毕业设计（论文）-常柴ZS195柴油机活塞连杆设计

常柴ZS195柴油机活塞连杆组设计 常柴ZS195柴油机活塞连杆设计专业学生姓名班级学号指导教师完成日期目录15213摘要：本次设计主要ZS195柴油机活塞连杆进行设计，我们熟知的ZS195发动机，问世于上世纪60年代鼎鼎大名的常州柴油机厂。我们首先对柴油机各方面的性能和前景进行分析，从而做一个的市场分析定位，继而选择柴油机主要的性能参数。并对活塞连杆组结构进行计算设计，包含活塞组的工作条件、活塞设计、活塞销设计、塞环和活塞环槽设计、活塞组重量、活塞应力分析以及强度校核、连杆组零件设计、连杆受力分析以及强度校核等多个角度进行计算分析，然后画出二维图，并进行三维建模。 15087目录 321110第一章前言 689921.1柴油机技术概述 680071.2柴油机技术的发展趋势 6261281.3我国柴油机的发展现状 738171.4柴油机的最新技术、理论 7204691.4.1结构方面 71241.4.2辅助设计方面 8247251.5设计内容 817711第二章整体设计 8150692.1柴油机设计的总体要求 863542.2ZS195柴油机简介 914512.3柴油机动力计算及平衡 981652.3.1已知数据 941162.3.2动力计算 1080352.3.3平衡计算 11155082.4柴油机主要零部件的设计 119152.4.1活塞 1148792.4.2连杆 1213985第三章活塞组零件的参数选择 1260283.1概述 1232843.2活塞组的工作条件 12133273.2.1机械负荷 12316403.2.2热负荷 12138233.2.3活塞高速滑动，润滑不良 12147753.3活塞的设计 1292073.3.1活塞的材料 1367713.3.2活塞的选型 1358813.3.3活塞头部的压缩高度设计 14169963.3.4活塞顶的设计 14231303.3.5活塞裙部的设计 1431383.4活塞销的设计 15258593.4.1概述及设计要求 15168573.4.2活塞销的结构和尺寸 15250823.4.3活塞销的材料 16233873.4.4活塞销的定位方式 16104573.5塞环和活塞环槽的设计 16324283.5.1活塞环的工作情况和设计要求 16165733.5.2活塞环的组合和结构 16298523.5.3活塞环和环槽的参数选择 1723732第四章活塞的应力分析和强度校核 188944.1活塞的校核 18295324.1.1活塞顶的机械应力 18129924.1.2对第一环岸进行校核 18216424.1.3裙部比压 18267504.1.4活塞销座比压 19135954.2活塞销的受力与校核 1962824.2.1弯曲变形 19108454.2.2椭圆变形 19145154.2.3纵向弯曲应力 2065804.2.4横向弯曲应力 2031614.2.5总应力 2016334.3活塞环的校核 20106394.3.1校核气环： 2013982第五章连杆组零件参数的选择 21277385.1连杆的工作情况 21128975.2连杆的材料 21288725.3连杆长度的确定 22290705.4连杆小头的设计 22130525.4.1小头结构形式 22318395.4.2小头尺寸 22113635.4.3连杆衬套 2262075.5连杆杆身的设计 23162925.6连杆大头的设计 23113875.6.1连杆大头的剖分形式 2443705.6.2连杆大头的定位方式 2495835.6.3连杆大头的主要尺寸 246051第六章连杆的受力分析和强度校核 2446306.1连杆小头 24211836.1.1由衬套过盈配合及受热膨胀产生的应力： 24223146.1.2由惯性力拉伸时引起的小头应力 25131576.13由最大压缩力引起的小头应力 26277026.1.4小头横向直径的减小量 28315936.2连杆杆身的校核 29313066.2.1杆身计算力 29112426.2.2杆身中间截面处的应力与安全系数 2912588第七章结论 309263第八章参考文献 313903第九章致谢 32

第一章前言此次设计选用的ZS195发动机，曾荣获3次国家质量金质奖,成绩傲人。回首，已历经了半个多世纪的锤炼，回想当年曾是国内最受欢迎的柴油发动机，没有之一。ZS195发动机以其扎实耐用、维修方便等优良性能，已经变成当时新中国的主要动力源泉，也是必备装置。嘹亮的噪音、猛烈的颤抖、沸腾的水箱，被老一辈人深深的刻画在脑海里。每分钟额定功率8.8kW。水冷式散热，适用于各种恶劣的工况。由于当时新中国的资源、技术及其短缺，该款发动机也一度代表当时的最高技术水平，但是因其价格低廉，导致应用十分广，除了飞机上，其他工业设备都用它作为动力源泉，比方说我们熟知的拖拉机、收割机、打麦机、夹米机、还有一些老式的拖拉机。1.1柴油机技术概述柴油发动机的工作原理是指靠压燃柴油，在缸内产生强大的动力和爆发力，从而推动活塞做功，带动连杆运动，向外输出功率。这种巧夺天工的经典巨作由来自于鲁道夫·狄塞尔—位伟大的德国发明家，人们为了铭记他的突出贡献，以他姓Diesel来命名柴油机，也有一种别称—狄塞尔发动机[1]。柴油发动机具有扭矩大、经济性好等优良特性。其工作原理与汽油发动机有异曲同工之妙，但不同的是，柴油粘度大，不易挥发而且自燃温度低，导致混合气的形成及点火方式都有所不同。主要体现在：柴油发动机是压燃的；吸入的是空气，而且空气燃烧后可达500~700℃，压力可达40~50MPa。当活塞运动将到达上止点时，喷油嘴以高压喷射燃油，而且尽量保持良好的雾化状态，一旦空气与燃油结合，这样形成的气体便会燃烧，产生爆发力，推动活塞运行，此时的温度达1900~2000℃，压力可达60~100MPa，会产生极大的动力[2]。1.2柴油机技术的发展趋势中国车市爆炸式增长，主要集中在乘用车领域。在新能源汽车的大趋势之下，发动机技术的瓶颈限制，国家对于发动机投入的减少，柴油机未来的筹码注定不在乘用车领域。因而节能、环保也将成为柴油机的未来发展趋势。作为——发动机制造是汽车最核心技术。但是，在汽车工业的历史长河中，关于发动机的评价层出不穷。汽油机代表一个崭新时代，而柴油机的光芒也即将暗淡。随着我国机械工业的制造工艺水平的飞速发展，中国的内燃机工业将会有一个质的飞跃。麦克莱斯[3]通过分析自由活塞式发动机在汽车应用上的商业发展，阐述了自由活塞发动机的一些最新发展，特别是针对混合动力电动车辆动力系统。使我们能够识别那些可能最接近商业阶段的自由活塞发动机概念。此外，涉及代表自由活塞式发动机概念的最大技术挑战的那些方面，因此这种材料被开发商视为解决商业上可行的关键问题。为柴油机的发展方向指明了一条道路1.3我国柴油机的发展现状由于我国国情的状况，以及燃油品质的限制，导致柴油机工业发展滞后于汽油机，但是由于近几年，国家加大对汽车产业的投入，汽车产业逐渐成为支柱型产业，新兴技术的引进使我国柴油机产业有质的提升，而国外最近也开始采用的排放控制标准。近些年来尾气排放环境污染严重，国家加大治理从源头抓起，也就是意味着生产厂商要提高汽车的尾气排放标准，也促使这方面得到了很大的提升。但是仍然面临着巨大的挑战和差距：（1）行业资金不足，人才培养力度不足；（2）柴油的质量、标准的修订滞后于汽车工业的发展；（3）研发能力不足、企业的产品质量参差不齐、车辆售后市场不规范[4]；由于近期环保法规的不断完善，传统使用的增压中冷技术已满足不了现在的严格标准了，所以只能把目光转向电控喷射技术。我们熟知的“无锡油泵油嘴研究所”已经做出突出的成绩，并把研究成果应用到双燃料机上，达成两气的电控。我国柴油机技术面临如下瓶颈：（1）关键技术：油泵油嘴的增压中冷；（2）燃油品质：优质低硫的柴油；（3）电控技术：电控是汽车的神经网络；（4）排放技术：废气再循环技术；（5）整机开发技术：进气及燃烧系统、柴油机燃油的优化[5]；1.4柴油机的最新技术、理论迄今为止，柴油机的技术发展可总结为三次重大飞跃，第一次是机械式燃油系统的应用，第二次是中冷增压技术的应用，第三次是电控喷射技术的应用[6]。主要氛围结构方面和辅助设计两个方面：1.4.1结构方面针对于结构方面的设计，余中荣等[7]为了解决活塞连杆组结构比较复杂，不紧凑等问题，发明了一种“新型活塞连杆组”，并申请了专利。其特点是：活塞本体和端面相连的活塞销座，活塞销座上设有第一活塞销孔，连杆小头上有第二活塞销孔和避让槽，避让槽可以安装活塞销座，而活塞销能同时穿过第一和第二活塞销孔与连杆相连接。张安祥[8]在中提出的参数化设计是现在主流的技术，这种新兴的技术起源于张安祥在实际工作中的体验和总结，并造福也设计人员，摆脱枯燥无味的设计，让设计变得更加人性化，智能化。剖析了活塞的结构后,采用参数化的设计理念,根据活塞的特征对其进行总结归纳,研发出参数化设计系统,并对设计过程进行详细阐述。张纪鹏教授[9]通过对有限元结果的分析，从而计算出连杆的强度，进一步进行优化，以求减轻质量、减少惯性力。还利用ANSYSWorkbench中的DesignExplorer对连杆进行结构优化设计。选取了连杆小头外径和连杆杆身厚度的一半作为输入参数，选取连杆杆身质量、连杆最大变形和连杆最大应力为输出参数对连杆进行优化设计。除此之外还有大量的学者研究人员在多个领域做出巨大贡献，比如：进排气系统结构方面的设计、动力输出机构和皮带张紧轮机构、缸体等进行的分析研究创新[10-12]。1.4.2辅助设计方面对于模拟仿真这方面的研究总是层出不穷的，大量学者教授在这方面做出突出的研究贡献：吉林大学的丛茜教授[13]，根据台架试验结果和仿真分析。仿生了横条纹形活塞，条纹形排布的作用是将应力沿裙部传递并排布在中通孔，从而使大部分应力集中在裙部的表面、小部分分散在裙部内部。黄鼎键等[14]对活塞进行三维模型，并进行有限元分析该活塞总体，计算出其值为50~60MPa之间，要求所承受的最大应力值为81.927MPa，应力将会出现在加强筋与销座连接处，得出没有超过最大拉压强度值的结论。缪林[15]提出：多学科优化设计是一种特殊意义设计方法，这种方法涉及到产品的全过程、全性能和全系统的优化，高效率求得最优的设计方案或整体解，可以缩短设计周期，节约成本。汽车通过辅助设备，使柴油机具备更佳的性能，主要通过有限元的分析，然后通过强度校核的计算。辅助汽车发动机的未来发展方向是高动力输出和低燃油耗，因此活塞在保持其高可靠性的同时要求其更轻、摩擦损失更低[16-17]。活塞技术的不断推陈出新，极大提高了我国活塞行业的生产水平。1.5设计内容本文主要针对ZS195柴油机的活塞连杆进行计算设计，活塞组件主要包括：分析工作条件、活塞造型、活塞销、塞环和活塞环槽等的设计，另外要利用各个。对于连杆设计包括：小头、衬套、杆身、大头等部件，其中小头要与活塞销吻合，大头与曲轴配套，再通过分析部件的重量、应力分析进行强度校核。第二章整体设计2.1柴油机设计的总体要求柴油机的总体设计要注重节能减排，力求提高可靠性。根据给定的设计要求再对主要参数进行分析选择。作为农用的ZS195柴油机，其配套设备繁多，其性能、结构和使用情况随差异较大，且工作条件恶劣、使用负荷大，而且连续长期工作。故柴油机的设计要求如下：（1）使用可靠性和耐久性高，是柴油机的关键评价标准，所以应该选用较低的平均速度和压力；（2）要有好的经济性，造价低廉，燃油和机油消耗率低；（3）起动容易、操纵轻便、维修方便，适合于农村的使用道路；（4）良好的动力性，发出的功率要能够满足其使用要求；（5）三滤的过滤面积要大，易清洗和更换[18]；2.2ZS195柴油机简介ZS195是常州柴油机厂的不朽之作，也代表着一代匠人智慧的结晶。应用范围非常广泛，可以说除了不能飞，几乎所有需要动力的地方都能看到它的身影，几乎是无孔不入。原始参数及已知条件：柴油机型号：ZS195；燃烧室型式：直喷式；增压方式：非增压；气缸数Z：1；冲程数：4；气缸直径D：95mm；活塞行程S：115mm；排量：0.815L；标定功率：10.6kW；扭矩：41.2N/m；标定转速：2200rpm；怠速转速：800rpm；额定功率时最低燃油消耗率：244.8g/kW·h；压缩比：17:1；冷却方式：水冷；净质量：145kg；润滑方式：压力润滑+飞溅润滑；启动方式：电启动或者手摇启动；外形尺寸：814*480*618mm；气缸盖和机体的加工工艺是铸造，曲轴与机体底线平行。选用干式气缸套，刚度合适。材料为合金铸铁，壁厚为3mm。活塞选用硅铝合金材料铸造而成，有两道气环和一道油环，采用浮式活塞销。2.3柴油机动力计算及平衡2.3.1已知数据（1）基本尺寸气缸直径D：95mm；活塞行程S：115mm；曲柄半径R：57.5mm；连杆长度L：210mm；曲柄半径与连杆长度比：；活塞面积：；标定功率Ne：8.8kw；标定转速：2200rpm；曲轴旋转角速度；；活塞平均速度；（2）往复运动质量mj活塞组重量G0=1.3kg。活塞0.9kg，活塞销0.365kg，挡圈0.005kg，油环0.03kg，气环0.065kg。连杆组质量的换算：连杆组实测重量Gc=2.315kg。连杆体1.893kg，两片连杆轴瓦0.11kg，两只连杆螺钉0.124kg，保险铅丝0.008kg。连杆体重量分配比为0.6：1.293因此，=0.6kg，Gcb=1.293+0.11+0.124+0.008=1.535kg。（3）旋转运动质量，；，；，；其中，I部分表示平衡块，即，。故2.3.2动力计算（1）运动参数的计算活塞运动规律计算公式：活塞位移：活塞速度：活塞加速度：连杆摆角：（2）飞轮矩的计算根据ZS195机型的用途，选取。查表得，PS，n=2200rpm。2.3.3平衡计算（1）离心惯性力的平衡的计算平衡块的离心惯性力：柴油机不平衡的离心惯性力：因为，故可在校正平衡时，从平衡块的边缘处钻去适当的重量。曲柄半径与连杆长度比：；（2）一级往复惯性力的平衡于是，务必选用角速度ω正、反转的双轴平衡装置，使一级往复惯性力达到平衡状态。其中，每根平衡轴的重量是G’、旋转的半径为p’。（3）二级往复惯性力的平衡同上方式，使二级往复惯性力达到平衡状态。由于是农用，二级往复惯性力相对较小，故在不采取平衡措施[19]。2.4柴油机主要零部件的设计2.4.1活塞活塞的工作环境十分恶劣。首先，要承受巨大的负荷。有不断变化的强大气体在上方窜动。当活塞上下运动时产生的惯性力也会产生不良影响。在设计的过程中要保证活塞的质量足够轻盈，材料密度足够高。燃烧室的温度达1800～2600℃，热量会传递到活塞顶[19]。我们在设计的过程中要充分考虑活塞的工作条件、材料的选择、制造的成本、耐磨持久性等等因素才能设计出更加好，更加实用的活塞，推动我国的柴油机产业的提升。2.4.2连杆连杆的组成和工作原理再次不做过多的阐述，前后文都有涉及到，在设计过程中主要考虑的因素是：连杆所受的气体压力载荷，所以要保证两岸的强度和刚度，不会轻易的压弯失效。在设计时候应遵循如下原则：（1）减轻质量参数，从而降低惯性力，但要保证强度；（2）尽可能减少长度，减少发动机尺寸和质量；（3）结构简单紧凑，可靠耐用；（4）大小头轴承性能可靠；（5）螺栓疲劳强度高；（6）易于制造，加工成本低[18]；为了增加连杆的强度和刚度，要多方面考虑综合因素，比如材料、结构、制造工艺等等。第三章活塞组零件的参数选择3.1概述活塞组包含：活塞、活塞销、活塞销座和活塞环等零件，活塞工作条件及其恶劣。活塞组件与气缸的密封性保证工作的可靠，否则工作效率就会大打折扣。活塞组的作用为：传力、导向；密封；传热；配气[20]。3.2活塞组的工作条件3.2.1机械负荷活塞组受到气体压力P、往复惯性力Pj和侧压力PN，在受到冲击力状态下。据数据统计，目前柴油机所能承受的最高压力Pz达140kgf/cm2，这种高压状态会产生的应力变形，加快气缸的磨损。3.2.2热负荷当活塞在做功的过程中，其顶部承受巨大的压力和很高的温度，有时达1800～2600℃，由于气缸结构特殊造型会导致热量分布不均匀。热负荷一个重要障碍。如果活塞温度过高会有如下不良影响:（1）应力过大从而导致热变形；（2）达到300~350℃时，材料的强度降低；（3）润滑油会变质，导致活塞环卡住[19]；3.2.3活塞高速滑动，润滑不良在活塞高速运转的过程中，气缸的侧壁是飞溅润滑，这种润滑方式不稳定，低速时就会润滑不足从而导致温度过高或者磨损过大的状况。3.3活塞的设计3.3.1活塞的材料活塞材料的选用时，应满足如下要求：热强度高；导热性好，吸热性差；膨胀系数小；比重小；（5）有良好的减磨性能；（6）工艺性好，低廉；活塞材料是共晶硅铝合金，其质量分数为11％～13％。在材料中加入的硅的目的是：促使线膨胀系数降低，耐磨性增加和铸造性得到提升和改善[18]。3.3.2活塞的选型从经济性性考虑，铝活塞成本低而且散热好。有效压力：=6.78低于铝活塞的平均有效压力：14~17。考虑活塞比功率，公式为：小于无油冷方式上限值0.3，故无需进行油冷却。表3-1活塞主要尺寸比例H/DH1/DH2/Dh/Dh1/D/Dd/DB/D/D1.160.630.730.150.0320.130.370.380.04图3-2活塞主要尺寸3.3.3活塞头部的压缩高度设计压缩高度H1影响的总高度H。如图所示压缩高度H1包括：火力岸高度h1、环岸高度h2和上裙部尺寸h3，即。(1)岸顶高度h1第一环位置，即岸顶高度h1由压缩高度确定。我们一直追求活塞质量要轻，但是如果h1过小会使第一环过热，产生松弛、粘结等不良影响，所以选取时要考虑必须满足足够的热载荷，再考虑减轻质量。活塞直径，岸顶高度为：。(2)环岸的高度C1确保高压时的完整性。第一环要比第二环承受的压力负荷更大，工作条件更加恶劣温，所以要求第一环的环岸高度要比较大。实际统计表明，。即环带高度C1=0.037D=3.5mm(3)环带高度h2一般情况下环槽轴向高度b越小，活塞越低导致活塞环惯性力减小，冲击自然就好减轻，这样一来就可以提高环槽耐久性，但若b太小，结构就会变得更加精细，制造成本就会提升。我们此次设计采用三道活塞环式的活塞，两道气环，一道油环。取，，。(4)上裙尺寸h3在确定上裙尺寸时，要考虑到活塞销座与油环之间的距离，要保证一定的厚度，才能确保一定的刚度。也不会因为压力分布不均而引起变形[18]。即：3.3.4活塞顶的设计（1）活塞顶厚度＆燃烧室的形状决定活塞顶的形状。选择平顶式活塞顶，因为这种方式的顶结构简单更加容易加工制造，而且应力分布均匀。根据数据统计，顶部厚度，即。（2）燃烧室此次选用的是U型燃烧室，燃烧室的形状和尺寸：燃烧室的尺寸如图3-2所示。图3-2燃烧室的主要尺寸3.3.5活塞裙部的设计活塞最低环槽以下的部分称为“活塞裙部”。在设计时确保活塞具有良好的工作性能，比如：有良好的导向；承压面积足够大；能形成一定的润滑油膜；不会发生敲缸现象，从而使气缸磨损加快，或者间隙过小导致拉伤[21]。（1）椭圆度裙部长轴要垂直活塞销的中心，短轴与销轴方向的椭圆形平行，当D小于100mm的活塞，取。（2）裙部高度裙部要有足够的抗压能力，避免磨损，从而引导活塞运动并承受住气缸内的压力，所以一般取：0.77D=0.77*95=73.2mm裙部壁厚裙部壁厚去=(0.03～0.06)D。薄壁裙部可减轻质量有利，可设置加强筋来加强裙部的强度。3.4活塞销的设计3.4.1概述及设计要求活塞销所能承受的气体压力及惯性力的大小和方向是可以改变的，但是如果长时间的持续工作也会造成不良影响，所以必须从销的强度和刚度着手来提高。在设计直径d和间隔b时，要考虑他所能承受的压力和刚度，满足如下要求：（1）平均比压要在一定可取的范围内之内；（2）考虑销的弯曲变形和椭圆变形能力；（3）要求d/D<0.4d，若d/D太大，设计加工困难[18]；3.4.2活塞销的结构和尺寸活塞销的外直径d1=0.37*D=0.37*95=35mmm；活塞销的内直径d2=0.58*D=0.58*95=320mmm；活塞销长度l=0.85*D=0.85*95=81mm；如图3-3所示：图3-3活塞销主要尺寸3.4.3活塞销的材料为了提高活塞销的硬度、耐磨性。选择低碳合金钢，这种实用的材料表面需要经过渗碳处理而且加工时的要求特别苛刻。3.4.4活塞销的定位方式考虑到活塞销座和连杆小头直接有相对转动，所以采用浮式的活塞销。这种销的使用寿命长，摩擦较小。由于浮式销在工作中不会卡住，可以直接推入活塞的销孔内。与此同时在运动过程中有轴向窜动，为了避免这种窜动，要用挡圈来固定[22]。3.5塞环和活塞环槽的设计3.5.1活塞环的工作情况和设计要求（1）活塞环的工作情况活塞环要面临活塞与气缸壁的双重考验，尤其是第一道油环承受巨大的压力和温度，如果不能提高他的性能，更换频率将会特别高。要从活塞环的刚度、强度、润滑效果、耐高温高压等性能着手。（2）活塞环的设计要求①减少环数降低高度，降低磨损；②密封性能好；③刮油能力强，气环也能防止烧机油现象；④足够的强度；⑤在高温时的稳定性好；⑥磨合性及抗结胶能力强[18]；主要还是通过材料和工艺性的方面去实现。3.5.2活塞环的组合和结构（1）活塞环的组合为了减少环数和降低高度，采取二道气环和一道油环。（2）活塞环的结构①第一道气环的材料和结构图3-4第一道气环的截面形状图中气环为桶面梯形环，顶角为45°，如图3-4所示。有两个好处。其一：在压力作用下，有利于将环槽里的结胶刮出。避免热负荷变高。其二：由于表面具有良好的润滑，从而有利于密封性和磨合性。可在外表面镀Cr，这样可以保证在高温工作时依然有较好的抗粘着能力。②第二道气环的材料和结构图3-5第二道气环的截面形状第二道气环的形状是锥面，锥角是1°±30’，其结构如图3-5所示。活塞在运动时易形成油膜，有利于减少的接触应力，而且下行时的刮油效率更高。它兼有气环和油环的作用。③油环的材料和形式该道油环采用表面经过氧化的灰铸铁，内衬螺旋弹簧采用具有弹性的弹簧钢。可在油环的开槽中加装弹簧胀圈，这样有利于油环与气缸壁完美的贴合，从而大大减小磨损和节约机油。为了提高耐磨性和抗腐蚀性可以在表面镀Cr。如图3-6所示：图3-6油环的截面形状3.5.3活塞环和环槽的参数选择（1）活塞环的参数重要参数包含：径向厚度t，闭口间隙，轴向高度h，自由开口间隙s。采用窄环的优点是：有利于降低活塞高度和减轻重量；减少冲击而造成的磨损。缺点：易折断，影响散热，制造困难[20]。所以环的高度不能的太低。图3-7活塞环的尺寸及配合间隙①第一道气环尺寸如图3-7所示：轴向高度h=2.4mm。对于缸径D=80～150mm，D/t=22～28，取D/t=27，则t=3.5mm，材料选择的是球墨铸铁，对于这种材料S/D=0.08～0.1，取S/D=0.1，开口间隙S=13mm；闭口间隙=0.35mm。②第二道气环轴向高度h=2.4mm，D/t=27，则t=3.5mm。对于灰铸铁S/D=0.13～0.14取S/D=0.13，则开口间隙S=13mm；闭口间隙=0.005D=0.35mm。③油环参考同类型机来确定轴向高度h=4mm。取D/t=27，则t=3.5mm。对于灰铸铁S/D=0.13～0.14，取S/D=0.13，则开口间隙S=13mm；闭口间S0=0.003D=0.3mm。（2）环槽与活塞环的间隙活塞环和环槽存在相对间隙，在活塞运动过程中，会产生撞击摩擦。因此要求间隙不能过大，因为会增加环槽之间的机械负荷。此外，间隙大也不利于密封。每种环与槽的端面间隙有不同遵循原则：温度越高，间隙就越大。而且由于不同发动机形式和缸径也会导致间隙也不同[19]。①端面间隙一般在下列范围：第一气环=0.08～0.20mm，取=0.08mm；第二气环=0.06～0.15mm，取=0.05mm；油环=0.03～0.08mm，取=0.04mm；②径向间隙，其一般范围是：气环：>0.3~0.7mm，第一、第二环的径向间隙为0.5mm；油环：>0.5~1.5mm，取其为0.8mm[18]。第四章活塞的应力分析和强度校核4.1活塞的校核4.1.1活塞顶的机械应力机械应力的许用范围在内，所以可靠。4.1.2对第一环岸进行校核弯曲应力：剪切应力：总应力：因为总应力的适用范围是300~500kgf/cm2，可取。4.1.3裙部比压最大侧压力：裙部比压：注：其中H2是裙部长度裙部比压需用范围为500～900，故在范围内，可取。4.1.4活塞销座比压其中，—活塞销直径；—销座的工作长度允许值，故在范围内，可取。4.2活塞销的受力与校核4.2.1弯曲变形活塞销材料选用的是20Cr。其弹性模量为图4-2活塞销的计算简图许用弯曲变形，故弯曲变形在允许的范围内。4.2.2椭圆变形许用的椭圆变形：故椭圆变形在允许的范围内。4.2.3纵向弯曲应力4.2.4横向弯曲应力4.2.5总应力许用总应力为，故在范围内，可取4.3活塞环的校核4.3.1校核气环（1）对于第一道气环，其最大弯曲应力是：球墨铸铁，弹性模量E=180GPa；活塞环的许用应力，故在范围内。活塞环弹力：（1）对于第二道气环，其最大弯曲应力是：对于灰铸铁，取弹性模量E=100Gpa；活塞环的许用应力，故弯曲应力在允许范围内。活塞环的弹力：环的套装应力：因为装环是采用手工安装，取m=1.57许用套装应力，故在允许范围内，可取。许用套装应力，故在允许范围内，可取。第五章连杆组零件参数的选择5.1连杆的工作情况连杆主要是将活塞产生的作用力转换为上下运动的力，并传给曲轴，使曲轴做旋转运动。连杆主要承受以下载荷：（1）由连杆力引起的拉压疲劳载荷式中Pg—气体作用力；Pj—往复惯性力；β—连杆摆角（2）连杆力矩而产生的连杆横向弯曲载荷（3）装配过程中产生的装配静载荷此外，承压面与轴线不对称会导致弯矩载荷的产生，这是由于工艺误差造成的[18]。5.2连杆的材料连杆一般选用39Cr5中碳Cr合金钢的材质，因为这种材料制造加工成本较低，应力集中较小，不易断裂。5.3连杆长度的确定连杆长度是连杆设计时最核心的参数，用连杆比λ来表示，即λ=R/L。连杆长度与之成反比，可通过降低发动机高度，减轻质量来迎合发动机的高转速。但是如果转速越高，惯性力就越大，产生的摩擦碰撞就会越强烈。应遵循连杆及相关零件在运动时不与其他机件相碰为原则，为追求发动机的结构紧凑，连杆长度尽量小。当缸径S≤120mm时，λ值一般在0.27～0.30之间，综合考虑，取连杆长度为L=210mm，即λ值为0.274，在此范围之内，是可取的[18]。5.4连杆小头的设计5.4.1小头结构形式此次设计的小头是薄壁圆环型的，因为结构简单，加工容易，利用率高，应力较小。小头和杆身直接采用圆弧过渡。其结构如图5-1所示。图5—1连杆小头的尺寸5.4.2小头尺寸小头尺寸包括：内径d1，外径d2，衬套内径的d，宽度b1。衬套内径与活塞销配合，所以直径取35mm。衬套的厚度=（0.04～0.08）d。综合考虑，选=0.05d=2.5mm，小头的内径d1为40mm。小头外径d2的取值范围为d2=（1.2～1.4）d1，取d2=1.23d1=50mm。小头的宽度由小头连杆的端面和活塞销间隔决定，另外要保证销座两侧有足够的间隙，一般为1~2mm。同时要保证合适的单位面积压力，小头宽度b1=（0.9～1.2）d，取b1=0.96d=34mm，小头宽度和座之间的间隙为1mm[19]。5.4.3连杆衬套一般在小头内装入衬套可以减小活塞销与连杆小头的磨损。（1）衬套的材料衬套选择的材料是强度高，耐磨性好的锡青铜，这种材料合适在大功率机上使用。（2）衬套与小头孔的配合衬套与连杆小头孔是过盈配合，包括jd、je、jb3、jc3等。我们知道，这种配合方式会使零件产生屈服而松动，但是过小会因压配而松动，导致衬套和小头孔之间的相对转动。小头孔设计直径为mm，过盈量为0.018~0.068mm，而衬套外径尺寸为mm。衬套与活塞销的配合不能发生干涉。由于全浮式活塞销的配合方式间隙大，所以选用0.025～0.064mm，也就是说衬套的内径为mm[23]。（3）衬套的润滑小头中间设有一定量的油孔，这些油孔中的机油由喷油嘴喷出的油提供发，其中有一部分流经衬套，使衬套冷却。5.5连杆杆身的设计连杆杆身是主要的受力部件，当活塞运行时，由连杆提供推拉的惯性力，长期受这种力会导致弯曲变形，如果在快速摆动时还要承受横向惯性力，产生弯曲作用的力。如图5-2所示，杆身的截面是工字型，其长轴在摆动平面内。因工字型截面的结构设计，受力最为合理以及材料的利用率最高，所以应用最广泛。连杆的最大压应力集中在中部，其他应力分别作用在杆身与大头、小头圆角过渡处。考虑上面所述，确定出基本尺寸：如图5-2所示查表得[18]：截面宽B=20mm，t=8mm截面的高H=（1.2～1.8）B，取H=1.5B=30mm图5-2连杆杆身横截面形状5.6连杆大头的设计连杆大头的连接连杆和曲轴，保证工作可靠性，要有足够的强度和刚度，要不然影响整机。为了当活塞连杆出现故障时方便维修，要保证大头摆动时的宽度略微小于气缸的直径，在设计过程中，缩小质量和尺寸。设计的应注意如下问题：连杆盖要用加强筋加固，而且螺栓孔附近要有过度；（2）螺栓头和螺母支承面直接通过圆弧过渡可以防止尖角，一般情况下，过度的方式采用锻造圆角或圆弧[18]；5.6.1连杆大头的剖分形式根据经验采用平切口的剖分方式5.6.2连杆大头的定位方式平切口连杆受惯性力时，连杆体与连杆盖的结合面的方向上有着很强的横向力，导致连杆螺栓承受一定的剪切力。此时选择的定位方式必须要有抗剪切应力的能力。所以采用螺栓定位。5.6.3连杆大头的主要尺寸（1）大头孔直径曲柄销尺寸为65mm，由于综合考虑到轴瓦的尺寸，取D1=70mm。（2）连杆螺栓孔中心线中心线应尽可能靠近轴瓦，连杆螺栓孔中心距为=（1.2～1.3）D1，取1.28，=90mm，螺纹外侧边2～4mm[18]。图5-3连杆大头的主要尺寸（3）连杆大头高度、对于平切口连杆：第六章连杆的受力分析和强度校核6.1连杆小头6.1.1由衬套过盈配合及受热膨胀产生的应力：—衬套压配过盈量。=0.018~0.068mm—衬套小头膨胀而产生的过盈量—连杆的弹性模量。—衬套的弹性模量。代入上式由引起的小头应力内表面外表面6.1.2由惯性力拉伸时引起的小头应力根据截面的弯矩和法向力公式求得[24]（由图纸量得）小头平均半径(1)活塞组最大惯性力（2）小头中心截面上的弯矩小头中心截面上的法向力（3）小头固定截面上的弯矩小头固定截面上的法向力（4）在任意截面上的应力为：外表面内表面其中：小头壁厚小头截面积衬套截面积故上式可化简为外表面：内表面：（5）拉伸时的最大应力当时，外表面达到最大6.13由最大压缩力引起的小头应力（1）最大压缩力（2）求各截面的弯矩和法向力当时：（3）压缩时的最大应力当时，外表面达到最大当时，内表面达到最大故受压缩载荷时强度满足。（4）小头的安全系数仅考虑工艺因素对疲劳强度的影响其中：—对称循环下的弯曲疲劳极限；—应力幅；—角系数；—考虑表面加工情况的工艺因素；—平均应力。而其中：—脉动循环下的弯曲疲劳极限；=（1.4~1.6）（5）小头应力小头应力不对称循环变化，在固定角截面处，外表面应力变化较大，要计算安全系数。循环最大应力循环最小应力应力幅平均应力查表得，45钢的，则在固定角截面的外表面处：应力幅；平均应力；则小头的安全系数小头的安全系数大于1.5，故满足要求，安全。6.1.4小头横向直径的减小量由公式计算其中：；；；；代入上式得为使活塞销与连杆衬套不产生过盈配合而磨损，应保证，由4.4节可知=0.025~0.075mm，故=0.0125~0.0375mm，满足。6.2连杆杆身的校核6.2.1杆身计算力（1）最大拉伸力其中G’为活塞组重量（1400g）和G为上部分的连杆组的重量（2400g）；（2）最大压缩力[25]6.2.2杆身中间截面处的应力与安全系数（1）由引起的拉伸应力上式中—杆身截面积，经计算得：=3.17，代入得（2）由压缩和纵弯曲引起的合成应力在摆动平面中式中C=0.00035；则在垂直于摆动平面内式中则（3）在杆身中间截面的应力幅和平均应力在摆动平面内应力幅平均应力在垂直于摆动平面内应力幅平均应力（4）摆动平面和垂直摆动平面内的安全系数

第七章结论本文主要对ZS195柴油机进行活塞连杆的设计，对首先针对于活塞连杆进行市场分析和调查，了解国内外最先进的技术，然后加上自己的理解，设计出一组工作性能更好，效率更高的活塞连杆。主要工作如下：活塞的设计，根据ZS195原有的数据参数，结合柴油机设计手册和相关文献，选择合适的尺寸范围，再联合实际需求和同类型的机型得出尺寸，主要尺寸包括：活塞总高H=104mm；压缩高度H1=60mm；裙部高度H2=73.2mm；活塞销外直径d=35mm；活塞销长度l=81mm。最后进行强度的校核，包括活塞顶的机械应力为445kgf/cm2；裙部比压为531kgf/cm2；活塞销座比压为211kgf/cm2；总应力为1907kgf/cm2，各项校核系数均符合要求。最后绘制出了二维、三维图形。连杆组的设计，同样根据给定的数据，再参考设计手册和相关文献，得出以下重要尺寸：连杆长度L=210mm；小头内径d1=40mm；外径d2=50mm；宽b1=34mm;杆身截面宽B=20mm；厚t=8mm；H=30mm；大头直径直径D1=70mm；连杆螺栓孔中心线l1=90mm。校核系数为：小头内表面应力=1152kgf/cm2；外表面应力=899kgf/cm2；杆身最大拉伸力Pj=499kgf/cm2；最大压缩力Pc=5316kgf/cm2等校核参数都在取值范围内。再绘制出二维和三维图形。本次的设计任然有很多的不足之处，比如连杆的大头壁厚由于无法对应合适的螺栓，导致过厚。

第八章参考文献[1]米沙,张有玉,李忠光.柴油发动机汽车史话[J].汽车运用,2007,(11):16-17.[2]胡俊.柴油机启动困难故障与排除分析[J].工程技术:引文版,2017,(3):188-188.[3]HanipahMR.Recentcommercialfreepistonenginedevelopmentsforautomotiveapplications[J].AppliedThermalEngineering,2015,(75):493–503.[4]常永发,王海涛,李越超.国内柴油机电控技术的现状及发展方向[J].科学家,2016,(3):49-50.[5]兰银在,靳永标,狄建兵.国内外重载车用柴油机的现状及发展趋势[J].小型内燃机与车辆技术,2011,(3):88-91.[6]熊振林,左迁.浅谈柴油机的技术发展[J].