[工学]柴油机各系统设计.docVIP

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： 根据《柴油机设计手册》，铝活塞/D范围在0.1-0.2，取=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g： 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