活塞设计

DF610柴油机活塞组设计

1、DF610柴油机简介

DF610柴油机主要用于重型汽车，火车头

DF610柴油机的技术参数：

型式：直喷、直列、六缸、立式、水冷、四冲程、涡流室燃烧室

活塞行程/气缸直径： 105/100

12h标定功率/转速： 102/1500rpm

压缩比： 17：1

燃油消耗率：≤270/kW.h）

润滑方式：压力及飞溅复合式

启动方式：电启动

气缸盖和机体都是整体铸造的，机体下平面与曲轴线相平，因此结构轻巧。采用干式气缸套，因此机体现刚度好。缸套材料为高磷合金铸铁，壁厚为3毫米。

活塞由硅铝合金铸造，头部共有两道气环和一道油环。活塞销是浮式的。

连杆用钢锻制成，具有平切口连杆大头。两个连杆螺栓加工有定位带以保证连杆盖的定位。

球铁曲轴是全支承的，不带平衡块，其轴向定位设在后轴承上。曲轴后端凸缘用螺钉将甩油盘和飞轮固定在一起。曲轴的前端装有皮带轮和起动爪。主轴瓦和连杆轴瓦都是高锡铝合金薄壁轴瓦。

凸轮轴布置在机体的上部，具有三个支承。气门、摇臂直接由较长的菌形挺柱驱动。这样可使气门机构的刚性加大。气门上都设有两个气门弹簧座和两个气门弹簧。

润滑系统中，有转子式机油泵，固定在第一主轴承盖上，经中间齿轮由曲轴齿轮驱动。

冷却系中的离心水泵和风扇都是由曲轴皮带轮直接驱动的。

柴油机采用电起动，为了适应冬季冷起动的需要，在进气管内装有起动预热器。

2、活塞组设计

活塞组设计包括3部分（活塞设计、活塞环设计、活塞销设计三部分）

1）活塞组的工作条件

A）机械负荷

活塞组受到气体压力P、往复惯性力Pj，及侧压力PN的周期性冲击力的作用。目前，强化柴油机的最高爆发压力Pz已达140kgf/cm2=13.72MPa，使活塞产生很大的机械应力和变形。

B）热负荷

活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气最高温度可达1800～2600℃，所以活塞顶温度很高，而且温度分布很不均匀。尤其是在直接喷射式柴油机活塞顶上都有相当深的凹坑，活塞实际受热面积大大增加，其热负荷更加严重。热负荷是

发动机强化的一个重要障碍。活塞温度过高将有以下不良影响：

（1）活塞的热应力和热变形过大。

（2）温度超过300℃---350℃时，铝活塞材料的强度急剧下降。

（3）第一道环槽温度超过180～220℃时，易引起润滑油变质结胶，致使活塞环卡死。

C）活塞高速滑动，润滑不良

活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。

2）活塞的设计

活塞的设计要点包括：活塞头部的设计，活塞销座的设计，活塞裙部及其侧面形状的设计。

a）活塞的材料

本设计活塞的材料采用硅的质量分数为11％～13％的共晶硅铝合金。这种材料中加入的硅可使线膨胀系数降低，并提高了耐磨性、耐热性和改善铸造性能。所以这种材料的活塞线膨胀系数小，质量轻，强度和刚度适中，热稳定性好，耐磨性好，在中等温度下抗疲劳性好，体积稳定性好。

b）活塞头部的设计

活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气体压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。

因此，活塞的设计要点是：

（1）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度缩短一个单位，整个发动机高度可以缩短1.5～2个单位，并显著减轻活塞重量。而压缩高度则直接受头部尺寸的影响。

（2）保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞的正常工作创造良好的条件，并避免顶部热疲劳开裂。

一、主要尺寸的选择要点

1．活塞高度H

1）活塞高度取决于下列因素;

（1）对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关）

（2）转速n；

（3）燃烧室形状及尺寸；

（4）活塞裙部承压面积。

应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下，尽量选择较小的活塞高度。

活塞高度H与缸径D之比的范围

从上表，我们选取H/D=1.1，则H=110mm，

2）目前发展趋势：不断缩短活塞高度，特别是高速柴油机。近十年来，由于成功地减活塞环数目，使活塞高度H缩短约10%。

2．压缩高度H1

压缩高度H1，决定活塞销的位置。H1取决于第一道活塞环至顶面的距离h1、环带高度h2及上裙高度h3。在保证气环良好工作的条件下,宜缩短H1，以力求降低整机的高度尺寸。

H1/D的一般范围

我们选取H1/D=0.6则H1=60mm。

3．顶岸高度h1（即第一道活塞环槽到活塞顶的距离）

1）h1越小第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及活塞冷却状况确定h1，使第一道活塞环约工作温度不超过允许极限（约180℃～220℃）。

2)在保证第一道环工作可靠的条件下，尽量缩小h1，以力求降低活塞高度

和重量。

3)h1/D的一般范围如下：

高速柴油机铝活塞0.14～0.20

组合活塞0 .07～0.20

因此，我们选取h1/D=0.15，可以确定h1=15mm.

4.活塞环的数目及排列

1)括塞环数目一般为:

高速机气环2～3道，油环1～2道;

中速机气环3～4道，油环2道(少数用一道)

2)发展趋势：减少环数。目前中小型高速柴油机采用三环结构(二道气环、

一道油环)的日益增多，并已开始应用双环活塞。近代中速柴油机采用四道环。环数减少后，须从活塞及活塞环的结构上采取措施，以确保良好的密封性能和防窜油性能。

因此，我们选取2道气环，1道油环。

3)油环布置：

采用一道油环时，油环装在销孔上方。

采用二道油环时，一般是在销孔上方和活塞底下部各布置一道油环，但也有的大缸径柴油机活塞，二道油环均装在销座上部，这既能减少机油窜入燃烧室，又保证裙部有比较充分的润滑。

5环槽尺寸

环槽的轴向高度(名义尺寸)等于活寒环的轴向高度b。十

环槽底径D'取决于活塞环的背面间隙(即活塞环内圆面与环槽底之间的间隙)，背盈大小与活塞的热膨胀有关，并对环的背压有一定影响。D'可按下式估算

气环槽D' = 〔D－(2t﹢KD) +0.5〕(mm)

油环槽D' = 〔D－(2t﹢KD) +1.5〕(mm)

式中D—活塞名义直径；

t—活塞环的径向厚度；

K—系数，铝活塞K=0.006，铸铝活塞K=0.004。

环槽底部的过渡圆角一般为0.2～0.5mm。

我们选取铸铝活塞K=0.004，从后面t=4.5mm因此气环槽D'=90.1mm，油环槽=89.1mm

6．环岸高度

1）第一环岸(第一道气环下面的环岸)温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂。所以第一环岸高度h1一般比其余环岸高度要大一些。

2）必须保证环岸有足够的机械强度，并进行验算。

3）环岸高度的范围

环岸高度c1/D=0.03～0.04mm,则c1=3mm

高速柴油机一般装2～3道气环，1～2道油环。发展趋势是尽量减少活塞环数，目前中小型高速柴油机采用三环结构日益增多。中小功率柴油机的气环高度为2～3mm,油环为4～6mm。第一环岸温度较高，承受的气体压力最大，且易