x2110N型柴油機活塞設計

賈文靜 初宏瑞

摘 要：本設計選擇x2110N型柴油機作為研究對象，針對發動機內部的活塞組與連桿組展開設計。首先確定x2110N型柴油機基本參數，其次查閱柴油機設計手冊根據柴油發動機的基本參數及類型確定該型號柴油機相關的參數設計標準，并基于此對x2110N型柴油機的活塞進行參數設計，最后對不同的設計參數完成公式校核并確定涉及可行性，最終設計出密封性能好、穩定性高、質量輕的發動機活塞連桿組。

關鍵詞：柴油機 活塞連桿 強度

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燃料燃燒產生的壓力帶動活塞上下運動，并將此力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉。從其性質來看，屬于發動機內部的傳動件，將燃燒氣體的壓力傳輸到曲軸，使得曲軸旋轉，并且進行動力輸出。因此本設計通過降低活塞的重量并增加強度，從而提高工作效率及使用壽命，促進發動機動力性的提高，有利于提高柴油發動機的性能。

1 活塞材料選取

在活塞設計的過程中，常用的材料選擇一般為鋁合金、鑄鐵與鍛鋼等。x2110N型柴油機活塞實施具體設計的過程中，在材料方面有著相對應的性能要求，主要包含加工方便、導熱系數高、機械強度大、抗腐蝕能力強等。對于鋁合金材料而言，其優勢就在于較強的傳熱能力以及較低質量，其不足之處就在于溫度的持續提升，會使得本身在剛度以及強度方面出現隨著溫度的升高反而降低。此時可以在其中添加對應的化學元素，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，能顯著增強耐磨性能，增強使用壽命。本次對活塞設計時，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 活塞設計

2.1 活塞頭部設計

活塞頂部與活塞環帶共同構成活塞頭部，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，將壓力傳輸到連桿。

在活塞頂部設計時，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力也在提升。為了更好的滿足其剛度、強度要求，在δ值選擇的過程中，要盡量小。本設計在結構方面選擇了凹頂型活塞，燃燒室方面為ω型燃燒室，其具有結構簡單、緊湊等優點，廣泛應用于大、中、小型柴油機。在厚度選擇時，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，相應的厚度就越大。提升活塞頂的厚度，就會使得剛度增加，不過在熱傳導方面會受到一定的負面影響。

本設計的活塞為小型高速鋁活塞，選擇δ/D=0.1，由此δ=11.0。

2.2 活塞高度設計

在活塞設計的過程中，活塞高度的設計同樣非常關鍵，基于使得結構設計合理有效的目的，要可能將高度控制在較低范圍內。

從表2的內容來看，本設計的柴油機為中小型高速柴油機，因此選值范圍為（1.0-1.3）D。為了減少活塞質量，增加柴油機的燃油經濟性，在高度參數選擇時盡量小。實際確定高度1.0D，活塞高度為110mm。

面向活塞壓縮高度H1實施分析，其確定活塞銷所處位置。在降低活塞的壓縮高度以后，不僅提升了氣環的應用穩定性，同時降低了柴油發動機本身的高度。

從表3的內容來看，本設計的柴油機為中小型高速柴油機，其D＞105mm，因此取值H1/D=0.8，H1=88mm。

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

本設計的柴油機為中小型高速柴油機，因此取值H1/D=0.14，H1=15.4mm。從表4數據來看，基于確保運行過程中始終保持密封的目的，在進行設計之時必須制定出相的設計方案，利用這種方式增加活塞環的耐磨性，所以對于氣環高度而言，其范圍為b=2-3mm，對于油環高度而言，其范圍為b=4-6mm。第一道氣環確定環帶高度b=2.2mm，第二道氣環確定環帶高度b1=2.2mm，對于油環而言，其環帶高度是b2=4.2mm。

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

2.3 活塞裙部設計

由于其處在最后環下部位置，為了降低活塞裙部工作期間的側壓力影響，必須盡量增加其設計高度。活塞在氣缸運動時，主要是在活塞裙部的引導下進行運動，并且會形成對于活塞裙部的側壓力。

從表5內容來看，本設計的柴油機為中小型高速柴油機，因此取值H2/D=0.7，活塞裙部對應的高度為H2=0.7D=77mm。

在活塞裙部上裙H3下裙H4選擇時，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 結論

本文以x2110N柴油機參數為基礎，對活塞連桿組進行設計，活塞材料選擇硅鋁合金，不僅耐磨性和熱穩定性比較好，同時質量較輕，能夠有效降低活塞的工作溫度。在第一道環材料選擇時，其和二、三道環相比，對于耐磨性的要求更高。因此第一道環選擇應用球墨鑄鐵，其耐磨性比較好，同時韌性好，二三道環材料選擇灰鑄鐵，實際耐磨性比較好，應用成本比較低，連桿材料選擇合金鋼，不僅成本比較低，同時能夠減少桿身斷裂的風險。

在活塞設計的過程中，其整體高度較低，能夠降低活塞整體質量，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。其中第一環岸高度超過二三環岸，達到增強活塞環的耐用性的目的，三道環岸高度分別是4.4mm、6.3mm與6.3mm，在確保整體剛度的前提下，裙部壁厚設計盡量薄，能夠降低活塞整體重量，在活塞環設計時，選擇應用較薄的環，能夠降低活塞本身的高度，進而降低活塞質量。

基于項目：齊齊哈爾工程學院《發動機原理與汽車理論》重點建設課。

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