毕业设计论文JX493ZLQ3A柴油机概念设计及其仿真分析

密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（20082012年）题 目 JX493ZLQ3A柴油机概念设计及其仿真分析学 院： 机电工程学院 系 动力系 专 业： 热能与动力工程 班 级： 082班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期： 2012年2月13日至2012年5月15日 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期：摘要JX493ZLQ3A柴油机概念设计及其仿真分析专 业：热能与动力工程 学 号：XXXX学生姓名：XXX 指导教师：XXX摘要众所周知，相比汽油机，柴油机具有燃油消耗率低（平均比汽油机低30%），而且柴油价格较低，所以燃油经济性较好；同时柴油机的转速一般比汽油机的低，扭矩要比汽油机大，但其质量大、工作时噪音大，制造和维护费用高，同时排放也比汽油机差。但随着现代技术的发展，柴油机的这些缺点正逐渐的被克服，现在的部分高级轿车已经开始使用柴油发动机了。本课题的研究内容主要是对JX493系列柴油机进行改进设计，以便延续其生命力以及更好的为人们服务。在满足一系列性能指标的前提下进行JX493ZLQ3A柴油机的概念设计。在柴油机的概念设计中，首先通过复习自己在专业课程中学习的柴油机相关知识，再结合从网络及图书馆查阅到的柴油机发展及研究的相关资料，对于柴油机有了充分的理解。然后在JX493纵横剖面图的基础上，根据JX493ZLQ3A柴油机所需满足的性能要求确定出柴油机的总体布置方案。在用软件CATIA进行简要三维造型的过程中，其中的数据主要是通过查阅柴油机手册和内燃机学中的规定范围进行计算获取。该柴油机的纵横剖面图由CAD绘制。关键词：柴油机、设计、运动分析、CATIAIAbstractJX493ZLQ3A diesel engine conceptual design and simulation analysisAbstractWe all know, compared to the gasoline engine, diesel engine with low fuel consumption (30% lower on average than gasoline), and lower the price of diesel, so fuel economy is good; engine speed is generally lower than gasoline.Torque than gasoline, but its quality, noise at work, manufacturing, and high maintenance costs, while emissions than gasoline. With the development of modern technology, these shortcomings of the diesel engine is gradually being overcome, now part of the limousine has already begun to use diesel engines.The contents of this subject is mainly JX493 series diesel engine to improve the design, in order to continue its vitality and better services for the people. Satisfy a set of performance indicators under the premise of the conceptual design of the JX493ZLQ3A Diesel.The conceptual design of diesel engines, diesel-related knowledge through learning in professional courses before the review, combined with access to the diesel engine development and research information from the network and libraries, the diesel engine has been fully understood. And then on the basis of the JX493ZQ vertical and horizontal sections, the JX493ZLQ3A diesel engines required to meet the performance requirements to determine a diesel engines overall layout scheme.Which the data is calculated to obtain access to the scope of the provisions of the diesel manual and internal combustion engines, in a brief three-dimensional modeling software CATIA. Aspect of the diesel profile from the CAD drawing.Keywords: Diesel、design、 motion analysis、CATIA II目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1引言11.2国内外研究现状及发展趋势：11.2.1国外柴油机技术的现状与发展11.2.2我国柴油机产业的现状与发展31.3本课题研究内容4第二章 柴油机主要零件设计52.1活塞组52.1.1 活塞设计要求52.1.2活塞主要设计尺寸52.2连杆组82.2.1连杆的设计要求82.2.2连杆的主要设计尺寸82.3曲轴组102.3.1曲轴设计要求10第三章JX493ZLQ3A型柴油机的总体布置123.1凸轮轴的布置123.2气缸套的布置123.3喷油泵的布置133.4齿轮传动机构的布置133.5机油泵的布置133.6水泵（包括风扇）的布置143.7进排气管的布置143.8涡轮增压器及中冷器的布置15第四章 曲柄连杆机构三维造型164.1CATIA简介164.2利用CATIA进行设计的方法164.2.1草图设计164.2.2生成三维零件毛坯174.2.3完成三维造型174.3三维造型的简要说明174.3.1活塞造型174.3.2连杆造型194.3.2曲轴造型21第五章 装配和运动干涉分析235.1曲柄连杆机构装配情况的简要说明235.2曲柄连杆机构的干涉分析245.2.1静态分析245.2.2动态分析285.3曲柄连杆机构的运动仿真31结论35参考文献36致谢37IV第一章 绪论第一章 绪论1.1引言随着汽车产业的不断发展，对石油的需求量也不断增加，毕竟石油资源有限，所以全世界的汽车受节能要求的推动，日益向柴油化发展。尤其在石油稀缺的西欧不仅是重型货车。大型客车应用柴油机，甚至小轿车上也越来越多的应用柴油机。JX493系列柴油机是江铃汽车股份有限公司九十年代消化吸引日本五十铃4J系列柴油机先进技术，采用国际先进的制造工艺生产的产品，由于其可靠性和经济性突出，深受用户欢迎。但随着社会的发展和技术的进步，JX493系列柴油机已逐步显现出其落后的态势，因此，有必要对其进行改进设计，以便延续其生命力。1.2国内外研究现状及发展趋势：1.2.1国外柴油机技术的现状与发展现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少， 作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机， 而且轿车采用柴油机的比例也相当大。最近， 美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。 经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。 下面是国外柴油机应用的一些先进技术：（一）共轨与四气门技术国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合， 使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效，能满足欧3排放限值法规的要求。四气门结构（二进气二排气）不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以居中布置， 使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时， 可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构，以实现可变涡流。 这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量（品质），有效降低碳烟颗粒、HC 和 NOX 排放并提高热效率。（二）高压喷射和电控喷射技术高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一， 高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳， 从而降低排放，提高整机（车）性能。（三）增压中冷技术采用涡轮增压增加柴油机的空气量，提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、 PM 排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空空中冷系统，可使增压空气温度下降到50以下， 工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型， 不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不仅能降低PM和CO排放， 还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。（四）排气再循环（EGR）技术的应用EGR 是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸内， 这种不可再燃烧的 CO2 及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢， 缸内最高燃烧温度下降，破坏 NOX 的生成条件。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低， 但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NOX， 还能保持其他污染物的低水平。（五）后处理技术柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。 目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发 NOX 催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。（六）柴油柴油的生产和贮存条件，是保证柴油发动机（车）正常运转延长使用寿命和保持低排放的重要保证。 例如瑞典的一级柴油使用中可减少CO排放达54%，HC 和 NOX 排放达10%，PM 排放减少14%47%。 发达国家已普遍使用燃料清净剂，既能节省燃料，又能清除积碳、降低排放。（七）乳化柴油的应用柴油加水掺合乳化剂，使其形成较为稳定的含水乳化柴油， 这类改进型燃料的使用可明显降低柴油机（车）的排放，尤其是NOX和PM。目前美国报道这方面进展较多， 我国也在这方面进行研究，且已取得可喜进展。加水20%乳化柴油（70天不分层）， 在大型柴油机上100%负载工况下，功率不减，节油明显，动力输出比柴油上升4.3%， 且烟度和NOX排放下降明显。然而，尽管这项技术对低排放有好处，但其潜在的问题如水结冰、 水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。（八）降低机油消耗柴油机排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。 为了满足日益严格的柴油机（车）排放限值标准的要求，必须把来自机油的燃烧降至最低限度， 即在保证发动机正常运转的前提下，最大限度地减少机油的消耗。为了降低柴油机的机油消耗， 活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。1.2.2我国柴油机产业的现状与发展我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展， 随着一批先进机型和技术的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初水平， 一些国外柴油机近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。 最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧1排放限值要求，一些甚至可以达到欧2排放限值要求。 但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着许多问题。（一）我国重型柴油车的产量在逐年增加，中型、轻型车柴油化步伐也在加快，但在微型汽车、 轿车领域，柴油车所占比例仍为零。而另一方面，我国中型柴油机市场已呈现供大于求， 轻型柴油机市场也趋向饱和，但骨干企业正在生产的多数产品从技术角度已应是淘汰产品，发展潜力不大。（二）柴油机行业投入不足，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高。 现在，我国柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后于国际先进水平10至20年， 也落后于国内车用汽油机的发展，还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件开发能力。 许多国外已经普遍采用的技术在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。（三）我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力，导致低性能、 高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响，使社会产生厌柴心理。（四）柴油品质差、柴油标准的制修订严重滞后于汽车工业发展的需要，对柴油机技术的发展以及各种新技术、 改善柴油机排放措施的应用造成障碍1.3本课题研究内容在进行柴油机的概念设计时，首先要充分掌握三维设计软件的一些必要的制图操作以及规则；其次要理解柴油机的整体结构以及曲轴、连杆、活塞等重要部件，准确把握各部分之间的关系，然后对其进行简要三维造型，并进行装配和运动干涉分析。在进行概念设计时，JX493ZLQ3A柴油机应满足的性能要求有：进气方式:增压 ；柴油机类型:水冷四冲程直列式顶置式气门 ；气缸数缸径冲程:4-93mm102mm ；排气量:2.771cc ；压缩比:17.5 ；燃烧形式:直接喷射；润滑方式:压力循环飞溅复合式 ；冷却方式:闭式压力循环 ；起动方式:电启动 ；输出功率:75千瓦/3600 转；最大扭矩:240牛米/2200转；怠速:750转；最大空转:4200转；全负荷最低燃油消耗率:230g/kwh ；冷起动温度:-25 ；排气温度:600；噪声:最大 106dB 分贝；排放达欧III。在满足以上性能的前提下进行柴油机的概念设计。37第二章 柴油机主要零件设计第二章 柴油机主要零件设计2.1活塞组活塞组包括活塞、活塞环、活塞销等，活塞是柴油机中的重要组件。正是由于活塞高效可靠的工作，才使活塞在柴油机中具有旺盛的生命力。2.1.1 活塞设计要求根据活塞的工作条件，在进行活塞设计时首先要求：1）选用热强度好，散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好减磨性和工艺性的材料。2）形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度、刚度符合要求，尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙。3) 密封性好，摩擦损失少。4）重量轻。2.1.2活塞主要设计尺寸中小功率高速柴油机最常用的是整体铸造的铝合金活塞。图2.1给出了整体式铝合金活塞的主要尺寸，表2-1是它的统计范围（以缸径D为基准）以及最终取值。为了使柴油机整体结构紧凑，减小整机高度和质量，减小往复惯性力，活塞总高度H、特别是压缩高度H1应尽可能减小。1. 活塞高度H1) 活塞高度取决于下列因素：（1） 对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关）；（2） 转速n；（3） 燃烧室形状及尺寸；（4） 活塞裙部承压面积；应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下，尽量选择较小的活塞高度。H的选取见表2-1。 图2.1 整体式铝合金活塞表2-1 活塞的主要尺寸比例及最终取值尺寸比例取值范围最终取值H1/D0.350.6060H/D0.601.0090H2/D0.400.8060h/D0.040.1010d/D0.220.30302.压缩高度H1压缩高度H1决定活塞销的位置。H1取决于第一道活塞环至顶面的距离h、环带高度H5（H5又决定于活塞环的数目及高度）及上裙高度H4。在保证气环良好工作的条件下，缩短H1，以力求降低整机的高度尺寸 。H1的选取见表2-1。3.火力岸高度h1）h越小，第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及活塞冷却状况确定h，使第一道环的工作温度不超过允许极限（180220）。2）在保证第一道环工作可靠的条件下，尽量缩小h，以力求降低活塞高度和质量。h的选取见表2-1。4.活塞环的数目及排列高速柴油机的活塞环数目一般为：气环23道，油环12道；本设计采用2道气环，1道油环，图2.2给出了活塞环主要尺寸，其高度来源于柴油机设计手册上册图7-9高速柴油机铝活塞的尺寸示例，气环b气/D=0.024故选b气=2；油环b油/h=0.04故选b油=4深度选取为D/t=2325故选t=4。图2.2 作用在活塞环上的力以及其尺寸5.环岸高度1）第一环岸（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂。所以第一环岸高度h1一般比其余环岸高度要大一些。2）必须保证环岸有足够的机械强度。环岸高度见下表表2-2 环岸高度类别环岸高度与缸径之比第一环岸h1/D其余环岸h2（h3）/D取值范围0.040.080.030.045最终取值736.活塞顶部厚度是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞，如果满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随活塞厚度增加而增大，活塞顶厚度只要厚到承受燃气压力即可。取值范围是/D=0.040.08取值为=7。7.裙部长度H21）选取H2应使裙部比压在许可范围之内；2）上、下裙长应有恰当的比例，上裙长度H4过小，易产生尖峰负荷造成活塞拉毛及擦伤。一般的比例如下：H3=(0.60.75)H2(H2的选取见表2-1)8.裙部壁厚0铝活塞裙部最小壁厚一般为（0.030.06）D。薄壁裙部对减小活塞重量有利，但又需保证裙部有足够的刚性，则可设置加强筋。故0取5。9.活塞销直径d和销座间隔bd和D的选择主要是考虑活塞销座的承压力及活塞销的刚度问题，应满足下列要求：1）保证销座比压和连杆小头轴承比压的平均比压均在允许范围之内。2）d的选取应保证活塞的变形在许可范围内。d的取值见表2-1，销座间距b/D=0.350.42故取b=37。2.2连杆组2.2.1连杆的设计要求1）结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用。2）在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能减轻质量，以降低惯性力。3）尽量缩短长度，以降低发动机的总体尺寸和总质量。4）大小头轴承工作可靠，耐磨性好。5）连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠。6）易于制造，成本低。2.2.2连杆的主要设计尺寸2-3连杆主要尺寸表尺寸比例d1/D1/dD1/dD2/DB1/d1B2/D2C/Dtdm/DH/DB/Ht/H0.2880.310.0771.270.611.170.591.260.130.290.640.23最终取值ld11D1D2B1B2CdmHBt17730240553535711027176图2.3 高速柴油机连杆基本参数1.连杆长度l连杆长度l与结构参数 =R/l（R为曲柄半径）。连杆长度越短，即越大，则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对高速化有利，但增加曲轴平衡块与活塞、气缸套相碰的可能性。根据总体设计确定的连杆长度见表2-3。2.连杆小头结构尺寸小头主要尺寸为连杆衬套内径d1和小头宽度B1 。B1取决于活塞销座间距b与连杆小头的端面间隙，即B1=b-。具体取值见表2-3。3.连杆杆身高速柴油机连杆杆身广泛采用工字形截面。工字形截面杆身尺寸根据表2-3和图2.4选取。4.连杆大头连杆大头多采用平切口结构，它形状简单，结构紧凑，工作可靠。不过，从柴油机的拆装方便性出发，要求连杆大头在拆卸连杆盖后能通过气缸孔，即B0D0。实践表明，当曲柄销直径超过0.65D时，具有足够强度的平切口连杆大头就不能满足上述要求。本设计曲柄销直径55/93=0.59dcp，但过分加大dcj不仅没有必要，而且会使轴承摩擦损失增大。表2-4 高速柴油机曲轴的主要尺寸比例和最终取值曲柄销主轴颈曲柄臂dcp/Dlcp/Ddcj/Dlcj/Dhcw/Dbcw/D尺寸比例0.550.70.350.450.650.80.40.450.20.31.01.3最终取值5535654020100图2.5 铸造的整体四拐曲轴及其主要尺寸因为lcp + lcj +2hcw=L(气缸轴距)，所以一般必须在轴颈长度lcp、lcj与曲柄臂厚度hcw之间合理分配可用的尺寸L，因为L已根据机体和气缸的结构确定。曲柄臂厚度hcw对曲拐的弯曲强度有决定性的影响，因弯曲强度与h2cw成正比。但增加hcw势必减小lcp和lcj，所以这里实际上是一个弯曲强度与轴承比压2之间的最佳折中问题。虽然，增大曲柄臂宽度bcw也能提高弯曲强度，但由于bcw增大导致曲柄臂中应力分布更不均匀，弯曲强度只与b1/2cw成正比，所以如果hcw不足则难用加大bcw来补偿。另外平衡块一般不应超出曲柄旋转所扫过的范围，平衡块厚度一般与曲柄臂相同。根据以上要求，本设计中曲轴主要尺寸已在表2-4中列出。第三章 JX493ZLQ3A型柴油机的总体布置第三章JX493ZLQ3A型柴油机的总体布置3.1凸轮轴的布置直列式柴油机凸轮轴的横向位置，在不与曲轴连杆机构相碰的条件下，应该尽可能靠近气缸中心线，以获得柴油机的最小宽度。凸轮轴的高度布置有上置式、下置式和顶置式三种方案。凸轮轴下置式（凸轮轴位于汽缸套左侧下方） 凸轮轴通过挺柱、推杆和摇臂驱动气门。凸轮轴离曲轴较近，由曲轴上的正时齿轮，通过惰齿轮来传动，机构较简单，故获得广泛应用。其缺点是配气机构质量较大，高速适应性差。凸轮轴中置式（凸轮轴位于缸体上部）这种形式将推杆缩短，提高了刚度，减小了惯性，从而能承受高速回转。 凸轮轴顶置式（凸轮轴位于缸盖上）这种结构，凸轮轴直接驱动摇臂，省去了挺柱和推杆，使往复运动质量大大减小。因此适用于高速发动机。但正时传动机构复杂，且为拆装缸盖造成一定困难。本次设计采用的是凸轮轴下置式。3.2气缸套的布置缸套主要分为无缸套、干缸套和湿缸套三种。干缸套的机体刚度比湿缸套的大，而且因为没有冷却水的密封问题，其缸心距比湿缸套的小，对于缩短柴油机的总长度有利。干缸套的主要缺点是由于干缸套一般与外缸套是过渡配合，干缸套不与冷却水直接接触，冷却效果不是太好。湿缸套由于冷却效果好，更换方便，制造方便，虽然湿缸套的机体刚度较差，但是通过合理的布置加强肋也可以保证机体的强度。无缸套柴油机与有缸套柴油机相比，主要做了如下改进：1)取消缸套，活塞环、活塞直接作用于缸孔。2)在缸体的材料中添加了微量元素，提高了缸体的强度与耐磨性，使之适应无缸套柴油机的工作环境。3)采用外圆镀铬的活塞环，与缸体的缸孔壁形成一对良好的摩擦副。4)对缸孔的粗糙度提出要求，使其具备润滑性、耐磨性。5)因不需要安装缸套，缸孔无止口。与有缸套柴油机相比，由于取消了缸套，增加了缸孔的壁厚，能够减小缸孔的变形，最终提高了活塞环的密封性，减少窜气量。同时减少了缸套这一环节，使柴油机工作时产生的热量能够直接通过活塞环与缸体的接触传递到柴油机的冷却水中，提高了散热能力，优化了柴油机的工作条件。通过以上比较本设计选取了无缸套设计。3.3喷油泵的布置中小型直列式柴油机一般采用一只整体泵，布置在柴油机的侧面。汽车用柴油机应将喷油泵布置在靠人行道一边，以便于保养。喷油器应与喷油泵布置在同侧，可缩短高压油管长度。直列式中速大功率柴油机，常用每缸一只整体泵布置在柴油机的侧面。喷油泵和配气机构共用一根凸轮轴，其传动齿轮布置简单，高压油管短，便于维护保养，但高压油泵油量调整难以精确，操纵机构较为复杂。由于JX493ZLQ3A主要应用于轻卡和轿车上，故本设计的喷油泵的布置采用整体泵且与喷油器布置在人行道一侧。3.4齿轮传动机构的布置柴油机传动齿轮有布置在自由端（前端）或在飞轮端（后端）两种方案。传动齿轮布置在曲轴自由端的优点是曲轴前轴直径小，齿轮尺寸也较小，拆装方便，便于维护保养，中小功率柴油机多采用此方案。传动齿轮布置在后端的优点是减少曲轴扭振对传动齿轮系统的影响。由于曲轴扭振的节点接近飞轮端，因此扭振振幅小，扭振对喷油正时、配气定时及被传动的附件的干扰较小。其缺点是齿轮尺寸较大，布置困难，拆装不便。有的柴油机直接在曲轴上切削齿轮或使用剖分齿轮，以缩小齿轮尺寸，但工艺性较差。基于柴油机轻量化，小型化，本设计传动齿轮布置在自由端。3.5机油泵的布置机油泵的布置与传动方法、机油管路布置以及柴油机的用途有关，布置方案较多，常见的有以下几种。大多数高速柴油机的机油泵布置在机体底平面上或主轴承盖上，由主动齿轮通过惰齿轮传动。这种布置方案的优点是机油泵无需油封结构，轴承润滑条件好，机油泵安装位置较低，柴油机启动后，瞬时既能吸上机油，缺点是维修保养不方便。小型高速柴油机中采用一根垂直或稍许倾斜的细轴传动机油泵的结构，该轴由凸轮轴通过锥形齿轮或螺旋齿轮传动，因此机油泵位置很低，一般是浸入油底壳的机油中。当柴油机启动后，立即吸上机油，对柴油机润滑和减少磨损有利。有的小型农用柴油机机油泵装在机体的端部，用简单的齿轮与凸轮轴相连，这样布置使其传动机构简单，缺点是机油泵转速较低，安装位置较高，启动后吸上机油比较困难。船用和机车用中速大功率柴油机机油泵往往布置在柴油机的外部，机油泵的维修和检查较为方便。本设计采用一根垂直或稍许倾斜的细轴传动机油泵的结构。3.6水泵（包括风扇）的布置强制水冷式柴油机一般都采用离心式水泵，因无自吸能力，故水泵进水口一般应低于柴油机水箱的水平面。为避免水漏入机体内，水泵多布置在柴油机外部。对于船用或通用式柴油机，水泵可由曲轴主动齿轮通过中间齿轮来传动，使用方便可靠。为了防止水漏入机体，使机油变质，在水泵上设有旁泄孔，渗漏出封水圈的水可由旁泄孔排出，以便及时发现漏水并加以检修。汽车拖拉机或移动式电站的水泵，一般布置在柴油机上部，水泵壳体用螺栓固定在机体上或直接铸造在机体上。多数汽车拖拉机水泵和风扇共用一根传动轴，用三角皮带传动。本设计也采用通用柴油机的布置方案。3.7进排气管的布置直列式柴油机的进排气管有分别布置在柴油机两侧、或同侧两种方案。多数进排气管是分别布置在柴油机两侧，它有利于进排气道的设计，进排气管拆装也方便。将进排气管布置在同侧，而喷油泵布置在另一侧，显得柴油机布置紧凑，其缺点是气缸盖进排气道设计困难，进排气管拆装不便。同时，因进排气管互相靠近，进气易于受热，减少空气流量，汽车用柴油机上，有时采取这种布置方案。根据以上优缺点的比较，本设计选择将进排气管布置在柴油机两侧。3.8涡轮增压器及中冷器的布置1）涡轮增压器涡轮增压器的最大优点是能在不加大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭矩，一般而言，加装增压器后的发动机的功率及扭矩要增大2030。涡轮增压器的缺点是滞后，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，使发动机延迟增加或减少输出功率，这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。首先说说涡轮增压器的大概结构原理，废气涡轮增压器主要由泵轮和涡轮组成，当然还有其他一些控制元件。泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。2）中冷器 从涡轮增压器出来的气体温度增高影响充气效率。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就像散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过冷却而逸散到大气中去。性能良好的中冷器降低温度的同时也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。通过以上布置方案的确定，利用工程软件CAD进行JX493ZLQ3A型柴油机的从横剖面图的绘制。其中铝活塞与气缸的相对间隙的取值范围为裙部下端垂直销孔方向l/D=0.00230.0032，距离较小故在纵横剖面图中有适当的放大。第五章 曲柄连杆机构三维造型第四章 曲柄连杆机构三维造型4.1CATIA简介CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。CATIA V5对于实体集合构造来说，不同的结构设计过程，可以构造出相同的实体零件。但其构造过程及实体的构型结构（结构树）却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体的应用。在零件造型之前，首先要仔细研究所要完成零件的特点和技术要求，分析清楚零件是由哪些体素和特征组成，制定清晰合理的构造方案，体素之间如何进行拼合操作，拼合操作的顺序等。一个好的实体零件的结构树应为：（1）其结构树低而平缓，这种结构树可以提高拼合运算的速度，提高实体模型的稳定性和可靠性，优化零件的修改和更新性能；（2）避免在体素和特征之间的非法和多余的操作；（3）能充分反映零件和结构的构造特点，体素和特征的合理组合，提高零件的可理解性和可修改性；（4）方便模型在其他应用中的处理。在零件构造过程中，应该非常用心的管理所设计零件的构型结构，实体零件越复杂，其稳定性、可靠性、可修改性、可理解性就越差。因此，在技术要求允许的情况下，尽量简化实体零件的结构。即在实体零件构造过程中所使用的特征体素，能用单个体素定义的尽量使用单个体素，尽量减少体素之间的拼合计算量。4.2利用CATIA进行设计的方法4.2.1草图设计草图设计是三维设计的起点，其实质是二维绘图设计，具有传统二维设计软件的功能。参数化设计的基本方法是从草图设计开始，通过施加尺寸和几何约束生成草图特征，在应用尺寸驱动技术自动生成三维实体模型，而且在利用草图技术生成二维轮廓时，不必输入这个轮廓的准确尺寸，该尺寸可以在以后的参数设计过程中得到。这样一来，当我们在进行产品设计时，则可以随时根据需要调整设计尺寸，而不是在设计之初就必须对设计尺寸非常明确。这是与传统的CAD软件相比的一大优点，增强了软件的易操作，更好的实现了人性化设计，而且设计系列产品及原产品的改进和零部件的借用都提供了很大的方便。4.2.2生成三维零件毛坯CATIA V5具有很强大的三维实体建模的功能，当用户在草图平面绘制二维图形后，进入零件设计(Part Design)模块，在保证具有良好的结构树的前提下，可以通过拉伸、旋转、放样、混成、拔模等方法生成三维零件毛坯。同时还可以利用其后参数化约束功能，根据需要随时进行修改。实现了三维造型设计，设计者可以直接针对零件毛坯进行形体改变，实现了设计过程由绘图向设计的转变，而且在设计过程中，CATIA V5提供的各项具体功能使得三维模型的设计更类似于生产的加工过程。4.2.3完成三维造型由于CATIA V5提供基于特征的设计，即将特征作为设计单元，将产品视为特征的有机结合，通过由类到对象的逐步描述来实现具体的形状设计的目的。所以在生成三维零件毛坯后，可利用打孔、开槽、抽壳、加工螺纹、倒角等工具对毛坯进行加工，最终完成机械零件的实体构造。4.3三维造型的简要说明4.3.1活塞造型首先分析活塞的结构，由哪些主要特征组成，确定建模步骤。图4.1所示活塞的基本特征是一个旋转体，其设计方案及步骤如下。图4.1 JX493柴油机活塞的实体模型图4.2 JX493柴油机活塞销的实体模型1.创建活塞零件及活塞销零件1）首先在草图模式下根据活塞形状，绘制毛坯形状草图，然后进行尺寸约束、尺寸修改等，在实体造型模块中的零件设计界面，利用旋转工具生成活塞毛坯。其次，根据活塞的尺寸，在草图模式下绘制活塞销座形状并进行尺寸约束，在实体造型模块中的零件设计界面，利用拉伸工具生成活塞销座一边，然后利用镜像工具得到整个活塞销座。另外在草图模式下绘制活塞销孔形状，在实体造型模块中的零件设计界面，利用凹槽工具生成活塞销孔。2）首先在草图模式下根据活塞销形状，绘制其截面形状草图，然后进行尺寸约束，在实体造型模块中的零件设计界面，利用拉伸工具生成活塞销零件。2完善活塞为了减轻重量，利用凹槽工具对活塞裙部进行切割。然后利用倒角工具对活塞销座等部位进行完善。4.3.2连杆造型首先分析连杆的结构，由哪些主要特征组成，确定建模步骤。图4.3所示连杆的基本特征是拉伸，其设计方案及步骤如下。图4.3 JX493柴油机连杆的实体模型图4.4 JX493柴油机连杆大头的实体模型图4.5 JX493柴油机连杆螺栓的实体模型图4.6 JX493柴油机连杆螺帽的实体模型1.创建连杆零件毛坯及连杆螺栓、螺帽零件1）首先在草图模式下根据连杆形状，绘制连杆大小头毛坯形状草图，然后进行尺寸约束、尺寸修改等，在实体造型模块中的零件设计界面，利用拉伸工具生成连杆大小头一半的毛坯，其次对其进行镜像。连杆杆身重复上述步骤生成。然后进行拔模。利用凹槽工具为连杆杆身生成工字型钢做准备，然后利用镜像工具将凹槽特征对称。最后利用拉伸、开孔、凹槽工具完成连杆大头的毛坯，完成整个连杆的毛坯。2）根据连杆螺栓的尺寸，首先在草图模式下绘制连杆螺栓形状并进行尺寸约束，在实体造型模块中的零件设计界面，利用多截面拉伸工具生成连杆螺栓。然后利用螺纹工具为其添加外螺纹。连杆螺帽的实体造型重复以上步骤，但是在零件设计界面时使用拉伸工具，添加的是内螺纹。2.连杆完善利用倒角工具对连杆毛坯不够完美的地方进行完善，已达到最优状态。4.3.2曲轴造型分析曲轴的结构，由哪些主要特征组成，确定建模步骤。图4.7所示曲轴的基本特征是拉伸，其设计方案及步骤如下：首先在草图模式下根据主轴颈形状，绘制毛坯形状草图，然后进行尺寸约束、尺寸修改等，在实体造型模块中的零件设计界面，利用拉伸工具生成主轴颈毛坯。重复上述步骤依次画出平衡重、曲柄销、曲柄臂，然后为了减轻重量对曲柄臂利用凹槽工具切出一个角度。使用倒角完善以后，利用镜像工具对称，生成曲轴的零件。图4.7 JX493柴油机曲轴的实体模型装配和运动干涉分析第五章 装配和运动干涉分析5.1曲柄连杆机构装配情况的简要说明产品（Product）是装配设计的最终产物，它是由一些部件（Component）组成的。部件也称作组件，它是由至少一个零件（Part）组成的。产品和部件是相对的。例如，相对于汽车，变速箱是一个部件；相对于齿轮或轴，变速箱就是一个产品。某个产品也可以是另外一个产品的成员，某个部件也可以是另外一个部件的成员。在构成产品的特征树上不难看到，树根一定是某个产品，零件一定是树叶。部件装配（Assembly Design）是CATIA最基本的、也是最具有优势和特色的功能模块。包括创建装配体、添加指定的部件或零件到装配体、创建部件之间的装配关系、移动和布置装配成员、生成产品的爆炸图、装配干涉和间隙分析等主要功能。首先分析曲柄连杆机构的配合关系，然后确定装配方案，其装配步骤如下：图5.1 JX493柴油机曲柄连杆机构装配图1进入CATIA，选择菜单中的装配件设计，产生新装配文件。2单击图标现有组件，在弹出的文件选择对话框中依次选择缸体、活塞、曲轴、连杆和活塞销文件，点击“确定”按键，上述零件全部加入到装配体中。3单击图标固定约束，在特征树或图形窗口中选择缸体模型，则缸体施加固定约束。4单击图标相合约束，选择连杆小头轴线和活塞销轴线，使两者重合。选择图标偏移约束使连杆小头和活塞销同一端面的距离为-20。5. 单击图标相合约束，选择活塞销孔轴线和活塞销轴线，使两者重合。6. 单击图标相合约束，选择活塞轴线和缸体的气缸轴线，使两者重合。7.单击图标相合约束，选择连杆大头轴线和曲柄销轴线，使两者重合。选择图标偏移约束使连杆大头和曲柄臂接触端面的距离为0。8.重复上述步骤4-7，完成其余活塞、连杆、活塞销的装配。9. 单击图标相合约束，选择缸体轴承座孔的轴线和主轴颈的轴线，使两者重合。选择图标偏移约束使缸体内壁和曲柄臂接近缸体端面的距离为10。5.2曲柄连杆机构的干涉分析5.2.1静态分析干涉分析分为干涉检查和间隙分析两种情况。前者只检查两形体是否相互侵入，后者除了检查两形体是否发生干涉外，还要检查两形体的间隙是否足够。选择图标碰撞分析在弹出的窗口中选择碰撞+间隙+接触并选择应用于所有产品，然后点击应用，弹出碰撞分析对话框，然后导出干涉分析表。表5-1 JX493柴油机连杆与曲轴的碰撞分析表InterferenceProductShapePreviewTypeValueStatusClash CommentPart1.2 (Part1.1)Shape 1Contact0 mmRelevantPart2 (liangan.1)Shape 1Part1.2 (Part1.1)Shape 1Part2 (liangan.2)Shape 1Part1.2 (Part1.1)Shape 1Part2 (liangan.3)Shape 1Part1.2 (Part1.1)Shape 1Part2 (liangan.4)Shape 1表5-2 JX493柴油机缸体与曲轴及活塞的碰撞分析表InterferenceProductShapePreviewTypeValueStatusClash CommentPart1.2 (Part1.1)Shape 1Contact0 mmRelevantgangti (gangti.1)Shape 1gangti (gangti.1)Shape 1Contact0 mmRelevantPart1.1 (Part1.2)Shape 1gangti (gangti.1)Shape 1Part1.1 (Part1.1.1)Shape 1gangti (gangti.1)Shape 1Part1.1 (Part1.1.2)Shape 1gangti (gangti.1)Shape 1Part1.1 (Part1.1.3)Shape 1表5-3 JX493柴油机活塞与活塞销的碰撞分析表InterferenceProductShapePreviewTypeValueStatusClash CommentPart1.1 (Part1.2)Shape 1Contact0 mmRelevanthuosaixiao (huosaixiao.1)Shape 1Part1.1 (Part1.1.1)Shape 1huosaixiao (huosaixiao.2)Shape 1Part1.1 (Part1.1.2)Shape 1huosaixiao (huosaixiao.3)Shape 1Part1.1 (Part1.1.3)Shape 1huosaixiao (huosaixiao.4)Shape 1第五章 装配和运动干涉分析表5-4 JX493柴油机连杆与活塞销的碰撞分析表InterferenceProductShapePreviewTypeValueStatusClash Commenthuosaixiao (huosaixiao.1)Shape 1Contact0 mmRelevantPart2 (liangan.1)Shape 1Part2 (liangan.2)Shape 1huosaixiao (huosaixiao.2)Shape 1Part2 (liangan.3)Shape 1huosaixiao (huosaixiao.3)Shape 1Part2 (liangan.4)Shape 1huosaixiao (huosaixiao.4)Shape 1检查两形体是否发生干涉可能显示以下结果：1.Clash，说明两形体发生干涉，同时两形体的干涉部分呈深红色显示。2.No interference，说明两形体不发生干涉，同时两形体的干涉部分呈绿色显示。3.Contact，说明两形体的表面接触，同时两形体的干涉部分呈橙黄色显示。根据以上表格显示，本设计中全部为表面接触无碰撞。5.2.2动态分析动态分析主要是根据零部件在运动仿真的过程中所形成的包络线以及轨迹是否有相交部分，若有则为干涉，相反则没有。以下介绍动态干涉分析的步骤及分析结果：1.点击编译模拟命令，弹出图5.2所示对话框直接点“确定”生成重放1。图 5.22.点击扫掠包络体命令，弹出图5.3所示对话框直接点“预览”显示预览窗口如图5.4所示。图 5.3图 5.4JX493柴油机曲柄连杆机构运动仿真包络线3.点击轨迹命令，弹出如图5.5的对话框，选择曲柄连杆机构中几个较容易产生碰撞的点，然后点击“确定”生成如图5.6所示。