基于UG的6110柴油机活塞三维实体设计Word文档格式.docx

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1.2柴油机活塞的研究状况

1.2.1国内柴油机活塞的研究现状

我国锡柴6110柴油机是长春最早客车投入使用的，具有参考日本三菱公司的6D14柴油机整体设计的性能,而6D14柴油机活塞首先密封性较好，活塞环和汽缸套是我国锡柴6110柴油机不具有的。

我国锡柴6110柴油机通常选择的活塞分别由一汽公司所研发而生产的、质量刚度很难达到发达国家使用的性能要求，所以柴油机活塞锻造工艺技术要求较高，而增压活塞除基本外型,必须考虑导线性以及摩擦系数和温度的变化。

1.2.2国外柴油机活塞的研究现状

日本对于活塞的研究较为重视其使用寿命以及导热性，而欧洲国家重视活塞的组合效应以及组合后使用的过程以及寿命，研究国外活塞的研究现状，首先考虑国外活塞工艺锻造技术。

近几年，各国传统技术科技变化较大，且加速的发展，导致能源转变的出现，如新能源汽车的出现。

以及氢气发动机的出现，使得柴油机成为重领域使用的发动机之一。

因为柴油机污染较大，不适合新型环保技术要求，虽然有很多改造型，但柴油机活塞的使用要求也在逐步提高。

而日本欧美等国家对于柴油机活塞的革新技术较快，材料的选择和工艺的改革基本表现在活塞的可靠性、耐久性以及活塞环、气缸套的整体设计结构。

以及工艺制造中的成本低，效率高。

是当下国外企业在活塞设计的整体要求。

第2章6110柴油机活塞组成构造

2.1柴油机活塞的作用

柴油机活塞主要的作用是保证密封情况下能够完成压缩和膨胀运作的过程，最终在使用情况中能够实现气体经连杆传递给柴油机曲轴，而当前6110柴油机筒形活塞主要是承受侧推力，以及活塞滑块在使用过程中的作用。

6110柴油机中的活塞主要起到的作用是活塞受到燃气高温能够在高压情况下的运转，以及防止活塞出现烧蚀和腐蚀。

所以6110柴油机活塞材料选择及其重要，不仅可以保证6110柴油机运转的性能。

也可以防止出现6110柴油机活塞在工作情况下出现裂纹和变形，所有保证6110柴油机活塞正常运行。

必须考虑6110柴油机活塞的动力性和可靠性是否合理，因此，6110柴油机活塞强度和刚度是否可以保证活塞密封性和可靠性以及散热性能的好坏。

在设计中必须考虑到6110柴油机活塞冷却效果和摩擦系数损的耐磨度以及重量和导热的整体效果。

是否适合6110柴油机在高速情况下正常运行。

2.26110柴油机活塞类型

6110柴油机是锡柴自主研发的柴油机，适用于客车车辆的使用。

它的功率和油耗以及结构是否可靠性。

见图2.1

图2-16110型柴油机纵剖图

6110柴油机活塞的运动部件主要具有以下特点：

活塞组与连杆组等部分组成。

活塞组的作用以及功能是保证气缸套组成工作容积的密闭性能，从而保证6110柴油机工作中循环的运转。

首先必须考虑连杆组运转情况中的往复直线转变功能是否可以在曲轴中的旋转，当6110柴油机活塞在内燃机压力中通过曲轴向外输出运转动力。

而连杆的刚度以及强度是连接活塞和曲轴最主要的旋转运动部件。

见图2-2活塞连杆总成图

图2-2活塞连杆总成图

2.36110柴油机活塞结构的组成

6110柴油机活塞的功能是：

活塞和气缸盖一起组成燃烧室所需要的形状和容积，并保证气缸内部空间的密闭性。

活塞承受气缸内的燃气压力并将此力传递给连杆和气缸壁。

活塞是柴油机中工作条件最恶劣的零件之一。

它在润滑不良的情况下，常在高压以及高温状态的作用下，不断地旋转高速往复运动。

活塞的结构必须能适应这种工作条件的要求。

活塞受热和温度升高可能带来的危害是材料的强度和硬度由于温度升高而降低，容易造成活塞的损坏和加速磨损。

会使活塞顶部出现裂纹而损坏。

另外在活塞受热膨胀时，会使活塞与气缸间的间隙过小或消失而引起运动阻力增大，表面擦伤甚至卡死。

因此活塞在构造上都是要尽可能减少受热降低温度。

6110柴油机活塞是用共晶硅铝合金铸造，活塞顶面布置有唇边收口形燃烧室，活塞裙部有桶面和变椭圆曲面组成，一环槽镶有耐热奥氏体圈，采用楔形销座结构。

活塞顶部柴油机活塞顶部是根据燃烧室的特殊要求而设计的。

6110型柴油机采用ω形燃烧室,启动性好，活塞燃烧室偏向一侧以减轻活塞换向时的侧拍及冲击，减小噪声。

考虑到6110柴油机活塞气环的功能作用：

首先考虑其密封气缸，防止燃气漏入气缸。

其次是6110柴油机活塞顶部传递的温度是否能够传递给气缸壁。

6110柴油机油环功能的作用首先是活塞均匀布满机油，可以创造良好的润滑条件，减少活塞组的摩擦阻力和活塞磨损。

其次将气缸壁上过多的润滑油刮下，可以起到润滑油窜入燃烧室，避免出现机油消耗。

6110柴油机活塞通常采用的是三环活塞节构，首先三环活塞结构上面两环是气环，最后一环是活塞油环。

当最后一环油环槽的底面在活塞杆旋转情况下可以将油环从气缸壁刮下来的多余机油回油底壳。

柴油机活塞裙部是从油环槽下端面起至活塞底平面的一段。

在活塞裙部有为安装活塞销用的销座和销孔。

活塞裙部的主要作用是对活塞气缸内的运动导向，同时承受侧压力。

柴油机活塞裙部一般较长，这是因为柴油机燃气压力高，侧压力大，加长裙部可以减少单位面积上的压力和摩擦。

活塞工作时受气压力和侧压力以及活塞销给予销座的支反力，活塞由此产生变形，即在销座方向向外扩大，又由于销座处金属堆积不均，受热膨胀变形时，不是四周均匀涨大，而是延活塞销轴线方向增大，垂直轴线方向则缩小。

上述因素的综合，使圆活塞工作时变为椭圆形。

如图2-3柴油机活塞总成图

图2-36110柴油机活塞总成图

2.4柴油机活塞的优点和缺点

柴油机活塞的优点和缺点起到柴油机机械性能。

同时可以降低活塞在工作中出现裂纹和变形，保证活塞能够正常运行可以总结以下两点：

1.优点：

运行噪音小，6110柴油机活塞运动本身具备振动，当振动出现时可以从气门机构产生机械噪音；

但不等于加速时噪音小。

通常在平稳时运转产生的振动较小，所以活塞气门结构组成，能够保证6110柴油机活塞整体平稳和安静地运行。

在整个速度范围内有相当均匀的设计中运行波动与直列发动机具有相同水平。

2.缺点：

6110柴油机活塞与往复式发动机活塞必备的正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等等，而这些在柴油机活塞中与往复式发动机中是不同的。

因此，转子发动机的组成部件比传统的发动机活塞部件减少了40％，从而使得转子发动机活塞体积小重量轻，可靠性和耐久性比较好：

所以适合在高负荷运动中更耐久。

第3章6110柴油机活塞基本设计

3.1活塞的主要尺寸

活塞主要尺寸由冲程、缸径、连杆长度和气缸高度决定。

活塞销孔直径一般就是活塞销直径（除销孔加衬套外），销孔大小决定销座与连杆小头所承受的比压大小及活塞销工作的应力值。

为提高活塞销抗弯能力及降低销座与连杆小头的比压，希望活塞销外径尽量大些。

但过分加大其外径将使惯性力加大，带来许多不利。

在考虑活塞销座承压面积或长度时，必须同时考虑连杆小头衬套要有足够承压面积或长度。

由于衬套承受负荷能力高于销座，且连杆小头温度较低，因此要把活塞销承压面积或长度与连杆小头衬套的承压面积或长度定为9:

8。

为避免加工误差与热膨胀引起连杆小头侧面与销座相碰，两者之间要留2～5mm间隙。

根据裙部功用对不同类型内燃机活塞裙长应考虑如下三点：

裙部应有一定长度和足够的承压面积，使裙部比压QS（最大侧压力与裙部投影面积之比）控制在0.6～1.4Mpa之间。

销孔上下两部分裙长要有一定比例，防止活塞工作时发生倾斜造成局部剧烈磨损。

裙长确定后，还应从整体布置角度对尺寸进行校核。

如：

活塞在下止点时，装在下裙的油环不应露出气缸，及连杆和曲轴的平衡块不要和下裙相碰。

在本设计中，活塞总长初步选取值为：

GL=KH+SL-上裙长=63+63-30=96mm。

可见所初选的各尺寸基本正确，较好的满足了设计要求。

3.2活塞头部设计

活塞顶形状主要取决于燃烧室的选择与设计，而燃烧室的选择取决于活塞直径、转速、经济性、功率、可靠性。

柴油机活塞顶部选型要点如下：

活塞直径D>

200mm，转速n<

1000r/min的大型增压柴油机几乎都采用开式燃烧室。

D>

100mm，n<

3000～3500r/min的高速柴油机为降低油耗，改善起动性，有广泛采用直喷式燃烧室的趋向。

分开式燃烧室具有对转速不敏感、高速性好、噪声及排气污染低等优点，在D<

100mm的小型高速柴油机上仍广泛应用。

在160<

D<

200mm的增压大功率柴油机上，直喷式和预燃室均有应用。

因此，根据本设计中D=100mm，n=3200r/min的条件，以及该柴油机用于车用，对起动性能要求较高，所以选取的活塞顶形状为半开式ω型燃烧室，活塞顶厚度δ根据强度、刚度和散热条件来确定，对于铝活塞δ值，柴油机一般为（0.1～0.2）D，即10～20mm，在活塞零件图绘制过程中，将按此范围选取合适的值。

在绘图过程中，选取δ=12mm。

活塞顶部吸入的热量主要通过环带部和裙部散发，由环带部散发的热量大多由第一环槽传出。

这使得第一环槽的热负荷增高，强度降低，并使机油炭化而造成积炭，使环槽磨损严重。

因此，采取有利措施提高活塞头部可靠性十分有必要，主要方法有[3]：

活塞顶岸高度要使活塞在上止点时，第一环要处在水冷区域内。

减小顶岸与气缸之间的配合间隙，降低通往第一环的气流，使第一环槽温度有所降低。

为防止间隙过小引起故障，可在顶岸车出退让槽。

在第一或第一、二道环槽镶铸耐磨圈，可使活塞寿命提高3-7倍。

在铝活塞顶部喷镀0.2-0.3mm厚陶瓷，能起到耐高温、防腐蚀和减少吸热的作用。

在活塞头部合理布置冷却油道，使其有效地隔断热流，提高第一环槽冷却效果。

销孔与活塞销组成一对摩擦副，它将活塞顶部燃气压力通过销座传给活塞销，然后再传递到连杆和曲轴。

销座与活塞销必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。

销座的应力分布取决于销座和活塞销两者变形是否相互适应，因此销座设计与活塞销统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减少弯曲变形，要求销座能承受高的压力，且有一定弹性，使之适应活塞销的变形。

由于本活塞设计中采用的是浮式活塞销，所以要进行润滑。

销孔表面温度过高或比压过高，会破坏润滑油膜，可能使活塞销咬住。

3.3活塞销设计

通过查阅相关资料，并考虑到活塞销所受的较大切应力，活塞销材料采用20Cr。

选择活塞销外径d=32mm，活塞销内径d0=15mm时，销座抗裂能力较好。

按照活塞销承压面积或长度与连杆小头衬套的承压面积或长度为9:

8，销座单边的承压长度可选为21mm。

因此，活塞销的长度为销座承压长度+活塞销座间距AA+连杆小头与销座间距=42+36+4=82mm。

查相关数据得知，20Cr的许用切应力[τ]=230Mpa，活塞销所受的主要是切应力，根据材料力学公式，τ=PΣmax/A=4PΣmax/（π（d2-d02））=101.6Mpa<

[τ]，由此可知，该活塞销有足够的强度，能满足工作要求。

活塞裙的功用是：

在气缸中为活塞本身起导向作用；

承受侧压力；

将活塞承受的部分热量传给气缸壁；

控制机油耗量等。

从导向角度考虑，裙部应尽可能长，但这与内燃机机构紧凑性的要求相矛盾。

裙部椭圆是指垂直于气缸中心线的裙部截面的外形轮廓线为椭圆。

裙部做成椭圆的理由是因为活塞工作时，由于下列原因使活塞沿销座方向会拉长。

由于活塞裙部推力面与气缸壁仅有β=80o～100o的圆弧能接触，故在侧向力的作用下，有将圆的裙部压扁的趋势，同时迫使销座轴向的裙部伸长。

活塞顶上受到燃气压力的作用，使活塞顶部在销座跨度内发生弯曲，并使活塞裙部有向外扩张的趋势。

活塞销座处材料堆积，使裙部的销座方向上产生大于其垂直方向的热变形。

因此，为防止活塞在气缸内卡死或引起局部加速磨损，必须在设计时使销座方向的金属多削去一些，把活塞销轴作为椭圆的短轴。

活塞裙部的要求如下：

初步选定SL的范围为70mm，根据计算，裙部比压QSmax=PNmax/（0.1×

0.07）=1.09Mpa，在0.6～1.4Mpa之间，满足要求。

3.4气环与油环设计

气环的主要功用是密封和传热。

保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热传给气缸壁，避免活塞过热。

气环不同开口形状，性能也不一样。

直开口工艺性好，但密封性差；

阶梯形开口密封性好，工艺性差；

斜开口的密封性和工艺性介于前两种开口之间，斜角一般为30°

或45°

。

气环的断面形状多种多样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不同断面形状的气环组合，可以得到最好的密封效果和使用性能。

气环的断面形状多种各样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不同断面形状的气环组合，可以得到最好的密封效果和使用性能[4]。

在本柴油机活塞设计中，第一道气环采用桶面环，第二道气环采用锥面环，气环高度选则为3mm。

桶面环，环的外圆面为外凸圆弧形。

其密封性、磨合性及对气缸壁表面形状的适应性都比较好。

桶面环在气缸内不论上行或下行均能形成楔形油膜，将环浮起，从而减轻环与气缸壁的磨损。

锥面环，环的外圆面为锥角很小的锥面。

理论上锥面环与气缸壁为线接触，磨合性好，增大了接触压力和对气缸壁形状的适应能力。

当活塞下行时，锥面环能起到向下刮油的作用。

当活塞上行时，由于锥面的油楔作用，锥面环能滑越过气缸壁上的油膜而不致将机油带入燃烧室。

在压缩高KH选取过程中，选取了气环轴向公称高度为3mm，只是各气环公差不同。

气环的径向厚度t=D/23.5～D/25=4～4.255mm，取t=4.2mm[5]。

3.5配合间隙

活塞用铝合金的热膨胀系数比气缸用铸铁要大，因此受热时活塞的热膨胀大于气缸，这一差值必须在冷态时采用一定间隙来补偿。

由于在工作时活塞头部要比下面其它部分热，因此在冷态时其头部间隙大于裙部。

但大的间隙会使环和环岸产生很大应力，因此又希望间隙要尽可能小些。

因此，常在柴油机活塞的顶岸或环岸上退让槽，这种结构既能减少间隙，又能防止拉缸。

裙部间隙主要取决于活塞结构，热膨胀控制活塞的间隙要小于普通整体铝活塞。

活塞火力岸顶端D3=0.37～0.50mm；

裙部上端D2=0.19～0.27mm；

裙部下端D1=0.11～0.16mm。

考虑到本活塞采用镶筒形钢片热膨胀控制活塞，裙部在全长上保持等椭圆，所以对于活塞与气缸间的间隙选择如下：

活塞火力岸顶端D3=0.42mm；

裙部间隙D2=D1=0.22mm。

活塞环与环槽间的轴向间隙

活塞环在环槽中的轴向间隙是环槽高与活塞环高的差值。

环槽尺寸由基本尺寸（环的公称高度）和一个附加值组成，这一附加值可根据不同需要而变。

选取结果如下：

上气环与环槽间的轴向间隙为0.08mm；

下气环与环槽间的轴向间隙为0.06mm；

油环与环槽间的轴向间隙为0.06mm。

活塞环与环槽间的径向间隙当活塞环装入环槽进入工作状态时，不允许与环槽底径相碰，因此需有一最小径向间隙。

气环与环槽间的径向间隙为1.2mm；

油环与环槽间的径向间隙为1.6mm。

活塞销与活塞及连杆小头之间一般采用浮动方式连接，即在内燃机运转过程中，活塞销会缓慢地转动，这样活塞销的磨损较均匀。

这种活塞销因间隙过大会引起额外冲击，过小不能保证润滑，使活塞销被锁死，所以对销孔的配合精度要求高。

现代高速内燃机铝活塞要求活塞销冷态就要有间隙，其目的是使活塞销在冷磨合和冷起动时不存在预应力，活塞销能自由转动，降低销孔开裂的危险。

由于活塞与活塞销材料不同，温度升高时，不同的热膨胀系数会使两者之间的间隙加大。

可直接得出不同活塞材料在不同温度下，活塞销与销孔之间的热态间隙。

Sw=Sk+ΔS式中：

Sw—热态间隙；

Sk—冷态间隙；

ΔS—升温后间隙增大量。

具体间隙可以根据公式计算，一般均为μm级的。

第4章UG软件

4.1软件介绍

UGNX是UnigraphicsSolutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。

UGNX5是NX系列的最新版本，在原有基础上做了大量的改进。

UGNX3-6软件是由多个模块组成的，主要包括CAD、CAM、CAE、注塑模、钣金件、Web、管路应用、质量工程应用、逆向工程等应用模块。

4.2UG软件的特点

UGNX软件的特点使产品开发从设计到加工真正实现数据的无缝集成，从而优化产品设计和制造。

NX不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配以及产生工程图等设计功能，而且在设计过程中还可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，大大提高了设计的可靠性。

同时，可以建立三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工。

具体特点有以下8点：

1.建立统一的主模型数据，真正实现了CAD/CAM/CAE等各模块之间的无数据交换的自由切换，从而实现设计模拟。

2.采用复合建模技术，可以将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。

3.特征是可以减除孔、凸台、型腔、槽沟、倒角等的编辑方法，和实体造型基础，形象直观达到实体可视化效果。

4.设计采用非均匀有理B样条作为基础，可以用多种方法生成复杂的曲面，适合汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。

5.出图功能强，可以方便三维实体模型直接生成工程图。

能够达到标准标注尺寸、形位公差并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切等生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。

4.3UG的基础知识

1.活塞建模与编辑如图3-1建模、3-2编辑

3-1建模

3-2编辑

2.绘制圆形剖面如图3-3和3-4

3-3绘制圆形

3-4圆形剖面

3.减除延伸实体如图3-5和3-6

3-5减除延伸

3-6实体图

第5章基于UG柴油机活塞的三维模型实体设计

5.16110柴油机活塞实体建模

通过运用Pro/ENGINER软件，根据课程设计中选出的活塞类型及相关尺寸，制作了如下三维实体模型。

图6-1活塞实体建模

图6-2活塞主视图

图6-3活塞右视图

图6-4活塞俯视图

图6-5桶面环

图6-6锥面环

图6-7油环

第6章结论与展望

　　本文以6110柴油机活塞三维实体设计，首先考虑活塞工作的条件都是在高温情况下，并且在很高的机械符合下做滑动。

其次考虑柴油机活塞周期性运动中连杆产生摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞还受一个交变侧压力，致使活塞不断撞击缸套，常导致活塞裙部变形。

最后完成活塞设计在保证强度和刚度的情况下，向着结构简单、轻巧，且截面变化处的过度要圆滑，从而减少应力集中。

通过本次设计，懂得柴油机活塞设计的基本步骤，这将对我以后从事有关工作有极大帮助。

参考文献

[1]陈家瑞，汽车构造：

上，下册[M].北京：

机械工业出版社，2001

[2]郝立红《柴油机活塞实体三维建模方法的研究》[J]《机械制造》,201