【正文】 個別強(qiáng)化 機(jī)型 可達(dá) [2]。本次 設(shè)計(jì) 機(jī)型 為非 增 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 壓柴油機(jī)。 mep 可由下式求出： ??niV Pp s eme ?30 M P 32430 ??? ??（摘 自《內(nèi)燃機(jī)原理》公式 213）。 167。 活塞平均速度 Cm 的確定 活塞平均速 度 mC 是表征活塞 式內(nèi)燃 機(jī)強(qiáng)化 程度（熱 負(fù)荷和 機(jī)械負(fù)荷）的重要參數(shù)之一，它對內(nèi)燃機(jī)的性能、工作可靠性和使用壽命有很大的影 響。由 于 mC 直接關(guān)系活塞 相對于氣 缸壁的 滑動速度 ，從而也直接關(guān) 系到內(nèi) 燃機(jī)的壽 命和工 作可靠性 。此外 mC 愈高，則 活塞做往復(fù)運(yùn)動 的慣性 力也愈大 ，而且 mC 愈高，則 換氣時 流過氣門 的氣體平均流速也愈高 [4]。 mC 的提高 會使發(fā)動機(jī)的功率增大，但同時 受下列不利因素的限制： 提高 mC 后，使活塞組的熱負(fù)荷和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性負(fù)荷增大，氣缸體和氣缸蓋的熱負(fù)荷也相應(yīng)增大；造成磨損加劇，影響內(nèi)燃機(jī)的壽命和工作可靠性； 提高 mC 使摩擦功率損失迅速增加，機(jī)械效率降低，燃油消耗率升高，發(fā) 動機(jī)的振動和噪音增大； 提高 mC 進(jìn)排氣氣流的流速增加，進(jìn)排氣阻力與氣流流速的平方成正比例增加，使沖氣效率降低，從而使發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性下降。 雖然 mC 過高會帶來以上缺點(diǎn)，但是 , mC 選取過低也是不恰當(dāng)?shù)摹Ｊ紫仁菍τ诮o定工作容積的內(nèi)燃機(jī)來說，所發(fā)出的功率將會減小，即每升工作容 積所發(fā) 出的功率 將過低 ，這是不 利的； 其次， mC 過低對于像活塞環(huán)和氣缸壁這樣的摩擦副，由于表面間不能建立有效的潤滑油膜而使摩 擦加劇 。從內(nèi)燃 機(jī)的使 用壽命和 工作可 靠性考慮 ， mC 的取值應(yīng)適當(dāng)。現(xiàn)代一般認(rèn)為：汽油機(jī) 不應(yīng)超過 15m/s，柴油機(jī)不應(yīng)超過 13m/s。 活塞行程 S 已經(jīng)確定，本次設(shè)計(jì)活塞平均速度 mC 可由公式算出： smnSC m / 33 ??????? ?? 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 可見此次設(shè)計(jì)符合上述要求。 167。 曲柄連桿比 LR 的確定 曲柄連桿比是曲柄半徑與連桿長度的比值，是一項(xiàng)確定連桿長度的重要參數(shù)。行程確定后，λ值的選擇應(yīng)考慮以下因素： 選擇較大的λ值，使連桿長度縮短、重量減輕，往復(fù)和離心質(zhì)量小，有利于柴油機(jī)的高速化，并可降低直列式柴油機(jī)的高度，對減輕柴油機(jī)重量有利； 較大的λ值會增大連桿擺角和活塞側(cè)壓力，對缸套和活塞的磨損不利； 在選擇連 桿長度時，要保證活塞在下止點(diǎn)時不與曲軸平衡重相碰，活塞在上止點(diǎn)時曲柄不與缸套相碰；連桿在擺動時不能與機(jī)體或缸套相碰。 現(xiàn)代高速發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中的總趨勢是盡量縮短連桿長度。目前λ值已大到 1/，常用范圍為 1/4～ 1/[5]。重型汽車和工程機(jī)械用柴油機(jī)為減小外形尺寸和希望有較高的轉(zhuǎn)速，通常取較大的λ值，機(jī)車柴油機(jī)除要求緊湊的外形尺寸外，還要考慮有較長的壽命，λ值可取小些。 綜合考慮，本次設(shè)計(jì)曲柄連桿比取λ =。 167。 壓縮比 ? 的確定 壓縮比反映了柴油機(jī)的強(qiáng)化程度，直接影響柴油機(jī)的性能、機(jī)械負(fù)荷、起動性能以及主要零件的結(jié)構(gòu)尺寸。在一定范圍內(nèi)，柴油機(jī)的熱效率隨壓縮比的增加而提高，增大壓縮比也可使柴油機(jī)的起動性能獲得改善。但壓縮比的增加將使氣缸的最高爆發(fā)壓力 Pz 和壓力升高率相應(yīng)上升，使發(fā)動機(jī)的負(fù)荷水平、振動和噪音大大增加 [5]；同時，各運(yùn)動件的慣性力和摩擦磨損增加，機(jī)械損失增大，造成柴油機(jī)的使用壽命下降。 現(xiàn)代柴油機(jī)壓縮比 ? 的一般范圍如下： 非增壓柴油機(jī) 直噴式燃燒室 15～ 18 分開式燃燒室 ～ 22 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 增壓柴油機(jī) ～ 16 超增壓柴油機(jī) 8～ 10 此次設(shè) 計(jì)的 壓縮 比選 為 17,符合 直噴 式燃 燒室 壓縮 比的 一般 范圍。 167。 柴油機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì) 167。 活塞 活塞的工作條件很惡劣，它的工作情況可以概括為以下幾點(diǎn)： 一 、承受很大的機(jī)械負(fù)荷 在內(nèi)燃機(jī)工作中，活塞組 承受的機(jī)械負(fù)荷包括氣體壓力、慣性力及此產(chǎn)生的側(cè)作用力。非增壓的柴油機(jī) Pgmax 值為 69MPa；由于內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提高，活塞的往復(fù)運(yùn)動速度也日益增大，加速度也會增大，所以活塞在運(yùn)動中會產(chǎn)生很大的慣性力。 二、承受很高的熱負(fù)荷 在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，活塞頂直接和燃?xì)饨佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟纫话氵_(dá)到 2021℃左右。此外，活塞還接受一部分摩擦產(chǎn)生的熱?；钊麥囟壬?，使其材 料的機(jī)械強(qiáng)度降低，抗彈性變形和抗塑性變形的能力降低。由于受熱不均勻，還會引起活塞 的變形并產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。 三、強(qiáng)烈的磨損 內(nèi)燃機(jī)在工作中產(chǎn)生的側(cè)向力是較大的，特別在短連桿內(nèi)燃機(jī)中其側(cè)向力更大。隨著活塞在氣缸中高速往復(fù)運(yùn)動，在活塞組和氣缸內(nèi)壁之間產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損。由于此處潤滑不良，磨損更嚴(yán)重。 所以，活塞的設(shè)計(jì)任務(wù)就是根據(jù)活塞的功用，適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度提高的需要，從活塞各部分結(jié)構(gòu)尺寸的選定和造型設(shè)計(jì)、活塞的材料和表面處理、必要的計(jì)算和試驗(yàn)等方面入手，正確解決活塞的工作能力、可靠性、壽命和機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、磨損之間的矛盾，并在實(shí)踐中不斷加以考核和改進(jìn)。 活塞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：活塞頭部的 設(shè)計(jì)，活塞銷座的設(shè)計(jì)，活塞裙部及其側(cè)面形狀的設(shè)計(jì)。 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 對活塞設(shè)計(jì)的基本要求如下： 結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，并具有足夠的強(qiáng)度和剛度； 吸熱少，散熱快，有較好的高溫性能； 各摩擦部位潤滑良好，摩擦損失小，耐磨性好。 167。 連桿 連桿（組）一般由連桿體、大頭蓋、連桿螺栓、軸瓦和連桿小頭襯套等組成。連桿把活塞和曲軸連接起來。連桿小頭與活塞銷連接，并與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動；連桿大頭與曲軸的曲柄銷連接，和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；連桿的其余部分作復(fù)雜的平面運(yùn)動。作用在活塞上的力經(jīng)連 桿傳給曲軸。 連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。 連桿必須具 有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。也就是說在交變載荷的作用下，桿身應(yīng)該不致被顯著壓彎；連桿大小頭孔不致顯著失圓。 在設(shè)計(jì)時候應(yīng)遵循以下的原則 [8]： 在保證具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減輕重量，以降低慣性力； 盡量縮短長度，以降低發(fā)動機(jī)的總體尺寸和總重量； 結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，可靠耐用； 大小頭軸承工作可靠，耐磨性好； 連桿螺栓疲勞強(qiáng)度高，連接可靠； 易于制造，成本低。 很顯然，為了增加連桿的強(qiáng)度和剛度，不 能簡單地依靠加大結(jié)構(gòu)尺寸來達(dá)到，因?yàn)檫B桿重量的增加使慣性力增加。必須從材料選用、構(gòu)形設(shè)計(jì)、熱處理及表面強(qiáng)化等方面采取措施。 167。 曲軸飛輪組 曲軸組由曲軸、飛輪、平衡重以及傳動齒輪等構(gòu)成。曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要的機(jī)件之一，是由一個或者多個彼此間錯開一定角度的曲柄，加上功率輸出端和自由端組成，它是發(fā)動機(jī)最主要的部件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動機(jī)的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的功用是把活 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 塞的往復(fù)運(yùn)動通過連桿轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以輸出柴油機(jī)所產(chǎn)生的功率，并驅(qū)動 柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)、噴油泵、機(jī)油泵、水泵及其他的附件。 在曲軸的設(shè)計(jì)方面有幾點(diǎn)要注意，首先，因?yàn)榍S在工作中要承受扭轉(zhuǎn)力矩的作用，因此曲軸在設(shè)計(jì)時必須要注意解決的主要問題是保證軸頸與軸承工作可靠并且耐用，再者要有足夠的抗彎剛度，還有在工藝上也應(yīng)注意，設(shè)計(jì)盡量簡單，要在保證足夠的轉(zhuǎn)動慣量的情況下減小飛輪的質(zhì)量。 飛輪的主要功用是儲存做功沖程的能量，克服輔助沖程的阻力以保證曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的均勻性，使內(nèi)燃機(jī)工作平穩(wěn)。 曲軸組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：曲柄銷，主軸頸，曲柄，平衡重，油孔的位置和尺寸的設(shè)計(jì)以及飛輪的設(shè)計(jì)。 167。 .4 氣缸蓋 氣缸蓋的工作條件是非?？量痰模惺苋紵龤怏w的高溫高壓的作用。設(shè)計(jì)時要注意以下的幾點(diǎn)： 氣缸蓋要有足夠的剛度。 要布置好進(jìn)、排氣道和氣缸蓋的螺栓。 要組織好氣缸蓋的冷卻，以防氣缸蓋的溫度過高以及溫度分布不均產(chǎn)生熱應(yīng)力過大。 各個零部件以及氣門機(jī)構(gòu)要拆裝方便。 氣缸蓋的設(shè)計(jì)包括：氣缸蓋形式的選擇，氣門數(shù)的確定，缸蓋螺栓數(shù)量的選擇與布局，進(jìn)排氣道的設(shè)計(jì)與布局，以及氣缸蓋冷卻措施的設(shè)計(jì)。具體詳細(xì)見第三章。 167。 機(jī)體組 中小型高速水冷柴油機(jī)的氣缸體與曲軸箱一般做成一體，總稱 為機(jī)體。機(jī)體構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)的骨架，機(jī)體內(nèi)外安裝著內(nèi)燃機(jī)所有主要零件和附件。機(jī)體在設(shè)計(jì)時一定要保證其具有一定的強(qiáng)度和足夠的剛度。機(jī)體的外輪廓尺寸應(yīng)該緊湊以減小質(zhì)量，機(jī)體設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循制造與維修方便 的原 則， 還應(yīng)保 證各 連接 面具有 一定 的表 面粗 糙度以 保證密封，防止漏水、漏氣和漏潤滑油。 為了保證內(nèi)燃機(jī)活塞、連桿、曲軸、氣缸等主要零件工作可靠、 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 耐久，它們互相之間必須嚴(yán)格保持精確的相對位置，因此在機(jī)體設(shè)計(jì)中必須對重要表面的尺寸、幾何形狀、相互位置等提出很嚴(yán)格的公差要求。 因此，為保證柴油機(jī)可靠和耐久性的工作，應(yīng)考慮下列設(shè)計(jì)要求： 根據(jù)柴油機(jī)的用途，合理選擇機(jī)體結(jié)構(gòu)，保證有足夠的剛度強(qiáng)度，特別要有足夠的剛度。 依據(jù)受力情況，合理設(shè)計(jì)受力部位的結(jié)構(gòu)和形狀。機(jī)體壁的圓角和厚度應(yīng)無急劇變化，以免應(yīng)力集中。 要求尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單。 注意噪聲的降低和考慮標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化問題。 機(jī)體的接近性要好（即易接近氣缸蓋、運(yùn)動件和附件等），便于零件和部件的裝拆、維修和搬運(yùn)。 工藝 性好，成本低廉；材料宜取，價廉材廣。 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 第三章 氣缸蓋設(shè)計(jì) 氣缸蓋作為發(fā)動機(jī)中結(jié)構(gòu)形狀最為復(fù)雜、功能最為重要的部件之一，也 是提高整機(jī)性能的重要結(jié)構(gòu)件之一，是發(fā)動機(jī)技術(shù)競爭的焦點(diǎn)。其內(nèi)部包含有進(jìn)氣道、排氣道、噴油器座孔、冷卻水通道和潤滑油油道等發(fā)動機(jī)工作時所必須的一些功能結(jié)構(gòu)。其外圍要與進(jìn)氣管組件、排氣管組件、配氣機(jī)構(gòu)組件、部分傳動組件、氣門室罩組件等發(fā)動機(jī)工作時所必須的一些輔助部件相連接。存在氣缸蓋內(nèi)部的眾多功能結(jié)構(gòu)和安裝于氣缸蓋外圍的眾多輔助部件，決定了氣缸蓋總體結(jié)構(gòu)的多變性機(jī)及復(fù)雜性，同時也決定了對氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式研究的困難性。 氣缸蓋的合理設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)整機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要影響，對改善發(fā)動機(jī)性能起著重要作用，因此，氣缸蓋的 正確設(shè)計(jì)是十分重要的。 167。 氣缸蓋的工作條件 氣缸蓋主要是用來密封氣缸，并與活塞、氣缸套共同形成燃燒空間， 并承受高溫高壓燃?xì)庾饔?。為了保證缸蓋與氣缸套之間的密封，缸蓋還要受到很大的螺栓預(yù)緊力，氣缸蓋各部分溫度很不均勻，火力面溫度最高，而冷卻水套部分溫度較低，進(jìn)氣道和排氣道溫度也不相同，因此氣缸蓋的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力很大。 同時，為了讓內(nèi)燃機(jī)的正常工作，要在氣缸蓋內(nèi)外安裝許多零部件，所以在柴油機(jī)氣缸蓋上要布置進(jìn)排氣門、氣門座、進(jìn)排氣道、螺栓孔、噴油器及冷卻水道等等，使 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，所以鑄造殘余應(yīng)力也 很大。 一、氣體壓力 氣缸蓋底面受到高壓燃?xì)庾饔脮r，氣體壓力不僅使底板受到彎曲，而且還會通過氣缸蓋內(nèi)部而傳到氣缸蓋的各個部位。氣缸蓋機(jī)械負(fù)荷的大小一般就用最高壓爆發(fā)力來衡量。由氣缸爆發(fā)壓力產(chǎn)生的壓力稱為氣缸蓋的工作壓力。它具有脈動性質(zhì)，其應(yīng)力變化周期和內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的周期相同，頻率較高。 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 二、氣缸蓋螺栓預(yù)緊力 為了確保氣缸的密封，氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力要比最高爆發(fā)壓力大的多。由預(yù)緊力而產(chǎn)生的應(yīng)力成為氣缸蓋