x2110N型柴油机活塞设计

贾文静 初宏瑞

摘 要：本设计选择x2110N型柴油机作为研究对象，针对发动机内部的活塞组与连杆组展开设计。首先确定x2110N型柴油机基本参数，其次查阅柴油机设计手册根据柴油发动机的基本参数及类型确定该型号柴油机相关的参数设计标准，并基于此对x2110N型柴油机的活塞进行参数设计，最后对不同的设计参数完成公式校核并确定涉及可行性，最终设计出密封性能好、稳定性高、质量轻的发动机活塞连杆组。

关键词：柴油机 活塞连杆 强度

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

活塞連杆组作用是将气缸内燃料燃烧产生的压力带动活塞上下运动，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。从其性质来看，属于发动机内部的传动件，将燃烧气体的压力传输到曲轴，使得曲轴旋转，并且进行动力输出。因此本设计通过降低活塞的重量并增加强度，从而提高工作效率及使用寿命，促进发动机动力性的提高，有利于提高柴油发动机的性能。

1 活塞材料选取

在活塞设计的过程中，常用的材料选择一般为铝合金、铸铁与锻钢等。x2110N型柴油机活塞实施具体设计的过程中，在材料方面有着相对应的性能要求，主要包含加工方便、导热系数高、机械强度大、抗腐蚀能力强等。对于铝合金材料而言，其优势就在于较强的传热能力以及较低质量，其不足之处就在于温度的持续提升，会使得本身在刚度以及强度方面出现随着温度的升高反而降低。此时可以在其中添加对应的化学元素，比如硅元素等，利用这种方式改善材料性能，通过合理的添加，能显著增强耐磨性能，增强使用寿命。本次对活塞设计时，材料选择为共晶硅铝合金，不仅可以使得活塞磨损减轻，还可以增加热传递性能。

2 活塞设计

2.1 活塞头部设计

活塞顶部与活塞环带共同构成活塞头部，能够承受活塞组在工作期间形成的压力，并且利用活塞销座完成压力传递，将压力传输到连杆。

在活塞顶部设计时，其薄厚利用δ表示，如下表1，在δ值增加的过程中，活塞顶部承受的热应力也在提升。为了更好的满足其刚度、强度要求，在δ值选择的过程中，要尽量小。本设计在结构方面选择了凹顶型活塞，燃烧室方面为ω型燃烧室，其具有结构简单、紧凑等优点，广泛应用于大、中、小型柴油机。在厚度选择时，需要参考活塞顶部的最大承载力，一般情况下，其承受的压力值越大，相应的厚度就越大。提升活塞顶的厚度，就会使得刚度增加，不过在热传导方面会受到一定的负面影响。

本设计的活塞为小型高速铝活塞，选择δ/D=0.1，由此δ=11.0。

2.2 活塞高度设计

在活塞设计的过程中，活塞高度的设计同样非常关键，基于使得结构设计合理有效的目的，要可能将高度控制在较低范围内。

从表2的内容来看，本设计的柴油机为中小型高速柴油机，因此选值范围为（1.0-1.3）D。为了减少活塞质量，增加柴油机的燃油经济性，在高度参数选择时尽量小。实际确定高度1.0D，活塞高度为110mm。

面向活塞压缩高度H1实施分析，其确定活塞销所处位置。在降低活塞的压缩高度以后，不仅提升了气环的应用稳定性，同时降低了柴油发动机本身的高度。

从表3的内容来看，本设计的柴油机为中小型高速柴油机，其D＞105mm，因此取值H1/D=0.8，H1=88mm。

对于第一道气环而言，其所处位置取决于活塞顶岸高度，由于具体运行过程中，温度波动程度较小，所以要选取相对小的顶岸高度，不仅使得活塞质量变小，还能够使得活塞总体高度降低。

本设计的柴油机为中小型高速柴油机，因此取值H1/D=0.14，H1=15.4mm。从表4数据来看，基于确保运行过程中始终保持密封的目的，在进行设计之时必须制定出相的设计方案，利用这种方式增加活塞环的耐磨性，所以对于气环高度而言，其范围为b=2-3mm，对于油环高度而言，其范围为b=4-6mm。第一道气环确定环带高度b=2.2mm，第二道气环确定环带高度b1=2.2mm，对于油环而言，其环带高度是b2=4.2mm。

活塞环岸对应的高度：在活塞环受到外部气体压力时，为了确保其不会被损坏，因此在环岸高度数据选择时，较之于第一道气环要尽量更大。由此确定活塞环岸高度是c1=（1.25-2.5）b1，c2=c3=（1-2）b2，据此确定c1=2b1=4.4mm，c2=c3=6.3mm。

2.3 活塞裙部设计

由于其处在最后环下部位置，为了降低活塞裙部工作期间的侧压力影响，必须尽量增加其设计高度。活塞在气缸运动时，主要是在活塞裙部的引导下进行运动，并且会形成对于活塞裙部的侧压力。

从表5内容来看，本设计的柴油机为中小型高速柴油机，因此取值H2/D=0.7，活塞裙部对应的高度为H2=0.7D=77mm。

在活塞裙部上裙H3下裙H4选择时，必须确定二者之间的合理比值，一般情况下取值H3=（0.65-0.75）H2，取值为H3=0.7H2。即活塞裙部处，上裙为H3=53.9mm，下裙为H4=H2-H3=23.1mm。

3 结论

本文以x2110N柴油机参数为基础，对活塞连杆组进行设计，活塞材料选择硅铝合金，不仅耐磨性和热稳定性比较好，同时质量较轻，能够有效降低活塞的工作温度。在第一道环材料选择时，其和二、三道环相比，对于耐磨性的要求更高。因此第一道环选择应用球墨铸铁，其耐磨性比较好，同时韧性好，二三道环材料选择灰铸铁，实际耐磨性比较好，应用成本比较低，连杆材料选择合金钢，不仅成本比较低，同时能够减少杆身断裂的风险。

在活塞设计的过程中，其整体高度较低，能够降低活塞整体质量，并且活塞压缩高度、顶岸高度也比较小，分别是88mm与15.4mm，能够有效减小活塞的整体高度。其中第一环岸高度超过二三环岸，达到增强活塞环的耐用性的目的，三道环岸高度分别是4.4mm、6.3mm与6.3mm，在确保整体刚度的前提下，裙部壁厚设计尽量薄，能够降低活塞整体重量，在活塞环设计时，选择应用较薄的环，能够降低活塞本身的高度，进而降低活塞质量。

基于项目：齐齐哈尔工程学院《发动机原理与汽车理论》重点建设课。

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