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387柴油機(jī)設(shè)計(jì)（活塞連桿組） 摘 要 本文主要介紹387柴油機(jī)活塞連桿組的設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，考慮到387柴油機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的中小型機(jī)械，環(huán)境往往較為惡劣，需要內(nèi)燃機(jī)具有較好的動(dòng)力性能為農(nóng)機(jī)產(chǎn)品提供足夠的動(dòng)力。本次設(shè)計(jì)在387柴油機(jī)基礎(chǔ)上加大了活塞的工作行程，改球形燃燒室為W形燃燒室，使其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性都有所提高。但由于工作行程的加大，平衡性變差，噪音與震動(dòng)加大，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其采取一定的措施。燃燒系統(tǒng)采用直噴型，易啟動(dòng)，節(jié)能效果明顯，可使經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性大大提高。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min左右，12h標(biāo)定功率約27kW，符合當(dāng)今低速汽車對(duì)轉(zhuǎn)速及功率的需求。通過(guò)參數(shù)及工藝性能的控制可使燃油消耗率保持在245g/kW.h以內(nèi)。本文著重討論了活塞連桿組部位的設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)。 本人主要任務(wù)是設(shè)計(jì)387柴油機(jī)的活塞連桿組，首先根據(jù)柴油機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)柴油機(jī)主要的性能參數(shù)進(jìn)行了選擇。然后在參照387柴油機(jī)的活塞連桿組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在闡述活塞連桿組設(shè)計(jì)過(guò)程的同時(shí)也對(duì)主要零部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了總結(jié)。本說(shuō)明書中重點(diǎn)論述了387柴油機(jī)活塞連桿組的設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)過(guò)程。 關(guān)鍵詞：柴油機(jī)，活塞，連桿 THE DESIGN OF 387 DIESEL ENGINE （PARTS OF PISTON GROUP） ABSTRACT This paper mainly introduces the design of the 387 diesel engine parts of piston group. In this design, considering the 387 diesel engines are mainly applied in small and medium-sized machinery, agricultural production environment is bad, need often has better performance for internal machinery products provide enough power. The Diesel 387 which designed this time is on the basis of the old Diesel 387 and increasing the piston stroke, with its power performance and economical efficiency enhanced. However, because of the work itinerary increased, its balance became worse, noise and vibration also increased. So in this design, I have to take some certain measures. Combustion Chamber using injection type, easy to start, energy saving effect, and can make the efficiency and performance improved greatly. The engine speed is 3000r/min, about 27kW/12h calibration power, speed and the current low power of the car needs. Through the parameters and process performance control can make fuel consumption in 245g/kW. This paper discusses the design requirements and characteristics of the cylinder important parts。 My main task is to design 387 engine parts of piston group. On the first, according to the diesel’s performance target, I should to choose the main performance mark of the diesel. Then in the light of the design of 387 diesel parts of piston group to design the structure. When explained the process of the parts of piston group design, I also summarized the main parts. This thesis focused on expounding the foundation and process of the 387 diesel engine parts of piston group design. KEY WORDS： diesel engine, the piston, the connecting rod, 目錄 第一章 前 言 1 1.1 柴油機(jī)技術(shù)概述及發(fā)展趨勢(shì) 1 1.1.2 柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2 我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展 2 第二章 整體設(shè)計(jì) 4 2.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求 4 2.2 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求 4 2.3 387柴油機(jī)簡(jiǎn)介 5 2.4 柴油機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì) 6 2.4.1 活塞 6 2.4.2 連桿 6 2.4.3 曲軸飛輪組 7 2.4.4 氣缸蓋 7 2.4.5 機(jī)體組 8 第三章 活塞組零件的參數(shù)選擇 9 3.1 活塞組的工作條件 9 3.1.1機(jī)械負(fù)荷 9 3.1.2熱負(fù)荷 9 3.1.3活塞高速滑動(dòng)，潤(rùn)滑不良 9 3.2 活塞的設(shè)計(jì) 9 2.2.2 活塞的材料 9 3.2 活塞頭部的設(shè)計(jì) 10 3.2.4 活塞裙部的設(shè)計(jì) 13 3.3 活塞銷的設(shè)計(jì) 14 3.4 塞環(huán)和活塞環(huán)槽的設(shè)計(jì) 16 3.4.1 活塞環(huán)的工作情況和設(shè)計(jì)要求 16 3.4.2 活塞環(huán)的組合和結(jié)構(gòu) 16 3.4.3 活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇 18 3.5 活塞組的重量 19 第四章 活塞的應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核 20 4.1、活塞的校核 20 4.2、活塞銷的受力與校核 21 4.3、活塞環(huán)的校核 23 第五章 連桿組零件參數(shù)的選擇 25 5.1 連桿的工作情況 25 5.2 連桿的材料 25 5.3 連桿長(zhǎng)度的確定 25 5.4 連桿小頭的設(shè)計(jì) 26 5.4.1、小頭結(jié)構(gòu)形式 26 5.4.2、小頭尺寸 26 5.4.3、連桿襯套 27 5.5 連桿桿身的設(shè)計(jì) 27 5.6 連桿大頭的設(shè)計(jì) 28 5.6.1、連桿大頭的剖分形式 29 5.6.2、連桿大頭的定位方式 29 5.6.3、連桿大頭的主要尺寸 29 5.7 連桿組的重量及慣性力 30 第六章 連桿的受力分析和強(qiáng)度校核 30 6.1連桿小頭 30 6.2連桿大頭 34 6.3連桿桿身 34 結(jié) 論 36 參考文獻(xiàn) 37 致 謝 38 39 第一章 前 言 活塞式內(nèi)燃機(jī)自19世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展，已是比較完善的機(jī)械。它熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機(jī)動(dòng)性好，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。全世界各種類型的汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、小型移動(dòng)電站和戰(zhàn)車等都以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇，以及某些小型飛機(jī)也都由內(nèi)燃機(jī)來(lái)推進(jìn)。世界上內(nèi)燃機(jī)的保有量在動(dòng)力機(jī)械中居首位，它在人類活動(dòng)中占有非常重要的地位。 1.1 柴油機(jī)技術(shù)概述及發(fā)展趨勢(shì) 1882年德國(guó)人狄賽爾（Rudolf Diesel）提出了柴油機(jī)工作原理，1896年制成了第一臺(tái)四沖程柴油機(jī)。一百多年來(lái)，柴油機(jī)技術(shù)得以全面的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。大量研究成果表明，柴油機(jī)是目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。裝備了最先進(jìn)技術(shù)的柴油機(jī)，升功率可達(dá)到30～50kW/l，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)可達(dá)到0.35以上，最低燃油耗可達(dá)到198g/kWh，標(biāo)定功率油耗可達(dá)到204g/kWh；柴油機(jī)被廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力、發(fā)電、灌溉、車輛動(dòng)力等廣闊的領(lǐng)域，尤其在車用動(dòng)力方面的優(yōu)勢(shì)最為明顯，全球車用動(dòng)力“柴油化”趨勢(shì)業(yè)已形成。在美國(guó)、日本以及歐洲100%的重型汽車使用柴油機(jī)為動(dòng)力。 在歐洲，90%的商用車及33%的轎車為柴油車。在美國(guó)，90%的商用車為柴油車。在日本，38%的商用車為柴油車，9.2%的轎車為柴油車。據(jù)專家預(yù)測(cè)，在今后20年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)柴油機(jī)將成為世界車用動(dòng)力的主流。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家政府對(duì)柴油機(jī)發(fā)展也給予了高度重視，從稅收、燃料供應(yīng)等方面采取措施促進(jìn)柴油機(jī)的普及與發(fā)展。 1.1.2 柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代高性能柴油機(jī)由于熱效率比汽油機(jī)高、污染物排放比汽油機(jī)少，作為汽車動(dòng)力應(yīng)用日益廣泛。西歐國(guó)家不但載貨汽車和客車使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而且轎車采用柴油機(jī)的比例也相當(dāng)大。最近，美國(guó)聯(lián)邦政府能源部和以美國(guó)三大汽車公司為代表的美國(guó)汽車研究所理事會(huì)正在開發(fā)的新一代經(jīng)濟(jì)型轎車同樣將柴油機(jī)作為動(dòng)力配置。 經(jīng)過(guò)多年的研究、大量新技術(shù)的應(yīng)用，柴油機(jī)最大的問(wèn)題煙度和噪聲取得重大突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平[4]。 現(xiàn)在，科技的發(fā)展日新月異，柴油機(jī)新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用所需要的時(shí)間也越來(lái)越短。 1.2 我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，但是自20世紀(jì)80年代以來(lái)有了較快的發(fā)展。隨著一批先進(jìn)機(jī)型和技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)柴油機(jī)總體技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)外80年代末90年代初水平，一些國(guó)外柴油機(jī)近幾年開始采用的排放控制技術(shù)在少數(shù)國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)上也有應(yīng)用。最新開發(fā)投產(chǎn)的柴油機(jī)產(chǎn)品的排放水平已經(jīng)達(dá)到歐Ⅲ排放限值要求，一些甚至可以達(dá)到歐Ⅳ排放限值要求。但我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展仍然面臨著許多問(wèn)題，與國(guó)外柴油機(jī)相比還有一定的差距。 我國(guó)柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展面臨著許多問(wèn)題：（1）柴油機(jī)行業(yè)投入不足，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)工藝水平、規(guī)模發(fā)展和自主開發(fā)能力的提高；（2）柴油品質(zhì)差、柴油標(biāo)準(zhǔn)的修訂嚴(yán)重滯后于汽車工業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種新技術(shù)、改善柴油機(jī)排放措施的應(yīng)用造成障礙；（3）我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的落后、產(chǎn)品質(zhì)量差以及車輛使用中維修保養(yǎng)措施不力，導(dǎo)致低性能高排放柴油機(jī)在使用中對(duì)城市環(huán)境和大氣質(zhì)量造成不良的影響。 隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，光靠增壓中冷技術(shù)已不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，這就需要更新的柴油機(jī)電控噴射技術(shù)來(lái)支持。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)正處在開發(fā)階段。比如上海內(nèi)燃機(jī)研究所、無(wú)錫油泵油嘴研究所等正在積極研究之中。無(wú)錫油泵油嘴研究所已把部分成果應(yīng)用到雙燃料機(jī)上實(shí)現(xiàn)了天然氣和液化石油氣的電控化，目前正進(jìn)行匹配試驗(yàn)。 根據(jù)目前我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況，提高我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)水平急需解決下列的關(guān)鍵技術(shù)： 1、 關(guān)鍵零部件技術(shù)：如油泵油嘴和增壓中冷。 2、 燃油品質(zhì)：優(yōu)質(zhì)低硫的柴油是柴油機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的前提。 3、 電控技術(shù)：柴油機(jī)電控技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的優(yōu)化和提高至關(guān)重要。 4、 排放后處理關(guān)鍵技術(shù)： 如廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR），微粒捕集技術(shù)以及NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。 5、 整機(jī)開發(fā)及匹配技術(shù)： 如柴油機(jī)燃油、進(jìn)氣及燃燒系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化技術(shù)，重型車用及轎車用柴油機(jī)技術(shù)。 6、 柴油機(jī)的制造、工藝及材質(zhì)等技術(shù)。 隨著中國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，特別是制造工藝水平的提高，相信中國(guó)的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)也會(huì)有一個(gè)很大的提高。  第二章 整體設(shè)計(jì) 2.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體布置設(shè)計(jì)時(shí)，要求盡可能采用一般鋼材，零部件的工藝性要好，要適合于大量生產(chǎn)。它們的附屬系統(tǒng)（如供油系、起動(dòng)機(jī)、三濾、散熱器等）往往都是專業(yè)化生產(chǎn)的。這就更嚴(yán)格地要求符合“三化”的規(guī)定。而且要求這些柴油機(jī)的重量輕、體積小、質(zhì)量好、效率高、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，此外對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性和制造工藝性以及使用維修方便性的要求也是很重要的。例如動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，重量輕與使用壽命長(zhǎng)，性能指標(biāo)與制造成本等等。 在柴油機(jī)的排放方面，由于柴油機(jī)排出有害氣體（NOX、CO、HC等）連同噪音、臭味等共同構(gòu)成了人類環(huán)境的污染源之一。國(guó)外已經(jīng)嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，為其制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)現(xiàn)在采用歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)，法規(guī)規(guī)定到2008年一些較大城市（如北京、上海）實(shí)行歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，其它地區(qū)逐年實(shí)現(xiàn)。 。 2.2 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求 柴油機(jī)的總體設(shè)計(jì)是在注重節(jié)約能源的同時(shí)又加強(qiáng)了對(duì)排放性的要求，提高了產(chǎn)品的適用性。根據(jù)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行選擇。 作為農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力的387柴油機(jī)，因其配套種類繁多，其性能、結(jié)構(gòu)和使用情況隨地區(qū)不同而差別懸殊，且大部分農(nóng)用柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣，同時(shí)使用負(fù)荷不均，有時(shí)超負(fù)荷，有時(shí)負(fù)荷較低，而且可能性連續(xù)工作幾十個(gè)小時(shí)以上，故柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求如下： 1、使用的可靠性和耐久性，這是作為農(nóng)用柴油機(jī)的重要要求，因此選用較低的活塞平均速度和平均有效壓力，目前多數(shù)為四沖程柴油機(jī)。 2、要有好的經(jīng)濟(jì)性，造價(jià)低廉，燃油和機(jī)油消耗率低。 3、易起動(dòng)、好操縱、維修方便，適合于農(nóng)村的使用條件。 4、要有好的動(dòng)力性，柴油機(jī)發(fā)出的功率要能夠滿足使用的要求。 5、空氣、燃油、機(jī)油濾清器的過(guò)濾面積要大，且容易清洗和更換。 2.3 387柴油機(jī)簡(jiǎn)介 387柴油機(jī)主要用于輪式拖拉機(jī)動(dòng)力，經(jīng)過(guò)一定改裝和調(diào)整后，可用于排灌動(dòng)力、發(fā)電機(jī)組和小型載重汽車上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、性能好。 387柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)： 型式：直噴、直列、三缸、立式、水冷、四沖程、ω形燃燒室 活塞行程/氣缸直徑： 104/87 標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速： 27/3000 （kW/r/min） 壓縮比： 15 ：1 燃油消耗率： ≤245（g/kW.h） 潤(rùn)滑方式： 壓力及飛濺復(fù)合式 啟動(dòng)方式： 電啟動(dòng) 氣缸蓋和機(jī)體都是整體鑄造的，機(jī)體下平面與曲軸線相平，因此結(jié)構(gòu)輕巧。采用干式氣缸套，因此機(jī)體現(xiàn)剛度好。缸套材料為高磷合金鑄鐵，壁厚為3毫米。 活塞由硅鋁合金鑄造，頭部共有兩道氣環(huán)和一道油環(huán)?；钊N是浮式的。 連桿用鋼鍛制成，具有平切口連桿大頭。兩個(gè)連桿螺栓加工有定位帶以保證連桿蓋的定位。球鐵曲軸是全支承的，不帶平衡塊，其軸向定位設(shè)在后軸承上。曲軸后端凸緣用螺釘將甩油盤和飛輪固定在一起。曲軸的前端裝有皮帶輪和起動(dòng)爪。主軸瓦和連桿軸瓦都是高錫鋁合金薄壁軸瓦。凸輪軸布置在機(jī)體的上部，具有三個(gè)支承。氣門、搖臂直接由較長(zhǎng)的菌形挺柱驅(qū)動(dòng)。這樣可使氣門機(jī)構(gòu)的剛性加大。氣門上都設(shè)有兩個(gè)氣門彈簧座和兩個(gè)氣門彈簧。 潤(rùn)滑系統(tǒng)中，有轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵，固定在第一主軸承蓋上，經(jīng)中間齒輪由曲軸齒輪驅(qū)動(dòng)。 冷卻系中的離心水泵和風(fēng)扇都是由曲軸皮帶輪直接驅(qū)動(dòng)的。柴油機(jī)采用電起動(dòng)，為了適應(yīng)冬季冷起動(dòng)的需要，在進(jìn)氣管內(nèi)裝有起動(dòng)預(yù)熱器。 為了適應(yīng)拖拉機(jī)工作的，387型柴油機(jī)采用帶有一級(jí)旋風(fēng)的紙質(zhì)空氣濾清器，具有較高的濾清效率。 2.4 柴油機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì) 2.4.1 活塞 活塞是在惡劣的條件下工作的。首先，它承受著很大的機(jī)械負(fù)荷?；钊斏献饔糜胁粩嘧兓臍怏w壓力。對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，氣體壓力的最大值Pmax一般是在7～8MPa。目前，由于高增壓強(qiáng)化，柴油機(jī)的最高氣體爆發(fā)壓力已達(dá)到17～18MPa，有的甚至更高。同時(shí)，在高速內(nèi)燃機(jī)中，循環(huán)的變化頻率很高。這樣就使作用在活塞上的載荷是具有沖擊性的?；钊跉飧桌镒龈咚龠\(yùn)動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。為了減小活塞組的往復(fù)慣性力，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要盡量減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選用密度小、強(qiáng)度高的材料。其次，活塞在工作中承受著很高的熱負(fù)荷。活塞頂與燃燒室中最高溫度為1800～2600℃，熱量通過(guò)對(duì)流以及熱輻射等方式傳到活塞頂。由于柴油機(jī)燃燒的特點(diǎn)，使活塞受熱強(qiáng)度分布不均勻，此外還因?yàn)樵谟行紵谥袣怏w介質(zhì)具有較高的密度和紊流的作用，也使得燃?xì)鈧鹘o活塞的熱量增加。為了防止活塞受熱部分溫度過(guò)高，一般都力求減小燃?xì)庀蚧钊膫鳠崃坎⑹沽魅牖钊臒崃磕芎芎玫纳⒆?。再次，活塞沿氣缸作高速滑?dòng)，活塞裙部受側(cè)向力的作用，在潤(rùn)滑不良的情況下，常常造成活塞、活塞環(huán)和氣缸之間的劇烈磨檫和磨損。 所以，活塞的設(shè)計(jì)任務(wù)就是根據(jù)活塞的功用，適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度提高的需要，從活塞各部分結(jié)構(gòu)尺寸的選定和造型設(shè)計(jì)、活塞的材料和表面處理、必要的計(jì)算和試驗(yàn)等方面入手，正確解決活塞的工作能力、可靠性、壽命和機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、磨損之間的矛盾，并在實(shí)踐中不斷加以考核和改進(jìn)。 活塞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：活塞頭部的設(shè)計(jì)，活塞銷座的設(shè)計(jì)，活塞裙部及其側(cè)面形狀的設(shè)計(jì)。 2.4.2 連桿 連桿（組）一般由連桿體、大頭蓋、連桿螺栓、軸瓦和連桿小頭襯套等組成。連桿把活塞和曲軸連接起來(lái)。連桿小頭與活塞銷連接，并與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連桿大頭與曲軸的曲柄銷連接，和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；連桿的其余部分作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。作用在活塞上的力經(jīng)連桿傳給曲軸。 連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。連桿必須具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。也就是說(shuō)在力的作用下，桿身應(yīng)該不致被顯著壓彎；連桿大小頭孔不致顯著失圓。在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)遵循以下的原則[14]： 1、在保證具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減輕重量，以降低慣性力； 2、盡量縮短長(zhǎng)度，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總體尺寸和總重量； 3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，可靠耐用； 4、大小頭軸承工作可靠，耐磨性好； 5、連桿螺栓疲勞強(qiáng)度高，連接可靠； 6、易于制造，成本低。 很顯然，為了增加連桿的強(qiáng)度和剛度，不能簡(jiǎn)單地依靠加大結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)達(dá)到，因?yàn)檫B桿重量的增加使慣性力增加。必須從材料選用、構(gòu)形設(shè)計(jì)、熱處理及表面強(qiáng)化等方面采取措施。 2.4.3 曲軸飛輪組 曲軸組由曲軸、飛輪、平衡重以及傳動(dòng)齒輪等構(gòu)成。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的機(jī)件之一，是由一個(gè)或者多個(gè)彼此間錯(cuò)開一定角度的曲柄，加上功率輸出端和自由端組成，它是發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的部件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的功用是把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以輸出柴油機(jī)所產(chǎn)生的功率，并驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)、噴油泵、機(jī)油泵、水泵及其他的附件。 在曲軸的設(shè)計(jì)方面有幾點(diǎn)要注意，首先，因?yàn)榍S在工作中要承受扭轉(zhuǎn)力矩的作用，因此曲軸在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的解決的主要問(wèn)題是保證軸頸與軸承工作可靠并且耐用，再者要有足夠的抗彎剛度，還有在工藝上也應(yīng)注意，設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單，只要保證足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情況下減小飛輪的質(zhì)量。 飛輪的主要功用是儲(chǔ)存做功沖程的能量，克服輔助沖程的阻力以保證曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的均勻性，是內(nèi)燃機(jī)工作平穩(wěn)。 曲軸組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：曲柄銷，主軸頸，曲柄，平衡重，油孔的位置和尺寸的設(shè)計(jì)以及飛輪的設(shè)計(jì)。 2.4.4 氣缸蓋 氣缸蓋的工作條件是非常苛刻的，它要承受燃燒氣體的高溫高壓的作用。設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下的幾點(diǎn)[5]： 1、氣缸蓋要與足夠的剛度。 2、要布置好進(jìn)、排氣道和氣缸蓋的螺栓。 3、要組織好氣缸蓋的冷卻，以防氣缸蓋的溫度過(guò)高以及溫度分布不均產(chǎn)生熱應(yīng)力過(guò)大。 4、各個(gè)零部件以及氣門機(jī)構(gòu)要拆裝方便。 氣缸蓋的設(shè)計(jì)包括：氣缸蓋形式的選擇，氣門數(shù)的確定，缸蓋螺栓數(shù)量的選擇與布局，進(jìn)排氣道的設(shè)計(jì)與布局，以及氣缸蓋冷卻的措施的設(shè)計(jì)。具體詳細(xì)見(jiàn)第三章。 2.4.5 機(jī)體組 機(jī)體部分包括：氣缸體、曲軸箱、機(jī)座（或油底殼）、主軸承蓋等零件。一般柴油機(jī)的氣缸體與曲軸箱合為一體。總稱為機(jī)體。而機(jī)體又有機(jī)座式機(jī)體與無(wú)機(jī)座式機(jī)體之分。機(jī)體結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜。它是安裝運(yùn)動(dòng)件和附件的支承架，通常又是支承柴油機(jī)的安裝基礎(chǔ)。 當(dāng)柴油機(jī)工作時(shí)，機(jī)體承受著大小和方向作周期性變化的氣體力、慣性力和力矩的作用。機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證它有足夠的強(qiáng)度和剛度；曲軸箱部分的形狀和尺寸要盡可能緊湊。水道和油道設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意，以及各部分的外輪廓的設(shè)計(jì)。因此，為保證柴油機(jī)可靠和耐久性的工作，應(yīng)考慮下列設(shè)計(jì)要求[8]： 1、根據(jù)柴油機(jī)的用途，合理選擇機(jī)體結(jié)構(gòu)，保證有足夠的剛度強(qiáng)度。 2、依據(jù)受力情況，合理設(shè)計(jì)受力部位的結(jié)構(gòu)和形狀，使作用力集中在某些限定區(qū)域內(nèi)。機(jī)體壁的圓角和厚度，應(yīng)無(wú)急劇變化，以免應(yīng)力集中。 3、要求尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 4、目前柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，趨向于將油、水和空氣管道、水泵外殼等零件鑄入機(jī)休內(nèi)，使機(jī)體外部管子的數(shù)量和長(zhǎng)度，安排得較少和較短。這樣，既增加加機(jī)體剛度，亦可使外形布置緊湊和簡(jiǎn)潔。 5、注意噪聲的降低和考慮標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化問(wèn)題。 6、機(jī)體的接近性要好（即易接近氣缸蓋、運(yùn)動(dòng)件和附件等），便于零件和部件的裝拆、維修和搬運(yùn)。 7、工藝性好，成本低廉；材料宜取，價(jià)廉材廣 第三章 活塞組零件的參數(shù)選擇 3.1 活塞組的工作條件 3.1.1機(jī)械負(fù)荷 活塞組受到氣體壓力P、往復(fù)慣性力Pj，及側(cè)壓力PN的周期性沖擊力的作用。目前，強(qiáng)化柴油機(jī)的最高爆發(fā)壓力Pz已達(dá)140kgf/cm2，使活塞產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力和變形。 3.1.2熱負(fù)荷 活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔?，燃?xì)庾罡邷囟瓤蛇_(dá)1800～2600℃，所以活塞頂溫度很高，而且溫度分布很不均勻。尤其是在直接噴射式柴油機(jī)活塞頂上都有相當(dāng)深的凹坑，活塞實(shí)際受熱面積大大增加，其熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。熱負(fù)荷是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化的一個(gè)重要障礙?；钊麥囟冗^(guò)高將有以下不良影響: （1）活塞的熱應(yīng)力和熱變形過(guò)大。 （2）溫度超過(guò)300℃---350℃時(shí)，鋁活塞材料的強(qiáng)度急劇下降。 （3）第一道環(huán)槽溫度超過(guò)180～220℃時(shí)，易引起潤(rùn)滑油變質(zhì)結(jié)膠，致使活塞環(huán)卡死。 3.1.3活塞高速滑動(dòng)，潤(rùn)滑不良 活塞在側(cè)壓力作用下，在氣缸內(nèi)高速滑動(dòng)，而缸壁一般均靠飛濺潤(rùn)滑，因此潤(rùn)滑條件差，磨損嚴(yán)重，易使活塞和活塞環(huán)磨損失效。 3.2 活塞的設(shè)計(jì) 2.2.2 活塞的材料 本設(shè)計(jì)活塞的材料采用硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11％～13％的共晶硅鋁合金。這種材料中加入的硅可使線膨脹系數(shù)降低，并提高了耐磨性、耐熱性和改善鑄造性能。所以這種材料的活塞線膨脹系數(shù)小，質(zhì)量輕，強(qiáng)度和剛度適中，熱穩(wěn)定性好，耐磨性好，在中等溫度下抗疲勞性好，體積穩(wěn)定性好。 3.2 活塞頭部的設(shè)計(jì) 活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣體壓力，并通過(guò)銷座把它傳給連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。 因此，活塞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是： 1.尺寸盡可能緊湊，因?yàn)橐话銐嚎s高度縮短一個(gè)單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度可以縮短1.5～2個(gè)單位，并顯著減輕活塞重量。而壓縮高度則直接受頭部尺寸的影響。 2.保證溫度不過(guò)高，溫差小，防止產(chǎn)生過(guò)大的熱變形和熱應(yīng)力，為活塞的正常工作創(chuàng)造良好的條件，并避免頂部熱疲勞開裂。 3.保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，以避免開裂和產(chǎn)生過(guò)大變形。 一、主要尺寸的選擇要點(diǎn) 1．活塞高度H 1）活塞高度取決于下列因素; （1）對(duì)柴油機(jī)高度尺寸的要求（與柴油機(jī)用途有關(guān)） （2）轉(zhuǎn)速n； （3）燃燒室形狀及尺寸； （4）活塞裙部承壓面積。 應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)布置合理和所需的承壓面積條件下，盡量選擇較小的活塞高度。 2）目前發(fā)展趨勢(shì)：不斷縮短活塞高度，特別是高速柴油機(jī)。近十年來(lái)，由于成功地減活塞環(huán)數(shù)目，使活塞高度H縮短約10%。 2．壓縮高度H1 壓縮高度H1，決定活塞銷的位置。H1取決于第一道活塞環(huán)至頂面的距離h、環(huán)帶高度H5及上裙高度H4。在保證氣環(huán)良好工作的條件下，宜縮短H1，以力求降低整機(jī)的高度尺寸。H1/D 3．頂岸高度h（即第一道活塞環(huán)槽到活塞頂?shù)木嚯x） 1）h越小第一道環(huán)本身的熱負(fù)荷也越高。應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷及活塞冷卻狀況確定h，使第一道活塞環(huán)約工作溫度不超過(guò)允許極限（約180℃～2200℃）。 2)在保證第一道環(huán)工作可靠的條件下，盡量縮小h，以力求降低活塞高度和重量。 3)h/D的一般范圍如下： 高速槳油機(jī)鋁活塞 0.14～0.20 組合活塞 0 .07～0.20 4.活塞環(huán)的數(shù)目及排列 1)括塞環(huán)數(shù)目一般為: 高速機(jī) 氣環(huán)2～3道，油環(huán)1～2道; 中速機(jī) 氣環(huán)3～4道，油環(huán)2道(少數(shù)用一道) 2)發(fā)展趨勢(shì)：減少環(huán)數(shù)。目前中小型高速柴油機(jī)采用三環(huán)結(jié)構(gòu)(二道氣環(huán)、一道油環(huán))的日益增多，并已開始應(yīng)用雙環(huán)活塞。近代中速柴油機(jī)采用四道環(huán)。環(huán)數(shù)減少后，須從活塞及活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)上采取措施，以確保良好的密封性能和防竄油性能。 3)油環(huán)布置：采用一道油環(huán)時(shí)，油環(huán)裝在銷孔上方。 采用二道油環(huán)時(shí)，一般是在銷孔上方和活塞底下部各布置一道油環(huán)，但也有的大缸徑柴油機(jī)活塞，二道油環(huán)均裝在銷座上部，這既能減少機(jī)油竄入燃燒室，又保證裙部有比較充分的潤(rùn)滑。 5環(huán)槽尺寸 環(huán)槽的軸向高度(名義尺寸)等于活寒環(huán)的軸向高度b。十 環(huán)槽底徑D取決于活塞環(huán)的背面間隙(即活塞環(huán)內(nèi)圓面與環(huán)槽底之間的間隙)，背盈大小與活塞的熱膨脹有關(guān)，并對(duì)環(huán)的背壓有一定影響。D可按下式估算 氣環(huán)槽 D = 〔D－(2t﹢KD) +0.5〕(mm) 油環(huán)槽 D = 〔D－(2t﹢KD) +1.5〕(mm) 式中 D—活塞名義直徑； t—活塞環(huán)的徑向厚度； K—系數(shù)，鋁活塞K=0.006，鑄鋁活塞K=0.004。 環(huán)槽底部的過(guò)渡圓角一般為0.2～0.5mm。 6．環(huán)岸高度 1）第一環(huán)岸(第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸)溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂。所以第一環(huán)岸高度h1一般比其余環(huán)岸高度要大一些。 2）必須保證環(huán)岸有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，并進(jìn)行驗(yàn)算。 3）環(huán)岸高度的范圍 鋁活塞高速機(jī) h1/D=0.04～0.06 高速大功率 　　　h1/D=0.04～0.06 鋼頂組合括塞　　　h1/D=0.025～0.035 7．活塞頂厚度各是根據(jù)活塞頂部應(yīng)力、剛度及散熱要求來(lái)決定的，小型高速柴油機(jī)的鋁活塞，如滿足頂部有足夠的傳熱截面，則頂部的機(jī)械強(qiáng)度一般也是足夠的。熱應(yīng)力隨活塞頂厚度增加而增大，活塞頂厚度(特別是鋼頂)只要厚到能承受燃?xì)鈮毫纯?。s的一般范圍 小型高速　　　　 h1/D=0.04～0.06 高速大功率　　　　h1/D=0.04～0.06 鑰頂組合活塞　　　h1/D=0.04～0.06 鑄鐵活塞　　　　　h1/D=0.04～0.06 圖3-1 二、燃燒室 本設(shè)計(jì)采用ω型的燃燒室。 燃燒室的形狀和尺寸： 1、根據(jù)喉口側(cè)面角β，可將ω型的燃燒室分成開口型(β>90)，直口型(β=90)及收口型(β<90)三種，收口型較?。ㄒ话?D=0.5～0.65） 本設(shè)計(jì)采用β=90的直口型，因?yàn)楹砜诘臒嶝?fù)荷很高，這樣做是為了防止喉口開裂，便于制造。 一般/D=0.5～0.65，取/D=0.55，即=30mm 2、在ω型的燃燒室的底部設(shè)計(jì)一隆起的凸尖，這樣是為了幫助形成渦流及使燃燒室與油束相配合。 這里應(yīng)特別注意的是油束和燃燒室的正確配合，油束射程不足或過(guò)大都會(huì)使混合不均勻，影響排煙極限。 3、燃燒室、噴油器和氣缸最好是同心布置，但由于本次設(shè)計(jì)的特殊情況，將燃燒室中心線向噴油器的一側(cè)偏離。 一般偏移量<0.1,即<8.7,取e=3.75mm。 燃燒室的尺寸如圖2-2所示。 圖3-2 燃燒室的主要尺寸 3.2.4 活塞裙部的設(shè)計(jì) 裙部主要起導(dǎo)向作用，并承受氣體側(cè)壓力。設(shè)計(jì)活塞裙部時(shí)，必須注意保證裙部在工作時(shí)具有正確的幾何形狀，以期得到小的比壓，有利于防止拉缸。保證活塞得到良好的導(dǎo)向，具有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)滑油膜，既不因間隙過(guò)大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過(guò)小而在氣缸中咬住，導(dǎo)致事故。因此，活塞裙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本思想時(shí)如何在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下始終保持它與氣缸有最合適的間隙。 1．裙部長(zhǎng)度H2 1）選取H2應(yīng)使裙部比壓在許可范圍之內(nèi)。 2）H2/D的一般范圍如下： 高速柴油機(jī) 0 .65～0 .68 中速柴油機(jī) 1.0～1.1 綜合考慮取0.65，即裙部長(zhǎng)度為60mm。 3）上、下裙長(zhǎng)應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋壤?，上裙長(zhǎng)度H4過(guò)小，易產(chǎn)生尖峰負(fù)荷，造成活塞拉毛及擦傷。一般的比例如下： H3=(0.65～0.75)H2 9．裙部壁厚bo 鋁活塞(包括鋼頂鋁裙的組合活塞)裙部最小壁厚一般為(0.03～0.06)D。薄壁裙部對(duì)減輕活塞重量有利，但又需保證裙部有足夠的剛性，則可沒(méi)置加強(qiáng)筋 (7-}1)計(jì)算。 二、銷孔中心的位置 要合理的決定銷孔中心線在裙部的位置，使分配在活塞銷中心線的上、下裙部比例恰當(dāng)，以避免活塞傾斜而引起活塞局部的劇烈磨損，活塞下裙的長(zhǎng)度一般為整個(gè)裙部長(zhǎng)度的60%～70%，取下裙長(zhǎng)度為46mm，為活塞裙部長(zhǎng)度的60%。 三、裙部與缸套的配合間隙 1、裙部受力和變形分析 首先，活塞受到側(cè)向力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面，裙部被壓扁。 其次，由于活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形。 再次，由于溫度升高引起的熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其他部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。 這三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使得裙部截面的形狀變成“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。 這種現(xiàn)象尤其是受熱膨脹影響比較大。為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部和缸套之間要預(yù)先留出較大的間隙。當(dāng)然如果間隙太大，又會(huì)造成敲缸現(xiàn)象。 3.3 活塞銷的設(shè)計(jì) 活塞銷承受氣體壓力和活塞組慣性力的作用，這些力的大小和方向，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)是隨曲軸轉(zhuǎn)角做周期性變化的。這種承載情況易使活塞銷產(chǎn)生疲勞破壞。在設(shè)計(jì)活塞銷時(shí)應(yīng)使銷具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)還要有較高的疲勞強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)是高速柴油機(jī)，所以活塞銷的質(zhì)量要盡量輕，以減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力。 活塞銷直徑d和銷座間隔b，d和B的選擇主要是考慮活塞銷座的承載壓力及活塞銷的剛度間題，應(yīng)滿足下列要求: 1）選擇d 和B時(shí)應(yīng)驗(yàn)算銷座比壓和連桿小頭軸承比壓，使這 兩項(xiàng)平均比壓均在允許范圍之內(nèi)。 2）校檢活塞銷的彎曲變形和橢圓變形，d的選取應(yīng)保證活塞銷的變形在許可范圍內(nèi)。 3）d的一般范圍中小型高速柴油機(jī)，一般d/D<0.4d，若d/D太大，則使活塞銷外表面至活塞頂內(nèi)表面的距離（即所謂延伸長(zhǎng)度）過(guò)小，給活塞連桿組設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。強(qiáng)化柴油機(jī)趨向于用較大的活塞直徑，d≥0.4d。 一、結(jié)構(gòu)和尺寸 圖3-5 活塞銷主要尺寸 活塞銷的結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，材料選用20Cr。 對(duì)于柴油機(jī)活塞銷的尺寸一般為：外徑d1=（0.31～0.40）D ， 取d1=0.35D 即d1=26mm ，根據(jù)對(duì)活塞銷尺寸公差的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取銷子的外徑為。 內(nèi)徑d2=（0.45～0.65）d1 ，取d2=0.6d1=14。 長(zhǎng)度L=（0.8～0.9）D， 取L=0.8D=70。 二、活塞銷的固定方式 本設(shè)計(jì)的活塞銷用浮式銷，即銷在活塞銷座和連桿小頭中都可轉(zhuǎn)動(dòng)。浮式銷的工作表面相對(duì)滑動(dòng)速度較小，摩擦產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)減小，磨損較小且均勻，延長(zhǎng)了銷的壽命。浮式銷在運(yùn)轉(zhuǎn)中不易被卡住，裝配時(shí)不需要加熱就可以用手推入活塞的銷孔內(nèi)。從而簡(jiǎn)化了裝配工藝。 為了防止浮式銷的軸向竄動(dòng)，用彈性擋圈來(lái)進(jìn)行軸向固定。擋圈采用矩形截面的，因?yàn)樗膹?qiáng)度高。 3.4 塞環(huán)和活塞環(huán)槽的設(shè)計(jì) 3.4.1 活塞環(huán)的工作情況和設(shè)計(jì)要求 一、活塞環(huán)的工作情況 活塞環(huán)（尤其是氣環(huán)）的工作條件十分惡劣，它不但在應(yīng)力狀態(tài)下承受著高溫、高壓的氣體作用，而且在氣缸中做高速往復(fù)滑動(dòng)，產(chǎn)生很大的磨擦和磨損。而摩擦產(chǎn)生的熱量又加熱了環(huán)本身，這就使環(huán)的工作條件更加惡化。第一道環(huán)直接和高溫燃?xì)饨佑|，溫度接近或超過(guò)520K，其余的環(huán)溫度一般也在473K以上。在這樣高的溫度下，很難得到良好的潤(rùn)滑，而且機(jī)油在高溫下結(jié)焦、炭化，也會(huì)進(jìn)一步惡化環(huán)的工作條件。 二、活塞環(huán)的設(shè)計(jì)要求 1、降低環(huán)的高度，減少環(huán)數(shù)，盡量減少摩擦損失 2、密封性能好 3、刮油能力強(qiáng)，除改進(jìn)油環(huán)結(jié)構(gòu)外，要求氣環(huán)也能起控制機(jī)油作用 4、具有足夠的強(qiáng)度 5、熱穩(wěn)定性好，即在高溫時(shí)能保證環(huán)的彈力和形狀 6、磨合性能及抗結(jié)膠性能良好 7、合適的環(huán)槽間隙，減小環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊 實(shí)現(xiàn)這些要求主要時(shí)靠采用良好的材料合表面處理，正確選擇環(huán)的截面形狀、尺寸、運(yùn)動(dòng)間隙以及適當(dāng)?shù)墓ぷ骱习惭b應(yīng)力，采用合理的加工方法合加工要求等措施來(lái)達(dá)到。 3.4.2 活塞環(huán)的組合和結(jié)構(gòu) 一、活塞環(huán)的組合 基于盡量減少環(huán)數(shù)以降低活塞高度的原則，本設(shè)計(jì)就采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。 二、活塞環(huán)的結(jié)構(gòu) 1、第一道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu) 圖3-6 第一道氣環(huán)的截面形狀 為提高第一氣環(huán)在高溫時(shí)的抗結(jié)膠能力，第一環(huán)采用桶面梯形環(huán)，梯形頂角為15，如圖2—6所示。這樣設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處。一是因?yàn)樗翘菪蔚?，所以?dāng)活塞在側(cè)壓力的交替作用下，梯形環(huán)在環(huán)槽內(nèi)徑向移動(dòng)，使環(huán)的側(cè)隙時(shí)大時(shí)小，將環(huán)槽中的結(jié)膠擠出。這樣可以防止在熱負(fù)荷很高時(shí)，第一環(huán)粘結(jié)使環(huán)與缸壁接觸壓力徒增造成拉缸，或者造成竄氣竄油。二是因?yàn)樗峭懊娴?，這樣可保證良好的潤(rùn)滑，避免棱緣負(fù)荷，密封性和磨合性也好。 但梯形環(huán)也有壞處，那就是磨損后高速運(yùn)動(dòng)中的環(huán)易產(chǎn)生環(huán)振，為此選擇耐振性好的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵有較高的抗彎強(qiáng)度，一般在1300MPa以上，工作時(shí)不易折斷。而且有較高的彈力和較好的熱穩(wěn)定性，這樣的優(yōu)點(diǎn)正好符合活塞環(huán)設(shè)計(jì)所要求的。 為了使第一道環(huán)在高溫時(shí)有較高的抗粘著性能，在環(huán)的外表面鍍Cr。 2、第二道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu) 圖3-7 第二道氣環(huán)的截面形狀 第二道氣環(huán)采用錐面環(huán)，外表面錐角是130’，這樣形狀的環(huán)常用作第一道環(huán)以下的活塞環(huán)。其結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。它可以提高表面接觸應(yīng)力，易于磨合，活塞上行易于在氣缸壁上形成油膜，下行刮油作用良好。它兼有氣環(huán)和油環(huán)的作用。而且由于它的接觸面小，所以可以提高與氣缸壁的接觸應(yīng)力，有利于密封和磨合。 此道環(huán)用灰鑄鐵制成，表面全部氧化。 3、油環(huán)的材料和形式 采用灰鑄鐵的彈簧脹圈油環(huán)，其內(nèi)襯螺旋彈簧材質(zhì)為彈簧鋼。這種油環(huán)是在開槽油環(huán)背后加置彈簧脹圈，從而環(huán)的徑向壓力Po(一般Po>8kgf/cm2)，保證油環(huán)與氣缸壁均勻而穩(wěn)定的貼合，能減小磨損和降低機(jī)油消耗量。同時(shí)在環(huán)的工作表面鍍Cr,提高它的耐磨性和抗腐蝕性。 3.4.3 活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇 一、活塞環(huán)的參數(shù) 活塞環(huán)的主要參數(shù)包括軸向高度h，徑向厚度t，自由開口間隙s，閉口間隙。軸向高度h的選擇可參考經(jīng)驗(yàn)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)選擇，潤(rùn)滑條件越好，轉(zhuǎn)速越高，則h值選的小點(diǎn)。采用薄環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)是：減低活塞高度和重量；減少摩擦損失和環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊；對(duì)氣缸不均勻磨損的適應(yīng)性好。 同時(shí)它也有自己的缺點(diǎn)：易于折斷；影響活塞散熱；制造較困難。 所以環(huán)的高度不能做的太低。 圖3-8 活塞環(huán)的尺寸及配合間隙 1、第一道氣環(huán) 尺寸如圖2-8所示。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定梯形環(huán)在基準(zhǔn)直徑上的軸向高度h=2mm。 一般對(duì)于缸徑D=80～150mm的柴油機(jī)，D/t=22～28，取D/t=22， 則t=4.6mm。因?yàn)榇说拉h(huán)是球墨鑄鐵，對(duì)于這種材料S/D=0.08～0.10，取S/D=0.10，則開口間隙S=10mm。閉口間隙=0.005D=0.5mm。 2、第二道氣環(huán) 選軸向高度h=2.5mm，D/t=22，則t=4.6mm。 對(duì)于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙=0.005D=0.5mm。 3、油環(huán) 根據(jù)同類型機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定軸向高度h=5mm。取D/t=22，則t=4.6mm。 對(duì)于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙=0.005D=0.5mm。 二、環(huán)槽與活塞環(huán)的間隙 活塞環(huán)在環(huán)槽中運(yùn)動(dòng)，因此在環(huán)槽的徑向和軸向方向上，都應(yīng)該有適當(dāng)?shù)拈g隙。軸向間隙不能過(guò)大，因?yàn)楫?dāng)環(huán)在環(huán)槽中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)和環(huán)槽之間發(fā)生碰撞。間隙大，碰撞也大。增加可環(huán)和槽的機(jī)械負(fù)荷。此外，間隙大也不利于密封。 同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于各處溫度不同，各道環(huán)與槽的端面間隙是不相同的，在上面的環(huán)靠近燃燒室，溫度較高，其值應(yīng)取大一些。 高速發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)形式和缸徑的不同，端面間隙一般在下列范圍： 第一環(huán)=0.08～0.20 ， 取=0.09 mm； 第二環(huán)=0.06～0.15 ， 取=0.08 mm； 油環(huán)=0.03～0.08 ， 取=0.03 mm； 對(duì)于徑向間隙，其一般范圍是： 氣環(huán)：，取第一、第二環(huán)的徑向間隙均為0.5mm； 油環(huán)：，取其為0.8mm。 3.5 活塞組的重量 對(duì)于四沖程的鋁合金活塞，活塞的比重量是，估算取1.1，即活塞重量為1100g,再加上活塞銷和活塞環(huán)等的重量，取活塞組的重量為1300g。 第四章 活塞的應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核 活塞平均速度 ： 其中S—活塞行程 n—轉(zhuǎn)速 活塞平均有效壓力： 其中 根據(jù)平均有效壓力查表估計(jì)出活塞上的最高爆發(fā)壓力為 4.1、活塞的校核 圖4-1 活塞頂?shù)暮穸? 1、活塞頂?shù)臋C(jī)械應(yīng)力 如圖3-1所示，活塞頂?shù)牡撞坑屑訌?qiáng)筋，所以機(jī)械應(yīng)力的許用值是。 由此知活塞頂?shù)臋C(jī)械應(yīng)力強(qiáng)度是可靠的。 2、對(duì)第一環(huán)岸進(jìn)行校核 彎曲應(yīng)力： 剪切應(yīng)力： 總應(yīng)力： 其中 對(duì)于像本設(shè)計(jì)的的鋁合金活塞，許用總應(yīng)力，所以第一環(huán)岸的強(qiáng)度足夠。 3、裙部比壓 最大側(cè)壓力： 裙部比壓： 其中 裙部比壓允許值為5～9 ，故在允許的范圍內(nèi)，是安全的。 4、活塞銷座比壓 其中 。 允許值為，故在允許的范圍內(nèi)。是安全的。 4.2、活塞銷的受力與校核 1、活塞銷的最大剪切應(yīng)力 活塞銷的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭之間的截面上。其值按下面的公式計(jì)算： 其中 。 其中 ； 。 則 可得到： 其中的尺寸如圖3-2所示。 圖4-2 活塞銷的計(jì)算簡(jiǎn)圖 活塞銷材料選用20Cr。 其彈性模量為 下列計(jì)算所用到的尺寸請(qǐng)參照上圖3-2。 2、彎曲變形： 許用彎曲變形 ，故彎曲變形在允許的范圍內(nèi)。 3、橢圓變形 許用的橢圓變形 故橢圓變形在允許的范圍內(nèi)。 4、縱向彎曲應(yīng)力 5、橫向彎曲應(yīng)力 6、總應(yīng)力 許用總應(yīng)力為 ，故總應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)，是安全的。 4.3、活塞環(huán)的校核 校核氣環(huán)： （1）對(duì)于第一道氣環(huán)，其最大彎曲應(yīng)力是： 對(duì)于球墨鑄鐵，取彈性模量E=180GPa 活塞環(huán)的許用應(yīng)力，故彎曲應(yīng)力在允許范圍內(nèi)?；钊h(huán)的彈力： （1）對(duì)于第二道氣環(huán)，其最大彎曲應(yīng)力是： 對(duì)于灰鑄鐵，取彈性模量E=100Gpa 活塞環(huán)的許用應(yīng)力，故彎曲應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。 活塞環(huán)的彈力： 環(huán)的套裝應(yīng)力是： 因裝環(huán)時(shí)常采用手工安裝，取m=1.57； 許用套裝應(yīng)力，故套裝應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。  第五章 連桿組零件參數(shù)的選擇 5.1 連桿的工作情況 連桿組的功用蝕將作用在活塞上的氣體壓力傳給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿桿身作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。 連桿主要承受以下載荷： 1、由連桿力Pcr引起的拉壓疲勞載荷。 式中 Pg——?dú)怏w作用力； Pj——活塞連桿組的往復(fù)慣性力； β——連桿擺角。 2、在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)，由連桿力矩引起的橫向彎曲載荷。 3、由于壓入連桿襯套，擰緊連桿螺栓，壓緊軸瓦等產(chǎn)生的裝配靜載荷。 此外，連桿還可能承受由于加工不準(zhǔn)確，承壓面對(duì)連桿軸線不對(duì)稱等引起的附加彎曲載荷。 5.2 連桿的材料 本設(shè)計(jì)連桿的材料采用39Cr5中碳Cr合金鋼，這種采用優(yōu)點(diǎn)是成本較低，對(duì)應(yīng)力集中不是很敏感，所以模鍛后非配合表面就不太可能引起連桿桿身斷裂的危險(xiǎn)。 5.3 連桿長(zhǎng)度的確定 連桿長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重選擇的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，它一般用連桿比來(lái)表示，即。連桿長(zhǎng)度越短，即越大，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，減輕活塞件重量和整機(jī)重量，能很好的適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速。但的增大使二級(jí)往復(fù)慣性力及氣缸側(cè)壓力增大，并增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸套相碰的可能性。 所以為使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，最合適的連桿長(zhǎng)度應(yīng)該是，在保證連桿及相關(guān)機(jī)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)不與其他機(jī)件相碰的情況下，選取最小的連桿長(zhǎng)度。 對(duì)于缸徑S≤120mm的高速柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，值一般在0.27～0.30之間，又考慮到柴油機(jī)其他零件的設(shè)計(jì)，所以取連桿長(zhǎng)度為187mm，即值為0.278，在此范圍內(nèi)，是可取的。 圖5—1 連桿小頭的尺寸 5.4 連桿小頭的設(shè)計(jì) 5.4.1、小頭結(jié)構(gòu)形式 小頭采用薄壁圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，它的形狀簡(jiǎn)單，制造方便，材料能充分利用，受力時(shí)應(yīng)力分布較均勻。小頭到桿身的過(guò)渡采用單圓弧過(guò)渡。其結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。 5.4.2、小頭尺寸 小頭的主要尺寸為小頭內(nèi)徑d1，小頭外徑d2 ,小頭寬度b1,襯套內(nèi)徑的d。 由于襯套內(nèi)徑d要和活塞銷相配合，所以其公稱直徑是28mm。 襯套的厚度一般是=（0.04～0.08）d。選=0.05d=2，即為2mm，所以小頭的內(nèi)徑d1為31mm。 小頭外徑d2的選取范圍一般是d2=（1.2～1.4）d1 ，取d2=1.37d1=41.5mm。 小頭寬度b1取決于活塞銷間隔B和銷座與連桿小頭的端面間隙。在確定小頭的寬度時(shí)候，應(yīng)使小頭與活塞銷座之間每側(cè)都留約1～2mm的間隙，用來(lái)彌補(bǔ)機(jī)體、曲軸、活塞和連桿等零件在軸向尺寸上可能出現(xiàn)的制造誤差和由于熱膨脹所引起的軸向相對(duì)位置的變化。應(yīng)該盡量使小頭具有足夠的承壓面積，以便使小頭孔與活塞銷之間相互壓緊的單位面積壓力不超過(guò)許用值。一般小頭寬度b1的范圍是b1=（0.9～1.2）d， 取b1=0.98d=35mm，這樣小頭寬度和銷座之間每側(cè)的間隙為1mm。 5.4.3、連桿襯套 為了減小活塞銷對(duì)連桿小頭的磨損，應(yīng)在小頭內(nèi)裝入襯套。 1、襯套的材料 襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，本設(shè)計(jì)采用鉛青銅，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度較高，耐磨性好，使用與熱負(fù)荷比較大的柴油機(jī)。 2、襯套與小頭孔的配合 襯套與連桿小頭孔為過(guò)盈配合，常用的配合為jd、je、jb3、jc3等。過(guò)盈太大會(huì)使材料屈服而松動(dòng)，太小會(huì)造成壓配松動(dòng)，使襯套與小頭孔可能會(huì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。小頭孔的直徑設(shè)計(jì)為mm，確定襯套與小頭孔的過(guò)盈量為0.033～0.06mm，則襯套外徑尺寸為mm。 襯套與活塞銷的配合間隙應(yīng)盡量小，以不發(fā)生咬合為原則。青銅襯套與活塞銷的配合間隙△大致在（0.0004～0.0015）d的范圍內(nèi)，即0.014～0.053mm，由于此設(shè)計(jì)選用全浮式活塞銷，故可使銷和襯套的間隙梢大，選用0.030～0.060mm，即襯套的內(nèi)徑為mm。 3、襯套的潤(rùn)滑 在小頭上方開機(jī)油孔，靠機(jī)體上的噴油嘴噴出的油冷卻活塞的同時(shí)，一部分油通過(guò)孔流入襯套，達(dá)到冷卻的效果。 5.5 連桿桿身的設(shè)計(jì) 連桿桿身在膨脹行程中承受作用在活塞上的氣體壓力的壓縮作用，在吸氣行程中承受往復(fù)慣性力的拉伸作用，當(dāng)連桿受壓時(shí)，有可能發(fā)生不穩(wěn)定彎曲，此外當(dāng)連桿作高速擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)還要承受本身的橫向慣性力的彎曲作用。實(shí)驗(yàn)證明，彎曲應(yīng)力實(shí)際上不大?？珊雎浴? 連桿桿身采用工字型截面，工字型截面的長(zhǎng)軸位于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi)。因?yàn)楣ぷ中徒孛鎸?duì)材料利用的最為合理，所以應(yīng)用的也很廣。 從鍛造工藝方面看，工字型截面兩臂過(guò)薄和圓角半徑過(guò)小都是不利的。因?yàn)檫@種連桿鍛造時(shí)變形比較大，就有可能產(chǎn)生鍛造裂紋的危險(xiǎn)，特別時(shí)在工字型截面兩臂邊緣上更易出現(xiàn)裂紋。此外，鍛造這種連桿時(shí)磨具磨損也較大。具有邊緣厚并倒圓的工字型截面時(shí)比較有利的。 工字型截面的長(zhǎng)軸y-y處于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi)，使桿身截面對(duì)垂直與連桿擺動(dòng)平面的x軸的慣性矩Jx大與對(duì)位于擺動(dòng)平面的y軸的慣性矩Jy，一般Jx=(2～3)Jy，這樣符合桿身實(shí)際受力情況，并有利于桿身向大、小頭過(guò)渡。 連桿桿身的最大應(yīng)力一般發(fā)生在桿身與大、小頭圓角過(guò)渡處，最大壓應(yīng)力發(fā)生在桿身中部。 考慮上面所述，綜合考慮，確定出下列尺寸： 連桿桿身橫截面的形狀如圖4-2所示。 其中截面寬B=20mm t=8mm 截面的高H=（1.2～1.8）B ，取H=1.65B=25mm 圖5—2 連桿桿身橫截面形狀 5.6 連桿大頭的設(shè)計(jì) 連桿大頭聯(lián)結(jié)連桿和曲軸，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，否則將影響薄壁軸瓦和連桿螺栓，甚至整機(jī)工作可靠性。為了便于維修，對(duì)于像本設(shè)計(jì)的高速柴油機(jī)，連桿必須能從氣缸中取出，故要求大頭在擺動(dòng)平面內(nèi)的總寬必須小于氣缸直徑，大頭的外型尺寸又決定了凸輪軸位置和曲軸箱形狀，大頭的重量產(chǎn)生的離心力會(huì)使連桿軸徑、主軸承負(fù)荷增大，摩擦加劇，有時(shí)還為此還不得不增大平衡重，給曲軸設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，因此在設(shè)計(jì)連桿大頭時(shí)，應(yīng)在保證強(qiáng)度、剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。合理確定大頭的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，就是大頭設(shè)計(jì)的任務(wù)。 大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定與曲柄銷直徑、長(zhǎng)度和連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。所謂的大頭設(shè)計(jì)，實(shí)際上是確定連桿大頭在擺動(dòng)平面內(nèi)某些主要尺寸，連桿大頭的剖分形式和定位方式以及大頭蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)大頭構(gòu)形的時(shí)候針對(duì)一些薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)注意以下問(wèn)題： 1、連桿蓋上要設(shè)置合適的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋到螺栓孔支承面處要圓滑過(guò)渡。 2、螺栓頭支承面和螺母支承面要圓弧過(guò)度，避免加工尖角，可采用鍛造圓角或圓弧沉割來(lái)減少應(yīng)力集中，但必須盡量提高圓弧沉割處的光潔度。 5.6.1、連桿大頭的剖分形式 采用平切口的剖分方式 5.6.2、連桿大頭的定位方式 平切口連桿當(dāng)承受慣性力拉伸時(shí)，沿連桿體與連桿蓋的結(jié)合面方向作用著很大的橫向力，使連桿螺栓承受剪切力。為此必須采用能承受較大剪切力的定位方式，才能保證工作可靠。 本設(shè)計(jì)采用的是螺栓定位。 5.6.3、連桿大頭的主要尺寸 1、大頭孔直徑 根據(jù)曲軸曲柄銷的設(shè)計(jì)尺寸為55mm，再考慮到軸瓦的尺寸，取D1=60mm 2、連桿螺栓孔中心線 中心線應(yīng)盡量靠近軸瓦，連桿螺栓孔中心距一般為=（1.2～1.3），取=1.28，即=71mm，螺紋外側(cè)邊后不小于2～4 mm。 圖5-3 連桿大頭的主要尺寸 5.7 連桿組的重量及慣性力 查表87mm缸徑的高速柴油機(jī)的連桿組重量M約為1500g 根據(jù)設(shè)計(jì)好的圖紙估算出連桿的質(zhì)心的位置C，C到小頭的距離是H=150mm。其尺寸如圖4-4所示。 圖5-4 連桿質(zhì)心的位置 則連桿小頭的換算質(zhì)量和大頭的換算質(zhì)量如下： 第六章 連桿的受力分析和強(qiáng)度校核 6.1連桿小頭 1. 最大過(guò)盈量 2. 工作溫度下過(guò)盈量的增加 3. 由襯套過(guò)盈配合及受熱膨脹產(chǎn)生的徑向均布?jí)毫? 4. 由p引起的小頭外表面的應(yīng)力