柴油机各系统 设计

第三章各系统的设计及主要零部件的结构特点3．1活塞组活塞组包括活塞，活塞销和活塞环。

它们在气缸里做往复惯性运动，活塞主要作用是承受气缸的气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以次推动曲轴旋转。

它还和气缸壁面一起活动构成密封装置，保证燃烧室的良好密封，这个功能是通过装在活塞头部环槽的一系列带开口的弹性活塞实现的。

在高温，高负荷，高速和少量的机油消耗的情况下，它一方面要保证漏气量少，另一方面又要使摩擦损失不大，同时还要保证足够的耐久性。

因此设计时要选用热强度好，耐磨，比重小，热膨胀系数小，导热性好，具有良好减磨性，工艺性的材料。

目前制造活塞常用的材料有共晶铝硅合金，过晶铝硅合金和铝铜合金。

设计选用共晶铝硅合金材料。

1、活塞设计的主要尺寸[4]（1）活塞高度H：根据《柴油机设计手册》，对于中小型柴油机而言，H/D范围在 1.0-1.1，而D=110mm，取H=113.5mm。

在选择活塞高度时要注意在合理布置的情况下尽量选择小的活塞高度，如果转速越高，要使H越小，尽量减轻活塞重量，从而控制由于转速高而应引的惯性力的增大。

（2）压缩高度H1：根据《柴油机设计手册》，H1/D范围在0.6-0.8，取H1=67mm。

HI=H5（换带高度）+H4（上裙高度）+h（顶岸高度）。

在保证气环良好良好工作情况下，宜缩短H1高度，以便降低整机的高度尺寸。

（3）顶岸高度h（第一活塞环至活塞顶部距离）：根据《柴油机设计手册》，对铝活塞h/D范围在0.07-0.20，取h=13.4mm。

在保证第一道环可靠工作下，也要使h尽量小，降低活塞重量和高度，但h越小，会使第一道环的热负荷越高，。

一般第一道环的温度不应该超过240度，否则润滑油可能粘结甚至结碳，易使活塞环在活塞中失去活动性，散失了密封和传热的功能（4）活塞环数目及排列：根据《柴油机设计手册》，中速机气环3-4道，油环1-2道，取气环2道，油环一道。

2道气环在上面，1道油环在气环下面。

为了降低活塞和整台发动机的高度，减少惯性力和摩擦功率损耗，应该减少环数。

（5）环岸高度：根据《柴油机设计手册》，第一道环岸h1(第一道气环下面的环岸)/D范围在0.04-0.06,其余环岸h2(h3)范围在0.03-0.04。

取第一环岸h1=5.8mm，h2=2.6mm，h3=4.2mm。

第一道环温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断压，所以第一环岸高度比其它环岸高度要大一些。

（6）活塞顶厚度`δ：根据《柴油机设计手册》，铝活塞`δ/D范围在0.1-0.2，取`δ=20mm。

（7）活塞裙部长度H2：根据《柴油机设计手册》，中高速柴油机H2/D范围在0.65-0.88，取H2=74mm，对于上裙部H4也不要过小，否则会产生尖峰负荷，会造成活塞拉毛及擦伤。

（8）裙部壁厚`δg：根据《柴油机设计手册》，铝活塞裙部最小壁厚为（0.03-0.06）D,取最小壁厚为3.8mm。

薄壁对减轻活塞重量有利，但是要使活塞具有足够的刚性，也可以通过设置加强筋来达到。

（9）活塞销直径d和销座间隔B：活塞销的功能是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。

根据《柴油机设计手册》，d/D在0.33-0.40间，普通的销座B/D在0.35-0.42间，取d= 44mm，B=46 mm。

要使活塞销的变形在d的范围内。

2、活塞的结构[2]活塞可分为三部分：活塞顶部、活塞头部和活塞裙部。

（1）活塞顶部：活塞顶的形状是根据燃烧系统要求设计的，燃烧室采用凹坑型的。

活塞顶部的形状可分为四大类，平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞（如下图）。

设计时选用凹顶活塞。

（2）活塞头部：活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上部分。

它有数道环槽，用来安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。

活塞头部设计成具有良好导热的“热流型”，并且采用大圆弧的过渡，增加从顶部到群部的传热面积，降低活塞顶的温度和热应力，这样可提高活塞的承载能力。

此外，为提高第一道环的耐磨性，延长其寿命，采用镶环座，即在第一道环槽处铸入一个耐磨铸铁环座，环座的截面形状一般为梯形，这使铝合金冷却时沿径向收缩，以卡紧环座。

（3）活塞裙部：活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括装活塞销的销座孔。

它对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。

所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。

设计裙部要注意：(a)活塞裙部应该预先做成椭圆形。

由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。

另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。

这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。

因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状，工作时才趋近正圆。

(b)活塞裙身要预先做成阶梯形，锥形。

活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。

为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形或者锥形。

3．2连杆组连杆组包括连杆体，连杆盖，连杆螺栓，和连杆轴瓦。

而连杆体又包括连杆大头，连杆小头和杆身。

连杆的作用是能够将活塞的往复惯性运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用于活塞组上的力传给曲轴。

连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。

因此设计时要保证连杆有足够的疲劳强度和结构刚度。

如果强度不够，会发生连杆大头，连杆螺栓或杆身的断裂；如果刚度不够，会使曲轴连杆机构的工作受影响。

连杆一般都采用优质中碳钢，合金钢经模锻或辊锻而成，然后经机加工和热处理，毛坯要经调质处理，非加工表面通常要喷丸强化。

1、连杆设计的主要尺寸：[4]（1）连杆长度L(连杆大小头的空中心距)：L=210mm，通常用连杆比λ= r/L 来说明，λ越大，连杆越短，可以降低发动机的总高度，减轻运动间重量和整机重量。

但连杆过短会引起活塞侧压力的加大，会增加活塞与汽缸的摩擦和磨损，实验证明，直到λ=1/3 时这种一向都不太大。

（2）连杆小头的结构设计：1）小头轴承孔直径d: d=42 mm2）小头宽度B1：根据《柴油机设计手册》，B1范围在（0.9-1.2）d之间，小头设计成斜面形状,这样可以增加活塞销座和连杆小头的支承面积，有强化作用。

取小头最小宽度31mm，小头最大宽度40mm。

3）小头外径D1：根据《柴油机设计手册》，D1范围在（1.2-1.4）d之间，取D1=60mm。

4）小头衬套厚度δ：根据《柴油机设计手册》，δ范围在(0.04-0.08)d之间,取δ=2mm。

5）小头成衬套外径d1：根据《柴油机设计手册》，d1= d +2*δ，得d1=46 mm。

6）小头衬套宽度：在通常情况下，衬套和小头制成同样宽度。

连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动。

连杆小头孔要有足够的壁厚外，还要特别注意小头到杆身过渡的圆滑性，这个过渡结构决定小头的刚度及支承情况，对小头变形和应力有很大影响，应该尽量减小圆弧处的应力集中。

（3）杆身的结构尺寸：连杆杆身采用“工”字形截面，这样有助于杆身向小、大头的过渡，这种杆身在较小的重量下能得到较大的刚度。

1）杆身断面的平均高度H：根据《柴油机设计手册》，H范围在(0.3-0.4)D之间，取H=34mm。

2）连杆厚度B：根据《柴油机设计手册》，H/B范围在1.4-1.8之间，取B=25 mm。

为使连杆从小头到大头传力比较均匀，把杆身断面H设计成从小头到大头逐渐加大，在杆身到大头的过渡采用了较大的过渡圆。

（4）连杆大头的尺寸及结构：1）连杆大头轴瓦厚度δ：取δ= 2.5mm2）连杆大头轴承孔内径D2：根据连杆轴颈直径有Dp=74+2*2.5=79 mm。

3）连杆大头轴承外径D3：取D3=86 mm。

4）连杆大头宽度B3：取B3= 42mm。

5）连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，应该要有足够的强度和刚度，否则会影响薄壁轴瓦，连杆螺栓等。

为了便于维修，使连杆能够从汽缸中取出，要求大头在摆动平面内的总宽度B0必须小于汽缸直径。

2、连杆大头有整体式和分开式两种。

一般都采用分开式，分开式又分为平分和斜分两种。

平分——分开面与连杆杆身轴线垂直，汽油机多采用这种连杆。

斜分——分开面与连杆杆身轴线成30～60°夹角。

柴油机多采用这种连杆。

因为，柴油机压缩比大，受力较大，曲轴的连杆轴颈较粗，相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径，为了使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般都采用斜切口。

故本次设计选用斜切口方式。

根据《柴油机设计手册》，斜角范围在30度-60度之间，取斜角为45度。

斜切口连杆常用的定位方式：止口定位，销套定位和锯齿定位。

3、连杆盖：即连杆大头可取下的部分。

连杆与连杆盖配对加工，加工后，在它们同一侧需要打上配对记号，安装时不得互相调换或变更方向。

为此，在结构上采取了定位措施。

4、连杆螺栓：连杆螺栓将连杆盖和连杆大头连在一起，它在工作中承受很大的冲击力，如果折断或松脱，将造成严重事故。

因此，连杆螺栓都采用优质合金钢，并精加工和热处理特制而成。

安装连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力板手分2～3次交替均匀地拧紧到规定的扭矩，拧紧后还应可靠的锁紧。

连杆螺栓损坏后绝不能用其它螺栓来代替。

连杆螺栓必须用中碳合金钢制造，经调质以保证高强度。

5、连杆轴瓦：为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。

轴瓦分上、下两个半片。

连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。

目前多采用薄壁钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。

耐磨合金层具有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨损等特点。

连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。

半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。

轴瓦在轴承孔中真正的定位是靠过盈来保证的，一般在瓦口向外冲压一个定位唇，在轴承座加工一个定位槽，保证轴向定位。

3．3 机体组水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱，也可称为气缸体。

气缸体上半部有一个或若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸；下半部为支承曲轴和曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间；下曲轴箱是一个简单的储油箱，称为油底壳。

气缸体与气缸盖之间用气缸盖衬垫密封。

机体中还有往复运动的气缸套。

1、机体[2]机体的工作表面由于经常与高温，高压燃气相接触，且有活塞在其中作高速往复运动，所以必须耐高温，耐磨损，耐腐蚀，应该具有足够的强度和刚度，即不能发生裂纹和损坏，也不能出现多大的变形，尤其是机体与气缸盖的结合处，气缸套，主轴承座等处，若刚度不够就会产生气缸密封失效，机体振动加剧等严重后果。