摘 要

本设计重点介绍了小型柴油机活塞的具体设计思路。活塞组作为发动机零部件中一种技术含量较高的组件，在恶劣的工作条件下，往往会因为受到巨大的机械载荷和较高的热应力而使得活塞产生许多不利于活塞正常工作的形变，甚至会是活塞受到破坏而报废使得活塞的寿命下降，进一步的影响发动机的维修周期与寿命。这些不利于活塞的形变往往会造成活塞销座的开裂甚至断裂，环槽与活塞环的磨损，活塞裙部与气缸壁剧烈摩擦而导致烧伤甚至拉花^[1]。随着科技的不断发展，活塞的设计方法也出现了越来越先进的方案、实验和工艺手段。CAD/CAE技术的发展使得活塞设计有了更加便捷的改进方案，CATIA软件能够直观的从各个角度观察分析设计的零件的形状特征，然后利用ANSYS软件进行有限元分析能够掌握活塞的机械载荷和热应力的分布，通过分析计算能够为活塞的设计提供更精确的改进方案。有限元的温度场设计能够很精确的模拟活塞工作是的实际环境温度，活塞在机械载荷下的受力变形情况能够在软件中直观的模拟出来，设计者可以通过对应力集中情况的分析来改进设计结构。

关键词：柴油机 活塞 强度

Abstract

This article mainly introduces the design of small diesel engine piston. As a kind of component with high technical content in engine parts, the piston group is often caused by the huge mechanical load and high thermal stress in the bad working conditions, which causes the piston to produce a lot of deformations which are not conducive to the normal work of the piston, and even the piston is destroyed and the piston's life is reduced. This will further affect the maintenance cycle and life of the engine. The deformations of the piston often cause the crack or even fracture of the piston pin, the wear of the ring groove and the piston ring, the severe friction between the piston skirt and the cylinder wall, which cause the burn and even the drawing. With the continuous development of science and technology, more and more advanced schemes, experiments and technological means have been developed for piston design. The development of CAD/CAE technology makes the piston design more convenient. The CATIA software can intuitively observe and analyze the shape characteristics of the parts designed and analyzed from various angles. Then the finite element analysis of the piston can be used to grasp the distribution of the mechanical and thermal stress of the piston by the ANSYS software, and can be used to calculate the piston by analysis and calculation. The design provides more accurate improvements. The temperature field design of the finite element can accurately simulate the actual ambient temperature of the piston work. The force deformation of the piston under the mechanical load can be intuitively simulated in the software. The designer can improve the design structure by the analysis of the stress concentration.

Key words: diesel engine,piston,strength

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪 论 1

1.1课题背景 1

1.2活塞的发展趋势 1

1.3活塞组设计与工艺的发展现状 2

1.3.1活塞部分 2

1.3.3 活塞销 3

1.4 本文研究对象及主要内容 3

1.5 经济性分析 4

第二章 活塞组 5

2.1概述 5

2.2活塞组设计要求 5

2.2.1 活塞的机械负荷 5

2.2.2 活塞的热负荷 6

2.2.3 润滑不良 6

2.3活塞的设计参数 6

2.4活塞材料选择 6

2.5活塞的主要尺寸确定 7

2.6活塞头部设计 9

2.6.1活塞顶 9

2.6.2活塞环槽 10

2.7活塞销座设计 11

2.7.1典型的销座结构 11

2.8活塞裙部及其侧表面形状设计 14

2.9 活塞环设计 16

2.10 活塞销设计 16

第三章 活塞的强度校核 18

3.1活塞顶的机械应力 18

3.2对第一环岸进行校核 18

3.3裙部比压 18

3.4活塞销座比压： 19

第四章 三维实体模型的建立 20

4.2 ANSYS软件简介 21

4.3 活塞三维实体模型的建立 22

4.4 活塞的有限元分析 27

第五章 总结 30

参考文献 31

致谢 33

绪 论

1.1课题背景

柴油机的历史悠久，经过一个多世纪的发展和不断的改进，其整体结构已经趋于完善。大量研究表明，柴油机是内燃机中热转化效率最高、耗油量最低最节能的动力机械。因为柴油机的效率比其他内燃机高而且它能输出的功率有很大的范围可以选择，正是的这样的优点使得柴油机在很大的范围中被普遍的应用。柴油机的应用场景、应用领域非常宽广，世界上不同国家每年生产的柴油机的数量都普遍非常庞大，同时伴随着柴油机应用范围的逐渐扩大，柴油机的产量也在不断增长，因此柴油机在人类生产作业中扮演了非常重要的角色^[2]。

这几年能源短缺和环境污染的问题越来越明显，节约能源和保护环境已是大势所趋。内燃机既是主要的能源消耗之一，也是造成环境污染源头之一，使得人们密切关注内燃机对这些问题的影响。为了满足人们这些需求，随着技术的不断提升结构的不断优化，柴油机朝着单机高功率，降低燃油消耗率、噪声、污染排放以及提高工作可靠性、延长使用寿命和轻量化的方面发展^[3]。

近几十年以来，研究人员通过采用涡轮增压技术、提高单机功率、提高发动机转速、改善燃烧过程等手段来改善柴油机的动力性、燃油经济性和排放性指标。同时，工作过程的改善以及新材料的研发，使得柴油机的单位活塞面基功率不断提升^[4]。

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