武汉理工大学毕业设计本科毕业设计
题目 186F活塞组的设计与校核计算____ 姓名
专业
学号
指导教师
武汉理工大学交通工程系
二○一四年五月
目录
中文摘要 (Ⅰ)
英文摘要 (Ⅱ)
1.前言.............................................................. I
1.1柴油机的工作原理及分类 (1)
1.2 国内外柴油机产业的现状与发展趋势 (2)
1.3柴油机的应用范围与发展前景 (3)
1.4设计的内容及目的 (4)
2.186F活塞组的设计 (6)
2.1活塞组的工作条件和设计要求 (6)
2.2活塞的结构和材料 (7)
2.3活塞头部的设计 (8)
2.3.1压缩高度的确定 (8)
2.3.2活塞环槽环岸的参数选择 (11)
2.3.3环岸的强度校核 (12)
2.3.4活塞顶的设计 (14)
2.4.活塞环的设计 (15)
2.4.1活塞环各部份名称及工作条件 (16)
2.4.2气环的设计 (16)
2.4.3气环各项数值的确定 (20)
2.4.4油环设计 (20)
2.4.5油环的计算 (22)
2.5活塞裙部的设计 (23)
2.5.1裙部形状设计及尺寸确定 (23)
2.5.2裙部的尺寸的强度校核 (24)
2.6活塞销的设计 (25)
2.6.1.活塞销的设计 (25)
2.6.2活塞销尺寸的确定及校核计算 (26)
2.7活塞销座的设计 (28)
2.7.1活塞销座的工作条件及设计要求 (28)
2.7.2活塞销座的结构润滑及校核计算 (29)
总结 (31)
致谢 (32)
参考文献 (33)
186F活塞组的设计与校核计算
摘要
活塞在柴油机中是很重要的运动件，它在相当恶劣的工作条件下工作，即高温，高速度，高负荷，润滑和冷却困难。随着柴油机技术水平的提高，以及高速柴油机活塞的开发应用，使活塞必须适应比以前还要恶劣的环境，平均有效压力，最大气体压力和温度急剧上升是其工作环境恶化的表现，如此恶劣的工作环境，使活塞成为柴油机零部件比较常见的故障零件。要想设计出可靠有效的活塞，必须对柴油机进行详细的了解。所以我对柴油机的工作原理，国内外柴油机的发展水平以及发展前景作出详细的说明。分析表明：经过合理的活塞设计，能够有效的提升活塞工作效率的可靠性，以及186F活塞刚度的耐久性.
本次设计的任务主要是186F活塞组的设计，包括活塞头部，活塞环，活塞销座，活塞裙部，活塞销的设计。
其中186F塞活塞头部设计是本次设计很重要的一个环节，由于它承受周期性变化的气压力和应力，机械符合高达62000牛顿；活塞在气缸内不停做往复运动时，活塞头部承受变高温燃气的作用，燃气温度最高可达2000-2500度，并且活塞头部温度分布极不规律，这使得活塞头的热应力分布很不均匀，原因是在186F柴油机活塞头有很大的热负荷。考虑到活塞头部的恶劣环境。在对活塞裙部，活塞环，活塞销和活塞销座的设计,更应该加强对恶劣环境的适应性。本次186F活塞组设计策划采用耐高温，热膨胀系数小，比重小的共晶铝硅合金材料。尽最大可能减轻活塞机械负荷和热负荷，加强活塞寿命加固活塞耐磨性。
关键字：柴油机；活塞；活塞头部；活塞裙部；活塞销；活塞环。
（此毕业设计获得2014届优秀毕业设计荣誉，有完整的一套图纸
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DESIGN CALCULATION AND CHECKING 186F
PISTON GROUP
Abstract
The piston in a diesel engine is very important; it works, in bad working conditions as high temperature, high speed, high load, lubrication and cooling difficulty. With the technical level of diesel engine, and the application of high speed diesel engine piston, the piston must adapt to the environment is worse than before, the mean effective pressure, the maximum pressure and temperature rise sharply the work performance of environmental degradation, so bad working environment, so that the piston failure parts of diesel engine parts become more common. To design piston is reliable and effective, must carry on the detailed understanding to the diesel engine. So I'm on diesel engine principle of work, the level of development of domestic and foreign diesel engines and the prospect to make a detailed explanation of. Analysis shows that: after reasonable piston design, reliability can improve efficiency of work piston efficiently, durability and 186F piston stiffness.
The design of the main tasks is to design 186F piston, piston head, piston ring, piston pin, piston skirt, design of piston pin.
The 186F plug piston head design is a very important link in the design, because the gas pressure which are subjected to periodic change and stress, mechanical with up to 62000 Newton; keep the piston do reciprocating motion in the cylinder, the piston head under variable of high-temperature gas, gas temperature can reach 2000-2500 degrees, and the temperature distribution of piston head very not the rule, which makes the piston head of the thermal stress distribution is not uniform, because there is a big thermal load on the 186F diesel engine piston head. Considering the harsh environment of the piston head。The skirt part of the piston, piston ring, piston
pin and piston pin seat design, should strengthen the adaptability to the bad environment. The 186F planning piston design made of high temperature resistance, low thermal expansion coefficient, eutectic aluminum silicon alloy material, the proportion of small. As much as possible to reduce the mechanical load and thermal load of piston, piston piston wears resistance reinforcement strengthening life. Keywords: diesel engine,；piston；piston head,；piston skirt,；piston pin,；piston ring
1.前言
1.1柴油机的工作原理及分类
图1.1 186F柴油机
1892年．鲁道夫发明了柴油机.他是德国著名的发明家.鲁道夫发明的柴油机是以柴油作为燃料。鲁道夫为了纪念自己的发明将柴油机用他的名字命名。柴油机工作时，从气缸内吸入新鲜空气，活塞通过运动对气体进行压缩，当气缸温度达到550～750℃的高温时，将柴油以雾状喷入空气中，自动燃烧。燃烧释放的能量并作用在活塞顶面，推动活塞并通过连杆和曲轴转换成机械运动。
柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走完四个过程才能完成一个工作循环，所以称此种柴油机为四冲程柴油机。
第一冲程是进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当曲轴旋转，在连杆的作用下，活塞从上止点往下止点移动，同时，与曲轴连联的传动机构使进气阀打开，外界新鲜空气充入气缸。
第二冲程是压缩。在压缩冲程中活塞从下止点到上止点移动，功能有两个：一是提高空气温度，准备点火燃料；二是为气体膨胀作功创造条件。
第三冲程是做功。在第三冲程开始时，喷入燃烧室内的大部分燃料都已燃烧了。燃烧时放出大量的热能，因此燃烧室内的气体压力和温度急剧升高，活塞在高温高压的气体作用向下运动，对外作功。随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。
第四冲程是排气。排气冲程中将上一冲程留下的废气从气缸内排出，然后充满了新鲜的空气进入气缸，为下一个周期的循环很好的准备。
发动机的整个工作循环就依照上述过程重复不断的进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即进气、压缩、做功、排气完成的，故称四冲程柴油机。
柴油机种类是极其繁多的，按其不同工作条件有不同的分类，比如按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机（上面柴油机的工作原理我们已经提到）。按内燃机冷却方式不同可分为水冷柴油机和风冷柴油机。柴油机按燃烧室不同可分为直接喷射式柴油机、涡流室式柴油机和预燃室式柴油机。按发动机的气缸数目可分为单缸发动机和多缸柴油机。按用途可分为船用柴油机、机车柴油机、车用柴油机、农业机械用柴油机、工程机械用柴油机、发电用柴油机、固定动力用柴油机。按供油方式可分为机械高压油泵供油和高压共轨电子控制喷射供油。按气缸排列方式可分为直列式和V形排列,水平对置排列,W型排列,星型排列等。
1.2 国内外柴油机产业的现状与发展趋势
在第二十世纪80年中国柴油机行业也得到了快速的发展，随着大量先进技术的引进，中国的柴油发动机技术已达到在90年初发达国家的水平。一些国外的先进技术在国内柴油机生产也有应用，如柴油产品研制生产的排放水平已经达到欧1排放限值要求，有些甚至可以满足欧2排放限值要求。但是我国整体柴油机产业还存在着很多的问题。
在中国年产量逐年递增的重型柴油车是我国柴油机产业的核心力量，中型和小型汽车的增长率在增加。但是轿车还没有柴油型轿车，而且我国的中型柴油产业供大于求，我国的骨干企业所生产的柴油机大多是拟淘汰产品，发展潜力很小。
由于柴油机产业投入较少，所以严重制约了柴油机行业的生产和发展水平。整体水平落后于其他国家十到二十年。很多技术处于研发阶段甚至处于空白阶段。
现代柴油机由于热效率比汽油机高，污染比汽油机小，所以收到了广泛地应用。西欧国家不仅在重型载货汽车上用柴油机，而且轿车也开始越来越广泛地用柴油机提供动力。最近，美国联邦政府能源和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究和大量新技术的运用，柴油机在烟度和噪音上取得了重大的突破，达到了汽油机水平。
1.3柴油机的应用范围与发展前景
柴油机在很多方面都有重要的运用。在航空动力方面：燃气轮机、喷气发动机几乎是唯一的动力装置，它的优点是：重量轻，体积小，结构简单，振动小，有害气体排出量小。但是也存在一些缺点：有热效率低和燃料消耗高等。在陆路交通方面：内燃机的发展，使人类的陆路交通产生了质的飞跃。此后，随着“汽车”的问世，对许多人来说不再是一个不现实的欲望。内河船舶：柴油机几乎是唯一的原始动机。在工程机械方面：因为经济性好，柴油机占绝对优势。在远洋海轮方面，柴油发动机也是动力，原因是最经济。备用电源的应用，“自动化柴油发电机，可以进行远程控制，单元计算机遥测，新的智能化柴油发电机组。使用远程读取界面的控制面板，通过调制解调器和电话线和在他们的机器上实现“三摇”
在以前，柴油机给人的映像都是笨重、庞大、大噪音、喷黑烟雾。但是经过多年科研人员的精心研究和国外柴油机产业的刺激。新技术新产品逐渐问世。现在的柴油机已经不在是以前庞大、笨重的样子了。现在柴油机采用电控制喷射，共轨、涡轮增压技术，在重量，噪声消除，烟雾方面取得重大突破，达到了汽油机的水平。
柴油机和汽油机在电子控制喷射系统的存在着明显的差异，汽油发动机电子控制喷射系统主要是控制汽油和空气的比例，而柴油机则是通过控制机油的喷油时间来调节负荷的大小。
十一五计划以来，柴油机行业不断调整产业结构，技术升级，优化企业和行业集中度，大大提高资源配置。并且在柴油机企业得到飞速的发展，进行跨行业、跨地域、跨所有制的革新发展。在中小企业、民营经济获得了长足发展。在出口
外贸方面，柴油机行业有较快增长，中国柴油机产业逐渐走向国际化。
1.4设计的内容及目的
我的毕业设计的题目是186F活塞组的设计与校核计算。毕业设计的任务是对活塞头部、活塞群部、活塞销、活塞环进行缜密的设计与校核计算。
186F中1表示的是一缸，86表示活塞的直径为86mm,F是风冷。186F活塞的属于柴油机活塞。首先，在设计186F的活塞之前我们对柴油机进了全面的了解，为活塞设计做良好的铺垫。柴油机介绍包括柴油机的工作原理，柴油机的分类，以及国内柴油机产业的现状和发展前景。然后我对186F活塞进行设计。
首先，我将活塞分为活塞头部，活塞环，活塞裙部，以及活塞销和活塞销座分别进行设计。活塞头部的设计主要是对活塞顶，火力岸和环带部分具体数值的确定及校核计算。在此说明一点，因为186F柴油机是装入微耕机中使用，柴油机工作效率比较高。活塞顶的壁厚是比较厚的，燃烧室凹坑也是比较很深的。活塞环也是本次设计的重点，分别对气环、油环的形状，配合间隙等做出了细致的设计。然后对活塞裙部的形状，高度予以确定，并对其进行校核计算。接下来对活塞销和活塞销座的具体数值进行确定于校核计算。下面是186F柴油机的基本参数：
表1.1 186F柴油机的基本参数
设计目的通过对186F活塞的设计，可以深入的了解186F活塞的各部分组成、
功用和性能。翻阅大量的资料对186F活塞进行合理精确地设计。这也是对我大学四年所学知识的考察和运用。从活塞头部到活塞销座，每一个设计细节都需要自己付出百倍的努力。毕业设计也是培养我独立思考、独立解决问题的能力。
2.186F 活塞组的设计
2.1活塞组的工作条件和设计要求
图2.1.活塞示意图
活塞是内燃机的重要动力原件它处于高温、高压、高速、润滑条件差的恶劣
工作条件下。
（1）机械负荷：活塞受到各个方向的应力和气压力。使活塞发生变形
（2）热负荷：活塞工作的温度很高，活塞顶直接承受燃料燃烧的的高温和
热负荷。活塞顶表面温度高达 350°左右。
（3) 活塞的热负荷应力和热变形会随着活塞的工作环境恶化逐渐增大
（4) 燃烧室温度超过 C 0
400~300时，活塞头部材料强度下降很快。
（5)对于温度超过C 0220~180时的第一环槽，容易引起结冷胶润滑油变质，
活塞环卡死等不良现象。
与气缸直径和平均有效压力增加活塞热负荷增加。活塞热负荷太高，必须采
取降温措施，将通过对活塞热迅速流，使活塞温度降低到允许范围内。
高速滑动，润滑不良：一般的活塞活塞摩擦损失的速度增加，活塞式发动机
的摩擦损失，摩擦损失占约50%的所有。
活塞组的设计要求
（1）活塞与各部分组件良好配合的前提下，应尽量压缩活塞高度，减轻活
塞重量。
（2）保证密封良好，尽量减少摩擦损失。
（3）减少活塞顶吸收的热量，已传给活塞的热量应迅速散掉，保证活塞温度不超过允许极限。
（4）确保引导部分可靠的润滑和需要防止润滑油的流动，降低润滑油消耗。
（5）耐磨性好，尤其是第一道环槽。
（6）。活塞裙部与气缸壁尽可能大的接触面积，但也要防止擦伤和夹紧活塞。
（7）活塞与汽缸的配合间隙小，以减少对汽缸的撞击和噪声，以及使变工况适应性好。
（8）抗拉缸性能强。
（9）易于制造，成本低。
近十几年来，就活塞的结构发生了巨大的变化。它们的结构的比较，无论是在活塞环，活塞销的直径，数量，总高度，或在节环，环槽结构，裙状，销座的设计，有非常显著的变化，而且这些改进都是向上述要求迈进的。
2.2活塞的结构和材料
根据上述对活塞工作条件和设计要求的总结，以及活塞结构及材料的选择要求如下：
（1）活塞应该具有合理的形状和壁厚，足够的强度和刚度，在300-400度的的高温工作环境下仍有足够的机械性能，不破坏零件；
（2）受热面积小、散热性好。高强度，高功率的柴油机活塞进行适当冷却（3）活塞材料应该是热膨胀系数小、导热性好、比重小，具有较好的减磨性和热强度，耐腐蚀，
（4）工艺精美，质量好，廉价。
当代汽车的飞速发展，材料的选择直接关系都产品的的质量。柴油机活塞材料有铝合金，铸铁和耐热钢。
铝合金的优点是:比重轻，导热性好，工作温度底，温度分布均匀，
铝合金的缺点是：热膨胀系数大，当温度升高时，它的机械强度和硬度下降的较快。
灰铸铁的优点是：耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工
艺性好；
灰铸铁的缺点是:比重大和导热性差
灰铸铁活塞逐渐被铝合金活塞所淘汰。目前，对于共晶铝硅合金含含硅和过
共晶铝硅合金制造铝合金活塞，镍和铜，为了提高稳定性和高温力学性能。加铝
合金中的硅含量，可改善活塞表面的耐磨性。186F 活塞选用铝合金材料。
2.3活塞头部的设计
图2.2.活塞结构示意图
186F 活塞的头部是由活塞顶和两个环岸、三道活塞环槽够成的，活塞头部
是本次186F 活塞组设计的重点。活塞头部主要作用就是承受气体压力和热负荷，
将其头部的热量和气压力，通过活塞销和活塞销传给连杆。与活塞环紧密配合工
作头部的设计要点有:
1具有足够的机械刚度和强度。防止开裂和变形。
2温度不易过高，温差必须小，避免产生热变形和热应力。
3尽量紧凑尺寸，因为压缩高度直接影响头部尺寸。
2.3.1压缩高度的确定
活塞的压缩高度1H 是是活塞顶到活塞销轴线之间的距离。压缩高度的计算
公式为
3211h h h H ++= (2.1)
1h 为火力岸高度、2h 为环带高度，3h 为上裙尺寸，压缩高度是由火力岸高
度、环带高度、上群尺寸这三部分组成。
在设计过程中尽量缩小压缩高度，在保证机械强度的基础上对环岸、环槽的
高度及销孔的直径进行压缩设计。
1.第一环位置
第一环位置是活塞顶到第一个环槽上边缘的距离。根据186f 活塞工作
实际活塞对压缩高度予以确定，必须先确定第一环的位置或火岸高度1h 。为缩小
活塞的压缩高度，。如何确定热岸高度？当然希望火力岸高度尽可能小，经查阅
资料总结以下结论:186F 柴油机属于微耕机，所以需要柴油机的功率较大。如果
火力岸高度 1h 过小，会使第一环温度过高，就不符合我们设计的初衷。因此，
火力岸高度1h 的选取应该遵循的原则是：在保证活塞头部能承受最大热负荷，第
一环槽能承受最高热载量的前提下，尽量取小。
一般柴油机1(0.13~0.25)h D =，D 为活塞直径，186F 标准直径为mm 86，则
火力岸高度为
mm D h 1113.01== (2, 2)
一般柴油机活塞有三道活塞环，第一环和第二环都是压缩环，一般称为气环，
第三道为环为油环。186F 活塞活塞也选用三道环。
2．活塞环轴向高度
b 为活塞环槽轴向高度.轴向高度的选择对活塞环与凹槽配合间隙合适程度
好坏有着密切的关系。轴向高度b 的选择会影响到活塞整体的高度，环槽轴向高
度b 可以尽可能选的小一些，第一，可以减小活塞环的惯性力，第二减轻应力对
环槽侧面冲击，第三有利于加强环槽的耐久性。如果选取过小也会使制作工艺困
难。
一般柴油机气环环槽轴向高度在mm b 3~2=之间，油环轴向环槽高度在
mm b 6~4=之间。根据一般柴油机环槽轴向高度的范围选取186F 活塞环槽轴
向高度如下
mm b ..21=，mm b .22=，34b mm =
3．活塞环岸高度
c 为环岸高度，186F 选择有两个环岸，因为活塞有三道活塞环。其中第二环
岸负荷比第一环岸小，温度也低，所以在环岸选择的时候，第一环岸高度大于第
二环岸高度。选取活塞环环岸的高度c 时，保证环岸不会被气压力形成的负荷破
坏。发动机环岸计算范围如下，
11)5.2~5.1(b c =，12)2~1(b c =，
柴油机接近下限。所以选取186F 活塞环岸高度如下：
第一环岸高度
111.5 1.523c b mm ==?= (2.3)
第二环岸高度
211.4 1.42 2.8c b mm ==?= （2.4）
环带高度为所有环槽轴向高度与环岸高度之和，计算如下
211223232 2.8413.8h b c b c b mm =++++=++++= (2.5)
上裙尺寸为活塞头部最低一个环槽到活塞销轴线的距离，最低一个环槽为油
环槽。油环在环槽中工作，想要使油环的工作条件良好，而且拥有良好的润滑条
件，活塞凹槽应该尽量选小，所以在设计中最低环槽必须在活塞销的外边缘。
从上面设计总结可确定活塞的压缩高度1H 。一般柴油机压缩高度
D H )0.75~0.45(1=，选186F 活塞组的压缩系数为0.45.
则压缩高度为
7.388645.01=?=H mm (2.6)
上面提到压缩高度的计算公式为3211h h h H ++=所以由此公式可得上群尺
寸的计算公式如下
311238.7-11-13.813.9mm h H h h =--== (2.7)
2.3.2活塞环槽环岸的参数选择
正确设计环带断面对活塞气密性是至关重要的。环带断面的选择直接影响环
与环槽的配合间隙的良好程度。环带断面选择合适，对于环和环槽工作之间的可靠性与耐久性十分重要。环岸和环槽的设计首先考虑保活塞、活塞环工作情况，
以降低机油消耗量，防止活塞环粘着卡死和异常磨损、减少窜机油为目，进行可
以可靠的设计。
环槽底过度圆角大小的选择，对活塞环的正常工作影响很大。如果活塞环槽底圆角的圆弧选择过大，会影响活塞环自由进出槽底；如果槽底圆角选择过小，
可能会因为应力集中而发生疲劳断裂。槽底圆角一般为mm 5.0~2.0，
，186F 活塞槽底圆角选用0.2mm. 活塞在工作时是需要上下不停的做往复运动，如果活塞环岸没有适当的倒
角，活塞就不能正常工作。有很大的影响，环槽底圆角的活塞环的正常工作的大
小，如果循环活塞环槽底部角落的大活塞槽底自由访问，如果选择环锐边倒角太
小，活塞环岸会出现毛刺夜也可能会卡住活塞环，造成严重的泄漏和过热的现象，
选择环倒角过大，会使活塞环泄漏增加。一般柴油机的环岸倒角为
45)0.5~02.0(?，186F 活塞环岸瑞边倒角选用04508.0?。
在选择活塞环侧向间隙时，尽量选的小一些。侧隙选的过大，活塞环的冲击
力加强，铝合金在高温条件下硬度变低，环槽变宽，活塞不能正常工作甚至报废。
如果活塞侧隙选的过小也会是活塞环被环槽粘住而失效。目前，第一环与环槽侧
隙一般为mm 1.0~05.0；第二环适当小些，为mm 07.0~03.0；油环则更小些，为
06.0~03.0。一般活塞环的背向隙是比较大的，避免活塞环与槽底圆角发生干涉
现象，一般柴油机气环背间隙为mm 9.0~4.0；油环背向间隙为mm 1~7.0.下面
是186F 活塞环气环和油环侧向间隙和背向间隙尺寸的选择：
表2.1. 活塞环的侧向间隙和背向间隙
2.3.3环岸的强度校核
在第三冲程即膨胀冲程开始时，在爆发压力急剧上升，在应力的作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。在节流的影响下，第一环岸上下压力是极不平衡的。第一环岸上面的压力1p比下面压力2p大很多，在不平衡力的作用下，会在环岸根部产生很大的弯曲应力和剪切应力，当应力增大到超过铝合金强度极限，环岸根部就会断裂。
2.1.1 概述 轴是机械中非常重要的零件，用来支承回转运动零件，如带轮、齿轮、蜗轮等，同时实现同一轴上不同零件间的回转运动和动力的传递。1. 轴的分类 根据工作过程中轴的中心线形状的不同，轴可以分为：直轴和曲轴。根据工作过程中的承载不同，可以将轴分为： ?传动轴：指主要受扭矩作用的轴，如汽车的传动轴。 ?心轴：指主要受弯矩作用的轴。心轴可以是转动的，也可以是不转动的。 ?转轴：指既受扭矩，又受弯矩作用的轴。转轴是机器中最常见的轴。 根据轴的外形，可以将直轴分为光轴和阶梯轴；根据轴内部状况，又 可以将直轴分为实心轴和空。 2. 轴的设计 ⑴ 轴的工作能力设计。 主要进行轴的强度设计、刚度设计，对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。
⑵ 轴的结构设计。 根据轴的功能，轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支撑要求，同时应具有良好的工艺性。 一般的设计步骤为：选择材料，初估轴径，结构设计，强度校核，必要时要进行刚度校核和稳定性计算。校核结果如不满足承载要求时，则必须修改原结构设计结果，再重新校核。 3. 轴的材料 轴是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。常用材料包括：?碳素钢：该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料。常用牌号有：30、35、40、45、50。采用优质碳钢时，一般应进行热处理以改善其性能。受力较小或不重要的轴，也可以选用Q235、Q255等普通碳钢。 ?合金钢：对于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴，可以选用合金纲。合金钢具有更好的机械性能和热处理性能，但对应力集中较敏感，价格也较高。设计中尤其要注意从结构上减小应力集中，并提高其表面质量。 ?铸铁：对于形状比较复杂的轴，可以选用球墨铸铁和高强度的铸铁。它们具有较好的加工性和吸振性，经济性好且对应力集中不敏感，但铸造质量不易保证。 2.1.2 轴的结构设计
姓名：李洋 学号：0743024017 学院：制造学院 指导老师：赵世平黄玉波陆小龙 2018年1月
活塞环梯形角度测量仪的设计 一·概述 活塞环(Piston Ring> 是用于崁入活塞槽沟的环，分为两种：压缩环和机油环。压缩环可用来密封燃烧室内的压缩空气；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。 活塞环作用包括密封、调节机油<控油）、导热<传热）、导向<支承）四个作用。 密封：指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务； 调节机油<控油）：把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑，这是油环的主要任务。在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜的作用； 导热：通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。据可靠资料认为，活塞顶所受的的热量中有70～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的； 支承：活塞环将活塞保持在气缸中，防止活塞与气缸壁直接接触，保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。一般汽油发动机的活塞采用两道气环，一道油环，而柴油发动机则采用三道气环，一道油环。 作为发动机的关键零件，活塞环的形状对内燃机的性能有着重要的影响, 活塞环的梯形角是梯形活塞环的一个重要参数, 其角度大小直接影响到活塞环的质量及使用性能。角度过大, 易发生拉缸现象, 角度过小, 则密封性能差, 发动机功率下降且容易发生烧机油现象。要提高活塞环的质量和性能，就必须首先提高其检测技术，为解决梯形活塞环角度测量问题，我们改进设计一种检测系统——活塞环梯形角度测量仪。 二·设计目的及技术指标 1.设计目的 本次设计课题为活塞环梯形角度测量仪的设计，其目的如下： a、巩固所学传感器、检测技术、精密机械设计、机械制图、公差分 析等相关知识；
Graduation Project (Thesis) Harbin University of Commerce X6132milling machine feed system, lifting platform and platform design Student SunMingxing Supervisor Yan Zugen Specialty X6132 milling machine feed system, lifting platform and platform design School Harbin University of Commerce 2012年6月9日
1 绪论 1.1机床的用途及性能 X6132、X6132A型万能升降台铣床属于通用机床。主要适用于机械工厂中加工车间、工具车间和维修车间的成批生产、单件、小批生产。 这种铣床可用圆柱铣刀、圆盘铣刀、角度铣刀、成型铣刀和端面铣刀加工各种平面、斜面、沟槽等。如果配以万能铣头、圆工作台、分度头等铣床附件，还可以扩大机床的加工范围。 X6132、X6132A型铣床的工作台可向左、右各回转45 o当工作台转动一定角度，采用分度头时，可以加工各种螺旋面。 X6132型机床三向进给丝杠为梯形丝杠，X6132A型机床三向进给丝杠为滚珠丝杠。 X6132/1、X6132A/1型数显万能升降台铣床是在X6132、X6132A型万能升降台铣床的基础上，在纵向、横向增加两个坐标的数字显示装置的一种变型铣床，该铣床具有普通万能升降台铣床的全部性能外，借助于数字显示装置还能作到加工和测量同时进行，实现动态位移数字显示，既保证了工件加工质量，又减轻了工人劳动强度和提高劳动生产率，配上万能铣头还可以进行镗孔加工。 图1-1 X6132卧式铣床整机外形图
传动轴设计及校核作业指导书 编制：日期： 审核：日期： 批准：日期： 发布日期：年 月 日 实施日期：年 月 日
前言 为使本中心传动轴设计及校核规范化，参考国内外汽车设计的技术规范，结合公司标准和已开发车型的经验，编制本作业指导书。意在对本公司设计人员在设计过程中起到指导操作的作用，提高设计的效率和成效。本作业指导书将在本中心所有车型开发设计中贯彻，并在实践中进一步提高完善。 本标准于2011年XX月XX日起实施。 本标准由上海同捷科技股份有限公司第五研发中心底盘总布置分院提出。 本标准由上海同捷科技股份有限公司第五研发中心底盘总布置分院负责归口管理。 本标准主要起草人：张士华
一、传动系概述 (3) 1.1传动系功能 (3) 1.2传动系布置形式 (3) 1.3传动系的构成 (7) 1.4传动轴的主要结构形式 (8) 1.5驱动半轴的紧固方式 (12) 二、传动轴的设计流程 (15) 2.1传动轴的主要设计流程 (15) 2.2传动轴的设计过程及要求 (17) 三．传动轴的校核过程 (22) 3.1设计校核输入 (22) 3.2传动轴校核 (24) 3.3结论及分析 (25) 3.4传动轴跳动校核 (26) 3.5技术文件的编制 (26) 3.6传动轴图纸确认 (26) 四．试制装车及生产中经常出现的问题 (28) 五．参考文献 (28)
一、传动系概述 1.1 传动系功能 A、保证汽车在各种行驶条件下所必需的牵引力与车速，使它们之间能协调变化 并有足够的变化范围。 B、使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。 C、保证汽车能倒车及左右车轮能适应差速要求。 D、使动力传递能根据需要而顺利接合与分离 1.2 传动系的布置形式 ? 前置后驱动 ? 前置前驱动 ? 后置后驱动 ? 四轮驱动 ? 中置发动机后轮驱动 部分高级轿车也采用前置后驱布置 前置后驱整体桥
轴得设计、计算、校核 以转轴为例,轴得强度计算得步骤为: 一、轴得强度计算 1、按扭转强度条件初步估算轴得直径 机器得运动简图确定后,各轴传递得P与n为已知,在轴得结构具体化之前,只能计算出轴所传递得扭矩,而所受得弯矩就是未知得。这时只能按扭矩初步估算轴得直径,作为轴受转矩作用段最细处得直径dmin,一般就是轴端直径。 根据扭转强度条件确定得最小直径为: (mm) 式中:P为轴所传递得功率(KW) n为轴得转速(r/min) Ao为计算系数,查表3 若计算得轴段有键槽,则会削弱轴得强度,此时应将计算所得得直径适当增大,若有一个键槽,将d min增大5％,若同一剖面有两个键槽,则增大10％。 以dmin为基础,考虑轴上零件得装拆、定位、轴得加工、整体布局、作出轴得结构设计。在轴得结构具体化之后进行以下计算。 2、按弯扭合成强度计算轴得直径 l)绘出轴得结构图 2)绘出轴得空间受力图 3)绘出轴得水平面得弯矩图 4)绘出轴得垂直面得弯矩图 5)绘出轴得合成弯矩图 6)绘出轴得扭矩图 7)绘出轴得计算弯矩图 8)按第三强度理论计算当量弯矩: 式中:α为将扭矩折合为当量弯矩得折合系数,按扭切应力得循环特性取值: a)扭切应力理论上为静应力时,取α=0、3。 b)考虑到运转不均匀、振动、启动、停车等影响因素,假定为脉动循环应力,取α=0、59。 c)对于经常正、反转得轴,把扭剪应力视为对称循环应力,取α=1(因为在弯矩作用下,转轴产生得弯曲应力属于对称循环应力)。 9)校核危险断面得当量弯曲应力(计算应力): 式中:W为抗扭截面摸量(mm3),查表4。
为对称循环变应力时轴得许用弯曲应力,查表1。 如计算应力超出许用值,应增大轴危险断面得直径。如计算应力比许用值小很多,一般不改小轴得直径。因为轴得直径还受结构因素得影响。 一般得转轴,强度计算到此为止。对于重要得转轴还应按疲劳强度进行精确校核。此外,对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重得轴,还应按峰尖载荷校核其静强度,以免产生过量得塑性变形。 二、按疲劳强度精确校核 按当量弯矩计算轴得强度中没有考虑轴得应力集中、轴径尺寸与表面品质等因素对轴得疲劳强度得影响,因此,对于重要得轴,还需要进行轴危险截面处得疲劳安全系数得精确计算,评定轴得安全裕度。即建立轴在危险截面得安全系数得校核条件。 安全系数条件为: 式中:为计算安全系数; 、分别为受弯矩与扭矩作用时得安全系数; 、为对称循环应力时材料试件得弯曲与扭转疲劳极限; 、为弯曲与扭转时得有效应力集中系数, 为弯曲与扭转时得表面质量系数; 、为弯曲与扭转时得绝对尺寸系数; 、为弯曲与扭转时平均应力折合应力幅得等效系数; 、为弯曲与扭转得应力幅; 、为弯曲与扭转平均应力。 S为最小许用安全系数: 1、3~1、5用于材料均匀,载荷与应力计算精确时; 1、5~1、8用于材料不够均匀,载荷与应力计算精确度较低时; 1、8~ 2、5用于材料均匀性及载荷与应力计算精确度很低时或轴径＞200mm时。 三、按静强度条件进行校核
潍坊科技学院学士学位论文 毕业设计 轿车传动轴的设计与校核 2012年5月
摘要 传动轴是组成机器零件的主要零件之，一切做回转运动的传动零件（例如：齿轮，蜗轮等）都必须安装在传动轴上才能进行运动及动力的传动，传动轴常用于变速箱与驱动桥之间的连接。这种轴一般较长，且转速高，只能承受扭矩而不承受弯矩。应该使传动轴具有足够的刚度和高临界转速，在强度计算中，由于所取的安全系数较大，从而使轴的尺寸过大，本文讨论的传动轴工艺设计方法，并根据现行规范增添了些表面处理的方式比如表面发兰。 提出一种三点接触沟道截面形式的球笼式等速万向节，其钟形壳外沟道的沟道截面形式为圆弧沟道，星形套内沟道的沟道截面形式为椭圆沟道或双心弧沟道。对其内、外沟道结构进行设计，并利用 H e r t z 接触理论进行接触应力的计算。结果表明，三点接触沟道能减小内、外沟道接触应力，改善其内部接触状况。 关键词：球笼式等速万向节；三点接触沟道；接触应力；计算
ABSTRACT Drive shaft is composed of the main parts of the machine parts, all do rotary movement of the transmission parts (such as: gear, worm gear, etc.) must be installed on the shaft to movement and power transmission, driving shaft is often used in the connection between the transmission and drive axle. The shaft is longer than the general, and high speed, can withstand the torque under bending moment. Should make the shaft has enough stiffness and high critical speed, the strength calculation, due to take the safety coefficient is larger, so that the size of the shaft is too big, this article discusses the transmission process design method, and according to the current specification adds some surface treatment way, such as hair surface. Put forward a three-point contact channel cross section form of ball cage patterned constant speed universal joint, the bell-shaped shell outside the channel cross section form of the channel is a circular arc channel, stars form within the set of channel of the channel or dual channel cross section form of ellipse arc channel. Was carried out on the inside and outside channel structure design, and using the theory of t H e r z contact for the calculation of contact stress. Results show that three contact channel can reduce the contact stress, the internal and external channel to improve the internal contact condition. Key words:Birfield ball-joint; 3 contact channel; Contact stress; Calculation
第二章 轴的强度校核方法 2.2常用的轴的强度校核计算方法 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。 对于传动轴应按扭转强度条件计算。 对于心轴应按弯曲强度条件计算。 对于转轴应按弯扭合成强度条件计算。 2.2.1按扭转强度条件计算： 这种方法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度，对于轴上还作用较小的弯矩时，通常采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。通常在做轴的结构设计时，常采用这种方法估算轴径。 实心轴的扭转强度条件为： 由上式可得轴的直径为 为扭转切应力，MPa 式中： T 为轴多受的扭矩，N ·mm T W 为轴的抗扭截面系数，3mm n 为轴的转速，r/min P 为轴传递的功率，KW d 为计算截面处轴的直径，mm 为许用扭转切应力，Mpa ，][r τ值按轴的不同材料选取，常用轴的材料及][r τ值见下表： T τn P A d 0 ≥[]T T T d n P W T ττ≤2.09550000≈3 =[]T τ
空心轴扭转强度条件为： d d 1 = β其中β即空心轴的径1d 与外径d 之比，通常取β=0.5-0.6 这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。例如，在设计一级圆柱齿轮减速器时，假设高速轴输入功率P1=2.475kw ，输入转速n1=960r/min ，则可根据上式进行最小直径估算，若最小直径轴段开有键槽，还要考虑键槽对轴的强度影响。 根据工作条件，选择45#钢，正火，硬度HB170-217，作为轴的材料，A0值查表取A0=112，则 mm n P A d 36.15960 475 .2112110 min =?== 因为高速轴最小直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有一个键槽，则： mm d d 43.16%)71(36.15%)71(min ' min =+?=+= 另外，实际中，由于减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联结，则外伸段轴径与电动机轴径不能相差太大，否则难以选择合适的联轴器，取电动机轴d d 8.0'min =，查表，取mm d 38=电动机轴,则： mm d d 4.3038*8.08.0' min ===电动机轴 综合考虑，可取mm d 32'min = 通过上面的例子，可以看出，在实际运用中，需要考虑多方面实际因素选择轴的直径大小。 2.2.2按弯曲强度条件计算： 由于考虑启动、停车等影响，弯矩在轴截面上锁引起的应力可视为脉动循环变应力。 则 其中： M 为轴所受的弯矩，N ·mm ][7.1][≤1-0σσσ== W M ca
1.2 轴类零件的分类 根据承受载荷的不同分为： 1）转轴：定义：既能承受弯矩又承受扭矩的轴 2）心轴：定义：只承受弯矩而不承受扭矩的轴 3）传送轴：定义：只承受扭矩而不承受弯矩的轴 4）根据轴的外形，可以将直轴分为光轴和阶梯轴； 5）根据轴内部状况，又可以将直轴分为实心轴和空。 1.3轴类零件的设计要求 1.3.1、轴的设计概要 ⑴轴的工作能力设计。 主要进行轴的强度设计、刚度设计，对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。 ⑵轴的结构设计。 根据轴的功能，轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支撑要求，同时应具有良好的工艺性。 一般的设计步骤为：选择材料，初估轴径，结构设计，强度校核，必要时要进行刚度校核和稳定性计算。 1.3.2、轴的材料 轴是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。常用材料包括： 碳素钢：该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料。 常用牌号有：30、35、40、45、50。采用优质碳素钢时应进行热处理以改善其性能。受力较小或不重要的轴，也可以选用Q235、Q255等普通碳钢。 45钢价格相对比较便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45-52HRC，是轴类零件的常用材料。 合金钢具有更好的机械性能和热处理性能，可以适用于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴，但对应力集中较
敏感，价格也较高。设计中尤其要注意从结构上减小应力集中，并提高其表面质量。40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。 轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50-58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。 精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，由于此钢氮化层硬度高，耐磨性好，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好，还具备一定的耐热性和耐蚀性。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性，是目前工业中应用最广泛的氮化钢。 铸铁：对于形状比较复杂的轴，可以选用球墨铸铁和高强度的铸铁。它们具有较好的加工性和吸振性，经济性好且对应力集中不敏感，但铸造质量不易保证。 1.3.3、轴的结构设计 根据轴在工作中的作用，轴的结构取决于：轴在机器中的安装位置和形式，轴上零件的类型和尺寸，载荷的性质、大小、方向和分布状况，轴的加工工艺等多个因素。合理的结构设计应满足：轴上零件布置合理，从而轴受力合理有利于提高强度和刚度；轴和轴上零件必须有准确的工作位置；轴上零件装拆调整方便；轴具有良好的加工工艺性；节省材料等。 1). 轴的组成 轴的毛坯一般采用圆钢、锻造或焊接获得，由于铸造品质不易保证，较少选用铸造毛坯。 轴主要由三部分组成。轴上被支承，安装轴承的部分称为轴颈；支承轴上零件，安装轮毂的部分称为轴头；联结轴头和轴颈的部分称为轴身。轴颈上安装滚动轴承时，直径尺寸必须按滚动轴承的国标尺寸选择，尺寸公差和表面粗糙度须按规定选择；轴头的尺寸要参考轮毂的尺寸进行选择，轴身尺寸确定时应尽量使轴颈与轴头的过渡合理，避免截面尺寸变化过大，同时具有较好的工艺性。 2). 结构设计步骤
机械制造工艺学 课程设计 班级 B120231 姓名王志强 学号 B12023118 2014 年 03 月 14 日
课程设计任务书 机械工程系机械设计制造及其自动化专业学生姓名王志强班级 B120231 学号 B12023118 课程名称：机械制造工艺学 设计题目：活塞环的机械加工工艺规程设计 设计内容： 1．产品零件图1张 2．毛坯图1张 3．机械加工工艺过程综合卡片1份 4．机械加工工艺工序卡片1份 5．课程设计说明书1份 设计要求： 大批生产 设计（论文）开始日期 2014 年 03 月 03 日 设计（论文）完成日期 2014 年 03 月 07 日 指导老师邹聆昊
课程设计评语 机械工程系机械设计制造及其自动化专业学生姓名王志强班级 B120231 学号 B12023118 课程名称：机械制造工艺学 设计题目：活塞环的机械加工工艺规程设计 课程设计篇幅： 图纸共 2 张 说明书共 16 页指导老师评语： 年月日指导老师
目录 1.零件的分析 (1) 1.1．零件的作用 (1) 1.2．零件的工艺分析 (1) 1.2.1.零件图样分析 (2) 1.2.2.零件的技术要求 (3) 2.工艺规程设计 (4) 2.1.确定毛坯的制造形式 (4) 2.2.基面的选择 (5) 2.3．制定工艺路线 (6) 2.4.机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 (7) 2.5.确定切削用量及基本工时 (8) 总结 (11) 参考文献 (12) 附表A1-A4：机械加工工艺过程综合卡片 附表B1-B9：机械加工工艺（工序）卡片
1. 零件的分析 1.1．零件的作用 活塞环作用包括密封、调节机油（控油）、导热（传热）、导向（支承）四个作用。密封：指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务；调节机油（控油）：把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑。在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜的作用；导热：通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。据可靠资料认为，活塞顶所受的的热量中有70～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的；支承：活塞环将活塞保持在气缸中，防止活塞与气缸壁直接接触，保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。 1.2．零件的工艺分析 1.该工艺安排是将毛坯造成筒形状，粗车切下后再进行单件加工。若单件铸造毛坯单件加工，其工艺安排，只是粗加工前的工序与筒形状毛坯不同，其他工序基本相同。 2.活塞环类零件在磨床上磨削加工时，多采用磁力吸盘装夹工件，因此在加工后，必须进行退磁处理。 3.为了保证活塞环的弹力，加工中对活塞环在自由状态下开口有一定的要求，因开口铣削后不能满足图样要求，所以增加一道热定型工序，热定型时需在专用工装上进行，其活塞环的开口处用一个键撑开，端面压紧，键的宽度要经过多次试验后得出合理宽度数据之后，再成批进行热定型。 4.对45°开口的加工采用专用工装进行装夹工件，但每批首件应划线对刀，以保证加工质量。 5.活塞环的翘曲度是将工件放在平台进行检查，采用0.06mm塞尺进行检查，当塞尺未能通过翘曲的缝隙时为合格。
编号： 传动轴设计计算书 编制：日期： 校对：日期： 审核：日期： 批准：日期：
一．计算目的 我们初步选定了传动轴，轴径选取Φ27（详见《传动轴设计方案书》），动力端选用球面滚轮万向节，车轮端选用球笼万向节。左、右前轮分别由1根等速万向节传动轴驱动。通过计算，校核选型是否合适。 二．计算方法 本车传动轴设计不是传统载货车上从变速器到后驱动桥之间长轴传动设计，而是半轴传动设计。而且传动轴材料采用高级优质合金钢，且热处理工艺性好，使传动轴的静强度和疲劳强度大为提高，因此计算中许用应力按照半轴设计采用含铬合金钢，如40Cr、42CrMo、40MnB,其扭转屈服极限可达到784 N/mm2左右，轴端花键挤压应力可达到196 N/mm2。 传动轴校核计算流程：
1.1 轴管直径的校核 校核： 两端自由支撑、壁厚均匀的等截面传动轴的临界转速 22 2 8 1.2x10 n e l d D+ =(r/min) 式中L传动轴长，取两万向节之中心距：mm D为传动轴轴管外直径：mm d为传动轴轴管直径：mm 各参数取值如下：D＝φ27mm，d＝0mm 取安全系数K=n e/n max，其中n max为最高车速时的传动轴转速，取安全系数K＝n e/n max=1.2～2.0。 实际上传动轴的最大转速n max＝n c/（i g×i0），r/min 其中：n c－发动机的额定最大转速，r/min； i g－变速器传动比； i0－主减速器传动比。
1.2 轴管的扭转应力的校核 校核扭转应力： τ＝ ][164 4τπ≤) -(d D DT J （N/mm 2） ][τ……许用应力，取][τ＝539N/mm 2[高合金钢（40Cr 、40MnB 等）、中频淬火抗拉 应力≥980 N/mm 2，工程应用中扭转应力为抗拉应力的0.5～0.6，取该系数为0.55，由此可取扭转应力为539 N/mm 2，参考GB 3077-88] 式中： T j ……传动系计算转矩，N ·mm ，2/k i i T T d g0g1x ema j η= N ·m T emax －发动机最大转矩N ·mm ； i g1－变速器一档传动比或倒档传动比； i g0－主减速器传动比 k d －动载系数 η-传动效率 1.3 传动轴花键齿侧挤压应力的校核 传动轴花键齿侧挤压应力的校核 ][)2 )(4(2121j j ZL D D D D T σσ≤-+= （N/mm 2 ） 式中：T j －计算转矩，N ·mm ； D 1,D 2－花键的外径和径，mm ； Z ………花键齿数 L ………花键有效长度
轴的设计、计算、校核 以转轴为例，轴的强度计算的步骤为： 一、轴的强度计算 1、按扭转强度条件初步估算轴的直径 机器的运动简图确定后，各轴传递的P和n为已知，在轴的结构具体化之前，只能计算出轴所传递的扭矩，而所受的弯矩是未知的。这时只能按扭矩初步估算轴的直径，作为轴受转矩作用段最细处的直径dmin，一般是轴端直径。 根据扭转强度条件确定的最小直径为： （mm） 式中：P为轴所传递的功率（KW） n为轴的转速（r/min） Ao为计算系数，查表3 若计算的轴段有键槽，则会削弱轴的强度，此时应将计算所得的直径适当增大，若有一个键槽，将d min增大5％，若同一剖面有两个键槽，则增大10％。 以dmin为基础，考虑轴上零件的装拆、定位、轴的加工、整体布局、作出轴的结构设计。在轴的结构具体化之后进行以下计算。 2、按弯扭合成强度计算轴的直径 l）绘出轴的结构图 2）绘出轴的空间受力图 3）绘出轴的水平面的弯矩图 4）绘出轴的垂直面的弯矩图 5）绘出轴的合成弯矩图 6）绘出轴的扭矩图 7）绘出轴的计算弯矩图 8）按第三强度理论计算当量弯矩： 式中：α为将扭矩折合为当量弯矩的折合系数，按扭切应力的循环特性取值: a）扭切应力理论上为静应力时，取α=0.3。 b）考虑到运转不均匀、振动、启动、停车等影响因素，假定为脉动循环应力，取α=0.59。 c）对于经常正、反转的轴，把扭剪应力视为对称循环应力，取α=1（因为在弯矩作用下，转轴产生的弯曲应力属于对称循环应力）。
9）校核危险断面的当量弯曲应力（计算应力）： 式中：W为抗扭截面摸量（mm3），查表4。 为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，查表1。 如计算应力超出许用值，应增大轴危险断面的直径。如计算应力比许用值小很多，一般不改小轴的直径。因为轴的直径还受结构因素的影响。 一般的转轴，强度计算到此为止。对于重要的转轴还应按疲劳强度进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。 二、按疲劳强度精确校核 按当量弯矩计算轴的强度中没有考虑轴的应力集中、轴径尺寸和表面品质等因素对轴的疲劳强度的影响，因此，对于重要的轴，还需要进行轴危险截面处的疲劳安全系数的精确计算，评定轴的安全裕度。即建立轴在危险截面的安全系数的校核条件。 安全系数条件为： 式中：为计算安全系数； 、分别为受弯矩和扭矩作用时的安全系数； 、为对称循环应力时材料试件的弯曲和扭转疲劳极限； 、为弯曲和扭转时的有效应力集中系数，
第三章活塞环的设计 内燃机的性能与活塞环的设计息息相关。目前世界上活塞环设计已进入标准化系列化时代。 3.1 活塞环的设计原则 根据活塞环的作用和工作条件，活塞环的设计应满足如下要求： 1 有适当的弹力，以利初始密封； 2 有较高的机械强度和热稳定性好； 3 易磨合且有足够的耐磨性和抗结胶能力； 4 加工工艺简单，成本低廉。 活塞环设计采用弹性弯曲理论，综合考虑环装入活塞的张开应力和环在气缸中的工作应力。根据这些应力的最佳比例和环材料的强度和弹性模量，实际环的自由状态开口距离为2.5～3.5倍的环径向厚度，环直径/径向厚度之比在22～34之间。 经长期设计经验之积累和广泛的发动机运转测试，得出了压缩环、油环和环槽设计参数的推荐范围，如表3-1～3-4所示的数据，给活塞环设计提供一个全面的指南。 表3-1 气环侧隙 环直径间隙 顶环第二和第三道环 76~178mm ＞178~250mm ＞250~405 mm ＞405~600mm ＞600mm 0.064/0.114 mm 0.076/0.127 mm 0.102/0.152 mm 0.152/0.216 mm 0.152/0.229 mm 0.038/0.089 mm 0.064/0.114 mm 0.076/0.127 mm 0.127/0.191 mm 0.127/0.203 mm 表3-2 油环侧隙 环直径间隙 76~178 mm ＞178~250 mm ＞250~405 mm ＞405~600 mm ＞600 mm 0.038/0.089 mm 0.064/0.114 mm 0.076/0.127 mm 0.127/0.191 mm 0.127/0.203 mm 表3-3 闭口间隙 发动机型式单位缸径的闭口间隙 水冷 风冷及两冲程 0.003/0.004 0.004/0.005表3-4 侧面光洁度 活塞环直径侧面光洁度CLA ≤178 mm ＞178~405 mm ＞405~920 mm 最大0.4μm 最大0.8μm 最大1.6μm
第一章轻型货车原始数据及设计要求 发动机的输出扭矩：最大扭矩285.0N·m/2000r/min；轴距：3300mm；变速器传动比: ?五挡1 ，一挡7.31，轮距：前轮1440毫米，后轮1395毫米，载重量2500千克 设计要求： 第二章万向传动轴的结构特点及基本要求 万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支承组成。主要用于在工作过程中相对位置不节组成。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。一般万向节由十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。 传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。重型载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的传动轴。一般来讲4×2驱动形式的汽车仅有一根主传动轴。6×4驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。6×6驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，而且还有前桥驱动传动轴。在长轴距车辆的中间传动轴一般设有传动轴中间支承．它是由支承架、轴承和橡胶支承组成。 传动轴是由轴管、伸缩套和万向此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行了调整。因此，一组传动轴是配套出厂的，在使用中就应特别注意。 图 2-1 万向传动装置的工作原理及功用 图 2-2 变速器与驱动桥之间的万向传动装置 基本要求： 1.保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力。 2.保证所连接两轴尽可能等速运转。 3.由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等 第三章轻型货车万向传动轴结构分析及选型 由于货车轴距不算太长，且载重量2.5吨属轻型货车，所以不选中间支承，只选用一根主传动轴，货车发动机一般为前置后驱,由于悬架不断变形，变速器或分动器输出轴轴线之间的相对位置经常变化,根据货车的总体布置要求，将离合器与变速器、变速器与
第二章 轴的强度校核方法 常用的轴的强度校核计算方法 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。 对于传动轴应按扭转强度条件计算。 对于心轴应按弯曲强度条件计算。 对于转轴应按弯扭合成强度条件计算。 2.2.1按扭转强度条件计算： 这种方法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度，对于轴上还作用较小的弯矩时，通常采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。通常在做轴的结构设计时，常采用这种方法估算轴径。 实心轴的扭转强度条件为： 由上式可得轴的直径为 为扭转切应力，MPa 式中： T 为轴多受的扭矩，N ·mm T W 为轴的抗扭截面系数，3mm n 为轴的转速，r/min P 为轴传递的功率，KW d 为计算截面处轴的直径，mm 为许用扭转切应力，Mpa ，][r τ值按轴的不同材料选取，常用轴的材料及] [r τ值见下表： 表1 轴的材料和许用扭转切应力 空心轴扭转强度条件为： d d 1 = β其中β即空心轴的内径1d 与外径d 之比，通常取β=这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。例如，在设计一级圆柱齿轮减速器时，假设高速轴输入功率P1=，输入转速n1=960r/min ，则可根据上式进行最小直径估算，若最小直径轴段开有键槽，还要考虑键槽对轴的强度影响。 T τ[]T τ
根据工作条件，选择45#钢，正火，硬度HB170-217，作为轴的材料，A0值查表取A0=112，则 因为高速轴最小直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有一个键槽，则： 另外，实际中，由于减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联结，则外伸段轴径与电动机轴径不能相差太大，否则难以选择合适的联轴器，取电动机轴d d 8.0'min =，查表，取mm d 38=电动机轴,则： 综合考虑，可取mm d 32'min = 通过上面的例子，可以看出，在实际运用中，需要考虑多方面实际因素选择轴的直径大小。 2.2.2按弯曲强度条件计算： 由于考虑启动、停车等影响，弯矩在轴截面上锁引起的应力可视为脉动循环变应力。 则 其中： M 为轴所受的弯矩，N ·mm W 为危险截面抗扭截面系数(3mm )具体数值查机械设计手册~17. ][1σ为脉动循环应力时许用弯曲应力(MPa)具体数值查机械设计手册 2.2.3按弯扭合成强度条件计算 由于前期轴的设计过程中，轴的主要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置均已经确定，则轴上载荷可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。 一般计算步骤如下： (1)做出轴的计算简图：即力学模型 通常把轴当做置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型及布置方式有关，现在例举如下几种情况： 图1 轴承的布置方式 当L e d L 5.0,1≤/=,d e d L 5.0,1/=>但不小于（~）L ，对于调心轴承e=0.5L 在此没有列出的轴承可以查阅机械设计手册得到。通过轴的主要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置，计算出轴上各处的载荷。通过力的分解求出各个分力，完成轴的受力分析。 ][7.1][≤1-0σσσ== W M ca
4.3 升降轴的设计 升降轴是升降电机动力通过链轮输入的一段，它的结构如下图： 图4-2 轴的结构图 1. 估算轴的基本直径 选用45钢，热处理方式为调质处理，由《机械设计》课本表15-3查得 取0A =120，得 mm 515 .272.2120n d 330=?=≥P A 所求为轴的最细处，即装联轴器处（图5-2）。但因此处有个键槽，故轴颈应增大5%，即mm 5.5305.151d min =?=。 为了使所选的直径与联轴器孔径相适应，故需同时选择与其相适应的联轴器。由《机械设计课程设计》课本查得采用凸缘联轴器，其型号选为YLD10,取与轴配合的的半联轴器孔径55mm ，故轴颈mm 55d 12=，与轴配合长度84mm 。 2. 轴的结构设计 （1）初定各段直径，见表4-1
（2）确定各段长度，见表4-2 3. 轴上零件的周向固定 半联轴器的周向定位均采用平键连接，按12d 由《机械设计》查得平键尺寸801016l h b ??=??，长为80mm ，半联轴器与轴的配合代号为H7/k6。同样，链轮毂与轴连接处，选用平键为251422l h b ??=??，为保证链轮与轴的周向固定，故选择链轮轮毂与轴的配合代号为H7/k6。 4. 考虑轴的结构工艺性 考虑轴的结构工艺性，轴肩处的圆角半径R 值为2.5，轴端倒角c=2mm ；为便于加工，链轮和半联轴器处的键槽布置在同一轴面上。 4.4 升降轴的强度校核 1. 轴的受力分析 轴的力学模型如下图： 根据升降传动轴的受力情况，此轴主要受扭矩作用。 （1）求出轴传递的扭矩： m N 7645.272.295509550?=?==n P T
活塞环工作原理 乍一看活塞环是一个形态非常简单，具有圆开口的环，但它在摩托车发动机（内燃机）中却是不可缺少的运动部件，起着极为重要的作用，活塞环按作用分为气环和油环，它有四大功能。 一、保持气密性
活塞环是所有发动机零件中唯一作三个方向运动的零件。（即轴向运动、径向运动和圆周方向的旋转运动），同时也是使用条件中最为苛刻的零件。发动机燃烧室在爆炸的瞬间，燃气温度可达到2000℃－2500℃，其爆发压力平均达到50kg/cm平方，活塞头部的温度一般不低于200℃。活塞是作往复运动的，其速度和负荷都很大。因此活塞环是工作在高温、高压条件下的。尤其是第一道气环，承受的温度最高，润滑条件也最差，为了保证它具有和其它几道环相同或更高的耐用性，常常将第一道气环，的工作表面进行多孔镀铬处理。多孔镀铬层硬度高，并能贮存少量的润滑，以改善润滑条件，使环的寿命提高2－3倍。近年来，摩托车发动机大多采用长度短于缸径的活塞，这种活塞的头部在上行程转到下行程时会产生摆动现象，使活塞环外圆的上下边缘紧紧地与缸壁接触，导致活塞环的棱缘加载而形成刮伤。为避免这种异常现象，一般将第一道气环外圆制成圆弧状，以其上、下端面的边缘角不触及缸壁，并且易于发动机的初期磨合，这种气环称为桶面环，为目前高功率高转速的内燃机所采用。尽管当今制造技术非常精细，零部件差亦控制在最小范围，但因其材料、热处理及装配后的机械变形，汽缸内的气密总有极个别泄漏点存在，这就需要发动机在使用初期进行良好的磨合及启动后适
当的预热来逐渐消除摩擦副的凹凸不平点。倘若由于多种原因引起汽缸的密封不良时，会引起压缩压力下降和燃烧气体的窜漏，高压高温气体将穿过缸壁与活塞环之间的微小空隙，由此而引起的故障是破坏了活塞环与缸壁之间的所必需的油膜，以致形成了金属之间直接接触的干磨擦状态，从而导致了因干磨擦而烧伤的拉伤活塞、活塞环和汽缸，使发动机产生异常磨损。泄漏的高温气体窜入曲轴箱使机油变质和产生硬质油泥，使活塞环发生粘着等故障。由此看来，确保活塞环在汽缸内的气密性关重要，来不得任何的泄漏。
二、控制机油
活塞环是在高负荷下和高温气氛中沿缸壁来回滑动的。为了更好地发挥其功能，既要有少量的机油润滑汽缸和活塞，又必然适当地刮掉附着在缸壁上多余的机油，防止其上窜以保持机油消耗量适中。
大家知道，四冲程发动机在进气行程中，燃烧室内的压力低于曲轴箱内的压力，由于这种压差起着一种泵油作用，所以机油通过活塞环、活塞和汽缸之间微小间隙而被吸入燃烧室，导致因窜机油而使机油消耗量大增。尤其在发动机怠速情况下，节气门基本处于关闭状态，汽缸内负压较大时，这种现象更趋严重。为了控制机油上窜，一般都将活塞上第二道气环外圆制成锥面。锥面环既能在活塞上行时的滑动面上布下油膜，又能在活塞环下行时有效的刮去缸壁下端多余机油，真可谓一举两得。为了更加有效地将飞溅至汽缸壁下部的机油刮净，又在活塞第二道气环的下部增加一道钢片组合式刮油环。这种环的特点仅在于其接触压力高，而且由于上下刮片能够分别动作，即使对于正圆爌较差的汽缸来说，也具有良好的适应性。更重要的是每个
万向传动轴设计说明书
商用汽车万向传动轴设计 摘要 万向传动轴在汽车上应用比较广泛。发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴。本设计注重实际应用，考虑整车的总体布置，改进了设计方法，力求整车结构及性能更为合理。传动轴是由轴管、万向节、伸缩花键等组成。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化；万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角发生变化时实现两轴的动力传输；万向节由十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。传动轴的布置直接影响十字轴万向节、主减速器的使用寿命，对汽车的振动噪声也有很大影响。在传动轴的设计中，主要考虑传动轴的临界转速，计算传动轴的花键轴和轴管的尺寸，并校核其扭转强度和临界转速，确定出合适的安全系数，合理优化轴与轴之间的角度。 关键字：万向传动轴、伸缩花键、十字轴万向节、临界转速、扭转强度
目录 一、概述 (04) 二、货车原始数据及设计要求 (05) 三、万向节结构方案的分析与选择 (06) 四、万向传动的运动和受力分析 (08) 五、万向节的设计计算 (11) 六、传动轴结构分析与设计计算 (17) 七、法兰盘的设计 (19) 八、参考文献 (20)
一、概述 汽车上的万向传动轴一般是由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。主要是用于在工作过程中相对位置不断变化的两根轴间传递转矩和旋转运动。 在动机前置后轮驱动的汽车上，由于工作时悬架变形，驱动桥主减速器输入轴与变速器输出轴间经常有相对运动，普遍采用万向节传动（图1—1a、b）。当驱动桥与变速器之间相距较远，使得传动轴的长度超过1.5m时，为提高传动轴的临界速度以及总布置上的考虑，常将传动轴断开成两段，万向节用三个。此时，必须在中间传动轴上加设中间支承。 在转向驱动桥中，由于驱动桥又是转向轮，左右半轴间的夹角随行驶需要而变，这是多采用球叉式和球笼式等速万向节传动（图1—1c）。当后驱动桥为独立悬架结构时也必须采用万向节传动（图1—1d）。 万向节按扭转方向是否有明星的弹性，可分为刚性万向节和挠性万向节两类。刚性万向节又可分为不等速万向节（常用的为普通十字轴式），等速万向节（球叉式、球笼式等），准等速万向节（双联式、凸块式、三肖轴式等）。 万向节传动应保证所连接两轴的相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力，保证所连接两轴尽可能同步运转，由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内。