发动机结构概念设计.ppt

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1、发动发动机机结结构构概念概念设计设计中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所20072007年年8 8月月中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所主要内容主要内容一、一、机体与气缸套机体与气缸套；二、二、气缸盖气缸盖；三、三、活塞活塞；四、四、连连杆杆；五、五、曲曲轴轴；六、六、配气机构配气机构；中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所一、机体与气缸套一、机体与气缸套 1 1 机体机体 机体是发动机的基础（骨架），几乎所有零部件和辅助机体是发动机的基础（骨架），几乎所有零部件和辅助系统均装置于机体的内外。系统均装置于机体的内外。体积最大：决定发动机的外形尺寸体积最大：决定发动机的外形尺寸 重量

2、最大：占发动机总净质量重量最大：占发动机总净质量20%20%25%25%1.1 1.1 机体结构形式机体结构形式 平分式和下沉式（平分式和下沉式（图图）；）；根据有无气缸套及其安装形式，机体又可分为：无缸套、根据有无气缸套及其安装形式，机体又可分为：无缸套、干式缸套和湿式缸套三种形式。干式缸套和湿式缸套三种形式。1.2 1.2 机体设计要求机体设计要求 具有足够的强度具有足够的强度 机体承受交变的拉压、弯曲和扭转载荷，在长期和连续机体承受交变的拉压、弯曲和扭转载荷，在长期和连续作用下，必须具有足够的强度，发动机强化程度愈高，对强作用下，必须具有足够的强度，发动机强化程度愈高，对强度的要求愈苛刻

3、。度的要求愈苛刻。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所 具有足够的刚度具有足够的刚度 刚度是机体设计中极为重要的指导思想。刚度是机体设计中极为重要的指导思想。缸体刚度不足会使气缸套失圆，气缸密封失效，造成漏缸体刚度不足会使气缸套失圆，气缸密封失效，造成漏气，机油耗量增大，严重时导致拉缸；气，机油耗量增大，严重时导致拉缸；曲轴主轴承孔、凸轮轴孔变形过大导致各摩擦副的磨损曲轴主轴承孔、凸轮轴孔变形过大导致各摩擦副的磨损加剧，严重时会影响曲轴与凸轮轴对气缸中心线的垂直度，加剧，严重时会影响曲轴与凸轮轴对气缸中心线的垂直度，这将大大影响发动机工作可靠性和使用寿命；这将大大影响发动机工作可靠性和使用

4、寿命；机体上壁，特别是曲轴箱壁刚度不足时，将产生过大变机体上壁，特别是曲轴箱壁刚度不足时，将产生过大变形及振动，从而激发出强烈的噪声，构成发动机噪声中的重形及振动，从而激发出强烈的噪声，构成发动机噪声中的重要组成部分；要组成部分；传动箱刚度不足则导致各传动孔相对位置偏差过大，传传动箱刚度不足则导致各传动孔相对位置偏差过大，传动平稳性变差，齿轮磨损加剧，受力状况恶化，噪声增大，动平稳性变差，齿轮磨损加剧，受力状况恶化，噪声增大，严重时导致断齿，直至发动机失效。严重时导致断齿，直至发动机失效。1.3 1.3 机体设计规范机体设计规范1.3.1 1.3.1 材料材料中国北方发动机研究所中国北方发动机

5、研究所 高强度灰铸铁（高强度灰铸铁（HT250 HT250、HT300HT300）或合金铸铁、高强度）或合金铸铁、高强度铝硅合金（如：铝硅合金（如：ZL101ZL101、ZL702AZL702A、ZL114AZL114A）。）。1.3.2 1.3.2 缸心距与缸径比（缸心距与缸径比（L/DL/D）为缩小体积、减小重量，机体在缸径为缩小体积、减小重量，机体在缸径D D确定的情况下，确定的情况下，缩小外形尺寸的潜力主要就是最大限度地压缩缸心距缩小外形尺寸的潜力主要就是最大限度地压缩缸心距L L，以，以求得最短的机体长度尺寸。求得最短的机体长度尺寸。L/DL/D：1.101.101.151.15（国

6、外），（国外），1.201.201.251.25（国内），依（国内），依赖于铸造技术赖于铸造技术 无缸套机体：无缸套机体：L/D=1.17L/D=1.17（RicardoRicardo）干式缸套机体：干式缸套机体：L/D=1.20L/D=1.20 湿式缸套机体：湿式缸套机体：L/D=1.28L/D=1.281.3.3 1.3.3 基本壁厚基本壁厚 缸径缸径D D为为100mm100mm以下时，基本壁厚为以下时，基本壁厚为4 45mm5mm；缸径缸径D D为为100100130mm130mm时，基本壁厚为时，基本壁厚为5 56mm6mm；缸径缸径D D为为130130150mm150mm时，基本

7、壁厚为时，基本壁厚为6 68mm8mm。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1.3.41.3.4 气缸盖螺栓数目及位置气缸盖螺栓数目及位置 中中小小缸缸径径多多缸缸机机多多采采用用每每缸缸六六个个螺螺栓栓近近似似均均布布的的方方案案，其其中中四四个个布布置置在在两两缸缸相相邻邻的的隔隔板板平平面面内内，螺螺栓栓孔孔搭搭子子须须用用一一定高度和宽度的筋条与主轴承盖螺栓搭子相联。定高度和宽度的筋条与主轴承盖螺栓搭子相联。缸径较大的机型一般采用七个或八个螺栓。缸径较大的机型一般采用七个或八个螺栓。缸径小于缸径小于90mm90mm的的2 2、3 3、4 4缸机也有采用四个螺栓的例子。缸机也有采用四

8、个螺栓的例子。螺螺栓栓搭搭子子若若靠靠近近机机体体壁壁面面时时，螺螺栓栓孔孔中中心心线线应应移移至至气气缸缸壁壁的的中心线，并以缓慢的坡度过渡到机体的壁面。中心线，并以缓慢的坡度过渡到机体的壁面。螺螺栓栓孔孔的的螺螺纹纹应应尽尽可可能能下下沉沉，采采用用湿湿式式缸缸套套时时甚甚至至可可下下沉到缸套支撑面以下，以改善机体顶平面的受力情况。沉到缸套支撑面以下，以改善机体顶平面的受力情况。1.4 1.4 提高机体结构刚度的设计方法提高机体结构刚度的设计方法1.4.1 1.4.1 合理的外形设计合理的外形设计 清砂孔位置清砂孔位置中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所清清砂砂孔孔不不应应布布置置机机

9、体体两两侧侧外外表表面面，即即使使是是直直径径较较小小的的孔孔、洞洞，这这一一点点为为国国外外许许多多高高速速柴柴油油机机的的结结构构所所证证实实。机机体体的的清砂宜从上、下及前、后端面处理。清砂宜从上、下及前、后端面处理。两侧外形设计两侧外形设计机机体体上上部部的的外外壁壁设设计计成成波波浪浪形形曲曲面面，实实践践证证明明，类类似似的的结结构形状有利于提高机体上部的刚度。构形状有利于提高机体上部的刚度。在在机机体体外外侧侧面面布布置置连连续续的的加加强强筋筋，也也有有利利于于提提高高机机体体上上部部的刚度。的刚度。1.4.2 1.4.2 采用无缸套或干式缸套机体采用无缸套或干式缸套机体 能最

10、大限度缩小外形尺寸，提高刚度。能最大限度缩小外形尺寸，提高刚度。无缸套机型多为四缸机，干式缸套机型的最大缸径可无缸套机型多为四缸机，干式缸套机型的最大缸径可达达146mm146mm。统计数据：日本八大汽车制造企业近年生产的统计数据：日本八大汽车制造企业近年生产的194194种汽种汽车柴油机（缸径为车柴油机（缸径为7474146mm146mm，标定转速为，标定转速为520052002200r/min2200r/min的的4 4、6 6缸直列和缸直列和V8V8、V10V10、V12V12缸机）中，无缸缸机）中，无缸套机型套机型5454种（种（28%28%），干式缸套机型），干式缸套机型9090种（

11、种（46%46%），共），共144144种；湿式缸套机型种；湿式缸套机型5050种（种（26%26%）。）。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1.4.3 1.4.3 加强主轴承盖刚度或采用整体框架轴承盖加强主轴承盖刚度或采用整体框架轴承盖 对于下沉式机体：采用横拉螺栓结构，如丰田对于下沉式机体：采用横拉螺栓结构，如丰田IHD-FTEIHD-FTE、150A150A等。等。对于平分式机体：采用整体框架式轴承盖，如潍柴的对于平分式机体：采用整体框架式轴承盖，如潍柴的Steyr Steyr WD615WD615（6L-1266L-126130130）、）、D12V150ZALLD12V150Z

12、ALL及三代改。及三代改。1.4.4 1.4.4 整体式传动箱式机体整体式传动箱式机体 1.4.5 1.4.5 提高机体顶板厚度提高机体顶板厚度 机体顶板是湿式缸套机体刚度最薄弱的环节，增大机体机体顶板是湿式缸套机体刚度最薄弱的环节，增大机体顶板厚度，可提高缸套座圈部分的刚度，避免缸套支撑凸肩顶板厚度，可提高缸套座圈部分的刚度，避免缸套支撑凸肩因刚度不足而导致气缸变形。刚性好的顶板也有助于增加整因刚度不足而导致气缸变形。刚性好的顶板也有助于增加整个机体的抗弯刚度。个机体的抗弯刚度。1.4.6 1.4.6 缩小两缸间隔板通水孔面积，并尽可能降低其位置缩小两缸间隔板通水孔面积，并尽可能降低其位置

13、对于串联或串并联进水方式的机体，两缸之间隔板的通对于串联或串并联进水方式的机体，两缸之间隔板的通孔，是局部刚性薄弱环节，设计中可对模型进行模态分析，孔，是局部刚性薄弱环节，设计中可对模型进行模态分析，修改设计，以提高局部刚度。修改设计，以提高局部刚度。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所2 2 气缸套（气缸套（图图）2.1 2.1 整体式气缸套（无气缸套）设计规范与应用整体式气缸套（无气缸套）设计规范与应用 广泛用于高速、高紧凑、高强化车用柴油机。广泛用于高速、高紧凑、高强化车用柴油机。螺栓孔螺纹深度：螺栓孔螺纹深度：10%D10%D 机体顶部厚度：机体顶部厚度：20%D20%D（改善气缸

14、孔变形）（改善气缸孔变形）缸筒壁厚：缸筒壁厚：7%D7%D 典型应用：典型应用：FordFord的的BSD-678BSD-678（522kW/3000r/min522kW/3000r/min）,平均有效压力：平均有效压力：2.678MPa2.678MPa Benz Benz的的OM603D35AOM603D35A（T T）车用、五十铃的）车用、五十铃的4EEI4EEI（T T）轿车）轿车 Cummins BCummins B系列载重货车柴油机系列载重货车柴油机 缺点：缺点：铸造要求严格，维修性差。铸造要求严格，维修性差。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所2.2 2.2 干式气缸套设计规范

15、干式气缸套设计规范 该结构形式是从整体式气缸套考虑维修性而发展起来，该结构形式是从整体式气缸套考虑维修性而发展起来，覆盖范围覆盖范围D D：82mm82mm146mm146mm壁厚：壁厚：1.21.23.5mm3.5mm（离心浇注），（离心浇注），1mm1mm（冷拉低碳无缝钢管）（冷拉低碳无缝钢管）配合：配合：过渡配合（过渡配合（H6/r6H6/r6），压入机体后珩磨。），压入机体后珩磨。滑配合（滑配合（H6/g6H6/g6）。）。典型应用：典型应用：HinoHino（日野）的（日野）的F20CF20C（280280、350kW/2200r/min350kW/2200r/min）2.3 2.3

16、 湿式气缸套设计规范湿式气缸套设计规范 湿式缸套是我国广泛应用的传统结构形式，设计原则是湿式缸套是我国广泛应用的传统结构形式，设计原则是综合考虑刚度与热应力的平衡。刚度与壁厚三次方成正比，综合考虑刚度与热应力的平衡。刚度与壁厚三次方成正比，增加刚度是解决穴蚀的有效方法，壁厚受到热应力的限制，增加刚度是解决穴蚀的有效方法，壁厚受到热应力的限制，最佳壁厚最佳壁厚7%D7%D。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所 湿式气缸套设计规范湿式气缸套设计规范中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所2.4 2.4 材料和表面处理材料和表面处理 2.4.1 2.4.1 材料主要有锻钢和铸铁材料主要有锻钢和铸

17、铁 一般强化程度要求的柴油机气缸套：采用中磷钒钛铸铁、一般强化程度要求的柴油机气缸套：采用中磷钒钛铸铁、硼铸铁、加铌铸铁、硼钛铸铁等材料；硼铸铁、加铌铸铁、硼钛铸铁等材料；高强化程度要求的柴油机气缸套：采用球墨铸铁、可锻铸高强化程度要求的柴油机气缸套：采用球墨铸铁、可锻铸铁或半可锻铸铁以及锻钢，但必须经专门的热处理。铁或半可锻铸铁以及锻钢，但必须经专门的热处理。2.4.2 2.4.2 表面处理表面处理 表面处理的目的：表面处理的目的：其一为加速活塞、活塞环与气缸套的磨合，如对气缸套进其一为加速活塞、活塞环与气缸套的磨合，如对气缸套进行磷化处理；行磷化处理；其二为提高气缸套的耐磨性和抗拉伤能力，

18、如采用表面镀其二为提高气缸套的耐磨性和抗拉伤能力，如采用表面镀铬、气体氮碳共渗、表面激光淬火、渗浸碳化硅、表面等离铬、气体氮碳共渗、表面激光淬火、渗浸碳化硅、表面等离子喷涂多元合金等。子喷涂多元合金等。2.4.3 2.4.3 平台网纹平台网纹 表面用表面用SiCSiC油石珩磨加工出有一定规范要求（交角油石珩磨加工出有一定规范要求（交角22222323）的交叉网纹，使珩磨形成的沟槽内储油，沟槽之间的）的交叉网纹，使珩磨形成的沟槽内储油，沟槽之间的平台承受活塞和活塞环的侧压力，从而改善磨合条件。平台承受活塞和活塞环的侧压力，从而改善磨合条件。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1 1 概述概述

19、 气缸盖与活塞、气缸套并与共同组成燃烧室，其结构形气缸盖与活塞、气缸套并与共同组成燃烧室，其结构形状复杂，除承受高温、高压燃气的作用外，还承受很大的螺状复杂，除承受高温、高压燃气的作用外，还承受很大的螺栓预紧力。气缸盖各部分的温度分布很不均匀，底面燃烧室栓预紧力。气缸盖各部分的温度分布很不均匀，底面燃烧室部分温度很高，而冷却水套部分温度较低，进、排气道温度部分温度很高，而冷却水套部分温度较低，进、排气道温度相差也较大。因此，气缸盖承受的机械应力和热应力都很大。相差也较大。因此，气缸盖承受的机械应力和热应力都很大。此外，因结构形状复杂，铸造残余应力也很大。此外，因结构形状复杂，铸造残余应力也很大

20、。2 2 设计要求设计要求 具有足够的强度和刚度，保证工作时变形小，避免气门具有足够的强度和刚度，保证工作时变形小，避免气门磨损、气门杆咬死、气缸密封失效等故障。磨损、气门杆咬死、气缸密封失效等故障。设计合理的气门（数目、大小）和进、排气道，保证高设计合理的气门（数目、大小）和进、排气道，保证高充气效率，对直喷式燃烧室还要求有合适的进气涡流强度。充气效率，对直喷式燃烧室还要求有合适的进气涡流强度。结构力求简单，铸造工艺性良好，冷却适宜，温度场分结构力求简单，铸造工艺性良好，冷却适宜，温度场分布均匀。布均匀。二、气缸盖二、气缸盖 中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所3 3 气缸盖的结构形式气

21、缸盖的结构形式3.1 3.1 水冷柴油机气缸盖分为整体式、单体式和分块式（水冷柴油机气缸盖分为整体式、单体式和分块式（图图）中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所3.2 3.2 按气门数分为二气门和四气门两种结构形式按气门数分为二气门和四气门两种结构形式 D D 110mm110mm的中、小型非直喷柴油机：多采用两气门结构，的中、小型非直喷柴油机：多采用两气门结构，燃烧室偏置；燃烧室偏置；D D 140mm140mm直喷柴油机，采用四气门结构；直喷柴油机，采用四气门结构；110mm110mm D D 140mm140mm，传统上采用两气门，近年来对排放指，传统上采用两气门，近年来对排放指标要

22、求的不断提高，越来越多的柴油机采用四气门结构。标要求的不断提高，越来越多的柴油机采用四气门结构。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所4 4 气缸盖设计规范气缸盖设计规范4.1 4.1 气门气门4.1.1 4.1.1 气门直径气门直径 流通能力流量系数流通能力流量系数相对面积系数相对面积系数其中：流量系数是衡量气道品质的参数；其中：流量系数是衡量气道品质的参数；相对面积系数是衡量气门座内通道面积的参数，是气门相对面积系数是衡量气门座内通道面积的参数，是气门座内通道总面积与气缸流通截面积之比。座内通道总面积与气缸流通截面积之比。对于两气门结构：对于两气门结构：进气门头部直径：进气门头部直径：d

23、vi=(0.4dvi=(0.40.45)D0.45)D，排气门头部直径：排气门头部直径：dvo=(0.35dvo=(0.350.4)D0.4)D。对于四气门结构：进气门头部直径对于四气门结构：进气门头部直径dvi=0.32Ddvi=0.32D。两气门与四气门的流通能力差：进气两气门与四气门的流通能力差：进气11%11%，排气，排气25%25%。4.1.2 4.1.2 直喷两气门布置（图）直喷两气门布置（图）中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所直喷两气门布置直喷两气门布置中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所4.2 4.2 气缸盖的预紧与密封气缸盖的预紧与密封4.1.1 4.1.1 气缸盖

24、螺栓的数目与位置气缸盖螺栓的数目与位置 气缸盖螺栓的数目为气缸盖螺栓的数目为4 48 8，尽可能靠近气缸套并沿气缸，尽可能靠近气缸套并沿气缸中心均匀布置。中心均匀布置。四螺栓布置用于小缸径发动机上（一般四螺栓布置用于小缸径发动机上（一般D85mmD85mm）；）；大多数中、小缸径柴油机，采用六螺栓布置，对于直喷大多数中、小缸径柴油机，采用六螺栓布置，对于直喷燃烧室，一般可沿气缸中心近似地布置成六角形；燃烧室，一般可沿气缸中心近似地布置成六角形；重车水冷柴油机，至少应采用重车水冷柴油机，至少应采用6 6个螺栓布置；个螺栓布置；增压机型常采用增压机型常采用7 78 8个螺栓布置。个螺栓布置。4.1

25、.2 4.1.2 气缸盖的预紧与密封气缸盖的预紧与密封 水冷单体式气缸盖：每缸预紧力水冷单体式气缸盖：每缸预紧力=(2.5=(2.53)Pz3)Pz，AVLAVL推荐推荐2 22.52.5；风冷柴油机气缸盖：每缸预紧力风冷柴油机气缸盖：每缸预紧力=(2=(22.5)Pz2.5)Pz；中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所4.3 4.3 气缸盖的材料气缸盖的材料对在热负荷下工作的材料，常用的判据是对在热负荷下工作的材料，常用的判据是EichelbergEichelberg品品质因子，即品质因子质因子，即品质因子=/aE=/aE式式中中，为为导导热热率率W/(mW/(mK)K)；为为极极限限拉拉

26、伸伸应应力力（MPaMPa）；）；a a为线胀系数（为线胀系数（1/K1/K）；）；E E为弹性模量（为弹性模量（MPaMPa）。）。灰灰铸铸铁铁除除强强度度比比较较差差外外，其其余余三三个个因因素素都都比比较较好好，加加上上其铸造工艺性良好，是气缸盖的较理想材料。其铸造工艺性良好，是气缸盖的较理想材料。球球墨墨铸铸铁铁虽虽然然强强度度较较高高，但但其其他他三三个个因因素素多多较较差差，因因此此在相同条件下容易发生热裂。在相同条件下容易发生热裂。在在热热负负荷荷与与机机械械负负荷荷比比较较高高的的情情况况下下，在在灰灰铸铸铁铁中中加加入入CuCu、CrCr、MoMo等合金元素，可以使其热品质进

27、一步提高。等合金元素，可以使其热品质进一步提高。高高强强度度铝铝硅硅合合金金的的热热品品质质可可与与灰灰铸铸铁铁相相比比，但但硬硬度度不不足足是是一一个个问问题题；另另外外其其线线胀胀系系数数太太大大，且且最最高高表表面面允允许许温温度度只只有有220220，所所以以仅仅限限于于应应用用在在重重量量要要求求苛苛刻刻的的军军用用柴柴油机。油机。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所4.4 4.4 气缸盖的热负荷气缸盖的热负荷不同类型的燃烧室对气缸盖热负荷影响很大，在不同类型的燃烧室对气缸盖热负荷影响很大，在气缸盖中的分布也很不均匀。气缸盖中的分布也很不均匀。无涡流直喷式柴油机气缸盖的热负荷最低

28、，有涡无涡流直喷式柴油机气缸盖的热负荷最低，有涡流的直喷式次之，热负荷最高的是涡流室。特别流的直喷式次之，热负荷最高的是涡流室。特别是小缸径柴油机，由于铸造壁厚不能随缸径减小是小缸径柴油机，由于铸造壁厚不能随缸径减小按比例减小，相对冷却水腔不足，热负荷特别高。按比例减小，相对冷却水腔不足，热负荷特别高。球型燃烧室的热负荷介于直喷式和涡流室之间。球型燃烧室的热负荷介于直喷式和涡流室之间。气缸盖中央的热流量最大，形成最危险区域。在气缸盖中央的热流量最大，形成最危险区域。在涡流室气缸盖上，中央和边缘的热流量相差可达涡流室气缸盖上，中央和边缘的热流量相差可达3 3倍；而在直喷式气缸盖上，热流量分布要均

29、匀倍；而在直喷式气缸盖上，热流量分布要均匀得多，因而直喷式柴油机更适合增压。得多，因而直喷式柴油机更适合增压。气缸盖材料的许用极限温度：气缸盖材料的许用极限温度：铸铁气缸盖：铸铁气缸盖：375375，铝合金气缸盖：，铝合金气缸盖：220220中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所4.5 4.5 降低气缸盖热负荷的措施降低气缸盖热负荷的措施4.4.1 4.4.1 薄壁强背结构薄壁强背结构采用冷却条件好且承载能力强的结构来承担燃气压力，采用冷却条件好且承载能力强的结构来承担燃气压力，而热负荷由较薄的元件承受，同时用大量支撑将压力载而热负荷由较薄的元件承受，同时用大量支撑将压力载荷传递到强背上。荷

30、传递到强背上。4.4.2 4.4.2 钻孔钻孔中、小型柴油机，为解决冷却与刚度问题，常采用钻孔中、小型柴油机，为解决冷却与刚度问题，常采用钻孔的冷却水道，钻孔尺寸为的冷却水道，钻孔尺寸为10%D10%D，RicardoRicardo推荐：流向鼻梁推荐：流向鼻梁区的水流量应占总水流量的区的水流量应占总水流量的1/31/3，流速要达到，流速要达到3m/s3m/s，具有，具有以下优点：以下优点：可保证气缸盖关键部位的最大壁厚不超过临界值。可保证气缸盖关键部位的最大壁厚不超过临界值。钻孔表面光洁，传热效果好，避免铸造表面热障。钻孔表面光洁，传热效果好，避免铸造表面热障。提高气缸盖抗热疲劳性能，同时降低

31、铸造工艺要求。提高气缸盖抗热疲劳性能，同时降低铸造工艺要求。钻孔大小及合理布置可调节水流速度和水流的分布。钻孔大小及合理布置可调节水流速度和水流的分布。对于直喷式气缸盖，钻孔可降低喷油器部位的热负荷。对于直喷式气缸盖，钻孔可降低喷油器部位的热负荷。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1 1 活塞的总体结构活塞的总体结构 现代高速柴油机活塞总体结构均为现代高速柴油机活塞总体结构均为“三环短活塞三环短活塞”（图图）以降低发动机的总体高度，减小活塞质量，降低高速时活塞以降低发动机的总体高度，减小活塞质量，降低高速时活塞的往复惯性力。活塞的设计高度的往复惯性力。活塞的设计高度H H：对于缸径对于缸

32、径D100mmD100mm，活塞高度，活塞高度H=H=（0.850.851 1）D D；100mmD120mm100mmD120mm，H=H=（0.950.951.151.15）D D；120mmD140mm120mmD140mm，H=H=（1.001.001.201.20）D D；（150:0.925D150:0.925D）2 2 活塞的材料活塞的材料 为了满足高强化程度柴油机的需要，要求活塞的材料具为了满足高强化程度柴油机的需要，要求活塞的材料具备热强度高、热稳定性好、导热性能好的轻合金，目前多采备热强度高、热稳定性好、导热性能好的轻合金，目前多采用共晶高硅铝合金用共晶高硅铝合金ZAISi

33、12NiMgZAISi12NiMg和过共晶高硅铝合金和过共晶高硅铝合金ZAISi118CuNiMg ZAISi118CuNiMg（硅含量高出共晶点）或（硅含量高出共晶点）或ZAISi25CuNiMgZAISi25CuNiMg等等 。三、三、活塞活塞 中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所3 3 活塞头部活塞头部对于非增压直喷柴油机，为加强活塞冷却，向活塞顶底部对于非增压直喷柴油机，为加强活塞冷却，向活塞顶底部连续喷射润滑油以冷却活塞连续喷射润滑油以冷却活塞 。对于增压直喷柴油机，在活塞头部的环槽带内用水溶性盐对于增压直喷柴油机，在活塞头部的环槽带内用水溶性盐芯铸出专用的冷却油腔，润滑油在该油

34、腔内流动带走更多芯铸出专用的冷却油腔，润滑油在该油腔内流动带走更多的热量（第的热量（第1 1环：环：50%50%），以降低活塞头部的温度。），以降低活塞头部的温度。（MahleMahle推荐：润滑油流量为推荐：润滑油流量为5L/kWh5L/kWh）现代高速柴油机活塞为了解决排放问题，出现了现代高速柴油机活塞为了解决排放问题，出现了“高置顶高置顶环环”的设计结构，完全不同于传统的设计方法，即为降低的设计结构，完全不同于传统的设计方法，即为降低第一道活塞环的热负荷，将环岸设计得较低，如推荐该值第一道活塞环的热负荷，将环岸设计得较低，如推荐该值为（为（0.150.150.20.2）D D，同时要求第

35、一道活塞环处于冷却水腔，同时要求第一道活塞环处于冷却水腔处。（三代改：处。（三代改：0.153D0.153D）典型应用：典型应用：FordFord的的BSD-678BSD-678柴油机（柴油机（YC6112YC6112），其环岸高度仅），其环岸高度仅10mm10mm，而缸套冷却水腔顶部距气缸体上平面距离为而缸套冷却水腔顶部距气缸体上平面距离为22mm22mm，第一道，第一道活塞环远远高出水腔顶部。活塞环远远高出水腔顶部。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所通过铸入含镍奥氏体铸铁镶圈，来强化第一道活塞环槽。通过铸入含镍奥氏体铸铁镶圈，来强化第一道活塞环槽。第一道活塞环（第一道活塞环（Mahl

36、eMahle推荐）采用球墨铸铁桶面梯形环，外推荐）采用球墨铸铁桶面梯形环，外层镀层镀0.100.100.20mm0.20mm的硬铬，硬度要求达的硬铬，硬度要求达800HV2800HV2以上。它集以上。它集中了桶面环和梯形环的优点，在具有良好润滑性、密封性中了桶面环和梯形环的优点，在具有良好润滑性、密封性和磨合性能的同时，能把高温下形成胶状的润滑油从环槽和磨合性能的同时，能把高温下形成胶状的润滑油从环槽中排出，而代之以新鲜的润滑油，由于其优越的抗结胶能中排出，而代之以新鲜的润滑油，由于其优越的抗结胶能力而能适应在高温下工作。力而能适应在高温下工作。4 4 活塞销座活塞销座 4.1 4.1 活塞销

37、座的受力状态活塞销座的受力状态活塞销座是活塞承受机械负荷最严重的部位，作用在活塞活塞销座是活塞承受机械负荷最严重的部位，作用在活塞顶上巨大的燃烧压力会导致活塞、活塞销及销座产生变形；顶上巨大的燃烧压力会导致活塞、活塞销及销座产生变形；销和销座的变形不一致会导致销座内部上边缘处出现所谓销和销座的变形不一致会导致销座内部上边缘处出现所谓尖峰负荷，由此引起严重的应力集中；尖峰负荷，由此引起严重的应力集中；销座承压面积小，发动机工作时活塞销与销座之间仅有很销座承压面积小，发动机工作时活塞销与销座之间仅有很小角度的摆动，无法形成润滑所需要的油膜。小角度的摆动，无法形成润滑所需要的油膜。中国北方发动机研究

38、所中国北方发动机研究所4.2 4.2 活塞销座的结构设计活塞销座的结构设计在设计时应尽可能加大销座上半部的长度以增加承压面在设计时应尽可能加大销座上半部的长度以增加承压面积；积；采用异形销孔结构，可改善销座的应力集中，提高活塞采用异形销孔结构，可改善销座的应力集中，提高活塞销及销座的承载能力，防止销座孔内表面开裂；异形销销及销座的承载能力，防止销座孔内表面开裂；异形销孔结构主要包括椭圆形销孔、卸荷腔（离隙销孔）及锥孔结构主要包括椭圆形销孔、卸荷腔（离隙销孔）及锥形销孔等；形销孔等；椭圆形销孔和卸荷腔销孔（椭圆形销孔和卸荷腔销孔（17.517.5）可减少应力集中）可减少应力集中10%10%左右，

39、据左右，据MahleMahle公司的实验结果锥形销孔可降低应力集中公司的实验结果锥形销孔可降低应力集中达达30%30%左右左右,具体结构是在销孔内端设计一小段锥孔，锥具体结构是在销孔内端设计一小段锥孔，锥度一般为度一般为0.0140.0140.040.04。5 5 活塞裙部活塞裙部5.1 5.1 活塞裙部的长度活塞裙部的长度中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所活塞裙部的长度：（活塞裙部的长度：（0.500.500.550.55）D D，传统设计为（，传统设计为（0.60.60.80.8）D D，如日产的，如日产的FD-42FD-42型车用柴油机，其活塞裙部长度仅型车用柴油机，其活塞裙部长度

40、仅为为0.47D0.47D。5.2 5.2 活塞裙部型线活塞裙部型线 现代高速柴油机活塞裙部外形多为中凸变椭圆形。现代高速柴油机活塞裙部外形多为中凸变椭圆形。5.2.1 5.2.1 裙部横向型线裙部横向型线裙部横向型线多采用双椭圆坐标方程来设计。裙部横向型线多采用双椭圆坐标方程来设计。椭圆度（椭圆长轴与短轴的差值）为：椭圆度（椭圆长轴与短轴的差值）为：=(G/4)(1-cos2=(G/4)(1-cos2(/25)(1-cos4)(/25)(1-cos4)其中：其中：G G为裙部最大椭圆度，对于中、小缸径柴油机，一般为裙部最大椭圆度，对于中、小缸径柴油机，一般取取0.40.4，若基于特殊原因，可

41、大于或小于此值；，若基于特殊原因，可大于或小于此值；为圆周角；为圆周角；为无因次修正系数，计算时一般取为无因次修正系数，计算时一般取2 2。5.2.2 5.2.2 裙部纵向型线裙部纵向型线 活塞裙部的纵向型线一般为桶形曲线，目前多采用国活塞裙部的纵向型线一般为桶形曲线，目前多采用国外成熟的型线，或根据活塞的实际工作情况对已有中凸型外成熟的型线，或根据活塞的实际工作情况对已有中凸型线进行修正。线进行修正。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1 1 连杆结构设计连杆结构设计1.1 1.1 中心距中心距 L L 的确定的确定现代高速柴油机普遍采用短连杆结构，以降低总体高度现代高速柴油机普遍采用短

42、连杆结构，以降低总体高度和质量。但过小的连杆中心距或曲柄连杆比和质量。但过小的连杆中心距或曲柄连杆比（=R/L=R/L）会引起活塞侧压力的增加，导致柴油机摩擦损）会引起活塞侧压力的增加，导致柴油机摩擦损失增大，加速活塞、活塞环、气缸套的磨损，曲柄连杆失增大，加速活塞、活塞环、气缸套的磨损，曲柄连杆比的取值为：比的取值为：0.320.32。现代高速柴油机连杆一般采用碳钢或合金钢经模锻而成，现代高速柴油机连杆一般采用碳钢或合金钢经模锻而成，常用材料有：常用材料有：4545、40Cr40Cr、42CrMo42CrMo、35CrMoA35CrMoA等。等。1.2 1.2 连杆的结构形式连杆的结构形式1

43、.2.1 1.2.1 连杆大头的剖分形式（连杆大头的剖分形式（图图）平切口（水平剖分）：刚性好，尽可能采用。平切口（水平剖分）：刚性好，尽可能采用。斜切口（斜切口（4545剖分）：只有在连杆轴颈较大，连杆不能剖分）：只有在连杆轴颈较大，连杆不能通过气缸套时才采用。通过气缸套时才采用。四、四、连杆连杆 中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1.2.2 1.2.2 连杆盖的定位方式连杆盖的定位方式平切口：螺栓杆定位、定位销（套）定位平切口：螺栓杆定位、定位销（套）定位斜切口：止口定位、锯齿定位斜切口：止口定位、锯齿定位在一些轿车发动机上，也有采用涨开时的不规则在一些轿车发动机上，也有采用涨开时的

44、不规则断面来定位断面来定位1.2.3 1.2.3 连杆小头的结构形式连杆小头的结构形式在确定了活塞销直径，并且在活塞内腔允许的情在确定了活塞销直径，并且在活塞内腔允许的情况下，尽可能增大连杆的承压面积以降低比压，况下，尽可能增大连杆的承压面积以降低比压，一般将连杆小头设计成楔形结构。一般将连杆小头设计成楔形结构。2 2 连杆强度计算连杆强度计算（专题）中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所 发动机的全部功率都是通过曲轴输出，曲轴承受周期性发动机的全部功率都是通过曲轴输出，曲轴承受周期性变化的力、力矩（包括扭矩和弯矩）共同作用，结构形状复变化的力、力矩（包括扭矩和弯矩）共同作用，结构形状复杂，

45、应力集中严重，易产生疲劳破坏。因而曲轴的设计必须杂，应力集中严重，易产生疲劳破坏。因而曲轴的设计必须具有足够的疲劳强度（具有足够的疲劳强度（图图）。）。1 1 曲轴结构设计曲轴结构设计 曲轴的基本尺寸依赖于发动机的总体结构，必须同时考曲轴的基本尺寸依赖于发动机的总体结构，必须同时考虑连杆大头的切口形式、轴瓦的许用比压、气缸中心距、曲虑连杆大头的切口形式、轴瓦的许用比压、气缸中心距、曲轴的强度、发动机的强化程度等各方面的因素。轴的强度、发动机的强化程度等各方面的因素。1.1 1.1 轴颈的确定轴颈的确定1.1.1 1.1.1 连杆轴颈连杆轴颈 DpDp 连杆轴颈：连杆轴颈：Dp=(0.6Dp=(

46、0.60.65)D0.65)D（直切口连杆），大于该（直切口连杆），大于该值应采用斜切口连杆。值应采用斜切口连杆。增大连杆轴颈直径，可减小连杆轴承的比压，但曲轴不增大连杆轴颈直径，可减小连杆轴承的比压，但曲轴不平衡旋转惯性力急剧增大，使发动机振动加剧，特别是高速平衡旋转惯性力急剧增大，使发动机振动加剧，特别是高速发动机。发动机。五、五、曲轴曲轴 中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1.1.2 1.1.2 主轴颈主轴颈 Dj=(1.05Dj=(1.051.25)Dp1.25)Dp主轴颈直径的确定，应具有适当的重叠度，以保证曲轴的主轴颈直径的确定，应具有适当的重叠度，以保证曲轴的强度。强度。增

47、大主轴颈可提高曲轴刚度、降低轴瓦比压、减小扭振。增大主轴颈可提高曲轴刚度、降低轴瓦比压、减小扭振。增大主轴颈后，由于主轴颈投影面积增大，可适当减小主增大主轴颈后，由于主轴颈投影面积增大，可适当减小主轴颈长度，因而可增加曲柄臂厚度，提高曲轴强度。轴颈长度，因而可增加曲柄臂厚度，提高曲轴强度。但过多增大主轴颈会引起轴承摩擦损失增加，影响发动机但过多增大主轴颈会引起轴承摩擦损失增加，影响发动机性能。性能。为了避免过大的扭振，在曲轴较长时应适当加大主轴颈的为了避免过大的扭振，在曲轴较长时应适当加大主轴颈的直径。直径。1.1.3 1.1.3 轴颈有效长度（轴瓦有效长度）轴颈有效长度（轴瓦有效长度）主轴颈

48、有效长度与主轴颈直径之比为：主轴颈有效长度与主轴颈直径之比为：0.260.260.40.4连杆轴颈有效长度与连杆轴颈直径之比为：连杆轴颈有效长度与连杆轴颈直径之比为：0.350.350.550.55 为为提提高高刚刚度度，在在轴轴瓦瓦比比压压许许可可条条件件下下，轴轴颈颈有有效效长长度度越越小小越越好好，可可最最大大限限度度增增大大曲曲柄柄臂臂厚厚度度，以以增增加加曲曲轴轴的的抗抗弯截面模量，降低曲轴臂中危险截面处的应力。弯截面模量，降低曲轴臂中危险截面处的应力。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所1.2 1.2 曲轴的平衡曲轴的平衡发动机工作过程中产生的旋转和往复惯性力，其大小和方发动机

49、工作过程中产生的旋转和往复惯性力，其大小和方向都是周期性变化的，如不加以平衡，则成为发动机振动向都是周期性变化的，如不加以平衡，则成为发动机振动的根源。进行惯性力系平衡的主要手段曲轴平衡块的布置。的根源。进行惯性力系平衡的主要手段曲轴平衡块的布置。1.2.1 1.2.1 曲轴的静平衡曲轴的静平衡静平衡是指曲轴在旋转时离心力的合力为零，即其质心位静平衡是指曲轴在旋转时离心力的合力为零，即其质心位于旋转轴上。在曲轴设计中必须保证曲轴是静平衡的。理于旋转轴上。在曲轴设计中必须保证曲轴是静平衡的。理论上，曲轴都可设计成静平衡的，但由于制造时的偏差会论上，曲轴都可设计成静平衡的，但由于制造时的偏差会产生

50、静不平衡现象，因此必须对曲轴进行静平衡试验。产生静不平衡现象，因此必须对曲轴进行静平衡试验。1.2.2 1.2.2 曲轴的动平衡曲轴的动平衡通过静平衡试验可实现曲轴的静平衡，但其旋转质量不一通过静平衡试验可实现曲轴的静平衡，但其旋转质量不一定在同一个旋转平面内，因而会产生惯性力矩，引起曲轴定在同一个旋转平面内，因而会产生惯性力矩，引起曲轴振动，这就是曲轴的动不平衡。设计中必须保证曲轴是动振动，这就是曲轴的动不平衡。设计中必须保证曲轴是动平衡，动平衡的曲轴则必定是静平衡的。平衡，动平衡的曲轴则必定是静平衡的。中国北方发动机研究所中国北方发动机研究所4 4缸缸机机曲曲轴轴的的曲曲拐拐平平面面对对称