2110柴油機設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 Cm 增大 會使發動機的功率增高，但活塞組的熱負荷和曲柄連桿機構的慣性負荷增大，磨損加劇，壽命下降。 本次設計 的 轉速為2200r/min。 氣 缸 直 徑 D 和 氣 缸數 Z 內燃機的缸徑應符合系列型號 的規定，其尾數應該取整數，優先選用 0和 5。此次設計的 氣缸直徑于氣缸數均由設計任務書給定，其分別為 110mm，兩 缸。 S 行程增加可以提高平均有效壓力 meP 但是在氣缸直徑不變的情況下， S 的增加即行程缸徑比 S/D 增加，導致活塞平均速度提高，有磨損加速、壽命降低等問題。 畢業設計說明書 8 行程缸徑比： S/D＝ ~ S=（ ~） D=99~ mm 取 S＝ 120 mm??3 。 167。 2110 型柴油機 的 總體布置 根據初步確定的內燃機主要結構參數，主要零部件結構方案和尺寸，進行內燃機的總體布置 。在總體布置中 要確定氣缸的排列，各零部件，附件的結構和尺寸以及安裝位置。繪制 橫剖面 圖。總體布置的一般要求如下： 一、 布置緊湊，外形尺寸小，外觀整齊，外接管路盡量少。 二、 經常需要保養的零部件，如機油，燃油，空氣的濾清器和噴油器等，接近性要好。對經常檢查調整的氣門間隙和噴油提前角等有關零部件應考慮到調整和拆裝方便。 三、 應滿足用戶對 柴油 機 配套所提出的各項合理要求。 四、 具有良好的加工和裝配工藝性。 五、 柴油機起吊，存放和安裝方便。 六、 總體布置要認真貫徹執行 三 化 標準 。 167。 2110 型柴油機的整機結構 2110 型柴油機的主要參數為：缸徑 D=110mm，活塞行程 S=120mm，標定功率 P=26Kw，轉速 n=2200r/min，平均有效壓力 Pme=， 缸心距為130mm, 燃油消耗率不大于 240g/(KW h)。采用柴油直噴系統，活塞頂上有W 形燃燒室，采用孔式 噴油器，提高噴油壓力，大大改善了噴油效果。 機體由稀土灰鑄鐵鑄造，機體 采用隧道式機體 ，以保證機體的結構剛度。濕式氣缸套是由高磷合金鑄鐵鑄成的。氣缸套的下部有兩道 O 形橡膠密封環圈防止漏水。活塞用共晶硅鋁合金鑄造，活塞上部有二道氣環和一道油環。第一環為矩形環，外圓鍍鉻，第二環為扭曲環。在現代柴油機設計中均采用三道環，由于現代加工方法 的大大提高，可以加工形狀復雜的氣環與油環，改善了密封效果，另外，減少一道氣環，能夠減少活塞運動中的機械摩擦，提高了柴油機的平均有效功率。連桿用 45 號鋼鍛造，大頭 采用平切口 ，切口分割面用畢業設計說明書 9 三角形的鋸齒保證連桿蓋的定位 。曲軸材料選擇 球墨鑄鐵鑄造 制成，曲柄銷采用挖空結構，合理布置潤滑油道。曲軸平衡采用完全平衡方案，其上安裝四 個平衡塊。曲軸的 中間主軸承采用止推片 起軸向定位作用。 潤滑系統采用壓力潤滑和飛濺潤滑混合的方式。 畢業設計說明書 10 第三 章 曲軸設計 167。 概述 曲軸是發動機 的主要運動件，其性能直接影響著發動機的可靠性和壽命。隨著發動機強化指標的不斷提高，曲軸的工作條件更加苛刻。由于周期性變化的氣體壓力，往復和旋轉運動引起的慣性力以及它們的彎扭拒共同作用，使得曲軸在工作過程中既彎曲又扭轉， 還要承受一定的沖擊載荷，軸頸表面受到磨損，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸表面的嚴重磨損，統計分析表明，破壞的曲軸中有 80%左右是由彎曲疲勞產生的。 因此 ，在設計曲軸時，必須 正確選擇曲軸的尺寸參數、結構形式、材料與工藝， 使其 具有較高的 疲勞 強度，剛度及良好的動態特性。 曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復和旋轉運動質量的慣性力以及它們的力矩（扭矩和彎矩）共同作用下工作的，使曲軸既扭轉又彎曲，產生疲勞應力狀態。實踐與理論表明，對于各種曲軸，彎曲載荷具有決定性意義，而扭轉載荷僅占次要地位（不包括因扭轉振動產生的扭轉疲勞破壞）。曲軸破壞的統計分析表明， 80%左右是由彎曲疲勞產生的。因此，曲軸結構強度研究的重點是彎曲疲勞強度。 曲軸形狀復雜、應力集中現象相當嚴重，特別在曲柄至軸頸的過渡圓角區、潤滑油孔附近以及加工粗糙的部位應力集中現象尤為突出。曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發生滑動摩擦。這些軸承在實際變工況運轉條件下并不總能保證液體潤 滑，尤其當潤滑油不潔凈時，軸頸表面遭到強烈的磨料磨損，使得曲軸的實際壽命大大降低。曲軸是曲柄連桿機構中的中心環節，其剛度亦很重要。如果曲軸彎曲剛度不夠，就會大大惡化活塞、連桿、軸承等重要零件的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性，甚至使曲軸箱局部損壞。曲軸扭轉剛度不足則可能在工作轉速范圍內產生強烈的扭轉振動；輕則引起噪音，加速曲軸上齒輪等傳動件的磨損；重則使曲軸斷裂。 綜上所述，曲軸設計時應符合以下要求： 畢業設計說明書 11 1． 有足夠的疲勞強度，以保證曲軸工作可靠。設計時應盡量減少應力集中，加強薄弱環節； 2． 有足夠的剛度 ，使曲軸變形不致過大； 3． 頸具有良好的耐磨性。應根據軸頸比壓，選取適當的軸承材料、軸頸硬度和加工精度，以保證曲軸和軸承有足夠的壽命； 4． 柄排列合理，以保證柴油機工作均勻；曲軸平衡性好，以減小振動和主軸承最大負荷； 5． 料選擇適當，以充分發揮材料強度潛力。 所有這些要求，在高速內燃機的條件下，都應該在輕的結構重量下實現。同時，隨著內燃機的不斷發展，各項指標的強化，曲軸的結構也應留有發展的余地。 不難看出，上述強度、剛度、耐磨、輕巧的要求之間是存在矛盾的。例如，為了提高曲軸的剛度而增大主軸頸和曲柄銷直徑，對 軸承工作而言，可以降低軸承比壓，但高轉速下軸承圓周速度變大，從而引起摩擦功率損失增加，軸承溫度升高，降低了軸承工作的可靠性。此外，曲柄銷的增大，使得連桿大頭以更大的比例加大加重，軸承的離心負荷加大。這時，可能引起采用斜切口連桿的必要，而這種連桿剛性差，而且制造成本較高。曲柄銷加大帶來的曲軸連桿系統旋轉質量的加大，可能使剛度對扭轉帶來的好處得而復失。正是這些內在的矛盾推動著曲軸的發展，而在曲軸強度矛盾的總體中，應力集中處的最大應力與該力作用點的材料抗力是它的主要矛盾。影響這個主要矛盾的主要因素有：曲軸的結構 、材料和加工工藝等三方面，這三種因素各自有獨立的作用，相互又有影響，必須辨證地進行分析，在設計曲軸時，不應只注重結構尺寸的設計一個方面。 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實際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設計主要是依靠經驗設計，即利用許多現有的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，然后進行結構細節的設計、強度復核、曲軸樣品試驗，最后確定曲軸的結構、尺寸與加工工藝等。 畢業設計說明書 12 167。 曲軸的設計步驟 曲軸設計在柴油機總體設計階段就開始進行。設計步驟大 致如下： 1．根據柴油機的用途，強化程度，生產批量，缸心距 以 及活塞行程等參數，選擇適當的曲軸材料，結構形式，毛坯制造方法及必要的強化工藝。 2．依據柴油機相似原則以及設計者的經驗，初步選 定曲柄銷，主軸頸和曲柄臂的尺寸。 3．根據 柴油機沖程數，氣 缸數目和排列方式，發火順序，從保證扭矩均勻，平衡性良好，主軸承負荷不要過大等原則出發確定曲柄排列。 曲軸計算： 初步選 定曲軸尺寸后，需對曲軸進行平衡性計算和曲軸疲勞強度 計算，以驗證所設計曲軸是否滿足前述各項設計要求。 根據上述計算結果，決定是否需要修改設計。上述方法需反 復進行，并最終確定曲軸的尺寸，平衡塊的大小和布置方式，潤滑油道的布置， 完成曲軸兩端的設計，繪制出曲軸零件圖。 167。 曲軸的結構型式及其 選擇 一、 按支承方式曲軸分為全支承曲軸和非全支承曲軸。全支承 曲軸是每兩個（ V 型發動 機為兩排）氣 缸 間均設有主軸承的曲軸；而非全支承 曲軸是每 隔兩個（ V 型發動機為兩排）氣 缸設有一個主軸承的曲軸。由于柴油機的爆發壓力較高，因而一般都采用全支承 曲 軸；僅有個別小缸徑柴油機為縮短缸心距，減少主軸承數，采用非全支承 曲軸。 按結構型式曲軸分為整體曲軸和組合曲軸。 整體 式 曲軸 整體 式 曲軸 的毛坯 是 由整根鋼料鍛造或用鑄造方法澆鑄出來 的。整體式曲軸結構簡單，重量輕， 工作可靠，而且剛度和強度較高 ， 加工面也比較少，在中高速柴油機上應用非常普遍 。 組合 式 曲軸 組合式曲軸是把曲軸分成很多便于制造的單元體，然后將各部分組合裝配而成。 按劃分單元體的不同，又可分為全組合式曲軸與半組合式曲軸。 大功率柴油機和小型二沖程發動機上常采用組合式曲軸。 畢業設計說明書 13 （ 1）、 圓盤式組合曲軸 這種曲軸的每個曲柄單獨制造，然后用螺釘 聯成一 根 完整的曲軸。圓盤式組合曲軸各曲柄相同，這使得系列產品的 曲軸 制造十分方便。在使用中若發現某曲軸損壞 ，可單獨更換損壞的曲柄，而不需要報廢整個曲軸。此外 ，由于這種曲軸各曲柄單獨制造，因而不需要大型設備，機械加工簡單。 這種曲軸由于結構復雜，加工精度高，因而僅少數機型采用。 （ 2）、 套合式曲軸 （全套合或半套合） 它的曲柄銷，主軸頸，曲柄臂均分開制造，然后用 “ 紅套 ” 或液壓 壓入等方法連接起來。軸和孔的配合的過盈量是軸頸的 ‰ ‰ 。 為了減小應力集中，軸頸與曲柄臂相配合部分的直徑加大到軸頸直徑的 ～ 倍。目前，套合式曲軸主要應用于曲柄半徑大于 400～ 500mm 的大型低速柴油機，其中半套合式曲軸應用較 多。 （ 3）、 分段式曲軸 大型曲軸由于受到加工設備的限制，往往將曲軸分段制造，然后用凸緣連接起來，這種曲軸稱為分段式曲軸 。 圖 31 綜上所述，此 次設計采用整體式曲軸。 由于此 次設計 的是直列 兩 缸柴油機，故 選用平面 （圖 31） 布置， 曲 柄互成 空間 180176。 夾角， 靜平衡但 動 不 平衡，該方 案 的不平衡系數較小 ，易于采取平衡措施，而 且 此次設計的是 高 速柴油機，采用該布置 第 二 階 往復慣性力較小 ，可以不考慮 。 畢業設計說明書 14 167。 曲軸 材料 選擇 及毛坯制造 常用的曲軸材料有 可鍛鑄鐵，合金鑄鐵， 球墨鑄鐵，碳素鋼和合金鋼等，相應的毛坯也分為鑄造 與鍛造。 鍛造曲軸 一般采用中碳鋼或者合金鋼制造，毛坯生產需要 大型鍛壓設備，雖然 毛坯尺寸比較精確，減少了加工余量，提高了材料利用率，此外，鍛造能夠使材料的金屬纖維成方向性排列，纖維方向和曲軸形狀大致相符，這大大提高了曲軸的抗拉強度和彎曲疲勞強度。 但是鍛造曲軸成本過高，大約是球鐵曲軸的 37 倍。 雖然鑄造曲軸主要是 球鐵曲軸有很多 缺點 ，例如 彎曲疲勞強度比較低，較容易發生斷裂，相同尺寸的球鐵曲軸與鍛造曲軸相比，剛度差。但 它 的優點也相當明顯， 例如球墨鑄鐵曲軸經正火處理后的機械性能已接近蔌超過一般的中碳鋼，盡管鋼的疲勞 強度比球墨鑄鐵高，但曲軸的結構復雜，鋼曲軸難免會有油孔、過渡圓角和材質上留有缺陷面造成應力集中，從面降低了曲軸的疲勞強度。球鐵可以鑄造出復雜的曲軸形狀，使其應力分布均勻，且球墨鑄鐵對缺口敏感度低、變形小，使球墨鑄鐵曲軸的實際彎曲的扭轉疲勞強度與正火中碳鋼相近。球鐵曲軸的耐磨性好，吸振能力強，有較好的自潤滑和抗氧化性能。 綜上分析，我采用 球 墨鑄 鐵 曲軸。