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s195柴油机整机设计说明书

IT圈 admin 33浏览 0评论

2024年2月16日发(作者:齐婉静)

- - -

目 录

1 绪论 .......................................................................................................... 1

2 柴油机工作过程的热力学分析计算 ............................................................ 1

2.1 原始参数 ................................................................................................ 1

2.2 选取参数 .............................................................................................. 2

2.3 计算参数 .............................................................................................. 3

3 柴油机动力计算及平衡 ............................................................................ 5

3.1 已知数据 ............................................................................................... 5

3.2 动力计算 .............................................................................................. 7

3.3 平衡计算 ............................................................................................. 17

4 燃烧系统 ................................................................................................ 18

4.1 燃烧室的选型 ....................................................................................... 18

4.2 涡流室结构 .......................................................................................... 19

4.3 主燃烧室形状 ...................................................................................... 19

4.4 涡流室镶块 .......................................................................................... 19

4.5 改善冷启动性能的措施 ........................................................................ 20

5 活塞组的设计 ........................................................................................ 20

5.1 概述 .................................................................................................... 20

5.2 活塞的选型 ......................................................................................... 20

5.3 活塞的基本设计 ................................................................................... 21

5.3.1 活塞的主要尺寸................................................................................. 21

5.3.2 活塞头部设计 ................................................................................... 21

5.3.3 活塞销座的设计 ............................................................................... 22

5.3.4 活塞裙部及其侧表面形状设计 .......................................................... 22

5.3.5 活塞与缸套配合间隙 ........................................................................ 23

5.3.6 活塞重量的参考值 ........................................................................... 23

5.3.7 活塞强度计算 .................................................................................. 23

5.3.8 活塞的冷却 ...................................................................................... 24

5.5.9 活塞的材料及工艺 ........................................................................... 24

5.4 活塞销的设计 ..................................................................................... 24

5.4.1 活塞销的结构及尺寸 ......................................................................... 24

5.4.2 轴向定位 ......................................................................................... 24

5.4.3 活塞销和销座的配合 ........................................................................ 24

5.4.4 活塞销的强度校核 ........................................................................... 25

5.4.5 活塞销材料及强化工艺 ..................................................................... 25

6 连杆组的设计 ........................................................................................ 26

- z -

- - -

6.1 概述 .................................................................................................... 26

6.2 连杆的结构类型 .................................................................................. 26

6.3 连杆的基本设计 .................................................................................. 26

6.3.1 主要尺寸比例 ................................................................................... 26

6.3.2 连杆长度 ......................................................................................... 27

6.4 连杆小头设计 ................................................................................... 27

6.4.1 连杆小头结构 ................................................................................... 27

6.4.2 小头结构尺寸 .................................................................................. 27

6.4.3 连杆衬套 ......................................................................................... 28

6.5 连杆杆身 ............................................................................................ 29

6.6 连杆大头 ............................................................................................ 29

6.6.1 连杆大头结构 ................................................................................... 29

6.6.2 大头尺寸 ......................................................................................... 29

6.7 连杆强度的计算校核 ........................................................................... 30

6.7.1 连杆小头的校核................................................................................ 30

6.7.2 连杆杆身的校核 ............................................................................... 36

7 配气凸轮的设计 ..................................................................................... 38

7.1 凸轮外形设计得任务和要求 ................................................................. 38

7.2 凸轮设计主要参数的选择和限制条件 ................................................... 38

7.3 缓冲曲线设计 ..................................................................................... 39

7.4 凸轮的选型及计算 .............................................................................. 40

8 机体的设计 ............................................................................................ 48

8.1 机体结构形式的选择 ............................................................................ 48

8.2 机体材料的选择 .................................................................................. 49

8.3 机体外形轮廓尺寸的决定 .................................................................... 49

8.4 提高机体刚度与强度的措施 ................................................................. 49

9 油底壳设计 ............................................................................................ 50

10 气缸套设计 ............................................................................................. 51

10.1 设计要求 ............................................................................................ 51

10.2 结构设计 ............................................................................................ 51

结论 ........................................................................................................... 53

致 ............................................................................................................... 54

参考文献 ..................................................................................................... 55

- z -

- - -

1 绪论

从1860年首台燃机诞生以来,经过了百余年的发展,其给人类带来的生产力的提高和对生活得便利使得燃机工业业已成为人类文明中不可替代的部分。但是,人类追求进步的脚步远没有停止,燃机的发展远远没有达到其顶点,在动力性、经济性和排放性方面还在不断地改进。作为动力输出源的燃机,柴油机,其在动力性以及油耗性上比汽油机的优越性以使其成为工程机械、农用机械套动力装置中不二的选择,因此对柴油机的研究和改进已成为各大发动机生产商的重大战略。

S195型柴油机是小型卧式、单缸、四冲程、蒸发水冷式发动机。具有结构轻巧、移动方便、安装简单、运转平稳、操作简易和工作可靠等特点,除基本型外,还有电起动、凝汽水冷却等多个变型品种,适宜多种配套。可配套手扶拖拉机、小四轮拖拉机、小型排灌、船用机组、发电机组、空压机组以及农副业加工的动力装置,如脱粒机、碾米机、磨粉机、饲料粉碎机等,在我国工农业生产中得到广泛应用。

本课题在参考国现有同型号柴油机经典结构的基础上进行整机设计,力争使得柴油机的性能达到较好的水平,结构力争紧凑。

2 柴油机工作过程的热力学分析计算

2.1 原始参数

原始参数及已知条件

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

柴油机型号:S195;

燃烧室型式:涡流式;

增压方式:非增压;

气缸数:Z: 1;

冲程数:4;

气缸直径D:95mm;

活塞行程S:115mm;

排量:0.815L;

- z -

- - -

9) 标定功率Ne:8.8kw (12PS);

10) 标定转速:2000 rpm;

11) 怠速转速:800 rpm;

12) 额定功率时最低燃油消耗率:258.4g/kw.h;

13) 压缩比:20;

14) 冷却方式:水冷;

15) 净质量:145kg;

16) 润滑方式:压力润滑+飞溅润滑;

17) 启动方式:电启动;

18) 燃料重量成分:0.86C0.13H0.01O;

19) 燃料低热值Hu:10140kcal/kg;

20) 环境温度T0:293K;

21) 环境压力p0:1.0kgf/cm2。

2.2 选取参数

1) 最高爆发压力p2z:75kgf/cm;

2) 过量空气系数:1.20;

3) 残余废气系数r:0.03

4) 进气受热增加温度T:20 ℃;

5) 排气温度Tr:800K;

6) 排气管压力p2r:1.1kgf/cm;

7) 进气系统压力ps:1.0kgf/cm2;

8) 压缩多变指数n1:1.368;

9) 膨胀多变指数n2:1.22;

10) 热量利用系数:0.7;

- z -

- - -

11) 示功图丰满系数f:0.94;

12) 机械效率m:0.72;

13) 扫气系数s:1.0;

14) 压缩始点压力pa:0.85kgf/cm2;

15) 进排气重叠角:

2.3 计算参数

1) 汽缸工作容积:Vh4D2S40.09520.1150.000815

m3;

2) 压缩终点容积:VVh0.000815c12010.000043

m3;

3) 燃烧1公斤燃料理论所需空气量L010.21C12H4O320.945kgmol/kg;

4) 进气充量公斤摩尔数:M1L00.593kgmol/kg;

5) 燃烧产物公斤摩尔数:MH2L04O320.6256kgmol/kg;

6) 理论分子变更系数:M20M1.055;

17) 实际分子变更系数:0r11.054;

r8) 进气系统温度:TsT0293K;

9) 压缩始点温度:TTsTrTra1=326 K;

r10) 充量系数:paTs1v1p0.784;

zTa1r11) 压缩终点气缸压力:pcpan149.3kgf/cm2;

12) 压缩终点温度:Tn11cTa973K;

- z -

- - -

13)

14)

15)

压力升高比:pz1.50;

pc定容燃烧终点温度:TyTc1460K;

最高燃烧温度:

tz1(cp2)mdHu(c)1.986(1)t524()p1mcd

M1(1r)其中(cp)m可由图2-1查得:

图2-1 不同值时,柴油完全燃烧产物平均摩尔比热(cp)m值与温度t的关系

(cp)m=8.50;故tz=2230 K;

16)

17)

初期膨胀比:dTz1.592;

Tc燃烧终点气缸容积:VzVc0.00007m3;

- z -

- - -

18) 膨胀终点气缸压力:pn2bpc()3.49kgf/cm2;

19) 膨胀终点温度:T(bTz)n211285K;

20) 理论平均指示压力:p1(1)n1()n11n(11ipc2n211111)

=10.03kgf/cm2;

21) 实际平均指示压力:pifpi9.43kgf/cm2;

22) 平均有效压力:pcmpi6.78kgf/cm2;

23) 有效功率:NhnZepeV0.912PS;

24) 指示热效率:i1.986M1piTsH0.396;

uvps25) 有效热效率:emi0.285;

26) 有效燃油消耗率:ge632000H211g/PS•h;

ue27) 进气流量:GpsVh104nsRTZs0.0124kg/s。

s1203 柴油机动力计算及平衡

3.1 已知数据

1)气缸直径D:95mm;

活塞行程S:115mm;

曲柄半径R:57.5mm;

连杆长度l:210mm;

曲柄半径与连杆长度比Rl0.2738;

活塞面积FD22p478.65cm;

- z -

- - -

标定功率Ne:8.8kw (12PS);

标定转速:2000 rpm;

曲轴旋转角速度n30210rad/s

244100rad2/s2;

曲轴销中心的切向速度R12.075m/s;

曲柄销中心的切向加速度R22535.75m/s2;

活塞平均速度CmSn7.67m/s;

302)往复运动质量mj

活塞组实测重量G01.365kg。其中,活塞0.9kg,活塞销0.365kg,挡圈(两只)0.005kg,油环(一只)0.03kg,气环(三只)0.065kg。

连杆组质量的换算:

连杆组实测重量Gc=2.315kg。其中,连杆体(包括连杆盖、套管及连杆衬套)1.893kg,连杆轴瓦(两片)0.11kg,连杆螺钉(两只)0.124kg,保险铅丝(一根)0.008kg。

将连杆体用称重法得其重量分配比为0.600 : 1.293。因此,Gca=0.6kg,Gcb=1.293+0.11+0.124+0.008=1.535kg。

因此mjmpmca

=1(1.3650.6)0.2005(kg•s2/m)

gmjmjFp0.20050.00283(kg•s2/m/cm2)

70.883)旋转运动质量mr

曲柄质量的换算见图3-1:

图中曲柄臂的椭圆部分对称于曲轴旋转中心,故不必换算。

计算曲柄图示部分的重量及其重心至曲轴旋转中心线的距离为:

- z -

- - -

图3-1 曲柄质量换算用图

GI0.71kg,I7.6cm;

GII0.108kg,II7.5cm;

GIII0.563kg,III5.7cm;

其中,I部分表示平衡块,即Gb0.71kg,7.6cm。

故GbGIIIIIIGIIII0.5635.70.1087.520.276kg

R5.751(0.2761.535)0.1847kg•s2/m

gmrmdmcb3.2 动力计算

1)运动分析及动力计算

(1)运动参数的计算

活塞运动规律计算公式:

活塞位移:

xr[1cos1(112sin2)]

- z -

- - -

r(sin活塞速度:vx2sin2)

(coscos2)r2

x活塞加速度:a连杆摆角:arcsin(sin)

以上个参数具体位置见图3-2 曲柄连杆机构简图所示。

计算活塞在一个循环各位置的运动规律,结果如表3-1所示。

画出活塞运动规律曲线图,如图3-3所示。

图3-2 曲柄连杆机构简图

表3-1 S195柴油机活塞运动规律计算表

曲轴转角()

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

连杆摆角()

0.00

2.73

5.37

7.87

10.14

12.11

13.72

14.91

15.64

15.89

15.64

14.91

13.72

12.11

10.14

7.87

5.37

2.73

0.00

-2.73

-5.37

-7.87

-10.14

-12.11

-13.72

-14.91

-15.64

x(mm)

0.00

1.11

4.39

9.68

16.73

25.21

34.74

44.90

55.29

65.53

75.26

84.24

92.24

99.13

104.83

109.27

112.46

114.36

115.00

114.36

112.46

109.27

104.83

99.13

92.24

84.24

75.26

v(m/s)

0.00

2.66

5.19

7.47

9.39

10.88

11.89

12.41

12.46

12.08

11.33

10.28

9.03

7.62

6.13

4.61

3.07

1.53

0.00

-1.53

-3.07

-4.61

-6.13

-7.62

-9.03

-10.28

-11.33

a(m/s2)

3230.04

3149.64

2914.68

2543.17

2063.06

1509.39

920.73

335.42

-212.09

-694.29

-1092.75

-1399.13

-1615.02

-1750.51

-1821.94

-1848.88

-1850.97

-1844.81

-1841.46

-1844.81

-1850.97

-1848.88

-1821.94

-1750.51

-1615.02

-1399.13

-1092.75

- z -

- - -

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

-15.89

-15.64

-14.91

-13.72

-12.11

-10.14

-7.87

-5.37

-2.73

0.00

65.53

55.29

44.90

34.74

25.21

16.73

9.68

4.39

1.11

0.00

-12.08

-12.46

-12.41

-11.89

-10.88

-9.39

-7.47

-5.19

-2.66

0.00

-694.29

-212.09

335.42

920.73

1509.39

2063.06

2543.17

2914.68

3149.64

3230.04

- z -

- - -

图3-3 S195柴油机活塞运动规律曲线

(2)动力参数的计算

i.计算在一个循环中活塞连杆曲轴所受的运动分力。

结果如表3-2所示。

绘制pNf(x)的变化曲线,如图3-4所示;

绘制pgf(),pjf(),pf()的变化曲线,如图3-5所示;

绘制p1f(),praf()的变化曲线,如图3-6所示。

绘制曲轴输出扭矩曲线,如图3-7所示。

可见,单缸柴油机曲轴的输出扭矩曲线与其曲柄切向力曲线形状完全一样,只是纵坐标值相差RFp倍。

项目

单位

表3-2 动力计算结果

()

0

10

20

30

40

pg

pj

p

pN

Pcr

p

pra

Mt

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf•cm

0.147

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-9.141

-8.913

-8.249

-7.197

-5.838

-8.994

-9.063

-8.399

-7.347

-5.988

0

-0.4314

-0.79

-1.0154

-1.0707

-8.994

-9.074

-8.436

-7.417

-6.083

0.000

-1.999

-3.615

-4.553

-4.669

-8.994

-8.851

-7.622

-5.855

-3.899

0

-815

-1473

-1856

-1903

- z -

- - -

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

380

390

410

420

430

440

450

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.144

-0.125

-0.092

-0.042

0.030

0.130

0.269

0.465

0.744

1.154

1.776

2.764

4.416

7.351

12.857

23.275

39.654

50.195

68.355

41.066

17.201

12.157

9.029

6.997

5.626

-4.272

-2.606

-0.949

0.600

1.965

3.092

3.960

4.571

4.954

5.156

5.232

5.238

5.221

5.211

5.221

5.238

5.232

5.156

4.954

4.571

3.960

3.092

1.965

0.600

-0.949

-2.606

-4.272

-5.838

-7.197

-8.249

-8.913

-9.141

-8.913

-8.249

-7.197

-5.838

-4.272

-2.606

-0.949

0.600

1.965

-4.422

-2.756

-1.099

0.450

1.815

2.942

3.810

4.421

4.804

5.006

5.082

5.088

5.071

5.061

5.077

5.113

5.141

5.115

4.984

4.701

4.229

3.557

2.709

1.754

0.827

0.158

0.145

1.512

5.660

15.027

30.740

41.054

99.933

60.107

33.869

19.939

12.930

9.551

8.080

7.598

7.590

-0.9485

-0.6726

-0.2927

0.12606

0.51664

0.82393

1.0143

1.07895

1.03052

0.89502

0.70238

0.47859

0.24136

1.7E-16

-0.2417

-0.481

-0.7104

-0.9144

-1.0692

-1.1473

-1.126

-0.9961

-0.7712

-0.4912

-0.2202

-0.0387

-0.0311

-0.2703

-0.7822

-1.4134

-1.4632

-3E-15

4.7567

5.65354

4.6807

3.56479

2.77365

2.33126

2.15133

2.12744

2.16083

-4.522

-2.837

-1.138

0.468

1.887

3.056

3.942

4.550

4.913

5.085

5.131

5.111

5.077

5.061

5.083

5.136

5.189

5.196

5.097

4.839

4.376

3.694

2.817

1.822

0.856

0.163

0.148

1.536

5.714

15.093

30.775

41.054

100.047

60.372

34.191

20.255

13.224

9.832

8.362

7.890

7.892

-3.997

-2.723

-1.133

0.465

1.815

2.755

3.233

3.289

3.018

2.532

1.933

1.291

0.643

0.000

-0.644

-1.297

-1.955

-2.587

-3.131

-3.497

-3.589

-3.330

-2.709

-1.813

-0.853

-0.157

-0.131

-1.179

-3.507

-6.468

-6.779

0.000

22.038

25.870

20.988

15.547

11.688

9.437

8.329

7.852

7.590

-2.116

-0.795

-0.101

-0.046

-0.517

-1.322

-2.256

-3.145

-3.877

-4.410

-4.753

-4.945

-5.036

-5.061

-5.042

-4.969

-4.807

-4.506

-4.023

-3.344

-2.504

-1.599

-0.771

-0.179

0.076

0.046

0.069

0.985

4.511

13.637

30.019

41.054

97.589

54.548

26.991

12.983

6.186

2.757

0.742

-0.776

-2.161

-1629

-1110

-462

190

740

1123

1318

1340

1230

1032

788

526

262

0

-262

-529

-797

-1054

-1276

-1425

-1463

-1357

-1104

-739

-347

-64

-53

-481

-1429

-2636

-2763

0

8982

10544

8554

6336

4763

3846

3394

3200

3094

370 108.847

400 25.777

- z -

- - -

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

560

570

580

590

600

610

620

630

640

650

660

670

680

690

700

710

720

4.671

3.991

3.500

3.143

2.885

2.703

2.582

2.513

2.490

2.200

1.600

0.900

0.700

0.500

0.400

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

3.092

3.960

4.571

4.954

5.156

5.232

5.238

5.221

5.211

5.221

5.238

5.232

5.156

4.954

4.571

3.960

3.092

1.965

0.600

-0.949

-2.606

-4.272

-5.838

-7.197

-8.249

-8.913

-9.141

7.763

7.950

8.070

8.097

8.041

7.935

7.820

7.733

7.701

7.421

6.838

6.132

5.856

5.454

4.971

4.107

3.239

2.112

0.747

-0.802

-2.459

-4.125

-5.691

-7.050

-8.102

-8.766

-8.994

2.17379

2.11682

1.96976

1.73683

1.43755

1.09661

0.73553

0.3681

7.8E-16

-0.3532

-0.6432

-0.8475

-1.047

-1.17

-1.2132

-1.0934

-0.9071

-0.6012

-0.2092

0.2136

0.60011

0.88478

1.01755

0.97434

0.76202

0.41727

1.2E-15

8.062

8.227

8.307

8.281

8.168

8.010

7.854

7.742

7.701

7.429

6.868

6.191

5.949

5.578

5.116

4.250

3.364

2.196

0.776

-0.830

-2.531

-4.218

-5.782

-7.117

-8.137

-8.776

-8.994

7.268

6.747

6.004

5.086

4.067

3.018

1.983

0.980

0.000

-0.941

-1.734

-2.332

-2.962

-3.426

-3.698

-3.485

-3.033

-2.112

-0.772

0.827

2.429

3.728

4.438

4.369

3.487

1.933

0.000

-3.489

-4.708

-5.741

-6.535

-7.084

-7.420

-7.600

-7.680

-7.701

-7.369

-6.646

-5.735

-5.159

-4.402

-3.536

-2.432

-1.456

-0.601

-0.076

-0.074

-0.710

-1.973

-3.706

-5.618

-7.352

-8.561

-8.994

2962

2750

2447

2073

1658

1230

808

400

0

-383

-707

-951

-1207

-1396

-1507

-1420

-1236

-861

-315

337

990

1520

1809

1781

1421

788

0

- z -

- - -

- z -

- - -

图3-4pNf(x)的变化曲线

- z -

- - -

图3-5

pgf(),pjf(),pf()的变化曲线

图3-6

pf(),praf()的变化曲线

- z -

- - -

图3-7 曲轴输出扭矩曲线

Mtmax

Mtm当380时,Mtmax。

取m0.72,则NiNe1216.67 PS。

0.72mMtm71620Ni16.6771620597kgf•cm

n20001054417.67

59723)飞轮矩GfDm的计算

根据S195型柴油机的多种用途,选取n=2000rpm。

I16.531041。查表 ,1.3。Ne12PS,50Ne1.31246.53106.367103kg•s2•m

31n(2000)350GfDm4gI149.816.3671032498.4kg•cm2

2- z -

- - -

3.3 平衡计算

1)离心惯性力的平衡

平衡块产生的离心惯性力

Prb2mb220.710.07644100485.2kgf

9.81柴油机不平衡的离心惯性力

PrmrR20.18272535.76468.4kgf

因为PrbPr,故可在校正平衡时,从平衡块的边缘处(09.5cm)钻去适当的重量Go。

Go(PrbPr)g(485.2468.4)98139g

9.544100022)一级往复惯性力的平衡

PjImjR2cos

PjIA1B1

A1A1ej

B1B1ej

A1B11mjR2

2因此,必须采用以角速度正、反转的双轴平衡装置,才能把一级往复惯性力完全平衡。S195型柴油机采用的双轴平衡装置。其中,每根平衡轴重量为G、旋转半径为。

G11.9655.755.6494kg•cm

23)二级往复惯性力的平衡

PjIImjR2cos2

PjIIA2B2

A2A2ej2

- z -

- - -

B2B2ej2

A2B21mjR2

2因此,必须采用以角速度2正、反转的双轴平衡装置,才能把二级往复惯性力完全平衡。如果在平衡一级往复惯性力的双轴平衡装置基础上再增添一对以2角速度旋转的平衡轴,势必会使机构复杂化。鉴于农用,且二级往复惯性力又较小,故在S195型柴油机上对二级往复惯性力不采取平衡措施。

4 燃烧系统

4.1 燃烧室的选型

本次设计选用涡流室形式。

该形式的特点为采用切向连接通道,产生强力的有规则的压缩涡流,促使喷入涡流室中燃料的分布和混合。在膨胀行程中,涡流室中的混合物喷入主燃烧室产生二次涡流,与主燃烧室中的空气进一步混合燃烧。涡流室与主燃烧室的最大压差约为1—2kgf/cm2,最高流速达100—180m/s。与直喷式相比,涡流室具有下列特点:

1) 对转速不敏感,高速性能好,在4000rpm的柴油机上仍有较好的性能指标。

2) 采用轴针式喷油器,针阀开启压力为120—140kgf/cm2,对燃油系统的要求较低,喷油器故障较少。

3) 运转平稳,排气污染较少。

4) 易于调试,使用性能稳定,对农村使用条件较容易适应。

5) 涡流室的散热损失及流动损失较大,燃油消耗率较高,冷启动困难,处选用较高的压缩比外,一般还需启动辅助装置。

6) 组成燃烧室零件的热负荷较高,涡流室镶块容易产生开裂、烧损等故障。

7) 涡流室推荐用于D<100mm,n=2000—4500rpm的小型高速柴油机。-

- z -

- - -

4.2 涡流室结构

涡流室上部为半球形,下部通过镶块的变化获得各种变形。将涡流室做成平底,对压缩涡流有减弱作用,有利于改善高速性能。结构如图4-1。

图4-1 涡流室结构

4.3 主燃烧室形状

为了充分利用主燃烧室中的空气,活塞顶制成如图4-2所示的铲击式

图4-2 活塞顶主燃烧室形状

4.4 涡流室镶块

1)采用镶块结构,可以使涡流室承受更高的热负荷,便于涡流室表面和通道的加工,以及使涡流室容积易于准确控制。本设计采用圆盘形镶块,结构简单,应用较多。

2)镶块材料选用导热系数高,热 疲劳强度高,弹性模数小,热膨胀系数小- z -

- - -

的材料,一般用耐热钢或耐热合金铸铁制造。

镶块结构如图5-3所示

图4-3 镶块结构

4.5 改善冷启动性能的措施

1)适当加大通道截面积,减少节流损失。

2)开启动小孔。

5 活塞组的设计

5.1 概述

活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件,它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封,否则活塞式发动机就不能正常的运转。

活塞组的作用归结为:

1) 传力、导向。承受燃烧室气体的压力,将压力传递给连杆,并保证活塞在气缸顺畅运动。

2) 密封。通过活塞环和活塞密封气体,保证缸工质不泄露或者很少泄露。

3) 传热。在密封的基础上,通过活塞环和活塞裙部向缸壁传递热量;

4) 配气。完成进气、压缩和排气功能,在二冲程发动机中还起到配气润滑作用。

5.2 活塞的选型

首先从经济性上考虑,由于整体铝活塞成本最低且铝活塞散热好,故考虑优先采用。其次根据平均有效压力:pe=6.78

kgf/cm2可知,大大低于铝活塞的平均有效压力上限:14(铸铝)~17(锻铝)kgf/cm2。根据活塞比功率选择活塞冷却方式,由比功率计算公式

- z -

- - -

NpNe412D2S/D40.154

PS/cm2

9.5211.5/9.5其值小于 无油冷方式的上限值 0.3

PS/cm2,故无需对活塞进行油冷却。

5.3 活塞的基本设计

5.3.1 活塞的主要尺寸

根据同类型发动机和统计数据进行选取,结果如表5-1所示。

各参数意义参见图5-1 。

表5-1 活塞主要尺寸比例

H/D

1.16

H1/D

0.63

d/D

0.37

H2/D

0.73

B/D

0.38

h/D

0.15

h1/D

0.032

/D

0.13

g/D

0.04

图5-1 活塞尺寸参数

5.3.2 活塞头部设计

1)活塞顶形状

- z -

- - -

活塞顶的形状根据燃烧系统的要求进行设计。

采用铲击式燃烧室

2)活塞头部截面形状

活塞头部截面形状影响热流及温度分布,铝活塞头部常设计成“热流型”,采用大圆弧过渡,增加从顶部到裙部的传热截面。

5.3.3 活塞销座的设计

1)销座结构的选用

采用 宽体整体支承筋的刚性销座,该结构传力情况好,活塞变形小,锻造和铸造工艺性好,可以避免因凹陷引起的应力集中。

2)为提高活塞销座抗裂能力,需将销孔缘加工成倒角,以减小销孔缘的应力集中。

3)销座轴承的润滑

图5-2 销座结构

由于采用浮式活塞销,其在销孔中相对转动,故需要对销孔进行润滑。

其结构如图5-2所示。

5.3.4 活塞裙部及其侧表面形状设计

1)下裙结构

采用圆筒形的裙部其与曲轴平衡块其最小间隙在3~4mm。见图5-3。

2)裙部椭圆

活塞在气体压力和侧压力作用下的变形,以及活塞温度场的不均匀产生的热变形,均使活塞裙部沿活塞销轴线方向变长,为适应这种变形,须将裙部加工成椭圆。

图5-3 下裙结构

其椭圆形状采用正矢曲线椭圆(如图5-4):

eD1D2(1cos2)

4此法可使活塞与气缸有较大的贴合面积,降低比压,减少磨损。

- z -

- - -

图中D1D2为活塞椭圆度。现有铝活塞为

=0.25~1.45 mm。取=1 mm。

图5-4 裙部椭圆

5.3.5 活塞与缸套配合间隙

由于活塞侧表面形状及椭圆的要求,活塞间隙沿高度及圆周方向有不同的数值,其中重要的是活塞顶部间隙0和垂直销孔方向的裙部间隙。

由统计数据可知,对于共晶铝硅合金,推荐值为5.3.6 活塞重量的参考值

中小功率高速柴油机的活塞比重量5.3.7 活塞强度计算

表5-2 活塞强度计算用表

项目

活塞顶机械应力u

第一环岸

弯曲应力w

=4.575(

剪切应力

总应力

计算公式

许用值 [kgf/cm]

铝合金

有筋顶 500

铝合金

300~400

200.006,0.0014。

DDG3

0.9~1.4g/cm3Du0.68pz(D1271)0.6875()2328

228Dw4.5pz()2103

h1952)103=245

3.523.14pz()102

=3.1475(Dh195)102=63.6

3.52w232=2452363.62=269

q1Nmax531.62=7.9

DH29.57.1高速柴油机 5~8

裙部比压q1

- z -

- - -

销座比压q2

q2PzPj15316.2==211

2dl23.53.6400~600

注:NmaxD240pz9.524075531.62

kgf

Pz4D2pz49.52755316.2

kgf

经计算表明,活塞强度满足要求。

5.3.8 活塞的冷却

活塞比功率Np0.154

PS/cm2

其值小于 无油冷方式的上限值 0.3

PS/cm2,故无需对活塞进行油冷却。

5.5.9 活塞的材料及工艺

采用共晶铝硅合金 66-1铸造,材料的综合性能较好。

5.4 活塞销的设计

5.4.1 活塞销的结构及尺寸

1)结构的选用

采用如图5-5典型结构

2)尺寸

外径:d = 0.37D=35 mm;

径:d0=20 mm;

长度: l = 80 mm;

图5-5 活塞销结构

5.4.2 轴向定位

由于采用浮式活塞销,工作时在销座有相对滑动,为防止活塞销轴向串动,擦伤气缸,用弹性挡圈定位的方式。此法简单,广为应用。矩形弹性挡圈按 GB

893.1—1986选用。

5.4.3 活塞销和销座的配合

查表可知

当活塞销外径:d = 0.35D=35 mm;选择活塞销和销座的配合间隙为 5

 m

- z -

- - -

5.4.4 活塞销的强度校核

表5-3 活塞销强度计算用表

项目

弯曲变形f

计算公式

1pzD2a2(2ab)f60E(d4d04)1759.525.82(25.83.3)

644602.210(3.52)1.07104cm[f]0.015许用值

D10009.50.015

10001.43104cm

椭圆变形dpzD2(dd0)3320El(dd0)3[]0.025d

759.52(3.52)3

633202.2108(3.52)5.93105cm(2ab)pzD2dd4d041000.5(D100)10001000.5(9.5100)0.025

1000137105cm纵向弯曲应力1[]3500~5000kgf/cm2

(25.83.3)759.523.5

44(3.52)1467kgf/cm21

横向弯曲应力3pzD2(dd0)216l(dd0)23759.52(3.52)

168(3.52)21219kgf/cm2

[]3500~5000kgf/cm2

2

总应2212力

14672121921907kgf/cm2

经校核,活塞销强度满足。

5.4.5 活塞销材料及强化工艺

1)材料:20Cr

[]3500~5000kgf/cm2

2)强化工艺:冷挤压成型,双面渗碳,提高表面光洁度。

- z -

- - -

6 连杆组的设计

6.1 概述

连杆组在工作时主要承受下列载荷;

1) 由连杆力引起的拉压疲劳载荷;

2) 在连杆摆动平面,由连杆力矩引起的横向弯曲载荷;

3) 由于压入连杆衬套,拧紧连杆螺栓,压紧轴瓦等产生的装配静载荷。

6.2 连杆的结构类型

1)采用斜切口连杆;

2)定位方式: 销套定位;

3)连杆材料:45钢;

4)成型方法:精锻;

5)强化工艺:调质,表面喷丸。

6.3 连杆的基本设计

6.3.1 主要尺寸比例

参考现有柴油机的尺寸比例,选定参数如表6-1所示。

各参数意义参见图6-1所示。

表6-1 连杆主要尺寸比例

=R/l

0.274

b2/D1

0.543

d/D

0.368

l1/D1

1.286

/d

0.057

dM/D

0.126

d2/d1

1.282

H/D

0.316

D1/D

0.737

B/H

0.667

b1/d

0.971

t/H

0.2

- z -

- - -

图6-1 连杆尺寸参数

6.3.2 连杆长度

由上表参数=R/l=0.274 及S=2R可知,l=210 mm。

6.4 连杆小头设计

6.4.1 连杆小头结构

选用圆环型小头,如图6-2所示。该形式构型简单,制造方便,材料能充分利用,在小型高速柴油机上广泛应用。

图6-2 连杆小头结构

6.4.2 小头结构尺寸

由b1/d=0.971,得小头宽度b1=34 mm ,由此可知销座与连杆小头的间隙为1Bb1=2 mm。

此处需校核小头轴承的比压,由公式

- z -

- - -

qPz5316.2447kgf/cm2,而高速柴油机的青铜衬套的许用比压为db13.53.4[630kgf/cm2],故强度满足。

6.4.3 连杆衬套

1)衬套结构

如图6-3所示

图6-3 小头衬套结构

2)衬套与小头孔和活塞销的配合参见表6-2(单位:mm)

表6-2 衬套与小头孔和活塞销的配合

活塞销

外径d

连杆衬套

0.064350.025

连杆衬套

外径

0.068390.043

连杆小头

孔径

0.025390

活塞销与

衬套间隙

衬套与小头孔过盈量

350.011

0.025~0.075 0.018~0.068

3)衬套的润滑方式

在小头上方开集油孔,利用曲轴箱中飞溅的油雾进行润滑,该方式在小型高速柴油机上应用较广泛。

4)衬套材料

采用锡青铜,ZQSn5-5-5 ,该材料在中小功率柴油机上应用较广。

- z -

- - -

6.5 连杆杆身

1)杆身结构

高速柴油机上广泛采用工字型截面。

形式如图6-4所示。

图6-4 连杆杆身截面

6.6 连杆大头

6.6.1 连杆大头结构

采用斜切口大头(如图6-5所示):该形式在满足活塞连杆组能从气缸装拆条件下,可以增大曲柄销直径,有利于提高曲轴刚度及连杆轴承的工作能力,切口角取45。

图6-5 连杆大头结构

6.6.2 大头尺寸

1)连杆大头尺寸主要取决于曲柄销直径D2、长度L2及连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径dM。D2、L2、等尺寸,由曲轴和轴承设计决定,dM则根据强度要求设计。

2)为使活塞连杆组能从气缸中装拆,要求大头的最大横向尺寸小于气缸直径。

- z -

- - -

3)连杆螺栓孔中心线应尽量靠近轴瓦,连杆螺栓孔中心距一般为t1(1.2~1.3)D1。螺孔外侧边厚不小于2~4mm。

4)连杆大头高度H1、H2,对于斜切口连杆:

H1(0.190.24)D1;H2(0.410.58)D1

6.7 连杆强度的计算校核

6.7.1 连杆小头的校核

1、由衬套过盈配合及受热膨胀产生的应力

由衬套过盈配合及受热膨胀产生的径向均布压力

pt2d22d12d1d22222dd1ddd121EE

其中—衬套压配过盈量。=0.018~0.068mm;取最大值。

t—衬套小头热膨胀不均产生的过盈量。

E—连杆的弹性模量。E2.2106

kgf/cm2

E—衬套的弹性模量。E1.15106

kgf/cm2

t()td1(1051.8105)1003.93.12103cm代入上式

p36.8103523.923.923.520.30.3222253.93.93.540661.15102.210=93.8

kgf/cm2

由p引起的小头应力

- z -

- - -

表面

id2d1d2d12222523.922kgf/cmp293.8385.2

253.923.92p293.8291.4

kgf/cm2

253.9外表面

a

2d1222d2d12、由惯性力拉伸时引起的小头应力

各截面的弯矩与法向力按下列公式求得

1)在0的截面上

弯矩

M0Pjmaxr(0.00033c0.0297)

法向力N0Pjmax(0.5720.0008c)

其中:

H3011.2590arcos2133

固定角c90arcos2r22511.25小头平均半径

rd1d23.952.225cm

44Pjmax—活塞组最大惯性力。

PjmaxG21.3652000R(1)(2)20.05751.274447.6kg

g9.860计算得:

M0447.62.225(0.000331330.0297)14.2kgf/cm

N0447.6(0.5720.0008133)208.4kgf

2)当090时

M1M0N0r(1cos)0.5Pjmaxr(1cos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(1cos)

34.3cos20.07N1N0cos0.5Pjmax(1cos)208.4cos0.5447.6(1cos)

223.815.4cos- z -

- - -

3)当90c

M2M0Nor(1cos)0.5Pjmaxr(sincos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(sincos)

477.934.3cos498sinN2N0cos0.5Pjmax(sincos)208.4cos0.5447.6(sincos)

223.8sin15.4cos4)当c

M(c)

N(c)174.2kgf

4) 在任意截面上的应力为:

外表面

6rh1aj2Mh(2rh)KNb1h

表面

6rh1ij2Mh(2rh)KNb

1h其中:

小头壁厚hd2d1253.920.55cm

KEFEFEF0.84

小头截面积F(d2d1)b11.13.43.74cm2

衬套截面积F(d1d)b1(3.93.5)3.41.36cm2

E2.2106

kgf/cm2

E1.15106

kgf/cm2

故上式可化简为

外表面

- z -

- - -

aj5.4M0.45N (kgf/cm2)

表面

ij6.38M0.45N (kgf/cm2)

5) 拉伸时的最大应力

当c时,外表面aj达到最大

ajmax5.4M(c)0.45N(c)5.490.30.45174.2566kgf/cm[s]3530kgf/cm当90时,表面ij达到最大

22

ijmax6.38M(90)0.45N(90)(6.38)(20.7)0.45223.8233kgf/cm[s]3530kgf/cm故受拉伸载荷时满足要求

3、由最大压缩力引起的小头应力

1)最大压缩力

PcPzPjmax=5316.2+(-447.6)=4868.6

kgf

22

2)求各截面的弯矩和法向力

当090时

M1M0N0r(1cos)

N1N0cos

其中M0,N0由图6-6辅助计算得

N00.0075,则N00.00754868.636.5kgf

PcM00.0025,则

PcrM0(0.0025)4868.62.22527.08kgfcm

故M154.1481.2cos

kgfcm

- z -

- - -

N144.244cos

kgf

图6-6 辅助计算用图

当90c时

M2M0N0r(1cos)Pcr(N2Pc(sin41sincos)

2sin41sincos)N0cos

23)压缩时的最大应力

当c时,外表面aj达到最大

ajmax5.4M2(c)0.45N2(c)5.4(223)0.451241148kgf/cm[s]3530kgf/cm当c时,表面ij达到最大

22

ijmax6.38M(c)0.45N(c)(6.38)(223)0.451241479kgf/cm[s]3530kgf/cm故受压缩载荷时强度满足。

4、小头的安全系数

1)仅考虑工艺因素对疲劳强度的影响

22

n1zam

其中

1z—材料在对称循环下的拉压疲劳极限;

a—应力幅;

—考虑表面加工情况的工艺因素;

m—平均应力;

—角系数,2100;

- z -

- - -

1—材料在对称循环下的弯曲疲劳极限;

0—材料在脉动循环下的弯曲疲劳极限,0=(1.4~1.6)1。

2)小头应力按不对称循环变化,在固定角c截面处外表面应力变化较大,通常只计算该处安全系数。

aj 循环最大应力

maxaac 循环最小应力

mina应力幅

amaxmin2ajac2

平均应力

mmaxmin2ajac2a2

查表值 45钢的B=6000

kgf/cm2,则

1(0.45~0.55)B0.560003000kgf/cm2

1z(0.7~0.9)10.830002400kgf/cm2

0(1.4~1.6)11.530004500kgf/cm2

21002300045000.33

45003)在固定角c截面的外表面处

应力幅

aajac2566(1148)857kgf/cm2

2566(1148)2291.40.4kgf/cm2

2平均应力

majac2a2则小头的安全系数n1zam24008570.330.40.82.2

小头的安全系数不应小于1.5,故满足要求。

5、小头横向直径的减小量

- z -

- - -

由公式计算1Pjmaxdm(c90)210EJ63

其中dm2r22.2254.45cm

hd2d153.90.55cm

22b1h33.40.553J0.04714cm4

1212E2.2106

kgf/cm2

代入上式得

1Pjmaxdm(c90)2106EJ3447.64.45343267.03104cm

6102.2100.04714(为活塞销与衬套的配合间2为使活塞销与连杆衬套不致咬死,应使1隙)

由4.4节可知=0.025~0.075mm,故6.7.2 连杆杆身的校核

1、杆身计算力

1)最大拉伸力

PjGG2R(1)

g=0.0125~0.0375mm,1满足。

2其中G,G分别为活塞组重量(1400g)和位于计算截面以上部分的连杆组的重量(2400g);代入

PjGG21.41.2200022R(1)()0.061.274890kgf

g9.8602)最大压缩力

PcPz4D2pz49.52755316.2

kgf

2、杆身中间截面I—I处的应力与安全系数

1)由Pj引起的拉伸应力

- z -

- - -

jPjF ,式中F—杆身中间截面积,经计算F=3.17cm2

代入得

j890275kgf/cm2

3.242)由Pc压缩和纵弯曲引起的合成应力

在摆动平面

PcCl21Pc

FJx式中C=0.00035;

JX11[BH3(Bt)h3][233(20.6)1.83]3.82cm4

1212PcCl25316212则1Pc0.0003553161892kgf/cm2

FJx3.173.82在垂直于摆动平面

PcCl22Pc

F4JY式中JY11[(Hh)B3ht3][(31.8)231.80.63]0.83cm4

1212dd23.95ll12116.55cm

22PcCl2531616.552则2Pc0.0003553161677kgf/cm2

F4JY3.1740.833)在杆身中间截面的应力幅a和平均应力m

在摆动平面

应力幅

ax1j21892(275)1083.5kgf/cm2

21892(275)808.5kgf/cm2

2平均应力mx1j2在垂直于摆动平面的

- z -

- - -

应力幅

aY2j21677(275)976kgf/cm2

21677(275)701kgf/cm2

2平均应力mY2j24)在摆动平面和垂直于摆动平面的安全系数nX,nY

nX1zaXmX1zaYmY24001083.50.33808.50.824009760.337010.81.48

nY1.65

7 配气凸轮的设计

7.1 凸轮外形设计得任务和要求

凸轮外形设计的任务是根据发动机的性能要求选择适当的凸轮廓线。一个良好的配气凸轮,既应使发动机具有良好的充气性能,又要保证配气机构工作平稳,安全可靠。

发动机凸轮外形设计从保证较大的时间面积值和较佳的配气机构动力学特性出发,预先给定挺柱升程规律而后求出凸轮的几何形状。

7.2 凸轮设计主要参数的选择和限制条件

配气相位与凸轮作用角选取决定于发动机的性能要求,并与发动机气流通道的形状和断面尺寸相适应。凸轮作用角0.5(18012) (deg)

1——进气或排气的提前开启角(CA);

2——进气或排气的滞后关闭角(CA)。

参考同类型柴油机,选定S195柴油机的配气正时角,见表7-1

表7-1 S195柴油机配气正时的选定

进气 排气

- z -

- - -

上止点前(CA)

下止点后(CA)

下止点前(CA)

上止点后(CA)

17 43 43 17

7.3 缓冲曲线设计

为控制气门开启端得冲击和关闭端得落座速度,凸轮廓线两端必须设有等加速—等速型缓冲曲线。(挺柱升程hr0、速度Vr0、加速度Jr0)

等加速段(01时)hr0hR2 (mm)

2A10(2A1)2hR

(mm/deg)

2A10(2A1)2hR

(mm/deg2)

2A10(2A1)

Vr0

Jr0加速段(10时)hr02hRAh1R (mm)

0(2A1)2A12hR

(mm/deg)

0(2A1)

Vr0

Jr00

本设计中取A10.5

等加速—等速型缓冲曲线具有如下特点:

(1)缓冲段终点的加速度为0,因而冲击噪声小。

(2)无论在气门的开启或降落侧,如气门间隙和配气机构刚度不同,不会影响挺柱的速度和加速度。

(3)由于气门间隙发生变化或配气机构刚度、凸轮制造尺寸有差异而引起的气门开启和落座点的变化较小,因而对配气正时的影响不大。

(4)由于缓冲曲线终点时挺柱升程对凸轮转角的二阶、三阶等导数皆为0.所以它与凸轮基本段廓线衔接的光滑性较好。

- z -

- - -

7.4 凸轮的选型及计算

采用等加速—等速型缓冲曲线的对称型七项式多项动力凸轮,函数凸轮的主要特点是运动的规律性,加速度曲线连续,不会引起惯性力突变,从而减小配气机构产生跳动或振动倾向。

1)凸轮计算参数的选取:

发动机转速ne2000rpm;

凸轮轴转速nc1000rpm;

气门最大升程hrmax11.172mm;

缓冲段终点挺柱升程hR0.25mm;

缓冲段角025;

缓冲段等加速部分凸轮转角1与缓冲段角0之比A10.5;

提前开启角143,滞后关闭角217,凸轮作用角0.5(4317180)120;

凸轮半作用角00.560;

摇臂比lv1.36,凸轮基圆半径r016.75mm;

lr进气门弹簧刚度P'2.26kgf/mm;

自由项系数C40.1hrmax1.1172mm;

幂指数p=14、q=20、r=32、s=40,采用第一种边界条件。

2)配气机构刚度计算

1008731.3620.059686mm;

摇臂变形量fR31.71047184(1.361)2Fl31000183640.003021mm; 摇臂轴变形量fT543EI321016- z -

- - -

摇臂座变形量fb100400.000338mm;

41.37510861.61002951.3620.051690mm;

推杆变形量fr422.11050.310053.5210021.3620.014275mm;

凸轮轴变形量fc432.11038350153.5 配气机构总变形量

f0.129011mm

配气机构刚度K0100775kgf/mm;

0.129011K0P'7752.26 配气机构刚度系数11.002916;

K07751.360.960/180 未知系数Q0.012204;

11.00291610002/60iVR0可得方程组:

C0hrmax11.172

C40.1hrmax1.117C2CpCqCrCs12.2892

2C214Cp20Cq32Cr40Cs4.481004

2C2182Cp380Cq992Cr1560Cs13.40642184Cp6840Cq29760Cr59280Cs26.8128

24024Cp116280Cq863040Cr2193360Cs26.8128解方程组可得结果,见表7-2

表7-2 方程系数解

C0

11.172000

-16.989511

C2

- z -

- - -

C4

Cp

Cq

1.117200

15.895818

-14.569295

4.576135

-1.202346

Cr

Cs

3)上升侧基本工作段气门升程hr、速度Vr、加速度Jr的计算(01)

6026046014hr11.17216.989511()1.1172()15.895818()60606060206032604014.569295()4.576135()1.202346()(mm)

606060Vrhr

mm/s

Jrhr

mm/s2

由于凸轮采用对称结构,下降段计算类似,不再赘述。

4)当量挺柱升程、速度、加速度的计算



(mm)

h00.341.002961hv2.566915hv1.002961hv2.566915hv

(mm/s)

h01.002961hv2.566915hv

(mm/s2)

h05)挺柱升程、速度、加速度的计算

缓冲段:

等加速度段

hT00.2522

(mm)

218750.525(20.5)20.250.00896

(m/s)

20.525(20.5)20.2575.264

(m/s2)

20.525(20.5)VT0JT0- z -

- - -

等速段

hT01

(mm)

7512VT00.112

(m/s)

基本工作段挺柱升程:

h0

(mm)

1.36h0hT

(m/s)

1.36hhT0

(m/s2)

1.36hT6)凸轮廓线的计算

以凸轮基圆中心为原点的xx,yy直角坐标系表示,则可知

x(16.75hr)sinhrcos

(mm)

y(16.75hr)coshrsin

(mm)

7)时间截面Tc的计算

CpCqCC2C4CTc2a(hvmaxrs)35p1q1r1s1

8)丰满系数f的计算

CpCqCC2C4Cf(hvmaxrs)hvmax35p1q1r1s1

10.556上述计算的结果见表7-3

表7-3 配气机构综合计算结果

凸轮转角

0

1

2

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm

0.00000—

0

0.000533

速度m/s

0.000000 0.000000

0.008960 0.377886

x

凸轮廓线

y

16.750000

16.746489

0.002133 0.017920 0.755660 16.73595- z -

- - -

凸轮转角

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm 速度m/s x

凸轮廓线

y

6

0.004803

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

0

0.008533

0.013333

0.019200

0.026133

0.026880 1.133211 16.718404

0.035840 1.510428

0.044800 1.887200

0.053760 2.263415

0.062720 2.638962

16.693837

16.662258

16.623675

16.578095

16.525528

16.465985

16.399477

0.034133 0.071680 3.013730

0.043200

0.053333

0.064533

0.076800

0.090000

0.107520 4.502790

0.080640 3.387608

0.089600 3.760484

0.098560 4.132249 16.326018

16.245623

0.112000 4.830283 16.167803

16.093977 0.103333 0.112000 5.114940

0.116667 0.112000 5.398490 16.015137

0.130000 0.112000 5.680846 15.931298

15.842470.143333 0.112000 5.961919

0.156667 0.112000 6.241620

0.170000 0.112000 6.519863

8

15.748696

15.649973

15.437790.196667 0.112000 7.071624

0.210000 0.112000 7.344968

0.223335

15.324389

0.112000 7.616507 15.206141

0.183333 0.112000 6.796560 15.546331

- z -

- - -

凸轮转角

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm

3

0.23666速度m/s x

凸轮廓线

y

15.083080.112000 7.886154

0.112000 8.153824

0

14.955234

24

25

0.000000

7

0.250000

0.250000

0.252296

0.262846

0.283355

26 0.000000 0.001220 0.112000 8.413587 14.810653

14.663600.112000 8.671829 5 27 0.000267 0.003027 40.029458

28 0.001985 0.022533 217.047118 0.112000 8.931377 14.519343

0.154784 9.550687 14.181124

0.228423 10.421573 13.688150

0.320281 11.434175 13.091358

12.379480.431587 12.595359

0.558364 13.869650 11.567467

0.693751 15.199542 10.687148

0.830188 16.523859 9.777011

0.960898 17.789582 8.874322

20.002946

29 0.009972 0.081084 495.647870

30

31

32

0.031768 0.188773 793.379783 0.315072

1043.975260.075489 0.342865 0

0.360520

0.422920.148016 0.532124 1211.947238

1288.399744

1281.828546

1209.536341

1091.402429

3

0.505247

0.609523

0.736554

0.885932

33 0.253994 0.741731

34 0.395568 0.956962

35 0.572595 1.165351

36

37

38

39

40

41

0.783115 1.357597

1.023889 1.527648 946.073604 1.056241 1.080638 18.957431 8.010380

1.290917 1.672313 789.055949 1.245338 1.185913 9 7.208395

1.579863 1.790676 632.091087 1.450635 1.274854 20.914948 6.483250

1.886386 1.883469 483.294805 1.669350 1.346930 21.692753 5.842373

2.206365 1.952511 347.679021 1.898700 1.402612 22.343170 5.287148

22.877724

23.310401.469737

1.484425

5

23.655972 4.090508

4.418233

4.814477 42 2.536039 2.000241 227.810391 2.136039 1.443036

2.3789443 2.872078 2.029368 124.461213

44 3.211613 2.042622 37.179369

9

2.625284

- z -

- - -

凸轮转角

45

46

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm 速度m/s x

凸轮廓线

y

23.928793.552214 2.042587 -35.250707 2.873186 1.488829

3.3676547 4.228923 2.011736 -142.232509

-210.5029949

50

51

52

53

54

55

4.890186 1.952060 0

5

3.852739

4.089675.212489 1.914923 -234.164759

5.528300 1.874292 -252.641915

-267.032065.837102 1.830936

6.138494 1.785458

3

-278.242374 4.771669 1.316320

4.988226.432163 1.738324 -287.008181 7 1.282158

6

4.322087

4.549533 1.349051 24.715495 2.961785

24.752722

24.783249

24.808986.717864 1.689892 -293.915166 5.198993 1.246874

-299.4222956 6.995403 1.640430

57 7.264628 1.590142

58

6

-303.883745 5.602521 1.173823 24.851344 2.773269

5.795047.525413 1.539179 -307.568781 4 1.136371

24.869708

24.8869459 7.777656 1.487651 -310.679141 5.981285 1.098447

60

61

62

8.021270 1.435642 -313.363764 6.161172 1.060129

6.334648.256181 1.383214 -315.730988 3 1.021471 24.919266 2.660345

24.934728.482321 1.330412 -317.858420 6.501646 0.982517

-319.8007863 8.699632 1.277272

64

65

0 6.662134

0.943299

0.903848.908061 1.223820 -321.596013 6.816065

9.107556 1.170080 -323.269966.963400

0

24.949827

24.964629 2.573174

2.602862

2.631884

2

24.903387 2.688411

2.716328

2.744447

5.403802 1.210702 24.831345 2.803476

7 2.835996

2.872064

2.913298

1.379957 24.669014 3.020182

1.408535

1.434154

1.473224

0

24.307622

24.533896

24.609925 3.091813

3.180770

3.431365

3.822586

3.891868 2.031606 -94.457781 3.121081 1.484595 24.142098 3.605669

48 4.562050 1.984731 -180.357828 3.611832 1.456033 24.435419 3.291999

0.864162 24.979137 2.542755

- z -

- - -

凸轮转角

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm

9

-324.839932

0.824287.104108 0

0.784207

0.743956

0.703537

0.662961

0.62223速度m/s x

凸轮廓线

y

24.993347

25.007242

25.020797

25.033987

25.046780 2.379186

2.413405

2.446889

2.479617

2.511573 66 9.298072 1.116069 2

67 9.479565 1.061805 -326.317228 7.238151

7.3655068

69

9.651994 1.007301 -327.709113 0

9.815320 0.952573 -329.020131 7.486127

-330.253047.600004 8 70 9.969507 0.897632

71

72

73

74

75

76

77

78

79

10.114520 0.842493 -331.409503 7.707106

10.250327

10.376899

10.494207

10.602226

10.700931

10.790302

10.870317

10.940961 0.395712

0.451994

0.508177

0.620195 -335.284145 8.067310

0.676005

0.731667

0.787167

-332.490434

-333.496357

-334.427548 7.987531

7.900891

7.807409

8 25.059148 2.344259

25.071060.581376

0.540386

0.499277

0.458057 25.103785 2.198122

0

25.082489

25.093406 2.235550

2.272406

2.308655

0.564248 -336.066214 8.140211 0.416737 25.113602 2.160162

-336.773783

-337.406866

-337.965467

-338.449587

-338.859227

8.317490

8.362732

8.401030

8.432376

8.456764

8.484640.125438 25.164857 1.883014

0.041825 25.173428 1.801465

8.265315

8.206218

0.375325 25.122833 2.121710

0.333830 25.131458 2.082806

0.292262 25.139456 2.043493

0.250629 25.146810 2.003813

0.208942 25.153504 1.963811

0.167208 25.159524 1.923530

80 11.002217 0.339343

81 11.054071 0.282900

82 11.096513 0.226394 -339.194387

-339.4550683 11.129533 0.169839

84

85

7

11.153124 0.113247 -339.641267 8.474188 0.083641 25.169495 1.842311

11.167281 0.056630 -339.75298- z -

2024年2月16日发(作者:齐婉静)

- - -

目 录

1 绪论 .......................................................................................................... 1

2 柴油机工作过程的热力学分析计算 ............................................................ 1

2.1 原始参数 ................................................................................................ 1

2.2 选取参数 .............................................................................................. 2

2.3 计算参数 .............................................................................................. 3

3 柴油机动力计算及平衡 ............................................................................ 5

3.1 已知数据 ............................................................................................... 5

3.2 动力计算 .............................................................................................. 7

3.3 平衡计算 ............................................................................................. 17

4 燃烧系统 ................................................................................................ 18

4.1 燃烧室的选型 ....................................................................................... 18

4.2 涡流室结构 .......................................................................................... 19

4.3 主燃烧室形状 ...................................................................................... 19

4.4 涡流室镶块 .......................................................................................... 19

4.5 改善冷启动性能的措施 ........................................................................ 20

5 活塞组的设计 ........................................................................................ 20

5.1 概述 .................................................................................................... 20

5.2 活塞的选型 ......................................................................................... 20

5.3 活塞的基本设计 ................................................................................... 21

5.3.1 活塞的主要尺寸................................................................................. 21

5.3.2 活塞头部设计 ................................................................................... 21

5.3.3 活塞销座的设计 ............................................................................... 22

5.3.4 活塞裙部及其侧表面形状设计 .......................................................... 22

5.3.5 活塞与缸套配合间隙 ........................................................................ 23

5.3.6 活塞重量的参考值 ........................................................................... 23

5.3.7 活塞强度计算 .................................................................................. 23

5.3.8 活塞的冷却 ...................................................................................... 24

5.5.9 活塞的材料及工艺 ........................................................................... 24

5.4 活塞销的设计 ..................................................................................... 24

5.4.1 活塞销的结构及尺寸 ......................................................................... 24

5.4.2 轴向定位 ......................................................................................... 24

5.4.3 活塞销和销座的配合 ........................................................................ 24

5.4.4 活塞销的强度校核 ........................................................................... 25

5.4.5 活塞销材料及强化工艺 ..................................................................... 25

6 连杆组的设计 ........................................................................................ 26

- z -

- - -

6.1 概述 .................................................................................................... 26

6.2 连杆的结构类型 .................................................................................. 26

6.3 连杆的基本设计 .................................................................................. 26

6.3.1 主要尺寸比例 ................................................................................... 26

6.3.2 连杆长度 ......................................................................................... 27

6.4 连杆小头设计 ................................................................................... 27

6.4.1 连杆小头结构 ................................................................................... 27

6.4.2 小头结构尺寸 .................................................................................. 27

6.4.3 连杆衬套 ......................................................................................... 28

6.5 连杆杆身 ............................................................................................ 29

6.6 连杆大头 ............................................................................................ 29

6.6.1 连杆大头结构 ................................................................................... 29

6.6.2 大头尺寸 ......................................................................................... 29

6.7 连杆强度的计算校核 ........................................................................... 30

6.7.1 连杆小头的校核................................................................................ 30

6.7.2 连杆杆身的校核 ............................................................................... 36

7 配气凸轮的设计 ..................................................................................... 38

7.1 凸轮外形设计得任务和要求 ................................................................. 38

7.2 凸轮设计主要参数的选择和限制条件 ................................................... 38

7.3 缓冲曲线设计 ..................................................................................... 39

7.4 凸轮的选型及计算 .............................................................................. 40

8 机体的设计 ............................................................................................ 48

8.1 机体结构形式的选择 ............................................................................ 48

8.2 机体材料的选择 .................................................................................. 49

8.3 机体外形轮廓尺寸的决定 .................................................................... 49

8.4 提高机体刚度与强度的措施 ................................................................. 49

9 油底壳设计 ............................................................................................ 50

10 气缸套设计 ............................................................................................. 51

10.1 设计要求 ............................................................................................ 51

10.2 结构设计 ............................................................................................ 51

结论 ........................................................................................................... 53

致 ............................................................................................................... 54

参考文献 ..................................................................................................... 55

- z -

- - -

1 绪论

从1860年首台燃机诞生以来,经过了百余年的发展,其给人类带来的生产力的提高和对生活得便利使得燃机工业业已成为人类文明中不可替代的部分。但是,人类追求进步的脚步远没有停止,燃机的发展远远没有达到其顶点,在动力性、经济性和排放性方面还在不断地改进。作为动力输出源的燃机,柴油机,其在动力性以及油耗性上比汽油机的优越性以使其成为工程机械、农用机械套动力装置中不二的选择,因此对柴油机的研究和改进已成为各大发动机生产商的重大战略。

S195型柴油机是小型卧式、单缸、四冲程、蒸发水冷式发动机。具有结构轻巧、移动方便、安装简单、运转平稳、操作简易和工作可靠等特点,除基本型外,还有电起动、凝汽水冷却等多个变型品种,适宜多种配套。可配套手扶拖拉机、小四轮拖拉机、小型排灌、船用机组、发电机组、空压机组以及农副业加工的动力装置,如脱粒机、碾米机、磨粉机、饲料粉碎机等,在我国工农业生产中得到广泛应用。

本课题在参考国现有同型号柴油机经典结构的基础上进行整机设计,力争使得柴油机的性能达到较好的水平,结构力争紧凑。

2 柴油机工作过程的热力学分析计算

2.1 原始参数

原始参数及已知条件

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

柴油机型号:S195;

燃烧室型式:涡流式;

增压方式:非增压;

气缸数:Z: 1;

冲程数:4;

气缸直径D:95mm;

活塞行程S:115mm;

排量:0.815L;

- z -

- - -

9) 标定功率Ne:8.8kw (12PS);

10) 标定转速:2000 rpm;

11) 怠速转速:800 rpm;

12) 额定功率时最低燃油消耗率:258.4g/kw.h;

13) 压缩比:20;

14) 冷却方式:水冷;

15) 净质量:145kg;

16) 润滑方式:压力润滑+飞溅润滑;

17) 启动方式:电启动;

18) 燃料重量成分:0.86C0.13H0.01O;

19) 燃料低热值Hu:10140kcal/kg;

20) 环境温度T0:293K;

21) 环境压力p0:1.0kgf/cm2。

2.2 选取参数

1) 最高爆发压力p2z:75kgf/cm;

2) 过量空气系数:1.20;

3) 残余废气系数r:0.03

4) 进气受热增加温度T:20 ℃;

5) 排气温度Tr:800K;

6) 排气管压力p2r:1.1kgf/cm;

7) 进气系统压力ps:1.0kgf/cm2;

8) 压缩多变指数n1:1.368;

9) 膨胀多变指数n2:1.22;

10) 热量利用系数:0.7;

- z -

- - -

11) 示功图丰满系数f:0.94;

12) 机械效率m:0.72;

13) 扫气系数s:1.0;

14) 压缩始点压力pa:0.85kgf/cm2;

15) 进排气重叠角:

2.3 计算参数

1) 汽缸工作容积:Vh4D2S40.09520.1150.000815

m3;

2) 压缩终点容积:VVh0.000815c12010.000043

m3;

3) 燃烧1公斤燃料理论所需空气量L010.21C12H4O320.945kgmol/kg;

4) 进气充量公斤摩尔数:M1L00.593kgmol/kg;

5) 燃烧产物公斤摩尔数:MH2L04O320.6256kgmol/kg;

6) 理论分子变更系数:M20M1.055;

17) 实际分子变更系数:0r11.054;

r8) 进气系统温度:TsT0293K;

9) 压缩始点温度:TTsTrTra1=326 K;

r10) 充量系数:paTs1v1p0.784;

zTa1r11) 压缩终点气缸压力:pcpan149.3kgf/cm2;

12) 压缩终点温度:Tn11cTa973K;

- z -

- - -

13)

14)

15)

压力升高比:pz1.50;

pc定容燃烧终点温度:TyTc1460K;

最高燃烧温度:

tz1(cp2)mdHu(c)1.986(1)t524()p1mcd

M1(1r)其中(cp)m可由图2-1查得:

图2-1 不同值时,柴油完全燃烧产物平均摩尔比热(cp)m值与温度t的关系

(cp)m=8.50;故tz=2230 K;

16)

17)

初期膨胀比:dTz1.592;

Tc燃烧终点气缸容积:VzVc0.00007m3;

- z -

- - -

18) 膨胀终点气缸压力:pn2bpc()3.49kgf/cm2;

19) 膨胀终点温度:T(bTz)n211285K;

20) 理论平均指示压力:p1(1)n1()n11n(11ipc2n211111)

=10.03kgf/cm2;

21) 实际平均指示压力:pifpi9.43kgf/cm2;

22) 平均有效压力:pcmpi6.78kgf/cm2;

23) 有效功率:NhnZepeV0.912PS;

24) 指示热效率:i1.986M1piTsH0.396;

uvps25) 有效热效率:emi0.285;

26) 有效燃油消耗率:ge632000H211g/PS•h;

ue27) 进气流量:GpsVh104nsRTZs0.0124kg/s。

s1203 柴油机动力计算及平衡

3.1 已知数据

1)气缸直径D:95mm;

活塞行程S:115mm;

曲柄半径R:57.5mm;

连杆长度l:210mm;

曲柄半径与连杆长度比Rl0.2738;

活塞面积FD22p478.65cm;

- z -

- - -

标定功率Ne:8.8kw (12PS);

标定转速:2000 rpm;

曲轴旋转角速度n30210rad/s

244100rad2/s2;

曲轴销中心的切向速度R12.075m/s;

曲柄销中心的切向加速度R22535.75m/s2;

活塞平均速度CmSn7.67m/s;

302)往复运动质量mj

活塞组实测重量G01.365kg。其中,活塞0.9kg,活塞销0.365kg,挡圈(两只)0.005kg,油环(一只)0.03kg,气环(三只)0.065kg。

连杆组质量的换算:

连杆组实测重量Gc=2.315kg。其中,连杆体(包括连杆盖、套管及连杆衬套)1.893kg,连杆轴瓦(两片)0.11kg,连杆螺钉(两只)0.124kg,保险铅丝(一根)0.008kg。

将连杆体用称重法得其重量分配比为0.600 : 1.293。因此,Gca=0.6kg,Gcb=1.293+0.11+0.124+0.008=1.535kg。

因此mjmpmca

=1(1.3650.6)0.2005(kg•s2/m)

gmjmjFp0.20050.00283(kg•s2/m/cm2)

70.883)旋转运动质量mr

曲柄质量的换算见图3-1:

图中曲柄臂的椭圆部分对称于曲轴旋转中心,故不必换算。

计算曲柄图示部分的重量及其重心至曲轴旋转中心线的距离为:

- z -

- - -

图3-1 曲柄质量换算用图

GI0.71kg,I7.6cm;

GII0.108kg,II7.5cm;

GIII0.563kg,III5.7cm;

其中,I部分表示平衡块,即Gb0.71kg,7.6cm。

故GbGIIIIIIGIIII0.5635.70.1087.520.276kg

R5.751(0.2761.535)0.1847kg•s2/m

gmrmdmcb3.2 动力计算

1)运动分析及动力计算

(1)运动参数的计算

活塞运动规律计算公式:

活塞位移:

xr[1cos1(112sin2)]

- z -

- - -

r(sin活塞速度:vx2sin2)

(coscos2)r2

x活塞加速度:a连杆摆角:arcsin(sin)

以上个参数具体位置见图3-2 曲柄连杆机构简图所示。

计算活塞在一个循环各位置的运动规律,结果如表3-1所示。

画出活塞运动规律曲线图,如图3-3所示。

图3-2 曲柄连杆机构简图

表3-1 S195柴油机活塞运动规律计算表

曲轴转角()

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

连杆摆角()

0.00

2.73

5.37

7.87

10.14

12.11

13.72

14.91

15.64

15.89

15.64

14.91

13.72

12.11

10.14

7.87

5.37

2.73

0.00

-2.73

-5.37

-7.87

-10.14

-12.11

-13.72

-14.91

-15.64

x(mm)

0.00

1.11

4.39

9.68

16.73

25.21

34.74

44.90

55.29

65.53

75.26

84.24

92.24

99.13

104.83

109.27

112.46

114.36

115.00

114.36

112.46

109.27

104.83

99.13

92.24

84.24

75.26

v(m/s)

0.00

2.66

5.19

7.47

9.39

10.88

11.89

12.41

12.46

12.08

11.33

10.28

9.03

7.62

6.13

4.61

3.07

1.53

0.00

-1.53

-3.07

-4.61

-6.13

-7.62

-9.03

-10.28

-11.33

a(m/s2)

3230.04

3149.64

2914.68

2543.17

2063.06

1509.39

920.73

335.42

-212.09

-694.29

-1092.75

-1399.13

-1615.02

-1750.51

-1821.94

-1848.88

-1850.97

-1844.81

-1841.46

-1844.81

-1850.97

-1848.88

-1821.94

-1750.51

-1615.02

-1399.13

-1092.75

- z -

- - -

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

-15.89

-15.64

-14.91

-13.72

-12.11

-10.14

-7.87

-5.37

-2.73

0.00

65.53

55.29

44.90

34.74

25.21

16.73

9.68

4.39

1.11

0.00

-12.08

-12.46

-12.41

-11.89

-10.88

-9.39

-7.47

-5.19

-2.66

0.00

-694.29

-212.09

335.42

920.73

1509.39

2063.06

2543.17

2914.68

3149.64

3230.04

- z -

- - -

图3-3 S195柴油机活塞运动规律曲线

(2)动力参数的计算

i.计算在一个循环中活塞连杆曲轴所受的运动分力。

结果如表3-2所示。

绘制pNf(x)的变化曲线,如图3-4所示;

绘制pgf(),pjf(),pf()的变化曲线,如图3-5所示;

绘制p1f(),praf()的变化曲线,如图3-6所示。

绘制曲轴输出扭矩曲线,如图3-7所示。

可见,单缸柴油机曲轴的输出扭矩曲线与其曲柄切向力曲线形状完全一样,只是纵坐标值相差RFp倍。

项目

单位

表3-2 动力计算结果

()

0

10

20

30

40

pg

pj

p

pN

Pcr

p

pra

Mt

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf/cm2

kgf•cm

0.147

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-9.141

-8.913

-8.249

-7.197

-5.838

-8.994

-9.063

-8.399

-7.347

-5.988

0

-0.4314

-0.79

-1.0154

-1.0707

-8.994

-9.074

-8.436

-7.417

-6.083

0.000

-1.999

-3.615

-4.553

-4.669

-8.994

-8.851

-7.622

-5.855

-3.899

0

-815

-1473

-1856

-1903

- z -

- - -

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

380

390

410

420

430

440

450

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.150

-0.144

-0.125

-0.092

-0.042

0.030

0.130

0.269

0.465

0.744

1.154

1.776

2.764

4.416

7.351

12.857

23.275

39.654

50.195

68.355

41.066

17.201

12.157

9.029

6.997

5.626

-4.272

-2.606

-0.949

0.600

1.965

3.092

3.960

4.571

4.954

5.156

5.232

5.238

5.221

5.211

5.221

5.238

5.232

5.156

4.954

4.571

3.960

3.092

1.965

0.600

-0.949

-2.606

-4.272

-5.838

-7.197

-8.249

-8.913

-9.141

-8.913

-8.249

-7.197

-5.838

-4.272

-2.606

-0.949

0.600

1.965

-4.422

-2.756

-1.099

0.450

1.815

2.942

3.810

4.421

4.804

5.006

5.082

5.088

5.071

5.061

5.077

5.113

5.141

5.115

4.984

4.701

4.229

3.557

2.709

1.754

0.827

0.158

0.145

1.512

5.660

15.027

30.740

41.054

99.933

60.107

33.869

19.939

12.930

9.551

8.080

7.598

7.590

-0.9485

-0.6726

-0.2927

0.12606

0.51664

0.82393

1.0143

1.07895

1.03052

0.89502

0.70238

0.47859

0.24136

1.7E-16

-0.2417

-0.481

-0.7104

-0.9144

-1.0692

-1.1473

-1.126

-0.9961

-0.7712

-0.4912

-0.2202

-0.0387

-0.0311

-0.2703

-0.7822

-1.4134

-1.4632

-3E-15

4.7567

5.65354

4.6807

3.56479

2.77365

2.33126

2.15133

2.12744

2.16083

-4.522

-2.837

-1.138

0.468

1.887

3.056

3.942

4.550

4.913

5.085

5.131

5.111

5.077

5.061

5.083

5.136

5.189

5.196

5.097

4.839

4.376

3.694

2.817

1.822

0.856

0.163

0.148

1.536

5.714

15.093

30.775

41.054

100.047

60.372

34.191

20.255

13.224

9.832

8.362

7.890

7.892

-3.997

-2.723

-1.133

0.465

1.815

2.755

3.233

3.289

3.018

2.532

1.933

1.291

0.643

0.000

-0.644

-1.297

-1.955

-2.587

-3.131

-3.497

-3.589

-3.330

-2.709

-1.813

-0.853

-0.157

-0.131

-1.179

-3.507

-6.468

-6.779

0.000

22.038

25.870

20.988

15.547

11.688

9.437

8.329

7.852

7.590

-2.116

-0.795

-0.101

-0.046

-0.517

-1.322

-2.256

-3.145

-3.877

-4.410

-4.753

-4.945

-5.036

-5.061

-5.042

-4.969

-4.807

-4.506

-4.023

-3.344

-2.504

-1.599

-0.771

-0.179

0.076

0.046

0.069

0.985

4.511

13.637

30.019

41.054

97.589

54.548

26.991

12.983

6.186

2.757

0.742

-0.776

-2.161

-1629

-1110

-462

190

740

1123

1318

1340

1230

1032

788

526

262

0

-262

-529

-797

-1054

-1276

-1425

-1463

-1357

-1104

-739

-347

-64

-53

-481

-1429

-2636

-2763

0

8982

10544

8554

6336

4763

3846

3394

3200

3094

370 108.847

400 25.777

- z -

- - -

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

560

570

580

590

600

610

620

630

640

650

660

670

680

690

700

710

720

4.671

3.991

3.500

3.143

2.885

2.703

2.582

2.513

2.490

2.200

1.600

0.900

0.700

0.500

0.400

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

0.147

3.092

3.960

4.571

4.954

5.156

5.232

5.238

5.221

5.211

5.221

5.238

5.232

5.156

4.954

4.571

3.960

3.092

1.965

0.600

-0.949

-2.606

-4.272

-5.838

-7.197

-8.249

-8.913

-9.141

7.763

7.950

8.070

8.097

8.041

7.935

7.820

7.733

7.701

7.421

6.838

6.132

5.856

5.454

4.971

4.107

3.239

2.112

0.747

-0.802

-2.459

-4.125

-5.691

-7.050

-8.102

-8.766

-8.994

2.17379

2.11682

1.96976

1.73683

1.43755

1.09661

0.73553

0.3681

7.8E-16

-0.3532

-0.6432

-0.8475

-1.047

-1.17

-1.2132

-1.0934

-0.9071

-0.6012

-0.2092

0.2136

0.60011

0.88478

1.01755

0.97434

0.76202

0.41727

1.2E-15

8.062

8.227

8.307

8.281

8.168

8.010

7.854

7.742

7.701

7.429

6.868

6.191

5.949

5.578

5.116

4.250

3.364

2.196

0.776

-0.830

-2.531

-4.218

-5.782

-7.117

-8.137

-8.776

-8.994

7.268

6.747

6.004

5.086

4.067

3.018

1.983

0.980

0.000

-0.941

-1.734

-2.332

-2.962

-3.426

-3.698

-3.485

-3.033

-2.112

-0.772

0.827

2.429

3.728

4.438

4.369

3.487

1.933

0.000

-3.489

-4.708

-5.741

-6.535

-7.084

-7.420

-7.600

-7.680

-7.701

-7.369

-6.646

-5.735

-5.159

-4.402

-3.536

-2.432

-1.456

-0.601

-0.076

-0.074

-0.710

-1.973

-3.706

-5.618

-7.352

-8.561

-8.994

2962

2750

2447

2073

1658

1230

808

400

0

-383

-707

-951

-1207

-1396

-1507

-1420

-1236

-861

-315

337

990

1520

1809

1781

1421

788

0

- z -

- - -

- z -

- - -

图3-4pNf(x)的变化曲线

- z -

- - -

图3-5

pgf(),pjf(),pf()的变化曲线

图3-6

pf(),praf()的变化曲线

- z -

- - -

图3-7 曲轴输出扭矩曲线

Mtmax

Mtm当380时,Mtmax。

取m0.72,则NiNe1216.67 PS。

0.72mMtm71620Ni16.6771620597kgf•cm

n20001054417.67

59723)飞轮矩GfDm的计算

根据S195型柴油机的多种用途,选取n=2000rpm。

I16.531041。查表 ,1.3。Ne12PS,50Ne1.31246.53106.367103kg•s2•m

31n(2000)350GfDm4gI149.816.3671032498.4kg•cm2

2- z -

- - -

3.3 平衡计算

1)离心惯性力的平衡

平衡块产生的离心惯性力

Prb2mb220.710.07644100485.2kgf

9.81柴油机不平衡的离心惯性力

PrmrR20.18272535.76468.4kgf

因为PrbPr,故可在校正平衡时,从平衡块的边缘处(09.5cm)钻去适当的重量Go。

Go(PrbPr)g(485.2468.4)98139g

9.544100022)一级往复惯性力的平衡

PjImjR2cos

PjIA1B1

A1A1ej

B1B1ej

A1B11mjR2

2因此,必须采用以角速度正、反转的双轴平衡装置,才能把一级往复惯性力完全平衡。S195型柴油机采用的双轴平衡装置。其中,每根平衡轴重量为G、旋转半径为。

G11.9655.755.6494kg•cm

23)二级往复惯性力的平衡

PjIImjR2cos2

PjIIA2B2

A2A2ej2

- z -

- - -

B2B2ej2

A2B21mjR2

2因此,必须采用以角速度2正、反转的双轴平衡装置,才能把二级往复惯性力完全平衡。如果在平衡一级往复惯性力的双轴平衡装置基础上再增添一对以2角速度旋转的平衡轴,势必会使机构复杂化。鉴于农用,且二级往复惯性力又较小,故在S195型柴油机上对二级往复惯性力不采取平衡措施。

4 燃烧系统

4.1 燃烧室的选型

本次设计选用涡流室形式。

该形式的特点为采用切向连接通道,产生强力的有规则的压缩涡流,促使喷入涡流室中燃料的分布和混合。在膨胀行程中,涡流室中的混合物喷入主燃烧室产生二次涡流,与主燃烧室中的空气进一步混合燃烧。涡流室与主燃烧室的最大压差约为1—2kgf/cm2,最高流速达100—180m/s。与直喷式相比,涡流室具有下列特点:

1) 对转速不敏感,高速性能好,在4000rpm的柴油机上仍有较好的性能指标。

2) 采用轴针式喷油器,针阀开启压力为120—140kgf/cm2,对燃油系统的要求较低,喷油器故障较少。

3) 运转平稳,排气污染较少。

4) 易于调试,使用性能稳定,对农村使用条件较容易适应。

5) 涡流室的散热损失及流动损失较大,燃油消耗率较高,冷启动困难,处选用较高的压缩比外,一般还需启动辅助装置。

6) 组成燃烧室零件的热负荷较高,涡流室镶块容易产生开裂、烧损等故障。

7) 涡流室推荐用于D<100mm,n=2000—4500rpm的小型高速柴油机。-

- z -

- - -

4.2 涡流室结构

涡流室上部为半球形,下部通过镶块的变化获得各种变形。将涡流室做成平底,对压缩涡流有减弱作用,有利于改善高速性能。结构如图4-1。

图4-1 涡流室结构

4.3 主燃烧室形状

为了充分利用主燃烧室中的空气,活塞顶制成如图4-2所示的铲击式

图4-2 活塞顶主燃烧室形状

4.4 涡流室镶块

1)采用镶块结构,可以使涡流室承受更高的热负荷,便于涡流室表面和通道的加工,以及使涡流室容积易于准确控制。本设计采用圆盘形镶块,结构简单,应用较多。

2)镶块材料选用导热系数高,热 疲劳强度高,弹性模数小,热膨胀系数小- z -

- - -

的材料,一般用耐热钢或耐热合金铸铁制造。

镶块结构如图5-3所示

图4-3 镶块结构

4.5 改善冷启动性能的措施

1)适当加大通道截面积,减少节流损失。

2)开启动小孔。

5 活塞组的设计

5.1 概述

活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件,它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封,否则活塞式发动机就不能正常的运转。

活塞组的作用归结为:

1) 传力、导向。承受燃烧室气体的压力,将压力传递给连杆,并保证活塞在气缸顺畅运动。

2) 密封。通过活塞环和活塞密封气体,保证缸工质不泄露或者很少泄露。

3) 传热。在密封的基础上,通过活塞环和活塞裙部向缸壁传递热量;

4) 配气。完成进气、压缩和排气功能,在二冲程发动机中还起到配气润滑作用。

5.2 活塞的选型

首先从经济性上考虑,由于整体铝活塞成本最低且铝活塞散热好,故考虑优先采用。其次根据平均有效压力:pe=6.78

kgf/cm2可知,大大低于铝活塞的平均有效压力上限:14(铸铝)~17(锻铝)kgf/cm2。根据活塞比功率选择活塞冷却方式,由比功率计算公式

- z -

- - -

NpNe412D2S/D40.154

PS/cm2

9.5211.5/9.5其值小于 无油冷方式的上限值 0.3

PS/cm2,故无需对活塞进行油冷却。

5.3 活塞的基本设计

5.3.1 活塞的主要尺寸

根据同类型发动机和统计数据进行选取,结果如表5-1所示。

各参数意义参见图5-1 。

表5-1 活塞主要尺寸比例

H/D

1.16

H1/D

0.63

d/D

0.37

H2/D

0.73

B/D

0.38

h/D

0.15

h1/D

0.032

/D

0.13

g/D

0.04

图5-1 活塞尺寸参数

5.3.2 活塞头部设计

1)活塞顶形状

- z -

- - -

活塞顶的形状根据燃烧系统的要求进行设计。

采用铲击式燃烧室

2)活塞头部截面形状

活塞头部截面形状影响热流及温度分布,铝活塞头部常设计成“热流型”,采用大圆弧过渡,增加从顶部到裙部的传热截面。

5.3.3 活塞销座的设计

1)销座结构的选用

采用 宽体整体支承筋的刚性销座,该结构传力情况好,活塞变形小,锻造和铸造工艺性好,可以避免因凹陷引起的应力集中。

2)为提高活塞销座抗裂能力,需将销孔缘加工成倒角,以减小销孔缘的应力集中。

3)销座轴承的润滑

图5-2 销座结构

由于采用浮式活塞销,其在销孔中相对转动,故需要对销孔进行润滑。

其结构如图5-2所示。

5.3.4 活塞裙部及其侧表面形状设计

1)下裙结构

采用圆筒形的裙部其与曲轴平衡块其最小间隙在3~4mm。见图5-3。

2)裙部椭圆

活塞在气体压力和侧压力作用下的变形,以及活塞温度场的不均匀产生的热变形,均使活塞裙部沿活塞销轴线方向变长,为适应这种变形,须将裙部加工成椭圆。

图5-3 下裙结构

其椭圆形状采用正矢曲线椭圆(如图5-4):

eD1D2(1cos2)

4此法可使活塞与气缸有较大的贴合面积,降低比压,减少磨损。

- z -

- - -

图中D1D2为活塞椭圆度。现有铝活塞为

=0.25~1.45 mm。取=1 mm。

图5-4 裙部椭圆

5.3.5 活塞与缸套配合间隙

由于活塞侧表面形状及椭圆的要求,活塞间隙沿高度及圆周方向有不同的数值,其中重要的是活塞顶部间隙0和垂直销孔方向的裙部间隙。

由统计数据可知,对于共晶铝硅合金,推荐值为5.3.6 活塞重量的参考值

中小功率高速柴油机的活塞比重量5.3.7 活塞强度计算

表5-2 活塞强度计算用表

项目

活塞顶机械应力u

第一环岸

弯曲应力w

=4.575(

剪切应力

总应力

计算公式

许用值 [kgf/cm]

铝合金

有筋顶 500

铝合金

300~400

200.006,0.0014。

DDG3

0.9~1.4g/cm3Du0.68pz(D1271)0.6875()2328

228Dw4.5pz()2103

h1952)103=245

3.523.14pz()102

=3.1475(Dh195)102=63.6

3.52w232=2452363.62=269

q1Nmax531.62=7.9

DH29.57.1高速柴油机 5~8

裙部比压q1

- z -

- - -

销座比压q2

q2PzPj15316.2==211

2dl23.53.6400~600

注:NmaxD240pz9.524075531.62

kgf

Pz4D2pz49.52755316.2

kgf

经计算表明,活塞强度满足要求。

5.3.8 活塞的冷却

活塞比功率Np0.154

PS/cm2

其值小于 无油冷方式的上限值 0.3

PS/cm2,故无需对活塞进行油冷却。

5.5.9 活塞的材料及工艺

采用共晶铝硅合金 66-1铸造,材料的综合性能较好。

5.4 活塞销的设计

5.4.1 活塞销的结构及尺寸

1)结构的选用

采用如图5-5典型结构

2)尺寸

外径:d = 0.37D=35 mm;

径:d0=20 mm;

长度: l = 80 mm;

图5-5 活塞销结构

5.4.2 轴向定位

由于采用浮式活塞销,工作时在销座有相对滑动,为防止活塞销轴向串动,擦伤气缸,用弹性挡圈定位的方式。此法简单,广为应用。矩形弹性挡圈按 GB

893.1—1986选用。

5.4.3 活塞销和销座的配合

查表可知

当活塞销外径:d = 0.35D=35 mm;选择活塞销和销座的配合间隙为 5

 m

- z -

- - -

5.4.4 活塞销的强度校核

表5-3 活塞销强度计算用表

项目

弯曲变形f

计算公式

1pzD2a2(2ab)f60E(d4d04)1759.525.82(25.83.3)

644602.210(3.52)1.07104cm[f]0.015许用值

D10009.50.015

10001.43104cm

椭圆变形dpzD2(dd0)3320El(dd0)3[]0.025d

759.52(3.52)3

633202.2108(3.52)5.93105cm(2ab)pzD2dd4d041000.5(D100)10001000.5(9.5100)0.025

1000137105cm纵向弯曲应力1[]3500~5000kgf/cm2

(25.83.3)759.523.5

44(3.52)1467kgf/cm21

横向弯曲应力3pzD2(dd0)216l(dd0)23759.52(3.52)

168(3.52)21219kgf/cm2

[]3500~5000kgf/cm2

2

总应2212力

14672121921907kgf/cm2

经校核,活塞销强度满足。

5.4.5 活塞销材料及强化工艺

1)材料:20Cr

[]3500~5000kgf/cm2

2)强化工艺:冷挤压成型,双面渗碳,提高表面光洁度。

- z -

- - -

6 连杆组的设计

6.1 概述

连杆组在工作时主要承受下列载荷;

1) 由连杆力引起的拉压疲劳载荷;

2) 在连杆摆动平面,由连杆力矩引起的横向弯曲载荷;

3) 由于压入连杆衬套,拧紧连杆螺栓,压紧轴瓦等产生的装配静载荷。

6.2 连杆的结构类型

1)采用斜切口连杆;

2)定位方式: 销套定位;

3)连杆材料:45钢;

4)成型方法:精锻;

5)强化工艺:调质,表面喷丸。

6.3 连杆的基本设计

6.3.1 主要尺寸比例

参考现有柴油机的尺寸比例,选定参数如表6-1所示。

各参数意义参见图6-1所示。

表6-1 连杆主要尺寸比例

=R/l

0.274

b2/D1

0.543

d/D

0.368

l1/D1

1.286

/d

0.057

dM/D

0.126

d2/d1

1.282

H/D

0.316

D1/D

0.737

B/H

0.667

b1/d

0.971

t/H

0.2

- z -

- - -

图6-1 连杆尺寸参数

6.3.2 连杆长度

由上表参数=R/l=0.274 及S=2R可知,l=210 mm。

6.4 连杆小头设计

6.4.1 连杆小头结构

选用圆环型小头,如图6-2所示。该形式构型简单,制造方便,材料能充分利用,在小型高速柴油机上广泛应用。

图6-2 连杆小头结构

6.4.2 小头结构尺寸

由b1/d=0.971,得小头宽度b1=34 mm ,由此可知销座与连杆小头的间隙为1Bb1=2 mm。

此处需校核小头轴承的比压,由公式

- z -

- - -

qPz5316.2447kgf/cm2,而高速柴油机的青铜衬套的许用比压为db13.53.4[630kgf/cm2],故强度满足。

6.4.3 连杆衬套

1)衬套结构

如图6-3所示

图6-3 小头衬套结构

2)衬套与小头孔和活塞销的配合参见表6-2(单位:mm)

表6-2 衬套与小头孔和活塞销的配合

活塞销

外径d

连杆衬套

0.064350.025

连杆衬套

外径

0.068390.043

连杆小头

孔径

0.025390

活塞销与

衬套间隙

衬套与小头孔过盈量

350.011

0.025~0.075 0.018~0.068

3)衬套的润滑方式

在小头上方开集油孔,利用曲轴箱中飞溅的油雾进行润滑,该方式在小型高速柴油机上应用较广泛。

4)衬套材料

采用锡青铜,ZQSn5-5-5 ,该材料在中小功率柴油机上应用较广。

- z -

- - -

6.5 连杆杆身

1)杆身结构

高速柴油机上广泛采用工字型截面。

形式如图6-4所示。

图6-4 连杆杆身截面

6.6 连杆大头

6.6.1 连杆大头结构

采用斜切口大头(如图6-5所示):该形式在满足活塞连杆组能从气缸装拆条件下,可以增大曲柄销直径,有利于提高曲轴刚度及连杆轴承的工作能力,切口角取45。

图6-5 连杆大头结构

6.6.2 大头尺寸

1)连杆大头尺寸主要取决于曲柄销直径D2、长度L2及连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径dM。D2、L2、等尺寸,由曲轴和轴承设计决定,dM则根据强度要求设计。

2)为使活塞连杆组能从气缸中装拆,要求大头的最大横向尺寸小于气缸直径。

- z -

- - -

3)连杆螺栓孔中心线应尽量靠近轴瓦,连杆螺栓孔中心距一般为t1(1.2~1.3)D1。螺孔外侧边厚不小于2~4mm。

4)连杆大头高度H1、H2,对于斜切口连杆:

H1(0.190.24)D1;H2(0.410.58)D1

6.7 连杆强度的计算校核

6.7.1 连杆小头的校核

1、由衬套过盈配合及受热膨胀产生的应力

由衬套过盈配合及受热膨胀产生的径向均布压力

pt2d22d12d1d22222dd1ddd121EE

其中—衬套压配过盈量。=0.018~0.068mm;取最大值。

t—衬套小头热膨胀不均产生的过盈量。

E—连杆的弹性模量。E2.2106

kgf/cm2

E—衬套的弹性模量。E1.15106

kgf/cm2

t()td1(1051.8105)1003.93.12103cm代入上式

p36.8103523.923.923.520.30.3222253.93.93.540661.15102.210=93.8

kgf/cm2

由p引起的小头应力

- z -

- - -

表面

id2d1d2d12222523.922kgf/cmp293.8385.2

253.923.92p293.8291.4

kgf/cm2

253.9外表面

a

2d1222d2d12、由惯性力拉伸时引起的小头应力

各截面的弯矩与法向力按下列公式求得

1)在0的截面上

弯矩

M0Pjmaxr(0.00033c0.0297)

法向力N0Pjmax(0.5720.0008c)

其中:

H3011.2590arcos2133

固定角c90arcos2r22511.25小头平均半径

rd1d23.952.225cm

44Pjmax—活塞组最大惯性力。

PjmaxG21.3652000R(1)(2)20.05751.274447.6kg

g9.860计算得:

M0447.62.225(0.000331330.0297)14.2kgf/cm

N0447.6(0.5720.0008133)208.4kgf

2)当090时

M1M0N0r(1cos)0.5Pjmaxr(1cos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(1cos)

34.3cos20.07N1N0cos0.5Pjmax(1cos)208.4cos0.5447.6(1cos)

223.815.4cos- z -

- - -

3)当90c

M2M0Nor(1cos)0.5Pjmaxr(sincos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(sincos)

477.934.3cos498sinN2N0cos0.5Pjmax(sincos)208.4cos0.5447.6(sincos)

223.8sin15.4cos4)当c

M(c)

N(c)174.2kgf

4) 在任意截面上的应力为:

外表面

6rh1aj2Mh(2rh)KNb1h

表面

6rh1ij2Mh(2rh)KNb

1h其中:

小头壁厚hd2d1253.920.55cm

KEFEFEF0.84

小头截面积F(d2d1)b11.13.43.74cm2

衬套截面积F(d1d)b1(3.93.5)3.41.36cm2

E2.2106

kgf/cm2

E1.15106

kgf/cm2

故上式可化简为

外表面

- z -

- - -

aj5.4M0.45N (kgf/cm2)

表面

ij6.38M0.45N (kgf/cm2)

5) 拉伸时的最大应力

当c时,外表面aj达到最大

ajmax5.4M(c)0.45N(c)5.490.30.45174.2566kgf/cm[s]3530kgf/cm当90时,表面ij达到最大

22

ijmax6.38M(90)0.45N(90)(6.38)(20.7)0.45223.8233kgf/cm[s]3530kgf/cm故受拉伸载荷时满足要求

3、由最大压缩力引起的小头应力

1)最大压缩力

PcPzPjmax=5316.2+(-447.6)=4868.6

kgf

22

2)求各截面的弯矩和法向力

当090时

M1M0N0r(1cos)

N1N0cos

其中M0,N0由图6-6辅助计算得

N00.0075,则N00.00754868.636.5kgf

PcM00.0025,则

PcrM0(0.0025)4868.62.22527.08kgfcm

故M154.1481.2cos

kgfcm

- z -

- - -

N144.244cos

kgf

图6-6 辅助计算用图

当90c时

M2M0N0r(1cos)Pcr(N2Pc(sin41sincos)

2sin41sincos)N0cos

23)压缩时的最大应力

当c时,外表面aj达到最大

ajmax5.4M2(c)0.45N2(c)5.4(223)0.451241148kgf/cm[s]3530kgf/cm当c时,表面ij达到最大

22

ijmax6.38M(c)0.45N(c)(6.38)(223)0.451241479kgf/cm[s]3530kgf/cm故受压缩载荷时强度满足。

4、小头的安全系数

1)仅考虑工艺因素对疲劳强度的影响

22

n1zam

其中

1z—材料在对称循环下的拉压疲劳极限;

a—应力幅;

—考虑表面加工情况的工艺因素;

m—平均应力;

—角系数,2100;

- z -

- - -

1—材料在对称循环下的弯曲疲劳极限;

0—材料在脉动循环下的弯曲疲劳极限,0=(1.4~1.6)1。

2)小头应力按不对称循环变化,在固定角c截面处外表面应力变化较大,通常只计算该处安全系数。

aj 循环最大应力

maxaac 循环最小应力

mina应力幅

amaxmin2ajac2

平均应力

mmaxmin2ajac2a2

查表值 45钢的B=6000

kgf/cm2,则

1(0.45~0.55)B0.560003000kgf/cm2

1z(0.7~0.9)10.830002400kgf/cm2

0(1.4~1.6)11.530004500kgf/cm2

21002300045000.33

45003)在固定角c截面的外表面处

应力幅

aajac2566(1148)857kgf/cm2

2566(1148)2291.40.4kgf/cm2

2平均应力

majac2a2则小头的安全系数n1zam24008570.330.40.82.2

小头的安全系数不应小于1.5,故满足要求。

5、小头横向直径的减小量

- z -

- - -

由公式计算1Pjmaxdm(c90)210EJ63

其中dm2r22.2254.45cm

hd2d153.90.55cm

22b1h33.40.553J0.04714cm4

1212E2.2106

kgf/cm2

代入上式得

1Pjmaxdm(c90)2106EJ3447.64.45343267.03104cm

6102.2100.04714(为活塞销与衬套的配合间2为使活塞销与连杆衬套不致咬死,应使1隙)

由4.4节可知=0.025~0.075mm,故6.7.2 连杆杆身的校核

1、杆身计算力

1)最大拉伸力

PjGG2R(1)

g=0.0125~0.0375mm,1满足。

2其中G,G分别为活塞组重量(1400g)和位于计算截面以上部分的连杆组的重量(2400g);代入

PjGG21.41.2200022R(1)()0.061.274890kgf

g9.8602)最大压缩力

PcPz4D2pz49.52755316.2

kgf

2、杆身中间截面I—I处的应力与安全系数

1)由Pj引起的拉伸应力

- z -

- - -

jPjF ,式中F—杆身中间截面积,经计算F=3.17cm2

代入得

j890275kgf/cm2

3.242)由Pc压缩和纵弯曲引起的合成应力

在摆动平面

PcCl21Pc

FJx式中C=0.00035;

JX11[BH3(Bt)h3][233(20.6)1.83]3.82cm4

1212PcCl25316212则1Pc0.0003553161892kgf/cm2

FJx3.173.82在垂直于摆动平面

PcCl22Pc

F4JY式中JY11[(Hh)B3ht3][(31.8)231.80.63]0.83cm4

1212dd23.95ll12116.55cm

22PcCl2531616.552则2Pc0.0003553161677kgf/cm2

F4JY3.1740.833)在杆身中间截面的应力幅a和平均应力m

在摆动平面

应力幅

ax1j21892(275)1083.5kgf/cm2

21892(275)808.5kgf/cm2

2平均应力mx1j2在垂直于摆动平面的

- z -

- - -

应力幅

aY2j21677(275)976kgf/cm2

21677(275)701kgf/cm2

2平均应力mY2j24)在摆动平面和垂直于摆动平面的安全系数nX,nY

nX1zaXmX1zaYmY24001083.50.33808.50.824009760.337010.81.48

nY1.65

7 配气凸轮的设计

7.1 凸轮外形设计得任务和要求

凸轮外形设计的任务是根据发动机的性能要求选择适当的凸轮廓线。一个良好的配气凸轮,既应使发动机具有良好的充气性能,又要保证配气机构工作平稳,安全可靠。

发动机凸轮外形设计从保证较大的时间面积值和较佳的配气机构动力学特性出发,预先给定挺柱升程规律而后求出凸轮的几何形状。

7.2 凸轮设计主要参数的选择和限制条件

配气相位与凸轮作用角选取决定于发动机的性能要求,并与发动机气流通道的形状和断面尺寸相适应。凸轮作用角0.5(18012) (deg)

1——进气或排气的提前开启角(CA);

2——进气或排气的滞后关闭角(CA)。

参考同类型柴油机,选定S195柴油机的配气正时角,见表7-1

表7-1 S195柴油机配气正时的选定

进气 排气

- z -

- - -

上止点前(CA)

下止点后(CA)

下止点前(CA)

上止点后(CA)

17 43 43 17

7.3 缓冲曲线设计

为控制气门开启端得冲击和关闭端得落座速度,凸轮廓线两端必须设有等加速—等速型缓冲曲线。(挺柱升程hr0、速度Vr0、加速度Jr0)

等加速段(01时)hr0hR2 (mm)

2A10(2A1)2hR

(mm/deg)

2A10(2A1)2hR

(mm/deg2)

2A10(2A1)

Vr0

Jr0加速段(10时)hr02hRAh1R (mm)

0(2A1)2A12hR

(mm/deg)

0(2A1)

Vr0

Jr00

本设计中取A10.5

等加速—等速型缓冲曲线具有如下特点:

(1)缓冲段终点的加速度为0,因而冲击噪声小。

(2)无论在气门的开启或降落侧,如气门间隙和配气机构刚度不同,不会影响挺柱的速度和加速度。

(3)由于气门间隙发生变化或配气机构刚度、凸轮制造尺寸有差异而引起的气门开启和落座点的变化较小,因而对配气正时的影响不大。

(4)由于缓冲曲线终点时挺柱升程对凸轮转角的二阶、三阶等导数皆为0.所以它与凸轮基本段廓线衔接的光滑性较好。

- z -

- - -

7.4 凸轮的选型及计算

采用等加速—等速型缓冲曲线的对称型七项式多项动力凸轮,函数凸轮的主要特点是运动的规律性,加速度曲线连续,不会引起惯性力突变,从而减小配气机构产生跳动或振动倾向。

1)凸轮计算参数的选取:

发动机转速ne2000rpm;

凸轮轴转速nc1000rpm;

气门最大升程hrmax11.172mm;

缓冲段终点挺柱升程hR0.25mm;

缓冲段角025;

缓冲段等加速部分凸轮转角1与缓冲段角0之比A10.5;

提前开启角143,滞后关闭角217,凸轮作用角0.5(4317180)120;

凸轮半作用角00.560;

摇臂比lv1.36,凸轮基圆半径r016.75mm;

lr进气门弹簧刚度P'2.26kgf/mm;

自由项系数C40.1hrmax1.1172mm;

幂指数p=14、q=20、r=32、s=40,采用第一种边界条件。

2)配气机构刚度计算

1008731.3620.059686mm;

摇臂变形量fR31.71047184(1.361)2Fl31000183640.003021mm; 摇臂轴变形量fT543EI321016- z -

- - -

摇臂座变形量fb100400.000338mm;

41.37510861.61002951.3620.051690mm;

推杆变形量fr422.11050.310053.5210021.3620.014275mm;

凸轮轴变形量fc432.11038350153.5 配气机构总变形量

f0.129011mm

配气机构刚度K0100775kgf/mm;

0.129011K0P'7752.26 配气机构刚度系数11.002916;

K07751.360.960/180 未知系数Q0.012204;

11.00291610002/60iVR0可得方程组:

C0hrmax11.172

C40.1hrmax1.117C2CpCqCrCs12.2892

2C214Cp20Cq32Cr40Cs4.481004

2C2182Cp380Cq992Cr1560Cs13.40642184Cp6840Cq29760Cr59280Cs26.8128

24024Cp116280Cq863040Cr2193360Cs26.8128解方程组可得结果,见表7-2

表7-2 方程系数解

C0

11.172000

-16.989511

C2

- z -

- - -

C4

Cp

Cq

1.117200

15.895818

-14.569295

4.576135

-1.202346

Cr

Cs

3)上升侧基本工作段气门升程hr、速度Vr、加速度Jr的计算(01)

6026046014hr11.17216.989511()1.1172()15.895818()60606060206032604014.569295()4.576135()1.202346()(mm)

606060Vrhr

mm/s

Jrhr

mm/s2

由于凸轮采用对称结构,下降段计算类似,不再赘述。

4)当量挺柱升程、速度、加速度的计算



(mm)

h00.341.002961hv2.566915hv1.002961hv2.566915hv

(mm/s)

h01.002961hv2.566915hv

(mm/s2)

h05)挺柱升程、速度、加速度的计算

缓冲段:

等加速度段

hT00.2522

(mm)

218750.525(20.5)20.250.00896

(m/s)

20.525(20.5)20.2575.264

(m/s2)

20.525(20.5)VT0JT0- z -

- - -

等速段

hT01

(mm)

7512VT00.112

(m/s)

基本工作段挺柱升程:

h0

(mm)

1.36h0hT

(m/s)

1.36hhT0

(m/s2)

1.36hT6)凸轮廓线的计算

以凸轮基圆中心为原点的xx,yy直角坐标系表示,则可知

x(16.75hr)sinhrcos

(mm)

y(16.75hr)coshrsin

(mm)

7)时间截面Tc的计算

CpCqCC2C4CTc2a(hvmaxrs)35p1q1r1s1

8)丰满系数f的计算

CpCqCC2C4Cf(hvmaxrs)hvmax35p1q1r1s1

10.556上述计算的结果见表7-3

表7-3 配气机构综合计算结果

凸轮转角

0

1

2

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm

0.00000—

0

0.000533

速度m/s

0.000000 0.000000

0.008960 0.377886

x

凸轮廓线

y

16.750000

16.746489

0.002133 0.017920 0.755660 16.73595- z -

- - -

凸轮转角

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm 速度m/s x

凸轮廓线

y

6

0.004803

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

0

0.008533

0.013333

0.019200

0.026133

0.026880 1.133211 16.718404

0.035840 1.510428

0.044800 1.887200

0.053760 2.263415

0.062720 2.638962

16.693837

16.662258

16.623675

16.578095

16.525528

16.465985

16.399477

0.034133 0.071680 3.013730

0.043200

0.053333

0.064533

0.076800

0.090000

0.107520 4.502790

0.080640 3.387608

0.089600 3.760484

0.098560 4.132249 16.326018

16.245623

0.112000 4.830283 16.167803

16.093977 0.103333 0.112000 5.114940

0.116667 0.112000 5.398490 16.015137

0.130000 0.112000 5.680846 15.931298

15.842470.143333 0.112000 5.961919

0.156667 0.112000 6.241620

0.170000 0.112000 6.519863

8

15.748696

15.649973

15.437790.196667 0.112000 7.071624

0.210000 0.112000 7.344968

0.223335

15.324389

0.112000 7.616507 15.206141

0.183333 0.112000 6.796560 15.546331

- z -

- - -

凸轮转角

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm

3

0.23666速度m/s x

凸轮廓线

y

15.083080.112000 7.886154

0.112000 8.153824

0

14.955234

24

25

0.000000

7

0.250000

0.250000

0.252296

0.262846

0.283355

26 0.000000 0.001220 0.112000 8.413587 14.810653

14.663600.112000 8.671829 5 27 0.000267 0.003027 40.029458

28 0.001985 0.022533 217.047118 0.112000 8.931377 14.519343

0.154784 9.550687 14.181124

0.228423 10.421573 13.688150

0.320281 11.434175 13.091358

12.379480.431587 12.595359

0.558364 13.869650 11.567467

0.693751 15.199542 10.687148

0.830188 16.523859 9.777011

0.960898 17.789582 8.874322

20.002946

29 0.009972 0.081084 495.647870

30

31

32

0.031768 0.188773 793.379783 0.315072

1043.975260.075489 0.342865 0

0.360520

0.422920.148016 0.532124 1211.947238

1288.399744

1281.828546

1209.536341

1091.402429

3

0.505247

0.609523

0.736554

0.885932

33 0.253994 0.741731

34 0.395568 0.956962

35 0.572595 1.165351

36

37

38

39

40

41

0.783115 1.357597

1.023889 1.527648 946.073604 1.056241 1.080638 18.957431 8.010380

1.290917 1.672313 789.055949 1.245338 1.185913 9 7.208395

1.579863 1.790676 632.091087 1.450635 1.274854 20.914948 6.483250

1.886386 1.883469 483.294805 1.669350 1.346930 21.692753 5.842373

2.206365 1.952511 347.679021 1.898700 1.402612 22.343170 5.287148

22.877724

23.310401.469737

1.484425

5

23.655972 4.090508

4.418233

4.814477 42 2.536039 2.000241 227.810391 2.136039 1.443036

2.3789443 2.872078 2.029368 124.461213

44 3.211613 2.042622 37.179369

9

2.625284

- z -

- - -

凸轮转角

45

46

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm 速度m/s x

凸轮廓线

y

23.928793.552214 2.042587 -35.250707 2.873186 1.488829

3.3676547 4.228923 2.011736 -142.232509

-210.5029949

50

51

52

53

54

55

4.890186 1.952060 0

5

3.852739

4.089675.212489 1.914923 -234.164759

5.528300 1.874292 -252.641915

-267.032065.837102 1.830936

6.138494 1.785458

3

-278.242374 4.771669 1.316320

4.988226.432163 1.738324 -287.008181 7 1.282158

6

4.322087

4.549533 1.349051 24.715495 2.961785

24.752722

24.783249

24.808986.717864 1.689892 -293.915166 5.198993 1.246874

-299.4222956 6.995403 1.640430

57 7.264628 1.590142

58

6

-303.883745 5.602521 1.173823 24.851344 2.773269

5.795047.525413 1.539179 -307.568781 4 1.136371

24.869708

24.8869459 7.777656 1.487651 -310.679141 5.981285 1.098447

60

61

62

8.021270 1.435642 -313.363764 6.161172 1.060129

6.334648.256181 1.383214 -315.730988 3 1.021471 24.919266 2.660345

24.934728.482321 1.330412 -317.858420 6.501646 0.982517

-319.8007863 8.699632 1.277272

64

65

0 6.662134

0.943299

0.903848.908061 1.223820 -321.596013 6.816065

9.107556 1.170080 -323.269966.963400

0

24.949827

24.964629 2.573174

2.602862

2.631884

2

24.903387 2.688411

2.716328

2.744447

5.403802 1.210702 24.831345 2.803476

7 2.835996

2.872064

2.913298

1.379957 24.669014 3.020182

1.408535

1.434154

1.473224

0

24.307622

24.533896

24.609925 3.091813

3.180770

3.431365

3.822586

3.891868 2.031606 -94.457781 3.121081 1.484595 24.142098 3.605669

48 4.562050 1.984731 -180.357828 3.611832 1.456033 24.435419 3.291999

0.864162 24.979137 2.542755

- z -

- - -

凸轮转角

升程 mm

气门

速度 m/s

挺柱

加速度m/s2 升程mm

9

-324.839932

0.824287.104108 0

0.784207

0.743956

0.703537

0.662961

0.62223速度m/s x

凸轮廓线

y

24.993347

25.007242

25.020797

25.033987

25.046780 2.379186

2.413405

2.446889

2.479617

2.511573 66 9.298072 1.116069 2

67 9.479565 1.061805 -326.317228 7.238151

7.3655068

69

9.651994 1.007301 -327.709113 0

9.815320 0.952573 -329.020131 7.486127

-330.253047.600004 8 70 9.969507 0.897632

71

72

73

74

75

76

77

78

79

10.114520 0.842493 -331.409503 7.707106

10.250327

10.376899

10.494207

10.602226

10.700931

10.790302

10.870317

10.940961 0.395712

0.451994

0.508177

0.620195 -335.284145 8.067310

0.676005

0.731667

0.787167

-332.490434

-333.496357

-334.427548 7.987531

7.900891

7.807409

8 25.059148 2.344259

25.071060.581376

0.540386

0.499277

0.458057 25.103785 2.198122

0

25.082489

25.093406 2.235550

2.272406

2.308655

0.564248 -336.066214 8.140211 0.416737 25.113602 2.160162

-336.773783

-337.406866

-337.965467

-338.449587

-338.859227

8.317490

8.362732

8.401030

8.432376

8.456764

8.484640.125438 25.164857 1.883014

0.041825 25.173428 1.801465

8.265315

8.206218

0.375325 25.122833 2.121710

0.333830 25.131458 2.082806

0.292262 25.139456 2.043493

0.250629 25.146810 2.003813

0.208942 25.153504 1.963811

0.167208 25.159524 1.923530

80 11.002217 0.339343

81 11.054071 0.282900

82 11.096513 0.226394 -339.194387

-339.4550683 11.129533 0.169839

84

85

7

11.153124 0.113247 -339.641267 8.474188 0.083641 25.169495 1.842311

11.167281 0.056630 -339.75298- z -

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