柴油机设计(活塞连杆组)Word格式.docx
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2.2柴油机的设计要求 4
2.3387柴油机简介 5
2.4柴油机主要零部件的设计 6
2.4.1活塞 6
2.4.2连杆 6
2.4.3曲轴飞轮组 7
2.4.4气缸盖 7
2.4.5机体组 8
第三章活塞组零件的参数选择 9
3.1活塞组的工作条件 9
3.1.1机械负荷 9
3.1.2热负荷 9
3.1.3活塞高速滑动,润滑不良 9
3.2活塞的设计 9
2.2.2活塞的材料 9
3.2活塞头部的设计 10
3.2.4活塞裙部的设计 13
3.3活塞销的设计 14
3.4塞环和活塞环槽的设计 16
3.4.1活塞环的工作情况和设计要求 16
3.4.2活塞环的组合和结构 16
3.4.3活塞环和环槽的参数选择 18
3.5活塞组的重量 19
第四章活塞的应力分析和强度校核 20
4.1、活塞的校核 20
4.2、活塞销的受力与校核 21
4.3、活塞环的校核 23
第五章连杆组零件参数的选择 25
5.1连杆的工作情况 25
5.2连杆的材料 25
5.3连杆长度的确定 25
5.4连杆小头的设计 26
5.4.1、小头结构形式 26
5.4.2、小头尺寸 26
5.4.3、连杆衬套 27
5.5连杆杆身的设计 27
5.6连杆大头的设计 28
5.6.1、连杆大头的剖分形式 29
5.6.2、连杆大头的定位方式 29
5.6.3、连杆大头的主要尺寸 29
5.7连杆组的重量及惯性力 30
第六章连杆的受力分析和强度校核 30
6.1连杆小头 30
6.2连杆大头 34
6.3连杆杆身 34
结论 36
参考文献 37
致谢 38
38
第一章前言
活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来,经过不断改进和发展,已是比较完善的机械。
它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好,所以获得了广泛的应用。
全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。
海上商船、内河船舶和常规舰艇,以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。
世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位,它在人类活动中占有非常重要的地位。
1.1柴油机技术概述及发展趋势
1882年德国人狄赛尔(RudolfDiesel)提出了柴油机工作原理,1896年制成了第一台四冲程柴油机。
一百多年来,柴油机技术得以全面的发展,应用领域越来越广泛。
大量研究成果表明,柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。
装备了最先进技术的柴油机,升功率可达到30~50kW/l,扭矩储备系数可达到0.35以上,最低燃油耗可达到198g/kW·
h,标定功率油耗可达到204g/kW·
h;
柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域,尤其在车用动力方面的优势最为明显,全球车用动力“柴油化”趋势业已形成。
在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。
在欧洲,90%的商用车及33%的轿车为柴油车。
在美国,90%的商用车为柴油车。
在日本,38%的商用车为柴油车,9.2%的轿车为柴油车。
据专家预测,在今后20年,甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。
世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视,从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。
1.1.2柴油机技术的发展趋势
现代高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少,作为汽车动力应用日益广泛。
西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机,而且轿车采用柴油机的比例也相当大。
最近,美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发的新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。
经过多年的研究、大量新技术的应用,柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破,达到了汽油机的水平[4]。
现在,科技的发展日新月异,柴油机新技术的开发和应用所需要的时间也越来越短。
1.2我国柴油机技术的发展
我国柴油机产业起步相对较晚,但是自20世纪80年代以来有了较快的发展。
随着一批先进机型和技术的引进,我国柴油机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初水平,一些国外柴油机近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。
最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧Ⅲ排放限值要求,一些甚至可以达到欧Ⅳ排放限值要求。
但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着许多问题,与国外柴油机相比还有一定的差距。
我国柴油机产业的整体发展面临着许多问题:
(1)柴油机行业投入不足,严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高;
(2)柴油品质差、柴油标准的修订严重滞后于汽车工业发展的需要,对柴油机技术的发展及各种新技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍;
(3)我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力,导致低性能高排放柴油机在使用中对城市环境和大气质量造成不良的影响。
随着环保法规的日益严格,光靠增压中冷技术已不能满足日益严格的环保要求,这就需要更新的柴油机电控喷射技术来支持。
现在国内的柴油机电控喷射系统正处在开发阶段。
比如上海内燃机研究所、无锡油泵油嘴研究所等正在积极研究之中。
无锡油泵油嘴研究所已把部分成果应用到双燃料机上实现了天然气和液化石油气的电控化,目前正进行匹配试验。
根据目前我国发动机的状况,提高我国柴油机技术水平急需解决下列的关键技术:
1、关键零部件技术:
如油泵油嘴和增压中冷。
2、燃油品质:
优质低硫的柴油是柴油机满足日益严格的排放法规的前提。
3、电控技术:
柴油机电控技术对于发动机综合性能的优化和提高至关重要。
4、排放后处理关键技术:
如废气再循环技术(EGR),微粒捕集技术以及NOx催化转化技术。
5、整机开发及匹配技术:
如柴油机燃油、进气及燃烧系统的匹配与优化技术,重型车用及轿车用柴油机技术。
6、柴油机的制造、工艺及材质等技术。
随着中国机械工业的发展,特别是制造工艺水平的提高,相信中国的内燃机工业也会有一个很大的提高。
第二章整体设计
2.1柴油机设计的总体要求
在结构设计和总体布置设计时,要求尽可能采用一般钢材,零部件的工艺性要好,要适合于大量生产。
它们的附属系统(如供油系、起动机、三滤、散热器等)往往都是专业化生产的。
这就更严格地要求符合“三化”的规定。
而且要求这些柴油机的重量轻、体积小、质量好、效率高、机构简单、使用方便,此外对于发动机的启动性和制造工艺性以及使用维修方便性的要求也是很重要的。
例如动力性与经济性,重量轻与使用寿命长,性能指标与制造成本等等。
在柴油机的排放方面,由于柴油机排出有害气体(NOX、CO、HC等)连同噪音、臭味等共同构成了人类环境的污染源之一。
国外已经严格控制发动机的排放,为其制定相应的标准,我国现在采用欧洲排放标准,法规规定到2008年一些较大城市(如北京、上海)实行欧Ⅳ排放标准,其它地区逐年实现。
。
2.2柴油机的设计要求
柴油机的总体设计是在注重节约能源的同时又加强了对排放性的要求,提高了产品的适用性。
根据柴油机的设计要求对其主要参数进行选择。
作为农用机械动力的387柴油机,因其配套种类繁多,其性能、结构和使用情况随地区不同而差别悬殊,且大部分农用柴油机工作环境恶劣,同时使用负荷不均,有时超负荷,有时负荷较低,而且可能性连续工作几十个小时以上,故柴油机的设计要求如下:
1、使用的可靠性和耐久性,这是作为农用柴油机的重要要求,因此选用较低的活塞平均速度和平均有效压力,目前多数为四冲程柴油机。
2、要有好的经济性,造价低廉,燃油和机油消耗率低。
3、易起动、好操纵、维修方便,适合于农村的使用条件。
4、要有好的动力性,柴油机发出的功率要能够满足使用的要求。
5、空气、燃油、机油滤清器的过滤面积要大,且容易清洗和更换。
2.3387柴油机简介
387柴油机主要用于轮式拖拉机动力,经过一定改装和调整后,可用于排灌动力、发电机组和小型载重汽车上。
其特点是结构紧凑、重量轻、性能好。
387柴油机的技术参数:
型式:
直喷、直列、三缸、立式、水冷、四冲程、ω形燃烧室
活塞行程/气缸直径:
104/87
标定功率/转速:
27/3000(kW/r/min)
压缩比:
15:
1
燃油消耗率:
≤245(g/kW.h)
润滑方式:
压力及飞溅复合式
启动方式:
电启动
气缸盖和机体都是整体铸造的,机体下平面与曲轴线相平,因此结构轻巧。
采用干式气缸套,因此机体现刚度好。
缸套材料为高磷合金铸铁,壁厚为3毫米。
活塞由硅铝合金铸造,头部共有两道气环和一道油环。
活塞销是浮式的。
连杆用钢锻制成,具有平切口连杆大头。
两个连杆螺栓加工有定位带以保证连杆盖的定位。
球铁曲轴是全支承的,不带平衡块,其轴向定位设在后轴承上。
曲轴后端凸缘用螺钉将甩油盘和飞轮固定在一起。
曲轴的前端装有皮带轮和起动爪。
主轴瓦和连杆轴瓦都是高锡铝合金薄壁轴瓦。
凸轮轴布置在机体的上部,具有三个支承。
气门、摇臂直接由较长的菌形挺柱驱动。
这样可使气门机构的刚性加大。
气门上都设有两个气门弹簧座和两个气门弹簧。
润滑系统中,有转子式机油泵,固定在第一主轴承盖上,经中间齿轮由曲轴齿轮驱动。
冷却系中的离心水泵和风扇都是由曲轴皮带轮直接驱动的。
柴油机采用电起动,为了适应冬季冷起动的需要,在进气管内装有起动预热器。
为了适应拖拉机工作的,387型柴油机采用带有一级旋风的纸质空气滤清器,具有较高的滤清效率。
2.4柴油机主要零部件的设计
2.4.1活塞
活塞是在恶劣的条件下工作的。
首先,它承受着很大的机械负荷。
活塞顶上作用有不断变化的气体压力。
对于柴油机来说,气体压力的最大值Pmax一般是在7~8MPa。
目前,由于高增压强化,柴油机的最高气体爆发压力已达到17~18MPa,有的甚至更高。
同时,在高速内燃机中,循环的变化频率很高。
这样就使作用在活塞上的载荷是具有冲击性的。
活塞在气缸里做高速运动,还会产生很大的往复惯性力。
为了减小活塞组的往复惯性力,设计活塞时要尽量减小结构质量,选用密度小、强度高的材料。
其次,活塞在工作中承受着很高的热负荷。
活塞顶与燃烧室中最高温度为1800~2600℃,热量通过对流以及热辐射等方式传到活塞顶。
由于柴油机燃烧的特点,使活塞受热强度分布不均匀,此外还因为在有效燃烧期中气体介质具有较高的密度和紊流的作用,也使得燃气传给活塞的热量增加。
为了防止活塞受热部分温度过高,一般都力求减小燃气向活塞的传热量并使流入活塞的热量能很好的散走。
再次,活塞沿气缸作高速滑动,活塞裙部受侧向力的作用,在润滑不良的情况下,常常造成活塞、活塞环和气缸之间的剧烈磨檫和磨损。
所以,活塞的设计任务就是根据活塞的功用,适应内燃机强化程度提高的需要,从活塞各部分结构尺寸的选定和造型设计、活塞的材料和表面处理、必要的计算和试验等方面入手,正确解决活塞的工作能力、可靠性、寿命和机械负荷、热负荷、磨损之间的矛盾,并在实践中不断加以考核和改进。
活塞的设计要点包括:
活塞头部的设计,活塞销座的设计,活塞裙部及其侧面形状的设计。
2.4.2连杆
连杆(组)一般由连杆体、大头盖、连杆螺栓、轴瓦和连杆小头衬套等组成。
连杆把活塞和曲轴连接起来。
连杆小头与活塞销连接,并与活塞一起作往复运动;
连杆大头与曲轴的曲柄销连接,和曲轴一起作旋转运动;
连杆的其余部分作复杂的平面运动。
作用在活塞上的力经连杆传给曲轴。
连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。
连杆必须具有足够的结构刚度和疲劳强度。
也就是说在力的作用下,杆身应该不致被显著压弯;
连杆大小头孔不致显著失圆。
在设计时候应遵循以下的原则[14]:
1、在保证具有足够强度和刚度的前提下,尽可能减轻重量,以降低惯性力;
2、尽量缩短长度,以降低发动机的总体尺寸和总重量;
3、结构简单,尺寸紧凑,可靠耐用;
4、大小头轴承工作可靠,耐磨性好;
5、连杆螺栓疲劳强度高,连接可靠;
6、易于制造,成本低。
很显然,为了增加连杆的强度和刚度,不能简单地依靠加大结构尺寸来达到,因为连杆重量的增加使惯性力增加。
必须从材料选用、构形设计、热处理及表面强化等方面采取措施。
2.4.3曲轴飞轮组
曲轴组由曲轴、飞轮、平衡重以及传动齿轮等构成。
曲轴是发动机中最重要的机件之一,是由一个或者多个彼此间错开一定角度的曲柄,加上功率输出端和自由端组成,它是发动机最主要的部件之一。
它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量,而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。
曲轴的功用是把活塞的往复运动通过连杆转化成旋转运动以输出柴油机所产生的功率,并驱动柴油机的配气机构、喷油泵、机油泵、水泵及其他的附件。
在曲轴的设计方面有几点要注意,首先,因为曲轴在工作中要承受扭转力矩的作用,因此曲轴在设计时必须注意的解决的主要问题是保证轴颈与轴承工作可靠并且耐用,再者要有足够的抗弯刚度,还有在工艺上也应注意,设计尽量简单,只要保证足够的转动惯量的情况下减小飞轮的质量。
飞轮的主要功用是储存做功冲程的能量,克服辅助冲程的阻力以保证曲轴旋转运动的均匀性,是内燃机工作平稳。
曲轴组的设计要点包括:
曲柄销,主轴颈,曲柄,平衡重,油孔的位置和尺寸的设计以及飞轮的设计。
2.4.4气缸盖
气缸盖的工作条件是非常苛刻的,它要承受燃烧气体的高温高压的作用。
设计时要注意以下的几点[5]:
1、气缸盖要与足够的刚度。
2、要布置好进、排气道和气缸盖的螺栓。
3、要组织好气缸盖的冷却,以防气缸盖的温度过高以及温度分布不均产生热应力过大。
4、各个零部件以及气门机构要拆装方便。
气缸盖的设计包括:
气缸盖形式的选择,气门数的确定,缸盖螺栓数量的选择与布局,进排气道的设计与布局,以及气缸盖冷却的措施的设计。
具体详细见第三章。
2.4.5机体组
机体部分包括:
气缸体、曲轴箱、机座(或油底壳)、主轴承盖等零件。
一般柴油机的气缸体与曲轴箱合为一体。
总称为机体。
而机体又有机座式机体与无机座式机体之分。
机体结构和受力情况复杂。
它是安装运动件和附件的支承架,通常又是支承柴油机的安装基础。
当柴油机工作时,机体承受着大小和方向作周期性变化的气体力、惯性力和力矩的作用。
机体的结构设计必须保证它有足够的强度和刚度;
曲轴箱部分的形状和尺寸要尽可能紧凑。
水道和油道设计时一定要注意,以及各部分的外轮廓的设计。
因此,为保证柴油机可靠和耐久性的工作,应考虑下列设计要求[8]:
1、根据柴油机的用途,合理选择机体结构,保证有足够的刚度强度。
2、依据受力情况,合理设计受力部位的结构和形状,使作用力集中在某些限定区域内。
机体壁的圆角和厚度,应无急剧变化,以免应力集中。
3、要求尺寸小,重量轻,结构简单。
4、目前柴油机的设计,趋向于将油、水和空气管道、水泵外壳等零件铸入机休内,使机体外部管子的数量和长度,安排得较少和较短。
这样,既增加加机体刚度,亦可使外形布置紧凑和简洁。
5、注意噪声的降低和考虑标准化、系列化和通用化问题。
6、机体的接近性要好(即易接近气缸盖、运动件和附件等),便于零件和部件的装拆、维修和搬运。
7、工艺性好,成本低廉;
材料宜取,价廉材广
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第三章活塞组零件的参数选择
3.1活塞组的工作条件
3.1.1机械负荷
活塞组受到气体压力P、往复惯性力Pj,及侧压力PN的周期性冲击力的作用。
目前,强化柴油机的最高爆发压力Pz已达140kgf/cm2,使活塞产生很大的机械应力和变形。
3.1.2热负荷
活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用,燃气最高温度可达1800~2600℃,所以活塞顶温度很高,而且温度分布很不均匀。
尤其是在直接喷射式柴油机活塞顶上都有相当深的凹坑,活塞实际受热面积大大增加,其热负荷更加严重。
热负荷是发动机强化的一个重要障碍。
活塞温度过高将有以下不良影响:
(1)活塞的热应力和热变形过大。
(2)温度超过300℃---350℃时,铝活塞材料的强度急剧下降。
(3)第一道环槽温度超过180~220℃时,易引起润滑油变质结胶,致使活塞环卡死。
3.1.3活塞高速滑动,润滑不良
活塞在侧压力作用下,在气缸内高速滑动,而缸壁一般均靠飞溅润滑,因此润滑条件差,磨损严重,易使活塞和活塞环磨损失效。
3.2活塞的设计
2.2.2活塞的材料
本设计活塞的材料采用硅的质量分数为11%~13%的共晶硅铝合金。
这种材料中加入的硅可使线膨胀系数降低,并提高了耐磨性、耐热性和改善铸造性能。
所以这种材料的活塞线膨胀系数小,质量轻,强度和刚度适中,热稳定性好,耐磨性好,在中等温度下抗疲劳性好,体积稳定性好。
3.2活塞头部的设计
活塞头部包括活塞顶和环带部分,其主要功用是承受气体压力,并通过销座把它传给连杆,同时与活塞环一起配合气缸密封工质。
因此,活塞的设计要点是:
1.尺寸尽可能紧凑,因为一般压缩高度缩短一个单位,整个发动机高度可以缩短1.5~2个单位,并显著减轻活塞重量。
而压缩高度则直接受头部尺寸的影响。
2.保证温度不过高,温差小,防止产生过大的热变形和热应力,为活塞的正常工作创造良好的条件,并避免顶部热疲劳开裂。
3.保证它具有足够的机械强度和刚度,以避免开裂和产生过大变形。
一、主要尺寸的选择要点
1.活塞高度H
1)活塞高度取决于下列因素;
(1)对柴油机高度尺寸的要求(与柴油机用途有关)
(2)转速n;
(3)燃烧室形状及尺寸;
(4)活塞裙部承压面积。
应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下,尽量选择较小的活塞高度。
2)目前发展趋势:
不断缩短活塞高度,特别是高速柴油机。
近十年来,由于成功地减活塞环数目,使活塞高度H缩短约10%。
2.压缩高度H1压缩高度H1,决定活塞销的位置。
H1取决于第一道活塞环至顶面的距离h、环带高度H5及上裙高度H4。
在保证气环良好工作的条件下,宜缩短H1,
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