【文章內容簡介】 大扭矩 :240 牛米 /2200 轉 ； 怠速 :750 轉 ； 最大空轉 :4200 轉 ； 全負荷最低燃油消耗率 :230g/kwh ； 冷起動溫度 :25℃ ； 排氣溫度 :600℃； 噪聲 :最大 106dB 分貝 ； 排放達 歐－ III。 在滿足以上 性能的前提下進行柴油機的 概念 設計 。 第二章 柴油機主要零件設計 5 第二章 柴油機主要零件設計 活塞組 活塞組包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷等，活塞是柴油機中的重要組件。正是由于活塞高效可靠的工作，才使活塞在柴油機中具有旺盛的生命力 。 活塞設計要求 根據活塞的工作條件，在進行活塞設計時首先要求： 1）選用熱強度好，散熱性好，膨脹系數小，耐磨、有良好減磨性和工藝性的材料。 2）形狀和壁厚合理，吸熱少，散熱好，強度、剛度符合要求，盡量避免應力集中，與缸套有最佳的配合間隙。 3) 密封性好，摩擦損失少。 4）重量輕。 活塞主要設計尺寸 中小功率高速柴油機最常用的是整體鑄造的鋁合金活塞。圖 給出了整體式鋁合金活塞的主要尺寸，表 21 是它的統(tǒng)計范圍（以缸徑 D 為基準）以及最終取值。為了使柴油機整體結構緊湊，減小整機高度和質量，減小往復慣性力，活塞總高度 H、特別是壓縮高度 H1應盡可能減小。 1. 活塞高度 H 1) 活塞高度取決于下列因素： （ 1） 對柴油機高度尺寸的要求（與柴油機用途有關）； （ 2） 轉速 n； （ 3） 燃燒室形狀及尺寸； （ 4） 活塞裙部承壓面積； 應在保證結構布置合理和所需的承壓面積條件下，盡量選擇較小的活塞高度。 H 的選取見表 21。 第二章 柴油機主要零件設計 6 圖 整體式鋁合金活塞 表 21 活塞的主要尺寸比例及最終取值 尺寸比例 取值范圍 最終取值 H1/D ~ 60 H/D ~ 90 H2/D ~ 60 h/D ~ 10 d/D ~ 30 H1 壓縮高度 H1決定活塞銷的位置。 H1取決于第一道活塞環(huán)至頂面的距離 h、環(huán)帶高度 H5（ H5 又決定于活塞環(huán)的數目及高度） 及上裙高度 H4。在保證氣環(huán)良好工作的條件下，縮短 H1，以力求降低整機的高度尺寸 。 H1 的 選取見表 21。 h 1） h 越小，第一道環(huán)本身的熱負荷也越高。應根據熱負荷及活塞冷卻狀況確定 h，使第一道環(huán)的工作溫度不超過允許極限（ 180~220℃ ）。 2）在保證第一道環(huán)工作可靠的條件下，盡量縮小 h，以力求降低活塞高度和質量。 h 的選取見表 21。 高速柴油機的活塞環(huán)數目一般為：氣環(huán) 2~3 道，油環(huán) 1~2 道； 本設計采用 2 道氣環(huán)， 1 道油環(huán)，圖 給出了活塞環(huán)主要尺寸， 其高度來源于柴油機設計手冊上冊圖 79 高速柴油機鋁活塞的尺寸示例，氣環(huán) b 氣 /D= 故選 b氣 =2；油環(huán) b 油 /h= 故選 b 油 =4 深度選取為 D/t=23~25 故選 t=4。 第二章 柴油機主要零件設計 7 圖 作用在活塞環(huán)上的力以及其尺寸 1）第一環(huán)岸（第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸）溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂。所以 第一環(huán)岸高度 h1一般比其余環(huán)岸高度要大一些。 2）必須保證環(huán)岸有足夠的機械強度。環(huán)岸高度見下表 表 22 環(huán)岸高度 類別 環(huán)岸高度與缸徑之比 第一環(huán)岸 h1/D 其余環(huán)岸 h2（ h3） /D 取值范 圍 ~ ~ 最終取值 7 3 ＆ ＆是根據活塞頂部應力、剛度及散熱要求來決定的，小型高速柴油機的鋁活塞，如果滿足頂部有足夠的傳熱截面，則頂部的機械強度一般也是足夠的。熱應力隨活塞厚度增加而增大，活塞頂厚度只要厚到承受燃氣壓力即可。 取值范圍是＆ /D=~ 取值為＆ =7。 H2 1）選取 H2應使裙部比壓在許可范圍之內； 2）上、下裙長應有恰當的比例，上裙長度 H4過小，易產生尖峰負荷 造成活塞拉毛及擦傷。一般的比例如下： H3=(~)H2(H2的選取見表 21) ＆ 0 第二章 柴油機主要零件設計 8 鋁活塞裙部最小壁厚一般為（ ~） D。薄壁裙部對減小活塞重量有利，但又需保證裙部有足夠的剛性，則可設置加強筋。故＆ 0取 5。 d 和銷座間隔 b d 和 D 的選擇主要是考慮活塞銷座的承壓力及活塞銷的剛度問題，應滿足下列要求： 1） 保證銷座比壓和連桿小頭軸承比壓的平均比壓均在允許范圍之內。 2） d 的選取應保證活塞的變形在許可范圍內。 d 的取值見表 21，銷座間距b/D=~ 故取 b=37。 連桿組 連桿的設計要求 1）結構簡單，尺寸緊湊，可靠耐用。 2）在保證具有足夠強度和剛度的前提下，盡可能減輕質量，以降低慣性力。 3）盡量縮短長度，以降低發(fā)動機的總體尺寸和總質量。 4）大小頭軸承工作可靠，耐磨性好。 5）連桿螺栓疲勞強度高，連接可靠。 6）易于制造，成本低。 連桿的主要設計尺寸 23 連桿主要尺寸表 尺寸比例 λ d1/D δ 1/d D1/d D2/D B1/d1 B2/D2 C/Dt dm/D H/D B/H t/H 6 最終取值 l d1 δ 1 D1 D2 B1 B2 C dm H B t 177 30 2 40 55 35 35 71 10 27 17 6 第二章 柴油機主要零件設計 9 圖 高速柴油機連桿基本參數 l 連桿長度 l 與結構參數 λ =R/l（ R 為曲柄半徑）。連桿長度越短，即 λ 越大，則可降低發(fā)動機高度，減輕運動件重量和整機重量，對高速化有利，但增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸套相碰的可能性。 根據總體設計確定 的 連桿長度見表 23。 頭結構尺寸 小頭主要尺寸為連桿襯套內徑 d1 和小頭寬度 B1 。 B1 取決于活塞銷座間距 b與連桿小頭的端面間隙△ ，即 B1=b△。 具體取值見表 23。 高速柴油機連桿桿身廣泛采用工字形截面。工字形截面桿身尺寸根據表 23和圖 選取。 連桿大頭多采用平切口結構，它形狀簡單，結構緊湊，工作可靠 。不過，從柴油機的拆裝方便性出發(fā)，要求連桿大頭在拆卸連桿蓋后能 通過氣缸孔，即B0D0。實踐表明，當曲柄銷直徑超過 時，具有足夠強度的平切口連桿大頭就不能滿足上述要求。本設計曲柄銷直徑 55/93=，故選平切口。 連桿大頭尺寸主要取決于曲柄銷直徑 D 長度 L2及連桿軸瓦厚度 δ 1和連桿第二章 柴油機主要零件設計 10 螺栓直徑 dm。 D L δ 1等尺寸 ，由曲軸設計決定， dm則根據強度要求設計。連桿螺栓孔中心線應盡量靠近軸瓦，連桿螺栓孔中心距 C 見表 23，螺孔外側邊厚不小于 2~4mm。連桿大頭高度 H H4對大頭的剛度影響較大，平切口連桿其一般范圍為： H3=(~)D2 H4=(~)D2 本設計選取 H3=H4=25。 圖 連桿桿身截面形狀和尺寸 曲軸組 曲軸設計要求 1）具有足夠的疲勞強度，以保證曲軸工作可靠。設計時應盡量減小應力集中，加強薄弱環(huán)節(jié)。 2）具有足夠的剛度，使曲軸變形不致過大，以免惡化活塞連桿組及軸承的工作條件，同時應避免在工作范圍內出現共振，以防產生過大的扭轉、橫向和軸向的附加應力。 3）軸頸具有良好的耐磨性。應根據軸頸比壓，選取適當的軸承材料、軸頸硬度和加工精度，以保證曲軸和軸承有足夠的壽命。 4）曲軸排列應合理，以保證柴油機工作均勻；曲軸平衡性良好，以減小振動和主軸承最大負荷。 5）材料選擇適當，以充分發(fā)揮材料強度潛力。 曲軸設計尺寸 曲軸尺寸中最值得關注的是曲柄銷直徑 dcp 和曲柄臂厚度 hcw。 dcp 增大使連桿軸承比壓減小，曲軸剛度和強度提高，但同時使連桿尺寸增大，曲軸旋轉質量增大，平衡塊隨之加大，是曲軸扭振頻率下降。主軸頸直徑 dcj 增大特別有利于曲軸扭振剛度的提高，而且沒有加大連桿和平衡塊等副作用，但對加強最關鍵的第二章 柴油機主要零件設計 11 曲柄銷強度和改善負荷最重的連桿軸承的工作并無益處。所以，雖然一般取dcjdcp，但過分加大 dcj不僅沒有必要，而且會使軸承摩擦損失增大。 表 24 高速柴油機曲軸的主要尺寸比例和最終取值 曲柄銷 主軸頸 曲柄 臂 dcp/D lcp/D dcj/D lcj/D hcw/D bcw/D 尺寸比例 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 最終取值 55 35 65 40 20 100 圖 鑄造的整體四拐曲軸及其主要尺寸 因為 lcp + lcj +2hcw=L(氣缸軸距 )，所以一般必須在軸頸長度 lcp、 lcj與曲柄臂厚度 hcw之間合理分配可用的尺寸 L，因為 L 已根據機體和氣缸的結構確定。 曲柄臂厚度 hcw對曲拐 的彎曲強度有決定性的影響， 因彎曲強度與 h2cw成正比。但增加 hcw勢必減小 lcp 和 lcj，所以這里實際上是一個彎曲強度與軸承比壓 2之間的最佳折中問題。雖然 ， 增大 曲柄臂寬度 bcw也能提高彎曲強度，但由于 bcw增大導致曲柄臂中應力分布更不均勻，彎曲強度只與 b1/2cw成正比，所以如果 hcw不足則難用加大 bcw來補償。 另外平衡塊一般不應超出曲柄旋轉所掃過的范圍，平衡塊厚度一般與曲柄臂相同。 根據以上要求，本設計中曲軸主要尺寸已在表 24 中列出 。 第三章 JX493ZLQ3A 型柴油機的總體布置 12 第三章 JX493ZLQ3A 型柴油機的總體布置 凸輪軸 的布置 直列式柴油機凸 輪軸的橫向位置，在不與曲軸連桿機構相碰的條件下，應該盡可能靠近氣缸中心線，以獲得柴油機的最小寬度。 凸輪軸的高度布置有上置式、下置式和頂置式三種方案。 凸輪軸下置式（凸輪軸位于 汽缸套左側下方 ） 凸輪軸通過挺柱、推桿和搖臂驅動氣門。 凸輪軸離曲軸較近， 由曲軸上的正時齒輪，通過惰齒輪來傳動，機構較簡單，故獲得廣泛應用。其缺點是配氣機構質量較大，高速適應性差。 凸輪軸中置式（凸輪軸位于缸體上部）這種形式將推桿縮短，提高了剛度，減小了慣性，從而能承受高速回轉。 凸輪軸頂置式（凸輪軸位于缸蓋上）這種結構，凸 輪軸直接驅動搖臂，省去了挺柱和推桿，使往復運動質量大大減小。因此適用于高速發(fā)動機。但正時傳動機構復雜，且為拆裝缸蓋造成一定困難。 本次設計采用的是凸輪軸下置式。 氣缸套的布置 缸套主要分為無缸套、干缸套和濕缸套三種。 干缸套的機體剛度比濕缸套的大，而且因為沒有冷卻水 的 密封問題，其缸心距比濕缸套 的小，對于縮短柴油機的總長度有利。干缸套的主要缺點是由于干缸套 一般與外缸套是過渡配合，干缸套不與冷卻水直接接觸，冷卻效果不是太好。 濕缸套由于冷卻效果好，更換方便，制造方便，雖然濕缸套的機體剛度較差，但是通過合理 的布置加強肋也可以保證機體的強度。 無缸套柴油機與有缸套柴油機相比，主要做了如下改進： 1)取消缸套，活塞環(huán)、活塞直接作用于缸孔。 2)在缸體的材料中添加了微量元素，提高了缸體的強度與耐磨性，使之適應無缸套柴油機的工作環(huán)境。 3)采用外圓鍍鉻的活塞環(huán)，與缸體的缸孔壁形成一對良好的摩擦副。 4)對缸孔的粗糙度提出要求，使其具備潤滑性、耐磨性。 第三章 JX493ZLQ3A 型柴油機的總體布置 13 5)因不需要安裝缸套，缸孔無止口。與有缸套柴油機相比，由于取消了缸套，增加了缸孔的壁厚，能夠減小缸孔的變形，最終提高了活塞環(huán)的密封性，減少竄氣量。同時減少了缸套這一環(huán)節(jié) ，使柴油機工作時產生的熱量能夠直接通過活塞環(huán)與缸體的接觸傳遞到柴油機的冷卻水中，提高了散熱能力，優(yōu)化了柴油機的工作條件。 通過以上比較本設計選取了無缸套設計。 噴油泵的布置 中小型直列式柴油機一般采用一只 整體 泵，布置在柴油機的側面。汽車用柴油機應將噴油泵布置在靠人行道一邊，以便于保養(yǎng)。噴油器應與噴油泵布置在同側，可縮短高壓油管長度。 直列式中速大功率柴油機，常用每缸一只 整 體泵布置在柴油機的側面。噴油泵和配氣機構共用一根凸輪軸，其傳動齒輪布置簡單，高壓油管短，便于維護保養(yǎng)，但高壓油泵油量調整難以精確，操 縱機構較為復雜。 由于 JX493ZLQ3A 主要應用于輕卡和轎車上，故本設計的噴油泵的布置采用 整體泵 且與噴油器布置在人行道一側。 齒輪傳