375柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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1、目 錄 前 言 2 第一章 柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 4 §1.1 高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)的要求 4 §1.2 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 4 §1.2.1 高速柴油機(jī)用途的確定 4 §1.2.2 柴油機(jī)類型的確定 5 §1.2.3 柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 6 第二章 主要零部件設(shè)計(jì)及計(jì)算 11 §2.1 連桿組的設(shè)計(jì) 11 §2.1.1 連桿的工作情況 11 §2.1.2 在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的地方 11 §2.1.3 連桿的材料 11 §2.1.4 連桿長(zhǎng)度的確定 12 §2.1.5 連桿小頭的設(shè)計(jì) 12 §2.1.6 連桿桿身的設(shè)計(jì) 13 §2.1.7 連桿大頭的設(shè)計(jì) 14 §

2、2.2 活塞組的設(shè)計(jì) 16 §2.2.1 活塞 16 §2.2.2 活塞環(huán) 22 §2.2.3 活塞銷 23 第三章 連桿強(qiáng)度校核 24 §3.1 連桿小頭計(jì)算 24 §3.2 連桿桿身的強(qiáng)度計(jì)算 25 §3.3連桿大頭蓋的計(jì)算 26 第四章 結(jié) 論 27 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 前 言 375柴油機(jī)是我國(guó)三缸柴油機(jī)系列中的主要產(chǎn)品，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制改革不斷深入，農(nóng)村生產(chǎn)飛速發(fā)展的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的375柴油機(jī)母型是六十年代后期開發(fā)的產(chǎn)品，笨重而且燃油高、經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性能差，為此作者在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)理念與生產(chǎn)技術(shù)，在原有機(jī)型的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)375柴油

3、機(jī)，該375柴油機(jī)是三缸，自然吸氣，直列四沖程，水冷直噴，高速柴油機(jī)，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)、動(dòng)力性能的同時(shí)降低有害物的排放，同時(shí)仍然保持原機(jī)可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、使用維修方便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)、拖拉機(jī)、小型機(jī)械，這些優(yōu)點(diǎn)使其更好的融入農(nóng)村生產(chǎn)，備受購(gòu)買力相對(duì)較弱的農(nóng)民群體的歡迎，因此該產(chǎn)品的開發(fā)擁有很廣闊的市場(chǎng)。 國(guó)家的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，國(guó)家對(duì)柴油機(jī)的微粒排放的關(guān)注度也日益提高，原來(lái)375柴油機(jī)存在的微粒和煙度的排放較高，針對(duì)這方面的缺點(diǎn)開發(fā)水冷直噴的燃燒室，其良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)容易優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠有效的降低微粒和煙度的排放，而且能夠降低油耗，從而滿足現(xiàn)代的節(jié)能減排的

4、新觀念，該優(yōu)點(diǎn)亦符合農(nóng)村購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)之一。 375柴油機(jī)一般用于農(nóng)用運(yùn)輸和動(dòng)力，國(guó)內(nèi)農(nóng)用機(jī)械配套動(dòng)力要求動(dòng)力充足可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好，柴油機(jī)以其低速扭矩大、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)主流，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大背景下，原來(lái)柴油機(jī)笨重，油耗高，功率低等已不能夠滿足新時(shí)代的要求，為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)農(nóng)用機(jī)械功率增長(zhǎng)的需要，在原來(lái)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的375柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在排量、功率、動(dòng)力性能等都有一定的增加，并且節(jié)省材料。該柴油機(jī)可以配套拖拉機(jī)、農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)、排灌機(jī)械、收割機(jī)等農(nóng)用機(jī)械，也可以和空壓機(jī)、礦石機(jī)械翻斗機(jī)、小型發(fā)電機(jī)組等。 475柴油機(jī)是四缸機(jī)，活塞行程為90mm，標(biāo)定功率為24KW；某些企業(yè)的渦流47

5、5柴油機(jī)普遍存在油耗高、排氣溫度高等問(wèn)題，若能把475型柴油機(jī)的渦流燃燒系統(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(yán)格的排放法規(guī)的實(shí)施，迫使人們?cè)诒３衷醒芯砍晒耐瑫r(shí)，換一個(gè)角度去探索各種燃燒室及其供油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)匹配的問(wèn)題，475柴油機(jī)采用螺旋進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)，促進(jìn)空氣和燃油的混合；采用啞鈴型的燃燒室，增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高渦流強(qiáng)度，形成很好的進(jìn)氣渦流改善煙度排放，大幅度降低低速時(shí)的煙度排放；供油提前角的范圍廣，并且最佳供油提前角減少，因而降低噪音、振動(dòng)和良好的低速轉(zhuǎn)矩特性；為了適應(yīng)475型柴油機(jī)直噴化的需要，選用BQ泵。475柴油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重量輕、使用維修方便、可靠

6、性能強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，廣泛的應(yīng)用于農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)、輕卡、拖拉機(jī)小型工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等作為動(dòng)力。 柴油機(jī)作為各種機(jī)械的動(dòng)力裝置，活塞是其主要的配件之一，由于它在氣缸內(nèi)以高速作勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且在高溫、高壓和液體潤(rùn)滑困難等條件下工作，所以是一種容易磨損的配件。發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)劣很大程度決定于生產(chǎn)工藝和加工水平，工藝設(shè)計(jì)水平越高，機(jī)械加工能力越強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好。所以活塞的工藝設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有至關(guān)重要的影響。目前，在中小型柴油機(jī)方面開展的研究工作大都放在減少?gòu)U氣排放，因此出現(xiàn)深盆頂活塞的應(yīng)用，這是專為改善燃燒狀況減少碳?xì)浠衔锒O(shè)計(jì)的。近十年來(lái)，開發(fā)能滿足Pz高達(dá)25Mpa的活塞的要求越來(lái)越迫切。與球鐵相

7、比，鍛鋼具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和延伸率，只有選材和工藝處理適當(dāng)，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的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(jī)。 連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中傳動(dòng)力的重要零件，它把活塞上的往復(fù)慣性力傳遞給曲軸以輸出功率，連桿在工作過(guò)程中主要承受裝配載荷和交變載荷的作用，工作較苛刻。環(huán)保節(jié)能是現(xiàn)代汽車的發(fā)展方向，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的要求是:不僅要有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且要尺寸小、重量輕，為實(shí)現(xiàn)這一要求，現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)開發(fā)必須采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及技術(shù)。針對(duì)柴油機(jī)連桿小頭斷裂的問(wèn)題，在進(jìn)行連桿設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)不同的連桿小頭壁厚和連桿小頭的過(guò)渡圓角進(jìn)行有限元分

8、析，選擇合適的過(guò)渡圓角和小頭壁厚以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而連桿大頭采用“工”字形結(jié)構(gòu)時(shí)，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?！肮ぁ弊中谓Y(jié)構(gòu)還能很好的控制大頭孔的變形，而連桿大頭與支撐面采用半圓弧的安全系數(shù)有很大的提高。 第一章 柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 §1.1 高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)的要求 高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列基本要求： 1、最佳的使用性能 包括最佳的動(dòng)力性能、最小的外形尺寸、最輕的總質(zhì)量，能滿足各種特定用途對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求。 2、最佳的經(jīng)濟(jì)性能 主要可以概括為下列三方面： （1）最佳的使用經(jīng)濟(jì)性 包括完善的工作過(guò)程，特別是組織良好的燃燒過(guò)程，以降低燃油消

9、耗；精心設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好潤(rùn)滑的前提下降低潤(rùn)滑油消耗量；具有良好的裝拆工藝性，易于裝拆、維修，減少維修費(fèi)用的支出。 （2）最佳的制造經(jīng)濟(jì)性 包括優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整機(jī)及零部件具有良好的加工工藝性；選用價(jià)廉適用的制造材料；選用優(yōu)質(zhì)、價(jià)廉的零配件；降低不必要的加工精度。 （3）最好的可靠性和最長(zhǎng)的使用壽命 這是發(fā)動(dòng)機(jī)成功的重要標(biāo)志。首先在結(jié)構(gòu)上要保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的剛度，在各種工況下工作時(shí)，各零部件不允許發(fā)生不正常的變形和振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的各易磨損件要有必要的壽命，所有摩擦副在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮減摩措施和材料的配對(duì)等。 3、最佳的環(huán)保性能 目的在于減少有害物質(zhì)的排放。日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)對(duì)柴油

10、機(jī)的廢氣排放提出了更高的要求。因此在設(shè)計(jì)階段，在燃燒過(guò)程的組織、排放后處理等方面，應(yīng)考慮采取相應(yīng)的措施[1]。 §1.2 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 §1.2.1 高速柴油機(jī)用途的確定 發(fā)動(dòng)機(jī)的具體用途是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，不針對(duì)具體用途無(wú)法設(shè)計(jì)一臺(tái)優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)高速柴油機(jī)而言，產(chǎn)量最大的配套是各種車輛，其它依次為拖拉機(jī)和各種農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等。各種用途對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求不同。若要設(shè)計(jì)成功一臺(tái)理想的發(fā)動(dòng)機(jī)，針對(duì)其具體用途進(jìn)行設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。本次設(shè)計(jì)的375柴油機(jī)是針對(duì)拖拉機(jī)和農(nóng)用汽車進(jìn)行配套設(shè)計(jì)的，同時(shí)它也可以用于其它領(lǐng)域[1]。 §1.2.2 柴油機(jī)類型的確定 1、四沖程及兩沖程 目前我國(guó)使

11、用的機(jī)型均為四沖程，國(guó)外絕大部分機(jī)型也是四沖程。四沖程柴油機(jī)四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)，在相同的活塞排量和轉(zhuǎn)速下，非增壓時(shí)功率比二沖程柴油機(jī)低，但易于組織增壓，增壓比比較高。在轉(zhuǎn)速不變的情況下通過(guò)增壓可較大幅度的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。活塞組熱負(fù)荷低，工作過(guò)程易于組織，動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性好，燃油消耗率低，機(jī)油消耗率低，且低速性能好，可以有較大的扭矩儲(chǔ)備，可以在較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好經(jīng)濟(jì)性能。燃油噴射系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較低，便于設(shè)計(jì)制造，且壽命較長(zhǎng)，可靠性好。因此，我們選擇的機(jī)型為四沖程柴油機(jī)。 2、冷卻方式 目前世界各國(guó)生產(chǎn)的機(jī)型仍以水冷為主。中、小型有風(fēng)冷品種，但品種不多。簽于風(fēng)冷機(jī)型在制造上要求較高

12、、難度較大，大批量生產(chǎn)和銷售均有難度，此次設(shè)計(jì)為水冷方式。水冷冷卻較均勻，熱負(fù)荷低，充氣效率、平均有效壓力及升功率高，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(jī)的進(jìn)一步強(qiáng)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(jī)型總體布置的要求，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(jī)的長(zhǎng)度，以利于發(fā)動(dòng)機(jī)與各種機(jī)型更完善的匹配。此次設(shè)計(jì)為三缸，小缸徑柴油機(jī)，故采用直列立式氣缸布置。 4、進(jìn)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，特別在改善排放方面，增壓及增壓中冷具有決定

13、性的作用。但由于技術(shù)和成本的原因，此次設(shè)計(jì)暫且不用增壓系統(tǒng)。 5、氣門數(shù) 常規(guī)高速柴油機(jī)多為二氣門，而實(shí)踐證明，多氣門對(duì)高速柴油機(jī)工作過(guò)程，特別是進(jìn)氣和燃燒的改善有很好的作用，但其鑄造要求高，成本高，在目前排放指標(biāo)不是很高的情況下我們?nèi)圆捎枚忾T。 6、燃燒室類型 燃燒室類型對(duì)于高速柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和性能的影響很大，直接體現(xiàn)在燃油消耗率上。由于直噴式燃燒系統(tǒng)動(dòng)力性好，燃油、機(jī)油消耗率低、啟動(dòng)性能好，以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，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(shì)，所以此次設(shè)計(jì)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(jī)傳統(tǒng)設(shè)

14、計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模式，被廣泛采用。此次設(shè)計(jì)為側(cè)置式，用齒輪傳動(dòng)[1]。 §1.2.3 柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 高速柴油機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有如下眾所周知的關(guān)系 （1-1） 式中，Pe為有效功率（kw）；Pme為平均有效壓力（kpa）；n為轉(zhuǎn)速（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(duì)上述參數(shù)的正確選擇是設(shè)計(jì)一臺(tái)優(yōu)秀發(fā)動(dòng)機(jī)的前提。 1、有效功率的確定 在確定高速柴油機(jī)有效功率（kw）時(shí)，必須考慮另一與功率有密切聯(lián)系的扭矩值（N·m）及其儲(chǔ)備，功率與扭矩均隨發(fā)動(dòng)機(jī)的用途而異。 對(duì)

15、于車用高速柴油機(jī)而言，其功率視車輛的用途、車輛的總質(zhì)量而定。 我國(guó)載貨車與功率的匹配，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； 重型載貨車為6～10kw/t； 載貨車的扭矩儲(chǔ)備要求略低，但亦應(yīng)達(dá)到10%以上。 拖拉機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率由牽引力而定，一般每噸的牽引力配用18～20kw，扭矩儲(chǔ)備率要求高于汽車，一般在15%及以上。工程機(jī)械的配套動(dòng)力亦隨其工作能力的大小而定，如叉車，3噸配備功率30～35kw；5噸則為40～45kw……扭矩儲(chǔ)備要求很高，一般為20%～30%以上，有些機(jī)型要求高達(dá)40%～50%[1]。 2、轉(zhuǎn)速的選定 發(fā)動(dòng)機(jī)的

16、轉(zhuǎn)速隨其配套對(duì)象而異。目前我國(guó)輕型車用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為3200r/min左右，少數(shù)機(jī)型達(dá)3600r/min；中型車用柴油機(jī)約為2500～2800r/min；低速農(nóng)用車柴油機(jī)約為2400～2800r/min；重型車用柴油機(jī)約為2000～2300r/min[1]。 375柴油機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)為低速農(nóng)用車柴油機(jī)，所以轉(zhuǎn)速取3400r/min。 3、氣缸數(shù)的確定 氣缸數(shù)是柴油機(jī)的重要參數(shù)之一，按給定功率和轉(zhuǎn)速來(lái)選擇氣缸數(shù)時(shí)，考慮以下因素： （1）選用合適的氣缸數(shù)目可獲得較小的單缸功率，使柴油機(jī)輸出的扭矩均勻，平衡性和啟動(dòng)性能較好。 （2）選用合適的氣缸數(shù)目，其氣缸直徑和行程均較小，柴油機(jī)體積可以縮小

17、，重量可減輕。 （3）選用較多的氣缸數(shù)后，零件數(shù)量和制造工時(shí)增加，成本增高。 （4）選擇氣缸數(shù)目，還需考慮柴油機(jī)配套所提出的外形尺寸和重量要求，以及系列柴油機(jī)的功率范圍等因素。 考慮以上綜合因素，我們選取氣缸數(shù)為：3。 4、活塞平均速度的確定 活塞平均速度是表征柴油機(jī)高速性和強(qiáng)化程度的一項(xiàng)主要指標(biāo)，對(duì)柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)和主要零件結(jié)構(gòu)型式影響甚大。 活塞的平均速度計(jì)算公式： Cm=Sn/30 （1-2） 其中，S為活塞行程；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。 在功率給定以后，可以算出平均有效壓力?；钊谐?/p>

18、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(jī)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(yùn)動(dòng)件的慣性力增大，柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷增大。 （2）提高活塞平均速度使柴油機(jī)零件的磨損加快，縮短了柴油機(jī)大修期。 （3）活塞平均速度的提高，使摩擦功率損失迅速增加，機(jī)械效率降低，燃油消耗率升高。 （4）進(jìn)、排氣阻力隨活塞平均速度的提高而增加，使充氣效率降低。 （5）隨著活塞平均速度的提高，柴油機(jī)的平衡。震動(dòng)和噪聲等問(wèn)題突出出來(lái)，一般柴油機(jī)的噪聲強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。 因此，選擇活塞平均速度應(yīng)綜合各方面的因素，不能一味的提高。一般活塞平均速度為：

19、6.5～12m/s。本機(jī)的活塞平均速度為：8.49m/s。 5、平均有效壓力的確定 平均有效壓力是表征柴油機(jī)強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，可由下式求得： (1-3) (1-4) 提高沖氣系數(shù)，改善工作過(guò)程，減少機(jī)械損失和熱損失，是提高非增壓柴油機(jī)Pe值的主要措施，但非增壓柴油機(jī)的Pe值的提高是有限的。促使Pe值增長(zhǎng)的原因，一方面是提高單機(jī)功率的迫切需要，另一方面是因?yàn)镻e值的增加，對(duì)柴油機(jī)噪聲和壽命的影響比提高活塞平均速度的影響要小的多。 提高Pe值可使功率增加，比重量下降。然

20、而機(jī)械效率和熱負(fù)荷也隨之提高，影響柴油機(jī)的可靠性和壽命。同時(shí)，對(duì)排氣的有害成分、噪聲、振動(dòng)等都有不利影響。車用柴油機(jī)的一般范圍為6.5～10.5Mpa本機(jī)平均有效壓力為7.16 。 較大幅度的提高平均有效壓力后，要注意零件的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力過(guò)高的問(wèn)題，一般措施是：采用強(qiáng)制冷卻活塞、組合式活塞來(lái)加強(qiáng)氣缸蓋和氣缸套的冷卻，降低壓縮比以及增強(qiáng)零件的剛度和強(qiáng)度等[3]。 6、氣缸直徑的確定 柴油機(jī)功率與氣缸直徑的平方成正比。選用較大的缸徑是提高功率的一個(gè)措施。但缸徑增大后柴油機(jī)外形尺寸與比重量相應(yīng)增大。而氣缸直徑與缸數(shù)和轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。同樣的功率下，缸數(shù)越多，缸徑可縮小，轉(zhuǎn)速可提高[1]。

21、 考慮到此發(fā)動(dòng)機(jī)為農(nóng)用運(yùn)輸車，缸徑為80～100，我們所選擇的缸徑為 75。 7、行程及其與缸徑的比值S/D 自然吸氣柴油機(jī)的升功率： (1-5) 它正比與Pe和n，由于提高活塞的平均速度需要較短的行程和較小的S/D。使用較小的活塞行程，有可能得到緊湊的外形和采用較短尺寸，獲得較大的體積功率的較好的比重量。自然吸氣條件下Pe的提高有限，升功率很難輕易突破，因此提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速成為提高升功率的主要途徑。采用不大的S/D，可以獲得較大的進(jìn)排氣門面積與氣缸容積之比，使進(jìn)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(shí)有利于增加曲柄銷與主

22、軸頸的重疊度，改善曲軸強(qiáng)度或縮小軸頸直徑。因此S/D的選擇應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體要求[3]。375柴油機(jī)選擇S/D為:1.07，將有利于降低柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲。 8、氣缸中心距 氣缸中心距是柴油機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、緊湊性、重量和配套適應(yīng)性最具影響的幾何尺寸。 決定氣缸中心距合理性主要是下列三大因素，并在此基礎(chǔ)上可能共同達(dá)到的最小值。 （1）足以保證燃?xì)饪煽棵芊獾臍飧咨w總截面積和分布均勻性。 （2）足夠的曲軸疲勞強(qiáng)度的軸承承載能力。 （3）有必要的水流空間，使缸套上部、缸蓋底部和排氣道獲得充分的冷卻。 此外還應(yīng)注意機(jī)體的氣缸體部分有必要的空間容納足夠截面積的壁和筋，以保證氣缸套支承

23、面擠壓應(yīng)力處于可靠限度內(nèi)。 所以氣缸中心距是決定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整機(jī)緊湊性的綜合因素，而兩者又是矛盾的。只要將所有各項(xiàng)尺寸參數(shù)與氣缸中心距建立一系列經(jīng)驗(yàn)公式，從中便可以獲得合理的中心距尺寸和其它相關(guān)尺寸。 用氣缸中心距來(lái)表征能實(shí)現(xiàn)的單缸功率，實(shí)質(zhì)上是該氣缸中心距在保證充分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性的前提下所能包容的氣缸直徑。 （1-6） 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(duì)非增壓柴油機(jī)： C=(10.3～11.0)×10-4

24、 （1-7） 可以由以上式子估算氣缸中心距，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，能夠在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充分保證的前提下，形成所需的氣缸排量和獲得所算得的功率水平[2,3]。 此次設(shè)計(jì)氣缸中心距為：L=100mm。 第二章 主要零部件設(shè)計(jì)及計(jì)算 §2.1 連桿組的設(shè)計(jì) §2.1.1 連桿的工作情況 連桿組的功用是將作用在活塞上的氣體壓力傳給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與連桿大頭一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿桿身作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。 連桿主要承受以下載荷： 1、由連桿力Pcr引起的拉壓疲勞載荷。 式中 Pg——?dú)怏w作用力； Pj

25、——活塞連桿組的往復(fù)慣性力； β——連桿擺角。 2、在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)，由連桿力矩引起的橫向彎曲載荷。 3、由于壓入連桿襯套，擰緊連桿螺栓，壓緊軸瓦等產(chǎn)生的裝配靜載荷。 此外，連桿還可能承受由于加工不準(zhǔn)確，承壓面對(duì)連桿軸線不對(duì)稱等引起的附加彎曲載荷。 §2.1.2 在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的地方 根據(jù)以上分析可知，連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋和桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故。 §2.1.3 連桿的材料 375的連桿材料為40Cr中碳鋼。在機(jī)械加工前經(jīng)調(diào)

26、質(zhì)處理，可以得到較好的機(jī)械性能。碳鋼的優(yōu)點(diǎn)是成本低，對(duì)應(yīng)力集中不敏感，所以模鍛后配合表面就不需再經(jīng)過(guò)加工。但鍛造毛刺要磨光，磨削方向應(yīng)沿連桿桿身的縱向，因?yàn)闄M向磨痕可能引起連桿桿身斷裂的危險(xiǎn)，一般采用噴丸處理來(lái)消除連桿內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力和提高連桿強(qiáng)度[4，8，9]。 §2.1.4 連桿長(zhǎng)度的確定 連桿長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重選擇的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，它一般用連桿比來(lái)表示，即。連桿長(zhǎng)度越短，即越大，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，減輕活塞件重量和整機(jī)重量，能很好的適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速。但的增大使二級(jí)往復(fù)慣性力及氣缸側(cè)壓力增大，并增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸套相碰的可能性。 所以為使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，最合適的連

27、桿長(zhǎng)度應(yīng)該是，在保證連桿及相關(guān)機(jī)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)不與其他機(jī)件相碰的情況下，選取最小的連桿長(zhǎng)度。 對(duì)于缸徑S≤120mm的高速柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，值一般在0.25～0.30之間，又考慮到柴油機(jī)其他零件的設(shè)計(jì)，所以取連桿長(zhǎng)度為156mm，即值為0.256，在此范圍內(nèi)，是可取的。 圖2—1 連桿小頭的尺寸 §2.1.5 連桿小頭的設(shè)計(jì) 一、小頭結(jié)構(gòu)形式 小頭采用薄壁圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，它的形狀簡(jiǎn)單，制造方便，材料能充分利用，受力時(shí)應(yīng)力分布較均勻。小頭到桿身的過(guò)渡采用單圓弧過(guò)渡。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 二、小頭尺寸 小頭的主要尺寸為小頭內(nèi)徑d1，小頭外徑d2 ,小頭寬度b1,襯套內(nèi)徑的

28、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。 襯套的厚度一般是=（0.04～0.08）d。選=0.09d=2.5，即為2.5mm，所以小頭的內(nèi)徑d1為32mm。 小頭外徑d2的選取范圍一般是d2=（1.2～1.4）d1 ，取d2=1.31d1=42mm。 小頭寬度b1取決于活塞銷間隔B和銷座與連桿小頭的端面間隙。在確定小頭的寬度時(shí)候，應(yīng)使小頭與活塞銷座之間每側(cè)都留約1～2mm的間隙，用來(lái)彌補(bǔ)機(jī)體、曲軸、活塞和連桿等零件在軸向尺寸上可能出現(xiàn)的制造誤差和由于熱膨脹所引起的軸向相對(duì)位置的變化。應(yīng)該盡量使小頭具有足夠的承壓面積，以便使小頭孔與活塞銷之

29、間相互壓緊的單位面積壓力不超過(guò)許用值。一般小頭寬度b1的范圍是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)的間隙為2mm。 三、連桿襯套 為了減小活塞銷對(duì)連桿小頭的磨損，應(yīng)在小頭內(nèi)裝入襯套。 1、襯套的材料 襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，本設(shè)計(jì)采用鉛青銅，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度較高，耐磨性好，使用于熱負(fù)荷比較大的柴油機(jī)。 2、襯套與小頭孔的配合 襯套與連桿小頭孔為過(guò)盈配合，常用的配合為jd、je、jb3、jc3等。過(guò)盈太大會(huì)使材料屈服而松動(dòng)，太小會(huì)造成壓配松動(dòng)，使襯套與小頭孔可能會(huì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。小頭孔的直徑設(shè)計(jì)為mm，確定襯套與小頭孔的過(guò)

30、盈量為0.033～0.06mm，則襯套外徑尺寸為mm。 襯套與活塞銷的配合間隙應(yīng)盡量小，以不發(fā)生咬合為原則。青銅襯套與活塞銷的配合間隙△大致在（0.0004～0.0015）d的范圍內(nèi)，即0.014～0.053mm，由于此設(shè)計(jì)選用全浮式活塞銷，故可使銷和襯套的間隙梢大，選用0.030～0.060mm，即襯套的內(nèi)徑為mm。 3、襯套的潤(rùn)滑 在小頭上方開機(jī)油孔，靠機(jī)體上的噴油嘴噴出的油冷卻活塞的同時(shí)，一部分油通過(guò)孔流入襯套，達(dá)到冷卻的效果。在小頭和襯套上都開有集油孔和集油槽，用來(lái)收集和積存飛濺的潤(rùn)滑油[12] §2.1.6 連桿桿身的設(shè)計(jì) 連桿桿身在膨脹行程中承受作

31、用在活塞上的氣體壓力的壓縮作用，在吸氣行程中承受往復(fù)慣性力的拉伸作用，當(dāng)連桿受壓時(shí)，有可能發(fā)生不穩(wěn)定彎曲，此外當(dāng)連桿作高速擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)還要承受本身的橫向慣性力的彎曲作用。實(shí)驗(yàn)證明，彎曲應(yīng)力實(shí)際上不大?？珊雎浴? 連桿桿身采用工字型截面，工字型截面的長(zhǎng)軸位于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi)。因?yàn)楣ぷ中徒孛鎸?duì)材料利用的最為合理，所以應(yīng)用的也很廣。 從鍛造工藝方面看，工字型截面兩臂過(guò)薄和圓角半徑過(guò)小都是不利的。因?yàn)檫@種連桿鍛造時(shí)變形比較大，就有可能產(chǎn)生鍛造裂紋的危險(xiǎn)，特別時(shí)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(shí)模具磨損也較大。具有邊緣厚并倒圓的工字型截面是比較有利的。 工

32、字型截面的長(zhǎng)軸y-y處于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi)，使桿身截面對(duì)垂直與連桿擺動(dòng)平面的x軸的慣性矩Jx大與對(duì)位于擺動(dòng)平面的y軸的慣性矩Jy，一般Jx=(2～3)Jy，這樣符合桿身實(shí)際受力情況，并有利于桿身向大、小頭過(guò)渡。 連桿桿身的最大應(yīng)力一般發(fā)生在桿身與大、小頭圓角過(guò)渡處，最大壓應(yīng)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： 連桿桿身橫截面的形狀如圖2-2所示。 其中截面寬B=20mm t=5mm 截面的高H=（1.5～1.8）B ，取H=1.4B=28mm

33、 圖2—2 連桿桿身橫截面形狀 §2.1.7 連桿大頭的設(shè)計(jì) 連桿大頭聯(lián)結(jié)連桿和曲軸，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，否則將影響薄壁軸瓦和連桿螺栓，甚至整機(jī)工作可靠性。為了便于維修，對(duì)于像本設(shè)計(jì)的高速柴油機(jī)，連桿必須能從氣缸中取出，故要求大頭在擺動(dòng)平面內(nèi)的總寬必須小于氣缸直徑，大頭的外型尺寸又決定了凸輪軸位置和曲軸箱形狀，大頭的重量產(chǎn)生的離心力會(huì)使連桿軸徑、主軸承負(fù)荷增大，摩擦加劇，有時(shí)還為此還不得不增大平衡重，給曲軸設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，因此在設(shè)計(jì)連桿大頭時(shí)，應(yīng)在保證強(qiáng)度、剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。合理確定大頭的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，就是大頭設(shè)計(jì)的任務(wù)。 大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定與曲柄

34、銷直徑、長(zhǎng)度和連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。所謂的大頭設(shè)計(jì)，實(shí)際上是確定連桿大頭在擺動(dòng)平面內(nèi)某些主要尺寸，連桿大頭的剖分形式和定位方式以及大頭蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)大頭構(gòu)形的時(shí)候針對(duì)一些薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)注意以下問(wèn)題： 1、連桿蓋上要設(shè)置合適的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋到螺栓孔支承面處要圓滑過(guò)渡。 2、螺栓頭支承面和螺母支承面要圓弧過(guò)度，避免加工尖角，可采用鍛造圓角或圓弧沉割來(lái)減少應(yīng)力集中，但必須盡量提高圓弧沉割處的光潔度。 3、斜切口連桿長(zhǎng)叉口一側(cè)變形較大，除了采用大圓弧過(guò)渡外，還可以用單筋和桿身連接，以提高大頭剛度。 一、連桿大頭的剖分形式 采用斜切口的剖分方式，切口角為45度。這樣的剖分形式的優(yōu)

35、點(diǎn)是滿足連桿組能從氣缸裝拆的條件下，可增大曲柄銷直徑，有利于提高曲軸的剛度和連桿軸承的工作能力。，也就是說(shuō)它在解決曲柄銷直徑和從氣缸中抽出連桿之間的矛盾。 二、連桿大頭的定位方式 斜切口連桿當(dāng)承受慣性力拉伸時(shí)，沿連桿體與連桿蓋的結(jié)合面方向作用著很大的橫向力，使連桿螺栓承受剪切力。為此必須采用能承受較大剪切力的定位方式，才能保證工作可靠。 本設(shè)計(jì)采用的是舌槽定位。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）加工成的，所以體與蓋上舌槽間的距離精度較高，定位可靠，尺寸緊湊。 當(dāng)然它有不好的地方，就是其拆裝不便，且只有在采用拉刀加工時(shí)才能保證較高的定位精度，還有舌槽要注意減少應(yīng)

36、力集中。這樣的定位方式常用在車用柴油機(jī)的斜切口的連桿上。其優(yōu)點(diǎn)是提高了結(jié)合處的剛度，縮小了連桿螺栓之間的距離，減小了螺栓尺寸。 三、連桿大頭的主要尺寸 1、大頭孔直徑 根據(jù)曲軸曲柄銷的設(shè)計(jì)尺寸為48mm，再考慮到軸瓦的尺寸，取D1=53mm 2、連桿螺栓孔中心線 中心線應(yīng)盡量靠近軸瓦，連桿螺栓孔中心距一般為=（1.2～1.3），取=1.34，即=71mm，螺紋外側(cè)邊后不小于2～4 mm。 圖2-3 連桿大頭的主要尺寸 §2.2 活塞組的設(shè)計(jì) 活塞組主要用來(lái)與氣缸、氣缸蓋相配合形成一個(gè)容積變化的密閉空間，在這里完成內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程；同時(shí)活塞組也承受燃?xì)鈮毫?，并把它傳給連桿、

37、曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外輸出扭矩，以驅(qū)動(dòng)汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng).它由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等機(jī)件組成。 §2.2.1 活塞 活塞的主要作用是承受氣缸中的氣體壓力，并將此力通過(guò)活塞銷傳給連桿，以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊敳窟€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?xì)庵芷谛越佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2500K以上，因此活塞的溫度也很高，例如活塞頂部的溫度可高達(dá)600～700K[7]。高溫一方面使活塞的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，另一方面使活塞材料的熱膨脹量增大，容易破壞活塞與其相關(guān)零件的配合。 活塞頂部在做功行程時(shí)，承受著燃?xì)獾膸_擊性的高壓力。對(duì)于汽油機(jī)活塞，瞬時(shí)的壓力最

38、大值可達(dá)3～6MPa。對(duì)于柴油機(jī)活塞，其最大值可達(dá)6～9MPa，采用增壓時(shí)最大值可達(dá)13～15MPa。高壓導(dǎo)致活塞的側(cè)壓力大，加速活塞外表面的磨損，也容易引起活塞的變形[7]。 活塞在氣缸中作變速運(yùn)動(dòng)，其平均速度9.07m/s。這樣的高速可產(chǎn)生很大的慣性力，它將使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各零件和軸承承受附加的載荷。 活塞承受的氣壓力和慣性力是周期性變化的，因此活塞的不同部分會(huì)受到交變的拉伸、壓縮和彎曲載荷；并且由于活塞各部分的溫度極不均勻，活塞內(nèi)部將產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。 從活塞的工作條件可看出，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的良好運(yùn)行特性，對(duì)活塞合金材料性能有如下要求：密度小、熱膨脹系數(shù)小、好的耐磨性、好的力學(xué)性能、

39、好的熱傳導(dǎo)性及好的加工性能。為此，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)目前采用的活塞材料是鋁合金，在個(gè)別汽車柴油機(jī)上的活塞采用高級(jí)鑄鐵或耐熱鋼鑄造。 根據(jù)以上要求，我們選擇共晶鋁硅合金66-1作為375的活塞的材料。 它除了具有鋁合金的共同優(yōu)點(diǎn)（密度小、導(dǎo)熱性好、與鑄鐵氣缸的匹配性好）之外，由于硅的存在，使材料的耐磨、耐蝕性，硬度、剛度和疲勞強(qiáng)度提高；鑄造流動(dòng)性改善。 鋁的密度約為鑄鐵的1/3，這樣采用鋁作為活塞用合金的基本材料，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)可使慣性力盡可能小。同時(shí)活塞用鋁合金的導(dǎo)熱性約為鑄鐵的3倍，這樣高的導(dǎo)熱能立刻將高熱負(fù)荷區(qū)的熱量很快傳給冷卻油及氣缸和曲柄連桿等，因此使得熔點(diǎn)600℃的鋁合金能在與峰值溫

40、度高達(dá)2000～2500K高溫燃?xì)饨佑|的情況下仍能正常工作。但是鋁合金在溫度升高時(shí)，強(qiáng)度和硬度下降較快。為了克服這一缺點(diǎn)，一般要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工或熱處理上采用各種措施加以彌補(bǔ)[7,14]。 鋁活塞的成形方法有鍛造、鑄造和液態(tài)模鍛等幾種。鑄造鋁活塞在高溫時(shí)強(qiáng)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。鍛造鋁活塞的強(qiáng)度比鑄造活塞高，導(dǎo)熱性也較好，適用于強(qiáng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)上，但制造成本高。液態(tài)模鍛即是將定量的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的速度充填型腔，并在壓力的作用下結(jié)晶凝固，從而獲得組織致密的無(wú)縮孔、縮松等缺陷的活塞。這種工藝兼有鍛造和鑄造的特點(diǎn)

41、，能達(dá)到少切削甚至無(wú)切削、提高金屬利用率、擴(kuò)大合金使用范圍、消除鑄造缺陷和提高毛坯質(zhì)量等目的[7]。 活塞的基本構(gòu)造可分為頂部、頭部和裙部三部分。 一、活塞頂部 活塞頂部的形狀主要取決于燃燒室的選擇與設(shè)計(jì)，而燃燒室的選擇取決于活塞直徑、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、功率、可靠性及排放等。汽油機(jī)活塞頂部多采用平頂，其優(yōu)點(diǎn)是吸熱面積小，制造工藝簡(jiǎn)單。有些汽油機(jī)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(dòng)機(jī)的壓縮比。柴油機(jī)的活塞常常設(shè)有各種各樣的凹坑，其具體形狀、位置和大小都必須于柴油機(jī)混合氣的形成或燃燒要求相適應(yīng)。 1.本設(shè)計(jì)采用ω型的燃燒室。 燃燒室的形狀和尺寸： 根

42、據(jù)喉口側(cè)面角β，可將ω型的燃燒室分成開口型(β>90°)，直口型(β=90°)及收口型(β<90°)三種，收口型較小（一般/D=0.5～0.65） 本設(shè)計(jì)采用β=90°的直口型，因?yàn)楹砜诘臒嶝?fù)荷很高，這樣做是為了防止喉口開裂，便于制造。 一般/D=0.5～0.65，取/D=0.533，即=40mm 2、在ω型的燃燒室的底部設(shè)計(jì)一隆起的凸尖，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(yīng)特別注意的是油束和燃燒室的正確配合，油束射程不足或過(guò)大都會(huì)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(shè)計(jì)的特殊情況，將燃燒室中心線向噴油器的一側(cè)偏離。 一

43、般偏移量<0.1,即<10,取e=5mm。 燃燒室的尺寸如圖2-4所示。 圖2-4 燃燒室的主要尺寸 圖 2-5 活塞的結(jié)構(gòu)圖 按燃燒室深淺來(lái)分這種燃燒室為深坑形，它比較適用于小型高速柴油機(jī)，因?yàn)樾⌒透咚俨裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速高，混合氣形成和燃燒的時(shí)間極短，每循環(huán)供油量又很小，單靠霧化混合，則噴孔直徑必須做的很小，噴油壓力很高，使燃油系統(tǒng)制造困難。于是，出現(xiàn)了有渦流的深坑形燃燒室，即將活塞頂上的凹坑加深，凹坑口徑縮小。它能夠在較小的過(guò)量空氣系數(shù)時(shí)有較好的燃燒過(guò)程，從而獲得較好的性能指標(biāo)。與淺盆形燃燒室相比，深坑形燃燒室對(duì)燃油系統(tǒng)要求降低，由

44、于利用進(jìn)氣渦流加強(qiáng)混合氣形成，使空氣利用率大大提高，一般=1.3～1.5，并保持燃油消耗率低和啟動(dòng)容易的優(yōu)點(diǎn)，所以在小型高速柴油機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用[3]。 四沖程柴油機(jī)的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(duì)于2氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，由于要盡可能加大進(jìn)、排氣門尺寸，不得不將燃燒室、噴油器及氣缸三者的中心線相互錯(cuò)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(duì)柴油機(jī)高度尺寸的要求（與柴油機(jī)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(yīng)在保證結(jié)構(gòu)布置合理和所需的承壓面積條件下，

45、盡量選擇較小的活塞高度。 2）目前發(fā)展趨勢(shì)：不斷縮短活塞高度，特別是高速柴油機(jī)。近十年來(lái)，由于成功地減活塞環(huán)數(shù)目，使活塞高度H縮短約10%。 2．壓縮高度H1 壓縮高度H1，決定活塞銷的位置。H1取決于第一道活塞環(huán)至頂面的距離h、環(huán)帶高度H5及上裙高度H4。在保證氣環(huán)良好工作的條件下，宜縮短H1，以力求降低整機(jī)的高度尺寸。H1/D 3．頂岸高度h（即第一道活塞環(huán)槽到活塞頂?shù)木嚯x） （1）h越小第一道環(huán)本身的熱負(fù)荷也越高。應(yīng)根據(jù)熱負(fù)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(guò)允許極限（約180℃～2200℃）。 （2)在保證第一道環(huán)工作可靠的條件下，盡量縮小h，以力

46、求降低活塞高度和重量。 （3)h/D的一般范圍如下： 高速槳油機(jī)鋁活塞 0.14～0.20 組合活塞 0 .07～0.20 4．活塞環(huán)的數(shù)目及排列 （1)活塞環(huán)數(shù)目一般為: 高速機(jī) 氣環(huán)2～3道，油環(huán)1～2道; 中速機(jī) 氣環(huán)3～4道，油環(huán)2道(少數(shù)用一道) （2)發(fā)展趨勢(shì)：減少環(huán)數(shù)。目前中小型高速柴油機(jī)采用三環(huán)結(jié)構(gòu)(二道氣環(huán)、一道油環(huán))的日益增多，并已開始應(yīng)用雙環(huán)活塞。近代中速柴油機(jī)采用四道環(huán)。環(huán)數(shù)減少后，須從活塞及活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)上采取措施，以確保良好的密封性能和防竄油性能

47、。 （3)油環(huán)布置：采用一道油環(huán)時(shí)，油環(huán)裝在銷孔上方。 本次設(shè)計(jì)選用兩道氣環(huán)，一道油環(huán)。 5．環(huán)槽尺寸 環(huán)槽的軸向高度(名義尺寸)等于活寒環(huán)的軸向高度b。十 環(huán)槽底徑D'取決于活塞環(huán)的背面間隙(即活塞環(huán)內(nèi)圓面與環(huán)槽底之間的間隙)，背盈大小與活塞的熱膨脹有關(guān)，并對(duì)環(huán)的背壓有一定影響。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)的徑向厚度； K—系數(shù)，鋁活塞K=0.006，鑄鋁活塞K=

48、0.004。 環(huán)槽底部的過(guò)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)下面的環(huán)岸)溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂。所以第一環(huán)岸高度h1一般比其余環(huán)岸高度要大一些。 （2）必須保證環(huán)岸有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，并進(jìn)行驗(yàn)算。 （3）環(huán)岸高度的范圍 鋁活塞高速機(jī) h1/D=0.04～0.06 高速大功率 h1/D=0.04～0.06 鋼頂組合活塞 h1/D=0.025～0.03 7．活塞頂厚度是根據(jù)活塞頂部應(yīng)力、剛度及散熱要求來(lái)決定的，小型高速柴油機(jī)的鋁活塞，如滿足頂部有

49、足夠的傳熱截面，則頂部的機(jī)械強(qiáng)度一般也是足夠的。熱應(yīng)力隨活塞頂厚度增加而增大，活塞頂厚度(特別是鋼頂)只要厚到能承受燃?xì)鈮毫纯?。s的一般范圍 小型高速 h1/D=0.04～0.06 高速大功率 h1/D=0.04～0.06 鑰頂組合活塞 h1/D=0.04～0.06 鑄鐵活塞 h1/D=0.04～0.06 圖2-6 活塞的部分主要尺寸 三、活塞裙部 活塞裙部是指自油環(huán)槽下端而起至活塞底部的部分。其作用是為活

50、塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向和承受側(cè)壓力。因此，既要保證裙部的形狀能夠是活塞在氣缸內(nèi)得到良好的導(dǎo)向，并具有足夠的承壓面積，又要保證在任何情況下活塞與氣缸壁之間具有最佳間隙。 目前，為了是活塞具有最佳性能，多采用如下措施。 1.將活塞直徑制成上小下大的錐形、階梯形或桶形。就整個(gè)活塞而言，在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)活塞的溫度沿軸線方向自上而下降低，其頂部溫度高，壁厚，熱膨脹量大；裙部相反。因此，將活塞頂部的直徑設(shè)計(jì)得小一些，而由頂部向下直徑逐漸增大，以保證活塞在氣缸中工作時(shí)熱膨脹后上下配合間隙均勻一致。 2.將活塞裙部徑向制成橢圓形。活塞裙部沿活塞銷座方向壁厚較大，故熱膨脹量較大。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，活塞裙部在熱

51、載荷和側(cè)壓力的共同作用下變成橢圓形，沿活塞銷軸方向略有伸長(zhǎng)，垂直銷軸方向略有縮短。因此，為了防止因活塞變形而造成活塞卡死或缸壁拉傷，一般將活塞裙部預(yù)先加工成橢圓形，并是長(zhǎng)軸與活塞銷軸方向垂直。為了減少銷座附近處的熱變形量，有的活塞將銷座附近的裙部外表面制成下陷0.5～1.0mm。裙部的縱向設(shè)計(jì)為桶形，同樣是出于對(duì)活塞熱變形的考慮[9]。 為了改善鋁合金活塞的耐磨性，通常對(duì)活塞裙部進(jìn)行表面處理。柴油機(jī)鑄鋁活塞的裙部外表面磷化；對(duì)于鍛鋁活塞，在裙部的外表面上可涂以石墨。 四、活塞銷座 活塞的銷孔與活塞銷組成一對(duì)摩擦副，它將活塞頂部氣體作用力通過(guò)活塞銷座傳給活塞銷，然后再傳遞到連桿和曲軸。因此

52、，銷座必須與活塞銷有足夠的強(qiáng)度、足夠的承壓面積和耐磨性。銷座通常有肋片與活塞內(nèi)壁相連，以提高其剛度。 銷座孔的中心線一般位于活塞中心線的平面內(nèi)。但也有些活塞銷孔中心線偏離活塞中心線平面，如本次設(shè)計(jì)的活塞?；钊N座軸線向在做功行程中受測(cè)向力的一面偏移了1mm，這是因?yàn)槿绻钊N對(duì)中布置，則當(dāng)活塞越過(guò)上止點(diǎn)時(shí)側(cè)壓力的作用方向改變，會(huì)使活塞敲擊氣缸壁發(fā)出噪聲。如果把活塞銷偏移布置，則可使活塞較平穩(wěn)地從壓向氣缸的一面過(guò)渡到另一面，而且過(guò)渡時(shí)刻早于達(dá)到最高燃燒壓力的時(shí)刻，可以減輕活塞“敲缸”,減小噪聲，改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平順性。但這種活塞銷偏置的結(jié)構(gòu)，卻帶來(lái)活塞裙部?jī)啥说募饨秦?fù)荷增大，引起這些部位的磨損

53、或變形增大。這就要求活塞的間隙盡可能的小[9，13]。 §2.2.2 活塞環(huán) 1. 活塞環(huán)的種類及作用 活塞環(huán)是具有一定彈性的金屬開口圓環(huán)，自由狀態(tài)下它的外徑大于氣缸直徑，裝入氣缸后與氣缸壁緊貼。按功用不同，活塞環(huán)分為氣環(huán)（密封環(huán)）和油環(huán)（刮油環(huán)）。 氣環(huán)的作用是保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸中的高溫、高壓燃?xì)獯罅柯┤肭S箱，同時(shí)將活塞頂上的熱量傳給氣缸壁，再由冷卻液或空氣帶走。 油環(huán)的作用是消除活塞環(huán)的泵油作用，刮除氣缸壁上的多余機(jī)油，防止機(jī)油回竄到燃燒室。并在缸壁上留下一層均勻分布的機(jī)油油膜，可以減小活塞、活塞環(huán)與氣缸壁的磨損和摩擦阻力，使機(jī)器可靠工作。此外油環(huán)還起到封氣的輔

54、助作用。 2.活塞環(huán)的選擇 375的活塞環(huán)設(shè)計(jì)有兩道氣環(huán)和一道油環(huán)。 第一道氣環(huán)的工作條件最為惡劣，它的好壞對(duì)活塞組竄氣、竄油將產(chǎn)生影響。因此選用抗拉缸及抗膠結(jié)性能好的桶面環(huán)內(nèi)扭曲環(huán)。它可以滿足密封性好、迅速磨合、刮油能力強(qiáng)的要求。 第二道氣環(huán)除考慮到密封外，還應(yīng)具有一定的刮油能力。因此采用兼有氣環(huán)密封和油環(huán)刮油雙重作用的錐面內(nèi)扭曲環(huán)。 最后一道油環(huán)選用螺旋撐簧油環(huán)，在油環(huán)背面加有撐簧，不但提高了環(huán)的壓力，而且環(huán)壓均勻、彈性穩(wěn)定，從而使油膜均勻磨損下降，機(jī)油耗下降。 §2.2.3 活塞銷 活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連桿?；钊N在高溫下承受很大的

55、周期性沖擊載荷，潤(rùn)滑條件很差（一般靠飛濺潤(rùn)滑），容易疲勞和磨損。因此，活塞銷的材料應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度、表面硬度和沖擊韌性 圖 2-7 活塞銷的結(jié)構(gòu)圖 活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼制造，先經(jīng)表面滲碳處理以提高表面硬度而獲得良好的耐磨性，并保證芯部有足夠的韌性以抗沖擊，然后再進(jìn)行精磨和拋光。 為了減輕質(zhì)量，從而減小往復(fù)慣性力，活塞通常做成中空的圓柱體?；钊N的內(nèi)孔形狀有圓柱形、兩段截錐形以及兩段截錐與一段圓柱的組合形（如本次設(shè)計(jì)，圖2-7）等。圓柱形內(nèi)孔容易加工，但活塞銷質(zhì)量較大。兩段截錐形內(nèi)孔的活塞銷質(zhì)量較小，又接近于等強(qiáng)度梁的要求，但孔的加工較復(fù)雜。組合形內(nèi)孔的結(jié)構(gòu)介于兩者之間

56、。 活塞銷與活塞銷座孔和連桿小頭襯套孔的連接配合，一般多采用“全浮式”，即在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，活塞銷不僅可以在連桿小頭襯套孔內(nèi)，還可以在銷座孔內(nèi)緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，在活塞兩端還裝有彈性卡環(huán)，以防止其軸向竄動(dòng)，刮傷氣缸壁。全浮式連接有利于將飛濺來(lái)的潤(rùn)滑油分布到摩擦表面上，以使活塞銷各部分的磨損較為均勻，從而提高了活塞銷的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。 第三章 連桿強(qiáng)度校核 §3.1 連桿小頭計(jì)算 由于壓配襯套和溫度過(guò)盈而產(chǎn)生的溫度過(guò)盈量 =dt() 式中: d--小頭內(nèi)徑 d=32毫米； t—連桿小頭溫升,取t=110°C --襯套錫青銅線膨脹系數(shù) =1.8(1/°C) --小頭

57、鋼的線膨脹系數(shù) =1(1/°C) =32110(1.8-1)=0.02816毫米 襯套與小頭配合面上由總過(guò)盈量所產(chǎn)生的單位壓力 P= （3-1） 式中:--襯套壓配時(shí)的最大過(guò)盈量 =0.052毫米 D--小頭外徑 D=42毫米 d--小頭內(nèi)徑 d=32毫米 --襯套內(nèi)徑 =27毫米 --泊桑系數(shù) 45號(hào)鋼取0.3 E--連桿材料鋼的抗拉彈性模數(shù),E=2.2公斤/厘米 --錫青銅抗拉彈性模數(shù), =1.15公斤/厘米 =332公斤/厘米 由P引起的小頭內(nèi)表面應(yīng)力 外表面應(yīng)力 ==332=919 bar

58、 內(nèi)表面應(yīng)力 =332=1250 bar 斯捷潘諾夫推薦[]和[]為1000~1500 bar 故本計(jì)算滿足要求 §3.2 連桿桿身的強(qiáng)度計(jì)算 I取I-I斷面為計(jì)算截面 已知:H=28毫米，B=20毫米，h=16毫米，b=5毫米，=2.8cm2。 斷面對(duì)其垂直于擺動(dòng)平面軸線的慣性矩和應(yīng)力：經(jīng)計(jì)算，Ix=3.05，σ2=1662bar。 斷面對(duì)其位于擺動(dòng)平面內(nèi)軸線的慣性矩和應(yīng)力：經(jīng)計(jì)算，Iy=0.8 σ1=1746bar 分別計(jì)算應(yīng)力幅及平均應(yīng)力，得： σa1=974bar,σa2=932bar σm

59、1=772bar,σm2=730bar 1. 安全系數(shù) =1.3 =1.4 故桿身滿足要求 §3.3連桿大頭蓋的計(jì)算 1.大頭蓋受力 在進(jìn)氣沖程開始,當(dāng)活塞在上死點(diǎn)時(shí)承受往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和連桿大頭剖分面以上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力 由，得： Pjp=-862公斤 式中:--活塞組質(zhì)量； --小頭分配質(zhì)量； --大頭分配質(zhì)量；--大頭蓋質(zhì)量。 2.應(yīng)力 （3-2） 式中:C--兩螺孔間距離 C=71毫米 I和分別為大頭蓋和軸瓦斷面的慣性矩 F和分別為大頭蓋和軸瓦斷面的橫斷截面 W--大頭

60、蓋計(jì)算斷面的抗彎斷面模數(shù) 由 =0.685厘米 =0.93厘米 =1.07厘米 =0.62厘米 =0.0021厘米 代入應(yīng)力公式得: σ =-172bar 經(jīng)上述計(jì)算，連桿強(qiáng)度滿足要求，尺寸合理。 第四章 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是375柴油機(jī)的活塞、連桿組件，通過(guò)對(duì)以往設(shè)計(jì)的借鑒，并充分利用新技術(shù)，主要對(duì)以下零部件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)： 1、活塞采用三環(huán)結(jié)構(gòu)，ω型燃燒室有利于組織燃燒； 2、“全浮式”活塞銷可以使磨損均勻，提高零件的使用壽命； 3、 斜切口連桿的設(shè)計(jì)可以使軸徑達(dá)到最大，增強(qiáng)可靠性并為增壓作儲(chǔ)備； 在以上改進(jìn)的基礎(chǔ)上本次設(shè)計(jì)的零部件都達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)

61、的要求。零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度和強(qiáng)度高，可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想有了進(jìn)一步的了解，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)有了更多的認(rèn)識(shí)，基本理解了發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)整機(jī)的具體影響。學(xué)會(huì)了一些查閱資料的具體方法。能夠熟練運(yùn)用AutoCAD軟件進(jìn)行復(fù)雜零件圖的繪制與編輯。 參考文獻(xiàn) [1] 許道延，丁賢華.高速柴油機(jī)概念設(shè)計(jì)與實(shí)踐.2004.1,1-10、133 [2] 楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社.1981.8，3 [3] 周龍保，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第2版）.機(jī)械工業(yè)出版社.2005.1，20-25、121-12

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