汽车发动机活塞裙部的外形型面

汽车发动机活塞裙部的外形型面重庆重型汽车研究所肖秀华续上期图十五一及系英国公司为我国第二汽车厂的型汽油机所作修改设计。。的活塞裙部的纵向基线从图十五可看到在裙长处系活塞的最大直径,、二裙部上下端对径及均缩小即活塞纵向基线呈鼓,,,。。形从图十五的双对数坐标图上可明显看出此曲线系由两段组成为了更清楚简洁地显“”示纵向基线的规律下面引入计算裙高的概念如令活塞最大直径处的裙长为则任,,”。“二一一裙长处其计算裙高为计卜等式右边取绝对值系使计永远为正,,。。值即是说任一裙长处的所谓计算裙高计系指从活塞最大直径处起算的裙高值而且,,,。从计》起不论是向上到活塞裙部上或下计轴都是正值或向下端,,“”选用了计算裙高叭计后,升一则型活塞的纵向基线规律可以表示成下述关系开初设计时,一’△裙部上半段规律为,孙,’△?’不丫凡日门门口口口曰?口口口日图目曰下半段规律为一计之一一‘口门口口门口口门「口曰圈日门门一一门门口口门日日口〕卢曰盯曰「门口门葬日口瓜酬姿、△‘“即可用统一的幕函数形式忿计?来表示。经过运转试验,感到基线弯门门日「刁。会门口口口门团日刃门「一修正指?」二曰日尸口盯门团阴,曰、曲不够上半段的及值分别修改,一为及,下半段修改一。为及即分别作了不大的修正。由此得知一活塞纵向墓线最后形式系由一段类立方抛物线和一段类平方抛物线组合而成,一一??口尸口口厂尹厂门几一汤盛谕从骊漏从口尸了门日日日月一厂佩杆口口口口厂日「门口口门厂口门门口口日了口日厂口口厂门日口卜匕口口口困日口口口口门口口门曰曰曰「曰日门口门门曰厂厂厂几口日曰「尸厂口门「日日门生刃。口洒峨才万,户漏叙勿伙巍,,一尸’“州口”一‘而开初设计时则更直接就为标准立方。厂厂抛物线和标准平方抛物线组合而成口「日门「尸「门刊口一图十六所示的娜道依茨日口曰巨冈日日厂门口〔一’风冷柴油机活塞的纵向基曰曰日冈尸门曰尸门口月「口‘门口日「户门、「刁一」口一。门红,刃广口口」巨口线数据取自〔〕的实侧值其上日门门门「门半段规律为▲?一“‘,其口日日「日口口巨口叶箔‘“,口巨鲜户「「口」「「日口口寸一卜八笙口下半段仅长二,且相应的缩减量巨口口口仁巨口口日口口口」也很小估计可能是为了避免裙底括,口口口日口「「一」」口口。削缸套壁而设计的为了比较幕函数型线与前述超越一函数型线在图十七上绘有,图十五活塞和活嘴径向减受。塞的基线为使这对比有一共同墓础选取了使裙部上端具有相,同的径向编减量。△二二。沈肖产‘一—门一「,一’下一,一州日娜曰十‘拭布厂了二勺二对于超越函数规律,其值的选二一万寸夕尹乙“‘七祀部乙一夕与刀工一万什浓脚兰少芝定井女洲臼书乡乙石狡三〔臼卜委含泛咋竺牛竺户字赶圣民」卜一杏、闷州一斗月妥牛一一奋一卜弓一卜闷州一书丫卜用是这样考虑的前已指出‘刁阵州月一斗斗,刁一一卜一卜刊」日一附,一一—代一闷刁」一去卜刁,川书一一州一十蕊类—男一卜刁值的变动范围不会很大,而且由招丽万石万牙丙了乃沙碑翩曰汾长沂丫沂尸广门防门卜防减叫‘丁及一币一日…七…九‘砂司卜司矛司忿州已司卜卜臼目布掩‘寸冷沐洲沪、端‘公卜一砚,,曰‘目才卜吧卜一卜冬书一闷两个活塞纵向基线的分一目片目阵卜护目片目牛井二一日才习口筋日二二二二几二目砰一二目卜比—一片三川叫习感声日卜力州了佗力州卜一门二三三日日日日三—职之了〔「口卜二一二口析知其。值分别为及认目川目,一一一一一卜二目目二卜一」日丰「一州一一州一一一一日日日白以日目月日卜」刊卜川‘一途户侧故在此选用了值为,乙乙子日曰仁」州目目卜兴州一拐十一川卜及各绘一曲线以,二夕科丰仁牛之刹一卜科叶,,,吮二三荃仁住右刹,二二几认了二瓦卜朴州劝压矛一了碑夕一钊哎曰刁产一月究一川峨了扛卜日厚石,一,使对比的超越函数曲线尽可能概二卜逆卜干刀干一一卜一片门门一一门?’—书牛产尸勺习『勺几啊一以不口二三阅口州匕」口「酥口田田。括所有的可能范围一叶口一一下,一一一省、州上一井,由图十七可看出当△上相卜比一…卜川」同时三条曲线在裙下端处极为,接近但在中间部份幕函数线,,▲。的值却小得很多如果说活塞轴向沮度完全按超越函数规律分布时圈十五因而橄长上各处的热膨胀也应是由超越函数所决定,吞二幻的这即意味冷态下呈超越函数型的活塞裙部基线在热状态下将变成为大致可代,,。表冷缸套壁的直线比较图上曲线历程可看出裙部按幕函数规律设计的外形其中间都,份就必将膨胀过度而超过直。线而这即愈味着发生了。卡缸现象为了不致出现这种事故可以想象将超越函,数曲线向下平移使之与幕,四口口口门口口口口口才闰‘,一,…,’一盯一卜一卜二一一一一一喇卜刊目月月卜州门十’一一—一侧丫门门‘一「】厂门一闷—一一寸训汗不一比…二二立二二二二卜云马书斗日丰鼠乌日民该工一司卜一」一卜‘目弓日」日一一一净一卜一卜」曰日卜护一,曰卜一卜尸叶妇月—叫于,闷口口州一口口尸口区一口口口日困口网日口团口口口口犷口口巨口函数线相切如图示之虚。线而代表冷缸套的才线。也下移同一距离得线这样幕函数线的裙壁热渗,,胀后将如点划线所示除中,间某处如点将与代表冷缸卜一尸士十一六什一一夕司州日十汁州一一闷一一闷卜、,一一州卜一川之片妇甘弓,’上一曰片…讨比厂门…李忿、丁二……匕二到巴二兰仁二尸甲月出出二目匕兰比圳仁二二幸目川目不引匕一卜一一一卜日卜州卜二目叫一叫,胃洲片月月阶一一‘一十十一丁一一—主丰汤,套壁的新直线习相贴近外,其余部份则与线有一相当距离,其值为虚线之超越函。数线和幕函数线的差距亦。即形成了相应的油楔间隙而按超越函数规律设计的应、线橄壁划在全长上却与团巨口因口口口口日归口口口刁日巨口习厂一口厂」口口」口口口口巨口径向缩减量刹由。图十六线贴近由此可看出按每桂向绪减黄上厂厂一「一厂曰门曰门口口口尸门曰门门门门门门口、坛下万洲日曰门门门门门门门飞片片卜一川川川目目曰曰川日日川日日片卜卜六丫气汽匕卜二川川日川日曰目川日曰曰川曰一曰叼附十寸卞曰曰曰曰曰曰日、日日除一、忑蕊那万日誉汤已八吕门升尚洲日日日日日州州曰曰州曰,心口,户卜卜户除卜卜弓才矛莎二旅献洲,介二卜人氏户陪卜尹勺兴卜隅召卜川日曰日曰曰曰曰卜曰卜队附曰限澎曰钊另二一曰州曰曰曰日日卜共飞闪一司日日口尸阵户澎“曰卜卜曰卜曰卜一」洲州岌睡卜卜卜一丰户队卜卜卜一一卜卜洲以匕曰匕日目午一卜之匕匕州知日匕‘比二州巨目目目目日州卜一‘之之竺一炭目卜十卜月一一一州一州一叫奋刊州州刁卜一卜全卜一卜卜产刁润卜卜卜一卜网户二七二,,目目四日下二日曰曰口曰曰曰日卜防昌目目片目片目目参团即四目目网目目卜目口月比卜口口目目卜目匕口目叫巨‘卜州匕刁二习习比一曰口目目口目州曰口口‘目以目目口目目目‘一匕卜卜卜目二日目目目曰日目目目日目目目目目目目目口口秘匕曰口匕匕匕口习匕曰曰曰口曰曰口目口一刁一一匕匕川二匕曰日日匕匕匕口口匕击工口乍口口凶丝曰堕丁」图十七不只具有公式形式简洁和计算方便等优点函数规律夹设计裙部外形纵向型线更重要的,,。是它提供了有意识地利用流体动力润滑效应的作用从上述定性分析可知幕函数型裙部纵、向外形规律比超越函数型规律似较更为合理,设计裙部型线可以获得最高的油膜承载能力,,过对此还孺作严格的理论上的证明和实践的验证,。对于活塞的纵向基线规律,。〔先进资料认为采用立方抛物线规律亦即可以获得最佳的流体动力润滑效果不,也可用同样办法分析出其应用流体动力润滑。一“‘。。△效应的作用来图十八上粗实线系按上半段规律,绘制的曲线显然这条超,一。越函数的外形线在热状态下将完全变形为直线但从实测外形知在以,,。后曲线转换成虚线所示的下半段规律这样当活塞仍按超越函数规律而膨胀时则上半,,,“二一一段以前将与代表冷缸套壁的新直线而在下半段却与,,相贴直线间形。。一成油楔间隙间隙值为虚线与线间的差距一忽略了裙部下半段的微小膨胀量这就是说当活塞上行时没有利用流体动力润滑效应而在活塞下行时是利用了油棋内的流体动力润,。扮效应的这点很好理解径向瑙减爹当活塞在膨胀冲程下行时,厂厂尸「「「厂厂门厂门门尸「门门门口作用在活塞上的磨捺力引起厂厂厂「厂日「门门门的倾侧力矩将比压缩冲程上日厂曰厂尸厂节日曰曰口一口日曰叮厂厂厂口广厂下下日曰口行时的大得多那么利用裙因厂日口声日日日日尸日门曰节门门,部下半段油棋内产生较高的日口日「日口门厂门日门门曰日口日门口图日户厂口曰日曰口厂份曰日日门口厂日油压效果将有助于使活塞,口四口口口口口口日门叮日口门门口不易倾侧,保持较好的稳定巨日闰门曰口曰门日口曰口口口曰日口履。口日门陌口厂日盯币日门门日日口曰门曰口导向作用曰门口日日日口曰…口口口三三峨户、卜门义卜右尸‘臼曰可看出从上述简略的定性分析冷态下的活塞裙部二口妈口口,二二厄二甘一「一二一一户月亡目里吧吧二一月,,,,户,,巴,门些硬,月月户,甲叫卜,少,硬,目纵向外形规律不只是决定,各滋句于温度不均而导致的热膨胀童同时也影响到运用流体,图十八。动力润猜效应的效果因此应力争便枯,塞外形设计成这样即使热膨胀变形后的厂一了,活塞外形与缸壁间形成某一恰当的油楔间隙,以获得最佳的润滑作用和使活塞稳定。导向的条件从而改善活塞的工作因之,除要求设法从雷诺方程式直接求解得最理想的幻形式外,对于鼓形活塞外形还有如何选定最大直径具体位置等问,题。有关这些问题的详细分析,还有待于下夕卜卜、、,二号。作进一步分析对于纵向基线规律可用△计。之表示的活塞此基线相对活塞轴线即所选,坐标系的轴的方程式如图十九可表,,示成艺么艺线《竺户一,如气计图十九下半砰兰日。几一一一△宕△二一,而所以有,一一‘忿一忿,廿‘艺四活塞裙部外形型面的设计步骤和曲面方程式明确了活塞裙部外形变椭圆体设计步骤如下鼓形—曲面的形成原理之后可以总结提出其具,、、首先根据所设计活塞的具体工况所选用的材料和毛坯成形工艺铸锻参考已,。有的同类型发动机的经验初步选定配缸间晾从而决定了所设计活塞裙部的最大直径刀,,。可能在裙部下端处也可能在裙部中间偏下位置不过这时应考虑到活塞工作过程中将,。。发生变形为式,亦即活塞在工作状态下实际的配缸间晾将加大叭、十。或式所决定的裙部最大直径处半径上的变形量叭,而‘叭‘。即、根据活塞裙部的壁厚乃材料的弹性系数以及动力计算所得到的曲柄一连杆机构,的最大侧向分力,按式或式算出活塞工作时最大直径处的挠度值即。脚。、。。。减然后即可再按式或式决定裙部最大直径处横截面上各角度上的径向缩人。。这就决定了活塞裙部最大直径处的横向外形规律这同时也就决定了此平面上的椭。。,。,,‘,参考同类型发动机的经验圆度预估所设计活塞裙部上端处的温度数值并计及活塞材料,,△。的热形胀系数可以选定出裙部纵向基线上端处的径向缩减量再按式算出纵向,,八蓦线上各点的或者根据已有的经验,值先选定活塞裙部最大直径处的位置即,,,“。、、而后按式△一设计纵向基线规律上述各式中的系数‘。等均孺参考同类,,型发动机的来选用,根据式可以决定任一裙长处的楠画度‘而后再按式或式,决,。“定各徽截面上各角度处的径向缩减量这样即可如图九作出一系列活塞纵向型线,亦即完全决定了整个活塞裙部外形型面的,。综合公式曲面规律鼓形、、、型面的圆柱坐标方程式组或可以给出活塞裙部外形变楠圈一,‘、‘几了二一一竺一几任‘嘴石一“一石石,‘一侣一二几一一一八。一一一叫,一‘,或‘一。部上处面上圆的长轴,—裙部最端直径处横截面椭圆的长轴裙大横截椭其中,当基线是超越函数规律时,在相当—,处,二,。‘二‘裙部上端处的椭圆度在相当,“—其他裙长‘处的椭圆度为‘,的活塞最大直径处‘‘在,,‘。裙长处横截面外形任意角度处的半径长度,,‘—裙长—系数—,,气“,,氏可参考同类型发动机的相应值选用、五结论。、对活塞裙部外形纵横向型线规律所作的理论分析阐明了变椭圆一鼓形的裙部外形,。型面的设计理论依据和具体方法用分析所推得的型线公式对目前已有的几个国外活塞样,。。品进行过验算由公式算得的数据与实际情况极为一致证实了上述分析结论的正确性所,。提出的几项工艺原则方案也能很方便地加工出所要求的裙部外形形状相应的机床结构也,。并不很复杂是完全可以设计制造出来的估计困难处还在于金刚石车床本身精度要求高,‘一弓。。从横截面型线的分析可知在理论上应有。一一一污因此横截面外、形的摘圆度‘与发动机的缸径刀活塞裙部受到的侧压力所选用的活塞材料弹性系数,、和具体尺寸假定条件的局限性。。裙壁厚度乙有关限于条件对此还未进行验证考虑到理论推导时,椭圆度除与上述诸因素有关外还可能与其他因素有关上述关系还可,,,。能需要引入某些修正对此问题的详细分析验证。还有待于进一步探讨同时为了简化裙部,,、、橄向外形设计工作最好能找出椭圆度与发动机具体情况类型工况材料等之间更,。简掩的关系以资应用,。、对于某些决定裙部外形型面的部份参数如椭回度随裙长的变化率二次近似楠,、圆的修正系数尽纵向基线规律的、,及值等等当然会因发动机的具体情况的不同,,。例如发动机类型强化程度活塞结构特点等而有某些差别希望今后能更进一步再分析些,,国外其他型号的活塞样品找出这类参数的大致变化范围和与发动机具体情况间的关系,,为。今后发展新机型和改进旧机型活塞的工作提供更适用的活塞裙部设计依据、在活塞裙部纵横向规律的有关讨论中已烟明假定活塞受到机械一热力作用后裙部。变为正圆柱面的概念理论上并不能认为是最合理的有必要更进一步深入研究变形后成为,。其他形状的设计规律及其实用的可能性例如使变形后裙部横向曲线的曲率半径应等于或极其接近于汽缸套内半径使变形后的裙部纵向型线与汽缸壁间形成某种型式的楔形油晾以,,。便充分利用流体动力润滑效应使之进一步改善活塞裙部的承载能力和导向稳定性,在所提变椭圆一鼓形裙部加工工艺原则方案和基础上进行具体的活塞裙部专用加工,机床的设计并作出这类机床以满足活塞制造技术发展的需要填补我国在这项技术上的,,,’。空白有了这类机床后也便于推广这类比较先进结构活塞的发展为发展新机型和改进旧,,机型内嫩机活塞提供有力的物质基础改善我国目前在活塞设计和制造技术上的落后状况,,。促使我国内燃机技术早日赶上世界先进水平、六附录沿活垂铭长铭里通度分布规律如图二十若从活塞裙部截取中心,角为协的圆弧长条并再由其上取命,附录。长的一小段弧形撇元体由于假定圆周上温度是均匀的故在微元体的两侧截,面上没有热量流动,、、尸即。,经环段一门内弧面虽有热量‘传给与之接触的曲轴箱内残气但与流经外弧面通过,,油膜传给气缸壁的热量弓相比则前,产。者可约之不计即令礴这样,,流经孤形徽元体的热量只有经上截面流夕,“入的经下截面流出的以及二,。着之差弓,后者经外弧面传给气缸套尹一有“二从徽元体的热平衡应有,而按导热定律口,图二十裙壁纵向温度分布规律?。,一、登,一。‘?去,鲁甲及。‘弓丹,,‘“‘一人二元厂‘万吞声泊活塞材料的导热系数,—活塞裙壁相对于缸套壁面的温差缸套壁的温度可以认为沿轴向不变全。,—长上均为缸套。这样各也可看成是活塞裙部各相应点的温度在裙部上,,因而其中人丹。丹。端即“处丹,、微元体上下两个截面的面积—经徽元体外弧面传出的热量为流?价瓦二,另一方面,一?己价宕丹‘‘丹其中活塞对缸套壁的传热系数—微元体外弧面面积。—在讨论枢轴向其周围流体介质传热问题时〔〕,因系简单的对流换热过程,故相应于式而在讨论活塞裙壁经过油膜层向缸套壁的传热问题时,用的是放热系数则要考虑,到活塞裙壁向油膜的传热油膜层自身内部的热传递以及油膜对缸套壁的传热等因素即这,,,系一复杂的传热过程因之在式中不是用放热系数而是改用反映上述所有传热过,,。程总效应的传热系数‘式和相等并经化简后可得,浮丹’’石「压心二份了下,此处“士亿天万「沿裙长假定经油膜的传热情况不变则活塞对缸套壁的传热系数,沿裙长也就不变,。则。为定值对式这个二阶常微分方程求解并考虑边界条件即可求得下述两个特解,,当考虑裙长为有限并取裙部下端温度为各并且约去活塞底面传热影响即取,,。附则有,才一用用丹可得丹。当考虑裙长为无限长,。丹二丹‘盯相比大得多因为活塞裙部长度与裙壁厚度因之可以当作无限长壁来对待即可用式,,。来表示活塞温度沿裙长的分布规律附录关于资料〔〕式兀译文式〕论证的二”双只等认为如图二十一所示为原设计的椭圆形规律的裙部外形其,。中相应于中心角范围内的部份位移可用下述两式求得可以近似地用偏心圆弧来代替而偏心圆半径及偏心,,,。。分二二“及一一在原文中用,、‘尹’寸表示认“’式中’△一为角处椭圆形的径向礴一产’心”产护”一”,‘,’下熟一一、一一‘西。偏心圆在角处也具有相同的如图二十二按上述则应有,。△值,缩减为椭圆的长半轴一八、、、在由三边组成的三角形中按余弦定律应有,、一“训一另一方面又有,一一一△“一则了一一△“一一么“即一△△“一一△△““△一△一八△尺一△因而有即“‘〔〕乍』刀可厂“一丁、图二十一由两个半圆组成的活塞裙迎似椭圆形型面图二十二图二十一的放大图一“一由于烤八所以不能得出结论一口。即资料〔〕公式的〔文式译〕有问题的是,考资料目录“〔〕日技术座谈对泉自动车工业公司活塞制造技术总结武汉汽车配件厂〔〕”。产产‘声法《》、年卷第期一“》汽车及汽车运物快报二。二,,,,”节译文载苏《人,,年月第”期号妞双,中,。〕一二。中‘益〔,一。双,兄年第一期合刊。现等著二,节译文载《国外柴油机》,二二、〕“全益、〔,,皿扭刀且?载苏《〕》汽车工业,‘,,冲二,中。二,。贝益,、“”〔,,双月皿,汀了??冲第二版二?载苏《》〔弹性椒定理论〕〔〕热学墓础传〔〕‘王补宜译积著咨询工程公司资料,张福范译,,著,年一,〔〕发动机结构分析《陕西汽车》年,〔〕差理论与实验数据处理误冯师颜著,、〔〕究金属和整理实验数据的方法研著欧杨可强译,、〔〕压工程学概论油日本市川常雄著译文载《重型机械》年第期,,,“〕国外机械工业基本情况〕德道依茨公司西”〔〔参考资料内燃机风冷柴油机系列简介北京汽车》第期、〔活〕塞裙部椭圆加工新方法赵技万《内嫌机》第期。、〔〕压半自动活塞椭圆试验车床简介及对几种车椭圆机构方案的探讨液环气缸套行业组《经验交流》期,第,嵌嵌嵌全国活塞拱活塞、近年来国外中小型内燃机的活塞裙部外形型面多趋向在横截面上呈椭圆,,本文摘要。且沿裙高椭圆形还是变化的,而在纵向上呈鼓形的复杂空间曲面但对这种曲面的具体变化、、规律设计这类曲面的理论根据以及这类曲面的确切可靠经济合理的成形加工工艺等技术。关键间题却一直未见透露,、本文从弹性稳定理论传热学和流体动力润滑理论的一些原则结论出发探讨了设计这,类曲面的理论根据详细分析了这类曲面的具体变化规律和设计方法提出了描述这类曲面,,。的圆柱参数方程式组一,,,,,一,。,,,,

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