2024年2月16日发(作者:齐婉静)
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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:Vh4D2S40.09520.1150.000815
m3;
2) 压缩终点容积:VVh0.000815c12010.000043
m3;
3) 燃烧1公斤燃料理论所需空气量L010.21C12H4O320.945kgmol/kg;
4) 进气充量公斤摩尔数:M1L00.593kgmol/kg;
5) 燃烧产物公斤摩尔数:MH2L04O320.6256kgmol/kg;
6) 理论分子变更系数:M20M1.055;
17) 实际分子变更系数:0r11.054;
r8) 进气系统温度:TsT0293K;
9) 压缩始点温度:TTsTrTra1=326 K;
r10) 充量系数:paTs1v1p0.784;
zTa1r11) 压缩终点气缸压力:pcpan149.3kgf/cm2;
12) 压缩终点温度:Tn11cTa973K;
- z -
:
- - -
13)
14)
15)
压力升高比:pz1.50;
pc定容燃烧终点温度:TyTc1460K;
最高燃烧温度:
tz1(cp2)mdHu(c)1.986(1)t524()p1mcd
M1(1r)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:dTz1.592;
Tc燃烧终点气缸容积:VzVc0.00007m3;
- z -
- - -
18) 膨胀终点气缸压力:pn2bpc()3.49kgf/cm2;
19) 膨胀终点温度:T(bTz)n211285K;
20) 理论平均指示压力:p1(1)n1()n11n(11ipc2n211111)
=10.03kgf/cm2;
21) 实际平均指示压力:pifpi9.43kgf/cm2;
22) 平均有效压力:pcmpi6.78kgf/cm2;
23) 有效功率:NhnZepeV0.912PS;
24) 指示热效率:i1.986M1piTsH0.396;
uvps25) 有效热效率:emi0.285;
26) 有效燃油消耗率:ge632000H211g/PS•h;
ue27) 进气流量:GpsVh104nsRTZs0.0124kg/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Rl0.2738;
活塞面积FD22p478.65cm;
- z -
- - -
标定功率Ne:8.8kw (12PS);
标定转速:2000 rpm;
曲轴旋转角速度n30210rad/s
244100rad2/s2;
曲轴销中心的切向速度R12.075m/s;
曲柄销中心的切向加速度R22535.75m/s2;
活塞平均速度CmSn7.67m/s;
302)往复运动质量mj
活塞组实测重量G01.365kg。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mjmpmca
=1(1.3650.6)0.2005(kg•s2/m)
gmjmjFp0.20050.00283(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
GI0.71kg,I7.6cm;
GII0.108kg,II7.5cm;
GIII0.563kg,III5.7cm;
其中,I部分表示平衡块,即Gb0.71kg,7.6cm。
故GbGIIIIIIGIIII0.5635.70.1087.520.276kg
R5.751(0.2761.535)0.1847kg•s2/m
gmrmdmcb3.2 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:
xr[1cos1(112sin2)]
- z -
- - -
r(sin活塞速度:vx2sin2)
(coscos2)r2
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pNf(x)的变化曲线,如图3-4所示;
绘制pgf(),pjf(),pf()的变化曲线,如图3-5所示;
绘制p1f(),praf()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3-4pNf(x)的变化曲线
- z -
- - -
图3-5
pgf(),pjf(),pf()的变化曲线
图3-6
pf(),praf()的变化曲线
- z -
- - -
图3-7 曲轴输出扭矩曲线
Mtmax
Mtm当380时,Mtmax。
取m0.72,则NiNe1216.67 PS。
0.72mMtm71620Ni16.6771620597kgf•cm
n20001054417.67
59723)飞轮矩GfDm的计算
根据S195型柴油机的多种用途,选取n=2000rpm。
I16.531041。查表 ,1.3。Ne12PS,50Ne1.31246.53106.367103kg•s2•m
31n(2000)350GfDm4gI149.816.3671032498.4kg•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
Prb2mb220.710.07644100485.2kgf
9.81柴油机不平衡的离心惯性力
PrmrR20.18272535.76468.4kgf
因为PrbPr,故可在校正平衡时,从平衡块的边缘处(09.5cm)钻去适当的重量Go。
Go(PrbPr)g(485.2468.4)98139g
9.544100022)一级往复惯性力的平衡
PjImjR2cos
PjIA1B1
A1A1ej
B1B1ej
A1B11mjR2
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。
G11.9655.755.6494kg•cm
23)二级往复惯性力的平衡
PjIImjR2cos2
PjIIA2B2
A2A2ej2
- z -
- - -
B2B2ej2
A2B21mjR2
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 -
- - -
NpNe412D2S/D40.154
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):
eD1D2(1cos2)
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D1D2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
=4.575(
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
200.006,0.0014。
DDG3
0.9~1.4g/cm3Du0.68pz(D1271)0.6875()2328
228Dw4.5pz()2103
h1952)103=245
3.523.14pz()102
=3.1475(Dh195)102=63.6
3.52w232=2452363.62=269
q1Nmax531.62=7.9
DH29.57.1高速柴油机 5~8
裙部比压q1
- z -
- - -
销座比压q2
q2PzPj15316.2==211
2dl23.53.6400~600
注:NmaxD240pz9.524075531.62
kgf
Pz4D2pz49.52755316.2
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Np0.154
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(2ab)f60E(d4d04)1759.525.82(25.83.3)
644602.210(3.52)1.07104cm[f]0.015许用值
D10009.50.015
10001.43104cm
椭圆变形dpzD2(dd0)3320El(dd0)3[]0.025d
759.52(3.52)3
633202.2108(3.52)5.93105cm(2ab)pzD2dd4d041000.5(D100)10001000.5(9.5100)0.025
1000137105cm纵向弯曲应力1[]3500~5000kgf/cm2
(25.83.3)759.523.5
44(3.52)1467kgf/cm21
横向弯曲应力3pzD2(dd0)216l(dd0)23759.52(3.52)
168(3.52)21219kgf/cm2
[]3500~5000kgf/cm2
2
总应2212力
14672121921907kgf/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1Bb1=2 mm。
此处需校核小头轴承的比压,由公式
- z -
- - -
qPz5316.2447kgf/cm2,而高速柴油机的青铜衬套的许用比压为db13.53.4[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
径
0.064350.025
连杆衬套
外径
0.068390.043
连杆小头
孔径
0.025390
活塞销与
衬套间隙
衬套与小头孔过盈量
350.011
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(0.190.24)D1;H2(0.410.58)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
pt2d22d12d1d22222dd1ddd121EE
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。E2.2106
kgf/cm2
E—衬套的弹性模量。E1.15106
kgf/cm2
t()td1(1051.8105)1003.93.12103cm代入上式
p36.8103523.923.923.520.30.3222253.93.93.540661.15102.210=93.8
kgf/cm2
由p引起的小头应力
- z -
- - -
表面
id2d1d2d12222523.922kgf/cmp293.8385.2
253.923.92p293.8291.4
kgf/cm2
253.9外表面
a
2d1222d2d12、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
M0Pjmaxr(0.00033c0.0297)
法向力N0Pjmax(0.5720.0008c)
其中:
H3011.2590arcos2133
固定角c90arcos2r22511.25小头平均半径
rd1d23.952.225cm
44Pjmax—活塞组最大惯性力。
PjmaxG21.3652000R(1)(2)20.05751.274447.6kg
g9.860计算得:
M0447.62.225(0.000331330.0297)14.2kgf/cm
N0447.6(0.5720.0008133)208.4kgf
2)当090时
M1M0N0r(1cos)0.5Pjmaxr(1cos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(1cos)
34.3cos20.07N1N0cos0.5Pjmax(1cos)208.4cos0.5447.6(1cos)
223.815.4cos- z -
- - -
3)当90c
M2M0Nor(1cos)0.5Pjmaxr(sincos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(sincos)
477.934.3cos498sinN2N0cos0.5Pjmax(sincos)208.4cos0.5447.6(sincos)
223.8sin15.4cos4)当c
M(c)
N(c)174.2kgf
4) 在任意截面上的应力为:
外表面
6rh1aj2Mh(2rh)KNb1h
表面
6rh1ij2Mh(2rh)KNb
1h其中:
小头壁厚hd2d1253.920.55cm
KEFEFEF0.84
小头截面积F(d2d1)b11.13.43.74cm2
衬套截面积F(d1d)b1(3.93.5)3.41.36cm2
E2.2106
kgf/cm2
E1.15106
kgf/cm2
故上式可化简为
外表面
- z -
- - -
aj5.4M0.45N (kgf/cm2)
表面
ij6.38M0.45N (kgf/cm2)
5) 拉伸时的最大应力
当c时,外表面aj达到最大
ajmax5.4M(c)0.45N(c)5.490.30.45174.2566kgf/cm[s]3530kgf/cm当90时,表面ij达到最大
22
ijmax6.38M(90)0.45N(90)(6.38)(20.7)0.45223.8233kgf/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
PcPzPjmax=5316.2+(-447.6)=4868.6
kgf
22
2)求各截面的弯矩和法向力
当090时
M1M0N0r(1cos)
N1N0cos
其中M0,N0由图6-6辅助计算得
N00.0075,则N00.00754868.636.5kgf
PcM00.0025,则
PcrM0(0.0025)4868.62.22527.08kgfcm
故M154.1481.2cos
kgfcm
- z -
- - -
N144.244cos
kgf
图6-6 辅助计算用图
当90c时
M2M0N0r(1cos)Pcr(N2Pc(sin41sincos)
2sin41sincos)N0cos
23)压缩时的最大应力
当c时,外表面aj达到最大
ajmax5.4M2(c)0.45N2(c)5.4(223)0.451241148kgf/cm[s]3530kgf/cm当c时,表面ij达到最大
22
ijmax6.38M(c)0.45N(c)(6.38)(223)0.451241479kgf/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
n1zam
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,2100;
- 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
maxaac 循环最小应力
mina应力幅
amaxmin2ajac2
平均应力
mmaxmin2ajac2a2
查表值 45钢的B=6000
kgf/cm2,则
1(0.45~0.55)B0.560003000kgf/cm2
1z(0.7~0.9)10.830002400kgf/cm2
0(1.4~1.6)11.530004500kgf/cm2
21002300045000.33
45003)在固定角c截面的外表面处
应力幅
aajac2566(1148)857kgf/cm2
2566(1148)2291.40.4kgf/cm2
2平均应力
majac2a2则小头的安全系数n1zam24008570.330.40.82.2
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1Pjmaxdm(c90)210EJ63
其中dm2r22.2254.45cm
hd2d153.90.55cm
22b1h33.40.553J0.04714cm4
1212E2.2106
kgf/cm2
代入上式得
1Pjmaxdm(c90)2106EJ3447.64.45343267.03104cm
6102.2100.04714(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
PjGG2R(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
PjGG21.41.2200022R(1)()0.061.274890kgf
g9.8602)最大压缩力
PcPz4D2pz49.52755316.2
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 -
- - -
jPjF ,式中F—杆身中间截面积,经计算F=3.17cm2
代入得
j890275kgf/cm2
3.242)由Pc压缩和纵弯曲引起的合成应力
在摆动平面
PcCl21Pc
FJx式中C=0.00035;
JX11[BH3(Bt)h3][233(20.6)1.83]3.82cm4
1212PcCl25316212则1Pc0.0003553161892kgf/cm2
FJx3.173.82在垂直于摆动平面
PcCl22Pc
F4JY式中JY11[(Hh)B3ht3][(31.8)231.80.63]0.83cm4
1212dd23.95ll12116.55cm
22PcCl2531616.552则2Pc0.0003553161677kgf/cm2
F4JY3.1740.833)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
ax1j21892(275)1083.5kgf/cm2
21892(275)808.5kgf/cm2
2平均应力mx1j2在垂直于摆动平面的
- z -
- - -
应力幅
aY2j21677(275)976kgf/cm2
21677(275)701kgf/cm2
2平均应力mY2j24)在摆动平面和垂直于摆动平面的安全系数nX,nY
nX1zaXmX1zaYmY24001083.50.33808.50.824009760.337010.81.48
nY1.65
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(18012) (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 -
- - -
开
上止点前(CA)
关
下止点后(CA)
开
下止点前(CA)
关
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(01时)hr0hR2 (mm)
2A10(2A1)2hR
(mm/deg)
2A10(2A1)2hR
(mm/deg2)
2A10(2A1)
Vr0
Jr0加速段(10时)hr02hRAh1R (mm)
0(2A1)2A12hR
(mm/deg)
0(2A1)
Vr0
Jr00
本设计中取A10.5
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ne2000rpm;
凸轮轴转速nc1000rpm;
气门最大升程hrmax11.172mm;
缓冲段终点挺柱升程hR0.25mm;
缓冲段角025;
缓冲段等加速部分凸轮转角1与缓冲段角0之比A10.5;
提前开启角143,滞后关闭角217,凸轮作用角0.5(4317180)120;
凸轮半作用角00.560;
摇臂比lv1.36,凸轮基圆半径r016.75mm;
lr进气门弹簧刚度P'2.26kgf/mm;
自由项系数C40.1hrmax1.1172mm;
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
1008731.3620.059686mm;
摇臂变形量fR31.71047184(1.361)2Fl31000183640.003021mm; 摇臂轴变形量fT543EI321016- z -
- - -
摇臂座变形量fb100400.000338mm;
41.37510861.61002951.3620.051690mm;
推杆变形量fr422.11050.310053.5210021.3620.014275mm;
凸轮轴变形量fc432.11038350153.5 配气机构总变形量
f0.129011mm
配气机构刚度K0100775kgf/mm;
0.129011K0P'7752.26 配气机构刚度系数11.002916;
K07751.360.960/180 未知系数Q0.012204;
11.00291610002/60iVR0可得方程组:
C0hrmax11.172
C40.1hrmax1.117C2CpCqCrCs12.2892
2C214Cp20Cq32Cr40Cs4.481004
2C2182Cp380Cq992Cr1560Cs13.40642184Cp6840Cq29760Cr59280Cs26.8128
24024Cp116280Cq863040Cr2193360Cs26.8128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(01)
6026046014hr11.17216.989511()1.1172()15.895818()60606060206032604014.569295()4.576135()1.202346()(mm)
606060Vrhr
mm/s
Jrhr
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)
h00.341.002961hv2.566915hv1.002961hv2.566915hv
(mm/s)
h01.002961hv2.566915hv
(mm/s2)
h05)挺柱升程、速度、加速度的计算
缓冲段:
等加速度段
hT00.2522
(mm)
218750.525(20.5)20.250.00896
(m/s)
20.525(20.5)20.2575.264
(m/s2)
20.525(20.5)VT0JT0- z -
- - -
等速段
hT01
(mm)
7512VT00.112
(m/s)
基本工作段挺柱升程:
h0
(mm)
1.36h0hT
(m/s)
1.36hhT0
(m/s2)
1.36hT6)凸轮廓线的计算
以凸轮基圆中心为原点的xx,yy直角坐标系表示,则可知
x(16.75hr)sinhrcos
(mm)
y(16.75hr)coshrsin
(mm)
7)时间截面Tc的计算
CpCqCC2C4CTc2a(hvmaxrs)35p1q1r1s1
8)丰满系数f的计算
CpCqCC2C4Cf(hvmaxrs)hvmax35p1q1r1s1
10.556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:Vh4D2S40.09520.1150.000815
m3;
2) 压缩终点容积:VVh0.000815c12010.000043
m3;
3) 燃烧1公斤燃料理论所需空气量L010.21C12H4O320.945kgmol/kg;
4) 进气充量公斤摩尔数:M1L00.593kgmol/kg;
5) 燃烧产物公斤摩尔数:MH2L04O320.6256kgmol/kg;
6) 理论分子变更系数:M20M1.055;
17) 实际分子变更系数:0r11.054;
r8) 进气系统温度:TsT0293K;
9) 压缩始点温度:TTsTrTra1=326 K;
r10) 充量系数:paTs1v1p0.784;
zTa1r11) 压缩终点气缸压力:pcpan149.3kgf/cm2;
12) 压缩终点温度:Tn11cTa973K;
- z -
:
- - -
13)
14)
15)
压力升高比:pz1.50;
pc定容燃烧终点温度:TyTc1460K;
最高燃烧温度:
tz1(cp2)mdHu(c)1.986(1)t524()p1mcd
M1(1r)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:dTz1.592;
Tc燃烧终点气缸容积:VzVc0.00007m3;
- z -
- - -
18) 膨胀终点气缸压力:pn2bpc()3.49kgf/cm2;
19) 膨胀终点温度:T(bTz)n211285K;
20) 理论平均指示压力:p1(1)n1()n11n(11ipc2n211111)
=10.03kgf/cm2;
21) 实际平均指示压力:pifpi9.43kgf/cm2;
22) 平均有效压力:pcmpi6.78kgf/cm2;
23) 有效功率:NhnZepeV0.912PS;
24) 指示热效率:i1.986M1piTsH0.396;
uvps25) 有效热效率:emi0.285;
26) 有效燃油消耗率:ge632000H211g/PS•h;
ue27) 进气流量:GpsVh104nsRTZs0.0124kg/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Rl0.2738;
活塞面积FD22p478.65cm;
- z -
- - -
标定功率Ne:8.8kw (12PS);
标定转速:2000 rpm;
曲轴旋转角速度n30210rad/s
244100rad2/s2;
曲轴销中心的切向速度R12.075m/s;
曲柄销中心的切向加速度R22535.75m/s2;
活塞平均速度CmSn7.67m/s;
302)往复运动质量mj
活塞组实测重量G01.365kg。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mjmpmca
=1(1.3650.6)0.2005(kg•s2/m)
gmjmjFp0.20050.00283(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
GI0.71kg,I7.6cm;
GII0.108kg,II7.5cm;
GIII0.563kg,III5.7cm;
其中,I部分表示平衡块,即Gb0.71kg,7.6cm。
故GbGIIIIIIGIIII0.5635.70.1087.520.276kg
R5.751(0.2761.535)0.1847kg•s2/m
gmrmdmcb3.2 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:
xr[1cos1(112sin2)]
- z -
- - -
r(sin活塞速度:vx2sin2)
(coscos2)r2
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pNf(x)的变化曲线,如图3-4所示;
绘制pgf(),pjf(),pf()的变化曲线,如图3-5所示;
绘制p1f(),praf()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3-4pNf(x)的变化曲线
- z -
- - -
图3-5
pgf(),pjf(),pf()的变化曲线
图3-6
pf(),praf()的变化曲线
- z -
- - -
图3-7 曲轴输出扭矩曲线
Mtmax
Mtm当380时,Mtmax。
取m0.72,则NiNe1216.67 PS。
0.72mMtm71620Ni16.6771620597kgf•cm
n20001054417.67
59723)飞轮矩GfDm的计算
根据S195型柴油机的多种用途,选取n=2000rpm。
I16.531041。查表 ,1.3。Ne12PS,50Ne1.31246.53106.367103kg•s2•m
31n(2000)350GfDm4gI149.816.3671032498.4kg•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
Prb2mb220.710.07644100485.2kgf
9.81柴油机不平衡的离心惯性力
PrmrR20.18272535.76468.4kgf
因为PrbPr,故可在校正平衡时,从平衡块的边缘处(09.5cm)钻去适当的重量Go。
Go(PrbPr)g(485.2468.4)98139g
9.544100022)一级往复惯性力的平衡
PjImjR2cos
PjIA1B1
A1A1ej
B1B1ej
A1B11mjR2
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。
G11.9655.755.6494kg•cm
23)二级往复惯性力的平衡
PjIImjR2cos2
PjIIA2B2
A2A2ej2
- z -
- - -
B2B2ej2
A2B21mjR2
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 -
- - -
NpNe412D2S/D40.154
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):
eD1D2(1cos2)
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D1D2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
=4.575(
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
200.006,0.0014。
DDG3
0.9~1.4g/cm3Du0.68pz(D1271)0.6875()2328
228Dw4.5pz()2103
h1952)103=245
3.523.14pz()102
=3.1475(Dh195)102=63.6
3.52w232=2452363.62=269
q1Nmax531.62=7.9
DH29.57.1高速柴油机 5~8
裙部比压q1
- z -
- - -
销座比压q2
q2PzPj15316.2==211
2dl23.53.6400~600
注:NmaxD240pz9.524075531.62
kgf
Pz4D2pz49.52755316.2
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Np0.154
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(2ab)f60E(d4d04)1759.525.82(25.83.3)
644602.210(3.52)1.07104cm[f]0.015许用值
D10009.50.015
10001.43104cm
椭圆变形dpzD2(dd0)3320El(dd0)3[]0.025d
759.52(3.52)3
633202.2108(3.52)5.93105cm(2ab)pzD2dd4d041000.5(D100)10001000.5(9.5100)0.025
1000137105cm纵向弯曲应力1[]3500~5000kgf/cm2
(25.83.3)759.523.5
44(3.52)1467kgf/cm21
横向弯曲应力3pzD2(dd0)216l(dd0)23759.52(3.52)
168(3.52)21219kgf/cm2
[]3500~5000kgf/cm2
2
总应2212力
14672121921907kgf/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1Bb1=2 mm。
此处需校核小头轴承的比压,由公式
- z -
- - -
qPz5316.2447kgf/cm2,而高速柴油机的青铜衬套的许用比压为db13.53.4[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
径
0.064350.025
连杆衬套
外径
0.068390.043
连杆小头
孔径
0.025390
活塞销与
衬套间隙
衬套与小头孔过盈量
350.011
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(0.190.24)D1;H2(0.410.58)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
pt2d22d12d1d22222dd1ddd121EE
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。E2.2106
kgf/cm2
E—衬套的弹性模量。E1.15106
kgf/cm2
t()td1(1051.8105)1003.93.12103cm代入上式
p36.8103523.923.923.520.30.3222253.93.93.540661.15102.210=93.8
kgf/cm2
由p引起的小头应力
- z -
- - -
表面
id2d1d2d12222523.922kgf/cmp293.8385.2
253.923.92p293.8291.4
kgf/cm2
253.9外表面
a
2d1222d2d12、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
M0Pjmaxr(0.00033c0.0297)
法向力N0Pjmax(0.5720.0008c)
其中:
H3011.2590arcos2133
固定角c90arcos2r22511.25小头平均半径
rd1d23.952.225cm
44Pjmax—活塞组最大惯性力。
PjmaxG21.3652000R(1)(2)20.05751.274447.6kg
g9.860计算得:
M0447.62.225(0.000331330.0297)14.2kgf/cm
N0447.6(0.5720.0008133)208.4kgf
2)当090时
M1M0N0r(1cos)0.5Pjmaxr(1cos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(1cos)
34.3cos20.07N1N0cos0.5Pjmax(1cos)208.4cos0.5447.6(1cos)
223.815.4cos- z -
- - -
3)当90c
M2M0Nor(1cos)0.5Pjmaxr(sincos)14.2208.42.225(1cos)0.5447.62.225(sincos)
477.934.3cos498sinN2N0cos0.5Pjmax(sincos)208.4cos0.5447.6(sincos)
223.8sin15.4cos4)当c
M(c)
N(c)174.2kgf
4) 在任意截面上的应力为:
外表面
6rh1aj2Mh(2rh)KNb1h
表面
6rh1ij2Mh(2rh)KNb
1h其中:
小头壁厚hd2d1253.920.55cm
KEFEFEF0.84
小头截面积F(d2d1)b11.13.43.74cm2
衬套截面积F(d1d)b1(3.93.5)3.41.36cm2
E2.2106
kgf/cm2
E1.15106
kgf/cm2
故上式可化简为
外表面
- z -
- - -
aj5.4M0.45N (kgf/cm2)
表面
ij6.38M0.45N (kgf/cm2)
5) 拉伸时的最大应力
当c时,外表面aj达到最大
ajmax5.4M(c)0.45N(c)5.490.30.45174.2566kgf/cm[s]3530kgf/cm当90时,表面ij达到最大
22
ijmax6.38M(90)0.45N(90)(6.38)(20.7)0.45223.8233kgf/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
PcPzPjmax=5316.2+(-447.6)=4868.6
kgf
22
2)求各截面的弯矩和法向力
当090时
M1M0N0r(1cos)
N1N0cos
其中M0,N0由图6-6辅助计算得
N00.0075,则N00.00754868.636.5kgf
PcM00.0025,则
PcrM0(0.0025)4868.62.22527.08kgfcm
故M154.1481.2cos
kgfcm
- z -
- - -
N144.244cos
kgf
图6-6 辅助计算用图
当90c时
M2M0N0r(1cos)Pcr(N2Pc(sin41sincos)
2sin41sincos)N0cos
23)压缩时的最大应力
当c时,外表面aj达到最大
ajmax5.4M2(c)0.45N2(c)5.4(223)0.451241148kgf/cm[s]3530kgf/cm当c时,表面ij达到最大
22
ijmax6.38M(c)0.45N(c)(6.38)(223)0.451241479kgf/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
n1zam
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,2100;
- 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
maxaac 循环最小应力
mina应力幅
amaxmin2ajac2
平均应力
mmaxmin2ajac2a2
查表值 45钢的B=6000
kgf/cm2,则
1(0.45~0.55)B0.560003000kgf/cm2
1z(0.7~0.9)10.830002400kgf/cm2
0(1.4~1.6)11.530004500kgf/cm2
21002300045000.33
45003)在固定角c截面的外表面处
应力幅
aajac2566(1148)857kgf/cm2
2566(1148)2291.40.4kgf/cm2
2平均应力
majac2a2则小头的安全系数n1zam24008570.330.40.82.2
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1Pjmaxdm(c90)210EJ63
其中dm2r22.2254.45cm
hd2d153.90.55cm
22b1h33.40.553J0.04714cm4
1212E2.2106
kgf/cm2
代入上式得
1Pjmaxdm(c90)2106EJ3447.64.45343267.03104cm
6102.2100.04714(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
PjGG2R(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
PjGG21.41.2200022R(1)()0.061.274890kgf
g9.8602)最大压缩力
PcPz4D2pz49.52755316.2
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 -
- - -
jPjF ,式中F—杆身中间截面积,经计算F=3.17cm2
代入得
j890275kgf/cm2
3.242)由Pc压缩和纵弯曲引起的合成应力
在摆动平面
PcCl21Pc
FJx式中C=0.00035;
JX11[BH3(Bt)h3][233(20.6)1.83]3.82cm4
1212PcCl25316212则1Pc0.0003553161892kgf/cm2
FJx3.173.82在垂直于摆动平面
PcCl22Pc
F4JY式中JY11[(Hh)B3ht3][(31.8)231.80.63]0.83cm4
1212dd23.95ll12116.55cm
22PcCl2531616.552则2Pc0.0003553161677kgf/cm2
F4JY3.1740.833)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
ax1j21892(275)1083.5kgf/cm2
21892(275)808.5kgf/cm2
2平均应力mx1j2在垂直于摆动平面的
- z -
- - -
应力幅
aY2j21677(275)976kgf/cm2
21677(275)701kgf/cm2
2平均应力mY2j24)在摆动平面和垂直于摆动平面的安全系数nX,nY
nX1zaXmX1zaYmY24001083.50.33808.50.824009760.337010.81.48
nY1.65
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(18012) (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 -
- - -
开
上止点前(CA)
关
下止点后(CA)
开
下止点前(CA)
关
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(01时)hr0hR2 (mm)
2A10(2A1)2hR
(mm/deg)
2A10(2A1)2hR
(mm/deg2)
2A10(2A1)
Vr0
Jr0加速段(10时)hr02hRAh1R (mm)
0(2A1)2A12hR
(mm/deg)
0(2A1)
Vr0
Jr00
本设计中取A10.5
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ne2000rpm;
凸轮轴转速nc1000rpm;
气门最大升程hrmax11.172mm;
缓冲段终点挺柱升程hR0.25mm;
缓冲段角025;
缓冲段等加速部分凸轮转角1与缓冲段角0之比A10.5;
提前开启角143,滞后关闭角217,凸轮作用角0.5(4317180)120;
凸轮半作用角00.560;
摇臂比lv1.36,凸轮基圆半径r016.75mm;
lr进气门弹簧刚度P'2.26kgf/mm;
自由项系数C40.1hrmax1.1172mm;
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
1008731.3620.059686mm;
摇臂变形量fR31.71047184(1.361)2Fl31000183640.003021mm; 摇臂轴变形量fT543EI321016- z -
- - -
摇臂座变形量fb100400.000338mm;
41.37510861.61002951.3620.051690mm;
推杆变形量fr422.11050.310053.5210021.3620.014275mm;
凸轮轴变形量fc432.11038350153.5 配气机构总变形量
f0.129011mm
配气机构刚度K0100775kgf/mm;
0.129011K0P'7752.26 配气机构刚度系数11.002916;
K07751.360.960/180 未知系数Q0.012204;
11.00291610002/60iVR0可得方程组:
C0hrmax11.172
C40.1hrmax1.117C2CpCqCrCs12.2892
2C214Cp20Cq32Cr40Cs4.481004
2C2182Cp380Cq992Cr1560Cs13.40642184Cp6840Cq29760Cr59280Cs26.8128
24024Cp116280Cq863040Cr2193360Cs26.8128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(01)
6026046014hr11.17216.989511()1.1172()15.895818()60606060206032604014.569295()4.576135()1.202346()(mm)
606060Vrhr
mm/s
Jrhr
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)
h00.341.002961hv2.566915hv1.002961hv2.566915hv
(mm/s)
h01.002961hv2.566915hv
(mm/s2)
h05)挺柱升程、速度、加速度的计算
缓冲段:
等加速度段
hT00.2522
(mm)
218750.525(20.5)20.250.00896
(m/s)
20.525(20.5)20.2575.264
(m/s2)
20.525(20.5)VT0JT0- z -
- - -
等速段
hT01
(mm)
7512VT00.112
(m/s)
基本工作段挺柱升程:
h0
(mm)
1.36h0hT
(m/s)
1.36hhT0
(m/s2)
1.36hT6)凸轮廓线的计算
以凸轮基圆中心为原点的xx,yy直角坐标系表示,则可知
x(16.75hr)sinhrcos
(mm)
y(16.75hr)coshrsin
(mm)
7)时间截面Tc的计算
CpCqCC2C4CTc2a(hvmaxrs)35p1q1r1s1
8)丰满系数f的计算
CpCqCC2C4Cf(hvmaxrs)hvmax35p1q1r1s1
10.556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
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