x2110N型柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)

賈文靜 初宏瑞

摘 要：本設(shè)計(jì)選擇x2110N型柴油機(jī)作為研究對象，針對發(fā)動機(jī)內(nèi)部的活塞組與連桿組展開設(shè)計(jì)。首先確定x2110N型柴油機(jī)基本參數(shù)，其次查閱柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊根據(jù)柴油發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)及類型確定該型號柴油機(jī)相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并基于此對x2110N型柴油機(jī)的活塞進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，最后對不同的設(shè)計(jì)參數(shù)完成公式校核并確定涉及可行性，最終設(shè)計(jì)出密封性能好、穩(wěn)定性高、質(zhì)量輕的發(fā)動機(jī)活塞連桿組。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 活塞連桿 強(qiáng)度

Abstract：This design selects the x2110N diesel engine as the research object， and designs the piston group and connecting rod group inside the engine. Firstly， the study determines the basic parameters of x2110N diesel engine， secondly consults the diesel engine design manual to determine the relevant parameter design standards of the model diesel engine according to the basic parameters and types of diesel engines， and based on this， the piston of x2110N diesel engine is designed for parameter design， and finally the formula check of different design parameters is completed and the feasibility involved is determined， and finally the engine piston connecting rod group with good sealing performance， high stability and light weight is designed.

Key words：diesel engine， piston connecting rod， strength

活塞連桿組作用是將氣缸內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的壓力帶動活塞上下運(yùn)動，并將此力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)。從其性質(zhì)來看，屬于發(fā)動機(jī)內(nèi)部的傳動件，將燃燒氣體的壓力傳輸?shù)角S，使得曲軸旋轉(zhuǎn)，并且進(jìn)行動力輸出。因此本設(shè)計(jì)通過降低活塞的重量并增加強(qiáng)度，從而提高工作效率及使用壽命，促進(jìn)發(fā)動機(jī)動力性的提高，有利于提高柴油發(fā)動機(jī)的性能。

1 活塞材料選取

在活塞設(shè)計(jì)的過程中，常用的材料選擇一般為鋁合金、鑄鐵與鍛鋼等。x2110N型柴油機(jī)活塞實(shí)施具體設(shè)計(jì)的過程中，在材料方面有著相對應(yīng)的性能要求，主要包含加工方便、導(dǎo)熱系數(shù)高、機(jī)械強(qiáng)度大、抗腐蝕能力強(qiáng)等。對于鋁合金材料而言，其優(yōu)勢就在于較強(qiáng)的傳熱能力以及較低質(zhì)量，其不足之處就在于溫度的持續(xù)提升，會使得本身在剛度以及強(qiáng)度方面出現(xiàn)隨著溫度的升高反而降低。此時(shí)可以在其中添加對應(yīng)的化學(xué)元素，比如硅元素等，利用這種方式改善材料性能，通過合理的添加，能顯著增強(qiáng)耐磨性能，增強(qiáng)使用壽命。本次對活塞設(shè)計(jì)時(shí)，材料選擇為共晶硅鋁合金，不僅可以使得活塞磨損減輕，還可以增加熱傳遞性能。

2 活塞設(shè)計(jì)

2.1 活塞頭部設(shè)計(jì)

活塞頂部與活塞環(huán)帶共同構(gòu)成活塞頭部，能夠承受活塞組在工作期間形成的壓力，并且利用活塞銷座完成壓力傳遞，將壓力傳輸?shù)竭B桿。

在活塞頂部設(shè)計(jì)時(shí)，其薄厚利用δ表示，如下表1，在δ值增加的過程中，活塞頂部承受的熱應(yīng)力也在提升。為了更好的滿足其剛度、強(qiáng)度要求，在δ值選擇的過程中，要盡量小。本設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)方面選擇了凹頂型活塞，燃燒室方面為ω型燃燒室，其具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大、中、小型柴油機(jī)。在厚度選擇時(shí)，需要參考活塞頂部的最大承載力，一般情況下，其承受的壓力值越大，相應(yīng)的厚度就越大。提升活塞頂?shù)暮穸?，就會使得剛度增加，不過在熱傳導(dǎo)方面會受到一定的負(fù)面影響。

本設(shè)計(jì)的活塞為小型高速鋁活塞，選擇δ/D=0.1，由此δ=11.0。

2.2 活塞高度設(shè)計(jì)

在活塞設(shè)計(jì)的過程中，活塞高度的設(shè)計(jì)同樣非常關(guān)鍵，基于使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有效的目的，要可能將高度控制在較低范圍內(nèi)。

從表2的內(nèi)容來看，本設(shè)計(jì)的柴油機(jī)為中小型高速柴油機(jī)，因此選值范圍為（1.0-1.3）D。為了減少活塞質(zhì)量，增加柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，在高度參數(shù)選擇時(shí)盡量小。實(shí)際確定高度1.0D，活塞高度為110mm。

面向活塞壓縮高度H1實(shí)施分析，其確定活塞銷所處位置。在降低活塞的壓縮高度以后，不僅提升了氣環(huán)的應(yīng)用穩(wěn)定性，同時(shí)降低了柴油發(fā)動機(jī)本身的高度。

從表3的內(nèi)容來看，本設(shè)計(jì)的柴油機(jī)為中小型高速柴油機(jī)，其D＞105mm，因此取值H1/D=0.8，H1=88mm。

對于第一道氣環(huán)而言，其所處位置取決于活塞頂岸高度，由于具體運(yùn)行過程中，溫度波動程度較小，所以要選取相對小的頂岸高度，不僅使得活塞質(zhì)量變小，還能夠使得活塞總體高度降低。

本設(shè)計(jì)的柴油機(jī)為中小型高速柴油機(jī)，因此取值H1/D=0.14，H1=15.4mm。從表4數(shù)據(jù)來看，基于確保運(yùn)行過程中始終保持密封的目的，在進(jìn)行設(shè)計(jì)之時(shí)必須制定出相的設(shè)計(jì)方案，利用這種方式增加活塞環(huán)的耐磨性，所以對于氣環(huán)高度而言，其范圍為b=2-3mm，對于油環(huán)高度而言，其范圍為b=4-6mm。第一道氣環(huán)確定環(huán)帶高度b=2.2mm，第二道氣環(huán)確定環(huán)帶高度b1=2.2mm，對于油環(huán)而言，其環(huán)帶高度是b2=4.2mm。

活塞環(huán)岸對應(yīng)的高度：在活塞環(huán)受到外部氣體壓力時(shí)，為了確保其不會被損壞，因此在環(huán)岸高度數(shù)據(jù)選擇時(shí)，較之于第一道氣環(huán)要盡量更大。由此確定活塞環(huán)岸高度是c1=（1.25-2.5）b1，c2=c3=（1-2）b2，據(jù)此確定c1=2b1=4.4mm，c2=c3=6.3mm。

2.3 活塞裙部設(shè)計(jì)

由于其處在最后環(huán)下部位置，為了降低活塞裙部工作期間的側(cè)壓力影響，必須盡量增加其設(shè)計(jì)高度。活塞在氣缸運(yùn)動時(shí)，主要是在活塞裙部的引導(dǎo)下進(jìn)行運(yùn)動，并且會形成對于活塞裙部的側(cè)壓力。

從表5內(nèi)容來看，本設(shè)計(jì)的柴油機(jī)為中小型高速柴油機(jī)，因此取值H2/D=0.7，活塞裙部對應(yīng)的高度為H2=0.7D=77mm。

在活塞裙部上裙H3下裙H4選擇時(shí)，必須確定二者之間的合理比值，一般情況下取值H3=（0.65-0.75）H2，取值為H3=0.7H2。即活塞裙部處，上裙為H3=53.9mm，下裙為H4=H2-H3=23.1mm。

3 結(jié)論

本文以x2110N柴油機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，對活塞連桿組進(jìn)行設(shè)計(jì)，活塞材料選擇硅鋁合金，不僅耐磨性和熱穩(wěn)定性比較好，同時(shí)質(zhì)量較輕，能夠有效降低活塞的工作溫度。在第一道環(huán)材料選擇時(shí)，其和二、三道環(huán)相比，對于耐磨性的要求更高。因此第一道環(huán)選擇應(yīng)用球墨鑄鐵，其耐磨性比較好，同時(shí)韌性好，二三道環(huán)材料選擇灰鑄鐵，實(shí)際耐磨性比較好，應(yīng)用成本比較低，連桿材料選擇合金鋼，不僅成本比較低，同時(shí)能夠減少桿身斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在活塞設(shè)計(jì)的過程中，其整體高度較低，能夠降低活塞整體質(zhì)量，并且活塞壓縮高度、頂岸高度也比較小，分別是88mm與15.4mm，能夠有效減小活塞的整體高度。其中第一環(huán)岸高度超過二三環(huán)岸，達(dá)到增強(qiáng)活塞環(huán)的耐用性的目的，三道環(huán)岸高度分別是4.4mm、6.3mm與6.3mm，在確保整體剛度的前提下，裙部壁厚設(shè)計(jì)盡量薄，能夠降低活塞整體重量，在活塞環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇應(yīng)用較薄的環(huán)，能夠降低活塞本身的高度，進(jìn)而降低活塞質(zhì)量。

基于項(xiàng)目：齊齊哈爾工程學(xué)院《發(fā)動機(jī)原理與汽車?yán)碚摗分攸c(diǎn)建設(shè)課。

參考文獻(xiàn)：

[1]Aman Kumar.Design analysis and optimization of 12 cylinder-type diesel engine components[J].IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2020，（3）：39.

[2]Buddi Tanya，Rana R.S.Fabrication and finite element analysi soft wwheeler connectingrodusingreinforcedaluminummatrixcompositesAl7068andSi3N4[J].Materials Today：Proceedings，2021，（3）：46-48.

[3]Helal M.Dimensional structural mass optimization offorged steel connecting rod for aircraft piston engine[J]. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2021，（1）：72.

[4] 張津源，王富維.某船用柴油機(jī)活塞組的設(shè)計(jì)與傳熱分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020，（1）：46-48.

[5] 張廣峰，郭進(jìn)舉.190系列發(fā)動機(jī)活塞連桿組工藝改進(jìn)[J].工程科技Ⅱ輯動力工程，2021，（1）：72-73.

[6] 李仕生，袁瓊.連桿結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及其對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J/OL].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2021，（1）：1-9.

[7] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：59-120.

[8] 宋嬌，趙忠誠，田新偉，等.柴油機(jī)活塞裙面型線設(shè)計(jì)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2020，37（05）：65-71.

[9] 王星全，張俊青，徐濤，等.高強(qiáng)化船用柴油機(jī)組合活塞裙部型面設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2021，38（01）：68-73.

[10] 鄭國戰(zhàn)，薛冬新，王洪峰.某柴油機(jī)連桿力學(xué)響應(yīng)分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（01）：144-147.

[11] 韓秀奇，佟士財(cái)，單術(shù)梅.談柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2019，（10）：62.

[12] 王海林.柴油機(jī)活塞連桿組件裝配要求[J].河北農(nóng)機(jī)，2019，（10）：39.

[13] 李明曉，于靜，潘新霞，等.電動鉆機(jī)用柴油機(jī)連桿大頭軸瓦的設(shè)計(jì)分析與現(xiàn)場應(yīng)用研究[J].中國設(shè)備工程，2021，（20）：131-133.

[14] 錢立宏.柴油機(jī)連桿軸瓦異常磨損分析及改進(jìn)[J].柴油機(jī)，2021，43（02）：54-56+60.

[15] 李偉.考慮混合潤滑的連桿小頭襯套微動疲勞[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2021.