担的使命是最严峻和苛刻的。轿车柴油机活塞结构组的各部件的材料的选用和结构的不同，可以使发动机的工作状态发生变化。所以，合理的选用各部件的材料以及合理的结构设计可以对减小热应力、改善工作条件和延缓机油变质都十分有利。
因此，发动机轿车柴油机活塞结构组的合理设计会对发动机的工作效率有很明显的提高，而且对于节能方面也会作出很大的贡献。
3国内外概况、发展趋势
如何精确快速的进行轿车柴油机活塞结构结构设计问题，近年来国内外发表的论文不多，各科研院所、发动机公司的主要精力都放在了整机性能研究方面，而在活塞以至活塞结构设计、分析及试验等方面做的工作较少。现代发动机活塞火力岸和裙部是非常复杂的空间曲面形状，这种设计是综合
考虑了活塞的机械变形、热变形，对活塞环、活塞进行了混合流体动力润滑分析而得到的结果。目前，在国外的轿车柴油机活塞结构组设计中采用了这种方法，如拟HLE、FM、KS等公司，借助其先进的模拟分析技术和齐全的测试技术，形成了自己的理论开发体系以及丰富的数据库资源，根据用户提出的发动机技术参数，能迅速的设计出活塞结构(包括裙部型面)，但是对于其中的理论依据、计算方法等介绍的极少。
而国内活塞裙部型面设计，主要是经验对比设计，然后通过装机实验来进行修正，也有的利用在活塞裙部涂复合材料层后进行额定工况的磨合试验，然后对磨合的裙部外形尺寸进行精密测量和拟合，来确定裙部型面，这种方法耗时，而且大量的实验使得成本提高。开发周期长，已不能满足用户的要求。八十年代国外有关研究有:R.MUNRO利用有限元法对柴油机活塞进行了数值分析，详细论述了有限元方法在柴油机设计中的应用，给出了温度场、热变形、机械变形以及应力场，反映了一般柴油机活塞在这方面的变化趋势。C.Singh也作了类似的工作，他主要进行了活塞温度场、热应力的理论分析与试验研究。Chin--HSiuLi研究了热负荷对活塞的影响。在电子计算机用于活塞研究以前，在设计中根据经验和类比，在大量选取参数的基础上，作出粗略的设计，然后通过实验来修正，往往经过多次试验才能达到要求。随着发动机性能的不断提高，产品更新的周期不断缩短，采用常规设计方法和经验设计，已远远满足不了现代高性能发动机研制工作的需要。
自70年代以来，由于快速大容量电子计算机和数据处理系统在发动机研究中的应用，加上试验技术和测量仪器以及测试设备的改进，使发动机在实验和理论上有了一个较大的发展，活塞工作过程模拟成为可能，使活塞设计由过去比较粗糙的经验半经验设计向模拟计算、优化设计和CAD方面过渡，取得了很大的进展。如能够建立起比较符合实际的物理模型，用以分析发动机的性能及其影响因素;也能系统地模拟结构参数、运动规律、变形等，并进行参数优化，寻求最佳的组合方案，为活塞的设计、试验和性能改进提供理论依据。国内八十年代初对柴油机受热件的瞬态温度场进行了一维理论计算，但对于几何形状和边界条件都十分复杂的活塞而言，一维数学模型就显得太粗糙了，应用有很大的局限性。九十年代，按照热疲劳和高温低周疲劳断裂机制，采用Mises当量准则，及其与Manson一Coffin公式之间的关系对活塞寿命和安全性进行评定〔‘”〔‘5]。根据缸内温度和压力呈现三角波形变化的特点，采用CAD工NAT和AD工NA有限元程序对柴油机活塞进行三维温度场和三维循环应力场、应变场的分析。也有人进行了活塞二阶运动的分析计算，如基于平均流量模型分析活塞裙部的润滑问题，并与活塞运动方程结合，求解活塞系统二阶运动轨迹，探讨活塞结构参数对活塞二阶运动的影响。但都没有形成系统的活塞设计方法。目前国内外在轿车柴油机活塞结构组件设计开发方面的趋势为:以发动机工作过程模拟、三维CAD造型软件、三维数值模拟与活塞动力学模拟等先进设计方法为手段，以发动机台架试验结果为依据，形成活塞组件集成的设计方法，在保证活塞工作可靠性的前提下，提高产品开发成功率，缩短产品推向市场的时间，降低试验所带来的巨额开发费是活塞新产品设计、开发发展趋势。
4. 文献研究状况
轿车柴油机活塞结构组的主要部件为：活塞、活塞环、活塞销和连杆等部件组成。并且各个部件都有其不同的功用、结构、材料、工艺以及其工作环境。
4．1活塞
其中，活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。 工作条件：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。所以对活塞需要很高的要求：第一要有足够的刚度和强度，传力可靠，二则导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损，第三质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。因此，对于活塞的制造材料要投以很大的重视。而铝合金材料基本上满足上面的要求，因此，活塞一般都采用共晶铝硅合金（铸铝、锻铝），其优点为质量小，导热性好，适用于一般发动机；但在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。其二，活塞材料也可采用组合式，上半部用钢，下半部用铝合金，沉头螺栓连接。而其优点为：第一，刚度好，高温强度高；第二，热膨胀系数低，配缸间隙小；第三，耐磨（环槽）；第四，质量居中。但其仅适用于极少数大功率 强化柴油机
再则活塞的构造，活塞可分为三部分，活塞顶部、活塞头部和活塞裙部。顶部形状有：平顶、凸顶、凹顶，三种形状都有其不同的优缺点和应用范围。活塞的头部的主要作用：1）承受气体压力，并传给连杆；2）用于安装活塞环，与活塞环一起实现对气缸的密封；3）将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导给气缸壁上。所以，良好的优化设计可以改善散热，使其工作效率提高。而活塞裙部受到热膨胀、侧压力和气体压力的因素，会产生机械变形和热变形均使得裙部断面变成长轴沿活塞销方向的椭圆。所以，在设计时应要考虑到它的变形，给它一个合理的设计，使其能在工作时可以抵消掉变形量，使它在工作时始终保持圆形。
在装配时活塞应要考虑到活塞-气缸的额定配合间隙，而其额定配合间隙为气缸套的直径与活塞的最大直径之差。配合间隙仅为活塞直径的0.05%。活塞与气缸之间在任何工况下都应保持均匀的、适宜的间隙。间隙过小，活塞可能被气缸卡死；过大，活塞敲缸。
4．2活塞销
第二的部件为活塞销，活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。 要求为（1）足够的刚度、强度和冲击韧性；（2）表面耐磨；（3）质量小。材料一般为低碳钢或低碳合金钢，经表面渗碳或渗氮热处理以提高心部冲击韧性和表面硬度，然后进行精磨和研磨。而其结构为管状。但也有不同的形状结构，一种为等截面圆柱形，优点在于易加工，但质量大；一种是两段截锥形：等强度梁，质量小，但难加工；还一种为组合形：其质量与加工难度为两种中间。活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有两种方式"全浮式"安装和"半浮式"安装。
4．3活塞环
第三部件为活塞环，工作特点（1）高温、高压、高速，润滑不良，磨损严重；（2）交变的弯曲应力（气缸壁沿高度方向有加工锥度，环有开口）。其要求为要有足够的强度、冲击韧性；和耐高温（第1道气环）、耐磨。材料上一般用合金铸铁，少数高速强化柴油机用钢片环（以提高弹力和冲击韧性）；第1道气环的工作表面一般都镀上多孔性铬（硬度高，并能储存少量机油，以改善润滑条件）；其余气环一般镀锡（铸铝活塞）或磷化（锻铝活塞）（以改善磨合性能）。活塞环的间隙设计也是很重要的环节。开口间隙（端隙）：是活塞环装入气缸后开口处 的间隙。一般为0.25mm～0.50mm；侧隙（边隙）：是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道0.04mm～0.10mm；其它气环0.03mm～0.07mm。油环一般侧隙较小，0.025mm～0.07mm；背隙：是活塞环背面与环槽底部间的间隙。 0.5mm～1mm。活塞环可分成气环和油环两大类。
气环（压缩环）的作用是密封：防止气缸内的气体窜入油底壳；传热：将活塞头部的热量传给气缸壁；辅助刮油、布油。一般有2~3道气环。气环可能漏气的通道有三条：环面与气缸壁；环与环槽面间；开口端处。第一密封面的建立：环在自由状态下，环外径＞缸径，装缸后在其弹力作用下与缸壁压紧，形成第一密封面。第二密封面的建立：活塞环在运动时产生惯性力Pj，与缸壁间产生摩擦力F，以及侧隙有气体压力P1，在这三个力的共同作用下，使环靠在环槽的上侧或下侧，形成第二密封面。气环的第二次密封：窜入背隙和侧隙的气体，使环对缸壁和环槽进一步压紧，加强了第一、二密封面的密封。要注意的是：1、第一密封面很重要，若失效，则第二密封面建立不起来，因此气环装入气缸时产生的初始弹力很重要。2、第一道气环的初始弹力要求最小，随后的几道气环的初始弹力大小要求依次递增。3、气环的切口端呈迷宫式布置（减少漏气）。气环的断面形状有矩形环，其工艺最简单，导热性好，但存在“泵油”现象；扭曲环，目前广泛用于第二道活塞环；锥形环，与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。小锥角，不超过2º，方向不可装反。优缺点同扭 曲环，但仍有“泵油”现象；桶面环和梯形环。
油环的主要功用是润滑（气缸壁上铺油膜）和刮油（气缸壁上多余机油刮落回曲轴箱），也有起到辅助密封的效用。油环置于最后一道环槽，背隙内气体压力极低，因此，油环置于气缸内时，必须具有较大的初始弹力。设计重点在于提高与气缸壁的接触比压，所以需要分布若干个中间泄油孔，以提高刮油能力。油环的类型有整体式：其外圆上切有环形槽，槽底开有回油用的小孔或窄槽；组合式：由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬簧组成。特点是接触比压大，刮油能力强，泄油 通路大，惯性质量小，但制造成本高。
4．4连杆
最后的部件为连杆，其作用为将活塞承受的力传给曲轴，使活塞往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。工作特点为复杂平面运动，承受压缩、拉伸、弯曲等交变载荷。要求在于在质量尽可能小的前提下有足够的刚度和强度。若刚度不足则会导致大头孔失圆：烧轴瓦，甚至咬死。和杆身弯曲：偏磨，漏气，窜机油。连杆的材料与工艺是中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成。其结构特点是由连杆小头1、杆身2、连杆大头3（包括连杆盖9）三部分组成。
连杆小头：全浮式的连杆小头孔内，一般压入减磨的青铜衬套或铁基粉末冶金衬套。小头顶部开有润滑油槽或油孔，收集飞溅油雾，润滑活塞销。半浮式连接就是用螺栓将活塞销加紧在连杆小头孔内，活塞销只在活塞销孔内转动，在连杆小头内不转动。
杆身：通常做成“工”字形断面，以求在刚度足够的前提下尽可能减少惯性质量，有的杆身钻有润滑油道。
连杆大头通常做成分开式的，以便于拆装轿车柴油机活塞结构组，被分开的部分叫连杆盖，两者之间用连杆螺栓连接。连杆与连杆盖之间有配对记号，拆装时应注意一致。连杆大头孔内过盈压入上、下两半薄壁钢轴瓦，在其内表面上涂有0.3-0.7mm厚的减磨合金层，具有保持油膜、减少摩擦阻力和易于磨合的作用，主要有巴氏合金、铜铝合金、高锡铝合金。轴瓦背面制有定位凸肩，防止轴瓦转动；轴瓦内表面开有油槽用以储油和作垃圾槽用。
汽车发动机连杆分为平切口（连杆大头沿着与杆身轴线垂直的方向切开，汽油机和较小功率柴油机用。）、斜切口（连杆大头沿着与杆身轴线成30~60 º 夹角切开，常用于曲柄销直径较粗的较大功率柴油机，否则，连杆大头尺寸太大，无法从气缸中拆下轿车柴油机活塞结构组。）
V型发动机连杆分为并列连杆（左右两缸的连杆一前一后地装在同一个曲柄销上，连杆可以通用，两缸轿车柴油机活塞结构组的运动规律相同，但曲轴加长，刚度降低。常用于V6、V8汽车发动机。）、主副连杆（副连杆通过销轴铰接在主连杆体或主连杆盖上，一列气缸装主连杆，另一列装副连杆，主连杆大头安装在曲轴的曲柄销上。曲轴不加长，但相邻两缸轿车柴油机活塞结构组运动规律和受力不相同。）、叉形连杆（一列气缸中的连杆大头做成叉形，另一列连杆大头套于其叉形中。两缸轿车柴油机活塞结构组的运动规律相同，左右两缸中心线不需错位，但叉形连杆大头结构和制造工艺比较复杂，而且连杆大头的刚度也不高。）。
现今的轿车柴油机活塞结构组的设计趋势是不断的向能承受高强度作业不断改进，不仅为了延长使用寿命，更加要为提高发动机效率和节能做出贡献。汽车这一整产品无处不存在这不断的改进设计，而轿车柴油机活塞结构组，作为发动机的核心原件，它的合理优化设计将会给整车带来莫大的收益。
5 设计计划：
第一阶段：收集相关资料，消化资料， 知道和了解
原理和其组织结构，熟悉软件操作要领和使用方法，完成开题报告。
第二阶段：完成初步的分析活塞结构设计方案,并完成图纸设计。
第三阶段：完成CAD图纸，
第四阶段：对方案设计进行计算分析，整理材料完成书面部分的内容，总结毕业设计的过程，检查已完成内容，对错误和需要修改的部分予以改正。
第五阶段：整理论文最终定稿，准备毕业答辩。
6 参考文献
