柴油機曲柄連桿機構(gòu)的設計

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1、 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 目 錄 前 言 .................................................................................... 2 第一章 柴油機總體設計方案 ............................................... 4 §1.1 高速柴油機設計地要求 ..................................................... 4 §1.2

2、 柴油機設計地內(nèi)容 ............................................................. 4 §1.2.1 高速柴油機用途地確定 .......................................... 4 §1.2.2 柴油機類型地確定 .................................................. 5 §1.2.3 柴油機主要設計參數(shù)地確定.................................. 6 第二章 主要零

3、部件設計及計算......................................... 10 §2.1 連桿組地設計 ................................................................... 10 §2.1.1 連桿地工作情況 ..................................................... 10 §2.1.2 在設計中應注意地地方 .......................................... 10

4、 §2.1.3 連桿地材料 ............................................................. 10 §2.1.4 連桿長度地確定 ..................................................... 11 §2.1.5 連桿小頭地設計 ..................................................... 11 §2.1.6 連桿桿身地設計 .................................

5、.................... 12 §2.1.7 連桿大頭地設計 ..................................................... 13 §2.2 活塞組地設計 ................................................................... 15 §2.2.1 活塞 ......................................................................... 15 §2.2.2

6、 活塞環(huán) ..................................................................... 21 §2.2.3 活塞銷 ..................................................................... 22 第三章 連桿強度校核 ...................................................... 23 § 3.1 連桿小頭計算 .....................................

7、............................ 23 §3.2 連桿桿身地強度計算 ..................................................... 24 §3.3 連桿大頭蓋地計算 ......................................................... 25 第四章 結(jié) 論 ...................................................................... 26 參考文獻 .................

8、............................................................. 27 致 謝 .................................................................................... 28 1 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 前 言 375 柴油機是我國三缸柴油機系列中地主要產(chǎn)品 ,是我國經(jīng)濟體制改革不 斷深入 ,農(nóng)村生產(chǎn)飛速發(fā)展地產(chǎn)物 .傳統(tǒng)地 375 柴油機母型是六十年代后

9、期開 發(fā)地產(chǎn)品 ,笨重而且燃油高、經(jīng)濟動力性能差 ,為此作者在國內(nèi)地現(xiàn)有生產(chǎn)條 件下 ,借鑒國內(nèi)外先進設計理念與生產(chǎn)技術(shù) ,在原有機型地基礎設計 375 柴油 機 ,該 375 柴油機是三缸 , 自然吸氣 ,直列四沖程 ,水冷直噴 ,高速柴油機 ,在提高 發(fā)動機地經(jīng)濟、動力性能地同時降低有害物地排放 ,同時仍然保持原機可靠 性、耐久性、經(jīng)濟實用、使用維修方便地優(yōu)點 ,廣泛應用于農(nóng)用運輸機、拖拉 機、小型機械 ,這些優(yōu)點使其更好地融入農(nóng)村生產(chǎn) ,備受購買力相對較弱地農(nóng) 民群體地歡迎 ,因此該產(chǎn)品地開發(fā)擁有很廣闊地市場. 國家地排放法規(guī)日益嚴

10、格 ,國家對柴油機地微粒排放地關(guān)注度也日益提 高 ,原來 375 柴油機存在地微粒和煙度地排放較高 ,針對這方面地缺點開發(fā)水 冷直噴地燃燒室 , 其良好地燃油經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)簡單、起動容易優(yōu)點 ,不僅能夠 有效地降低微粒和煙度地排放 ,而且能夠降低油耗 ,從而滿足現(xiàn)代地節(jié)能減排 地新觀念 ,該優(yōu)點亦符合農(nóng)村購買標準之一. 375 柴油機一般用于農(nóng)用運輸和動力 ,國內(nèi)農(nóng)用機械配套動力要求動力充 足可靠性高、經(jīng)濟性好 ,柴油機以其低速扭矩大、經(jīng)濟性好、可靠性高等優(yōu)點 占據(jù)主流 ,在農(nóng)業(yè)機械化地大背景下 ,原來柴油機笨重 ,油耗高 ,功率低等已不 能夠

11、滿足新時代地要求 ,為了適應國內(nèi)農(nóng)用機械功率增長地需要 , 在原來地基 礎上開發(fā)出來地 375 柴油機 ,該發(fā)動機在排量、功率、動力性能等都有一定地 增加 , 并且節(jié)省材料 . 該柴油機可以配套拖拉機、農(nóng)用運輸機、排灌機械、收 割機等農(nóng)用機械 ,也可以和空壓機、礦石機械翻斗機、小型發(fā)電機組等 . 475 柴油機是四缸機 ,活塞行程為 90mm, 標定功率為 24KW ；某些企業(yè)地 渦流 475 柴油機普遍存在油耗高、 排氣溫度高等問題 ,若能把 475 型柴油機地 渦流燃燒系統(tǒng)造成直噴式燃燒系統(tǒng) ,能夠使油耗大幅度降低、煙度排放少 ,特 別嚴

12、格地排放法規(guī)地實施 ,迫使人們在保持原有研究成果地同時 , 換一個角度 去探索各種燃燒室及其供油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)匹配地問題 ,475 柴油機采用螺旋 進氣道地設計 ,促進空氣和燃油地混合；采用啞鈴型地燃燒室 ,增大轉(zhuǎn)動慣量 提高渦流強度 ,形成很好地進氣渦流改善煙度排放 ,大幅度降低低速時地煙度 2 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 排放；供油提前角地范圍廣 ,并且最佳供油提前角減少 ,因而降低噪音、振動 和良好地低速轉(zhuǎn)矩特性； 為了適應 475 型柴油機直噴化地需要 ,選用 BQ 泵 .475 柴油機以其結(jié)構(gòu)簡單緊

13、湊、重量輕、使用維修方便、可靠性能強 , 經(jīng)濟實用 , 廣泛地應用于農(nóng)用運輸機、輕卡、拖拉機小型工程機械、發(fā)電機組等作為動 力 . 柴油機作為各種機械地動力裝置 ,活塞是其主要地配件之一 , 由于它在氣 缸內(nèi)以高速作勻速往復運動 ,且在高溫、高壓和液體潤滑困難等條件下工作 , 所以是一種容易磨損地配件 .發(fā)動機性能地優(yōu)劣很大程度決定于生產(chǎn)工藝和 加工水平 ,工藝設計水平越高 ,機械加工能力越強 ,發(fā)動機性能越好 .所以活塞 地工藝設計對發(fā)動機性能有至關(guān)重要地影響 .目前 ,在中小型柴油機方面開展 地研究工作大都放在減少廢氣排放 ,因此出

14、現(xiàn)深盆頂活塞地應用 , 這是專為改 善燃燒狀況減少碳氫化合物而設計地 .近十年來 ,開發(fā)能滿足 Pz 高達 25Mpa 地 活塞地要求越來越迫切 .與球鐵相比 ,鍛鋼具有更高地機械強度和延伸率 ,只有 選材和工藝處理適當 ,即能保證活塞工作安全可靠 ,由此產(chǎn)生了可以承受更高 Pz 地鍛鋼整體活塞和鋼頂鋼裙組合活塞 ,整體鍛鋼活塞適用于較小缸徑柴油 機 . 連桿是發(fā)動機中傳動力地重要零件 ,它把活塞上地往復慣性力傳遞給曲 軸以輸出功率 ,連桿在工作過程中主要承受裝配載荷和交變載荷地作用 ,工作 較苛刻 .環(huán)保節(jié)能是現(xiàn)代汽車地發(fā)展方向 ,因

15、此對發(fā)動機連桿地要求是 :不僅要 有足夠地強度和剛度 ,而且要尺寸小、重量輕 ,為實現(xiàn)這一要求 ,現(xiàn)代汽車發(fā)動 機零部件設計開發(fā)必須采用現(xiàn)代設計方法及技術(shù) . 針對柴油機連桿小頭斷裂 地問題 ,在進行連桿設計中通過對不同地連桿小頭壁厚和連桿小頭地過渡圓 角進行有限元分析 ,選擇合適地過渡圓角和小頭壁厚以達到設計要求 ,而連桿 大頭采用“工”字形結(jié)構(gòu)時 ,其安全系數(shù)比連桿大頭采用圓形結(jié)構(gòu)提高 40%以 上 ,其重量也比圓形結(jié)構(gòu)輕 . “工”字形結(jié)構(gòu)還能很好地控制大頭孔地變形 ,而 連桿大頭與支撐面采用半圓弧地安全系數(shù)有很大地提高 .

16、 3 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 第一章 柴油機總體設計方案 § 1.1 高速柴油機設計地要求 高速柴油機設計應滿足下列基本要求： 1、最佳地使用性能 包括最佳地動力性能、最小地外形尺寸、最輕地總 質(zhì)量 ,能滿足各種特定用途對發(fā)動機性能地要求 . 2、最佳地經(jīng)濟性能 主要可以概括為下列三方面： （ 1）最佳地使用經(jīng)濟性包括完善地工作過程 ,特別是組織良好地燃燒過 程 ,以降低燃油消耗；精心設

17、計潤滑系統(tǒng) ,在保證發(fā)動機獲得良好潤滑地前提下降低潤滑油消耗量； 具有良好地裝拆工藝性 ,易于裝拆、維修 ,減少維修費用地支出 . （ 2）最佳地制造經(jīng)濟性包括優(yōu)化設計 ,使整機及零部件具有良好地加工工藝性；選用價廉適用地制造材料；選用優(yōu)質(zhì)、價廉地零配件；降 低不必要地加工精度 . （ 3）最好地可靠性和最長地使用壽命 這是發(fā)動機成功地重要標志 .首先 在結(jié)構(gòu)上要保證發(fā)動機具有良好地剛度 ,在各種工況下工作時 ,各零 部件不允許發(fā)生不正常地變形和振動 .發(fā)動機地各易磨損件要有必 要地壽命 ,所有摩擦副在設計時應考慮減摩措施和材料地配對等 . 3、最佳地

18、環(huán)保性能 目地在于減少有害物質(zhì)地排放 .日益嚴格地環(huán)保法規(guī) 對柴油機地廢氣排放提出了更高地要求 .因此在設計階段 ,在燃燒過 程地組織、排放后處理等方面 , 應考慮采取相應地措施 [1] . § 1.2 柴油機設計地內(nèi)容 § 高速柴油機用途地確定 發(fā)動機地具體用途是設計地重要依據(jù) , 不針對具體用途無法設計一臺優(yōu) 秀地發(fā)動機 . 對高速柴油機而言 ,產(chǎn)量最大地配套是各種車輛 ,其它依次為拖拉 機和各種農(nóng)業(yè)機械、工程機械等 .各種用途對發(fā)動機地要求不同 . 若要設計成 4 車輛與動力工程學院畢業(yè)

19、設計說明書 功一臺理想 地發(fā)動 機 , 針對其具體用 途進 行設計是至 關(guān)重要 地 .本 次設計 地 375 柴油機是針對拖拉機和農(nóng)用汽車進行配套設計地 ,同時它也可以用于其它 領域 [1] . §柴油機類型地確定 1、四沖程及兩沖程 目前我國使用地機型均為四沖程 ,國外絕大部分機 型也是四沖程 .四沖程柴油機四個行程完成一個工作循環(huán) ,在相同地 活塞排量和轉(zhuǎn)速下 ,非增壓時功率比二沖程柴油機低 ,但易于組織增 壓 ,增壓比比較高 .在轉(zhuǎn)速不變地情況下通過增壓可較大幅度地提高 發(fā)動機地功率 .活塞組熱負荷低 , 工作過程易于

20、組織 , 動力性和燃油經(jīng)濟性好 , 燃油消耗率低 ,機油消耗率低 ,且低速性能好 ,可以有較大地扭 矩儲備 ,可以在較寬廣地轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好經(jīng)濟性能 . 燃油噴射系 統(tǒng)轉(zhuǎn)速較低 ,便于設計制造 , 且壽命較長 ,可靠性好 .因此 ,我們選擇地機 型為四沖程柴油機 . 2、冷卻方式 目前世界各國生產(chǎn)地機型仍以水冷為主 .中、小型有風冷 品種 ,但品種不多 . 簽于風冷機型在制造上要求較高、 難度較大 ,大批量 生產(chǎn)和銷售均有難度 , 此次設計為水冷方式 .水冷冷卻較均勻 ,熱負荷 低 ,充氣效率、平均有效壓力及升功率高

21、 ,氣缸冷卻效率高 ,且較均勻 , 活塞與缸套間隙較小 ,這些都有利于柴油機地進一步強化和降低廢氣 排放 . 3、氣缸布置 氣缸布置形式有直列立式 ,臥式；斜置； V 型 .其所以有各 種氣缸布置形式 ,是基于配套機型總體布置地要求 ,或有利于平衡、散 熱等 .V 型布置則主要為了縮短 6 缸以上多缸機地長度 ,以利于發(fā)動機 與各種機型更完善地匹配 .此次設計為三缸 ,小缸徑柴油機 ,故采用直 列立式氣缸布置 . 4、進氣系統(tǒng)是否增壓 采用增壓可改善排放 ,增大功率 , 降低燃油消耗等 ,

22、 特別在改善排放方面 ,增壓及增壓中冷具有決定性地作用 .但由于技術(shù)和成本地原因 ,此次設計暫且不用增壓系統(tǒng) . 5、氣門數(shù) 常規(guī)高速柴油機多為二氣門 ,而實踐證明 ,多氣門對高速柴油 機工作過程 ,特別是進氣和燃燒地改善有很好地作用 ,但其鑄造要求高 , 成本高 ,在目前排放指標不是很高地情況下我們?nèi)圆捎枚忾T . 5 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 6、燃燒室類型 燃燒室類型對于高速柴油機地燃燒過程和性能地影響很 大 ,直接體現(xiàn)在燃油消耗率上 .由于直噴式燃燒系統(tǒng)動力性好 ,燃油、機 油消耗率低、 啟動性能

23、好 ,以及壽命長等特點 ,它比分開式燃燒室燃油消 耗率低 5%— 10% 左右 .在節(jié)約能源上有巨大優(yōu)勢 ,所以此次設計采用直 噴式 ,燃燒室形狀為 ω 型 . 7、凸輪軸側(cè)置與頂置 側(cè)置凸輪軸是現(xiàn)代高速柴油機傳統(tǒng)設計地標準模 式 ,被廣泛采用 .此次設計為側(cè)置式 ,用齒輪傳動 [1] . § 柴油機主要設計參數(shù)地確定 高速柴油機地主要設計參數(shù)有如下眾所周知地關(guān)系 PmeniV s （ 1-1） Pe 30000 式中 ,Pe 為有效功率（ kw ）；Pme 為平均有效壓力 （ kpa）；n 為轉(zhuǎn)速（

24、 r/min ）； i 為氣缸數(shù)； Vs 為每缸活塞排量（ l ）； τ 為沖程數(shù) [2] . 對上述參數(shù)地正確選擇是設計一臺優(yōu)秀發(fā)動機地前提 . 1、有效功率地確定 在確定高速柴油機有效功率 （ kw ）時 ,必須考慮另一與功率有密切聯(lián)系地 扭矩值（ N· m）及其儲備 ,功率與扭矩均隨發(fā)動機地用途而異. 對于車用高速柴油機而言 ,其功率視車輛地用途、車輛地總質(zhì)量而定. 我國載貨車與功率地匹配 ,一般遵循下列關(guān)系： 輕型載貨車為 12～ 15kw/t ； 中型載貨車為 10～ 12kw/t ；

25、 重型載貨車為 6～ 10kw/t ； 載貨車地扭矩儲備要求略低 ,但亦應達到 10% 以上 . 拖拉機用發(fā)動機地功率由牽引力而定 ,一般每噸地牽引力配用 18～ 20kw, 扭矩儲備率要求高于汽車 ,一般在 15% 及以上 .工程機械地配套動力亦隨其工 作能力地大小而定 ,如叉車 ,3 噸配備功率 30～ 35kw ； 5 噸則為 40～ 45kw 扭矩儲備要求很高 ,一般為 20%～ 30% 以上 ,有些機型要求高達 40% ～ 50%[1] . 2、轉(zhuǎn)速地選定 發(fā)動機地轉(zhuǎn)速隨其配套對象而異.目前我國輕型車用柴油機地轉(zhuǎn)速為 3200r

26、/min 左 右 , 少 數(shù) 機 型 達 3600r/min ； 中 型 車 用 柴 油 機 約 為 2500 ～ 6 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 2800r/min ；低速農(nóng)用車柴油機約為 2400 ～ 2800r/min ；重型車用柴油機約為 2000 ～ 2300r/min [1] . 375 柴油機設計目標為低速農(nóng)用車柴油機 ,所以轉(zhuǎn)速取 3400r/min. 3、氣缸數(shù)地確定 氣缸數(shù)是柴油機地重要參數(shù)之一 ,按給定功率和轉(zhuǎn)速來選擇氣缸數(shù)時 ,考 慮以下因素： （ 1）選用合適地氣缸數(shù)目可獲

27、得較小地單缸功率 ,使柴油機輸出地扭矩 均勻 ,平衡性和啟動性能較好 . （ 2）選用合適地氣缸數(shù)目 ,其氣缸直徑和行程均較小 , 柴油機體積可以縮小 ,重量可減輕 . （ 3）選用較多地氣缸數(shù)后 ,零件數(shù)量和制造工時增加 ,成本增高 . （ 4）選擇氣缸數(shù)目 ,還需考慮柴油機配套所提出地外形尺寸和重量要求 , 以及系列柴油機地功率范圍等因素 . 考慮以上綜合因素 ,我們選取氣缸數(shù)為： 3. 4、活塞平均速度地確定 活塞平均速度是表征柴油機高速性和強化程度地一項主要指標 ,對柴油 機總體設計和主要零件結(jié)構(gòu)型式影響甚大 . 活

28、塞地平均速度計算公式： Cm=Sn/30 （1-2 ） 其中 ,S 為活塞行程； n 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速 [2] . 在功率給定以后 ,可以算出平均有效壓力 .活塞行程和缸數(shù)維持不變 ,提高 活塞平均速度可使氣缸直徑減小 .柴油機體積小、重量輕 .但提高活塞平均速度受到下列因素限制： （ 1）提高活塞平均速度后 ,使運動件地慣性力增大 ,柴油機地機械負荷增 大 . （ 2）提高活塞平均速度使柴油機零件地磨損加快 ,縮短了柴油機大修期 . （ 3）活塞平均速度地提高 ,使摩擦功率損失迅速增加 ,機械效率降低 ,燃油消耗率升高 . （ 4）進、排氣

29、阻力隨活塞平均速度地提高而增加 , 使充氣效率降低 . （ 5）隨著活塞平均速度地提高,柴油機地平衡 .震動和噪聲等問題突出出 來 , 一般柴油機地噪聲強度與轉(zhuǎn)速地三次方成正比. 7 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 因此 ,選擇活塞平均速度應綜合各方面地因素 ,不能一味地提高 .一般活塞 平均速度為： 6.5 ～ 12m/s. 本機地活塞平均速度為： 8.49m/s. 5、平均有效壓力地確定 平均有效壓力是表征柴油機強度地重要指標之一,可由下式求得： Pe 225 Ne / inVh (1-3)

30、 Pe Pi Pt 1 Pt / Pi Pi Pi m (1-4) 提高沖氣系數(shù) ,改善工作過程 ,減少機械損失和熱損失 ,是提高非增壓柴油 機 Pe 值地主要措施 , 但非增壓柴油機地 Pe 值地提高是有限地 .促使 Pe 值增長 地原因 ,一方面是提高單機功率地迫切需要 , 另一方面是因為 Pe 值地增加 ,對 柴油機噪聲和壽命地影響比提高活塞平均速度地影響要小地多 . 提高 Pe 值可使功率增加 ,比重量下降 .然而機械效率和熱負荷也隨之提高, 影響柴油機地可靠性和壽命 .同時 ,對排氣地有害成分、噪聲、振動等都有不

31、利影響 .車用柴油機地一般范圍為 6.5 ～ 10.5Mpa 本機平均有效壓力為 7.16 . 較大幅度地提高平均有效壓力后 , 要注意零件地熱應力和機械應力過高 地問題 ,一般措施是：采用強制冷卻活塞、組合式活塞來加強氣缸蓋和氣缸套 地冷卻 ,降低壓縮比以及增強零件地剛度和強度等 [3] . 6、氣缸直徑地確定 柴油機功率與氣缸直徑地平方成正比 . 選用較大地缸徑是提高功率地一 個措施 .但缸徑增大后柴油機外形尺寸與比重量相應增大 .而氣缸直徑與缸數(shù) 和轉(zhuǎn)速有著密切地關(guān)系 .同樣地功率下 ,缸數(shù)越多 ,缸徑可縮小 ,轉(zhuǎn)速可提高 [1] .

32、 考慮到此發(fā)動機為農(nóng)用運輸車 ,缸徑為 80 ～ 100, 我們所選擇地缸徑為 75. 7、行程及其與缸徑地比值 S/D 自然吸氣柴油機地升功率： Nel 8.33nPe 10 3 kw/ L (1-5) 它正比與 Pe 和 n,由于提高活塞地平均速度需要較短地行程和較小地 S/D. 使用較小地活塞行程 ,有可能得到緊湊地外形和采用較短尺寸 ,獲得較大地體 積功率地較好地比重量 .自然吸氣條件下 Pe 地提高有限 ,升功率很難輕易突破 , 因此提高柴油機轉(zhuǎn)速成為提高升功率地主要途徑 .采用不大地 S/D, 可以獲得 較大地進排氣門面積與氣缸

33、容積之比 ,使進排氣流速 , 既氣門口馬赫數(shù)處于較 低水平 ,以改善充氣效率 .同時有利于增加曲柄銷與主軸頸地重疊度 ,改善曲軸 強度或縮小軸頸直徑 .因此 S/D 地選擇應根據(jù)發(fā)動機地具體要求 [3] .375 柴油機 8 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 選擇 S/D 為 :1.07, 將有利于降低柴油機地振動和噪聲 . 8、氣缸中心距 氣缸中心距是柴油機設計中對整體結(jié)構(gòu)強度、緊湊性、重量和配套適應 性最具影響地幾何尺寸 . 決定氣缸中心距合理性主要是下列三大因素 , 并在此基礎上可能共同達 到地最小值 .

34、 （ 1）足以保證燃氣可靠密封地氣缸蓋總截面積和分布均勻性 . （ 2）足夠地曲軸疲勞強度地軸承承載能力. （ 3）有必要地水流空間 ,使缸套上部、缸蓋底部和排氣道獲得充分地冷卻 . 此外還應注意機體地氣缸體部分有必要地空間容納足夠截面積地壁和筋 , 以保證氣缸套支承面擠壓應力處于可靠限度內(nèi) . 所以氣缸中心距是決定結(jié)構(gòu)強度地整機緊湊性地綜合因素 , 而兩者又是 矛盾地 .只要將所有各項尺寸參數(shù)與氣缸中心距建立一系列經(jīng)驗公式 ,從中便 可以獲得合理地中心距尺寸和其它相關(guān)尺寸 . 用氣缸中心距來表征能實現(xiàn)地單缸功率 ,實質(zhì)上是該氣缸中心距在保證

35、 充分地結(jié)構(gòu)強度可靠性地前提下所能包容地氣缸直徑 . nPVeh 7.854 10 4 PCe mD 2 7.854 10 4 PCem L2 （ 1-6） Ne cy Rs 2 30 其中： Pe 為平均有效壓力（ kPa） ,Cm 為活塞平均速度（ m/s ）,D 為缸徑 （ mm） ,τ 為沖程數(shù) ,Rs = L/D,L 為氣缸中心距（ mm） . 對非增壓柴油機： C=(10.3 ～ 11.0) × 10-4 （ 1-7） 可以由以上式子估算氣缸中心距 ,如果設計得當 ,能夠在結(jié)

36、構(gòu)強度充分保 證地前提下 ,形成所需地氣缸排量和獲得所算得地功率水平 [2,3] . 此次設計氣缸中心距為： L=100mm. 9 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 第二章 主要零部件設計及計算 § 2.1 連桿組地設計 § 連桿地工作情況 連桿組地功用是將作用在活塞上地氣體壓力傳給曲軸 , 并將活塞地往復 運動變成曲軸地旋轉(zhuǎn)運動 ,與連桿大頭一起作旋轉(zhuǎn)運動 ,連桿桿身作復雜地平 面運動

37、 . 連桿主要承受以下載荷： 1、由連桿力 Pcr 引起地拉壓疲勞載荷 . pcr pg pj （2-1 ） cos 式中 Pg——氣體作用力； Pj ——活塞連桿組地往復慣性力； β ——連桿擺角 . 2、在連桿擺動平面內(nèi) ,由連桿力矩引起地橫向彎曲載荷 . 3、由于壓入連桿襯套 ,擰緊連桿螺栓 ,壓緊軸瓦等產(chǎn)生地裝配靜載荷 . 此外 ,連桿還可能承受由于加工不準確 ,承壓面對連桿軸線不對稱等引 起地附加彎曲載荷 . §在設計中應注意地地方 根據(jù)以上分

38、析可知 ,連桿主要承受氣體壓力和往復慣性力所產(chǎn)生地交變 載荷 .因此 , 在設計時應首先保證連桿具有足夠地疲勞強度和結(jié)構(gòu)剛度 .如果強 度不足 ,就會發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋和桿身地斷裂 ,造成嚴重事故 . § 連桿地材料 375 地連桿材料為 40Cr 中碳鋼 .在機械加工前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 ,可以得到較好 地機械性能 . 碳鋼地優(yōu)點是成本低 ,對應力集中不敏感 , 所以模鍛后配合表面就 不需再經(jīng)過加工 . 但鍛造毛刺要磨光 ,磨削方向應沿連桿桿身地縱向 ,因為橫向 磨痕可能引起連桿桿身斷裂地危險 ,一般采用噴丸處理來消除連桿內(nèi)部地內(nèi) 應力和提高

39、連桿強度 [4,8,9] . 10 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 §連桿長度地確定 連桿長度是設計時應慎重選擇 地一個結(jié)構(gòu)參數(shù) , 它一般用連桿比來表示 , 即R / l . 連桿長度越短 , 即 越大 , 可降低發(fā)動機地高度 ,減輕活塞件重量和 整機重量 ,能很好地適應發(fā)動機地高轉(zhuǎn)速.但 地增大使二級往復慣性力及氣 缸側(cè)壓力增大 ,并增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸套相碰地可能性 . 所以為使發(fā)動機地結(jié)構(gòu)緊湊 , 最合適地連桿長度應該是 ,在保證連桿及相 關(guān)機件在運動時不與其他機件相碰地情況下 ,選取

40、最小地連桿長度 . 對于缸徑 S≤ 120mm 地高速柴油機來說 , 值一般在 0.25 ～ 0.30 之間 ,又 考慮到柴油機其他零件地設計 ,所以取連桿長度為 156mm, 即 值為 0.256, 在 此范圍內(nèi) ,是可取地 . 圖 2 — 1 連桿小頭地尺寸 §連桿小頭地設計 一、小頭結(jié)構(gòu)形式 小頭采用薄壁圓環(huán)型結(jié)構(gòu) ,它地形狀簡單 , 制造方便 , 材料能充分利用 ,受 力時應力分布較均勻 .小頭到桿身地過渡采用單圓弧過渡 .其結(jié)

41、構(gòu)如圖 2-1 所 示 . 二、小頭尺寸 小頭地主要尺寸為小頭內(nèi)徑 d1 ,小頭外徑 d2 ,小頭寬度 b1 ,襯套內(nèi)徑地 d. 由于襯套內(nèi)徑 d 要和活塞銷相配合 ,所以其公稱直徑是 27mm. 襯套地厚度 一般是 =（ 0.04 ～ 0.08 ） d.選 =0.09d=2.5, 即為 2.5mm, 所 以小頭地內(nèi)徑 d1 為 32mm. 小頭外徑 d 2 地選取范圍一般是 d2 = （ ～ ） 1 , 取 2 1 =42mm.

42、 1.2 1.4 d d =1.31d 小頭寬度 b1 取決于活塞銷間隔 B 和銷座與連桿小頭地端面間隙 .在確定 11 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 小頭地寬度時候 ,應使小頭與活塞銷座之間每側(cè)都留約 1～ 2mm 地間隙 ,用來 彌補機體、曲軸、活塞和連桿等零件在軸向尺寸上可能出現(xiàn)地制造誤差和由 于熱膨脹所引起地軸向相對位置地變化 .應該盡量使小頭具有足夠地承壓面 積 ,以便使小頭孔與活塞銷之間相互壓緊地單位面積壓力不超過許用值 .一般 小頭寬度 b1 地范圍是

43、 b1 =（ 0.9 ～ 1.2） d, 取 b1=1.11d=30mm, 這樣小頭寬度和 銷座之間每側(cè)地間隙為 2mm. 三、連桿襯套 為了減小活塞銷對連桿小頭地磨損 ,應在小頭內(nèi)裝入襯套 . 1、襯套地材料 襯套大多用耐磨錫青銅鑄造 ,本設計采用鉛青銅 ,其優(yōu)點是強度較高 , 耐磨 性好 ,使用于熱負荷比較大地柴油機. 2、襯套與小頭孔地配合 襯套與連桿小頭孔為過盈配合 ,常用地配合為 jd 、je、 jb 3、 jc 3 等 .過盈太大 會使材料屈服而松動 ,太小會造成

44、壓配松動 , 使襯套與小頭孔可能會相對轉(zhuǎn)動. 小頭孔地直徑設計為 320 0.016 mm, 確 定襯 套 與小 頭孔 地過 盈 量為 0.033 ～ 0.06mm, 則襯套外徑尺寸為 32 00 .. 04906 mm. 襯套與活塞銷地配合間隙應盡量小 ,以不發(fā)生咬合為原則 .青銅襯套與活 塞銷地配合間隙△大致在（ 0.0004 ～ 0.0015 ） d 地范圍內(nèi) ,即 0.014 ～ 0.053mm, 由于此設計選用全浮式活塞銷,故可使銷和襯套地間隙梢大,選用 0.030 ～ 0.060mm, 即襯套地內(nèi)徑為 27 00 ..

45、 03055 mm. 3、襯套地潤滑 在小頭上方開機油孔 ,靠機體上地噴油嘴噴出地油冷卻活塞地同時 , 一部 分油通過孔流入襯套 ,達到冷卻地效果 . 在小頭和襯套上都開有集油孔和集油槽 ,用來收集和積存飛濺地潤滑油 [12] §連桿桿身地設計 連桿桿身在膨脹行程中承受作用在活塞上地氣體壓力地壓縮作用 ,在吸 氣行程中承受往復慣性力地拉伸作用 ,當連桿受壓時 ,有可能發(fā)生不穩(wěn)定彎曲 , 此外當連桿作高速擺動運動時還要承受本身 地橫向慣性力地彎曲作用 . 實驗 證明 ,彎曲應力實際上不大 .可忽

46、略 . 連桿桿身采用工字型截面 ,工字型截面地長軸位于連桿地擺動平面內(nèi) .因 12 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 為工字型截面對材料利用地最為合理 ,所以應用地也很廣 . 從鍛造工藝方面看 ,工字型截面兩臂過薄和圓角半徑過小都是不利地 .因 為這種連桿鍛造時變形比較大 ,就有可能產(chǎn)生鍛造裂紋地危險 ,特別時在工字 型截面兩臂邊緣上更易出現(xiàn)裂紋 . 此外 ,鍛造這種連桿時模具磨損也較大 .具有 邊緣厚并倒圓地工字型截面是比較有利地 . 工字型截面地長軸 y-y 處于連桿地擺動平面內(nèi) ,使桿身截面對垂直與連桿

47、 擺動平面地 x 軸地慣性矩 Jx 大與對位于擺動平面地 y 軸地慣性矩 Jy,一般 Jx=(2 ～ 3)Jy, 這樣符合桿身實際受力情況 ,并有利于桿身向大、小頭過渡 . 連桿桿身地最大應力一般發(fā)生在桿身與大、 小頭圓角過渡處 , 最大壓應力 發(fā)生在桿身中部 . 考慮上面所述 ,綜合考慮 ,確定出下列尺寸： 連桿桿身橫截面地形狀如圖 2-2 所示 . 其中截面寬 B=20mm t=5mm 截面地高 H= （ 1.5 ～ 1.8） B , 取 H=1.4B=28mm H h B t

48、 圖 2— 2 連桿桿身橫截面形狀 §連桿大頭地設計 連桿大頭聯(lián)結(jié)連桿和曲軸 ,要求有足夠地強度和剛度 ,否則將影響薄壁軸 瓦和連桿螺栓 ,甚至整機工作可靠性 .為了便于維修 ,對于像本設計地高速柴油 機 ,連桿必須能從氣缸中取出 ,故要求大頭在擺動平面內(nèi)地總寬必須小于氣缸 直徑 , 大頭地外型尺寸又決定了凸輪軸位置和曲軸箱形狀 ,大頭地重量產(chǎn)生地 離心力會使連桿軸徑、主軸承負荷增大 ,摩擦加劇 ,有時還為此還不得不增大 平衡重 ,給曲軸設計帶來困難 ,因此在設計連桿大頭時 , 應在保證強度、剛度地

49、 13 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 條件下 ,尺寸盡量小 , 重量盡量輕 .合理確定大頭地結(jié)構(gòu)尺寸和形狀 ,就是大頭 設計地任務 . 大頭地結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定與曲柄銷直徑、長度和連桿軸瓦厚度和連 桿螺栓直徑 . 所謂地大頭設計 ,實際上是確定連桿大頭在擺動平面內(nèi)某些主要 尺寸 ,連桿大頭地剖分形式和定位方式以及大頭蓋地結(jié)構(gòu)設計 . 在設計大頭構(gòu)形地時候針對一些薄弱環(huán)節(jié) ,應注意以下問題： 1、連桿蓋上要設置合適地加強筋 , 加強筋到螺栓孔支承面處要圓滑過渡 . 2、螺栓頭支承面和螺母支承面要圓弧過度 ,避免加

50、工尖角 ,可采用鍛造圓 角或圓弧沉割來減少應力集中 ,但必須盡量提高圓弧沉割處地光潔度 . 3、斜切口連桿長叉口一側(cè)變形較大 ,除了采用大圓弧過渡外 ,還可以用單筋和桿身連接 ,以提高大頭剛度 . 一、連桿大頭地剖分形式 采用斜切口地剖分方式 ,切口角為 45 度 .這樣地剖分形式地優(yōu)點是滿足連 桿組能從氣缸裝拆地條件下 ,可增大曲柄銷直徑 ,有利于提高曲軸地剛度和連桿軸承地工作能力 ., 也就是說它在解決曲柄銷直徑和從氣缸中抽出連桿之間地矛盾 . 二、連桿大頭地定位方式 斜切口連桿當承受慣性力拉伸時 ,沿連桿體與連桿蓋地結(jié)合面方向作用

51、 著很大地橫向力 , 使連桿螺栓承受剪切力 .為此必須采用能承受較大剪切力地 定位方式 ,才能保證工作可靠 . 本設計采用地是舌槽定位 .連桿體和蓋上均有一舌和一槽 ,他們是有同一 把拉刀（帶一舌一槽）加工成地 ,所以體與蓋上舌槽間地距離精度較高 ,定位 可靠 ,尺寸緊湊 . 當然它有不好地地方 ,就是其拆裝不便 , 且只有在采用拉刀加工時才能保 證較高地定位精度 ,還有舌槽要注意減少應力集中 .這樣地定位方式常用在車 用柴油機地斜切口地連桿上 .其優(yōu)點是提高了結(jié)合處地剛度 ,縮小了連桿螺栓 之間地距離 ,減小了螺栓尺寸 . 三、連桿

52、大頭地主要尺寸 1、大頭孔直徑 D1 根據(jù)曲軸曲柄銷地設計尺寸為 48mm, 再考慮到軸瓦地尺寸 ,取 D 1=53mm 2、連桿螺栓孔中心線 14 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 中心線應盡量靠近軸瓦 ,連桿螺栓孔中心距一般為 l1 =（ 1.2 ～ 1.3 ） D1 ,取 l1 =1.34 D1 ,即 l1 =71mm, 螺紋外側(cè)邊后不小于 2～ 4 mm. 圖 2-3 連桿大頭地主要尺寸 § 2.2 活塞組地設計

53、 活塞組主要用來與氣缸、氣缸蓋相配合形成一個容積變化地密閉空間 , 在這里完成內(nèi)燃機地工作過程；同時活塞組也承受燃氣壓力 ,并把它傳給連 桿、曲軸 , 將活塞地往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S地旋轉(zhuǎn)運動 ,從而對外輸出扭矩 ,以驅(qū) 動汽車車輪轉(zhuǎn)動 .它由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等機件組成 . § 活塞 活塞地主要作用是承受氣缸中地氣體壓力 ,并將此力通過活塞銷傳給連 桿 ,以推動曲軸旋轉(zhuǎn) .活塞頂部還有氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室 . 由于活塞頂部直接與高溫燃氣周期性接觸 ,燃氣地最高溫度可達 2500K 以上 ,因此活塞地溫度也很高 ,例如活塞頂部

54、地溫度可高達 600～ 700K [7] .高溫 一方面使活塞地機械強度顯著下降 ,另一方面使活塞材料地熱膨脹量增大 ,容 易破壞活塞與其相關(guān)零件地配合 . 活塞頂部在做功行程時 , 承受著燃氣地帶沖擊性地高壓力 .對于汽油機活 塞 ,瞬時地壓力最大值可達 3～ 6MPa. 對于柴油機活塞 ,其最大值可達 6～ 9MPa, 采用增壓時最大值可達 13～ 15MPa. 高壓導致活塞地側(cè)壓力大 ,加速活塞外表 面地磨損 ,也容易引起活塞地變形 [7] . 活塞在氣缸中作變速運動 ,其平均速度 9.07m/s. 這樣地高速可產(chǎn)生很大地 慣性力 ,它將使

55、曲柄連桿機構(gòu)地各零件和軸承承受附加地載荷 . 活塞承受地氣壓力和慣性力是周期性變化地 , 因此活塞地不同部分會受 到交變地拉伸、壓縮和彎曲載荷；并且由于活塞各部分地溫度極不均勻 ,活塞 15 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 內(nèi)部將產(chǎn)生一定地熱應力 . 從活塞地工作條件可看出 ,為保證發(fā)動機地良好運行特性 ,對活塞合金材 料性能有如下要求：密度小、熱膨脹系數(shù)小、好地耐磨性、好地力學性能、 好地熱傳導性及好地加工性能 .為此 ,汽車發(fā)動機目前采用地活塞材料是鋁合 金 ,在個別汽車柴油機上地活塞采用高級鑄鐵或耐熱鋼鑄

56、造 . 根據(jù)以上要求 ,我們選擇共晶鋁硅合金 66-1 作為 375 地活塞地材料 . 它除了具有鋁合金地共同優(yōu)點（密度小、導熱性好、與鑄鐵氣缸地匹配 性好）之外 , 由于硅地存在 , 使材料地耐磨、耐蝕性 ,硬度、剛度和疲勞強度提 高；鑄造流動性改善 . 鋁地密度約為鑄鐵地 1/3, 這樣采用鋁作為活塞用合金地基本材料 ,在活塞 往復運動時可使慣性力盡可能小 . 同時活塞用鋁合金地導熱性約為鑄鐵地 3 倍 ,這樣高地導熱能立刻將高熱負荷區(qū)地熱量很快傳給冷卻油及氣缸和曲柄 連桿等 ,因此使得熔點 600℃地鋁合金能在與峰值溫度高達 2000～ 2

57、500K 高溫 燃氣接觸地情況下仍能正常工作 .但是鋁合金在溫度升高時 ,強度和硬度下降 較快 . 為了克服這一缺點 ,一般要在結(jié)構(gòu)設計、機械加工或熱處理上采用各種措施加以彌補 [7,14] . 鋁活塞地成形方法有鍛造、鑄造和液態(tài)模鍛等幾種 .鑄造鋁活塞在高溫 時強度下降較小 , 制造成本低 ,但容易出現(xiàn)各種氣孔、縮松等鑄造缺陷 .鍛造鋁 活塞地強度比鑄造活塞高 ,導熱性也較好 ,適用于強化地發(fā)動機上 ,但制造成本 高 .液態(tài)模鍛即是將定量地液體金屬澆入金屬模具里 ,用沖頭加壓 ,使液體金屬 以比壓鑄中低得多地速度充填型腔 ,并在壓力地作用下結(jié)晶凝固

58、, 從而獲得組 織致密地無縮孔、縮松等缺陷地活塞 .這種工藝兼有鍛造和鑄造地特點 ,能達 到少切削甚至無切削、提高金屬利用率、擴大合金使用范圍、消除鑄造缺陷和提高毛坯質(zhì)量等目地 [7] . 活塞地基本構(gòu)造可分為頂部、頭部和裙部三部分 . 一、活塞頂部 活塞頂部地形狀主要取決于燃燒室地選擇與設計 ,而燃燒 室地選擇取決于活塞直徑、發(fā)動機地轉(zhuǎn)速、經(jīng)濟性、動力性、功率、可靠性 及排放等 .汽油機活塞頂部多采用平頂 ,其優(yōu)點是吸熱面積小 , 制造工藝簡單 . 有些汽油機為了改善混合氣形成和燃燒而采用凹頂活塞 ,凹坑大小可以調(diào)節(jié) 發(fā)動機地壓縮比 . 柴油機

59、地活塞常常設有各種各樣地凹坑 ,其具體形狀、位置 和大小都必須于柴油機混合氣地形成或燃燒要求相適應 . 16 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 1.本設計采用 ω 型地燃燒室 . 燃燒室地形狀和尺寸： 根據(jù) 喉口 側(cè)面 角 β , 可將 ω 型地 燃燒 室分 成開 口型 ( β >90 ° ), 直 口型 ( β =90° )及收口型 (β <90° ) 三種 ,收口型 d k 較?。ㄒ话?d k /D=0.5 ～ 0.65） 本設計采用 β =90 °地直口型 , 因為喉口地熱負荷很高 , 這樣做是為了防 止喉口開裂 ,便于

60、制造 . 一般 d k /D=0.5 ～ 0.65, 取 d k /D=0.533, 即 d k =40mm 2、在 ω 型地燃燒室地底部設計一隆起地凸尖 ,這樣是為了幫助形成渦流及使 燃燒室與油束相配合 . 這里應特別注意地是油束和燃燒室地正確配合 ,油束射程不足或過大都 會使混合不均勻 ,影響排煙極限 . 3、燃燒室、噴油器和氣缸最好是同心布置 ,但由于本次設計地特殊情況 ,將燃 燒室中心線向噴油器地一側(cè)偏離 . 一般偏移量 e / D <0.1, 即 e <10, 取 e=5mm. 燃燒室地尺寸如圖 2-4 所示 .

61、 圖 2-4 燃燒室地主要尺寸 按燃燒室深淺來分這種燃燒室為深坑形 , 它比較適用于小型高速柴油機 ,因為小型高速 柴油機轉(zhuǎn)速高 ,混合氣形成和燃燒地時間極短 , 每循環(huán)供油量又很小 ,單靠霧化混合 ,則噴孔直 徑必須做地很小 ,噴油壓力很高 ,使燃油系統(tǒng)制 造困難 .于是 ,出現(xiàn)了有渦流地深坑形燃燒室 , 即 將活塞頂上地凹坑加深 ,凹坑口徑縮小 .它能夠 在較小地過量空氣系數(shù) a 時有較好地燃

62、燒過 程 ,從而獲得較好地性能指標 .與淺盆形燃燒室 圖 2-5 活塞地結(jié)構(gòu)圖 相比 ,深坑形燃燒室對燃油系統(tǒng)要求降低 ,由于利用進氣渦流加強混合氣形成, 17 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 使空氣利用率大大提高 ,一般 a =1.3 ～ 1.5, 并保持燃油消耗率低和啟動容易 地優(yōu)點 ,所以在小型高速柴油機上獲得廣泛應用 [3] . 四沖程柴油機地深坑形燃燒室總是布置在活塞上 , 這樣燃燒室表面不與 冷卻水直接接觸 , 可以減少散熱損失 . 對于 2 氣門發(fā)動機 ,

63、由于要盡可能加大 進、排氣門尺寸 ,不得不將燃燒室、噴油器及氣缸三者地中心線相互錯開 . 二、活塞頭部 1．活塞高度 H 1）活塞高度取決于下列因素 ; （ 1）對柴油機高度尺寸地要求（與柴油機用途有關(guān)） （ 2）轉(zhuǎn)速 n； （ 3）燃燒室形狀及尺寸； （ 4）活塞裙部承壓面積 . 應在保證結(jié)構(gòu)布置合理和所需地承壓面積條件下 , 盡量選擇較小地活塞 高度 . 2）目前發(fā)展趨勢：不斷縮短活塞高度 ,特別是高速柴油機 .近十年來 ,由于 成功地減活塞環(huán)數(shù)目 ,使活塞高度 H 縮短約 10%. 2．壓縮

64、高度 H 1 壓縮高度 H 1, 決定活塞銷地位置 .H 1 取決于第一道活塞環(huán)至頂面地距離 h、環(huán)帶高度 H 5 及上裙高度 H 4 .在保證氣環(huán)良好工作地條件下 , 宜縮短 H 1,以力求降低整機地高度尺寸 .H 1/D 3．頂岸高度 h（即第一道活塞環(huán)槽到活塞頂?shù)鼐嚯x） （ 1） h 越小第一道環(huán)本身地熱負荷也越高 .應根據(jù)熱負荷及活塞冷卻狀況 確定 h, 使第一道活塞環(huán)約工作溫度不超過允許極限（約 180 ℃～ 2200℃） . （ 2) 在保證第一道環(huán)工作可靠地條件下 ,盡量縮小 h,以力求降低活塞高度 和重量 . （ 3)h/D 地一般范圍

65、如下： 高速槳油機鋁活塞 0.14～ 0.20 組合活塞 0 .07～ 0.20 4．活塞環(huán)地數(shù)目及排列 18 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 （ 1) 活塞環(huán)數(shù)目一般為 : 高速機 氣環(huán) 2～3 道 ,油環(huán) 1～2 道 ; 中速機 氣環(huán) 3～4 道 ,油環(huán) 2 道 (少數(shù)用一道 ) （ 2) 發(fā)展趨勢：減少環(huán)數(shù) .目前中小型高速柴油機采用三環(huán)結(jié)構(gòu) (二道氣 環(huán)、一道油環(huán) ) 地日益增多 ,并已開始應用雙環(huán)活塞 .近代中速柴油機采 用四道環(huán) .環(huán)數(shù)減少后 ,須從活塞及活塞環(huán)地結(jié)構(gòu)上采取措施

66、,以確保 良好地密封性能和防竄油性能 . （ 3) 油環(huán)布置：采用一道油環(huán)時 ,油環(huán)裝在銷孔上方 . 本次設計選用兩道氣環(huán) ,一道油環(huán) . 5．環(huán)槽尺寸 環(huán)槽地軸向高度 ( 名義尺寸 ) 等于活寒環(huán)地軸向高度 b.十 環(huán)槽底徑 D'取決于活塞環(huán)地背面間隙 ( 即活塞環(huán)內(nèi)圓面與環(huán)槽底之間地 間隙 ), 背盈大小與活塞地熱膨脹有關(guān) ,并對環(huán)地背壓有一定影響 .D' 可按下式 估算 氣環(huán)槽 D' = 〔 D － (2t ﹢ KD) +0.5 〕 (mm) 油環(huán)槽 D' = 〔 D － (2t ﹢ KD) +1.5 〕 (mm) 式中 D — 活塞名義直徑； t — 活塞環(huán)地徑向厚度； K — 系數(shù) ,鋁活塞 K=0.006, 鑄鋁活塞 K=0.004. 環(huán)槽底部地過渡圓角一般為 0.2～ 0.5mm. 6．環(huán)岸高度 （ 1）第一環(huán)岸 ( 第一道氣環(huán)下面地環(huán)岸 ) 溫度較高 ,承受地氣體壓力最大 , 又容易受環(huán)地沖擊而斷裂 .所以第一環(huán)岸高度 h1 一般比其余環(huán)岸高 度要大一些 . （