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)是我國三缸柴油機(jī)系列中的主要產(chǎn)品,是我國經(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,為此作者在國內(nèi)的現(xiàn)有生產(chǎn)條件下,借鑒國內(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),備受購買力相對較弱的農(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。 國家的排放法規(guī)日益嚴(yán)格,國家對柴油機(jī)的微粒排放的關(guān)注度也日益提高,原來375柴油機(jī)存在的微粒和煙度的排放較高,針對這方面的缺點(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)國內(nèi)農(nóng)用機(jī)械功率增長的需要,在原來的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的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,迫使人們在保持原有研究成果的同時(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廢氣排放,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,開發(fā)能滿足Pz高達(dá)25Mpa的活塞的要求越來越迫切。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)。針對柴油機(jī)連桿小頭斷裂的問題,在進(jìn)行連桿設(shè)計(jì)中通過對不同的連桿小頭壁厚和連桿小頭的過渡圓角進(jìn)行有限元分
8、析,選擇合適的過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。“工”字形結(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 包括完善的工作過程,特別是組織良好的燃燒過程,以降低燃油消
9、耗;精心設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng),在保證發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好潤滑的前提下降低潤滑油消耗量;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),不針對具體用途無法設(shè)計(jì)一臺優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)。對高速柴油機(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。各種用途對發(fā)動(dòng)機(jī)的要求不同。若要設(shè)計(jì)成功一臺理想的發(fā)動(dòng)機(jī),針對其具體用途進(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 目前我國使
11、用的機(jī)型均為四沖程,國外絕大部分機(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,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,多氣門對高速柴油機(jī)工作過程,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 燃燒室類型對于高速柴油機(jī)的燃燒過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,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]。 對上述參數(shù)的正確選擇是設(shè)計(jì)一臺優(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)及其儲備,功率與扭矩均隨發(fā)動(dòng)機(jī)的用途而異。 對
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)速隨其配套對象而異。目前我國輕型車用柴油機(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。活塞行程
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)和噪聲等問題突出出來,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)力過高的問題,一般措施是:采用強(qiáng)制冷卻活塞、組合式活塞來加強(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,承壓面對連桿軸線不對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,對應(yīng)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(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 連桿長度的確定 連桿長度是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重選擇的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù),它一般用連桿比來表示,即。連桿長度越短,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,選取最小的連桿長度。 對于缸徑S≤120mm的高速柴油機(jī)來說,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。小頭到桿身的過渡采用單圓弧過渡。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盈配合,常用的配合為jd、je、jb3、jc3等。過盈太大會使材料屈服而松動(dòng),太小會造成壓配松動(dòng),使襯套與小頭孔可能會相對轉(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
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,用來收集和積存飛濺的潤滑油[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?。 連桿桿身采用工字型截面,工字型截面的長軸位于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi)。因?yàn)楣ぷ中徒孛鎸Σ牧侠玫淖顬楹侠?,所以?yīng)用的也很廣。 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、字型截面的長軸y-y處于連桿的擺動(dòng)平面內(nèi),使桿身截面對垂直與連桿擺動(dòng)平面的x軸的慣性矩Jx大與對位于擺動(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)候針對一些薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)注意以下問題: 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渡。 2、螺栓頭支承面和螺母支承面要圓弧過度,避免加工尖角,可采用鍛造圓角或圓弧沉割來減少應(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。對于汽油機(jī)活塞,瞬時(shí)的壓力最
38、大值可達(dá)3~6MPa。對于柴油機(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(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。它能夠在較小的過量空氣系數(shù)時(shí)有較好的燃燒過程,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:不斷縮短活塞高度,特別是高速柴油機(jī)。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: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?;钊共垦鼗钊N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,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摩擦副,它將活塞頂部氣體作用力通過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向力的一面偏移了1mm,這是因?yàn)槿绻钊N對中布置,則當(dāng)活塞越過上止點(diǎn)時(shí)側(cè)壓力的作用方向改變,會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渡到另一面,而且過渡時(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),卻帶來活塞裙部兩端的尖角負(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。活塞銷在高溫下承受很大的
55、周期性沖擊載荷,潤滑條件很差(一般靠飛濺潤滑),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的潤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盈而產(chǎn)生的溫度過盈量 =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,通過對以往設(shè)計(jì)的借鑒,并充分利用新技術(shù),主要對以下零部件進(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)簡單,剛度和強(qiáng)度高,可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì),我對發(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,對發(fā)動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)有了更多的認(rèn)識,基本理解了發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對整機(jī)的具體影響。學(xué)會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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