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1、柴油机曲轴飞轮设计说明书第一章前言1.1柴油机曲轴设计的背景柴油机具有良好的经济性、动力性及较高的热效率等显著优点, 在汽车节能等方面有较大的潜力。经过多年的研究和新技术的应用， 现代柴油机的现状已与往日不可同日而语。随着电控喷射、高压共 轨、涡轮增压、中冷等先进技术的应用，柴油机在重量、噪音、烟 度等方面已取得了重大的突破。我国小缸径多缸增压柴油机已取得 了较快的开展，但整个市场的需求还在增长。2000年，中国4缸以上、 缸径小于100mm的多缸机年产量约63.9W台，主要用于农用运输车、 轻型车、面包车、轮式拖拉机、中小型工程机械、小型船舶主辅机 等。由此可见，小缸径多缸柴油机的市场前景还
2、是很客观的。四缸柴油机主要应用于中型轮式拖拉机、中型联合收割机、中 型工程机械、轻型汽车等的配套。随着人们对柴油机认识的逐步转 变，柴油机的应用领域也在不断地扩大。柴油机热效率高，能量利 用率高，节能等特点也得到认可。柴油机的供油系统相对简单，柴 油机的可靠性也比汽油机好。在相同的功率情况下，柴油机的低速 扭矩性较好，功率大，完全符合农用机械的使用要求。随着电喷、高压共轨、增压中冷等先进技术的应用，柴油机的 燃烧不断得到改善，在节能和有害物的排放方面的优势已逐渐显现 出来。现代柴油机随着强化程度的提高，柴油机单位功率的比重也 明显降低，轻量化、高速化、低油耗、低噪音和低排放成为现代柴 油机的开
3、展方向曲轴是发动机中最重要的零件之一，发动机的全部功率都是通 过它输出的。而且曲轴是在不断周期性变化的力、力矩包括扭矩 和弯矩的共同作用下工作的，极易产生疲劳破坏。曲轴形状复杂， 应力集中严重，因此设计中必须使曲轴有足够的疲劳强度，以保证 正常工作。曲轴是柴油发动机的重要零件。它可以是有假设干个相互错开 一定角度的曲柄或曲拐加上功率输出端和自由端构成的。每个 曲柄又是由主轴颈、曲柄销及曲柄臂组成。曲轴的作用是把活塞的 往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞的气体压力变成扭矩， 用来驱开工作机械和柴油机发动机各辅助系统进行工作，曲轴在工 作时承受着不断变化的力，惯性力和它们的力矩作用，受力情况十
4、 分复杂。其精度要求非常高，它的加工质量对内燃机的工作性能， 对装配劳动量都有很大影响。因此，各要素的尺寸精度，位置精度 和外表质量要求相当高。曲轴中几个主要加工外表，连杆外表，轴 承轴颈及锥面键槽的精度要求都较高，连杆轴颈需经过抛光。所以 研究曲轴加工工艺对曲轴的生产具有一定的实际意义。此设计的题目是曲轴飞轮组。曲轴是内燃机最主要的部件之一。它的尺寸参数在很大程度上决定并影响着内燃机的整体尺寸 和重量，内燃机的可靠性和寿命也在很大程度上取决于曲轴的强 度。因此，设计新型内燃机或老产品进行改造时必须对曲轴强度 进行严格的平安校核。近年来随着发动机动力性和可靠性要求援 不断提高，曲轴的工作条件越
5、来越不好，曲轴的强度问题也越来 越复杂。对曲轴强调确定的方法有两种：试验研究和分析计算。 此外，曲轴的平衡也是曲轴设计时的一个重要问题，既要满足平 衡又要减小平衡重质量。飞轮主要有以下作用：1、储存动能，使曲轴转速均匀；2、 驱动辅助装置；3、正时调整角度用。飞轮的设计原那么是，质量 尽可能小的前提下具有足够的转动惯量，因而轮缘常做的宽厚。 在进行曲轴飞轮组设计时曲轴的强度、平衡、飞轮的平衡都是需 要注意的问题，其中曲轴的强度是较困难的，需发在低本钱的情 况下，用普通材料合理进行设计结构和工艺，使曲轴满足强度要 求。曲轴飞轮组是发动机正常工作的保证，对其进行研究，进行 合理地设计，可以满足现代
6、发动机的要求。1.2国内外同类设计的概况综述近些年来，我国的发动机曲轴生产行业得到较大的开展，总量 已具有相当的规模，无论是设计水平，还是产品种类、质量、生产 规模、生产方式都有很大的开展。曲轴是发动机中承受冲击载荷、 传递动力的重要零件，是发动机五大件中最难以保证加工质量的零 件之一。由于曲轴工作条件恶劣，因此，对曲轴材质以及毛坯加工 技术、精度、外表粗糙度、热处理和外表强化、动平衡等，要求都 十分严格。因此，兴旺国家十分重视曲轴生产，不断改良其材质及 加工工艺，以提高其性能水平，满足发动机行业开展的需要。近几 年来，我国不断引进国外先进的技术，加以研究改良，使得国内曲 轴加工技术开展十分迅
7、速。随着改良后的加工工艺的逐渐应用，国 内的曲轴加工水平正逐步提高。曲轴是柴油机中关键零件之一，其材质大体分为两类：一是 钢锻曲轴，二是球墨铸铁曲轴。由于采用铸造方法可获得较为理 想的结构形状，从而减轻质量，且机加工余量随铸造工艺水平的 提高而减小。球铁的切削性能良好，并和钢制曲轴一样可以进行 各种热处理和外表强化处理，来提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。 而且球铁中的内摩擦所耗功比刚大，减小了工作时的扭转振动的 振幅和应力，应力集中也没有钢制曲轴的敏感。所以球磨铸铁曲 轴在国内外得到广泛采用。从目前整体水平来看，毛坯的铸造工艺存在生产效率低，工 艺装备落后，毛坯机械性能还不稳定、精度低、废品率高
8、等问题。 从熔炼、球化处理、孕育处理、合金化、造型工艺、浇注冷却工 艺等工艺环节采取措施对提高曲轴质量具有普遍意义。目前，国内大局部专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机 床组成的流水线生产，生产效率、自动化程序较低。而国外广泛 采用数控技术和全自动控制生产线，具有较高的灵活性和适应性， 使曲轴的加工精度、效率、整体质量显著提高。球铁曲轴具有诸多优点，国内外广泛采用。但整体水平与国外 还有相当差距，近年来，我国内燃机曲轴专业生产厂家通过引进技 术消化吸收和自行开发，总体水平有了较大的提高，但是我国距世 界先进水平仍相差很远，甚至于还满足不了我国内燃机工业技术开 展的要求。我国曲轴专业生产厂家不是
9、很多，且整体规模小、专业 化程度低、企业设备陈旧、产品设计和工艺落后、性能寿命和可靠 性差、品种杂乱和 三化程度低，这些都影响了整机适应国内及国 际市场的能力。内燃机零部件行业将面临更加剧烈的市场竞争，也 将迎来新的开展机遇。我们只有充分了解国内外内燃机曲轴技术水 平，才能制造出具有世界一流水平的内燃机曲轴，以实力参与市场 竞争。第二章总体设计方案2.1内燃机设计要求内燃机设计是一项复杂的工作，它的许多零件是在经受高温， 高应力和剧烈磨擦的苛刻条件下工作的。这就使设计人员必须掌 握相当宽广的有关理论与技术知识才能正确的进行设计。我们设 计的目的是为了应用于实际，因此，我们在设计的时候，首先要
10、根据实际需要来确定设计的目的和要求。1. 功率和转速作为动力机械，使用者对内燃机第一位的要求是应该能够在 规定转速下发出所要求的功率。转速和功率的具体数值是根据用 途来确定的，它在设计中一般会给出，要求设计者能够按要求设 计产品。2 .内燃机的经济性内燃机的经济性包括：内燃机的使用价值应该尽量大，而为 使用内燃机所必须付出的代价应尽量小。这是设计人员应该争取 的重要目标之一。3. 高的工作可靠性和足够的使用寿命现代内燃机寿命指标较先进的的大致为：运输用汽车内燃机 30-60万公里；拖拉机及农用内燃机6000-10000 小时；工程机械 用 内燃机10000-28000 小时。4. 内燃机外廓尺
11、寸的紧凑和质量在许多动力装置中，为了能有更多的有用空间，希望内燃机 本身占用的空间缩至最小，即要求内燃机的设计紧凑，空间占用 小，内燃机的质量就小，质量小是我们追求的目标。质量小在某 种程度上说明所耗用的金属质量少。5. 内燃机设计的三化问题所谓三化，指产品系列化，零部件的通用化和设计的标准化。6. 内燃机的可靠性及其它工作可靠是内燃机应该具有的起码性能，否那么其它性能将 无从谈起。2.2内燃机的主要参数一、气缸数与缸径压缩点火式内燃机，由于燃烧过程的特点，汽缸直径不能过 小，一般以不小于85mm为宜。内燃机的缸径应符合系列型谱的 规定，其尾数应该取整数，优先选用0和5。二、活塞平均速度活塞平
12、均速度Cm表征柴油机高速性和强化程度的一项主要 指标，对柴油机总体设计和主要零件结构形式影响很大。活塞平 均速度计算公式：Cm S。在功率给定以后，假设平均有效压30力、活塞行程的缸数维持不变，提高活塞平均速度可使气缸直径 减小，柴油机体积小、重量轻。但是提高活塞平均速度受到以以 下因素的限制：1提高活塞平均速度后，使运动件的惯性力增大，同时活塞， 缸套和气缸盖的热负荷也相应增加。2提高活塞平均速度使柴油机零件的磨损加快，缩短了柴油 机大修期。3活塞平均速度的提高，使摩擦功率损失增加，机械效率降 低，燃油消耗率升高。4进排气阻力随活塞平均速度的提高而增加，使充气效率降 低。随着活塞平均速度的提
13、高，柴油机的平衡、振动和噪声等问 题突出出来。一般柴油机总哭声强度约与转速的三次方成正比。三、平均有效压力平均有效压力是表征柴油机强化程度的重要指标之一，可由下式求得：Pme Ve中mVs式中Pme为平均有效压力。We为有效功曲轴输出端的Vs为气缸工作容积活塞排量P为平均指示压力m为机械效率提高P值可使功率增加比重量下降。然而机械负荷和热负荷 也随之提高，影响柴油机的可靠性和寿命。同时，对排气的有害 成分、噪声、振动等都有不利影响。提高充气系数，改善工作过 程，减少机械损失与热损失，是提高R值的主要措施，但是非增 压柴油机P值的提高是有限的。最有效的措施是采用增压或增压 加中冷系统。在选定柴油
14、机的的P值时一定要慎重。在进行设计 是，它应根据同类型发动机的实际数据来初步选定。四、行程及其与缸径的比值行程与缸径比S/D是对柴油机结构和性能有重大影响的参 数，在气缸直径和活塞平均速度确定之后，就可以合理的选择 S/D。并考虑以下因素：1选用较小的S/D，可减小柴油机的高度宽度和质量。2小的S/D可以缩小行程S，加大曲轴的连杆轴颈和主轴颈 重叠度，提高曲轴的弯曲和扭转刚度，以及疲劳强度。3当S/D减小时,柴油机的转速可增加,提高了柴油机的升功 率,但增加了运动件的惯性力和柴油机的噪声。4)S/D 比值过小，特别是直喷式燃烧室的柴油机，为保持一 定的压缩比&以及燃烧室容积与压缩容积之比值Vh
15、/Va,必将 使活塞与气缸盖之间需要更小的间隙，这就增加制造上的困难如 间隙不能保证，将使发动机各项性能指标难以到达。5选择风冷柴油机的S/D时，应考虑缸套的散热睡布置。五、气缸中心距及其与缸径的比值气缸中心距及其与缸径的比值，是表征柴油机长度的紧凑性 和重量指标的重要参数，它与柴油机的强化程度、气缸排列和机 体的刚度有关。缸心距的大小主要取决于气缸盖型式整体式、 块状式或单体式、气缸套型式干式或湿式、直列式还是V型、 水冷还是风冷、以曲轴的结构型式和尺寸分配。六、压缩比压缩比直接影响柴油机的性能、机械负荷、超支性能，以及 主要零件的结构尺寸。在一定范围内，柴油机的热效率随压缩比 的增加而提高
16、。增大压缩比也可使柴油机的起动性能获得改善。 但压缩比的提高将使气缸最高爆发压力相应上升，机械负荷增加 对柴油机使用寿命有影响。2.3内燃机的设计方法和在设计中应注意的问题内燃机是一个结构复杂，布置紧凑的机器。它有许多零件组 成，各个零件之间不但必须以一定的配合关系联系成一个整体， 而且必须在作相对运动的过程中互不干预。因此，在设计每一个 零件时，必须把它看作是整个内燃机的一局部。并注意该零件与 其它零件之间的关系。考虑到这一特点，通常内燃机的技术设计 要按一定的程序进行，即先从内燃机的全局出发确定出各个局部 结构的轮廓尺寸，再根据给定的轮廓尺寸设计各零部件的细节， 然后再将各个局部集合在一起，从总体结构上审查各个局部的设 计是否正确。通常这个设计程序分三个阶段：草图设计、
