【正文】 167。 內(nèi)燃機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求 內(nèi)燃機(jī)的總體設(shè)計(jì)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(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的論證和選擇；方案計(jì)算和總體設(shè)計(jì)圖的繪制等幾個階段。因此，總體設(shè)計(jì)者責(zé)任重大，要有高度的負(fù)責(zé)精神和使命感。編制產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù)書，具體規(guī)定產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和配套要求。 內(nèi)燃機(jī)種類多樣，使用條件各異，對總體設(shè)計(jì)也提出不同的要求。 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中的“三化” “三化”可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)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(yīng)。 （ 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。 總之，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。 167。 動力性指標(biāo) 動力性指標(biāo)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。 可見，有效功率受到上面各參數(shù)的影響。 ??1 轉(zhuǎn)速（ n） 柴油機(jī)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。 提高內(nèi)燃機(jī)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。 表 11 各種用途的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速范圍 【單位：（ r/min）】 用途 柴油機(jī) 汽油機(jī) 汽車 1500~5000 2500~6500 工程機(jī)械與拖拉機(jī) 1500~2800 2021~3600 內(nèi)燃機(jī)車、發(fā)電機(jī)組 900~1500 2800~3600 摩托車、摩托艇 5000~10000 中小型農(nóng)用機(jī)械 1200~3000 3000~6000 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)際上內(nèi)燃機(jī)給出的轉(zhuǎn)矩指標(biāo)都是最大扭矩。 167。對于固定工況使用的柴油機(jī)是指標(biāo)定功率時(shí)上網(wǎng)燃油消耗率。比如，某內(nèi)燃機(jī)的最低油耗率，則是指萬有特性上的最低油耗率。 （ 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(jī)械效率。柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)師和使用者永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。 167。對于可靠性的內(nèi)燃機(jī)應(yīng)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。內(nèi)燃機(jī)的大修期一般決定于缸套和曲軸磨損到達(dá)極限尺寸的時(shí)間（小時(shí)數(shù)），此時(shí)內(nèi)燃機(jī)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(jī)啟動困難甚至無法啟動、排氣冒藍(lán)煙、機(jī)油消耗量明顯加大、動力性明顯下降、內(nèi)燃機(jī)工作噪聲變大等。 重量和外形尺寸指標(biāo) 質(zhì)量、外形尺寸是評價(jià)設(shè)計(jì)的緊湊性和金屬利用程度的指標(biāo)。比如汽車發(fā)動機(jī)要求質(zhì)量和外形尺寸都要小，而工程機(jī)械和拖拉機(jī)則可稍大一些。 衡量內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量的指標(biāo)是比質(zhì)量 （ kg/ kw ）： m/ ep 。 低公害指標(biāo) 內(nèi)燃機(jī)的噪聲主要來自燃燒噪聲、氣體流動噪聲和機(jī)械噪聲三個方面。在噪聲數(shù)據(jù)上所見到的噪聲單位多為 dBA 或者 dB(A)。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(diǎn)火提前角等。 氣體流動噪聲主要通過進(jìn)排氣消聲器來控制。 排放 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 汽車的排放，就是內(nèi)燃機(jī)的排放，說到對于環(huán)境和空氣的污染，實(shí)際上是內(nèi)燃機(jī)的排放污染。在設(shè)計(jì)柴油機(jī)時(shí)， 尤其是車用柴油機(jī)時(shí)，一定要根據(jù)本地實(shí)行的法規(guī)制定合適的設(shè)計(jì)方案 ??2 。 2110 型柴油機(jī) 的主要 參數(shù) 的選擇 內(nèi)燃機(jī)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)。 平均有效壓力 meP 平均有效壓力 meP 是標(biāo)志內(nèi)燃機(jī)整個循環(huán)過程的有效性及內(nèi)燃機(jī)制造完善性的指標(biāo)之一， meP 值的不斷提高是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，平均有效壓力 應(yīng)根據(jù)同類型發(fā)動機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)來初步選定，在本次設(shè)計(jì)中，初步選定 meP =。它對 于 內(nèi)燃機(jī)的性能，工作可靠性和使用壽命有很大的影響。 本次設(shè)計(jì) 的 轉(zhuǎn)速為2200r/min。此次設(shè)計(jì)的 氣缸直徑于氣缸數(shù)均由設(shè)計(jì)任務(wù)書給定，其分別為 110mm，兩 缸。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 行程缸徑比： S/D＝ ~ S=（ ~） D=99~ mm 取 S＝ 120 mm??3 。 2110 型柴油機(jī) 的 總體布置 根據(jù)初步確定的內(nèi)燃機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要零部件結(jié)構(gòu)方案和尺寸，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的總體布置 。繪制 橫剖面 圖。 二、 經(jīng)常需要保養(yǎng)的零部件，如機(jī)油，燃油，空氣的濾清器和噴油器等，接近性要好。 三、 應(yīng)滿足用戶對 柴油 機(jī) 配套所提出的各項(xiàng)合理要求。 五、 柴油機(jī)起吊，存放和安裝方便。 167。 h)。 機(jī)體由稀土灰鑄鐵鑄造，機(jī)體 采用隧道式機(jī)體 ，以保證機(jī)體的結(jié)構(gòu)剛度。氣缸套的下部有兩道 O 形橡膠密封環(huán)圈防止漏水。第一環(huán)為矩形環(huán)，外圓鍍鉻，第二環(huán)為扭曲環(huán)。連桿用 45 號鋼鍛造，大頭 采用平切口 ，切口分割面用畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 三角形的鋸齒保證連桿蓋的定位 。曲軸平衡采用完全平衡方案，其上安裝四 個平衡塊。 潤滑系統(tǒng)采用壓力潤滑和飛濺潤滑混合的方式。 概述 曲軸是發(fā)動機(jī) 的主要運(yùn)動件，其性能直接影響著發(fā)動機(jī)的可靠性和壽命。由于周期性變化的氣體壓力，往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的慣性力以及它們的彎扭拒共同作用，使得曲軸在工作過程中既彎曲又扭轉(zhuǎn)， 還要承受一定的沖擊載荷，軸頸表面受到磨損，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸表面的嚴(yán)重磨損，統(tǒng)計(jì)分析表明，破壞的曲軸中有 80%左右是由彎曲疲勞產(chǎn)生的。 曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩（扭矩和彎矩）共同作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。曲軸破壞的統(tǒng)計(jì)分析表明， 80%左右是由彎曲疲勞產(chǎn)生的。 曲軸形狀復(fù)雜、應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，特別在曲柄至軸頸的過渡圓角區(qū)、潤滑油孔附近以及加工粗糙的部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。這些軸承在實(shí)際變工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體潤 滑，尤其當(dāng)潤滑油不潔凈時(shí)，軸頸表面遭到強(qiáng)烈的磨料磨損，使得曲軸的實(shí)際壽命大大降低。如果曲軸彎曲剛度不夠，就會大大惡化活塞、連桿、軸承等重要零件的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性，甚至使曲軸箱局部損壞。 綜上所述，曲軸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)符合以下要求： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 1． 有足夠的疲勞強(qiáng)度，以保證曲軸工作可靠。應(yīng)根據(jù)軸頸比壓，選取適當(dāng)?shù)妮S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． 柄排列合理，以保證柴油機(jī)工作均勻；曲軸平衡性好，以減小振動和主軸承最大負(fù)荷； 5． 料選擇適當(dāng)，以充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力。同時(shí)，隨著內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，各項(xiàng)指標(biāo)的強(qiáng)化，曲軸的結(jié)構(gòu)也應(yīng)留有發(fā)展的余地。例如，為了提高曲軸的剛度而增大主軸頸和曲柄銷直徑，對 軸承工作而言，可以降低軸承比壓，但高轉(zhuǎn)速下軸承圓周速度變大，從而引起摩擦功率損失增加，軸承溫度升高，降低了軸承工作的可靠性。這時(shí)，可能引起采用斜切口連桿的必要，而這種連桿剛性差，而且制造成本較高。正是這些內(nèi)在的矛盾推動著曲軸的發(fā)展，而在曲軸強(qiáng)度矛盾的總體中，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力與該力作用點(diǎn)的材料抗力是它的主要矛盾。 由于曲軸受力復(fù)雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，至今還沒有一個能完全反映實(shí)際的理論公式可供通用。借以初步確定曲軸的基本尺寸，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度復(fù)核、曲軸樣品試驗(yàn)，最后確定曲軸的結(jié)構(gòu)、尺寸與加工工藝等。 曲軸的設(shè)計(jì)步驟 曲軸設(shè)計(jì)在柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)階段就開始進(jìn)行。 2．依據(jù)柴油機(jī)相似原則以及設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，初步選 定曲柄銷，主軸頸和曲柄臂的尺寸。 曲軸計(jì)算： 初步選 定曲軸尺寸后，需對曲軸進(jìn)行平衡性計(jì)算和曲軸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)曲軸是否滿足前述各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。上述方法需反 復(fù)進(jìn)行，并最終確定曲軸的尺寸，平衡塊的大小和布置方式，潤滑油道的布置， 完成曲軸兩端的設(shè)計(jì)，繪制出曲軸零件圖。 曲軸的結(jié)構(gòu)型式及其 選擇 一、 按支承方式曲軸分為全支承曲軸和非全支承曲軸。由于柴油機(jī)的爆發(fā)壓力較高，因而一般都采用全支承 曲 軸；僅有個別小缸徑柴油機(jī)為縮短缸心距，減少主軸承數(shù)，采用非全支承 曲軸。 整體 式 曲軸 整體 式 曲軸 的毛坯 是 由整根鋼料鍛造或用鑄造方法澆鑄出來 的。 組合 式 曲軸 組合式曲軸是把曲軸分成很多便于制造的單元體，然后將各部分組合裝配而成。 大功率柴油機(jī)和小型二沖程發(fā)動機(jī)上常采用組合式曲軸。圓盤式組合曲軸各曲柄相同，這使得系列產(chǎn)品的 曲軸 制造十分方便。此外 ，由于這種曲軸各曲柄單獨(dú)制造，因而不需要大型設(shè)備，機(jī)械加工簡單。 （ 2）、 套合式曲軸 （全套合或半套合） 它的曲柄銷，主軸頸，曲柄臂均分開制造，然后用 “ 紅套 ” 或液壓 壓入等方法連接起來。 為了減小應(yīng)力集中，軸頸與曲柄臂相配合部分的直徑加大到軸頸直徑的 ～ 倍。 （ 3）、 分段式曲軸 大型曲軸由于受到加工設(shè)備的限制，往往將曲軸分段制造，然后用凸緣連接起來，這種曲軸稱為分段式曲軸 。 由于此 次設(shè)計(jì) 的是直列 兩 缸柴油機(jī)，故 選用平面 （圖 31） 布置， 曲 柄互成 空間 180176。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 167。 鍛造曲軸 一般采用中碳鋼或者合金鋼制造，毛坯生產(chǎn)需要 大型鍛壓設(shè)備，雖然 毛坯尺寸比較精確，減少了加工余量，提高了材料利用率，此外，鍛造能夠使材料的金屬纖維成方向性排列，纖維方向和曲軸形狀大致相符，這大大提高了曲軸的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。 雖然鑄造曲軸主要是 球鐵曲軸有很多 缺點(diǎn) ，例如 彎曲疲勞強(qiáng)度比較低，較容易發(fā)生斷裂，相同尺寸的球鐵曲軸與鍛造曲軸相比，剛度差。球鐵可以鑄造出復(fù)雜的曲軸形狀，使其應(yīng)力分布均勻，且球墨鑄鐵對缺口敏感度低、變形小，使球墨鑄鐵曲軸的實(shí)際彎曲的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度與正火中碳鋼相近。 綜上分析，我采用 球 墨鑄 鐵 曲軸。 曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)汽車拖拉機(jī)這一類高速內(nèi)燃機(jī)的曲軸時(shí)，它的基本尺寸大多根據(jù)結(jié)構(gòu)布置上的要求來確定，再由強(qiáng)度校核修正。各部分尺寸多以與氣缸直徑的相對值表示，而氣缸直徑又是限制曲柄銷直徑的重要因素。 表 31 曲軸主要結(jié)構(gòu)尺寸的統(tǒng)計(jì)范圍（車輛用） (《中國內(nèi)燃機(jī)工程師設(shè)計(jì)手冊》 朱仙鼎 主編 ) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 機(jī)型 結(jié)構(gòu)尺寸 柴油機(jī) 汽油機(jī) 直列 直列 直列 直列 主軸徑 1D /D ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1L /D ~ ~ ~ ~ 連桿軸徑 2D /D ~ ~ ~ ~ ~ 2L /D ~ ~ ~ ~ 曲柄臂 h/D ~ ~ ~ ~ b/D ~ ~ ~ ~ 過渡圓角 r/ 2D ~ ~ 平衡重 ? /S ~ ~ ~ ~ 曲柄銷的直徑 2D 和長度 2L 在 考慮曲軸軸頸的粗細(xì)時(shí)，首先是確定曲柄銷的直徑 2D 。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉(zhuǎn) 質(zhì)量的離心力增大，對曲軸及軸承的工作帶來不利。此外，曲柄銷直徑增大 也會增加軸承摩擦功率損失，導(dǎo)致軸承溫度升高，增加潤滑油熱負(fù)荷。曲柄銷的長度 2L 是再選定 2D 的基礎(chǔ)上考慮的。 曲柄銷的長度 2L =（ ~） D=~, 取 2L =42mm??4 。但是為了最大限度地增加曲軸的剛度，加粗主軸徑是有很大好處的。 根據(jù) 表 31，初步選取