【正文】 第三章 各系統(tǒng)的設計及主要零部件的結(jié)構(gòu)特點3．1活塞組活塞組包括活塞，活塞銷和活塞環(huán)。它們在氣缸里做往復慣性運動，活塞主要作用是承受氣缸的氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿，以次推動曲軸旋轉(zhuǎn)。它還和氣缸壁面一起活動構(gòu)成密封裝置，保證燃燒室的良好密封，這個功能是通過裝在活塞頭部環(huán)槽的一系列帶開口的彈性活塞實現(xiàn)的。在高溫，高負荷，高速和少量的機油消耗的情況下，它一方面要保證漏氣量少，另一方面又要使摩擦損失不大，同時還要保證足夠的耐久性。因此設計時要選用熱強度好，耐磨，比重小，熱膨脹系數(shù)小，導熱性好，具有良好減磨性，工藝性的材料。目前制造活塞常用的材料有共晶鋁硅合金，過晶鋁硅合金和鋁銅合金。設計選用共晶鋁硅合金材料。 活塞設計的主要尺寸[4]（1）活塞高度H：根據(jù)《柴油機設計手冊》，對于中小型柴油機而言，H/，而D=110mm，取H=。在選擇活塞高度時要注意在合理布置的情況下盡量選擇小的活塞高度，如果轉(zhuǎn)速越高，要使H越小，盡量減輕活塞重量，從而控制由于轉(zhuǎn)速高而應引的慣性力的增大。（2）壓縮高度H1：根據(jù)《柴油機設計手冊》，H1/，取H1=67mm。HI=H5（換帶高度）+H4（上裙高度）+h（頂岸高度）。在保證氣環(huán)良好良好工作情況下，宜縮短H1高度，以便降低整機的高度尺寸 。 （3）頂岸高度h（第一活塞環(huán)至活塞頂部距離）：根據(jù)《柴油機設計手冊》，對鋁活塞h/，取h=。在保證第一道環(huán)可靠工作下，也要使h盡量小，降低活塞重量和高度，但h越小，會使第一道環(huán)的熱負荷越高。一般第一道環(huán)的溫度不應該超過240度，否則潤滑油可能粘結(jié)甚至結(jié)碳，易使活塞環(huán)在活塞中失去活動性，散失了密封和傳熱的功能（4）活塞環(huán)數(shù)目及排列：根據(jù)《柴油機設計手冊》，中速機氣環(huán)34道，油環(huán)12道，取氣環(huán)2道，油環(huán)一道。2道氣環(huán)在上面，1道油環(huán)在氣環(huán)下面。為了降低活塞和整臺發(fā)動機的高度，減少慣性力和摩擦功率損耗，應該減少環(huán)數(shù)。（5）環(huán)岸高度：根據(jù)《柴油機設計手冊》，第一道環(huán)岸h1(第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸)/,其余環(huán)岸h2(h3)。取第一環(huán)岸h1=，h2=，h3=。第一道環(huán)溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷壓，所以第一環(huán)岸高度比其它環(huán)岸高度要大一些。（6）活塞頂厚度：根據(jù)《柴油機設計手冊》，鋁活塞/，取=20mm。（7）活塞裙部長度H2：根據(jù)《柴油機設計手冊》，中高速柴油機H2/，取H2=74mm，對于上裙部H4也不要過小，否則會產(chǎn)生尖峰負荷，會造成活塞拉毛及擦傷。 （8）裙部壁厚g：根據(jù)《柴油機設計手冊》，鋁活塞裙部最小壁厚為（）D,。薄壁對減輕活塞重量有利，但是要使活塞具有足夠的剛性，也可以通過設置加強筋來達到。（9）活塞銷直徑d和銷座間隔B：活塞銷的功能是連接活塞和連桿小頭，并把活塞承受的氣體壓力傳給連桿。根據(jù)《柴油機設計手冊》，d/，普通的銷座B/，取d= 44mm，B=46 mm。要使活塞銷的變形在d的范圍內(nèi)?；钊慕Y(jié)構(gòu)[2]活塞可分為三部分：活塞頂部、活塞頭部和活塞裙部。（1）活塞頂部：活塞頂?shù)男螤钍歉鶕?jù)燃燒系統(tǒng)要求設計的，燃燒室采用凹坑型的?；钊敳康男螤羁煞譃樗拇箢?，平頂活塞、凸頂活塞、凹頂活塞和成型頂活塞（如下圖）。設計時選用凹頂活塞。（2）活塞頭部：活塞頭部指第一道活塞環(huán)槽到活塞銷孔以上部分。它有數(shù)道環(huán)槽，用來安裝活塞環(huán)，起密封作用，又稱為防漏部?；钊^部設計成具有良好導熱的“熱流型”， 并且采用大圓弧的過渡，增加從頂部到群部的傳熱面積，降低活塞頂?shù)臏囟群蜔釕?，這樣可提高活塞的承載能力。此外，為提高第一道環(huán)的耐磨性，延長其壽命，采用鑲環(huán)座，即在第 一道環(huán)槽處鑄入一個耐磨鑄鐵環(huán)座，環(huán)座的截面形狀一般為梯形，這使鋁合金冷卻時沿徑向收縮，以卡緊環(huán)座。（3）活塞裙部：活塞裙部指從油環(huán)槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括裝活塞銷的銷座孔。它對活塞在氣缸內(nèi)的往復運動起導向作用，并承受側(cè)壓力。所謂側(cè)壓力是指在壓縮行程和作功行程中，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。設計裙部要注意： (a)活塞裙部應該預先做成橢圓形。由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷座孔部分的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外，裙部承受氣體側(cè)壓力的作用，導致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大。這樣，如果活塞冷態(tài)時裙部為圓形，那么工作時活塞就會變成一個橢圓，使活塞與氣缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在氣缸內(nèi)卡住，發(fā)動機就無法正常工作。因此，在加工時預先把活塞裙部做成橢圓形狀，工作時才趨近正圓。(b)活塞裙身要預先做成階梯形，錐形?；钊馗叨确较虻臏囟群懿痪鶆颍钊臏囟仁巧喜扛?、下部低，膨脹量也相應是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預先把活塞制成上小下大的階梯形或者錐形。3．2連桿組連桿組包括連桿體，連桿蓋，連桿螺栓，和連桿軸瓦。而連桿體又包括連桿大頭，連桿小頭和桿身。連桿的作用是能夠?qū)⒒钊耐鶑蛻T性運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，并把作用于活塞組上的力傳給曲軸。連桿主要承受氣體壓力和往復慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。因此設計時要保證連桿有足夠的疲勞強度和結(jié)構(gòu)剛度。如果強度不夠，會發(fā)生連桿大頭，連桿螺栓或桿身的斷裂；如果剛度不夠，會使曲軸連桿機構(gòu)的工作受影響。連桿一般都采用優(yōu)質(zhì)中碳鋼，合金鋼經(jīng)模鍛或輥鍛而成，然后經(jīng)機加工和熱處理，毛坯要經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，非加工表面通常要噴丸強化。連桿設計的主要尺寸：[4]（1）連桿長度L(連桿大小頭的空中心距)：L=210mm，通常用連桿比= r/L 來說明，越大，連桿越短，可以降低發(fā)動機的總高度，減輕運動間重量和整機重量。但連桿過短會引起活塞側(cè)壓力的加大，會增加活塞與汽缸的摩擦和磨損，實驗證明，直到=1/3 時這種一向都不太大。（2）連桿小頭的結(jié)構(gòu)設計：1）小頭軸承孔直徑d: d=42 mm 2）小頭寬度B1：根據(jù)《柴油機設計手冊》，B1范圍在（）d之間，小頭設計成斜面形狀,這樣可以增加活塞銷座和連桿小頭的支承面積，有強化作用。取小頭最小寬度31mm，小頭最大寬度40mm。3）小頭外徑D1：根據(jù)《柴油機設計手冊》，D1范圍在（）d之間，取D1=60mm。4）小頭襯套厚度：根據(jù)《柴油機設計手冊》，范圍在()d之間,取=2mm。5）小頭成襯套外徑d1：根據(jù)《柴油機設計手冊》，d1= d +2*，得d1=46 mm。6）小頭襯套寬度：在通常情況下，襯套和小頭制成同樣寬度。連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復運動。連桿小頭孔要有足夠的壁厚外，還要特別注意小頭到桿身過渡的圓滑性，這個過渡結(jié)構(gòu)決定小頭的剛度及支承情況，對小頭變形和應力有很大影響，應該盡量減小圓弧處的應力集中。（3）桿身的結(jié)構(gòu)尺寸：連桿桿身采用“工”字形截面，這樣有助于桿身向小、大頭的過渡，這種桿身在較小的重量下能得到較大的剛度。1）桿身斷面的平均高度H：根據(jù)《柴油機設計手冊》，H范圍在()D之間，取H=34mm。2）連桿厚度B：根據(jù)《柴油機設計手冊》，H/，取B=25 mm。為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，把桿身斷面H設計成從小頭到大頭逐漸加大，在桿身到大頭的過渡采用了較大的過渡圓。（4）連桿大頭的尺寸及結(jié)構(gòu)： 1）連桿大頭軸瓦厚度：取= 2）連桿大頭軸承孔內(nèi)徑D2：根據(jù)連桿軸頸直徑有Dp=74+2*=79 mm。 3）連桿大頭軸承外徑D3：取D3=86 。 4）連桿大頭寬度B3：取B3= 42。5）連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連，應該要有足夠的強度和剛度，否則會影響薄壁軸瓦，連桿螺栓等。為了便于維修，使連桿能夠從汽缸中取出，要求大頭在擺動平面內(nèi)的總寬度B0必須小于汽缸直徑。連桿大頭有整體式和分開式兩種。一般都采用分開式，分開式又分為平分和斜分兩種。平分——分開面與連桿桿身軸線垂直，汽油機多采用這種連桿。斜分——分開面與連桿桿身軸線成30～60176。夾角。柴油機多采用這種連桿。因為，柴油機壓縮比大，受力較大，曲軸的連桿軸頸較粗，相應的連桿大頭尺寸往往超過了氣缸直徑，為了 使連桿大頭能通過氣缸，便于拆裝，一般都采用斜切口。故本次設計選用斜切口方式。根據(jù)《柴油機設計手冊》，斜角范圍在30度60度之間，取斜角為45度。斜切口連桿常用的定位方式：止口定位，銷套定位和鋸齒定位。連桿蓋：即連桿大頭可取下的部分。連桿與連桿蓋配對加工，加工后，在它們同一側(cè)需要打上配對記號，安裝時不得互相調(diào)換或變更方向。為此，在結(jié)構(gòu)上采取了定位措施。連桿螺栓：連桿螺栓將連桿蓋和連桿大頭連在一起，它在工作中承受很大的沖擊力，如果折斷或松脫，將造成嚴重事故。因此，連桿螺栓都采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，并精加工和熱處理特制而成。安裝 連桿蓋擰緊連桿螺栓螺母時，要用扭力板手分2～3次交替均勻地擰緊到規(guī)定的扭矩，擰緊后還 應可靠的鎖緊。連桿螺栓損壞后絕不能用其它螺栓來代替。連桿螺栓必須用中碳合金鋼制造，經(jīng) 調(diào)質(zhì)以保證高強度。連桿軸瓦：為了減小摩擦阻力和曲軸連桿軸頸的磨損，連桿大頭孔內(nèi)裝有瓦片式滑動軸承，簡稱連桿軸瓦。軸瓦分上、下兩個半片。連桿軸瓦上制有定位凸鍵，供安裝時嵌入連桿大頭和連桿蓋的定位槽中，以防軸瓦前后移動或轉(zhuǎn)動，有的軸瓦上還制有油孔，安裝時應與連桿上相應的油孔對齊。目前多采用薄壁鋼背軸瓦，在其內(nèi)表面澆鑄有耐磨合金層。耐磨合金層具有質(zhì)軟，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨損等特點。連桿軸瓦的背面有很高的光潔度。半個軸瓦在自由狀態(tài)下不是半圓形，當它們裝入連桿大頭孔內(nèi)時，又有過盈，故能均勻地緊貼在大頭孔壁上，具有很好的承受載荷和導熱的能力，并可以提高工作可靠性和延長使用壽命。軸瓦在軸承孔中真正的定位是靠過盈來保證的，一般在瓦口向外沖壓一個定位唇，在軸承座加工一個定位槽，保證軸向定位。3．3 機體組水冷發(fā)動機的氣缸體和上曲軸箱常鑄成一體，稱為氣缸體——曲軸箱，也可稱為氣缸體。氣缸體上半部有一個或若干個為活塞在其中運動導向的圓柱形空腔，稱為氣缸；下半部為支承曲軸和曲軸箱，其內(nèi)腔為曲軸運動的空間；下曲軸箱是一個簡單的儲油箱，稱為油底殼。氣缸體與氣缸蓋之間用氣缸蓋襯墊密封。機體中還有往復運動的氣缸套。 機體 [2]機體的工作表面由于經(jīng)常與高溫，高壓燃氣相接觸，且有活塞在其中作高速往復運動，所以必須耐高溫，耐磨損，耐腐蝕，應該具有足夠的強度和剛度，即不能發(fā)生裂紋和損壞，也不能出現(xiàn)多大的變形，尤其是機體與氣缸蓋的結(jié)合處，氣缸套，主軸承座等處，若剛度不夠就會產(chǎn)生氣缸密封失效，機體振動加劇等嚴重后果。機體是一個內(nèi)部有很多擱板的箱形結(jié)構(gòu)，它的剛度主要取決于機體壁的形狀而并非厚度，因此常將壁厚減薄到鑄造工藝所允許的最小值，在最輕巧的前提下獲得很大的剛度。機體的質(zhì)量要占內(nèi)燃機總質(zhì)量的1/4左右，而制造成本約占總成本的1/10，故機體設計要注意減輕其質(zhì)量和改善鑄造和加工工藝性。其材料通常用灰鑄鐵和鋁合金鑄造。（1）機體的三種結(jié)構(gòu)形式（如下圖）：1）一般式機體：是油底殼安裝平面和曲軸旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。這種氣缸體的優(yōu)點是機體高度小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工，曲軸拆裝方便；但其缺點是剛度和強度較差。2）龍門式機體：其特點是油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。它的優(yōu)點是強度和剛度都好，結(jié)構(gòu)緊湊，筋條分布合理而均勻，能承受較大的機械負荷；但其缺點是工藝性較差，結(jié)構(gòu)笨重，加工較困難。3）隧道式機體：這種形式的氣缸體曲軸的主軸承孔為整體式，采用滾動軸承，主軸承孔較大，曲軸從氣缸體后部裝入。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強度好，但其缺點是加工精度要求高，工藝性較差，曲軸拆裝不方便。 設計中根據(jù)所需的強度和剛度，選用龍門式機體。 （2）機體的主要尺寸機體在曲軸箱部分的基本尺寸決定于連桿曲軸組件旋轉(zhuǎn)運動的需要，使它們能在機體內(nèi)自由運動，另一方面則又要使機體外形盡可能緊湊。機體剛心距Lo：它影響柴油機縱向尺寸的緊湊性，取決于曲軸軸向尺寸，冷卻水腔厚度，氣缸套和氣缸蓋的選型。設計選用濕式缸套，全支承曲軸。根據(jù)《柴油機設計手冊》，Lo/，取Lo=140mm。（3）機體的細節(jié)設計 [4] 一個重要原則就是要使主要載荷盡可能直線傳遞，避免產(chǎn)生附加的彎曲和扭轉(zhuǎn)。1）在氣缸蓋螺栓和主軸承螺栓的布置時要注意：拉力完全直線傳遞，螺孔下沉很深，使力線很短。從力的傳遞角度來看，每氣缸周圍布置4個氣缸蓋螺栓最好。2）機體上尺寸比較大的壁面最好設計成不斷彎曲的波浪形，而不是簡單的大平面?？梢允蛊奖诟某蓮澅?，加大結(jié)構(gòu)剛度，相鄰兩缸間的氣缸蓋螺栓的軸線也靠近剛度較大的側(cè)壁和下面主軸承螺栓的軸線。3）為使壁面的剛度加強，可以設置加強筋，且盡可能的布置成不易變形的三角形。為加強局部的剛度，可以使壁面盡可能的減薄，但必須加強局部的厚度。注意壁面變化要圓滑過渡。（4）機體內(nèi)水道的布置[4]1）設計時水道布置于機體的上部，使氣缸套上部先進行冷卻，而下部可以利用溫差產(chǎn)生對流來進行冷卻。這樣布置水路比較緊湊，水泵裝拆也比較方便。但是分水口水流比較急速。2）布置水道要注意：a．水道最好設計成平滑和逐漸變化的管道，以避免死水區(qū)及渦流區(qū)；b．水道截面前端要大些，向后端逐漸縮??；c．水道應該要通暢，不得存在氣泡的死區(qū)，特別是與氣缸壁上部相接觸的地方，應該避免造成局部過熱。3）水腔的尺寸a．活塞在上止點位置時，其第一環(huán)的位置應該在水腔區(qū)域內(nèi)。根據(jù)《柴油機設計手冊》，取ho=15mm。b．活塞在下止點位置時，活塞裙部露出不宜過大。根據(jù)《柴油機設計手冊》，hu范圍在()D之間。（5）機體內(nèi)油道的布置及設計要點 1）機體內(nèi)的主油道位于機體的腰部，若靠近凸輪軸一邊，有利于減少管道和鉆孔的長度。2）油道如果越長，孔徑應該稍大一些。3）主軸承為滾動軸承時，油道孔徑可略小