《內(nèi)燃機(jī)學(xué) 第5版》 課件 11.5 內(nèi)燃機(jī)主要零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)主要零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、活塞組

二、連桿、曲軸及軸承

三、機(jī)體與氣缸蓋

一、活塞組活塞組:包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷等，是活塞式內(nèi)燃機(jī)中重要組件。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1、功用與工作條件2、基本結(jié)構(gòu)和材料3、活塞的耐熱設(shè)計(jì)4、活塞和活塞銷的傳力設(shè)計(jì)5、活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)6、活塞與活塞環(huán)的密封設(shè)計(jì)（一）活塞的工作條件活塞頂要承受氣缸內(nèi)氣體壓力、溫度的作用。活塞組承受很高的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷；活塞頂所受的壓力傳給連桿和曲軸。銷座內(nèi)上側(cè)應(yīng)力集中；活塞環(huán)既要在盡可能小的摩擦損失下保證漏氣少，又要在很高的壓力、溫度下和極少的潤(rùn)滑油的條件下保證足夠的耐久性；活塞組還要承受連桿擺動(dòng)造成的側(cè)向力；活塞組運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。（二）基本結(jié)構(gòu)和材料中小功率高速內(nèi)燃機(jī)常用整體鑄造的鋁合金活塞（下圖），簡(jiǎn)單輕巧。汽油機(jī)活塞（b）由于機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷均較低，所以比柴油機(jī)活塞（a）更加輕巧。

圖11-2整體式鋁合金活塞a)柴油機(jī)活塞b)汽油機(jī)活塞為了使內(nèi)燃機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，減小整機(jī)高度和質(zhì)量，減小往復(fù)慣性力，活塞總高度H、特別是壓縮高度H1應(yīng)盡可能縮小。

尺寸比例汽油機(jī)柴油機(jī)H1／D0.35~0.600.50~0.80H／D0.60~1.000.90~1.40H2／D0.40~0.800.50~0.90h／D0.04~0.100.12~0.20d／D0.22~0.300.30~0.40表11-1活塞的主要尺寸比例（以缸徑D為基準(zhǔn)）制造活塞的材料應(yīng)有小的密度ρ、足夠的高溫強(qiáng)度б、高的熱導(dǎo)率λ、低的熱脹系數(shù)α以及良好的摩擦性能（減摩性和耐磨性）。材料共晶鋁硅合金過(guò)共晶鋁硅合金合金鑄鐵AlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNi含Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)×10011~1317~1923~261.8~2.1密度ρ/（kg·L-1）2.702.682.667.3工藝方法硬鑄鍛壓硬鑄鍛壓硬鑄砂鑄20℃時(shí)抗拉強(qiáng)度б20/（N·mm-2）200~250300~370180~220230~300170~210245~345250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度б250/（N·mm-2）100~150110~170100~140100~160100~140245~34520~250℃間熱導(dǎo)率λ20－250/（W·m-1·K-1）155~160160~165145~150157~163135~14033~4620~200℃間線脹系數(shù)α20－200/（10－6·K－1）21.021.419.920.319.311~12250℃時(shí)彈性模數(shù)E250／（N·mm－2）7250074000750007600081000108000~137000表11-2活塞材料的主要性能由燃?xì)鈧鹘o活塞的熱量大部分經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸再傳到冷卻介質(zhì)，一部分經(jīng)活塞內(nèi)壁傳給曲軸箱內(nèi)的油霧和空氣，小部分經(jīng)裙部傳給氣缸。汽油機(jī)活塞的熱負(fù)荷一般較小。柴油機(jī)由于燃燒過(guò)程的持續(xù)高溫高壓、強(qiáng)湍流、強(qiáng)輻射的特點(diǎn)，其熱負(fù)荷遠(yuǎn)高于汽油機(jī)。所以，活塞的耐熱設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)柴油機(jī)。（三）活塞的耐熱設(shè)計(jì)要盡可能減小活塞頂?shù)氖軣岜砻娣e，因此平頂活塞是最佳選擇。但直噴柴油機(jī)的活塞頂形狀復(fù)雜的燃燒室，使熱負(fù)荷加重。一般鋁合金活塞頂最高溫度不應(yīng)超過(guò)350℃。為了提高鋁活塞頂?shù)哪蜔嵝?，可采用?yáng)極氧化處理，生成硬質(zhì)氧化鋁薄膜。頂面噴涂ZrO2陶瓷層，也可提高活塞頂?shù)哪蜔嵝?。有些活塞開(kāi)始采用高合金奧氏體鑄鐵護(hù)圈或用Al2O3+SiO2纖維、SiC或Al2O3顆粒強(qiáng)化的鋁合金復(fù)合材料來(lái)強(qiáng)化環(huán)槽和燃燒室。（1）活塞頂

汽油機(jī)的活塞頭部斷面一般都在滿足強(qiáng)度條件下盡量薄，以求輕量化。柴油機(jī)鋁活塞頭部一般很厚實(shí)，以便熱的導(dǎo)出。從頂部到環(huán)帶有很大的過(guò)渡圓角R，可降低活塞頂?shù)臏囟群突钊^部的熱應(yīng)力。（2）活塞頭部斷面

活塞環(huán)對(duì)活塞頭部的散熱起很大作用，尤其第一道環(huán)的熱流量最大。所以，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)幕鹆Π陡叨萮（圖11-2a）。h增大可降低第一道活塞環(huán)溫度，但使活塞頂溫度提高，同時(shí)活塞高度增大。第一活塞環(huán)槽的溫度不應(yīng)超過(guò)240℃，否則潤(rùn)滑油可能結(jié)膠甚至碳化，使活塞環(huán)在環(huán)槽中失去活動(dòng)性，從而喪失其密封和傳熱功能。（3）火力岸高度

（4）強(qiáng)制冷卻

如果在噴油冷卻的活塞環(huán)帶鉆幾個(gè)盲孔，可使第一環(huán)槽的溫度下降20℃左右（圖11-3）。圖11-3活塞環(huán)帶鉆孔對(duì)噴油冷卻活塞溫度場(chǎng)的影響當(dāng)柴油機(jī)活塞功率PF＞0.2kw/時(shí)，需要向活塞內(nèi)壁噴油冷卻，一般通過(guò)固定在機(jī)體內(nèi)壁上的噴嘴噴機(jī)油。a)有4個(gè)φ4mm的鉆孔（D=110mm）b)無(wú)鉆孔圖11－4帶鹽芯鑄出油腔（左）與帶中空環(huán)槽鑲?cè)Γㄓ遥r(shí)活塞溫度場(chǎng)的比較如果活塞功率PF＞0.3kw/時(shí)，為保持正常的活塞工作溫度，需要在活塞上鑄出冷卻油腔（圖11-4左）。用油腔冷卻的活塞可使第一環(huán)槽溫度下降20~30℃。圖11-4右半部分表示的中空環(huán)槽圈，是在鑲?cè)Φ膬?nèi)側(cè)焊上由不銹鋼板滾軋成斷面呈［形的圓環(huán)制成的，它使第一環(huán)槽的溫度比一般油腔結(jié)構(gòu)下降25℃以上。由于結(jié)構(gòu)上的限制，活塞銷的直徑d不可能超過(guò)0.4D（表11-1），活塞銷的長(zhǎng)度不可能超過(guò)0.85D，因此活塞銷總的承壓面積極為有限。不論在銷與銷座之間，還是在銷與連桿之間，承壓面積都很小，表面比壓很高?；钊N與銷座或活塞銷與連桿襯套之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低，液體潤(rùn)滑油膜不易形成。在這種高壓低速條件下，要保證可靠的液體潤(rùn)滑，配合副的工作間隙要盡可能小。（四）活塞與活塞銷的傳力設(shè)計(jì)對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，如在銷座上側(cè)挖一個(gè)圓弧坑A（圖11-5b），并在銷孔內(nèi)側(cè)加工出長(zhǎng)3~4mm、錐角1°~2°的微錐度孔，再在邊緣上倒一個(gè)小圓角R，可使最大邊緣負(fù)荷減小40％左右。活塞與活塞銷工作時(shí)彎曲變形互不協(xié)調(diào)會(huì)在銷座孔內(nèi)上側(cè)引起嚴(yán)重的邊緣負(fù)荷（圖11-5a），可能造成銷孔永久變形甚至使銷座裂開(kāi)圖11-5活塞銷座邊緣負(fù)荷的減輕高增壓柴油機(jī)中，氣壓力負(fù)荷很大，活塞銷座孔上半部和連桿小頭襯套孔下半部的負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出相對(duì)的另一半部。這時(shí)，采用斜切的或階梯形的銷座，配上相應(yīng)斜切的或階梯形的連桿小頭，可充分利用活塞銷的有效承壓面積（圖11-6）。圖11-6用斜切的（左）或階梯形的（右）銷座減小承壓面上的比壓活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向作用由裙部完成。為保證良好的導(dǎo)向，裙部要有足夠的長(zhǎng)度H2（表11-1），且與氣缸的配合間隙小，以減輕活塞在連桿擺動(dòng)引起的側(cè)向力作用下從貼緊氣缸的一側(cè)到貼緊另一側(cè)時(shí)對(duì)氣缸的“拍擊”。活塞裙只在垂直活塞銷軸線的方向承受側(cè)向力，所以應(yīng)保證此方向與氣缸間隙盡可能小，而在銷軸線方向，間隙要大一些，以免活塞熱膨脹后卡死在氣缸中。因此，活塞裙部的橫斷面外形呈橢圓形。如何控制鋁活塞的膨脹，是至今仍未完滿解決的技術(shù)難題。目前應(yīng)用最廣的辦法是利用雙金屬片原理的自動(dòng)調(diào)節(jié)活塞（圖11-7以及圖11-2b）。

（五）活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)

在銷座外側(cè)的活塞內(nèi)壁鑄入膨脹系數(shù)比鋁合金小的低碳鋼片，利用雙金屬片效應(yīng)在溫度提高時(shí)產(chǎn)生的彎曲來(lái)減小活塞裙在垂直銷孔方向上的膨脹量。因這種彎曲量隨溫度的提高而增大，故稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)活塞。

圖11-7車用汽油機(jī)用自動(dòng)調(diào)節(jié)鑲鋼片活塞活塞與活塞環(huán)一起防止氣缸內(nèi)的高壓氣體下竄到曲軸箱，同時(shí)把很大一部分活塞頂接收的熱量傳給氣缸壁，起這種作用的活塞環(huán)稱為氣環(huán)。此外，還設(shè)置專門的油環(huán)，在活塞下行時(shí)把氣缸壁上多余的機(jī)油刮回油底殼，以減少上竄機(jī)油量。一般要求通過(guò)環(huán)組的竄氣量不超過(guò)總進(jìn)氣量的0.5%，機(jī)油消耗量不超過(guò)燃油消耗量的0.5%。（六）活塞與活塞環(huán)的密封設(shè)計(jì)由于活塞環(huán)開(kāi)口的存在，漏氣通路不可能完全消除。為了防止大量漏氣，一般采用多個(gè)活塞環(huán)形成迷宮式密封。為減小活塞組與氣缸之間的漏氣通路，活塞環(huán)的外周面必須以一定的彈力po與氣缸壁緊密貼合，形成第一密封面（圖11-8）。軸向不平衡力FA將環(huán)向環(huán)槽的側(cè)面壓緊，形成第二密封面。（1）活塞環(huán)密封機(jī)理

圖11-8作用在活塞環(huán)上的力及其密封面①斷面形狀:（2）氣環(huán)的設(shè)計(jì)

②尺寸參數(shù)：在保證密封的前提下，活塞環(huán)的數(shù)目應(yīng)盡可能少，以縮小活塞高度，減輕活塞質(zhì)量，減小發(fā)動(dòng)機(jī)總高度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失。

③材料

:活塞環(huán)一般是由合金鑄鐵鑄造，高強(qiáng)度環(huán)用球墨鑄鐵，經(jīng)熱處理以改善材料的熱穩(wěn)定性。少數(shù)活塞環(huán)用合金鋼制造。圖11-9常用的活塞環(huán)斷面形狀a)矩形環(huán)b)桶面環(huán)c)錐面環(huán)d)梯形環(huán)e)內(nèi)切正扭曲環(huán)f)錐面內(nèi)倒角反扭曲環(huán)為了能在高速運(yùn)動(dòng)中對(duì)抗機(jī)油的流體動(dòng)壓力刮下機(jī)油，只留下很薄的油膜，油環(huán)工作面的著壁壓力應(yīng)足夠大。

（3）油環(huán)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖11-10典型的油環(huán)結(jié)構(gòu)a)單體鑄鐵油環(huán)b)帶螺旋襯簧油環(huán)c)鋼片組合油環(huán)1、連桿組的設(shè)計(jì)

連桿組的組成：連桿體、連桿蓋和連桿螺栓。要保證有足夠的疲勞強(qiáng)度，要有足夠的剛度，用優(yōu)質(zhì)中碳鋼45鋼模煅，強(qiáng)化機(jī)型用40Cr等合金鋼。（1）連桿的設(shè)計(jì)要點(diǎn)連桿長(zhǎng)度、小頭和大頭直徑、寬度連桿長(zhǎng)度越短越好，連桿桿身多用工字形斷面。連桿小頭要有足夠的壁厚，特別注意小頭到桿身過(guò)渡的圓滑性。采用剖分式結(jié)構(gòu)。盡量采用平切口連桿。

二、連桿、曲軸及其軸承圖11-11高速內(nèi)燃機(jī)連桿結(jié)構(gòu)

a)平切口連桿b)~d)斜切口連桿大頭及其各種定位結(jié)構(gòu)（2）連桿螺栓的設(shè)計(jì)要點(diǎn)負(fù)荷重，同時(shí)要保證大頭尺寸緊湊，采用高強(qiáng)度中碳合金鋼。要盡量降低應(yīng)力集中。嚴(yán)格按規(guī)定的扭矩?cái)Q緊。2、曲軸的設(shè)計(jì)曲軸，價(jià)格最貴的重要零件，成本占整機(jī)成本的10%，足夠的疲勞強(qiáng)度是首要問(wèn)題。結(jié)構(gòu)型式：整體式和組合式。整體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易。支承型式：采用全支撐結(jié)構(gòu)，以提高曲軸的彎曲剛度和強(qiáng)度。關(guān)鍵尺寸：曲軸銷直徑和曲軸壁厚、軸頸到曲軸臂的過(guò)渡圓角。曲軸的材料：45煅鋼；強(qiáng)化機(jī)型：中碳合金鋼。曲軸的結(jié)構(gòu)組成：

圖11-12鑄造的整體四拐曲軸及其主要尺寸內(nèi)燃機(jī)類型曲柄銷主軸頸曲柄臂dcp/Dlcp/Ddcj/Dlcj/Dhcw/Dbcw/D汽油機(jī)單列式0.55~0.650.35~0.450.6~0.70.35~0.450.2~0.250.8~1.2V形（并列連桿）0.5~0.60.45~0.60.65~0.80.3~0.350.18~0.220.8~1.2單列式柴油機(jī)0.55~0.70.35~0.450.65~0.80.4~0.450.2~0.31.0~1.3表11-3曲軸的主要尺寸比例（以缸徑D為基準(zhǔn)參見(jiàn)上圖）3、軸承的設(shè)計(jì)足夠的疲勞強(qiáng)度，采用鋼背－減摩合金多層結(jié)構(gòu)。良好的減摩性能，包括抗咬合性、嵌藏性和順應(yīng)性。良好的耐蝕性。軸承合金種類：巴氏合金、銅基合金、鋁基合金。（1）滑動(dòng)軸承材料（2）軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸瓦厚度：輕系列，1.5~3mm，重系列，2.5~4mm軸瓦的自由彈勢(shì)和過(guò)盈度軸瓦的定位：定位槽主軸瓦的潤(rùn)滑油孔和油槽軸承間隙：在保證機(jī)油溫度不超標(biāo)和最小油膜厚度滿足要求的情況下，盡可能減少軸承間隙。（一）機(jī)體1．機(jī)體的工作條件與設(shè)計(jì)要求承受復(fù)雜的負(fù)荷；保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度；減輕質(zhì)量，改善鑄造和加工工藝性。

三、機(jī)體與氣缸蓋2．機(jī)體的結(jié)構(gòu)型式（1）平分式機(jī)體：適用于轎車用汽油機(jī)和輕型車用柴油機(jī)；機(jī)體剛度好。（2）龍門式機(jī)體：用于大功率或高強(qiáng)化汽油機(jī)或柴油機(jī)；