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1、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发展，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是很客观的。四缸柴油机主要应用于中
2、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发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
3、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。它可以是有若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，用来驱动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
4、劳动量都有很大影响。因此，各要素的尺寸精度，位置精度和表面质量要求相当高。曲轴中几个主要加工表面，连杆表面，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安全校核。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
5、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。飞轮的设计原则是，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，需发在低成本的情况下，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发展，总量已具有
6、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发展。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、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等，要求都十分严格。因此，发达国家十分重视曲轴生产，不断改进其材质及加工工艺，以提高其性能水平，满足发动机行业发展的需要。近几年来，我国不断引进国外先进的技术，加以研究改进，使得国内曲轴加工技术发展十分迅速。随着改进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
7、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表面强化处理，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，国内大部分专业厂家普遍
8、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发展的要求。我国曲轴专业生产厂家不是很多，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
9、燃机零部件行业将面临更加激烈的市场竞争，也将迎来新的发展机遇。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
10、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表明所耗用的金属
11、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，否则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：。在功率给定以后，若平均有效压力、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、
12、重量轻。但是提高活塞平均速度受到以下列因素的限制：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：式中为平均有效压力。为有效功（曲轴输出端的）为气缸工作容积（活塞排量） 为平均指
13、示压力为机械效率提高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，是提高值的主要措施，但是非增压柴油机值的提高是有限的。最有效的措施是采用增压或增压加中冷系统。在选定柴油机的的值时一定要慎重。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
14、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/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达到。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
15、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。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
16、互不干涉。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部分。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，然后再将各个局部汇合在一起，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、工作图设计和绘制装配图。在设计内燃机的过程中需要确定出主要零件的结构，尺寸和材料。在这里考虑问题的主要出发点是保证由这些零件组成的内燃机能够有效的实现将燃料中的热能转化成机械功的过程。这就必须使零件的结构，尺寸和所用材料适应工作过程的需要。除此之外，还要考虑另一方面的问题，这就是：1受力问题 零件在工作过程中要承受机械负荷的作用，在力的作用下零件将产生机械应力和变形。机械
