【正文】 瞬時(shí)的壓力最大值可達(dá)3～6MPa。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?；钊敳窟€有氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。為適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強(qiáng)度、剛度前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單、輕巧，截面變化處的過(guò)渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中。在機(jī)械載荷的作用下，活塞各部位了各種不同的應(yīng)力：活塞頂部動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應(yīng)力；環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。大頭高度 圖 連桿大頭的主要尺寸 活塞組的設(shè)計(jì)活塞組主要由活塞、活塞環(huán)、活塞銷組成，用來(lái)與氣缸、氣缸蓋相配合形成一個(gè)容積變化的密閉空間，在這里完成內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程；同時(shí)活塞組也承受燃?xì)鈮毫?，并把它傳給連桿、曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外輸出扭矩，以驅(qū)動(dòng)汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。三、連桿大頭的主要尺寸大頭孔直徑根據(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D1=53mm 大頭寬度 連桿軸瓦厚度 連桿螺栓直徑 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=（～），取=，即=71mm，螺紋外側(cè)邊后不小于2～4 mm。這樣的定位方式常用在車用柴油機(jī)的斜切口的連桿上。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。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。減小了連桿螺釘承受的慣性拉伸負(fù)荷但同時(shí)在結(jié)合面上產(chǎn)生較大的切向力，使連桿螺釘承受剪切作用。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。螺栓頭支承面和螺母支承面要圓弧過(guò)度，避免加工尖角，可采用鍛造圓角或圓弧沉割來(lái)減少應(yīng)力集中，但必須盡量提高圓弧沉割處的光潔度。所謂的大頭設(shè)計(jì)，實(shí)際上是確定連桿大頭在擺動(dòng)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)。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)。其中截面寬B=20mm t=5mm截面的高H=（～）B ，取H==28mm圖 連桿桿身橫截面形狀 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。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(guò)渡處，最大壓應(yīng)力發(fā)生在桿身中部。具有邊緣厚并倒圓的工字型截面是比較有利的。因?yàn)檫@種連桿鍛造時(shí)變形比較大，就有可能產(chǎn)生鍛造裂紋的危險(xiǎn)，特別時(shí)在工字型截面兩臂邊緣上更易出現(xiàn)裂紋。可忽略。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)連桿受壓時(shí)，有可能發(fā)生不穩(wěn)定彎曲，此外當(dāng)連桿作高速擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)還要承受本身的橫向慣性力的彎曲作用。 連桿桿身的設(shè)計(jì)連桿桿身采用工字型截面，工字型截面的長(zhǎng)軸位于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi)。在小頭和襯套上都開(kāi)有集油孔和集油槽，用來(lái)收集和積存飛濺的潤(rùn)滑油。青銅襯套與活塞銷的配合間隙△大致在（～）d的范圍內(nèi)，～，由于此設(shè)計(jì)選用全浮式活塞銷，故可使銷和襯套的間隙梢大，～，即襯套的內(nèi)徑為mm。小頭孔的直徑設(shè)計(jì)為mm，～，則襯套外徑尺寸為mm。襯套與小頭孔的配合襯套與連桿小頭孔為過(guò)盈配合，常用的配合為jd、je、jbjc3等。三、連桿襯套為了減小活塞銷對(duì)連桿小頭的磨損，應(yīng)在小頭內(nèi)裝入襯套。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(guò)許用值。小頭寬度b1取決于活塞銷間隔B和銷座與連桿小頭的端面間隙。選==，所以小頭的內(nèi)徑d1為32mm。由于襯套內(nèi)徑d要和活塞銷相配合，d=(~)D,，即d=*75=27mm,其公稱直徑是27mm。其結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖 連桿小頭的尺寸 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(jiǎn)單，制造方便，材料能充分利用，受力時(shí)應(yīng)力分布較均勻。所以為使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，最合適的連桿長(zhǎng)度應(yīng)該是，在保證連桿及相關(guān)機(jī)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)不與其他機(jī)件相碰的情況下，選取最小的連桿長(zhǎng)度。連桿長(zhǎng)度越短，即越大，可降低發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速。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(xiǎn)，一般采用噴丸處理來(lái)消除連桿內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力和提高連桿強(qiáng)度。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。 連桿的材料高速柴油機(jī)的連桿一般采用碳鋼或合金鋼經(jīng)模鍛而成最常用的連桿材料有：45,40Cr,40CrMo等。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)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。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會(huì)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作帶來(lái)不好的影響。針對(duì)連桿的應(yīng)力分析決定連桿的構(gòu)型，使材料合理利用，滿足連桿既輕巧又耐用的要求。必須從材料選用構(gòu)型設(shè)計(jì)，熱處理及表面強(qiáng)化等方面采取措施來(lái)解決連桿尺寸，重量，強(qiáng)度和剛度之間的矛盾。此外，連桿還可能承受由于加工不準(zhǔn)確，承壓面對(duì)連桿軸線不對(duì)稱等引起的附加彎曲載荷。在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)，由連桿力矩引起的橫向彎曲載荷。連桿主要承受以下載荷：由連桿力Pcr引起的拉壓疲勞載荷。3 主要零部件設(shè)計(jì)及計(jì)算 連桿組的設(shè)計(jì) 連桿的工作情況連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)非增壓柴油機(jī)：C=(～)104 （27）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[2,3]。用氣缸中心距來(lái)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。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。（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。（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。氣缸中心距氣缸中心距是柴油機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)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。因此S/D的選擇應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體要求[3]。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。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。考慮到此發(fā)動(dòng)機(jī)為農(nóng)用運(yùn)輸車，我們所選擇的缸徑為80～100。而氣缸直徑與缸數(shù)和轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。選用較大的缸徑是提高功率的一個(gè)措施。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(guò)高的問(wèn)題，一般措施是：采用強(qiáng)制冷卻活塞、組合式活塞來(lái)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[3]。同時(shí)，對(duì)排氣的有害成分、噪聲、振動(dòng)等都有不利影響。提高Pe值可使功率增加，比重量下降。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： (23) (24)提高沖氣系數(shù)，改善工作過(guò)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。一般活塞平均速度為：～12m/s。震動(dòng)和噪聲等問(wèn)題突出出來(lái)，一般柴油機(jī)的噪聲強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。（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。（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。柴油機(jī)體積小、重量輕。在功率給定以后，可以算出平均有效壓力。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(duì)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。（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。（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。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2400r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨其配套對(duì)象而異。轉(zhuǎn)速提高可使柴油機(jī)體積小，重量輕和功率大。轉(zhuǎn)速的選定轉(zhuǎn)速對(duì)柴油機(jī)性能和結(jié)構(gòu)影響很大，且其范圍十分寬廣（100~6000rpm）。拖拉機(jī)用發(fā)動(dòng)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(chǔ)備率要求高于汽車，一般在15%及以上。對(duì)于車用高速柴油機(jī)而言，其功率視車輛的用途、車輛的總質(zhì)量而定。有效功率的確定在確定高速柴油機(jī)有效功率（kw）時(shí)，必須考慮另一與功率有密切聯(lián)系的扭矩值（N 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 （21）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；τ為沖程數(shù)[2]。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。由于直噴式燃燒系統(tǒng)動(dòng)力性好，燃油、機(jī)油消耗率低、啟動(dòng)性能好，以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，它比分開(kāi)式燃燒室燃油消耗率低5%—10%左右。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(duì)高速柴油機(jī)工作過(guò)程，特別是進(jìn)氣