【正文】 方式有以下幾種，第一種是側(cè)置氣門，這種方式，結(jié)構(gòu)比較簡單，但是效率太低，而且傳播的距離叫長，現(xiàn)在，很少有這種方式。第二種是頂置氣門的方式，這種方式比較典型，凸輪可以放在氣缸的側(cè)面，放的位置低的叫下置凸輪軸，而位置放的高的叫頂置凸輪軸?，F(xiàn)在有不用凸輪的氣門機(jī)構(gòu)，這種叫無凸輪電磁氣門，這種方式是在氣門桿上面安裝有兩個(gè)電磁線圈和彈簧，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)根據(jù)曲軸的位置來判斷氣 門是關(guān)還是開。發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，氣門在彈簧的作用下處半開半閉的樣子。但是這種方式也有很大的缺點(diǎn)，成本太高，反應(yīng)的速度比較慢，沖擊力大，氣門的壽命短。 挺柱和推桿搖臂 挺柱的材料不能與凸輪軸相同，為了避免材料的摩擦力，挺柱平 面 的 最 小 半 徑 要 大 于 挺 柱 的 最 大 幾 何 速 度 。? ? 22m a xm in )2/(39。 bahR t ??? ，其中 a 是挺柱與凸輪中心的偏心距，而 b 是凸輪的寬度。推桿的剛度要好，且質(zhì)量要小，并且直線度的公差不超過 ，還應(yīng)空心鋼管的結(jié)構(gòu)。 （ 1） 搖臂要有足夠大的抗 彎剛度，并采用 T 形的斷面， （ 2） 搖臂要避免懸臂安裝，并且與氣門的接觸面要淬硬 （ 3） 注意加強(qiáng)剛度 氣門式配氣機(jī)構(gòu)109876123451氣門；2 氣門導(dǎo)管；3 氣門彈簧；4氣門鎖夾；5 彈簧座；6搖臂；7 搖臂軸支座；8 推桿；9挺柱；1 0凸輪軸 氣門的設(shè)計(jì) 氣門是很關(guān)鍵的部分，會(huì)影響柴油機(jī)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性，可靠性以及耐久性。要保證足夠大的流量是設(shè)計(jì)的目的。氣門的設(shè)計(jì)要求： （ 1） 有足夠大的進(jìn)氣流量，流動(dòng)阻力要小， （ 2） 質(zhì)量要盡量小 （ 3） 耐磨性要好 （ 4） 密封性也要好 一般來說，進(jìn)氣門的要大于排氣門，但是為了減少加工的成本，可以選擇排氣門與進(jìn)氣門一樣的大小，而排氣門的散熱能力要 好，耐熱性也要好，并且密封性和耐磨性也要好。氣門桿的長度 L,一般來說，氣門桿的長度受限于氣門彈簧的安裝高度，應(yīng)盡量減少氣門的長度，從而減少柴油機(jī)的高度， DL )~(? ,所以， ?? DL 132mm。氣門的直徑，對(duì)于每氣缸一進(jìn)一排來說，氣門的直徑一般為 ~ D,所以，氣門的直徑為 40mm。氣門的材質(zhì)，進(jìn)氣門的溫度低，會(huì)達(dá) 400~300 C? ,可以選擇 40Cr ，38 CrSi ，以及 VMn242 等合金制造。而排氣門的溫度高一些，650~500 C? ，所以要用熱穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高的材質(zhì)，如， 294 SiCr ，4 0210 MSiCr ， 0214144 MWNiCr ,其中， 0214144 MWNiCr 高硬度強(qiáng)度耐熱鋼比較滿足條件，在高溫下的強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，但是硬度不高，但是可以在氣門錐面上焊接硬質(zhì)合金的材料，能夠提高它的硬度以及耐磨性。 3 活塞組的設(shè)計(jì) 基本參數(shù)確定： 活塞行程與缸徑之比 DS/ ,活塞行程與缸徑之比是柴油機(jī)設(shè)計(jì)的最重要的條件，當(dāng)行程比確定后，氣缸的工作容積也就定下來了?，F(xiàn)在的汽車，工程機(jī)械，拖拉機(jī)的行程比在 ~ 之間，而高速柴油機(jī)的 DS/ ，一般在 ~ 之間，中速柴油機(jī)在1~，低速柴油機(jī)比較大為 ~,。汽油機(jī)的行程比在 ~之間，通常行程比小 1或?yàn)?1 的內(nèi)燃機(jī)稱 為短行程的內(nèi)燃機(jī)。根據(jù)我要設(shè)計(jì)的柴油機(jī)，我選擇 S/D 為 1. ，因?yàn)楦讖綖?120mm，所以行程 S 為 132mm，又因?yàn)椴裼蜋C(jī)每缸的工作容積 62 104 ??? SDVh ?,所以 LVh 62 ????? ??。功率的計(jì)算 ?30 nvipp hmee ???? ，其中mep 是平均有效壓力， MPa ， i 為氣缸數(shù)，四缸，所以 i=4，又因?yàn)榇瞬裼蜋C(jī)是四沖程，所以 ? =4，n 為轉(zhuǎn)速是 2200r/min。所以，功率 kwpe 88430 2 2 0 044 9 ?? ???? （ 12小時(shí)功率），活塞平均速度的計(jì)算 mC ： smnSC m / 1 3 2 0 030 ???? 活塞組的工作條件和設(shè)計(jì)要求 活塞組是柴油 機(jī)中受到工作強(qiáng)度最大的組件之一，它的工作特點(diǎn)如下：活塞在工作中要受很大的負(fù)荷，主要包括慣性力，氣體壓力，側(cè)作用力，現(xiàn)在增壓柴油機(jī)的最大氣體壓力大約為MPa15~13 。 .由于目前發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展是高速化，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)日益增強(qiáng)，使得活塞的平均速度達(dá)到了 9~13m/，使得活塞的慣性力增強(qiáng)，周期性改變的慣性力引起柴油機(jī)的震動(dòng)，使得連桿組的零件和曲軸組的零件，尤其是軸承負(fù)荷加大，導(dǎo)致柴油機(jī)的耐久性下降。為了適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)時(shí)要使得活 塞有合適的壁厚以及合理的形狀，在能承受足夠的強(qiáng)度下和剛度下，結(jié)構(gòu)要盡量簡單，輕巧，截面變化處用圓滑過渡來減少應(yīng)力集中。 活塞的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷 活塞在工作中承受很高的熱負(fù)荷，活塞在缸中承受變化的最高燃?xì)鈮毫Φ淖饔茫钊c熱氣體直接接觸，受到劇烈的加熱作用，熱量通過對(duì)流的方式傳給活塞頂，所以，活塞頂?shù)臏囟群芨?，整個(gè)活塞的溫度分布不均勻，從而形成熱應(yīng)力，使得活塞頂?shù)谋砻姘l(fā)生開裂。活塞的熱負(fù)荷決定于活塞的材料，結(jié)構(gòu)，以及使用情況等。影響活塞溫度的主要結(jié)構(gòu)有：活塞的直徑、活塞頂?shù)暮穸?、環(huán)帶的壁厚。活塞在 使用過程中會(huì)發(fā)生磨損，當(dāng)沿氣缸做高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)磨損，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)的活塞速度挺高，有的達(dá)到了12~14m/s。而活塞環(huán)組在高速滑動(dòng)時(shí)，活塞裙部還承受側(cè)壓力的作用。在潤滑不好的情況下，經(jīng)常使得活塞，活塞環(huán)以及氣缸之間劇烈摩擦和磨損。所以活塞組的摩擦損失占整個(gè)摩擦損失的45%~65%之間，或者更高。所以在設(shè)計(jì)活塞組時(shí)要滿足以下幾方面。 （ 1） 在強(qiáng)度和剛度足夠大的情況下使得重量最小 （ 2） 具有良好的密封性能 （ 3） 受熱少并且便于散熱 （ 4） 磨損要小 （ 5） 常見的活塞材料一般為灰鑄鐵，鋼，還有鋁合金。通常車 用活塞為整體鑄造，或者整體鍛造的鋁合金活塞?；诣T鐵的耐磨性和耐腐蝕性好、熱強(qiáng)度高、成本低，工藝性好等因素，以前廣泛應(yīng)用。然而現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高，強(qiáng)化度增加?；诣T鐵活塞比重大，導(dǎo)熱性差逐漸被鋁合金代替，現(xiàn)在的灰鑄鐵只用于一些大型，中低速柴油機(jī)。鋁合金的密度小，是灰鑄鐵的 3/1 ,重量為它的%70~%50 左右。另外，鋁合金導(dǎo)熱性好，傳熱系數(shù)是灰鑄鐵的 3到 4 倍。能降低活塞的工作溫度，提高充氣系數(shù)，防止?jié)櫥偷淖冑|(zhì)。鋁合金缺點(diǎn)是當(dāng)溫度升高時(shí)，硬度和強(qiáng)度下降快，產(chǎn)生變形，因此，加適量合金元素改善，可以加硅，根據(jù)含硅量的不同，可以分為亞共晶 (含 硅 10%~8% )，共晶 (含硅 %13~%11 )，過共晶（含硅 %26~%16 ）。當(dāng)含硅量增加時(shí)，鋁合金的強(qiáng)度，密度，導(dǎo)熱率以及膨脹系數(shù)都下降，而硬度及耐磨性提高。 此次我選擇 %12 硅的鋁合金材質(zhì)。 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞的尺寸如圖 78 活塞的尺寸查表 51 名稱 柴油機(jī) 汽油機(jī) 活塞高度 H （ ~） D （ ~） D 壓縮高度 H1 （ ~） D （ ~） D 裙部高度 H2 （ ~） D （ ~） D 頂岸高度 h1 （ ~） D （ ~） D 上裙部高度 h3 （ ~） D （ ~） D 下裙部高度 h4 （ ~） D （ ~） D 銷孔直徑 d （ ~） D （ ~） D 第一環(huán)岸高度 C1 （ ~） D （ ~） D 其他環(huán)岸高度 （ ~） D （ ~） D (1)活塞高度 H。如圖 710，活塞高度與環(huán)帶高度，頂岸高度，以及裙部高度有關(guān)系?？傇瓌t是應(yīng)盡量選取小的高度。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，驗(yàn)證確定高度 H 為 117mm。 (2)壓縮高度 H1。如圖 713 壓縮高度是活塞銷的中心到活塞頂高度的距離，將決定活塞銷的位置。在保證氣環(huán)較好的工作下，應(yīng)盡量縮短 H1 的值，能夠降低柴油機(jī)的高度。但在制作加工時(shí)必須保 證 好 的 精 度 。 確 定 了 H1 為 72mm 。而頂岸高度mmh ??? (3)而頂岸高度 h1,頂岸的高度確定了第一氣環(huán)的位置， h1 在保證工作溫度不超過溫度極限的情況下，盡可能的小，取小可以減少活 塞 的 重 量 ， 而 且 可 以 降 低 HC 的排放。如圖 716 mmh ??? 活塞頭部 活塞頭部包含了頂部和環(huán)帶部，主要目的是承受氣體壓力，并由銷座把力傳給連桿?；钊敽穸?? ，是由強(qiáng)度，還有剛度，以及散熱情況確定的，當(dāng) ? 變大時(shí)，頂部的熱應(yīng)力也變大，所以滿足強(qiáng)度要求時(shí)，則使 ? 的值取小，如表 76 然而對(duì)于此次的活塞頂部帶有燃燒室，因?yàn)闇囟茸畲髸r(shí)發(fā)生在燃燒室的邊緣，經(jīng)常發(fā)生疲勞或者裂紋，所以在燃燒室的邊緣處用耐熱鋼。為了能使第一環(huán)槽正常工作且不至于過早的損壞，可采取如下的措施。 （ 1） 選擇合適的頂岸高度 （ 2） 當(dāng)活塞運(yùn)行到頂點(diǎn)時(shí)，使得第一環(huán)的位置處于冷卻水套中。 （ 3） 減少頂岸與缸套的間隙，減少氣流流過 第一環(huán)槽的流通面積，降低第一環(huán)槽的溫度。有時(shí)在頂岸或者第一環(huán)的地方車出退讓槽。槽中積炭后可以吸附機(jī)油，在失油的情況工作時(shí)，可以防止活塞與氣缸咬合，能避免出現(xiàn)拉缸。 類別 D/? 備注 鋁活塞小型高速 ~ ~ 鋁活塞高速大功率 ~ 鋁頂組合活塞 ~ 鑄鐵 ~ 活塞頂?shù)?選擇 活塞頂 選擇有凹頂?shù)?。增大燃燒室的容積 活塞環(huán)帶的設(shè)計(jì) 現(xiàn)在的活塞環(huán)一般分為有氣環(huán)和油環(huán)兩種，活塞環(huán)的環(huán)數(shù)受約于密封的限制，與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和氣體壓力有關(guān)系，因?yàn)槁饬侩S著缸徑和氣體壓力增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速 上升時(shí)，漏氣量減少，現(xiàn)在的氣環(huán)數(shù)有三道或兩道氣環(huán)，一道或兩道油環(huán)?，F(xiàn)在，國外采用一氣環(huán)，一油環(huán)的高速發(fā)動(dòng)機(jī)。本次設(shè)計(jì)，我采用兩道氣環(huán)，一道油環(huán)。如圖 36 第一道氣環(huán)，第一道氣環(huán)的形狀采用桶面梯形，因?yàn)樵诠ぷ鞴こ讨谢钊艿絺?cè)壓力的交替作用下，環(huán)在環(huán)槽內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)，使得側(cè)隙時(shí)大時(shí)小，容易把環(huán)槽中的結(jié)膠擠出，所以可以防止在熱負(fù)荷很高時(shí)，使第一環(huán)結(jié)與缸壁接觸從而造成拉缸?；蛘吒Z油竄氣。還有就是可以保持好的潤滑，密封性能也好。第一道氣環(huán)的材料選擇球墨鑄鐵，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生環(huán)振，而球墨鑄鐵的抗彎強(qiáng)度為 1300MPa,滿足要求，而且，它的彈力和熱穩(wěn)定性能好。有時(shí)還在環(huán)的表面鍍 Cr,使得有高的粘 3性， 活塞第二氣環(huán)一般采用錐面環(huán)如圖 37，這樣可以提高表面的接觸應(yīng)力，活塞能形成油膜，有利于密封。材料用灰鑄鐵，并且表面要氧化。 油環(huán)則采用灰鑄鐵的彈簧脹圈，內(nèi)襯螺旋彈簧。同時(shí)加工表面要鍍 Cr。提高抗腐蝕性及耐磨性。 活塞環(huán)的尺寸 （ 1） 第一氣環(huán)，根據(jù)資料，一般氣環(huán)的查表 307? ，從而高度 h 為 2mm，當(dāng)缸徑在 80~150mm 時(shí)， 28~22/ ?tD ，因?yàn)楦讖揭驗(yàn)?120mm，所以 22/ ?tD 解得 t=,由于材質(zhì)為球墨鑄鐵，所以 ,~?DS取 ?DS , 則開口間隙為 12mm ，閉口間隙為mmDS 61 2 00 0 0 ???? (2)第二氣環(huán)，高度 h 為 ， 22/ ?tD ,解得 t=,由于材質(zhì)是灰鑄鐵，所以 ~?DS ,所以取 ?DS ,得S=,則閉口間隙為 mmDS 61 2 00 0 0 ???? 。 (3)油環(huán)，油環(huán)的高度為 5mm ，取 22/ ?tD ，解得t=, ~?DS , ?DS ,得 S=,閉口間隙為 mmDS 61 2 00 0 0 ???? 。 間隙，徑向和軸向的間隙，徑向間隙 ~ ?? ，氣環(huán)的間隙 都是 1? =，油環(huán) ~ ?? mm，取 1? =。軸向間隙，第一氣環(huán) : ,~ mm?? 取 ?? ；第二道氣環(huán)：2? =~，取 2? =；油環(huán) 2? =~,取2? =?！恫裼蜋C(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 79 D(mm) h(mm) 124? 2 170~124 250~170 4 370~250 550~370 920~550 10 設(shè)計(jì) 活塞的傳力機(jī)構(gòu)，所承受的氣體壓力經(jīng)活塞銷座傳給活塞銷，所以活塞銷及銷座容易產(chǎn)生交變應(yīng)力及變形。 活塞銷座的設(shè)計(jì)必須考慮活塞銷，活塞銷座的直徑應(yīng)盡可能取大，可以增加活塞銷的剛度，活塞的強(qiáng)度，以及銷座的受力面積，但對(duì)于高速柴油機(jī)來說，取大會(huì)導(dǎo)致活塞組的慣性力和重量增加。根據(jù)表 51 取 d=, 所 以 活 塞 銷 的 直 徑 為mmd ??? 。 活塞組的比重量為 ?3DG~ 2cm ,又據(jù)圖 746所示，得出活塞組的重量為 2020g. 3 活塞的應(yīng)力分析與校核 : 活塞的平均速度為 Cm= smsn / 2 0 01 3 230 ??? ,而平均有效壓力M P aCiDpp meme 2 32 ???? ????? ? ,由表 219 查出，最高爆發(fā)壓力為 zP =82 2/cmkgf 。 活塞的校核 : 活塞的頂部應(yīng)力； 22211 / cmk gfDp z ??????? ????????????? ?? 其中， 1D 是活塞頭部直徑， ? 是活塞頂?shù)暮穸?，因?yàn)榛钊數(shù)撞坑屑訌?qiáng)筋，所以 ? ??1? 5