2110柴油機(jī)(曲軸飛輪)設(shè)計(jì)摘 要2110柴油機(jī)是在2100柴油機(jī)的基礎(chǔ)上自行改進(jìn)與開發(fā)研制的新型、中等功率、節(jié)能的柴油機(jī)。目前，該機(jī)型已經(jīng)廣泛運(yùn)用于我國的農(nóng)用工程機(jī)械，小型發(fā)電等領(lǐng)域。2110柴油機(jī)與同類機(jī)型相比，具有先進(jìn)的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在國內(nèi)農(nóng)用機(jī)械用戶中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。與2100系列柴油機(jī)相比，2110柴油機(jī)主要在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、氣缸蓋、活塞連桿總成、曲軸、燃油系統(tǒng)等方面進(jìn)行了優(yōu)化、強(qiáng)化設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等方面有較大的提高，也實(shí)現(xiàn)了增加其運(yùn)用范圍的目的。本文主要介紹了2110柴油機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想的確定以及曲軸飛輪組零件的設(shè)計(jì)過程。內(nèi)容包括2110柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)方案的選擇，動(dòng)力性指標(biāo)的確定，曲軸飛輪零件圖的繪制時(shí)的參數(shù)選擇，包括曲軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，制造時(shí)所需注意的加工過程以及檢驗(yàn)產(chǎn)品時(shí)強(qiáng)度校核等內(nèi)容。本文運(yùn)用到了UG三維軟件制圖，用以解決曲軸的油道與曲柄銷減重孔的干涉問題，同時(shí)用Ricardo計(jì)算方法解決曲軸疲勞強(qiáng)度問題。本文綜合性的對曲軸飛輪組的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)，曲軸，飛輪，UGTHE DESIGN OF 2110 DIESEL ENGINE(CRANKSHAFT and FLY WHEEL)ABSTRACTOn the basis of the 385 diesel engine, 2110 diesel engine improve to a new style, which is high-speed, medium-power and energy-saving diesel engine. At present, the models have been widely used in China's agricultural engineering machinery, small power generation. Compared with similar type diesel engine ，2110 diesel engine has advanced performance, economy and reliability in the domestic agricultural machinery, and they have millions of users. Compared with 2100 series diesel engine, 2110 diesel engines are mainly improve in the engine block and cylinder head, piston connecting rod , crankshaft, fuel system, and improve the optimization design, that improve the engine power, economy ,it also achieve the purpose that increasing its application scope.This paper mainly introduces the overall design thought of 395 diesel engine, crankshaft and flywheel the design process. Thesis includes how to selected 2110 diesel engine, the overall performance indicators identified, and the process of the design of the crankshaft flywheel will be discussed in this paper. Including the crankshaft structure design, what we must pay attention to in manufacture process.This paper uses UG 3D software to draw crankshaft, it solve the oil hole with the weight reducing hole of interference problems. And with Ricardo calculation method, it solve the crankshaft fatigue strength problems. This paper completely discuss the design of crankshaft and flywheel.KEYWORDS：Diesel engine，crankshaft，flywheel，Ricardo calculationmethod，UG 目 錄第一章 前言1第二章 總體方案設(shè)計(jì)3§2.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求3§2.1.1 內(nèi)燃機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求3§2.1.2 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中的“三化”3§2.2 柴油機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)4§2.2.1 動(dòng)力性指標(biāo)4§2.2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)5§2.2.3 可靠性和耐久性指標(biāo)5§2.2.4 重量和外形尺寸指標(biāo)6§2.2.5低公害指標(biāo)6§2.3 2110型柴油機(jī)的主要參數(shù)的選擇7§2.4 2110型柴油機(jī)的總體布置8§2.5 2110型柴油機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)8第三章 曲軸設(shè)計(jì)10§3.1概述10§3.2曲軸的設(shè)計(jì)步驟12§3.3曲軸的結(jié)構(gòu)型式及其選擇12§3.4曲軸材料選擇及毛坯制造14§3.5 曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)14§3.6潤滑油道16§3.7曲軸平衡塊18§3.8曲軸的軸向定位18§3.9曲軸端部結(jié)構(gòu)19第四章 飛輪設(shè)計(jì)與計(jì)算20§4.1飛輪的作用20§4.2飛輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算21第五章 主軸承設(shè)計(jì)24§5.1主軸承的工作條件24§5.2材料要求25§5.3 常用軸承材料25§5.4軸瓦的瓦背材料26§5.5軸瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸的確定26第六章 結(jié)論27參考文獻(xiàn)28致 謝29附錄30第一章 前言由于2110柴油機(jī)具有許多方面的優(yōu)點(diǎn)，所以不論在國外還是在國內(nèi)，其應(yīng)用越來越廣泛，世界很多的車用和船用內(nèi)燃機(jī)都采用它，特別是農(nóng)用車輛，把2110柴油機(jī)作為其首選動(dòng)力。隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生產(chǎn)的發(fā)展，2110柴油機(jī)已越來越廣泛地得到應(yīng)用，它為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。本文主要完成了對2110型柴油機(jī)的總體方案的選擇，曲軸飛輪組的設(shè)計(jì)。專題部分曲軸飛輪組的設(shè)計(jì)主要包括了曲軸的設(shè)計(jì)，飛輪的設(shè)計(jì)以及飛輪的平衡計(jì)算。重點(diǎn)放在了飛輪的設(shè)計(jì)計(jì)算上。目前，國內(nèi)外對曲軸的設(shè)計(jì)理論主要在以下兩個(gè)方面：在曲軸設(shè)計(jì)方面，采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對曲軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是這種計(jì)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(gè)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相集成，采用-DEAS、VC+、ISIGHT軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)曲軸結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化軟件集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)優(yōu)化過程的自動(dòng)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(shè)備陳舊，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dòng)線，生產(chǎn)線一般由幾段獨(dú)立的自動(dòng)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(shí)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(gè)過程的控制。機(jī)加工方面采用曲軸動(dòng)平衡自動(dòng)線，使用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量和修正，采用在線自動(dòng)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(jìn)，可獲得單相化合物層，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(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)越過上、下止點(diǎn)，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(dòng)機(jī)可能克服短時(shí)間的超負(fù)荷，此外，在結(jié)構(gòu)上飛輪又往往用作汽車傳動(dòng)系中摩擦離合器的驅(qū)動(dòng)件。近幾年的飛輪設(shè)計(jì)主要集中在飛輪的基本三維建模及有限元分析、飛輪的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)上，通過基于有限元法的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以大大提高設(shè)計(jì)效率，有利于縮短設(shè)計(jì)周期，降低制造成本，在飛輪原有模型上首先對飛輪進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到優(yōu)化模型的基本形狀，然后在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加以形狀優(yōu)化，就可以基本確定飛輪的形狀。第二章 總體方案設(shè)計(jì)§2.1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的總體要求§2.1.1 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(gè)產(chǎn)品開發(fā)工作的第一個(gè)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(gè)階段?？傮w設(shè)計(jì)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(jìn)加以挽回。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。產(chǎn)品決策階段首先要進(jìn)行市場調(diào)研，對開發(fā)機(jī)型的配套對象和各種用途的市場容量發(fā)展前景，類似機(jī)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(bào)告。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。產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)時(shí)要選擇和確定內(nèi)燃機(jī)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(jìn)排氣系統(tǒng)的構(gòu)思，繪制機(jī)體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸的方案圖和整機(jī)縱橫剖面圖，不同缸數(shù)及典型配套機(jī)型的外形布置圖，編制總體設(shè)計(jì)說明書。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。§2.1.2 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(dòng)生產(chǎn)率，便于使用、維修和配件供應(yīng)。（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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化 它是指按照國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)圖樣和資料的可讀性和交流性，便于技術(shù)交流，同時(shí)也起到減少生產(chǎn)和采購成本的作用?？傊裼蜋C(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。一個(gè)型號產(chǎn)品往往要經(jīng)過幾年的設(shè)計(jì)與開發(fā)周期才能得以完善。§2.2 柴油機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)§2.2.1 動(dòng)力性指標(biāo)動(dòng)力性指標(biāo)包括有效功率（P）、轉(zhuǎn)速（n）、最大扭矩和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。1、有效功率P=*Z*n/（30T） (2-1)為平均有效壓力（）；為活塞的平均速度（m/s）；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)?？梢姡行Чβ适艿缴厦娓鲄?shù)的影響。在設(shè)計(jì)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。2、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。轉(zhuǎn)速在1000r/min以上為高速，6001000r/min為中速，600r/min以下為低速。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。但是轉(zhuǎn)速提高會導(dǎo)致一系列的問題，比如慣性力增加，導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷增加，平衡、振動(dòng)問題突出，噪聲增加；工作頻率增加，導(dǎo)致活塞、氣缸蓋、氣缸套、排氣門等零件的熱負(fù)荷增加；摩擦損失增加，機(jī)械效率下降，燃油消耗率增加，磨損壽命變短；進(jìn)排氣系統(tǒng)阻力增加，充氣效率下降等。表1-1 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1500500025006500工程機(jī)械與拖拉機(jī)1500280020003600內(nèi)燃機(jī)車、發(fā)電機(jī)組900150028003600摩托車、摩托艇500010000中小型農(nóng)用機(jī)械1200300030006000船舶（高速）1000200015002500船舶（低速）3008503、最大扭矩和最大轉(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。最大扭矩對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就是最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。§2.2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要指燃油消耗率指標(biāo)，即每千瓦小時(shí)的燃料的消耗重量。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。對變工況的柴油機(jī)，則一般是指外特性曲線上的最低油耗率。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。當(dāng)然，萬有特性上低油耗區(qū)越寬廣，則變工況使用的經(jīng)濟(jì)性就越好。（1）燃油消耗率【（g/（*h）】降低的措施主要有指示效率和機(jī)械效率。一般車用柴油機(jī)的燃油消耗率為250380 g/（*h）。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)。（2）機(jī)油消耗率gm【（g/（*h）】機(jī)油的價(jià)格遠(yuǎn)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(gè)保養(yǎng)期之間不要添加機(jī)油，一般車用柴油機(jī)機(jī)油消耗率為1.32.6g/（*h）。§2.2.3 可靠性和耐久性指標(biāo)一、可靠性可靠性是指在規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，具有持續(xù)工作，不會因?yàn)楣收隙绊懻＿\(yùn)轉(zhuǎn)的能力。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。二、耐久性耐久性是指從開始使用起到大修期的時(shí)間。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(dòng)困難甚至無法啟動(dòng)、排氣冒藍(lán)煙、機(jī)油消耗量明顯加大、動(dòng)力性明顯下降、內(nèi)燃機(jī)工作噪聲變大等。§2.2.4 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)。不同用途的內(nèi)燃機(jī)對質(zhì)量和外形尺寸指標(biāo)的要求不盡相同。比如汽車發(fā)動(dòng)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。不管怎么樣，設(shè)計(jì)緊湊、質(zhì)量輕總是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。衡量內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量的指標(biāo)是比質(zhì)量（kg/）：m/。柴油機(jī)得比質(zhì)量范圍為：表1-3內(nèi)燃機(jī)得比質(zhì)量范圍 用 途 柴 油 機(jī) 的 比 質(zhì) 量（kg/）汽 車 用46小 型 農(nóng) 用單缸1626 多缸5.516 工 程 機(jī) 械 用 47機(jī) 車3.47.5船 用13.519衡量柴油機(jī)外形尺寸緊湊性的指標(biāo)是體積功率（千瓦每立方米）：=/V (2-2)§2.2.5低公害指標(biāo)1.噪聲內(nèi)燃機(jī)的噪聲主要來自燃燒噪聲、氣體流動(dòng)噪聲和機(jī)械噪聲三個(gè)方面。內(nèi)燃機(jī)的噪聲大小用聲壓級（dB）來表示，一般還要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)權(quán)處理，仿照人耳的聽力，一般采用A計(jì)權(quán)。在噪聲數(shù)據(jù)上所見到的噪聲單位多為或者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(diǎn)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(shí)采用，否則會降低柴油機(jī)的動(dòng)力性。氣體流動(dòng)噪聲主要通過進(jìn)排氣消聲器來控制。機(jī)械噪聲主要是通過合理設(shè)計(jì)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)和合理控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制目的。2.有害氣體的排放汽車的排放，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。目前全世界對汽車的污染問題都十分重視。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。§2.3 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)。這些參數(shù)反映了產(chǎn)品的性能和設(shè)計(jì)質(zhì)量，因此選擇時(shí)必須緊密結(jié)合我國工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的實(shí)際情況，同時(shí)還要對同類型國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行分析比較和試驗(yàn)研究。1、平均有效壓力平均有效壓力是標(biāo)志內(nèi)燃機(jī)整個(gè)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，值的不斷提高是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。由于它決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度，反映了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與制造要達(dá)到的質(zhì)量，故必須慎重的選擇。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(dòng)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=0.6MPa。2、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(jī)強(qiáng)化程度（熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)）的重要參數(shù)之一。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。一般說來，Cm增大會使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率增高，但活塞組的熱負(fù)荷和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性負(fù)荷增大，磨損加劇，壽命下降。本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速為2200r/min。3、氣缸直徑D和氣缸數(shù)Z內(nèi)燃機(jī)的缸徑應(yīng)符合系列型號的規(guī)定，其尾數(shù)應(yīng)該取整數(shù)，優(yōu)先選用0和5。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。4.行程S行程增加可以提高平均有效壓力但是在氣缸直徑不變的情況下，S的增加即行程缸徑比S/D增加，導(dǎo)致活塞平均速度提高，有磨損加速、壽命降低等問題。行程缸徑比：S/D0.91.26S=（0.91.26）D=99138.6 mm取S120 mm。§2.4 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。在總體布置中要確定氣缸的排列，各零部件，附件的結(jié)構(gòu)和尺寸以及安裝位置。繪制橫剖面圖?？傮w布置的一般要求如下：一、布置緊湊，外形尺寸小，外觀整齊，外接管路盡量少。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。對經(jīng)常檢查調(diào)整的氣門間隙和噴油提前角等有關(guān)零部件應(yīng)考慮到調(diào)整和拆裝方便。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。四、具有良好的加工和裝配工藝性。五、柴油機(jī)起吊，存放和安裝方便。六、總體布置要認(rèn)真貫徹執(zhí)行三化標(biāo)準(zhǔn)。§2.5 2110型柴油機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)2110型柴油機(jī)的主要參數(shù)為：缸徑D=110mm，活塞行程S=120mm，標(biāo)定功率P=26Kw，轉(zhuǎn)速n=2200r/min，平均有效壓力Pme=0.6MPa，缸心距為130mm, 燃油消耗率不大于240g/(KW·h)。采用柴油直噴系統(tǒng)，活塞頂上有W形燃燒室，采用孔式噴油器，提高噴油壓力，大大改善了噴油效果。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。濕式氣缸套是由高磷合金鑄鐵鑄成的。氣缸套的下部有兩道O形橡膠密封環(huán)圈防止漏水。活塞用共晶硅鋁合金鑄造，活塞上部有二道氣環(huán)和一道油環(huán)。第一環(huán)為矩形環(huán)，外圓鍍鉻，第二環(huán)為扭曲環(huán)。在現(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì)中均采用三道環(huán)，由于現(xiàn)代加工方法的大大提高，可以加工形狀復(fù)雜的氣環(huán)與油環(huán)，改善了密封效果，另外，減少一道氣環(huán)，能夠減少活塞運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械摩擦，提高了柴油機(jī)的平均有效功率。連桿用45號鋼鍛造，大頭采用平切口，切口分割面用三角形的鋸齒保證連桿蓋的定位。曲軸材料選擇球墨鑄鐵鑄造制成，曲柄銷采用挖空結(jié)構(gòu)，合理布置潤滑油道。曲軸平衡采用完全平衡方案，其上安裝四個(gè)平衡塊。曲軸的中間主軸承采用止推片起軸向定位作用。潤滑系統(tǒng)采用壓力潤滑和飛濺潤滑混合的方式。第三章 曲軸設(shè)計(jì)§3.1概述曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)件，其性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，曲軸的工作條件更加苛刻。由于周期性變化的氣體壓力，往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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。因此，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、材料與工藝，使其具有較高的疲勞強(qiáng)度，剛度及良好的動(dòng)態(tài)特性。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(dòng)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)。實(shí)踐與理論表明，對于各種曲軸，彎曲載荷具有決定性意義，而扭轉(zhuǎn)載荷僅占次要地位（不包括因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞）。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。因此，曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的重點(diǎn)是彎曲疲勞強(qiáng)度。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。曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。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。曲軸是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的中心環(huán)節(jié)，其剛度亦很重要。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。曲軸扭轉(zhuǎn)剛度不足則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；輕則引起噪音，加速曲軸上齒輪等傳動(dòng)件的磨損；重則使曲軸斷裂。綜上所述，曲軸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)符合以下要求：1有足夠的疲勞強(qiáng)度，以保證曲軸工作可靠。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)；2有足夠的剛度，使曲軸變形不致過大；3頸具有良好的耐磨性。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(dòng)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。所有這些要求，在高速內(nèi)燃機(jī)的條件下，都應(yīng)該在輕的結(jié)構(gòu)重量下實(shí)現(xiàn)。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。不難看出，上述強(qiáng)度、剛度、耐磨、輕巧的要求之間是存在矛盾的。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。此外，曲柄銷的增大，使得連桿大頭以更大的比例加大加重，軸承的離心負(fù)荷加大。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。曲柄銷加大帶來的曲軸連桿系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加大，可能使剛度對扭轉(zhuǎn)帶來的好處得而復(fù)失。正是這些內(nèi)在的矛盾推動(dòng)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。影響這個(gè)主要矛盾的主要因素有：曲軸的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝等三方面，這三種因素各自有獨(dú)立的作用，相互又有影響，必須辨證地進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，不應(yīng)只注重結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)一個(gè)方面。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(gè)能完全反映實(shí)際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設(shè)計(jì)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即利用許多現(xiàn)有的曲軸結(jié)構(gòu)與尺寸的統(tǒng)計(jì)資料。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。§3.2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。設(shè)計(jì)步驟大致如下：1根據(jù)柴油機(jī)的用途，強(qiáng)化程度，生產(chǎn)批量，缸心距以及活塞行程等參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)那S材料，結(jié)構(gòu)形式，毛坯制造方法及必要的強(qiáng)化工藝。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。3根據(jù)柴油機(jī)沖程數(shù)，氣缸數(shù)目和排列方式，發(fā)火順序，從保證扭矩均勻，平衡性良好，主軸承負(fù)荷不要過大等原則出發(fā)確定曲柄排列。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。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，決定是否需要修改設(shè)計(jì)。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。§3.3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。全支承曲軸是每兩個(gè)（V型發(fā)動(dòng)機(jī)為兩排）氣缸間均設(shè)有主軸承的曲軸；而非全支承曲軸是每隔兩個(gè)（V型發(fā)動(dòng)機(jī)為兩排）氣缸設(shè)有一個(gè)主軸承的曲軸。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(gè)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。按結(jié)構(gòu)型式曲軸分為整體曲軸和組合曲軸。1、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。整體式曲軸結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，工作可靠，而且剛度和強(qiáng)度較高，加工面也比較少，在中高速柴油機(jī)上應(yīng)用非常普遍。2、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。按劃分單元體的不同，又可分為全組合式曲軸與半組合式曲軸。大功率柴油機(jī)和小型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上常采用組合式曲軸。（1）、圓盤式組合曲軸這種曲軸的每個(gè)曲柄單獨(dú)制造，然后用螺釘聯(lián)成一根完整的曲軸。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。在使用中若發(fā)現(xiàn)某曲軸損壞，可單獨(dú)更換損壞的曲柄，而不需要報(bào)廢整個(gè)曲軸。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。這種曲軸由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，因而僅少數(shù)機(jī)型采用。（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。軸和孔的配合的過盈量是軸頸的1.4-1.8。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1.051.1倍。目前，套合式曲軸主要應(yīng)用于曲柄半徑大于400500mm的大型低速柴油機(jī)，其中半套合式曲軸應(yīng)用較多。（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。圖3-1綜上所述，此次設(shè)計(jì)采用整體式曲軸。由于此次設(shè)計(jì)的是直列兩缸柴油機(jī)，故選用平面（圖3-1）布置，曲柄互成空間180°夾角，靜平衡但動(dòng)不平衡，該方案的不平衡系數(shù)較小，易于采取平衡措施，而且此次設(shè)計(jì)的是高速柴油機(jī)，采用該布置第二階往復(fù)慣性力較小，可以不考慮。§3.4曲軸材料選擇及毛坯制造常用的曲軸材料有可鍛鑄鐵，合金鑄鐵，球墨鑄鐵，碳素鋼和合金鋼等，相應(yīng)的毛坯也分為鑄造與鍛造。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。但是鍛造曲軸成本過高，大約是球鐵曲軸的3-7倍。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。但它的優(yōu)點(diǎn)也相當(dāng)明顯，例如球墨鑄鐵曲軸經(jīng)正火處理后的機(jī)械性能已接近蔌超過一般的中碳鋼，盡管鋼的疲勞強(qiáng)度比球墨鑄鐵高，但曲軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼曲軸難免會有油孔、過渡圓角和材質(zhì)上留有缺陷面造成應(yīng)力集中，從面降低了曲軸的疲勞強(qiáng)度。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。球鐵曲軸的耐磨性好，吸振能力強(qiáng)，有較好的自潤滑和抗氧化性能。綜上分析，我采用球墨鑄鐵曲軸。§3.5 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。因?yàn)榍S與活塞連桿組件和機(jī)體有密切的聯(lián)系，曲軸的設(shè)計(jì)不能孤立進(jìn)行。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。曲柄長度方向的尺寸基本上決定于氣缸中心距。表3-1 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)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/D0.700.800.750.850.750.850.850.950.650.700.600.70/D0.300.360.240.300.300.350.250.30連桿軸徑/D0.600.700.670.720.630.720.600.650.550.62/D0.320.370.230.280.310.350.450.60曲柄臂h/D0.220.280.200.250.180.250.180.22b/D1.051.31.01.30.751.20.751.2過渡圓角r/0.030.050.030.05平衡重/S0.80.90.91.00.80.91.01.11、曲柄銷的直徑和長度在考慮曲軸軸頸的粗細(xì)時(shí)，首先是確定曲柄銷的直徑。在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，一般趨向于采用較大的值，以降低曲柄銷的比壓，提高連桿軸承工作的可靠性，提高曲軸的剛度。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。因?yàn)殡S曲柄銷直徑增大帶來的軸系自振頻率增加，會被旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增加引起的自振頻率下降所抵消，可能增加扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的危害。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。為此，曲柄銷直徑不應(yīng)取得較大。曲柄銷的長度是再選定的基礎(chǔ)上考慮的。根據(jù)表3-1，初步選取曲柄銷的直徑=（0.600.70）D=6677mm, 取=70mm;曲柄銷的長度=（0.350.45）D=38.549.6mm, 取=42mm。2、主軸頸的直徑和長度：從軸承負(fù)荷出發(fā)，主軸頸可以比曲柄銷細(xì)些，因?yàn)橹鬏S承最大負(fù)荷小于連桿軸承。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。因?yàn)榈谝?，加粗主軸徑不同于加粗曲柄銷那樣有很多副作用，加粗主軸頸能增加曲柄軸頸的重疊度，從而提高曲軸剛度，但幾乎不增加曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，故可提高自振頻率，減輕扭振危害；第二，加粗主軸頸后可以相對縮短其長度，從而給加厚曲柄臂，提高其強(qiáng)度提供可能。根據(jù)表3-1，初步選取主軸頸直徑=（0.700.80）D=7788mm取=80mm;主軸頸長度=（0.350.50）D=38.555mm 取=40mm。3、曲柄臂：曲柄臂是曲軸中最薄弱的部分之一，它在曲柄平面內(nèi)的抗彎剛度和強(qiáng)度都較差。實(shí)踐表明：由交變彎曲應(yīng)力造成的曲柄臂斷裂是曲軸的主要損壞型式。曲柄臂應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸?，寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。曲柄形狀應(yīng)合理，以改善應(yīng)力分布。現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)曲柄的形狀大多采用橢圓形和圓形。試驗(yàn)證明：橢圓形曲柄具有最好的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。其優(yōu)點(diǎn)是盡量去掉了受力小或不受力的部分，其重量減輕，應(yīng)力分布均勻。但加工方法較復(fù)雜，采用模鍛或鑄造的方法可以直接成型。根據(jù)表3-1, 初步選取曲柄臂厚度h=（0.210.28）D=23.330.8mm 取h=24mm；曲柄臂寬度b=（1.051.30）D=115.5143.5mm 取b=120mm。4、曲軸圓角：曲軸主軸頸和曲柄臂連接的圓角稱為主軸頸圓角，曲柄銷和曲柄臂連接的圓角稱為曲柄銷圓角。由于曲柄銷圓角和主軸頸圓角是曲軸應(yīng)力最大的部位，且應(yīng)力沿圓角輪廓分布也極不均勻，故圓角的輪廓設(shè)計(jì)十分重要。曲軸圓角半徑r應(yīng)足夠大，根據(jù)表3-1, r/=0.030.05=2.14.0mm，圓角半徑過小會使應(yīng)力集中嚴(yán)重。為了增大曲軸圓角半徑，且不縮短軸頸有效工作長度，可采用沉割圓角，設(shè)計(jì)沉割圓角時(shí)應(yīng)該保證曲柄臂有足夠厚度。曲軸圓角也可由半徑不同的二圓弧和三圓弧組成。當(dāng)各段圓弧半徑選擇適當(dāng)時(shí)可提高曲軸疲勞強(qiáng)度，增加軸頸有效承載長度。本次設(shè)計(jì)遵循以上原則，選取圓角半徑 r=4mm。§3.6潤滑油道軸承的工作能力在很大程度上取決于潤滑條件。曲軸主軸頸和曲柄銷一般采用壓力潤滑。曲軸上油道與油孔的設(shè)計(jì)，對于曲軸軸承的潤滑及曲軸強(qiáng)度都有重要的影響，因此必須十分慎重地選擇油道的方案和確定油孔的位置。潤滑油通常先進(jìn)入主軸承再進(jìn)入連桿軸承。將機(jī)油輸送到曲軸軸承中去的供油方法有兩種：圖3-21、分路供油 多數(shù)柴油機(jī)采用這種供油方法。潤滑油由主油道直接送到各主軸承。2、集中供油 主軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)需采用集中供油。集中供油多采用所謂假軸承結(jié)構(gòu)。假軸承上也澆有一層軸承合金。潤滑油從假軸承通過軸頸上的油孔進(jìn)入曲軸內(nèi)腔。確定主軸頸和曲柄銷上油孔定位時(shí)，既要考慮到潤滑和軸瓦的冷卻，又要對軸頸強(qiáng)度削弱最小。從保證潤滑考慮，希望主軸頸油孔開在最大軸頸壓力作用線方向。曲柄銷油孔開在壓力最小的地方，以保證連桿軸承供油充足。曲柄銷最小負(fù)荷通常位于曲柄銷平面以曲柄銷軸心為中心向著曲軸旋轉(zhuǎn)方向?qū)敖堑牡胤剑强捎奢S心軌跡圖求出。從強(qiáng)度觀點(diǎn)考慮，油孔不應(yīng)位于曲柄平面內(nèi)而應(yīng)在曲柄垂直平面內(nèi)。因?yàn)樵谇怪逼矫鎯?nèi)，曲柄銷表面彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力都比較小。因此應(yīng)兼顧上述兩項(xiàng)要求來確定油孔的位置，同時(shí)還應(yīng)考慮曲軸結(jié)構(gòu)和鉆孔的工藝性。為了減小應(yīng)力集中，油孔出口應(yīng)到角，拋光。3.油孔直徑：d=(0.070.10)D=5.68mm 取d=6 mm。圖3-2所示為本次潤滑油道的布置方案。§3.7曲軸平衡塊曲軸平衡塊的作用是用來平衡曲軸不平衡的旋轉(zhuǎn)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力矩，有時(shí)也可以平衡往復(fù)慣性力及其力矩，并可以減速小主軸承的負(fù)荷。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，多數(shù)離心慣性力和離心慣性力矩已自行平衡的曲軸也配置平衡塊，這主要是為了減輕主軸承的最大負(fù)荷，保證軸承有良好的潤滑條件，減小曲軸和曲軸箱所受的離心慣性力矩。但曲軸配置平衡塊后，重量增加，制造工藝復(fù)雜，曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)自振頻率降低。因此，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速，曲軸結(jié)構(gòu)，曲柄排列，軸承負(fù)荷以及對平衡的要求等因素綜合考慮是否配置平衡塊。一般低速柴油機(jī)不需要配置平衡塊，高度柴油機(jī)則需要配置平衡塊。平衡方案的選擇，平衡塊重量的計(jì)算與布置，應(yīng)該仔細(xì)考慮。平衡塊的重心應(yīng)盡量遠(yuǎn)離曲軸中心線，以提高平衡效果。但平衡塊一般不超過曲軸旋轉(zhuǎn)所掃過的范圍。平衡塊厚度一般與曲柄臂相同。§3.8曲軸的軸向定位圖3-34為防止曲軸的軸向定位，保證工作正常，曲軸需設(shè)有軸向定位。中高速柴油機(jī)的曲軸通常用止推片或止推軸瓦做止推軸承。大多數(shù)柴油機(jī)把止推軸承設(shè)在輸出端，這樣當(dāng)曲軸受熱伸長時(shí)離合器的間隙可保持不變。但裝在曲軸自由端的正時(shí)齒輪會產(chǎn)生一些位移。在一些柴油機(jī)中由于中央主軸承的負(fù)荷大而增加其長度，并用它作止推軸承。當(dāng)軸向力不是很大，又不是經(jīng)常作用時(shí)，止推軸承多采用翻邊軸瓦，或采用止推片。翻邊軸瓦的制造比較困難，所以一般內(nèi)燃機(jī)中多用止推片的結(jié)構(gòu)。在軸向經(jīng)常作用或數(shù)值較大的情況下，多采用止推滾動(dòng)軸承。本次設(shè)計(jì)采用止推片的止推方式，并且安裝在中央主軸承上。§3.9曲軸端部結(jié)構(gòu)曲軸兩端分別為自由端和輸出端。大多數(shù)柴油機(jī)的機(jī)油泵，水泵等輔助裝置的驅(qū)動(dòng)齒輪以及曲軸的扭轉(zhuǎn)減振器均安裝在自由端。飛輪裝于輸出端，柴油機(jī)產(chǎn)生的功率經(jīng)輸出端輸出，但在某些工程機(jī)械或農(nóng)用柴油機(jī)上，曲軸自由端也可輸出部分乃至全部功率。驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和噴油泵的曲軸正時(shí)齒輪布置于自由端或輸出端。當(dāng)曲軸正時(shí)齒輪布置在輸出端時(shí)，可將正時(shí)齒輪直接制造在曲軸上。曲軸輸出端一般借法蘭通過定位銷和螺栓來安裝飛輪。為提高曲軸的扭轉(zhuǎn)剛度，最后一道主軸承至曲軸法蘭的軸段應(yīng)盡量短粗，甚至其直徑和曲軸法蘭相同，這樣也便于套裝油封。曲軸法蘭大小應(yīng)根據(jù)主軸承直徑及油封裝置來決定。飛輪緊固螺栓分布的圓周直徑，最好使螺栓孔位于主軸頸外，并能讓開主軸頸到法蘭過度圓角。第四章 飛輪設(shè)計(jì)與計(jì)算§4.1飛輪的作用由于曲軸所發(fā)出的扭矩是個(gè)周期變化的量，當(dāng)它大于有效阻力矩時(shí)，曲軸就加速，反之就減速，造成曲軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，減小這種波動(dòng)的措施有兩種：一是增加內(nèi)燃機(jī)的氣缸數(shù)，另一措施是在曲軸上加裝飛輪。在本次設(shè)計(jì)中，任務(wù)給定是兩缸，所以我們在曲軸上加裝了飛輪。對任何往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，其輸出扭矩即使在穩(wěn)定工況下也是不斷周期性變化的。通常用扭短工 不均勻系數(shù)來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)合成扭矩的均勻程度。但發(fā)動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的聳動(dòng)裝置的有效阻力矩一般是定值。因此，當(dāng)曲拐在某一位置時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩有可能大于或小于由其所帶動(dòng)的阻力矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩大于有效阻力矩時(shí)，曲軸就加速，反之則減速，造成曲軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。我們把曲軸轉(zhuǎn)速忽快忽慢的這種現(xiàn)象稱之為曲軸回轉(zhuǎn)不均勻性。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)會產(chǎn)生一系列不良后果。如發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)件與被它帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的從動(dòng)件之間產(chǎn)生沖擊，影響工作可靠性，降低使用壽命，產(chǎn)生噪音；同時(shí)使測試儀器的工作不穩(wěn)定；曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻還會引起曲軸的振動(dòng)。所以曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻生應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。要想提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，降低曲軸角速度波動(dòng)的措施有：一、增加氣缸數(shù)，點(diǎn)火均勻，使由于氣缸間歇性工作帶來的沖擊減少。二、增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使角速度波動(dòng)率減小。最有效的方法就是安裝飛輪。由于氣缸數(shù)已經(jīng)確定，只能通過安裝飛輪來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。當(dāng)輸出扭矩大于阻力矩時(shí)，飛輪就將多余的功吸收而使轉(zhuǎn)速略增；當(dāng)阻力矩大于輸出扭矩時(shí)，飛輪則將其儲存的能量放出，此時(shí)飛輪的動(dòng)能減小，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速略減?？梢婏w輪是一種動(dòng)能儲存器，它起著調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)速變化穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。§4.2飛輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算在飛輪的設(shè)計(jì)中，我們先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定出其外徑、內(nèi)徑和厚度b，然后在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對其進(jìn)行校核。圖4-1（內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì) 楊連生圖5-45）尺寸的初步確定：飛輪外徑（2.53.5）S=300420 mm 取=320mm；輪緣厚度h=()=3216 mm取h=25 mm =-2h=270mm； 取 b=92mm；飛輪的圓周速度：v= （4-1）=36.84m/s由于v3550 m/s 因此選取的合格。表4-1 不同缸數(shù)i四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不均勻系數(shù)和盈虧功系數(shù)（內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì) 袁兆成 表6-1）i110201.11.828150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.01由任務(wù)給定的數(shù)據(jù)，選取各種相關(guān)系數(shù)：運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)=；飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量占內(nèi)燃機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分?jǐn)?shù)=0.85；盈虧功系數(shù)=0.6；飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （4-2） = =0.5172802404（kg）由初步確定的尺寸按5-2式可計(jì)算出飛輪的重量： （4-3）HT250的密度，取7.34 =154.3510272（N）再由式5-3可計(jì)算出假設(shè)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （4-4） =0.342663218（kg）由于，所以，此飛輪合格。編程計(jì)算見附錄1。第五章 主軸承設(shè)計(jì)§5.1主軸承的工作條件內(nèi)燃機(jī)曲軸的主軸承在工作中受到?jīng)_擊性的氣體爆發(fā)壓力和活塞連桿組慣性力的動(dòng)負(fù)荷作用，由動(dòng)力計(jì)算可知，其最高平均壓力達(dá)2030MPa，面實(shí)際上從潤滑理論分析可知，潤滑油膜中局部最高油膜壓力可達(dá)平均壓力的610倍。由于負(fù)荷是交變的，會在合金層內(nèi)形成疲勞應(yīng)力狀態(tài)，易使合金層產(chǎn)生微小裂縫，當(dāng)裂紋發(fā)展并與其裂縫相匯時(shí)，合金層就會疲勞剝落。其次，高速內(nèi)燃機(jī)中，軸承與軸頸之間的相對滑動(dòng)摩擦速度可高達(dá)10m/s以上。在如此高速下運(yùn)動(dòng)，即使是液體摩擦，也會產(chǎn)生大量摩擦熱，使軸瓦工作表面溫度升高到150。如有足夠潤滑油通過摩擦表面，則除了可以冷卻軸承外，還有可能使軸承牌完全的液體摩擦狀態(tài)，即軸承和軸頸兩摩擦表面完全為一層油膜所隔開面不直接接觸，但是這種理想的液體摩擦狀態(tài)在實(shí)際內(nèi)燃機(jī)工作過程中并不能完全等到保證。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)，尤其是汽車拖拉機(jī)類型的運(yùn)輸式內(nèi)燃機(jī)，使用工況經(jīng)常變動(dòng)，起動(dòng)和制動(dòng)頻繁，容易發(fā)生所謂的邊界摩擦，這時(shí)兩個(gè)摩擦面依靠分子間的引力，各自吸附一層幾個(gè)分子厚的潤滑油膜，金屬表面完全被這一層邊界油膜所隔開。一旦邊界油膜破裂，金屬材料就可能相接接觸，發(fā)生固體摩擦，造成強(qiáng)烈磨損，甚至表面熔化，互相括號在一起，這是軸承損壞的根源，必須避免。隨著內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)間的增加，呈泡沫狀和霧化狀的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油，在100左右的高溫作用下不斷被氧化變質(zhì)，形成有機(jī)酸，對軸承表面產(chǎn)生腐蝕作用。油中機(jī)械雜質(zhì)也逐漸積累，使軸承和軸頸表面遭受損傷。此外，曲軸以及曲軸箱等制造有誤差，在工作中還可能發(fā)生變形，使軸頸與軸承之間產(chǎn)生局部的負(fù)荷集中，影響軸承的正常工作。根據(jù)這些具體的工作情況，在內(nèi)燃機(jī)中一般都應(yīng)用由多層金屬或合金構(gòu)成的軸承。因?yàn)橐话憔哂休^高力學(xué)性能的材料，其表面摩擦性能就不好；反之，具有良好表面摩擦性能的材料機(jī)械強(qiáng)度一般較差，單金屬軸瓦不能滿足調(diào)整重負(fù)荷曲軸軸承的要求。曲軸軸瓦一般由鋼瓦背與減摩層組合而成，瓦背保證整個(gè)軸瓦的機(jī)械強(qiáng)度，而薄的減摩層保證良好的摩擦性能。具體來說，軸瓦的工作條件是：1. 很高的動(dòng)負(fù)荷作用。容易形成疲勞應(yīng)力狀態(tài)，造成金屬層剝落。2. 相對滑動(dòng)速度高。由于摩擦，軸頸表面產(chǎn)生高溫，達(dá)到150以上，導(dǎo)致機(jī)油粘度下降，承載能力下降。3. 機(jī)油在長期高溫下被氧化變質(zhì)，形成有機(jī)酸，腐蝕金屬表面。4. 有時(shí)形成干摩擦，使金屬表面熔化、粘合、撕裂。5. 由于制造誤差和機(jī)械變形，造成邊緣負(fù)荷。§5.2材料要求1. 有很高的機(jī)構(gòu)攻耐熱性。2. 有足夠的減摩性能，抗咬粘性、順應(yīng)性、嵌藏性。3. 有較好的耐蝕性。4. 瓦背與減摩層有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，不因剪切力和熱應(yīng)力而分層。§5.3 常用軸承材料1. 白合金（巴氏合金）1) 錫基白合金 該合金含銅3%5%，含銻7%12%，其余是錫。錫的主要目的是提高硬度，加銅是為了防止錫偏析。錫基白合金具有優(yōu)異的減摩性能和嵌藏性，而且工藝性好；缺點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度低和高溫硬度和強(qiáng)度明顯降低。2）鉛基白合金 該合金含錫5.5%6.5%，含銻5.5%6.5%，其余是鉛。這種合金成本低，耐疲勞性、減摩性高，高溫硬度下降少；缺點(diǎn)是耐摩性稍差。主要用于負(fù)荷不太高的汽油機(jī)。2. 銅基合金隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷強(qiáng)化，對減摩材料疲勞強(qiáng)度要求大大提高。因此在中高速柴油機(jī)和車用柴油機(jī)上，高強(qiáng)度減摩合金的銅鉛合金軸瓦的鉛青銅合金軸瓦被大量采用。銅鉛合金中含鉛25%35%，其余為銅；鉛青銅中含鉛5%25%，含錫3%10%，其余為銅?？紤]到銅和鉛的熔點(diǎn)和密度相關(guān)懸殊，在結(jié)晶過程中容易出現(xiàn)偏析，會使性能惡化，還可加入少量的其他元素如硫、鎳、銻等，以減輕以上現(xiàn)象。3. 鋁基合金鋁基合金的基本成分為鋁、錫、銅。比較起來，鋁基合金的耐疲勞性、減摩性、耐蝕性最好，其中含錫6%的低錫鋁合金性能更好。銅鉛合金次之，白合金最差。鋁基合金軸承目前主要用于高速大功率、中速柴油機(jī)和車用柴油機(jī)上，有廣泛應(yīng)用的趨勢；缺點(diǎn)是線膨脹系數(shù)較高。§5.4軸瓦的瓦背材料內(nèi)燃機(jī)的工作條件對瓦背所提出的要求如下：1. 瓦背與合金層的粘結(jié)性能良好，即應(yīng)該有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。2. 軸瓦與軸承座必須是過盈配合，因此瓦背應(yīng)具有足夠的屈服強(qiáng)度。§5.5軸瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸的確定1. 主軸瓦厚度t已知主軸頸直徑=80 mm,由于薄壁軸瓦結(jié)構(gòu)輕巧，制造精度高，互換性好，適于大量生產(chǎn)的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用薄壁軸瓦。初步選取主軸承厚度t：t/D=（0.020.05）D=2.25.5mm 取t=3.5mm；主軸承內(nèi)徑d：d=80mm外徑：=d+2t=87mm2. 軸承寬度B和油槽1）寬度B內(nèi)燃機(jī)曲軸各軸承的寬度一般取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布置?，F(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)為了獲得緊湊的外形尺寸，總是盡量縮短氣缸中心距，以致主軸承的寬度與內(nèi)徑之比縮短到B/ d0.350.4,初步選取B（0.350.4）d2832 mm。2）油槽試驗(yàn)證明，在其他條件不變的情況下，油膜壓力與軸承寬度的三次方成正比，所以當(dāng)軸承面積相同時(shí)，開油槽軸承的承載能力僅為無油槽軸承的1/4。由于主軸承下軸瓦為主要承壓面，因此本次設(shè)計(jì)將油槽開在上軸瓦上。第六章 結(jié)論本次設(shè)計(jì)是一次綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)，聯(lián)系到了我在大學(xué)四年里所學(xué)的所有課程，使我對內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作有了一個(gè)全新的認(rèn)識。通過本次設(shè)計(jì)，我明確了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的的設(shè)計(jì)過程，加深了我對所學(xué)專業(yè)知識的理解，鍛煉了自己制圖和識圖的能力，特別是鍛煉了自己用計(jì)算機(jī)繪圖的能力，培養(yǎng)了自己和同學(xué)間協(xié)作的精神，這是自己走向工作崗位前的一筆寶貴的財(cái)富。本次設(shè)計(jì)雖然只是遵循前人的經(jīng)驗(yàn)，在已有的框架上建立起自己的機(jī)器，但是在這個(gè)過程中，我學(xué)會了曲軸和飛輪的總體設(shè)計(jì)過程和它們的計(jì)算過程，我相信，在以后的工作中，它們會給我?guī)順O大的方便的。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了相當(dāng)長的過程，它到今天已經(jīng)比較完善。作為新一代的人，我們應(yīng)賦予它新的元素。這就需要我們創(chuàng)造出具有現(xiàn)代水平的，更能滿足使用要求的，前所未有的新型內(nèi)燃機(jī)。當(dāng)然，這只是我的個(gè)人觀點(diǎn)。由于受所學(xué)知識的多少，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等因素的制約，我們還不可能提出更好的理論和改進(jìn)意見?？傊?，本次設(shè)計(jì)使我們各方面的能力得到了提高。是我們以后的工作和學(xué)習(xí)的寶貴經(jīng)驗(yàn)參考文獻(xiàn)1. 周龍保內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005：6252. 袁兆成內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2008：3543. 吳兆漢內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：2552824. 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