490型柴油机设计柴油机设计论文

-毕业设计（论文）490型柴油机设计The Design of 490 Diesel Engine61 / 69目录摘要IAbstractII第一章前言31.1 研究目的和意义31.2 国外研究现状31.3 研究容和方法4第二章柴油机的总体设计52.1 柴油机的总布置52.2 柴油机的总体设计7第三章结构设计113.1 机体组113.2 活塞连杆组143.3 曲轴飞轮组20第四章燃机辅助系统设计234.1 配气系统的设计244.2 燃油供给系统设计264.3 润滑系统设计284.4 冷却系统设计304.5 起动系统设计33第五章结论与建议345.1490型柴油机设计结论345.2 对于490型柴油机的几点改进建议34致35参考文献36附录37 490型柴油机纵剖面图 490型柴油机横剖面图490型号柴油机性能曲线图摘 要490型号柴油机是配套40ps拖拉机以与收割机的首选动力，经过一系列改装和调整后可用于固定排灌动力、发电机组和小型载重汽车上。这篇论文是关于490型柴油机的整体设计，主要是对490型柴油机的主要运动零件设计以与一些辅助系统的简要设计。通过热力计算、动力计算以与其它理论计算得到490型号柴油机的一些性能曲线，并根据性能进行合理的零件设计，从而使490柴油机具备更好的经济性能和动力性能。本文除了包括曲柄连杆机构的设计外，还包括进排气与配气系统设计，燃油输送与喷射系统设计、冷却系统设计、润滑系统设计。关键词：490型，柴油机，设计， 热力计算，动力计算 Abstract490 model diesel engines are the necessary 40ps tractor as well as harvesters first choice power, after undergoing a series of re-equipping and the adjustment, may use on the fixed irrigation and drainage power, the power set and the small truck. This paper is about 490 diesel engines overall designs, is mainly to 490 diesel engines main motion parts designs as well as some servosystems brief design. Through the thermal design, the power computation as well as other theoretical calculation obtain 490 model diesel engines some performance curve, and carries on the reasonable components design according to the performance, thus causes 490 diesel engines to have a better economical performance and the power performance. This article besides includes design of crank link motion gear, but also includes design of air admission and exhaust system, design of fuel oil transportation and injection system, design of cooling system, design of lubrication system.Key words: 490，diesel engine，design，thermal calculation, dynamic calculation第一章前言1.1 研究目的和意义燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。 步入新世纪以后，发动机发展的客观环境正经历着巨大变化，环保和节能是当今全球汽车行业无法回避的两大主题。针对节能和环保的双重目的，柴油动力型车辆将成为未来中国的主力车型。但是目前柴油机存在着较为严重的结构性短缺，环保节能型的车用柴油机在国市场上一直是一片空白。490型号柴油机主要应用于农业动力机械方面，是配套40ps拖拉机以与收割机的首选动力，经过一系列改装和调整后可用于固定排灌动力、发电机组和小型载重汽车上。490系列四缸直喷柴油发动机，凭借其强大的环保高效节能的优点迅速填补了国市场的空白，将成为国产柴油机市场新的黑马。490系列柴油机顺应了农用柴油机对环保的要求，属于功率大、节约能源、改善环境的绿色环保机，专门优化了燃烧系统，使之更具备环保需求，具有功率大、油耗低、燃油省、排放好等优点，490系列柴油机百公里油耗比同类机器节约2升，一年可以节约5000元。490系列柴油机扭距更强大，马力更强劲，能够满足用户多拉快跑、节省运输成本、提高经济效益的目的。490柴油机材质独特、曲轴不断、缸盖不裂、机体更强，其燃油系统应用先进的BQ油泵和汽车发动机技术，采用空气加热器，低温启动性能好，优化燃烧系统，排放也达到了欧I标准，贯彻了ISO9001：2000质量体系标准，同时定期对产品进行抽样试验，保证了产品质量。柴油机的性能指标取决于各工作参数，而其工作参数又取决于其结构参数，并且柴油机结构参数之间存在着有机的在联系。一个结构参数变化，其他结构参数随之改变。通过对整机的布局、实际循环热计算、动力计算、对柴油机配气系统、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动系统的了解与掌握，能够找出影响柴油机的动力性能指标、经济性能指标、运转性能指标和可靠性耐久性指标的主要参数以与各结构参数之间的最佳配合状态。更好的提高柴油机的动力性能和经济性能。1.2 国外研究现状490柴油机主要用于农业机械。在拖拉机与农用柴油机方面，1959年我国建成第一拖拉机厂，生产红54型履带式拖拉机与4125型柴油机。该厂从联引进了柴油机先进生产技术与由专用机床组成的流水生产线，引进了具有当时国际先进水平的油泵油嘴生产技术与检测设备。拖拉机厂引进并生产红40拖拉机（配套490型号柴油机）和4105型柴油机。燃机总厂引进与铁牛55型拖拉机配套的4115型柴油机。在农业机械部门的领导组织下，有关工厂还先后研制开发了多种型号的小型单缸农用柴油机，推动了我国农业机械化进程1。自20世纪80年代以来有了较快的发展，2006年我国已有车用发动机生产企业60多家，车用发动机生产能力600多万台，其中汽油机450万台左右，柴油机150万台左右。近十年来，我国在车用柴油机生产方面也取得了较快的发展，虽然我国现有的车用发动机的生产能够基本满足轻型车和重型车的需要，但仍然缺少技术含量高的产品，还缺少城市交通用的低排放车用柴油机，适合于轿车配套用的柴油机也极少。我国现生产的车用柴油机就其技术来源而言，引进系列和自主开发系列基本上是平分秋色。但从发展来看，引进机型将会进一步增加，而自主开发机型将会因为性能落后而逐步减少。从总体上讲，我国柴油机产品的技术水平与国际先进水平相比还有一定的差距，引进的产品只相当于国际90年代初期水平，自主开发的产品相当于国际50年代中期水平2。柴油机以其经济性好、排放低(主要指，)和转矩大等优势，在车用动力方面有很大的发展潜力。国外大中型汽车基本上都用柴油机，而我国重型车动力以柴油机为主，中型和轻型车还有较大比例的汽油机，轿车类仍然是汽油机一统天下。从全球的角度来看，车用柴油机的竞争一直十分激烈，因而促进了其技术的不断创新和发展。为了满足市场需求、扩大市场占有率、增强竞争实力，近几年世界各大汽车厂、车用柴油机制造商竞相推出了一批新研制或改进提高的产品或技术，这些新产品或新技术基本上体现了车用柴油机的发展方向。电控喷射技术，共轨燃油喷射系统，可变气门正时系统，涡轮增压中冷技术，混合动力，代用燃料等诸多方面3。1.3 研究容和方法本论文主要研究的容是490农用柴油机，包括热力计算和动力计算，以与各个系统零件的设计选择。通过实际循环热计算、动力计算，可以得到490柴油机的各个特性曲线。通过对整机的布局、对柴油机配气系统、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动系统的了解与掌握，找出影响柴油机的动力性能指标、经济性能指标、运转性能指标和可靠性耐久性指标的主要参数以与各结构参数之间的最佳配合状态。同时绘制研究各个性能曲线、参数变化曲线以与整机的CAD图和零件图。第二章柴油机的总体设计2.1 柴油机的总布置一、柴油机的总体布置柴油机右面布置着：机油泵、机油滤清器、喷油泵、调速器、高低压输油管、油滤清器等主要易出现故障的部件。柴油机的左方是起动电机、排气管道等。空气滤清器、进气管道在柴油机右上方，排气管布置在柴油机的左上方，为了适应拖拉机的工作需要，490型柴油机采用带有一级旋风的纸质空气滤清器，具有较高的滤清效率。490型号柴油机采用球型燃烧室，喷嘴为长型双孔式，倾斜的布置在气缸盖上，气缸盖上铸有螺旋进气道，产生强烈的的进气涡流以促进良好的混合气的形成，因此燃烧过程比较完善，燃料消耗率也比较低。气缸盖和缸体都是整体铸造的，结构轻巧。凸轮轴布置在机体的上半部，采用中置式凸轮配气机构，具有三个支承。气门、摇臂直接由长的菌形挺柱驱动，这样可使气门机构的刚性加大。柴油机下方是机油箱。柴油机后方，在曲轴后端凸缘用螺钉将甩油盘和飞轮固定在一起。柴油机前方，在曲轴的前端装有皮带轮，冷却系中的离心水泵和风扇都是由曲轴皮带轮直接驱动的，风扇、水泵都位于柴油机的前方。（见图2-1）以上布置的理由：根据中国人习惯，道路右侧通行，所有易出现故障的主要部件在右面这样方便修理；因为490型号柴油机主要应用于拖拉机、收割机等农用车，空气滤清器如果放在下方，在农地里工作时候容易吸进地里的尘土，会对柴油机造成严重损害；同样若排气管放在下方，排气温度比较高容易烧伤农作物或者引起火灾；柴油机的左右重量要保持平衡。图2-1 490柴油机外形示意图二、490柴油机主要参数型号.490型式.水冷、四冲程、直列式、球形燃烧室气缸套.湿式气缸数.4气缸直径（毫米）90活塞行程（毫米）.110标定功率：12小时功率（千瓦）.30转速（转/分）2000最大扭矩（牛米）.171/（11501250转/分）12小时功率时燃油消耗率（克/马力小时）.17012小时功率时机油消耗率（克/马力小时）2.5活塞总排量（升）2.8压缩比18柴油机转向（面向功率输出端）.逆时针调速器型式.BQ泵调速器喷油器.长型双孔式喷油压力（公斤/厘米2）175喷油泵型式真空助力BQ泵机油泵型式.齿轮式燃油滤型式.柴0810A型机油滤型式.分流式空气滤型式.空2410型润滑方式压力、飞溅混合式起动方式.电起动柴油机外形尺寸（毫米）长宽高775610690柴油机净重（公斤）310三、 配气定时进气门开启始点上止点前246关闭终点下止点后556进气持续时间 259气门最大升程 16毫米气阀与摇臂的冷车间隙0.30毫米排气门开启始点下止点前546关闭终点上止点后256排气持续时间 259气门最大升程 16毫米气阀与摇臂的冷车间隙0.35毫米42.2 柴油机的总体设计一、机体零件组件机体组包括气缸体、曲轴箱、气缸套、气缸盖、气缸垫等零部件。机体为气缸体、气缸水套和曲轴箱形成一体的部件，但也有些机型的机体与曲轴箱分为两个部件，以紧固件相连接。机体是燃机用以安装各主要零部件的基体，保证运动零件的正常运转。490型柴油机采用整体龙门式气缸体和湿式气缸套，湿式气缸套较厚，刚性较好，与缸体间形成水道，其下端通常以耐热的橡胶封水圈来密封，防止冷却水泄漏。湿式气缸套外表面直接与冷却水接触，散热好、拆装方便，本柴油机采用这种结构。气缸盖位于气缸的上部，密封气缸并形成燃烧室顶面，承受高的燃气压力和温度。气缸盖布置有进气和排气的通道、进气门、排气门与气门导管。水冷发动机气缸盖布置有冷却水道。有些柴油机气缸盖上清寒布置有分开式的燃烧室。气缸盖还有装置喷油器的孔位。水冷发动机气缸盖一般均由HT20-40、HT25-47灰铸铁铸造6。气缸盖和机体之间装有气缸垫用以保证燃烧室的密封，防止高温高压燃气的泄漏，同时密封润滑油和冷却水的通道。气缸垫应有足够的强度、弹性、抗腐蚀性，拆装方便能重复使用。 二、曲柄连杆机构 由活塞组、连杆组、曲柄飞轮组等部分组成，是柴油机的主要运动部件。它的功用是由活塞组与气缸套、气缸盖构成密闭的工作容积，以保证柴油机工作循环的进行。同时通过连杆组将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转，使作用于活塞上的燃气压力转变为扭矩，通过曲轴向外输出。 图2-2 活塞连杆总成图连杆用以连接活塞和曲轴，并将活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。其结构可分为小头、大头和杆身三个部分。连杆小头压装有连杆衬套，连杆杆身断面呈“工”字形，既减轻重量，又保证强度。连杆大头剖分成两半，可拆部分称连杆盖，两者配对加工，同一侧打有配对号，用连杆螺栓拧紧。连杆杆身大头部分与连杆盖的剖分形式通常有两种。常用的是平切口形式，这种形式的大头面加工方便、刚性好。（见图2-2活塞连杆总成图）曲轴的功用是将由活塞连杆组传来的燃气压力转变为扭矩，以旋转的形式输出，并带动燃机的其它运动机构。曲轴受到燃气压力和往复、旋转运动的质量惯性力与其力矩的作用，受力情况复杂。因此，对曲轴的强度、刚度、硬度、韧性和制造精度都有较高的要求。三、配气机构与进排气系统配气机构的作用是根据发动机工作过程的要求，定时开启和关闭进、排气门，完成换气过程。对配气机构的要进气充足，排气干净，气门关闭时保证气缸密封，工作可靠，便于调整。根据气门在发动机上的安装位置，配气机构分为顶置气门式和侧置气门式两种。四冲程燃机多采用顶置气门式配气机构。本柴油机选择顶置气门式配气机构。配气机构由气门组、驱动组、传动组、减压机构和进排气系系统组成。进气系统由空气滤清器与进气管等组成。它的功能为供给燃机充足、洁净的新鲜空气，并使它通过进气管、气缸盖中的进气道引入气缸。农业机械多在野外田间工作，空气中含尘量较大，尘粒中绝大部分为氧化硅颗粒，其硬度超过金属，这些尘粒进入发动机后将加大其零件的磨损。因此应选择滤清效率比较高的滤清器。四、燃料供给与调节系统燃油供给系统包括燃油贮存与滤清、供给与调节几个主要部分。柴油机供给系统的功用是根据柴油机负荷的需要，将一定数量的清洁燃油定时定量的喷入气缸，并在负荷变化时自动地保持转速稳定。燃油供给系统与调节系统的工作原理：输油泵从柴油箱把柴油吸入后送往柴油滤清器，经过滤清的柴油进入喷油泵。喷油泵将柴油压力提高后经高压油管，送到喷油器，喷油器以175的压力将柴油喷入球形燃烧室中燃烧，只有少量通过喷油器泄漏的柴油，通过回油管流回柴油管。（见图2-3）柴油机在进行工作时，负荷会经常发生变化，机手不可能随着外界负荷的频繁变化，不停地改充数油门的位置来适应负荷的变化，因而需要增设调速器。调速器的功能就是在柴油机工作时，随着外界负荷的变化自动调节供油量，使柴油机的转速保持相对稳定；另外在柴油机无负荷时，调速器还能使柴油机保持速运转而不会停车，并能限制柴油机的最高转速防止飞车。1-柴油箱2-粗滤器3-输油泵4-手油泵5-喷油泵6-低压油管7-细虑器8-放气螺钉9-喷油器10-回油管11-限压阀图2-3 燃油供给系统简图1-油底壳2-机油泵集滤器3-机油泵4-调压阀5机油滤清器6-油管7-旁通阀8-摇臂推杆9-机油散热器10-主油道进油管11-凸轮轴12-机油压力传感器13-主油道14-活塞连杆组15-曲轴图2-4 润滑系统示意图五、润滑系统柴油机的润滑系统是根据其中零件所受负荷的大小、性质以与摩擦表面相对运动的速度来确定润滑强度的。由机油泵、机油滤清器、机油冷却器和压力调节与安全装置等部件组成。润滑系统示意图见图2-4所示。490柴油机采用复合润滑法，即压力润滑加飞溅润滑。润滑系统的功用是将一定数量的清洁润滑油送到燃机的各个摩擦部位，起到下列作用：（1）润滑作用 为了保证燃机的正常工作，必须对各个相对运动表面，互相摩擦的部位加注润滑油，使其间形成一层油膜成为液态接触，这样可以减小摩擦阻力，减少机件磨损，延长燃机的使用寿命。（2）冷却作用 通过润滑油不断地流过运动零件的表面，带走零件所吸收的和由于相互摩擦产生的热量，使零件的温度不致过高。（3）清洗作用 利用润滑油的流动，带走由于摩擦而产生的金属磨屑和其它杂质，通过滤清保持润滑油和摩擦面的清洁。（4）密封作用 利用润滑油的粘性，附着于运动零件表面起密封作用，减少气体泄漏。（5）防锈作用 润滑油附着于零件表面，防止和减缓零件的锈蚀7。六、冷却系统水冷发动机用水做冷却介质，水具有较大的热容量和潜热，当发动机工况与环境温度变化时，仍能保证工作可靠。工作时受热零件的热量先传给水，再通过散热器或直接将水中的热量散入大气。根据冷却水循环方式的不同，又分为蒸发冷却、自然对流循环冷却和强制循环冷却三种主要方式。由水泵、风扇、散热器、中冷器和节温装置部件组成。对于柴油机来讲，冷却系统布置在柴油机的迎风端，散热器竖起置于柴油机的前端，轴流式风扇布置在散热器的后面。这种布置的目的是为了充分利用迎风气流。冷却系统如图2-5所示。冷却水的出水温度应该保持在8090，最高不要超过95。1-散热器2-节温器3-循环水4-温度感应塞5-出水管6-空气与水蒸气管路7-水泵8-补水管9-放水阀10-机油冷却器11水泵进水管图2-5 冷却系统示意图七、起动系统起动系统的功用是使燃机由静止状态转变为运动状态，即克服机件的摩擦阻力、惯性阻力与活塞压缩气体时的压缩阻力以带动曲轴达到一定的起动转速。起动系统包括驱动装置和辅助装置两部分。起动系统由于驱动装置不同又可分为人力起动、电力起动和汽油机起动几种类型。起动系统必须供给足够大的起动力矩来克服柴油机的起动阻力矩，而后将曲轴加速到一定的转速，使压缩终了时，柴油机气缸的压缩空气的温度高于燃料点燃的温度，以保证着火燃烧。同时，每次燃烧后，燃气所做的功都大于阻力功，使柴油机转速逐渐上升到能够正常工作的转速。490柴油机采用电机起动，电机起动装置体积小、起动迅速、操作方便。电起动系统包括起动电机、充电发电机、继电调节器、蓄电池、电热塞、电门开关、预热与起动开关、电流表等。第三章结构设计3.1 机体组机体组由气缸体、气缸套、气缸盖和油底壳组成。一、气缸体和气缸套设计：490型柴油机的气缸盖和机体都是整体铸造的。采用的是立式结构湿式缸套，最小壁厚为6mm，水套厚5mm，气缸中心距=（曲柄销长度为40mm）+（主轴径长度为36mm）+2（曲柄臂厚度为22mm），所以本柴油机缸心距确定为120mm。机体材料为HT20-40，机体的基本尺寸长宽高：480mm380mm428mm，490柴油机的气缸体主要尺寸设计如图3-1所示。湿式气缸套的外壁直接与冷却水接触，气缸套只与气缸体孔的支承部分配合，在气缸套和气体之间形成冷却水腔，因此存在水密和腐蚀的问题。其优点是：散热条件好，有利于降低第一环和环、气缸套的温度，湿式气缸套壁厚，有足够的刚度和强度，易于制造和更换，应用广泛8。如图3-2所示。 图3-1 龙门式气缸体示意图 提高气缸体刚度的有效措施： 本柴油机气缸体采用整体龙门式结构，相对于平分式刚度增加，拆装工艺性更加方便。隧道式气缸体的刚 度最大，但重量也是最大，一般多为小型单缸燃机使用。 整个气缸体曲面型设计，形成不断弯曲的波浪形，而不是简单的大平面，这样可以有效的提高气缸体的结构刚度，并能减少噪音。 在气缸体的壁和各缸之间的隔板上分别加加强筋和行架结构，从而提高气缸体的刚度。 在满足铸造要求的条件下，基本壁面要尽可能薄，减轻气缸体的重量，图3-2 湿缸套示意图但局部要加厚，特别是在气缸体的上下平面和前后壁面要加厚，以提高气缸体的刚度。主要载荷尽可能直线传递，避免产生附加弯曲和扭矩。气缸体的过渡圆角要圆滑过渡，角度不能太小，不能为直角。（见图3-1所示）本机气缸套选择优质高磷铸铁。提高气缸耐磨性的措施：合理选用材料，按照燃机的使用条件合理的选用缸套材料。例如在尘埃较多以与野外重负荷下工作的拖拉机用的柴油机，气缸套一磨料磨损为主，宜采用高磷铸铁、加硼铸铁制造缸套。缸套加工必须精确，气缸加工精度必须在2级以上。缸套表面处理，主要有镀铬、高频淬火、磷化处理和氮化等。制定合理的磨合规。在进行长时期高负荷磨合运转时，在中间要加入几段低负荷运转。使用条件。不要在尘土很多的环境下，空气滤清器和机油滤清器的选用、使用和保养必须给予重视，否则气缸会遭到强烈的磨料磨损。改善缸套的设计，结构设计要合理。二、气缸盖与气缸垫气缸盖基本组成：气缸盖上应有进、排气门座与气门导管和进、排气门通道、水道、水管等。作用：a密封气缸上部。 b构成燃烧室（与气缸壁和活塞顶一起）。 c构成供给系中进、排气系统与冷却系、润滑系的一部分（铸有进、排气通道与冷却水套、润滑油道）。 要求：a要根据混合气的形成和燃烧方式，正确设计燃烧室型式，合理布置气门和气道。b应具有足够的刚度和强度，保证承受机械应力和热应力同时能可靠工作和良好的密封。 c保证高温部分能得到较强的冷却，使气缸盖的温度分布均匀，尽可能减小热应力，避免出现热疲劳裂纹。 d结构简单、便于生产；对装置在气缸盖上的机件要便于拆装和维修。材料：灰铸铁或合金铸铁： a刚度、强度高 b耐高温 c导热性差：缸盖底面鼻梁区易开裂 d质量重水冷式燃机气缸盖的结构形式可以分为整体式、分体式、单体式以与连体式四种。整体式是整列气缸共用一个气缸盖；分体式是每两个或三个气缸共用一个气缸盖；单体式是每个气缸有一个单独的气缸盖；连体式是气缸盖和气缸体不分开，连成一整体。图3-3 气缸盖与盖罩示意图一般缸径小于105mm时，一般多采用整体式气缸盖。本490型柴油机气缸盖采用整体式结构形式，四个气缸共用一个气缸盖，它的零件数少，结构紧凑，制造成本较低。本柴油机气缸盖选择HT24-44铸铁材料铸造而成缸心距为120mm。气缸垫作用：密封 图3-4 气缸垫示意图要求：a具有补偿接合面粗糙度、不平度所必需的柔性以与补偿接合面变形所必须的弹性。 b具有足够的机械强度，能够承受气缸盖螺栓预紧力和接合面的变形力，在高温、高压气体的作用下不易损坏。c具有耐热性，在高温下不致烧，因属于易损件因而成本要低。d具有耐腐蚀性，对气体、机油和冷却水有一定的抗腐蚀能力。 e制造简单，拆装方便，并且能够重复使用。 材料与结构：如图3-4所示密封衬垫有两道石棉密封圈，靠近气缸的一道为石棉制品，表面涂以石墨，靠外的一道也是石棉制品，中间有一个低碳钢密封环，外表面镀铜，利用钢环的弹性起密封作用。3.2 活塞连杆组490型柴油机的活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、活塞销挡圈、连杆、连杆轴瓦、连杆螺栓、连杆螺母、保险铁丝（钢片）等组成。一、活塞组设计活塞头部包括活塞顶、火力岸与活塞环带。活塞顶与气缸盖、气缸壁组成燃烧室，承受气体压力，接受高温气体的作用。活塞环带又称密封部，是销座以上安装活塞环的部位，其作用是保证工作容积的密封性。安装活塞环的沟槽称为环槽，环槽下支承环的部分称为环岸。环带以下的部分称为活塞裙部，起导向作用并承受侧压力。一般多采用椭圆，活塞裙部采用上述结构措施之后，气缸壁之间的配合间隙比较小，不会产生敲缸现象。活塞放入气缸，活塞裙部与气缸壁间的间隙可按气缸直径的0.05%0.1%预留。490型柴油机活塞裙部与气缸壁的间隙为0.200.26mm，使用极限间隙为0.75mm9。活塞销座位于裙部中央上方，销座中安装活塞销。活塞通过销座将气体作用力与惯性力经活塞销传递给连杆。活塞材料与工艺 活塞材料选用共晶铝硅合金（铸铝、锻铝）其特点是质量小，导热性好，适用于一般发动机。 铸造的特点是质量大加工工序多；模锻的特点是质量小，加工少，而锻造介于二者之间。所以加工工艺为铸造。 结构特点图3-5球型活塞示意图基本结构：由顶部、头部、裙部三部分组成。顶部：组成燃烧室，易热裂、压碎，要求加工应光洁，材料应耐热。头部：油环槽以上部分。裙部：油环槽底面至活塞底端的外圆柱表面。本柴油机选用球型燃烧室活塞，其外形示意图如图3-5所示。 活塞的基本尺寸选择第一环位置：根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即火力岸高度h。为缩小，当然希望h尽可能小，但h过小会使第一环温度过高，导致活塞环的弹性松弛、粘结等故障。根据国产典型中小功率高速燃机的主要尺寸参数90系列490型柴油机D=90mm，h=0.22D = 19.8mm。（见图3-7）环岸高度：为减少活塞高度，活塞环槽轴向高度b应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但b太小，就使制造工艺困难。在90系列型高速燃机上，气环高b = 2.5mm，油环高 b = 5mm。环岸的高度c应保证它在气压造成的负荷下不会破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。一般= 5mm，= = 4mm。由于490型柴油机主要应用于农用车，其主要设计思想是强度高，提高功率，降低燃油消耗率，减少发动机单位马力的重量、体积和原材料的消耗，导热性，抗磨性和缸导向性好，材料选用共晶硅铝合金。活塞销选择20Cr 热处理为表面渗碳淬火，渗碳层厚度0.81.2mm，热处理硬度HRC58-64。活塞与活塞销工作时，弯曲变形互相不协调会在销座孔上侧引起严重边缘负荷，可能造成销孔永久变形甚至使销座裂开。（见图3-6）为此，一般适当增大活塞销直径提高销的弯曲刚度，减少弯曲变形。但是直径的增大使活塞高度增加，质量加大。对柴油机来说，销座的外圆大多与活塞顶实体相连，销座的柔度很小，边缘负荷和严重。因此常对销座结构做如下设计：活塞销座采用柔性设计，以减少孔边缘的应力集中；要适当增大活塞销直径，以提高其刚度，减小变形；图3-6 活塞销与销座的受力变形图 在活塞销座孔处加工出卸载槽； 活塞销为保证足够的强度与刚度，采用高强度空心管材做活塞销，表面淬火（6064）HRC，精磨，以保证可靠性与耐久性。为此，选取活塞销的主要尺寸d =33mm，l = 75mm，活塞销座厚度8mm。 活塞在气缸中运动时的导向作用由裙部完成。为保证导向良好，裙部要有足够的长度，与气缸配合间隙要小，以减轻活塞在连杆摆动引起的侧向力作用下从贴紧气缸的一侧到贴紧另一侧时对气缸的“拍击”。 图3-7 球型活塞示意图销孔中心线图3-8 活塞椭圆度示意图活塞裙部只在垂直活塞销轴线的方向承受侧压力，所以应保证此方向与气缸间隙尽可能小，而在销的轴线方向，间隙要大一些，以免活塞热膨胀后卡死在气缸中，因此，活塞裙部的横断面外形呈椭圆形。另外， 以促进裙部表面润滑油膜的形成同时为增强裙部刚性，在下裙侧设置加强筋，而椭圆，活塞温度是顶端高，裙端低，故轴向外形呈上小下大的曲线形，在接近裙部下端处尺寸要有点收缩度一般为0.151.35，如图3-8所示。活塞顶承受的气压力通过活塞销座和活塞销传给连杆，无论在销与销座之间，还是在销与连杆之间，承压面积都很小，表面压强很高，加上活塞销与销座或活塞销与连杆衬套之间相对运动速度很低，液体润滑油膜不易形成，在这种高压低速条件下，要保证可靠的液体润滑，配合副工作间隙要尽可能小。一般活塞销与销座、活塞销与连杆小头衬套间工作状态间隙在（13）d时，可以可靠工作，装配状态（冷态）时，销与销座则 有（13）d的过盈，以补偿铝合金活塞销孔在工作时较大的热膨胀。本柴油机的活塞销直径d=0.36D=32.4mm，取d=33mm;活塞销长度L=0.83D=74.7mm， 取L=75mm。本柴油机活塞的基本尺寸如图3-7所示，D=90mm，h= 19.8mm，H= D1.2=108mm，= D0.77=69.3mm，= H=38.7mm，=/0.58=66.72mm，=28mm，取d1=45mm。 活塞环设计气环要有良好的密封作用，如图3-9所示首先活塞环应以一定的弹力与汽缸壁压紧，形成所谓第一密封面，使气体不易通过环周与气缸之间，而钻入环与环槽之间的空间。由于气流产生的压差，造成径向、轴向的不平衡压力、。其中把环压向环槽侧面，形成所谓的第二密封面，而则大大加强第一密封面10。图3-9 活塞环所承受的力活塞环的数目主要与燃机的转速、气缸的气压力等有关，当环数多时，封气和刮油作用较好，但活塞环与气缸壁间的阻力较大，490型柴油机活塞采用三道气环，一道组合式油环。第一道环槽装多孔性镀铬平环，第二、三道环槽装圆倒角的扭曲环，第四道环槽装外圆大倒角油环。第一、二道气环应该错开180，第二、三道应该错开90。第一环为多孔性镀铬平环，第二、三环为圆倒角的反扭曲环，第一道气环开口间隙为0.30.45mm，其余气环为0.30.4mm，油环开口间隙为0.30.45mm，使用极限2.0mm，第一道气环侧隙0.060.092mm，其余气环0.040.072mm，油环0.030.07mm，使用极限0.2mm。组合式油环由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬簧组成。（见图3-10）1-钢片2-衬簧3-径向衬簧4-轴向衬簧5-活塞图3-10 组合式油环环示意图活塞环材料一般采用耐热耐磨的优质灰铸铁或合金铸铁，工作条件最差的气环工作表面一般都采用多孔型镀铬，其硬度高（HV9001000），熔点高（1770），并能储存少量机油以改善工作条件。活塞环的使用性能取决于环本身结构与环的组合，为强化第一道环，使之能适应活塞的摆动，且活塞上行下行时均可在环的下周面上形成润滑油膜摩擦而不易燃烧，选用多孔镀铬平环。第一道环由于承受很大气压力，同时，活塞顶部的30%左右的热量都由其散发出去，因而工作状况极其恶劣，为提高硬度和熔点，改善抗磨损性，耐熔着性和耐腐蚀性，对环外圆面进行镀铬。而中间环采用扭曲环，油环则选用有切向的外圆大倒角油环，这种环柔性好，可在气缸变形较大的条件下很好的刮油。根据90系列燃机活塞环主要参数，本490型号柴油机活塞环的选择如下：气环的径向厚度t=D/24.4=4mm，油环的径向厚度t=D/24.4=4mm；气环轴向宽度b=t0.68=2.5mm；油环b=t1.35=5mm。燃烧室形状讨论 490型柴油机采用球型燃烧室（见图3-7），其混合气主要是油膜蒸发混合形成。将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜。燃烧室壁面温度控制在200-350，使喷射在壁面的上的燃料 在比较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解反应。蒸发的油气与空气形成均匀的混合气，从油束中分散出来的一小部分燃料是极细的油雾，在炽热的空气中首先完成着火准备，形成火核，然后靠此火核点燃从壁面已蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧的进行，大量热量辐射到油膜上，是油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速的燃烧。球型燃烧室采用油膜蒸发混合形成最显著的效果是：发动机工作柔和，燃烧噪声小，排烟少，性能指标好。 490型柴油机采用深坑形球形燃烧室，采用2个喷孔，喷射角度在140160之间。喷油嘴伸出气缸盖2mm，喷孔直径为0.35mm。二、连杆组设计连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆轴瓦和连杆螺栓。连杆体由连杆小头、杆身、大头三部分组成。490型柴油机连杆大头选用平切口连杆。连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起作往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起作旋转运动。连杆小头小孔压有衬套，衬套一般采用耐磨性较好的锡青铜制造。为了润滑活塞销与衬套，在小头和衬套中铣槽或钻孔，燃机运转时被渐起的机油滴入槽或孔，润滑活塞销或衬套，活塞销与活塞销座之间的配合间隙为0.0040.02mm，使用极限为0.05mm，活塞销与连杆衬套的标准配合间隙为0.070.10mm，使用极限为0.12mm。连杆材料上选取国90系列较常用的40Cr11。如图3-11所示连杆的具体尺寸设计：连杆长度现代高速发动机设计中的总趋势是尽量缩短连杆长度，这样不仅增加了连杆的结构刚度，而且缩小了燃机的总高度，减轻总质量。但连杆长度减少使二阶惯性力增大，活塞侧向力增大，增加活塞的摩擦损失和磨损，短连杆还可能造成连杆与气缸下端相碰。设计连杆时，首先要确定连杆大小头孔的距离，即连杆长度。它通常是用半径连杆比来说明的，值越大，连杆越短，则发动机总高度越小。对于四冲程高速燃机来说，最合理的连杆长度应该是保证连杆与相关机件在运动时不与其他机件相碰情况下的最短长度。本机，选取= 220mm。如图3-11 平切口连杆示意图连杆小头a小头主要尺寸为连杆衬套径和小头宽度，根据燃机连杆结构参数：= D0.36=32.4mm，取=33mm，=0.94 =30.4mm，取=30mm，小头衬套厚度= 3mm 。d=1.16=37.58mm取d=38mm， = d1.22=45.85mm，取=46mm。b构形设计：连杆小头要有足够的壁厚，要特别注意小头到杆身过渡的圆滑性，减少应力集中，小头轴承相对活动速度低，四冲程循环又使它往复性负荷，有助于润滑油膜恢复，一般用飞溅润滑即可。因而在小头要有收集机油的孔或槽。连杆杆身连杆杆身选用工字形截面，其杆身高度=0.31D=27.9mm取=28mm，宽度=H/1.4= 20mm，杆身厚度= 6mm。 连杆大头结构设计：采用平切口结构。主要尺寸选取：大头孔直径=0.63D=56.7mm，取=57mm；连杆大头宽度=0.70=39.69mm，取=40mm。=0.68D=61.2mm， 取=62mm；连杆螺栓孔中心距C=1.21=74.05mm，取C=74mm；= 12mm。3.3 曲轴飞轮组曲轴飞轮组包括曲轴、飞轮、正时齿轮、曲轴皮带轮、曲轴轴瓦等零部件。由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映客观实际的理论公式可供通用。因此目前曲轴的设计主要依靠经验设计，即利用利用现有的许多曲轴结构与尺寸的统计资料，借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行细节的设计、强度校核、样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸和加工工艺等。曲轴从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴。从主轴承来分，又可以分为滑动轴承和滚动轴承两大类。490型柴油机采用整体式曲轴，其结构简单、重量轻、工作可靠。主轴承采用滑动轴承，可以减低成本。曲轴材料选用高强度球墨铸铁，因为它的成本低，材料利用率高，应力分布比较均匀，可以减小扭振振幅。球墨铸铁就其机械性能和使用性能而言，比其他多种铸铁都要好。现在，球墨铸铁曲轴越来越得到重视，球墨铸铁材料经正火处理后的机械性能已经接近或超过一般中碳钢，尽管钢的疲劳强度比球墨铸铁高，但曲轴的结构复杂，钢曲轴难免会有油孔、过度圆角和材质上留有缺陷而造成应力集中，从而降低了曲轴的疲劳强度。90、95、105等系列多用途高通用型农用车柴油机均采用稀土镁球铁曲轴。490型柴油机的球铁曲轴是全支承，不带平衡块，其轴向定位设在后轴承上。曲轴后端凸缘用螺钉将甩油盘和飞轮固定在一起。曲轴前端装有皮带轮和启动爪12。 图3-12发火顺序与曲柄排列次图 曲轴具体示意图见图3-13所示，主轴颈加工卸载槽减少了主轴颈应力集中而且减少了曲轴的质量从而减少了转动惯量。 一、曲轴基本尺寸的设计主轴颈直径和主轴颈长度曲轴轴颈包括主轴颈和曲柄销。轴颈的尺寸和结构与曲轴的强度、刚度与润滑条件有密切的联系。轴颈的直径越大，曲轴的刚度便越大，但轴颈直径过大，会引起表面圆周速度增大，导致摩擦损失和机油温度的提高。特别是曲柄直径的增大会引起旋转离心力与转动惯量的剧烈增大；而且曲柄销直径的增大会使连杆大头的尺寸增大，这不利于连杆通过气缸取出，因此曲柄销直径总是小于主轴颈直径。=D0.78=70.2mm；取=70mm；=0.51=35.8mm，取=36mm。曲柄销直径与曲柄销长度 图3-13曲轴示意图以与主要结构参数在保持轴承比压不变的情况下，采用较大的主轴颈直径，可以减小主轴颈长度，这有利于缩短柴油机的长度或者加大曲柄臂的厚度。采用短而粗的主轴颈可提高曲轴扭振的自振频率，减小在工作转速围产生共振的可能性。从润滑观点或受力情况出发，主轴颈短而粗是可行的，因为主油道的机油首先供应主轴承，润滑条件好，另外，主轴颈所受的载荷一般都比曲柄销轻。对于曲柄销，由于其直径取得较小，其长度要长一些， =D0.63=56.7mm，取 =57mm；= D0.44=39.6mm，取=40mm。 曲柄臂厚度和宽度曲柄臂厚度的增加使曲拐的弯曲强度加大，但增加曲柄臂厚度会减小曲柄销长度和主轴颈长度， 曲柄臂厚度=10.24D= 21.6mm，取=22mm。=1.15D=103.5mm所以取曲柄臂宽度为104mm。 曲柄圆角R增大曲轴圆角能增加曲轴疲劳强度。但曲轴圆角的增加意味着缩小轴承承压长度，存在强度与耐磨性间的矛盾。R=0.07=3.92mm，所以取R=4mm综上设计，曲轴的总长度为526mm。二、 飞轮 在发动机工作循环中，只有一个冲程作功，飞轮的功用就是把传到曲轴上的一部分能量储存起来，用以克服进气、压缩、排气冲程中的阻力，使曲轴旋转均匀，并能克服发动机短时间超负荷工作，飞轮还有便于起动与输出功率的作用。当运动中当扭矩大于平均扭矩时，飞轮将多余能量储存起来；当扭矩小于平均扭矩时，飞轮释放能量，以避免转速急剧变动；同时，飞轮还是传递柴油机动力的主要零件，由于飞轮的结构形式多样而且其转动惯量易达到要求。 其中，飞轮的转动惯量计算如下： （3-1） 式中：飞轮占柴油机总转动惯量的分数；E转矩曲线盈亏功； 单位： N n转速； 单位：r/min柴油机运转不均匀度。 图3-14飞轮的结构要求：质量尽可能小的前提下具有足够的转动惯量，因而轮缘通常做得宽而厚。材料、工艺、结构特点：一般用灰铸铁，当轮缘速度超过50米/秒时要采用球铁或铸钢。飞轮外缘上的齿圈是热压配的，齿圈磨损失效后可以更换，但拆装齿圈时应注意加热后进行。飞轮应与曲轴一起进行动平衡校准。为了拆装时不破坏它们的平衡状态，飞轮与曲轴之间的连接螺栓应不对称布置。飞轮的材料为合金铸铁，安装时由六个螺栓和一个定位销将飞轮固定在曲轴的法兰盘上。飞轮的结构如图3-14所示。三、轴瓦 轴瓦的设计原则主要本着在大批量生产的条件下能保证很高的制造精度，可完全互换，使用方便成本低。基于490型柴油机的转速围属高速机，滑动轴承材料选用高锡铝合金，其硬度HB在20时为3040，150时为2330，最大许用负荷24.5MPa，许用速度810m/s，最高工作温度170。用高锡铝合金轴瓦，它的机械强度高，减磨性能高，耐腐蚀，制造成本低。 为了防止轴瓦在工作时松动，轴瓦上设置有突键，安装时突键位于连杆大头相应的凹槽。轴瓦背与轴瓦座要紧贴合，以免轴瓦松动或散热不良而烧损轴瓦。为此，轴瓦的座中其一端与座的分开面对齐时，轴瓦的另一端高出座的分开面0.05毫米左右。当拧紧连杆螺栓时，轴瓦与瓦座应过盈，而使配合很好的机械连杆螺栓常用优质钢材制造，安装时按一定拧紧扭矩拧紧。490型柴油机，连杆螺栓规格M12拧紧扭矩1012，主轴承螺栓M12拧紧扭矩1213。连杆轴承和连杆轴径间隙为0.070.10mm，使用极限0.25mm。 主轴承径向间隙0.080.120mm，使用极限0.28mm。 第四章 燃机辅助系统设计辅助系统包括燃油供给系统，配气系统，润滑系统，冷却系统，起动系统。根据490型柴油机的主要用途，工作情况和设计要求，根据具体布置方案与有关参数来选择现有燃机工作可靠的机件，一方面使机件通用化，降低