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1、第十一章 内燃机主要零部件设计要点本章主要内容：本章主要内容： （1）活塞组设计）活塞组设计 （2）连杆组设计）连杆组设计 （3）曲轴组设计）曲轴组设计 （4）机体与气缸盖设计）机体与气缸盖设计 （5）配气机构设计）配气机构设计 （6）润滑系、冷却系与起动系）润滑系、冷却系与起动系重点内容：重点内容： （1）活塞组的设计）活塞组的设计 （2）连杆组设计）连杆组设计 （3）曲轴的设计）曲轴的设计 （4）气缸盖、机体的设计）气缸盖、机体的设计第一节第一节 活塞组设计活塞组设计一、活塞组的工作条件一、活塞组的工作条件活塞组的组成：活塞组的组成：包括活塞、活塞环、活塞销等。包括活塞、活塞环、活塞销等。
2、作用：作用：承压、密封、导向。承压、密封、导向。工作条件：工作条件：高温高压高温高压 承受缸内气体压力的作用承受缸内气体压力的作用 承受很大的热负荷承受很大的热负荷第一节第一节 活塞组设计活塞组设计二、活塞的结构形式与材料二、活塞的结构形式与材料 1结构形式及主要尺寸比例结构形式及主要尺寸比例 整体式铸造或锻造的铝合金活塞整体式铸造或锻造的铝合金活塞 铰铰接接活活塞塞：头头部部用用热热强强度度高高的的钢钢制制造造，裙裙部用铝合金制造。部用铝合金制造。 2活塞材料活塞材料 铝铝合合金金：共共晶晶铝铝硅硅合合金金（常常用用）、过过共共晶晶铝硅合金和铜合金。铝硅合金和铜合金。第一节第一节 活塞组设计
3、活塞组设计三、活塞的传热和耐热设计三、活塞的传热和耐热设计 （1）活塞顶）活塞顶 阳极氧化处理，喷涂阳极氧化处理，喷涂ZrO2陶瓷，镶入铬钼钢防护层。陶瓷，镶入铬钼钢防护层。 （2）活活塞塞头头部部断断面面：汽汽油油机机薄薄，柴柴油油机机比比较较厚厚实，有较大的过渡圆角。实，有较大的过渡圆角。 （3）火火力力岸岸高高度度：高高度度应应适适当当，过过大大使使活活塞塞顶顶温度升高，过小则使活塞环温度升高。温度升高，过小则使活塞环温度升高。 （4）喷油冷却。）喷油冷却。 （5）油腔冷却。）油腔冷却。第一节第一节 活塞组设计活塞组设计四、活塞的传力设计和活塞销四、活塞的传力设计和活塞销 （1）活活塞塞
4、销销：较较大大的的活活塞塞销销外外径径，采采用用高高强强度度钢钢制造，淬硬，空心；销座有适当柔度。制造，淬硬，空心；销座有适当柔度。 （2）活塞销座：采用斜切的或者阶梯性的销座。）活塞销座：采用斜切的或者阶梯性的销座。五、活塞的导向设计（活塞裙部设计）五、活塞的导向设计（活塞裙部设计） 由由裙裙部部来来完完成成，要要有有足足够够的的长长度度，且且与与气气缸缸的的配配合合间间隙隙小小，应应有有足足够够的的承承压压面面积积。销销轴轴浅浅负负偏偏置置，裙部断面椭圆形，轴向上小、下大，下端收缩。裙部断面椭圆形，轴向上小、下大，下端收缩。第一节第一节 活塞组设计活塞组设计六、活塞的密封设计与活塞环六、活
5、塞的密封设计与活塞环（1）活塞环的密封作用机理）活塞环的密封作用机理（2）活活塞塞环环的的断断面面形形状状：矩矩形形环环、桶桶面面环环、锥锥面面环环、梯形环、扭曲环、梯形环、扭曲环、（3）活活塞塞环环的的尺尺寸寸参参数数：径径向向厚厚度度、轴轴向向高高度度、自自由由状态开口端距。状态开口端距。（4）径向压力分布：均匀分布、梨形分布。）径向压力分布：均匀分布、梨形分布。（5）油环设计：着壁压力足够大。）油环设计：着壁压力足够大。（6）活塞环的材料：合金铸铁，高强度环用球墨铸铁）活塞环的材料：合金铸铁，高强度环用球墨铸铁。活塞环的作用活塞环的作用第二节第二节 连杆与曲轴组及轴承设计连杆与曲轴组及轴
6、承设计一、连杆组设计一、连杆组设计 连杆组的组成：连杆体、连杆盖和连杆螺栓。连杆组的组成：连杆体、连杆盖和连杆螺栓。 要要保保证证有有足足够够的的疲疲劳劳强强度度，要要有有足足够够的的刚刚度度，用用优质中碳钢优质中碳钢45钢模煅，强化机型用钢模煅，强化机型用40Cr等合金钢。等合金钢。 1连杆的设计要点连杆的设计要点 连杆长度、小头和大头直径、宽度连杆长度、小头和大头直径、宽度 连连杆杆长长度度越越短短越越好好，连连杆杆杆杆身身多多用用工工字字形形断断面面。连连杆杆小小头头要要有有足足够够的的壁壁厚厚，特特别别注注意意小小头头到到杆杆身身过过渡的圆滑性。渡的圆滑性。 采用剖分式结构。尽量采用平
7、切口连杆。采用剖分式结构。尽量采用平切口连杆。第二节第二节 连杆与曲轴组及轴承设计连杆与曲轴组及轴承设计 2连杆螺栓的设计要点连杆螺栓的设计要点l负负荷荷重重，同同时时要要保保证证大大头头尺尺寸寸紧紧凑凑，采采用用高强度中碳合金钢。高强度中碳合金钢。l要尽量降低应力集中。要尽量降低应力集中。l严格按规定的扭矩拧紧。严格按规定的扭矩拧紧。第二节第二节 连杆与曲轴组及轴承设计连杆与曲轴组及轴承设计二、曲轴的设计二、曲轴的设计 曲曲轴轴，价价格格最最贵贵的的重重要要零零件件，成成本本占占整整机机成成本本的的10%，足够的疲劳强度是首要问题，足够的疲劳强度是首要问题，结构型式：结构型式：整体式整体式和
8、和组合式。组合式。整体式整体式结构简单，加工容易。结构简单，加工容易。支支承承型型式式：采采用用全全支支撑撑结结构构，以以提提高高曲曲轴轴的的弯弯曲曲刚刚度度和和强强度。度。关关键键尺尺寸寸：曲曲轴轴销销直直径径和和曲曲轴轴壁壁厚厚、轴轴颈颈到到曲曲轴轴臂臂的的过过渡渡园角。园角。曲轴的材料：曲轴的材料： 45煅钢；强化机型：中碳合金钢。煅钢；强化机型：中碳合金钢。曲轴的结构组成曲轴的结构组成第二节第二节 连杆与曲轴组及轴承设计连杆与曲轴组及轴承设计三、连杆和曲轴轴承的设计三、连杆和曲轴轴承的设计（一）轴承材料（一）轴承材料（1）足足够够的的疲疲劳劳强强度度，采采用用钢钢背背减减摩摩合合金金多
9、多层层结结构。构。（2）良良好好的的减减摩摩性性能能，包包括括抗抗咬咬合合性性、嵌嵌藏藏性性和和顺顺应性。应性。（3）良好的耐蚀性。）良好的耐蚀性。轴承合金种类：轴承合金种类：巴氏合金、铜基合金、巴氏合金、铜基合金、铝基合金铝基合金。第二节第二节 连杆与曲轴组及轴承设计连杆与曲轴组及轴承设计（二）轴承的结构设计（二）轴承的结构设计（ 1） 轴轴 瓦瓦 厚厚 度度 ： 轻轻 系系 列列 ， 1.53mm， 重重 系系 列列 ，2.54mm；（2）轴瓦的自由弹势和过盈度；轴瓦的自由弹势和过盈度；（3）轴瓦的定位，定位槽；）轴瓦的定位，定位槽；（4）润润滑滑油油孔孔和和油油槽槽；上上半半主主轴轴瓦瓦
10、开开油油槽槽，下下半半主主轴轴瓦钻孔。瓦钻孔。（5）轴轴承承间间隙隙。在在保保证证机机油油温温度度不不超超标标和和最最小小油油膜膜厚厚度满足要求的情况下，尽可能减少轴承间隙。度满足要求的情况下，尽可能减少轴承间隙。直立四缸发动机曲轴形式直立四缸发动机曲轴形式V V型发动机曲轴连杆形式型发动机曲轴连杆形式第三节第三节 机体与气缸盖设计机体与气缸盖设计 内内燃燃机机主主要要固固定定件件：气气缸缸盖盖、气气缸缸体体、上下曲轴箱、油底壳、机体。上下曲轴箱、油底壳、机体。 主主要要介介绍绍：机机体体、气气缸缸套套、气气缸缸盖盖和和气气缸盖衬垫。缸盖衬垫。第三节第三节 机体与气缸盖设计机体与气缸盖设计 一
11、、机体的设计一、机体的设计 1机体的工作条件与设计要求机体的工作条件与设计要求l 承受很复杂的负荷；承受很复杂的负荷；l 保证具有足够的强度和刚度；保证具有足够的强度和刚度；l 特别注意减轻质量，改善铸造和加工工艺性。特别注意减轻质量，改善铸造和加工工艺性。第三节第三节 机体与气缸盖设计机体与气缸盖设计 2机体的结构型式与主要尺寸机体的结构型式与主要尺寸 （1）平平分分式式机机体体：适适用用于于轿轿车车用用汽汽油油机机和和轻轻型型车车用用柴柴油油机机；机机体体刚刚度度好好。平平分分：上上下下曲曲轴剖分面与曲轴轴线基本齐平。轴剖分面与曲轴轴线基本齐平。 （2）龙龙门门式式机机体体：是是用用于于大
12、大功功率率或或高高强强化化的汽油机或柴油机；的汽油机或柴油机； （3）隧道式机体：）隧道式机体：农用单缸机。农用单缸机。 主要尺寸：纵向是气缸轴线间的距离。主要尺寸：纵向是气缸轴线间的距离。常见发动机气缸体常见发动机气缸体 平分式机体平分式机体 龙门式机体龙门式机体 隧道式机体隧道式机体第三节第三节 机体与气缸盖设计机体与气缸盖设计 3机体结构细节设计机体结构细节设计 应用三维有限元结构分析，试验应力分析。应用三维有限元结构分析，试验应力分析。 一一个个重重要要的的原原则则是是主主要要载载荷荷尽尽可可能能直直线线传传递。采用优质灰铸铁铸造。递。采用优质灰铸铁铸造。第三节第三节 机体与气缸盖设计
13、机体与气缸盖设计 二、气缸与气缸套二、气缸与气缸套 气气缸缸表表面面是是最最主主要要的的摩摩擦擦表表面面，大大修修寿寿命取决于气缸的磨损。命取决于气缸的磨损。 1气缸表面的结构特点气缸表面的结构特点 2干缸套与湿缸套干缸套与湿缸套 3气气缸缸套套的的常常用用铸铸铁铁：高高磷磷铸铸铁铁、硼硼铸铁。铸铁。第三节第三节 机体与气缸盖设计机体与气缸盖设计 三、气缸盖的设计三、气缸盖的设计（1）气缸盖的作用是密封气缸，组成燃烧室。）气缸盖的作用是密封气缸，组成燃烧室。（2）气气缸缸盖盖中中的的气气道道、燃燃烧烧室室的的设设计计。抗抗机机械械应力和热应力形成的热疲劳。应力和热应力形成的热疲劳。（3）应用抗
14、热疲劳性能好的材料铸造。）应用抗热疲劳性能好的材料铸造。（4）应具有足够的刚度。）应具有足够的刚度。（5）整体式、分体式。）整体式、分体式。（6）热应力。）热应力。气气 缸缸 盖盖第三节第三节 机体与气缸盖设计机体与气缸盖设计 四、气缸盖衬垫四、气缸盖衬垫 应应满满足足下下列列要要求求：有有一一定定弹弹性性，密密封封性性好好，有有足足够够的的抗抗拉拉和和抗抗剪剪强强度度，耐耐热热、耐蚀性，拆装方便。耐蚀性，拆装方便。 气气缸缸盖盖衬衬垫垫的的材材料料：铜铜皮皮包包石石棉棉、复复合材料、层叠薄钢板。合材料、层叠薄钢板。气气 缸缸 盖盖气气 缸缸 垫垫汽油机燃烧室的形状汽油机燃烧室的形状气缸套的结
15、构形式气缸套的结构形式第四节第四节 配气机构设计配气机构设计 一、配气机构的设计要求一、配气机构的设计要求最最基基本本的的要要求求是是气气缸缸换换气气良良好好。气气门门开开口口面面积积大且快开、快关，以增大气门开启的时面值。大且快开、快关，以增大气门开启的时面值。 二、配气机构总布置二、配气机构总布置 1典型的气门凸轮机构典型的气门凸轮机构（1）侧置气门机构）侧置气门机构（2）下置凸轮轴、顶置气门机构）下置凸轮轴、顶置气门机构（3）顶置凸轮轴气门机构）顶置凸轮轴气门机构第四节第四节 配气机构设计配气机构设计 1每缸气门数的选择每缸气门数的选择 D80mm每缸每缸2进，进，2排；排； D80mm
16、每缸每缸3进，进，2排；排； Vst1.5L每缸每缸2进，进，1排；排； 2凸轮轴的传动凸轮轴的传动 保持一定的相位关系保持一定的相位关系 顶置凸轮轴传动：链条和齿带传动顶置凸轮轴传动：链条和齿带传动第四节第四节 配气机构设计配气机构设计 五、配气机构的主要零部件设计要点五、配气机构的主要零部件设计要点 1进、排气门进、排气门 气气门门头头部部要要有有足足够够刚刚度度。进进气气门门材材料料一一般般用用40Cr、38CrSi等等，排排气气门门用用马马氏氏体体耐耐热热钢钢和和奥氏体耐热钢。奥氏体耐热钢。 2凸轮轴、挺柱、推杆和摇臂。凸轮轴、挺柱、推杆和摇臂。 3气门弹簧气门弹簧 要求弹性极限和疲劳
17、强度都很高的材料。要求弹性极限和疲劳强度都很高的材料。配气机构主要的零件和组件配气机构主要的零件和组件l气门组用来封闭进、排气道气门组用来封闭进、排气道口。口。l气门传动组作用是控制气门气门传动组作用是控制气门开启与关闭时刻、开启与关开启与关闭时刻、开启与关闭的规律。闭的规律。l气门组包括气门组包括: :气门、气门导管、气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、锁气门弹簧、气门弹簧座、锁片等。片等。l气门传动组气门传动组: :摇臂、推杆、挺摇臂、推杆、挺柱、凸轮轴和正时齿轮。柱、凸轮轴和正时齿轮。 配气相位图配气相位图l配气相位就是进、排气门的实际开、配气相位就是进、排气门的实际开、闭时刻相对于曲
18、柄位置的曲轴转角。闭时刻相对于曲柄位置的曲轴转角。用曲轴转角的环形图表示配气相位，用曲轴转角的环形图表示配气相位，该图称为配气相位图。该图称为配气相位图。 进气谐振系统及其发展进气谐振系统及其发展l进气管非定常气体流动的特点：进气管非定常气体流动的特点： 惯性效应（水锤效应惯性效应（水锤效应 Ram Effect)Ram Effect) 气体倒流现象气体倒流现象 进气管谐振进气管谐振l进气谐振系统进气谐振系统利用进气管内的压力波利用进气管内的压力波动来提高气缸充气量的系统。动来提高气缸充气量的系统。l进气谐振系统的方式进气谐振系统的方式 固定频率的谐振进气管固定频率的谐振进气管 可变的进气谐振
19、系统可变的进气谐振系统a 进气系统结构进气系统结构b 外特性外特性1进气控制伺服机构进气控制伺服机构 2进气控制阀进气控制阀 3发动机控制装置发动机控制装置1 1、12-12-节气门节气门 2- 2-喷油器喷油器 3- 3-进气管进气管 4- 4-控制阀控制阀 5- 5-大容量空气室大容量空气室 6- 6-空气滤清器空气滤清器7-7-进气增压控制阀进气增压控制阀 8- 8-真空执行器真空执行器 9 9电磁真空通道阀电磁真空通道阀 10- 10-ECU 11-ECU 11-真空缸真空缸第五节第五节 润滑系、冷却系与起动系润滑系、冷却系与起动系一、内燃机润滑系一、内燃机润滑系 1.1.润滑系的作用
20、：将清洁的压力和温度润滑系的作用：将清洁的压力和温度适宜的机油不断供到各零部件的摩擦表适宜的机油不断供到各零部件的摩擦表面，以起到减少零件摩擦和磨损的润滑面，以起到减少零件摩擦和磨损的润滑作用。此外还有：清洗、冷却、密封防作用。此外还有：清洗、冷却、密封防腐等作用。腐等作用。 2. 2.润滑方式及组成：润滑方式及组成： 压力润滑和飞溅润滑相结合的总和压力润滑和飞溅润滑相结合的总和润滑。压力润滑润滑。压力润滑以一定压力将润滑油以一定压力将润滑油输送到摩擦面间隙中，形成油膜润滑的输送到摩擦面间隙中，形成油膜润滑的方式。飞溅润滑方式。飞溅润滑利用工作时运动零件利用工作时运动零件飞溅起来的油滴或油雾润
21、滑摩擦表面的飞溅起来的油滴或油雾润滑摩擦表面的方式。方式。润滑系统组成润滑系统组成润滑系统包括：润滑系统包括：1.机油贮存装置。机油贮存装置。2.建立油压的装置。建立油压的装置。3.机油引导、输送、分配装置。机油引导、输送、分配装置。4.机油滤清装置。机油滤清装置。5.安全与限压装置。安全与限压装置。6.机油冷却装置。机油冷却装置。7.检查润滑系工作的装置。检查润滑系工作的装置。润滑系的油路润滑系的油路l发动机一般采取综合润滑方式：发动机一般采取综合润滑方式：l曲轴主轴颈、连杆轴颈、凸轮轴轴颈、曲轴主轴颈、连杆轴颈、凸轮轴轴颈、凸轮轴止推凸缘、分电器传动轴等采凸轮轴止推凸缘、分电器传动轴等采用
22、压力润滑；用压力润滑；l活塞、活塞环、活塞销、气缸壁、气活塞、活塞环、活塞销、气缸壁、气门、挺杆、凸轮、正时齿轮等采用飞门、挺杆、凸轮、正时齿轮等采用飞溅润滑方式。溅润滑方式。一、机油泵：作用是将一定数量的润滑油建立一、机油泵：作用是将一定数量的润滑油建立起一定的压力后输送到摩擦表面。机油泵有起一定的压力后输送到摩擦表面。机油泵有齿轮泵和转子泵两种。齿轮泵和转子泵两种。二、机油滤清器：作用是滤除机油中的金属磨二、机油滤清器：作用是滤除机油中的金属磨屑及胶质等杂质，保持润滑油的清洁，延长屑及胶质等杂质，保持润滑油的清洁，延长使用期限，保证发动机正常工作。按滤力不使用期限，保证发动机正常工作。按滤
23、力不同分为：集滤器、粗滤器、细滤器。同分为：集滤器、粗滤器、细滤器。第五节第五节 润滑系、冷却系与起动系润滑系、冷却系与起动系三、机油散热器：作用是对机油进行三、机油散热器：作用是对机油进行强制冷却，使机油保持在最佳温度强制冷却，使机油保持在最佳温度(70(7090)90)范围内工作。范围内工作。四、机油标尺：用于检查发动机内润四、机油标尺：用于检查发动机内润滑油面的高度。滑油面的高度。二、二、 冷冷 却却 系系一）冷却系的原理一）冷却系的原理1.1.冷却系的作用：使运转中的得到适度冷却系的作用：使运转中的得到适度冷却，并能保持在最适宜的温度范围内冷却，并能保持在最适宜的温度范围内工作。工作。
24、2.2.发动机冷却方式：水冷却与风冷却。发动机冷却方式：水冷却与风冷却。3.3.发动机的正常工作温度：发动机的正常工作温度：80809090、85859595第五节第五节 润滑系、冷却系与起动系润滑系、冷却系与起动系4. 4. 水冷却系的组成：散热水箱、水泵、水冷却系的组成：散热水箱、水泵、水套、上下水管、节温器、风扇、水套、上下水管、节温器、风扇、水温表及其传感器等。水温表及其传感器等。5. 5. 风冷却系的组成：风扇、导流罩、风冷却系的组成：风扇、导流罩、散热片等。散热片等。1. 1. 水套：气缸体的气缸周围和气缸盖内水套：气缸体的气缸周围和气缸盖内留有的用以冲水的空腔。留有的用以冲水的空
25、腔。2. 2. 水泵：作用是对冷却水加压、使冷却水泵：作用是对冷却水加压、使冷却水在冷却系中加速循环流动。水在冷却系中加速循环流动。3.3.风扇及风扇皮带，风扇的作用是增大流风扇及风扇皮带，风扇的作用是增大流经散热器的空气流量和流速，增强散热经散热器的空气流量和流速，增强散热器的散热能力。器的散热能力。二）冷却系主要零部件二）冷却系主要零部件4. 4. 散热器：将冷却水所含的热量散发给周散热器：将冷却水所含的热量散发给周围的空气，使冷却水迅速得到冷却，以围的空气，使冷却水迅速得到冷却，以保证发动机的正常水温。保证发动机的正常水温。5. 5. 冷却液与膨胀水箱冷却液与膨胀水箱6. 6. 节温器：
26、是随发动机冷却系水温变化自节温器：是随发动机冷却系水温变化自动控制通过散热器的冷却水流量，以调动控制通过散热器的冷却水流量，以调节冷却系的冷却强度。节冷却系的冷却强度。第十二章 内燃机的发展方向1多气门可变进气系统多气门可变进气系统2进气道进气道3电子控制燃油喷射技术电子控制燃油喷射技术4电控点火定时和爆燃控制电控点火定时和爆燃控制第十二章 内燃机的发展方向5电控电控EGR技术技术6增压技术增压技术7汽油机稀燃的速燃技术汽油机稀燃的速燃技术8汽油机缸内喷射分层燃烧技术汽油机缸内喷射分层燃烧技术第十二章 内燃机的发展方向9代用燃料代用燃料10排气后处理技术排气后处理技术11柴油机的直喷化柴油机的直喷化12米勒循环发动机米勒循环发动机第十二章 内燃机的发展方向13燃烧室燃烧室14陶瓷材料陶瓷材料15计算机辅助设计计算机辅助设计16混合动力电动汽车混合动力电动汽车
