柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目錄

前言...............................................2

第一章柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)方案..........................4

§1.1高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)的要求..............................4

§1.2柴油機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)容..................................4

§1.2.1高速柴油機(jī)用途的確定......................4

§1.2.2柴油機(jī)類型的確定...........................5

§1.2.3柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定...................6

第二章主要零部件設(shè)計(jì)及計(jì)算.......................11

§2.1連桿組的設(shè)計(jì)......................................II

§2.1.1連桿的工作情況...............................11

§2.1.2在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的地方........................11

§2.1.3連桿的材料...................................11

§2.1.4連桿長度的確定...............................12

§2.1.5連桿小頭的設(shè)計(jì)...............................12

§2.1.6連桿桿身的設(shè)計(jì)...............................13

§2.1.7連桿大頭的設(shè)計(jì)...............................14

§2.2活塞組的設(shè)計(jì)......................................16

§2.2.1活塞..........................................16

§2.2.2活塞環(huán).......................................22

§2.2.3活塞銷.......................................23

第三章連桿強(qiáng)度校核...............................24

§3.1連桿小頭計(jì)算.....................................24

§3.2連桿桿身的強(qiáng)度計(jì)算..............................25

§3.3連桿人頭蓋的計(jì)算...............................26

第四章結(jié)論.......................................27

參考文獻(xiàn)............................................28

致謝...............................................29

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375柴油機(jī)是我國三缸柴油機(jī)系列中的主要產(chǎn)品，是我國經(jīng)濟(jì)體制改革

不斷深入，農(nóng)村生產(chǎn)飛速發(fā)展的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的375柴油機(jī)母型是六十年代后

期開發(fā)的產(chǎn)品，笨重而且燃油高、經(jīng)濟(jì)動力性能差，為此作者在國內(nèi)的現(xiàn)有

生產(chǎn)條件下，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)理念與生產(chǎn)技術(shù)，在原有機(jī)型的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

375柴油機(jī)，該375柴油機(jī)是三缸，自然吸氣，直列四沖程，水冷直噴，高

速柴油機(jī)，在提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)、動力性能的同時降低有害物的排放，同時

仍然保持原機(jī)可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、使用維修方便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用

于農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)、拖拉機(jī)、小型機(jī)械，這些優(yōu)點(diǎn)使其更好的融入農(nóng)村生產(chǎn)，備

受購買力相對較弱的農(nóng)民群體的歡迎，因此該產(chǎn)品的開發(fā)擁有很廣闊的市場。

國家的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，國家對柴油機(jī)的微粒排放的關(guān)注度也日益提

高，原來375柴油機(jī)存在的微粒和煙度的排放較高，針對這方面的缺點(diǎn)開發(fā)

水冷直噴的燃燒室，其良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)簡單、起動容易優(yōu)點(diǎn)，不僅

能夠有效的降低微粒和煙度的排放，而且能夠降低油耗，從而滿足現(xiàn)代的節(jié)

能減排的新觀念，該優(yōu)點(diǎn)亦符合農(nóng)村購買標(biāo)準(zhǔn)之一。

375柴油機(jī)一般用于農(nóng)用運(yùn)輸和動力，國內(nèi)農(nóng)用機(jī)械配套動力要求動力

充足可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好，柴油機(jī)以其低速扭矩大、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高等

優(yōu)點(diǎn)占據(jù)主流，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大背景下，原來柴油機(jī)笨重，油耗高，功率

低等已不能夠滿足新時代的要求，為了適應(yīng)國內(nèi)農(nóng)用機(jī)械功率增長的需要，

在原來的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的375柴油機(jī)，該發(fā)動機(jī)在排量、功率、動力性能

等都有一定的增加，并且節(jié)省材料。該柴油機(jī)可以配套拖拉機(jī)、農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)、

排灌機(jī)械、收割機(jī)等農(nóng)用機(jī)械，也可以和空壓機(jī)、礦石機(jī)械翻斗機(jī)、小型發(fā)

電機(jī)組等。

475柴油機(jī)是四缸機(jī)，活塞行程為90mm,標(biāo)定功率為24KW；某些企業(yè)

的渦流475柴油機(jī)普遍存在油耗高、排氣溫度高等問題，若能把475型柴油

機(jī)的渦流燃燒系統(tǒng)造成直噴式燃燒系統(tǒng)，能夠使油耗大幅度降低、煙度排放

少，特別嚴(yán)格的排放法規(guī)的實(shí)施，迫使人們在保持原有研究成果的同時，換

一個角度去探索各種燃燒室及其供油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)匹配的問題，475柴油

機(jī)采用螺旋進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)，促進(jìn)空氣和燃油的混合；采用啞鈴型的燃燒室，

增大轉(zhuǎn)動慣量提高渦流強(qiáng)度，形成很好的進(jìn)氣渦流改善煙度排放，大幅度降

低低速時的煙度排放；供油提前角的范圍廣，并且最佳供油提前角減少，因

而降低噪音、振動和良好的低速轉(zhuǎn)矩特性；為了適應(yīng)475型柴油機(jī)直噴化的

需要，選用BQ泵。475柴油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重量輕、使用維修方便、

可靠性能強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，廣泛的應(yīng)用于農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)、輕卡、拖拉機(jī)小型工程

機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等作為動力。

柴油機(jī)作為各種機(jī)械的動力裝置，活塞是其主要的配件之一，由于它在

氣缸內(nèi)以高速作勻速往復(fù)運(yùn)動，且在高溫、高壓和液體潤滑困難等條件下工

作，所以是一種容易磨損的配件。發(fā)動機(jī)性能的優(yōu)劣很大程度決定于生產(chǎn)工

藝和加工水平，工藝設(shè)計(jì)水平越高，機(jī)械加工能力越強(qiáng)，發(fā)動機(jī)性能越好。

所以活塞的工藝設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)性能有至關(guān)重要的影響。目前，在中小型柴油

機(jī)方面開展的研究工作大都放在減少廢氣排放，因此出現(xiàn)深盆頂活塞的應(yīng)用，

這是專為改善燃燒狀況減少碳?xì)浠衔锒O(shè)計(jì)的。近十年來，開發(fā)能滿足Pz

高達(dá)25Mpa的活塞的要求越來越迫切。與球鐵相比，鍛鋼具有更高的機(jī)械強(qiáng)

度和延伸率，只有選材和工藝處理適當(dāng)，即能保證活塞工作安全可靠，由此

產(chǎn)生了可以承受更高Pz的鍛鋼整體活塞和鋼頂鋼裙組合活塞，整體鍛鋼活塞

適用于較小缸徑柴油機(jī)。

連桿是發(fā)動機(jī)中傳動力的重要零件，它把活塞上的往復(fù)慣性力傳遞給曲

軸以輸出功率，連桿在工作過程中主要承受裝配載荷和交變載荷的作用，工

作較苛刻。環(huán)保節(jié)能是現(xiàn)代汽車的發(fā)展方向，因此對發(fā)動機(jī)連桿的要求是:

不僅要有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且要尺寸小、重量輕，為實(shí)現(xiàn)這一要求，現(xiàn)

代汽車發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計(jì)開發(fā)必須采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及技術(shù)。針對柴油機(jī)連

桿小頭斷裂的問題，在進(jìn)行連桿設(shè)計(jì)中通過對不同的連桿小頭壁厚和連桿小

頭的過渡圓角進(jìn)行有限元分析，選擇合適的過渡圓角和小頭壁厚以達(dá)到設(shè)計(jì)

要求，而連桿大頭采用“工”字形結(jié)構(gòu)時，其安全系數(shù)比連桿大頭采用圓形

結(jié)構(gòu)提高40%以上，其重量也比圓形結(jié)構(gòu)輕?！肮ぁ弊中谓Y(jié)構(gòu)還能很好的控

制大頭孔的變形，而連桿大頭與支撐面采用半圓弧的安全系數(shù)有很大的提高。

第一章柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

§1.1高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)的要求

高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列基本要求：

1、最佳的使用性能包括最佳的動力性能、最小的外形尺寸、最輕的總

質(zhì)量，能滿足各種特定用途對發(fā)動機(jī)性能的要求。

2、最佳的經(jīng)濟(jì)性能主要可以概括為下列三方面：

(1)最佳的使用經(jīng)濟(jì)性包括完善的工作過程，特別是組織良好的燃燒

過程，以降低燃油消耗；精心設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng)，在保證發(fā)動機(jī)獲得良

好潤滑的前提下降低潤滑油消耗量；具有良好的裝拆工藝性，易于

裝拆、維修，減少維修費(fèi)用的支出。

(2)最佳的制造經(jīng)濟(jì)性包括優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整機(jī)及零部件具有良好的加

工工藝性；選用價廉適用的制造材料；選用優(yōu)質(zhì)、價廉的零配件；

降低不必要的加工精度。

(3)最好的可靠性和最長的使用壽命這是發(fā)動機(jī)成功的重要標(biāo)志。首

先在結(jié)構(gòu)上要保證發(fā)動機(jī)具有良好的剛度，在各種工況下工作時，

各零部件不允許發(fā)生不正常的變形和振動。發(fā)動機(jī)的各易磨損件要

有必要的壽命,所有摩擦副布設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮減摩措施和材料的配對

等。

3、最佳的環(huán)保性能目的在于減少有害物質(zhì)的排放。日益嚴(yán)格的環(huán)保法

規(guī)對柴油機(jī)的廢氣排放提出了更高的要求。因此在設(shè)計(jì)階段，在燃燒

過程的組織、排放后處理等方面，應(yīng)考慮采取相應(yīng)的措施⑴。

§1.2柴油機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

§1.2.1高速柴油機(jī)用途的確定

發(fā)動機(jī)的具體用途是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，不針對具體用途無法設(shè)計(jì)一臺優(yōu)

秀的發(fā)動機(jī)。對高速柴油機(jī)而言，產(chǎn)量最大的配套是各種車輛，其它依次為

拖拉機(jī)和各種農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等。各種用途對發(fā)動機(jī)的要求不同。若要

設(shè)計(jì)成功一臺理想的發(fā)動機(jī)，針對其具體用途進(jìn)行設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。木次

設(shè)計(jì)的375柴油機(jī)是針對拖拉機(jī)和農(nóng)用汽車進(jìn)行配套設(shè)計(jì)的，同時它也可以

用于其它領(lǐng)域⑴。

§1.2.2柴油機(jī)類型的確定

1、四沖程及兩沖程目前我國使用的機(jī)型均為四沖程，國外絕大部分機(jī)

型也是四沖程。四沖程柴油機(jī)四個行程完成一個乍循環(huán)，在相同的

活塞排量和轉(zhuǎn)速下，非增壓時功率比二沖程柴油機(jī)低，但易于組織增

壓，增壓比比較高。在轉(zhuǎn)速不變的情況下通過增壓可較大幅度的提高

發(fā)動機(jī)的功率?；钊M熱負(fù)荷低，工作過程易于組織，動力性和燃油

經(jīng)濟(jì)性好，燃油消耗率低，機(jī)油消耗率低，且低速性能好，可以有較

大的扭矩儲備，可以在較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好經(jīng)濟(jì)性能。燃油

噴射系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較低，便于設(shè)計(jì)制造，且壽命較長，可靠性好。因此，

我們選擇的機(jī)型為四沖程柴油機(jī)。

2、冷卻方式目前世界各國生產(chǎn)的機(jī)型仍以水冷為主。中、小型有風(fēng)冷

品種，但品種不多。簽于風(fēng)冷機(jī)型在制造上要求較高、難度較大，大

批量生產(chǎn)和銷售均有難度，此次設(shè)計(jì)為水冷方式。水冷冷卻較均勻，

熱負(fù)荷低，充氣效率、平均有效壓力及升功率高，氣缸冷卻效率高，

且較均勻，活塞與缸套間隙較小，這些都有利于柴油機(jī)的進(jìn)一步強(qiáng)化

和降低廢氣排放.

3、氣缸布置氣缸布置形式有直列立式，臥式；斜置；V型。其所以有

各種氣缸布置形式，是基于配套機(jī)型總體右置的要求，或有利于平衡、

散熱等。V型布置則主要為了縮短6缸以上多缸機(jī)的長度，以利于發(fā)

動機(jī)與各種機(jī)型更完善的匹配。此次設(shè)計(jì)為三缸，小缸徑柴油機(jī)，故

采用直列立式氣缸布置。

4、進(jìn)氣系統(tǒng)是否增壓采用增壓可改善排放.增大功率，降低燃油消耗

等，特別在改善排放方面，增壓及增壓中冷具有決定性的作用。但由

于技術(shù)和成木的原因，此次設(shè)計(jì)暫旦不用增壓系統(tǒng)。

5、氣門數(shù)常規(guī)高速柴油機(jī)多為二氣門，而實(shí)踐證明，多氣門對高速柴

油機(jī)工作過程，特別是進(jìn)氣和燃燒的改善有很好的作用，但其鑄造要

求高，成本高，在口前排放指標(biāo)不是很高的情況下我們?nèi)圆捎枚忾T。

6、燃燒室類型燃燒室類型對于高速柴油機(jī)的燃燒過程和性能的影響很

大，直接體現(xiàn)在燃油消耗率上。由于直噴式燃燒系統(tǒng)動力性好，燃油、

機(jī)油消耗率低、啟動性能好，以及壽命長等特點(diǎn)，它比分開式燃燒室

燃油消耗率低5%—10%左右。在節(jié)約能源上有巨大優(yōu)勢，所以此次設(shè)

計(jì)采用直噴式，燃燒室形狀為3型。

7、凸輪軸側(cè)置與頂置側(cè)置凸輪軸是現(xiàn)代高速柴油機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模

式，被廣泛采用。此次設(shè)計(jì)為側(cè)置式，用齒輪傳動⑴。

§1.2.3柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

高速柴油機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有如下眾所周知的關(guān)系

(1-1)

30000r

式中,Pe為有效功率（kw）；Pme為平均有效壓力（kpa）；n為轉(zhuǎn)速（r/min）；

i為氣缸數(shù)；Vs為每缸活塞排量（I）；T為沖程數(shù)⑵。

對上述參數(shù)的正確選擇是設(shè)計(jì)一臺優(yōu)秀發(fā)動機(jī)的前提。

1、有效功率的確定

在確定高速柴油機(jī)有效功率（kw）時，必須考慮另一與功率有密切聯(lián)系

的扭矩值（N-m）及其儲備，功率與扭矩均隨發(fā)動機(jī)的用途而異。

對于車用高速柴油機(jī)而言，其功率視乍輛的用途、車輛的總質(zhì)量而定。

我國載貨車與功率的匹配,一般遵循下列關(guān)系：

輕型載貨車為12~15kw/t；

中型載貨車為10?12kw/t；

重型載貨車為6-10kw/t；

教貨車的扭矩儲備要求略低，但亦應(yīng)達(dá)到10%以上。

拖拉機(jī)用發(fā)動機(jī)的功率由牽引力而定，一般每噸的牽引力配用18?

20kw,扭矩儲備率要求高于汽車，一般在15%及以上。工程機(jī)械的配套動力

亦隨其工作能力的大小而定，如又車，3噸配備功率30?35kw：5噸則為40?

45kw……扭矩儲備要求很高，一般為20%?30%以上，有些機(jī)型要求高達(dá)

40%?50%⑴。

2、轉(zhuǎn)速的選定

發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨其配套對象而異。目前我國輕型車用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為

3200r/min左右，少數(shù)機(jī)型達(dá)3600r/min；中型車用柴油機(jī)約為2500?

2800r/min；低速農(nóng)用車柴油機(jī)約為2400?2800r/min；重型車用柴油機(jī)約為

2000?230()i7min"L

375柴油機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)為低速農(nóng)用車柴油機(jī)，所以轉(zhuǎn)速取3400r/mino

3、氣缸數(shù)的確定

氣缸數(shù)是柴油機(jī)的重要參數(shù)之一，按給定功率和轉(zhuǎn)速來選擇氣缸數(shù)時，

考慮以下因素：

(1)選用合適的氣缸數(shù)目可獲得較小的單缸功率，使柴油機(jī)輸出的扭矩

均勻，平衡性和啟動性能較好。

(2)選用合適的氣缸數(shù)目，其氣缸直徑和行程均較小，柴油機(jī)體積可以

縮小，重量可減輕。

(3)選用較多的氣缸數(shù)后，零件數(shù)量和制造工時增加，成本增高。

(4)選擇氣缸數(shù)目，還需考慮柴油機(jī)配套所提出的外形尺寸和重量要求，

以及系列柴油機(jī)的功率范圍等因素。

考慮以.上綜合因素，我們選取氣缸數(shù)為：3o

4、活塞平均速度的確定

活塞平均速度是表征柴油機(jī)高速性和強(qiáng)化程度的一項(xiàng)主要指標(biāo)，對柴油

機(jī)總體設(shè)計(jì)和主要零件結(jié)構(gòu)型式影響甚大。

活塞的平均速度計(jì)算公式：

Cm=Sn/30(1-2)

其中，S為活塞行程；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速⑵。

在功率給定以后，可以算出平均有效壓力?；钊谐毯透讛?shù)維持不變，

提高活塞平均速度可使氣缸直徑減小。柴油機(jī)體積小、重量輕。但提高活塞

平均速度受到下列因素限制：

(1)提高活塞平均速度后，使運(yùn)動件的慣性力增大，柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷

增大。

(2)提高活塞平均速度使柴油機(jī)零件的磨損加快，縮短了柴油機(jī)大修期。

(3)活塞平均速度的提高，使摩擦功率損失迅速增加，機(jī)械效率降低，

燃油消耗率升高。

(4)進(jìn)、排氣阻力隨活塞平均速度的提高而增加，使充氣效率降低。

(5)隨著活塞平均速度的提高，柴油機(jī)的平衡。震動和噪聲等問題突出

出來，一般柴油機(jī)的噪聲強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

因此，選擇活塞平均速度應(yīng)綜合各方面的因素，不能一味的提高。一般

活塞平均速度為：6.5?12m/s。本機(jī)的活塞平均速度為：8.49m/so

5、平均有效壓力的確定

平均有效壓力是表征柴油機(jī)強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，可由下式求得：

P=225rNt.HnVh(1-3)

=(1-4)

提高沖氣系數(shù)，改善工作過程，減少機(jī)械損失和熱損失，是提高非增壓

柴油機(jī)Pe值的主要措施，但非增壓柴油機(jī)的Pe值的提高是有限的。促使Pe

值增長的原因，一方面是提高單機(jī)功率的迫切需要，另一方面是因?yàn)镻e值的

增加，對柴油機(jī)噪聲和壽命的影響比提高活塞平均速度的影響要小的多。

提高Pe值可使功率增加，比重量下降。然而機(jī)械效率和熱負(fù)荷也隨之提

高，影響柴油機(jī)的可靠性和壽命。同時，對排氣的有害成分、噪聲、振動等

都有不利影響。車用柴油機(jī)的一般范圍為6.5?10.5Mpa本機(jī)平均有效壓力為

7.16o

較大幅度的提高平均有效壓力后，要注意零件的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力過高

的問題，一般措施是：采用強(qiáng)制冷卻活塞、組合式活塞來加強(qiáng)氣缸蓋和氣缸

套的冷卻，降低壓縮比以及增強(qiáng)零件的剛度和強(qiáng)度等⑶。

6、氣缸直徑的確定

柴油機(jī)功率與氣缸直徑的平方成正比。選用較大的缸徑是提高功率的一

個措施。但缸徑增大后柴油機(jī)外形尺寸與比重量相應(yīng)增大。而氣缸直徑與缸

數(shù)和轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。同樣的功率下，缸數(shù)越多，缸徑可縮小，轉(zhuǎn)速可

提高⑴。

考慮到此發(fā)動機(jī)為農(nóng)用運(yùn)輸車，缸徑為80?100,我們所選擇的缸徑為

75。

7、行程及其與缸徑的比值S/D

自然吸氣柴油機(jī)的升功率：

NJ=8.33〃《x10'3(WL)(1-5)

它正比與Pe和n,由于提高活塞的平均速度需要較短的行程和較小的

S/Do使用較小的活塞行程，有可能得到緊湊的外形和采用較短尺寸，獲得

較大的體積功率的較好的比重量。自然吸氣條件下Pe的提高有限，升功率很

難輕易突破，因此提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速成為提高升功率的主要途徑。采用不大的

S/D,可以獲得較大的進(jìn)排氣門面積與氣缸容積之比，使進(jìn)排氣流速，既氣

門口馬赫數(shù)處于較低水平，以改善充氣效率。同時有利于增加曲柄銷與主軸

頸的重疊度，改善曲軸強(qiáng)度或縮小軸頸直徑。因應(yīng)S/D的選擇應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)

的具體要求⑶。375柴油機(jī)選擇S/D為將有利于降低柴油機(jī)的振動和

噪聲。

8＞氣缸中心距

氣缸中心距是柴油機(jī)設(shè)計(jì)中對整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、緊湊性、重量和配套適應(yīng)

性最具影響的幾何尺寸。

決定氣缸中心距合理性主要是下列三大因素，并在此基礎(chǔ)上可能共同達(dá)

到的最小值。

(1)足以保證燃?xì)饪煽棵芊獾臍飧咨w總截面積和分布均勻性。

(2)足夠的1111軸疲勞強(qiáng)度的軸承承載能力。

(3)有必要的水流空間，使缸套上部、缸蓋底部和排氣道獲得充分的冷

卻。

此外還應(yīng)注意機(jī)體的氣缸體部分有必要的空間容納足夠截面積的壁和

筋，以保證氣缸套支承面擠壓應(yīng)力處于可靠限度內(nèi)。

所以氣缸中心距是決定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整機(jī)緊湊性的綜合因素，而兩者又是

矛盾的。只要將所有各項(xiàng)尺寸參數(shù)與氣缸中心距建立一系列經(jīng)驗(yàn)公式，從中

便可以獲得合理的中心距尺寸和其它相關(guān)尺寸。

用氣缸中心距來表征能實(shí)現(xiàn)的單缸功率，實(shí)質(zhì)上是該氣缸中心距在保證

充分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性的前提下所能包容的氣缸直徑。

7.854x10”。,，(16)

2

30rrrRx

其中：Pe為平均有效壓力(kPa),Cm為活塞平均速度(m/s),D為缸

徑(mm),T為沖程數(shù)，Rs=L/D,L為氣缸中心距(mm)。

對非增壓柴油機(jī)：

C=(10.3?11.0)XI0-4(1-7)

可以由以上式子估算氣缸中心距，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，能夠在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充分

保證的前提下，形成所需的氣缸排量和獲得所算得的功率水平⑵3］。

此次設(shè)計(jì)氣缸中心距為:L=l()0mm。

第二章主要零部件設(shè)計(jì)及計(jì)算

§2.1連桿組的設(shè)計(jì)

§2.1.1連桿的工作情況

連桿組的功用是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)動變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，與連桿大頭一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，連桿桿身作復(fù)雜的

平面運(yùn)動。

連桿主要承受以下載荷：

1、由連桿力Per引起的拉壓疲勞載荷。

式中Pg一一氣體作用力；Pj一一活塞連桿組的往復(fù)慣性力；

B——連桿擺角（：

2、在連桿擺動平面內(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，承后面對連桿軸線不對稱等引

起的附加彎曲載荷。

§2.1.2在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的地方

根據(jù)以上分析可知，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。因此，在設(shè)計(jì)時應(yīng)首先保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度。如

果強(qiáng)度不足，就會發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋和桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故。

§2.1.3連桿的材料

375的連桿材料為40Cr中碳鋼。在機(jī)械加工前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，可以得到較

好的機(jī)械性能。碳鋼的優(yōu)點(diǎn)是成本低，對應(yīng)力集中不敏感，所以模鍛后配合

表面就不需再經(jīng)過加工。但鍛造毛刺要磨光，磨削方向應(yīng)沿連桿桿身的縱向，

因?yàn)闄M向磨痕可能引起連桿桿身斷裂的危險，一般采用噴丸處理來消除連桿

內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力和提高連桿強(qiáng)度“8。91。

§2.1.4連桿長度的確定

連桿長度是設(shè)計(jì)時應(yīng)慎重選擇的一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，它一般用連桿比來表示，

即％=連桿長度越短，即入越大，可降低發(fā)動機(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)動機(jī)的高轉(zhuǎn)速。但義的增大使二級往愛慣性

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)動機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，最合適的連桿長度應(yīng)該是，在保證連桿及

相關(guān)機(jī)件在運(yùn)動時不與其他機(jī)件相碰的情況下，選取最小的連桿長度。

對于缸徑120mm的高速柴油機(jī)來說，義值一般在0.25?0.30之間，

又考慮到柴油機(jī)其他零件的設(shè)計(jì)，所以取連桿長度為156mm，即入值為0.256,

在此范圍內(nèi)，是可取的。

§2.1.5連桿小頭的設(shè)計(jì)

一、小頭結(jié)構(gòu)形式

小頭采用薄壁圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，它的形狀簡單，制造方便，材料能充分利用，

受力時應(yīng)力分布較均勻。小頭到桿身的過渡采用單圓弧過渡。其結(jié)構(gòu)如圖2-1

所示。

二、小頭尺寸

小頭的主要尺寸為小頭內(nèi)徑小，小頭外徑d2,小頭寬度bl,襯套內(nèi)徑的do

由于襯套內(nèi)徑d要和活塞銷相配合，所以其公稱直徑是27mmo

襯套的厚度^一般是(0.04?0.08)d。選八0.09d=2.5,即為2.5mm,

所以小頭的內(nèi)徑di為32mm。

小頭外徑ch的選取范圍一般是d2=(1.2?1.4)di,取d2=1.31di=42mm。

小頭寬度bi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許用值。

一般小頭寬度bi的范圍是bi=(0.9?1.2)d,取bi=l.lld=30mm,這樣小頭

寬度和銷座之間每側(cè)的間隙為2mmo

三、連桿襯套

為了減小活塞銷對連桿小頭的磨損，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，使用于熱負(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盈配合，常用的配合為jd、je、jb3、jC3等。過盈

太大會使材料屈服而松動，太小會造成壓配松動，使襯套與小頭孔可能會相

對轉(zhuǎn)動。小頭孔的直徑設(shè)計(jì)為。32rsmm,確定襯套與小頭孔的過盈量為

0.033?0.06mm,則襯套外徑尺寸為。32嗯2mm。

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，故可便銷和襯套的間隙梢大，選

用0.030?0.060mm,即襯套的內(nèi)徑為。27篇;5mm。

3、襯套的潤滑

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，一部

分油通過孔流入襯套，達(dá)到冷卻的效果。在小頭和襯套上都開有集油孔和集

油槽，用來收集和積存飛濺的潤滑油“2】

§2.1.6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)連桿受區(qū)時，有可能發(fā)生不穩(wěn)定彎

曲，此外當(dāng)連桿作高速擺動運(yùn)動時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?。

連桿桿身采用工字型截面，工字型截面的長軸位于連桿的擺動平面內(nèi)。

因?yàn)楣ぷ中徒孛鎸Σ牧侠玫淖顬楹侠恚詰?yīng)用的也很廣。

從鍛造工藝方面看，工字型截面兩臂過薄和圓角半徑過小都是不利的。

因?yàn)檫@種連桿鍛造時變形比較大，就有可能產(chǎn)生鍛造裂紋的危險，特別時在

工字型截面兩臂邊緣上更易出現(xiàn)裂紋。此外，鍛造這種連桿時模具磨損也較

大。具有邊緣厚并倒圓的工字型截面是比較有利的。

工字型截面的長軸y-y處于連桿的擺動平面內(nèi)，使桿身截面對垂直與連

桿擺動平面的x軸的慣性矩Jx大與對位于擺動平面的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2-2所示。

其中截面寬B=20mmt=5mm

截面的高11=(1.5-1.8)B,取II=1.4B=28inm

圖2—2連桿桿身橫截面形狀

§2.1.7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)生的離心力會使連桿軸徑、主軸承負(fù)荷增大，摩擦加劇，有時還為此

還不得不增大平衡重，給曲軸設(shè)計(jì)帶來困難，因此在設(shè)計(jì)連桿大頭時.，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)形的時候針對一些薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)注意以下問題：

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渡。

2、螺栓頭支承面和螺母支承面要圓弧過度，避免加工尖角，可采用鍛造

圓角或圓弧沉割來減少應(yīng)力集中，但必須盡量提高圓弧沉割處的光潔

度。

3、斜切口連桿長叉口一側(cè)變形較大，除了采用大圓弧過渡外，還可以用

單筋和桿身連接，以提高大頭剛度。

一、連桿大頭的剖分形式

采用斜切口的剖分方式，切口角為45度。這樣的剖分形式的優(yōu)點(diǎn)是滿足

連桿組能從氣缸裝拆的條件下，可增大曲柄銷直徑，有利于提高曲軸的剛度

和連桿軸承的工作能力。，也就是說它在解決曲柄銷直徑和從氣缸中抽出連桿

之間的矛盾。

二、連桿大頭的定位方式

斜切口連桿當(dāng)承受慣性力拉伸時，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)采用的是舌槽定位。連桿體和蓋上均有一舌和一槽，他們是有同

一把拉刀（帶一舌一槽）加工成的，所以體與蓋上舌槽間的距離精度較高，

定位可靠，尺寸緊湊。

當(dāng)然它有不好的地方，就是其拆裝不便，且只有在采用拉刀加工時才能

保證較高的定位精度，還有舌槽要注意減少應(yīng)力集中。這樣的定位方式常用

在車用柴油機(jī)的斜切口的連桿上。其優(yōu)點(diǎn)是提高了結(jié)合處的剛度，縮小了連

桿螺栓之間的距離，減小了螺栓尺寸。

三、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48mm，再考慮到軸瓦的尺寸，取Di=53mm

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/產(chǎn)（1.2?1.3）A，

取/1=1.34即4=71mm,螺紋外側(cè)邊后不小于2?4mln。

圖2-3連桿大頭的主要尺寸

§2.2活塞組的設(shè)計(jì)

活塞組主要用來與氣缸、氣缸蓋相配合形成一個容積變化的密閉空間，

在這里完成內(nèi)燃機(jī)的工作過程；同時活塞組也承受燃?xì)鈮毫Γ阉鼈鹘o連

桿、曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而對外輸出扭矩，

以驅(qū)動汽車車輪轉(zhuǎn)動.它由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等機(jī)件組成。

§2.2.1活塞

活塞的主要作用是承受氣缸中的氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連

桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊敳窟€有氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。

由干活塞頂部有接與高溫燃?xì)庵芷诩佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2500K

以上，因此活塞的溫度也很高，例如活塞頂部的溫度可高達(dá)600?700K⑺。

高溫一方面使活塞的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，另一方面使活塞材料的熱膨脹量增

大，容易破壞活塞與其相關(guān)零件的配合。

活塞頂部在做功行程時，承受著燃?xì)獾膸_擊性的高壓力。對于汽油機(jī)

活塞，瞬時的壓力最大值可達(dá)3?6MPa。對于柴油機(jī)活塞，其最大值可達(dá)6?

9MPa,采用增壓時最大值可達(dá)13?15MPa。高壓導(dǎo)致活塞的側(cè)壓力大，加速

活塞外表面的磨損，也容易引起活塞的變形⑺。

活塞在氣缸中作變速運(yùn)動，其平均速度9.07m/s。這樣的高速可產(chǎn)生很大

的慣性力，它將使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各零件和軸承承受附加的載荷。

活塞承受的氣壓力和慣性力是周期性變化的，因此活塞的不同部分會受

到交變的拉伸、壓縮和彎曲載荷；并且由于活塞各部分的溫度極不均勻，活

塞內(nèi)部將產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。

從活塞的工作條件可看出，為保證發(fā)動機(jī)的良好運(yùn)行特性，對活塞合金

材料性能有如下要求：密度小、熱膨脹系數(shù)小、好的耐磨性、好的力學(xué)性能、

好的熱傳導(dǎo)性及好的加工性能。為此，汽車發(fā)動機(jī)目前采用的活塞材料是鋁

合金，在個別汽車柴油機(jī)上的活塞采用高級鑄鐵或耐熱鋼鑄造。

根據(jù)以上要求，我們選擇共晶鋁硅合金66-1作為375的活塞的材料。

它除了具有鋁合金的共同優(yōu)點(diǎn)（密度小、導(dǎo)熱性好、與鑄鐵氣缸的匹配

性好）之外，由于硅的存在，使材料的耐磨、耐蝕性，硬度、剛度和疲勞強(qiáng)

度提高；鑄造流動性改善。

鋁的密度約為鑄鐵的1/3,這樣采用鋁作為活塞用合金的基本材料，在

活塞往復(fù)運(yùn)動時可使慣性力盡可能小。同時活塞用鋁合金的導(dǎo)熱性約為鑄鐵

的3倍，這樣高的導(dǎo)熱能立刻將高熱負(fù)荷區(qū)的熱量很快傳給冷卻油及氣缸和

曲柄連桿等，因此使得熔點(diǎn)600℃的鋁合金能在與峰值溫度高達(dá)2000—2500K

高溫燃?xì)饨佑|的情況下仍能正常工作。但是鋁合金在溫度升高時，強(qiáng)度和硬

度下降較快。為了克服這一缺點(diǎn)，一般要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工或熱處理.上

采用各種措施加以彌補(bǔ)田川。

鋁活塞的成形方法有鍛造、鑄造和液態(tài)模鍛等幾種。鑄造鋁活塞在高溫

時強(qiáng)度下降較小，制造成本低，但容易出現(xiàn)各種氣孔、縮松等鑄造缺陷。鍛

造鋁活塞的強(qiáng)度比鑄造活塞高，導(dǎo)熱性也較好，適用于強(qiáng)化的發(fā)動機(jī)上，但

制造成本高。液態(tài)模鍛即是將定量的液體金屬澆入金屬模具里，用沖頭加壓，

使液體金屬以比壓鑄中低得多的速度充填型腔，并在壓力的作用下結(jié)晶凝固，

從而獲得組織致密的無縮孔、縮松等缺陷的活塞。這種工藝兼有鍛造和鑄造

的特點(diǎn)，能達(dá)到少切削甚至無切削、提高金屬利用率、擴(kuò)大合金使用范圍、

消除鑄造缺陷和提高毛坯質(zhì)量等目的⑺。

活塞的基本構(gòu)造可分為頂部、頭部和裙部三部分。

一、活塞頂部活塞頂部的形狀主要取決于燃燒室的選擇與設(shè)計(jì)，而燃

燒室的選擇取決于活塞直徑、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、經(jīng)濟(jì)性、動力性、功率、可靠

性及排放等。汽油機(jī)活塞頂部多采用平頂，其優(yōu)點(diǎn)是吸熱面積小，制造工藝

簡單。有些汽油機(jī)為了改善混合氣形成和燃燒而采用凹頂活塞，凹坑大小可

以調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的壓縮比。柴油機(jī)的活塞常常設(shè)有各種各樣的凹坑，其具體形

狀、位置和大小都必須于柴油機(jī)混合氣的形成或燃燒要求相適應(yīng)。

1.木設(shè)計(jì)采用3型的燃燒室。

燃燒室的形狀和尺寸：

根據(jù)喉口側(cè)面角B,可將3型的燃燒室分成開口型（B>90°）,直口型（B

=90°）及收口型（B〈90°）三種,收口型d★較?。ㄒ话?/D=0.5?0.65）

本設(shè)計(jì)采用B=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=0.533,即〃=40mm

2、在3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，油束射程不足或過大都

會使混合不均勻，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e/Q<0.1,即e<10,取e=5mm。

燃燒室的尺寸如圖2-4所示。

圖2-4燃燒室的主要尺寸

按燃燒室深淺來分這種燃燒室為深坑形，

它比較適用于小型高速柴油機(jī)，因?yàn)樾⌒透咚?/p>

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高，混合氣形成和燃燒的時間極短,

每循環(huán)供油量又很小，單靠霧化混合，則噴孔

直徑必須做的很小，噴油壓力很高，使燃油系

統(tǒng)制造困難。于是，出現(xiàn)了有渦流的深坑形燃

燒室，即將活塞頂上的凹坑加深，凹坑口徑縮

小。它能夠在較小的過量空氣系數(shù)中“時有較好

的燃燒過程，從而獲得較好的性能指標(biāo)。與淺

盆形燃燒室相比，深坑形燃燒室對燃油系統(tǒng)要求降低，由于利用進(jìn)氣渦流加

強(qiáng)混合氣形成，使空氣利用率大大提高，一般中“=1.3?1.5,并保持燃油消耗

率低和啟動容易的優(yōu)點(diǎn)，所以在小型高速柴油機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用⑶。

四沖程柴油機(jī)的深坑形燃燒室總是布置在活塞上，這樣燃燒室表面不與

冷卻水直接接觸，可以減少散熱損失。對于2氣門發(fā)動機(jī)，由于要盡可能加

大進(jìn)、排氣門尺寸，不得不將燃燒室、噴油器及氣缸三者的中心線相互錯開。

二、活塞頭部

1.活塞高度H

1）活塞高度取決于下列因素；

（1）對柴油機(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：不斷縮短活塞高度，特別是高速柴油機(jī)。近十年來，

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Hi壓縮高度Hi,決定活塞銷的位置。Hi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H4O在保證氣環(huán)良好工作的條

件下，宜縮短Hl,以力求降低整機(jī)的高度尺寸。Hi/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)約工作溫度不超過允許極限（約180℃?

2200℃）o

（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)口及排列

(1)活塞環(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：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，油環(huán)裝在銷孔上方。

本次設(shè)計(jì)選用兩道氣環(huán)，一道油環(huán)。

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hi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)hl/D=0.04~0.06

高速大功率hl/D=0.04?0.06

鋼頂組合活塞hl/D=0.025?0.03

7.活塞頂厚度是根據(jù)活塞頂部應(yīng)力、剛度及散熱要求來決定的，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纯伞的一般范圍

小型高速hl/D=0.04?0.06

高速大功率hl/D=0.04?0.06

鑰頂組合活塞hl/D=0.04-0.06

鑄鐵活塞hl/D=0.04?0.06

a2-6活塞的部分主要尺寸

三、活塞裙部活塞裙部是指自油環(huán)槽下端而起至活塞底部的部分。其作用

是為活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動導(dǎo)向和承受側(cè)壓力。因此，既要保證裙部的形

狀能夠是活塞在氣缸內(nèi)得到良好的導(dǎo)向，并具有足夠的承壓面積，又要保證

在任何情況下活塞與氣缸壁之間具有最佳間隙。

目前，為了是活塞具有最佳性能，多采用如下措施。

1.將活塞直徑制成上小下大的錐形、階梯形或桶形。就整個活塞而言，

在內(nèi)燃機(jī)工作時活塞的溫度沿軸線方向自上而下降低，其頂部溫度高,

壁厚，熱膨脹量大；裙部相反。因此，將活塞頂部的直徑設(shè)計(jì)得小一

些，而由頂部向下直徑逐漸增大，以保證活塞在氣缸中工作時熱膨脹

后上下配合間隙均勻一致。

2.將活塞裙部徑向制成橢圓形?；钊共垦鼗钊N座方向壁厚較大，故

熱膨脹量較大。內(nèi)燃機(jī)工作時，活塞裙部在熱載荷和側(cè)壓力的共同作

用下變成橢圓形，沿活塞銷軸方向略有伸長，垂直銷軸方向略有縮短。

因此，為了防止因活塞變形而造成活塞卡死或缸壁拉傷，一般將活塞

裙部預(yù)先加工成橢圓形，并是長軸與活塞銷軸方向垂直。為了減少銷

座附近處的熱變形量，有的活塞將銷座附近的裙部外表面制成下陷

（）.5?1.0mm。裙部的縱向設(shè)計(jì)為桶形，同樣是出于對活塞熱變形的考

慮”

為了改善鋁合金活塞的耐磨性，通常對活塞裙部進(jìn)行表面處理。柴油機(jī)

鑄鋁活塞的裙部外表面磷化；對于鍛鋁活塞，在裙部的外表面上可涂以石墨。

四、活塞銷座活塞的銷孔與活塞銷組成一對摩擦副，它將活塞頂部氣

體作用力通過活塞銷庫傳給活塞銷，然后再傳遞到連桿和曲軸。因此，銷座

必須與活塞銷有足夠的強(qiáng)度、足夠的承壓面積和耐磨性。銷座通常有肋片與

活塞內(nèi)壁相連，以提高其剛度。

銷座孔的中心線一般位于活塞中心線的平面內(nèi)。但也有些活塞銷孔中心

線偏離活塞中心線平面，如本次設(shè)計(jì)的活塞?；钊N座軸線向在做功行程中

受測向力的一面偏移了1mm,這是因?yàn)槿绻钊N對中布置，則當(dāng)活塞越過

上止點(diǎn)時側(cè)壓力的作用方向改變，會使活塞敲擊氣缸壁發(fā)出噪聲。如果把活

塞銷偏移布置，則可使活塞較平穩(wěn)地從壓向氣缸的一面過渡到另一面，而且

過渡時刻早于達(dá)到最高燃燒壓力的時刻，可以減輕活塞“敲缸”，減小噪聲，

改善發(fā)動機(jī)工作的平順性。但這種活塞銷偏置的結(jié)構(gòu)，卻帶來活塞裙部兩端

的尖角負(fù)荷增大，引起這些部位的磨損或變形增大。這就要求活塞的間隙盡

可能的小a?⑶。

§2.2.2活塞環(huán)

1.活塞環(huán)的種類及作用

活塞環(huán)是具有一定彈性的金屬開口I員I環(huán),自由狀態(tài)下它的外徑大干氣缸

直徑，裝入氣缸后與氣缸壁緊貼。按功用不同，活塞環(huán)分為氣環(huán)（密封環(huán)）

和油環(huán)（刮油環(huán)）。

氣環(huán)的作用是保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸中的高溫、高壓燃

氣大量漏入曲軸箱，同時將活塞頂上的熱量傳給氣缸壁，再由冷卻液或空氣

帶走。

油環(huán)的作用是消除活塞環(huán)的泵油作用，刮除氣缸壁上的多余機(jī)油，防止

機(jī)油回竄到燃燒室。井在缸壁上留下一層均勻分布的機(jī)油油膜，可以減小活

塞、活塞環(huán)與氣缸壁的磨損和摩擦阻力，使機(jī)器可靠工作。此外油環(huán)還起到

封氣的輔助作用。

2.活塞環(huán)的選擇

375的活塞環(huán)設(shè)計(jì)有兩道氣環(huán)和一道油環(huán)。

第一道氣環(huán)的工作條件最為惡劣，它的好壞對活塞組竄氣、竄油將產(chǎn)生

影響。因此選用抗拉缸及抗膠結(jié)性能好的桶面環(huán)內(nèi)扭曲環(huán)。它可以滿足密封

性好、迅速磨合、刮油能力強(qiáng)的要求。

第二道氣環(huán)除考慮到密封外，還應(yīng)具有一定的刮油能力。因此采用兼有

氣環(huán)密封和油環(huán)刮油雙重作用的錐面內(nèi)扭曲環(huán)。

最后一道油環(huán)選用螺旋撐簧油環(huán)，在油環(huán)背面加有撐簧，不但提高了環(huán)

的壓力，而且環(huán)壓均勻、彈性穩(wěn)定，從而使油膜均勻磨損下降，機(jī)油耗下降。

§2.2.3活塞箱

活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連

桿?；钊N在高溫下承受很大的周期性沖擊載荷，潤滑條件很差（一般靠飛

濺潤滑），容易疲勞和磨損。因此，活塞銷的材料應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度、

表面硬度和沖擊韌性

活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼制造，

先經(jīng)表面滲碳處理以提高表面硬度而獲得良好

的耐磨性，并保證芯部有足夠的韌性以抗沖擊，

然后再進(jìn)行精磨和拋光。圖2-7活塞銷的結(jié)構(gòu)圖

為了減輕質(zhì)量，從而減小往復(fù)慣性力，活

塞通常做成中空的圓柱體。活塞銷的內(nèi)孔形狀有圓柱形、兩段截錐形以及兩

段截錐與一段I員I桿的組合形（如本次設(shè)計(jì).圖2-7）等0圓桿形內(nèi)孔容易加

工，但活塞銷質(zhì)量較大。兩段截錐形內(nèi)孔的活塞銷質(zhì)量較小，乂接近于等強(qiáng)

度梁的要求，但孔的加工較復(fù)雜。組合形內(nèi)孔的結(jié)構(gòu)介于兩者之間。

活塞銷與活塞銷座孔和連桿小頭襯套孔的連接配合，一般多采用“全浮

式”，即在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞俏不僅可以在連桿小頭襯套孔內(nèi)，還可以

在銷座孔內(nèi)緩慢的轉(zhuǎn)動。同時，在活塞兩端還裝有彈性卡環(huán)，以防止其軸向

竄動，刮傷氣缸壁。全浮式連接有利于將飛濺來的潤滑油分布到摩擦表面上,

以使活塞銷各部分的磨損較為均勻，從而提高了活塞銷的疲勞強(qiáng)度和使用壽

命。

第三章連桿強(qiáng)度校核

§3.1連桿小頭計(jì)算

由于壓配襯套和溫度過盈而產(chǎn)生的溫度過盈量，

Ar=dt(aB-a)

式中：d--小頭內(nèi)徑d=32亳米；

t—連桿小頭溫升，取t=110°C

-5/O

%--襯套錫青銅線膨脹系數(shù)?B=1.8x10(l.C)

a?一小頭鋼的線膨脹系數(shù)a=lxlO-5(l/°C)

/.4=32X110x(1.8xlO-5-lxlO_5)=0.02816毫米

襯套與小頭配合面上由總過盈量所產(chǎn)生的單位壓力

"2+4

D2+d

D二尸一d-

式中：襯套壓配時的最大過盈量△RNZ毫米

D--小頭外徑D=42亳米

d-一小頭內(nèi)徑d=32毫米

%..襯套內(nèi)徑4=27毫米

〃一泊桑系數(shù)45號鋼〃取0.3

E-連桿材料鋼的抗拉彈性模數(shù),E=2.2xl06公斤/厘米2

Er-錫青銅抗拉彈性模數(shù)，E/1.I5X106公斤/厘米2

0.052+0.02816

=332公斤/厘米

2.2x10°1.15x10°

由P引起的小頭內(nèi)表面應(yīng)力

外表面應(yīng)力

7//27x7?2

o=P—v---=332X二~,=919bar

“D2-d2422—32?

內(nèi)表面應(yīng)力

422+32?

二332X=1250bar

422-32?

斯捷潘諾夫推薦和為10007500bar

故本計(jì)算滿足要求

§3.2連桿桿身的強(qiáng)度計(jì)算

I取1-1斷面為計(jì)算截面

2

已知:H=28毫米，B=20毫米，h=16毫米，b=5毫米，/；,p=2.8cmo

斷面對其垂直于擺動平面軸線的慣性矩和應(yīng)力：經(jīng)計(jì)算，L=3.05厘米，

。2=1662baro

斷面對其位于擺動平面內(nèi)軸線的慣性矩和應(yīng)力：經(jīng)計(jì)算，1產(chǎn)0.8厘米4

oi=1746bar

分別計(jì)算應(yīng)力幅及平均應(yīng)力，得：

。ai=974har,。a2=932bar

omi=772bar,。m2=730bar

1.安全系數(shù)

cr2500

n=-------12----=----------------=1.3

(J974

ao,—+0.33x772

8M…0.6

b2500

n=--------12-----=