柴油機設計論文正文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，正確設計燃燒室型式，合理布置氣門和氣道。 b應具有足夠的剛度和強度，保證承受機械應力和熱應力同時能可靠工作和良好的密封。 c保證高溫部分能得到較強的冷卻，使氣缸蓋的溫度分布均勻，盡可能減小熱應力，避免出現熱疲勞裂紋。 d結構簡單、便于生產；對裝置在氣缸蓋上的機件要便于拆裝和維修。④材料：灰鑄鐵或合金鑄鐵： a剛度、強度高 　 b耐高溫 c導熱性差：缸蓋底面鼻梁區易開裂 d質量重水冷式內燃機氣缸蓋的結構形式可以分為整體式、分體式、單體式以及連體式四種。整體式是整列氣缸共用一個氣缸蓋；分體式是每兩個或三個氣缸共用一個氣缸蓋；單體式是每個氣缸有一個單獨的氣缸蓋；連體式是氣缸蓋和氣缸體不分開，連成一整體。 圖33 氣缸蓋與蓋罩示意圖一般缸徑小于105mm時，一般多采用整體式氣缸蓋。本490型柴油機氣缸蓋采用整體式結構形式，四個氣缸共用一個氣缸蓋，它的零件數少，結構緊湊，制造成本較低。本柴油機氣缸蓋選擇HT2444鑄鐵材料鑄造而成缸心距為120mm。⒉氣缸墊①作用：密封 圖34 氣缸墊示意圖②要求：a具有補償接合面粗糙度、不平度所必需的柔性以及補償接合面變形所必須的彈性。 b具有足夠的機械強度，能夠承受氣缸蓋螺栓預緊力和接合面的變形力，在高溫、高壓氣體的作用下不易損壞。c具有耐熱性，在高溫下不致燒，因屬于易損件因而成本要低。 d具有耐腐蝕性，對氣體、機油和冷卻水有一定的抗腐蝕能力。 e制造簡單，拆裝方便，并且能夠重復使用。 ③材料與結構：如圖34所示密封襯墊有兩道石棉密封圈，靠近氣缸的一道為石棉制品，表面涂以石墨，靠外的一道也是石棉制品，中間有一個低碳鋼密封環，外表面鍍銅，利用鋼環的彈性起密封作用。 活塞連桿組 490型柴油機的活塞連桿組由活塞、活塞環、活塞銷、活塞銷擋圈、連桿、連桿軸瓦、連桿螺栓、連桿螺母、保險鐵絲（鋼片）等組成。一、活塞組設計活塞頭部包括活塞頂、火力岸及活塞環帶。活塞頂與氣缸蓋、氣缸壁組成燃燒室，承受氣體壓力，接受高溫氣體的作用。活塞環帶又稱密封部，是銷座以上安裝活塞環的部位，其作用是保證工作容積的密封性。安裝活塞環的溝槽稱為環槽，環槽下支承環的部分稱為環岸。環帶以下的部分稱為活塞裙部，起導向作用并承受側壓力。一般多采用橢圓，活塞裙部采用上述結構措施之后，氣缸壁之間的配合間隙比較小，不會產生敲缸現象。活塞放入氣缸內，%～%預留。～，[9]。活塞銷座位于裙部中央上方，銷座中安裝活塞銷。活塞通過銷座將氣體作用力及慣性力經活塞銷傳遞給連桿。 ⑴活塞材料與工藝 活塞材料選用共晶鋁硅合金（鑄鋁、鍛鋁）其特點是質量小，導熱性好，適用于一般發動機。 　　　鑄造的特點是質量大加工工序多；模鍛的特點是質量小，加工少，而鍛造介于二者之間。所以加工工藝為鑄造。 ⑵結構特點 圖35球型活塞示意圖 基本結構：由頂部、頭部、裙部三部分組成。頂部：組成燃燒室，易熱裂、壓碎，要求加工應光潔，材料應耐熱。頭部：油環槽以上部分。裙部：油環槽底面至活塞底端的外圓柱表面。本柴油機選用球型燃燒室活塞，其外形示意圖如圖35所示。 ⑶活塞的基本尺寸選擇第一環位置：根據活塞環的布置確定活塞壓縮高度時，首先須定出第一環的位置，即火力岸高度h。為縮小，當然希望h盡可能小，但h過小會使第一環溫度過高，導致活塞環的彈性松弛、粘結等故障。根據國產典型中小功率高速內燃機的主要尺寸參數90系列490型柴油機D=90mm，h=D = 。（見圖37）環岸高度：為減少活塞高度，活塞環槽軸向高度b應盡可能小，這樣活塞環慣性力也小，會減輕對環槽側面沖擊，有助于提高環槽耐久性。但b太小，就使制造工藝困難。在90系列型高速內燃機上，氣環高b = ，油環高 b = 5mm。環岸的高度c應保證它在氣壓造成的負荷下不會破壞。因此，環岸高度一般第一環最大，其它較小。一般= 5mm，= = 4mm。由于490型柴油機主要應用于農用車，其主要設計思想是強度高，提高功率，降低燃油消耗率，減少發動機單位馬力的重量、體積和原材料的消耗，導熱性，抗磨性和缸內導向性好，材料選用共晶硅鋁合金。活塞銷選擇20Cr 熱處理為表面滲碳淬火，～，熱處理硬度HRC5864。活塞與活塞銷工作時，彎曲變形互相不協調會在銷座孔內上側引起嚴重邊緣負荷，可能造成銷孔永久變形甚至使銷座裂開。（見圖36）為此，一般適當增大活塞銷直徑提高銷的彎曲剛度，減少彎曲變形。但是直徑的增大使活 塞高度增加，質量加大。對柴油機來說，銷座的外圓大多與活塞頂實體相連，銷座的柔度很小，邊緣負荷和嚴重。因此常對銷座結構做如下設計：①活塞銷座采用柔性設計，以減少內孔邊緣的應力集中；②要適當增大活塞銷直徑，以提高其剛度，減小變形；圖36 活塞銷與銷座的受力變形圖③ 在活塞銷座孔處加工出卸載槽； ④ 活塞銷為保證足夠的強度與剛度，采用高強度空心管材做活塞銷，表面淬火（60～64）HRC，精磨，以保證可靠性與耐久性。為此，選取活塞銷的主要尺寸d =33mm，l = 75mm，活塞銷座厚度8mm。 活塞在氣缸中運動時的導向作用由裙部完成。為保證導向良好，裙部要有足夠的長度，與氣缸配合間隙要小，以減輕活塞在連桿擺動引起的側向力作用下從貼緊氣缸的一側到貼緊另一側時對氣缸的“拍擊”。 圖37 球型活塞示意圖 銷孔中心線圖38 活塞橢圓度示意圖活塞裙部只在垂直活塞銷軸線的方向承受側壓力，所以應保證此方向與氣缸間隙盡可能小，而在銷的軸線方向， 間隙要大一些，以免活塞熱膨脹后卡死在氣缸中，因此，活塞裙部的橫斷面外形呈橢圓形。另外， 以促進裙部表面潤滑油膜的形成同時為增強裙部剛性，在下裙內側設置加強筋，而橢圓，活塞溫度是頂端高，裙端低，故軸向外形呈上小下大的曲線形，～，如圖38所示。活塞頂承受的氣壓力通過活塞銷座和活塞銷傳給連桿，無論在銷與銷座之間，還是在銷與連桿之間，承壓面積都很小，表面壓強很高，加上活塞銷與銷座或活塞銷與連桿襯套之間相對運動速度很低，液體潤滑油膜不易形成，在這種高壓低速條件下，要保證可靠的液體潤滑，配合副工作間隙要盡可能小。一般活塞銷與銷座、活塞銷與連桿小頭襯套間工作狀態間隙在（1～3）d時，可以可靠工作，裝配狀態（冷態）時，銷與銷座則 有（1～3）d的過盈，以補償鋁合金活塞銷孔在工作時較大的熱膨脹。本柴油機的活塞銷直徑d=D=，取d=33mm。活塞銷長度L=D=， 取L=75mm。本柴油機活塞的基本尺寸如圖37所示，D=90mm，h= ，H= D=108mm，= D=，= H－=，=/=，=28mm，取d1=45mm。 ⑷活塞環設計氣環要有良好的密封作用，如圖39所示首先活塞環應以一定的彈力與汽缸壁壓緊，形成所謂第一密封面，使氣體不易通過環周與氣缸之間，而鉆入環與環槽之間的空間。由于氣流產生的壓差，造成徑向、軸向的不平衡壓力、。其中把環壓向環槽側面，形成所謂的第二密封面，而則大大加強第一密封面[10]。 圖39 活塞環所承受的力活塞環的數目主要與內燃機的轉速、氣缸內的氣壓力等有關，當環數多時，封氣和刮油作用較好，但活塞環與氣缸壁 間的阻力較大，490型柴油機活塞采用三道氣環，一道組合式油環。第一道環槽裝多孔性鍍鉻平環，第二、三道環槽裝內圓倒角的扭曲環，第四道環槽裝外圓大倒角油環。第一、二道氣環應該錯開180176。，第二、三道應該錯開90176。第一環為多孔性鍍鉻平環，第二、三環為內圓倒角的反扭曲環，～，～，～，～，～，～。組合式油環由上下刮油片和產生徑向、軸向彈力的襯簧組成。（見圖310）1鋼片2襯簧3徑向襯簧4軸向襯簧5活塞圖310 組合式油環環示意圖活塞環材料一般采用耐熱耐磨的優質灰鑄鐵或合金鑄鐵，工作條件最差的氣環工作表面一般都采用多孔型鍍鉻，其硬度高（HV900～1000），熔點高（1770℃），并能儲存少量機油以改善工作條件。活塞環的使用性能取決于環本身結構及環的組合，為強化第一道環，使之能適應活塞的擺動，且活塞上行下行時均可在環的下周面上形成潤滑油膜摩擦而不易燃燒，選用多孔鍍鉻平環。第一道環由于承受很大氣壓力，同時，活塞頂部的30%左右的熱量都由其散發出去，因而工作狀況極其惡劣，為提高硬度和熔點，改善抗磨損性，耐熔著性和耐腐蝕性，對環外圓面進行鍍鉻。而中間環采用扭曲環，油環則選用有切向的外圓大倒角油環，這種環柔性好，可在氣缸變形較大的條件下很好的刮油。根據90系列內燃機活塞環主要參數，本490型號柴油機活塞環的選擇如下：氣環的徑向厚度t=D/=4mm，油環的徑向厚度t=D/=4mm；氣環軸向寬度b=t=；油環b=t=5mm。⑸燃燒室形狀討論 490型柴油機采用球型燃燒室（見圖37），其混合氣主要是油膜蒸發混合形成。將燃油順氣流方向沿燃燒室壁面噴射，在強烈的進氣渦流作用下，將燃油攤布在燃燒室壁上，形成一層很薄的油膜。燃燒室壁面溫度控制在200℃350℃，使噴射在壁面的上的燃料 在比較低的溫度下蒸發，以控制燃料的裂解反應。蒸發的油氣與空氣形成均勻的混合氣，從油束中分散出來的一小部分燃料是極細的油霧，在熾熱的空氣中首先完成著火準備，形成火核，然后靠此火核點燃從壁面已蒸發形成的可燃混合氣。隨著燃燒的進行，大量熱量輻射到油膜上，是油膜加速蒸發，不斷提供新鮮混合氣，保證迅速的燃燒。球型燃燒室采用油膜蒸發混合形成最顯著的效果是：發動機工作柔和，燃燒噪聲小，排煙少，性能指標好。 490型柴油機采用深坑形球形燃燒室，采用2個噴孔，噴射角度在140176。～160176。之間。噴油嘴伸出氣缸蓋2mm， 。二、連桿組設計連桿組包括連桿體、連桿蓋、連桿軸瓦和連桿螺栓。連桿體由連桿小頭、桿身、大頭三部分組成。490型柴油機連桿大頭選用平切口連桿。連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起作往復運動，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起作旋轉運動。連桿小頭小孔內壓有襯套，襯套一般采用耐磨性較好的錫青銅制造。為了潤滑活塞銷與襯套，在小頭和襯套中銑槽或鉆孔，內燃機運轉時被漸起的機油滴入槽內或孔內，潤滑活塞銷或襯套，～，～。連桿材料上選取國內90系列較常用的40Cr[11]。如圖311所示連桿的具體尺寸設計：①連桿長度現代高速發動機設計中的總趨勢是盡量縮短連桿長度，這樣不僅增加了連桿的結構剛度，而且縮小了內燃機的總高度，減輕總質量。但連桿長度減少使二階慣性力增大，活塞側向力增大，增加活塞的摩擦損失和磨損，短連桿還可能造成連桿與氣缸下端相碰。設計連桿時，首先要確定連桿大小頭孔的距離，即連桿長度。它通常是用半徑連桿比來說明的，值越大，連桿越短，則發動機總高度越小。對于四沖程高速內燃機來說，最合理的連桿長度應該是保證連桿及相關機件在運動時不與其他機件相碰情況下的最短長度。本機，選取= 220mm。如圖311 平切口連桿示意圖②連桿小頭a小頭主要尺寸為連桿襯套內徑和小頭寬度，根據內燃機連桿結構參數：= D=，取=33mm，= =，取=30mm，小頭襯套厚度δ= 3mm 。d===38mm， = d=，取=46mm。b構形設計：連桿小頭要有足夠的壁厚，要特別注意小頭到桿身過渡的圓滑性，減少應力集中，小頭軸承相對活動速度低，四沖程循環又使它往復性負荷，有助于潤滑油膜恢復，一般用飛濺潤滑即可。因而在小頭要有收集機油的孔或槽。③連桿桿身連桿桿身選用工字形截面，其桿身高度=D==28mm，寬度=H/= 20mm，桿身厚度= 6mm。 ④連桿大頭結構設計：采用平切口結構。主要尺寸選取：大頭內孔直徑=D=，取=57mm；連桿大頭寬度==，取=40mm。=D=， 取=62mm；連桿螺栓孔中心距C==，取C=74mm；= 12mm。 曲軸飛輪組曲軸飛輪組包括曲軸、飛輪、正時齒輪、曲軸皮帶輪、曲軸軸瓦等零部件。由于曲軸受力復雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設計曲軸時，至今還沒有一個能完全反映客觀實際的理論公式可供通用。因此目前曲軸的設計主要依靠經驗設計，即利用利用現有的許多曲軸結構與尺寸的統計資料，借以初步確定曲軸的基本尺寸，然后進行細節的設計、強度校核、樣品試驗，最后確定曲軸的結構、尺寸和加