【正文】 ................................................................. 30 畢業(yè)設計說明書 1 第一章 前言 由于 2110 柴油機具有許多方面的優(yōu)點，所以不論在國外 還是在國內(nèi)，其應用越來越廣泛，世界很多的車用和船用內(nèi)燃機都采用它，特別是農(nóng)用車輛 ，把 2110 柴油機作為其首選動力。隨著國民經(jīng)濟建設和生產(chǎn)的發(fā)展， 2110 柴油機已越來越廣泛地得到應用，它為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻。 本文主要完成了對 2110 型柴油機的總體方案的選擇，曲軸飛輪組的設計。專題部分曲軸飛輪組的設計主要包括了曲軸的設計，飛輪的設計以及飛輪的平衡計算。重點放在了 飛輪的設計 計算上。 目前，國內(nèi)外對曲軸的設計理論主要在以下兩個方面：在曲軸設計方面，采用數(shù)值計算與實驗結(jié)合的方法對曲軸進行優(yōu)化設計 ，但是這種計算方法效率低，而且難以取得最優(yōu)解，針對以上不足，提出了一個曲軸結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的新方法，即將有限元、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與計算機輔助設計相集成，采用Ⅰ DEAS、VC++、 ISIGHT 軟件設 計了一個曲軸結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化軟件集成系統(tǒng)，實現(xiàn)整個優(yōu)化過程的自動優(yōu)化 。 在曲軸制造方面，我國的曲軸生產(chǎn)存在整體規(guī)模小，專業(yè)化程度低，企業(yè)設備陳舊，產(chǎn)品設計和工藝落后，性能和可靠性差，品種雜亂和通用化程度低等問題，而在國外，曲軸的生產(chǎn)已經(jīng)很專業(yè)化，廣泛的采 用了數(shù)控技術(shù)及自動線，生產(chǎn)線一般由幾段獨立的自動化生產(chǎn)單元組成。在曲軸的 鍛造方 面，廣泛的采用 CAD/CAM 技術(shù)，引入管理信息系統(tǒng)和集成生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了鍛造生產(chǎn)從原材料、工藝和工藝裝備最佳方案的選擇和整個過程的控制。機加工方面采用曲軸動平衡自動線，使用計算機控制，實現(xiàn)自動測量和修正，采用在線自動檢測和終檢相結(jié)合的方式，連續(xù)監(jiān)控加工精度，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 熱處理方面以德國的二段式氣體軟氮化法較先進，可獲得ε單相化合物層，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。 飛輪的作用是 將在作功行程中輸入曲軸的 能 量 的一部分貯存起來，用以 在其它行程中克服阻力，帶動曲柄連桿機構(gòu)越過上 、下止點，保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角 速度和輸出扭矩盡可能均勻，并使發(fā)動機 可能克服短時間的超負荷，此外，在結(jié)構(gòu)上飛輪又往往用作汽車傳動系中摩擦離合器的驅(qū)動件。 近幾年的畢業(yè)設計說明書 2 飛輪設計主要集中在飛輪的基本三維建模及有限元分析、飛輪的拓撲優(yōu)化設計和形狀優(yōu)化設計上，通過基于有限元法的優(yōu)化設計可以大大提高設計效率，有利于縮短設計周期，降低制造成本，在飛輪原有模型上首先對飛輪進行拓撲優(yōu)化設計，可以得到優(yōu)化模型的基本形狀，然后在拓撲優(yōu)化的基礎上，進一步加以形狀優(yōu)化，就可以基本確定飛輪的形狀。 畢業(yè)設計說明書 3 第二 章 總體方案設計 167。 柴油機設計的總體要求 167。 內(nèi)燃機的總體設計要求 內(nèi)燃機的總體設計是整個產(chǎn)品開發(fā)工作的第一個階段，按照工作次序可分為：產(chǎn)品開發(fā)的戰(zhàn)略決策；產(chǎn)品主要技術(shù)經(jīng)濟指標與設計結(jié)構(gòu)參數(shù)的論證和選擇；方案計算和總體設計圖的繪制等幾個階段。 總體設計的水平和決策的正確與否，對產(chǎn)品的水平和市場競爭力將產(chǎn)生決定性的影響，如有失誤，在大多數(shù)的情況下，不易通過投產(chǎn)后的改進加以挽回。因此，總體設計者責任重大，要有高度的負責精神和使命感。 產(chǎn)品決策階段首先要進行市場調(diào)研，對開發(fā)機型的配套對象和各種用途的市場容量發(fā)展前景，類似機型的技術(shù)水平，生產(chǎn)成本，生產(chǎn)規(guī)模作出 定量的分析，其次，就企業(yè)對所開發(fā)產(chǎn)品的投資能力，生產(chǎn)規(guī)模提出可行性分析報告。編制產(chǎn)品設計技術(shù)任務書，具體規(guī)定產(chǎn)品的各項技術(shù)經(jīng)濟指標和配套要求。 產(chǎn)品總體設計時要選擇和確定內(nèi)燃機的主要參數(shù)，完成各主要工作系統(tǒng)如供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)的構(gòu)思，繪制機體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸的方案圖和整機縱橫剖面圖，不同缸數(shù)及典型配套機型的外形布置圖，編制總體設計說明書。 內(nèi)燃機種類多樣，使用條件各異，對總體設計也提出不同的要求。 167。 內(nèi)燃機設計工作中的“三化” “三化”可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少設計成本，組 織專業(yè)化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率，便于使用、維修和配件供應。 （ 1） 產(chǎn)品系列化 它是指基本尺寸相同，不同的排列、缸數(shù)、增壓度，以滿足不同需求。 （ 2） 零部件通用化 它是指同一系列的主要零件能夠通用，以減少開發(fā)成本。 （ 3） 零件設計標準化 它是指按照國家標準、行業(yè)標準或企業(yè)標準設計，畢業(yè)設計說明書 4 提高設計圖樣和資料的可讀性和交流性，便于技術(shù)交流，同時也起到減少生產(chǎn)和采購成本的作用。 總之，柴油機的設計與開發(fā)是一個相當復雜的過程。一個型號產(chǎn)品往往要經(jīng)過幾年的設計與開發(fā)周期才能得以完善。 167。 柴油機的主要設計指標 167。 動力性指標 動力性指標包括有效功率（ P e ）、轉(zhuǎn)速（ n）、最大扭矩 maxeM 和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。 有效功率 P e = meP * hV *Z*n/（ 30T） (21) meP 為平均有效壓力（ Mpa ）； mV 為活塞的平均速度（ m/s）； h V 為氣缸的工作容積（ L）； Z 為氣缸數(shù)； n 為轉(zhuǎn)速（ r/min）； T 為沖程數(shù)。 可見，有效功率受到上面各參數(shù)的影響。在設計轉(zhuǎn)速和結(jié) 構(gòu)參數(shù)基本確定下來之后，影響有效功率的主要參數(shù)就是平均有效壓力。 ??1 轉(zhuǎn)速（ n） 柴油機由于其混合氣形成速度和燃燒速度比較慢的原因，轉(zhuǎn)速不會太高。轉(zhuǎn)速在 1000r/min 以上為高速， 600~1000r/min 為中 速， 600r/min 以下為低速。 提高內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速可以使功率提高，因而使單位功率的體積減小、重量輕。但是轉(zhuǎn)速提高會導致一系列的問題，比如慣性力增加，導致機械負荷增加，平衡、振動問題突出，噪聲增加；工作頻率增加，導致活塞、氣缸蓋、氣缸套、排氣門等零件的熱負荷增加；摩擦損失增加，機械效率下降，燃油消耗率增加，磨損壽命變短；進排氣系統(tǒng)阻力增加，充氣效率下降等。 表 11 各種用途的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速范圍 【單位：（ r/min）】 用途 柴油機 汽油機 汽車 1500~5000 2500~6500 工程機械與拖拉機 1500~2800 2021~3600 內(nèi)燃機車、發(fā)電機組 900~1500 2800~3600 摩托車、摩托艇 5000~10000 中小型農(nóng)用機械 1200~3000 3000~6000 畢業(yè)設計說明書 5 船舶（高速） 1000~2021 1500~2500 船舶（低速） 300~850 最大扭矩 maxeM 和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 實際上內(nèi)燃機給出的轉(zhuǎn)矩指標都是最大扭矩。最大扭矩對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就是最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。 167。 經(jīng)濟性指標 柴油機的經(jīng)濟性指標主要指燃油消耗率指標 ，即每千瓦小時的燃料的消耗重量。對于固定工況使用的柴油機是指標定功率時上網(wǎng)燃油消耗率。對變工況的柴油機，則一般是指外特性曲線上的最低油耗率。比如，某內(nèi)燃機的最低油耗率，則是指萬有特性上的最低油耗率。當然，萬有特性上低油耗區(qū)越寬廣，則變工況使用的經(jīng)濟性就越好。 （ 1） 燃油消耗 率 eg 【（ g/（ kw *h））】 降低 eg 的措施主要有指示效率和機械效率。一般車用柴油機的燃油消耗率為 250~380 g/（ kw *h）。柴油機的經(jīng)濟性是內(nèi)燃機設計師和使用者永遠追求的目標。 （ 2） 機油消耗 率 gm【（ g/（ kw *h））】 機油的價格遠高于燃料油，希望使用中的消耗量盡量減少，而且要求在兩個保養(yǎng)期之間不要添加機油，一般車用柴油機機油消耗率為 ~（ kw *h）。 167。 可靠性和耐久性指標 一、 可靠性 可靠性是指在規(guī)定的運轉(zhuǎn)條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，具有持續(xù)工作，不會因為故 障而影響正常運轉(zhuǎn)的能力。對于可靠性的內(nèi)燃機應在保證期內(nèi)不發(fā)生停車故障和需要更換主要或非主要零件的故障。 二、 耐久性 耐久性是指從開始使用起到大修期的時間。內(nèi)燃機的大修期一般決定于缸套和曲軸磨損到達極限尺寸的時間（小時數(shù)），此時內(nèi)燃機不能繼續(xù)正常工作，使用中的對外表現(xiàn)通常為：內(nèi)燃機啟動困難甚至無法啟動、排氣冒藍煙、機油消耗量明顯加大、動力性明顯下降、內(nèi)燃機工作噪聲變大等。 畢業(yè)設計說明書 6 167。 重量和外形尺寸指標 質(zhì)量、外形尺寸是評價設計的緊湊性和金屬利用程度的指標。不同用途的內(nèi)燃機對質(zhì)量和外形尺寸指標的要求不盡相同 。比如汽車發(fā)動機要求質(zhì)量和外形尺寸都要小，而工程機械和拖拉機則可稍大一些。不管怎么樣，設計緊湊、質(zhì)量輕總是內(nèi)燃機設計者追求的目標。 衡量內(nèi)燃機質(zhì)量的指標是比質(zhì)量 （ kg/ kw ）： m/ ep 。 柴油機得比質(zhì)量范圍為 ： 表 13 內(nèi)燃機得比質(zhì)量范圍 用 途 柴 油 機 的 比 質(zhì) 量（ kg/kw ） 汽 車 用 4~6 小 型 農(nóng) 用 單缸 16~26 多缸 ~16 工 程 機 械 用 4~7 機 車 ~ 船 用 ~19 衡量柴油機外形尺寸緊湊性的指標是體積功率（千瓦每立方米）： vp = ep /V (22) 167。 低公害指標 內(nèi)燃機的噪聲主要來自燃燒噪聲、氣體流動噪聲和機械噪聲三個方面。內(nèi)燃機的噪聲大小用聲壓級 pL （ dB）來表示，一般還要對測量數(shù)據(jù)進行各種計權(quán)處理，仿照人耳的聽力，一般采用 A 計權(quán)。在噪聲數(shù)據(jù)上所見到的噪聲單位多為 dBA 或者 dB(A)。 燃燒噪聲主要取決于缸內(nèi)氣壓的壓力升高率。一切有利于縮短滯燃期和減少該期間燃油注入量的措施，都有利于降低燃燒噪聲，比如增壓、分段噴射、推遲噴油提前和減少點火提前角等。降低壓縮比也是很常見的效的措施，一般與增壓同時采用，否則會降低柴油機的動力性。 氣體流動噪聲主要通過進排氣消聲器來控制。 機械噪聲主要是通過合理設計風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)和合理控制風扇轉(zhuǎn)速來達到控制目的。 排放 畢業(yè)設計說明書 7 汽車的排放，就是內(nèi)燃機的排放，說到對于環(huán)境和空氣的污染，實際上是內(nèi)燃機的排放污染。目前全世界對汽車的污染問題都十分重視。在設計柴油機時， 尤其是車用柴油機時，一定要根據(jù)本地實行的法規(guī)制定合適的設計方案 ??2 。 167。 2110 型柴油機 的主要 參數(shù) 的選擇 內(nèi)燃機的主要參數(shù)包括： 平均有效壓力 Pme 、 活塞平均速度 Cm、缸徑和缸數(shù)。 這些參數(shù)反映了產(chǎn)品的性能和設計質(zhì)量，因此選擇時必須緊密結(jié)合我國工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的實際情況，同時還要對同類型國內(nèi)外發(fā)動機的參數(shù)進行分析比較和試驗研 究。 平均有效壓力 meP 平均有效壓力 meP 是標志內(nèi)燃機整個循環(huán)過程的有效性及內(nèi)燃機制造完善性的指標之一， meP 值的不斷提高是內(nèi)燃機技術(shù)發(fā)展的重要標志。由于它決定了發(fā)動機的強化程度，反映了發(fā)動機結(jié)構(gòu)與制造要達到的質(zhì)量，故必須慎重的選擇。進行產(chǎn)品設計時，平均有效壓力 應根據(jù)同類型發(fā)動機的實際數(shù)據(jù)來初步選定，在本次設計中，初步選定 meP =。 活塞平均速度 Cm 活塞平均速度 Cm 也 是表征活塞式內(nèi)燃機強化程度（熱負荷和機械負）的重要參數(shù)之一。它對 于 內(nèi)燃機的性能，工作可靠性和使用壽命有很大的影響。 一般說來，