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摘要：本研究为12V180Z型柴油机。根据柴油机的用途，功率，转速，油耗等技术指标，针对柴油机的活塞连杆机构进行设计研究。
关键词：柴油机，设计，连杆机构。
中图分类号：TK42
1. 活塞组
1.1活塞组的功用与要求
活塞组由活塞本体、活塞销、活塞环等所组成。组合式活塞的活塞本体是由活塞头及活塞裙两部分构成。
根据活塞组的工作状态作用，符合以下五点：①具有较轻的结构重量，足够的刚度和强度；②避免各部分截面尺寸变化及壁厚差别太大；③避免局部过热，使温度分布尽可能均匀；④使用导热良好、耐疲劳性好、高温屈服点高的材料；⑤加强局部冷却[1]。
1.2活塞
活塞由铝合金铸造而成，其顶部制成浅w型燃烧室，上有四个避阀坑。活塞顶部铸有环形内腔，润滑油由连杆油孔经活塞销、活塞销座引至该腔内，并从另一销座上的回油底壳，带走热量，降低活塞顶部温度。活塞裙部的椭圆形是为了纠正活塞的热变形和机械变形。使其工作状态时与气缸保持合理的间隙。因此，活塞裙尺寸的选定，不尽要考虑比压、导向、和润滑，还要注意合理分配上下裙尺寸。理论上取活塞裙长H2约等于气缸直径D，并使销中心位于上下裙居中位置形成45°承压角比较理想，中速大功率时，H2/D一般取在0.85～1.20[2]。
1.3活塞环
每组活塞装有三道气环和两道油环（其中有一个油环位于活塞销下部）。每个环都是用的合金铸铁，第一环外圆镀铬。
当活塞位于上止点时，第一道环必须处于气缸套水腔上沿位置以内，使活塞环得到良好散热，降低第一环槽温度。
1.4活塞销
销同销座互成为一对摩擦副，活塞顶部所承受的气体压力将通过销座和活塞销传递给连杆，销及座将产生弯曲变形。本机活塞销是用合金钢制造，表面具有60HRC以上的高硬度，浮动支承，两端用销盖防止轴向窜动，以保证可靠性和耐久性。
2.连杆组
2.1连杆组的功用及工作情况
连杆联接活塞（或十字头）及曲轴构成曲柄-连杆机构、将活塞的直线往复运动转化为曲轴的回转运动，将气缸内气体对活塞的作功传递给曲轴并以扭矩向外输出功。
内燃机工作时连杆承受来自气缸内作用于活塞上的气体压力及活塞连杆组的惯性力，其大小与方向随曲轴转角呈周期性变化。
2.2连杆组的运动情况[3]
连杆组的运动情况比较复杂：小头部分随活塞组往复运动；大头部分随曲轴的曲柄作旋转运动；杆身部分作往复运动和摆动组成的复合运动。连杆工作时受到两种载荷：燃气作用力和曲柄连杆机构中往复运动惯性力所引起的纵向载荷。上述两种载荷的大小和方向都是变化的。此外连杆组装配时还造成静载荷。在小头是由压入衬套而引起，在大头则是由于拧紧连杆螺栓所引起的。
在四冲程内燃机中，力F使连杆杆身承受拉压疲劳载荷，当F为正时，杆身受压，由于连杆为细长件，在摆动平面和其垂直的平面内，F力还使连杆产生纵向弯曲，造成轴承不均匀磨损。当F为负值时杆身受拉。为了在负值最大时，不致使连杆体与大头感的接合面互相分离。连杆螺栓必须在装配时给予足够的拧紧力。
横向载荷为杆身摆动所产生的附加弯矩，此附加弯矩为杆身的转动惯量与连杆摆动的角加速度的乘积。
2.3连杆的材料
连杆是用铬钼钢模锻而成，四周抛光以提高疲劳强度。大端分开面成45°斜切口，以便从气缸套中抽出连杆组。连杆大端是由锯齿形和定位销来定位，用二个螺钉紧固。小端轴承为青铜套。连杆瓦为钢背高锡铝基合金瓦，其表面镀锡。连杆材质性能还应由适当的热处理规范来保证。
2.4连杆小头
连杆小端轴承的承压面积小，散热条件差，故要求连杆小头轴承材料有较大的承载能力。本机选用青铜制作连杆小头轴承，连杆小头要有足够的厚度，要特别注意到杆身过度的圆滑性，减小应力集中。小头轴承相对滑动速度低，四冲程循环又使它受往复性负荷，有助于润滑油膜的恢复，所以采用飞溅润滑即可。
本机连杆小头采用梯形结构，有助于减少承压面积和往复惯性力。
2.5连杆大头
连杆大头联接连杆和曲轴，要求有足够的强度和刚度，否则将影响薄壁轴瓦，连杆螺栓，甚至整机工作可靠性，为了便于维修，高速内燃机的连杆必须能从气缸中取出，故要求大头在摆动平面内的总宽B必须小于气缸直径。大头的外形尺寸又决定了凸轮轴位置和曲轴箱形状。大头的重量产生的离心力会使连杆轴承，主轴承负荷增大，磨损加剧，有时还为此而不得不增大平衡重，给曲轴设计带来困难。因此，在设计连杆大头时应在保证强度，刚度条件下，尺寸小，重量尽量轻。
连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径D2，长度B2。连杆轴瓦厚度δ和连杆螺栓直径dm。其中D2，B2是根据曲轴强度、刚度和轴承的承压能力，在曲轴设计中确定。
连杆大头与连杆盖的分开面大多垂直连杆轴线，称为平切口。如果与连杆轴线倾斜，则称为斜切口。本机采用的是斜切口。
为提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离应尽量小，当D2相对较大时，为缩小大头宽度，并保证轴瓦沿长度均匀压紧，可以采用每边两个螺栓的结构。但是这时应注意严格保证安装时两个紧力大小一致，否则轴瓦工作条件恶化，螺栓孔外侧壁厚一般不应小于2mm。否则大头刚度将过小。在连杆受拉时，大头孔易产生椭圆变形。为了减少应力集中，连干大头各处形状都应圆滑，特别是螺栓头支承面到杆身或大头盖的过滤必须避免尖角。尽可能用大的圆角。当布置所限，圆角半径不够大时，可以用大半径沉割清除严重的应力集中。沉割可以一直延续到螺栓孔口。实验表明，用适当的圆弧代替尖角过渡时，最大应力可能下降30%～50%。
2.6连杆轴承
本机连杆轴承为滑动轴承。在工作时大头和连杆轴颈间有相对转动，其滑动速度高达10m/s以上会引起磨损。由于曲轴制造成本高，我们希望曲轴磨损量小些，所以将曲轴轴颈加工硬些，而轴承做得較软。为此在轴承上有一层抗磨合金，耐磨合金的特点是质地较软而有分布着细微的硬质点来承受压力，它的储油能力也很好，可以减小磨擦。轴瓦一般由瓦背与减磨层组合而成。瓦背保证整体轴瓦的机械强度，而薄的减磨层保证良好的摩擦性能。
瓦的瓦片用厚度为1.6mm的钢带制成。瓦片材料的含碳量高时，瓦片与抗磨合金不易粘住。因此，本柴油机轴瓦瓦片的材料采用高锡铝合金制成，有些轴瓦的内孔上开有油槽，瓦背上的油槽一般作为润滑油路内孔油槽，能使润滑更好地在轴瓦上分布。
结语
在这篇12V180Z型柴油机活塞连杆机构的论文中，有些经验数值的选择是依据最新的或已被广泛应用的设计理念，其某些通用部件或零件在相关手册中均有详细介绍，本文就不一一重复了。
参考文献：
[1] 陈大荣. 船用内燃机设计.北京：国防工业出版社，1982，01～289
[2] 四方机车车辆厂. 12V180Z柴油机使用维护说明书
[3] 周龙保. 内燃机学.北京：机械工业出版社，2005，306～350
关键词：柴油机，设计，连杆机构。
中图分类号：TK42
1. 活塞组
1.1活塞组的功用与要求
活塞组由活塞本体、活塞销、活塞环等所组成。组合式活塞的活塞本体是由活塞头及活塞裙两部分构成。
根据活塞组的工作状态作用，符合以下五点：①具有较轻的结构重量，足够的刚度和强度；②避免各部分截面尺寸变化及壁厚差别太大；③避免局部过热，使温度分布尽可能均匀；④使用导热良好、耐疲劳性好、高温屈服点高的材料；⑤加强局部冷却[1]。
1.2活塞
活塞由铝合金铸造而成，其顶部制成浅w型燃烧室，上有四个避阀坑。活塞顶部铸有环形内腔，润滑油由连杆油孔经活塞销、活塞销座引至该腔内，并从另一销座上的回油底壳，带走热量，降低活塞顶部温度。活塞裙部的椭圆形是为了纠正活塞的热变形和机械变形。使其工作状态时与气缸保持合理的间隙。因此，活塞裙尺寸的选定，不尽要考虑比压、导向、和润滑，还要注意合理分配上下裙尺寸。理论上取活塞裙长H2约等于气缸直径D，并使销中心位于上下裙居中位置形成45°承压角比较理想，中速大功率时，H2/D一般取在0.85～1.20[2]。
1.3活塞环
每组活塞装有三道气环和两道油环（其中有一个油环位于活塞销下部）。每个环都是用的合金铸铁，第一环外圆镀铬。
当活塞位于上止点时，第一道环必须处于气缸套水腔上沿位置以内，使活塞环得到良好散热，降低第一环槽温度。
1.4活塞销
销同销座互成为一对摩擦副，活塞顶部所承受的气体压力将通过销座和活塞销传递给连杆，销及座将产生弯曲变形。本机活塞销是用合金钢制造，表面具有60HRC以上的高硬度，浮动支承，两端用销盖防止轴向窜动，以保证可靠性和耐久性。
2.连杆组
2.1连杆组的功用及工作情况
连杆联接活塞（或十字头）及曲轴构成曲柄-连杆机构、将活塞的直线往复运动转化为曲轴的回转运动，将气缸内气体对活塞的作功传递给曲轴并以扭矩向外输出功。
内燃机工作时连杆承受来自气缸内作用于活塞上的气体压力及活塞连杆组的惯性力，其大小与方向随曲轴转角呈周期性变化。
2.2连杆组的运动情况[3]
连杆组的运动情况比较复杂：小头部分随活塞组往复运动；大头部分随曲轴的曲柄作旋转运动；杆身部分作往复运动和摆动组成的复合运动。连杆工作时受到两种载荷：燃气作用力和曲柄连杆机构中往复运动惯性力所引起的纵向载荷。上述两种载荷的大小和方向都是变化的。此外连杆组装配时还造成静载荷。在小头是由压入衬套而引起，在大头则是由于拧紧连杆螺栓所引起的。
在四冲程内燃机中，力F使连杆杆身承受拉压疲劳载荷，当F为正时，杆身受压，由于连杆为细长件，在摆动平面和其垂直的平面内，F力还使连杆产生纵向弯曲，造成轴承不均匀磨损。当F为负值时杆身受拉。为了在负值最大时，不致使连杆体与大头感的接合面互相分离。连杆螺栓必须在装配时给予足够的拧紧力。
横向载荷为杆身摆动所产生的附加弯矩，此附加弯矩为杆身的转动惯量与连杆摆动的角加速度的乘积。
2.3连杆的材料
连杆是用铬钼钢模锻而成，四周抛光以提高疲劳强度。大端分开面成45°斜切口，以便从气缸套中抽出连杆组。连杆大端是由锯齿形和定位销来定位，用二个螺钉紧固。小端轴承为青铜套。连杆瓦为钢背高锡铝基合金瓦，其表面镀锡。连杆材质性能还应由适当的热处理规范来保证。
2.4连杆小头
连杆小端轴承的承压面积小，散热条件差，故要求连杆小头轴承材料有较大的承载能力。本机选用青铜制作连杆小头轴承，连杆小头要有足够的厚度，要特别注意到杆身过度的圆滑性，减小应力集中。小头轴承相对滑动速度低，四冲程循环又使它受往复性负荷，有助于润滑油膜的恢复，所以采用飞溅润滑即可。
本机连杆小头采用梯形结构，有助于减少承压面积和往复惯性力。
2.5连杆大头
连杆大头联接连杆和曲轴，要求有足够的强度和刚度，否则将影响薄壁轴瓦，连杆螺栓，甚至整机工作可靠性，为了便于维修，高速内燃机的连杆必须能从气缸中取出，故要求大头在摆动平面内的总宽B必须小于气缸直径。大头的外形尺寸又决定了凸轮轴位置和曲轴箱形状。大头的重量产生的离心力会使连杆轴承，主轴承负荷增大，磨损加剧，有时还为此而不得不增大平衡重，给曲轴设计带来困难。因此，在设计连杆大头时应在保证强度，刚度条件下，尺寸小，重量尽量轻。
连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径D2，长度B2。连杆轴瓦厚度δ和连杆螺栓直径dm。其中D2，B2是根据曲轴强度、刚度和轴承的承压能力，在曲轴设计中确定。
连杆大头与连杆盖的分开面大多垂直连杆轴线，称为平切口。如果与连杆轴线倾斜，则称为斜切口。本机采用的是斜切口。
为提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离应尽量小，当D2相对较大时，为缩小大头宽度，并保证轴瓦沿长度均匀压紧，可以采用每边两个螺栓的结构。但是这时应注意严格保证安装时两个紧力大小一致，否则轴瓦工作条件恶化，螺栓孔外侧壁厚一般不应小于2mm。否则大头刚度将过小。在连杆受拉时，大头孔易产生椭圆变形。为了减少应力集中，连干大头各处形状都应圆滑，特别是螺栓头支承面到杆身或大头盖的过滤必须避免尖角。尽可能用大的圆角。当布置所限，圆角半径不够大时，可以用大半径沉割清除严重的应力集中。沉割可以一直延续到螺栓孔口。实验表明，用适当的圆弧代替尖角过渡时，最大应力可能下降30%～50%。
2.6连杆轴承
本机连杆轴承为滑动轴承。在工作时大头和连杆轴颈间有相对转动，其滑动速度高达10m/s以上会引起磨损。由于曲轴制造成本高，我们希望曲轴磨损量小些，所以将曲轴轴颈加工硬些，而轴承做得較软。为此在轴承上有一层抗磨合金，耐磨合金的特点是质地较软而有分布着细微的硬质点来承受压力，它的储油能力也很好，可以减小磨擦。轴瓦一般由瓦背与减磨层组合而成。瓦背保证整体轴瓦的机械强度，而薄的减磨层保证良好的摩擦性能。
瓦的瓦片用厚度为1.6mm的钢带制成。瓦片材料的含碳量高时，瓦片与抗磨合金不易粘住。因此，本柴油机轴瓦瓦片的材料采用高锡铝合金制成，有些轴瓦的内孔上开有油槽，瓦背上的油槽一般作为润滑油路内孔油槽，能使润滑更好地在轴瓦上分布。
结语
在这篇12V180Z型柴油机活塞连杆机构的论文中，有些经验数值的选择是依据最新的或已被广泛应用的设计理念，其某些通用部件或零件在相关手册中均有详细介绍，本文就不一一重复了。
参考文献：
[1] 陈大荣. 船用内燃机设计.北京：国防工业出版社，1982，01～289
[2] 四方机车车辆厂. 12V180Z柴油机使用维护说明书
[3] 周龙保. 内燃机学.北京：机械工业出版社，2005，306～350