毕业设计（论文）-6G72发动机的设计.doc

目目 录录 摘要摘要 i i abstraabstrac ct t iiii 第第 1 1 章章 概述概述 1 1 第第 2 2 章章 发动机曲柄连杆机构发动机曲柄连杆机构 3 3 2.1 活塞组 .3 2.1.1 活塞 .3 2.1.2 活塞环 .8 2.1.3 活塞销和卡环 13 2.2 连杆组 14 2.2.1 连杆组的工作条件及材料 14 2.2.2 连杆组结构 14 2.3 曲轴组 16 2.3.1 曲轴组工作条件和材料 16 2.3.2 曲轴组结构 16 第第 3 3 章章 发动机机体与气缸盖发动机机体与气缸盖 2121 3.1 气缸盖的设计要点 21 3.1.1 燃烧室 21 3.1.2 配气机构 22 3.1.3 凸轮轴 27 结论结论 3232 致致 谢谢 3333 参参 考考 文文 献献 3434 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - i 摘要 车用发动机的基本性能在很大程度上决定了整车的基本性能。一种车型如 果能配用一个性能良好的发动机，可以说就成功了一大半。不同种类和使用目 的汽车，对发动机性能要求的侧重点也不同。汽车发动机与自然环境的协调性 已成为人们考虑的重要方面。 发动机用连杆将活塞的往复直线运动转化为曲轴旋转运动，并输出转矩。 连杆作平面运动。活塞在汽缸内承爱和传递燃烧气压力，在满足活塞综合性能 的前提下，尽量减轻活塞的质量，减少能量损失。合理的设计气环和油环结构 尺寸。保证燃烧室密封良好，提高热效率，并且良好的密封可以通过密封环带 走更多的热量，延长活塞的使用寿命。1 连杆组工作时，气压力和往复惯性力的合力使连杆主要承爱拉伸和压缩载 荷。连杆设计的重点是，尽量缩短连杆的长度，减轻连杆的质量。主要是通过 合理设计杆身的截面形状来实现的。连杆螺栓工作时，承爱很大的拉力，若断 裂，可能产生严重的后果。因此连杆螺栓必须有足够的抗疲劳强度。设计时， 要对螺栓进行强度校核。 曲轴组是发动机的重要部件，不仅旋转运动输出转矩，同时还要驱动配气 机构及其它附件，使发动机得以正常工作。设计曲轴时，合理地设计其结构， 减轻质量，对曲轴进行平衡重计算，考虑曲轴的润滑。 发动机的配气系统设计的好坏直接影响发动机工作的状况的好坏和工作效 率的高低。随着发动机的高速化，配气机构的优化设计越来越重要。 关键词：活塞；连杆；曲轴；配气系统 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - ii abstract the vehicle has decided the entire vehicle basic performance with the engine basic performance in the very great degree. one kind of vehicle type if can use for parts a performance good engine, may say has succeeded one most. the different type and the use goal automobile, is also different to the engine performance request emphasis point. the motor car engine and the natural environment coordination has become the important aspect which the people considered the engine transforms with the connecting rod the piston straight reciprocating main motion as the crank rotary motion, and output torque. the connecting rod makes the plane motion. the piston receives in the cylinder loves and transmits burning gas the pressure, in satisfies the piston overall performance under the premise, reduces the piston as far as possible the quality, reduces the energy loss. reasonable design gas ring and oil ring structure size. guaranteed the sealing of combustion chamber is good, enhances the thermal efficiency, and the good seal may clitellum walk the watch many quantity of heats through the seal, lengthens the piston the service life when connecting rod work, gas pressure and reciprocation inertial force causes the connecting rod mainly to receive with joint forces of stretching and the compression load. the key point of the connecting rod designs is to reduces the connecting rod as far as possible the length, to reduce the connecting rod the quality.it is mainly realized through the reasonable design of the shape of the connecting rod. when the connecting rod bolt works, receives loves the very big pulling force, if it breaks, it possibly cause the serious consequence. therefore the connecting rod bolt must have the enough anti- fatigue strength, when design, must carry on the intensity examination to the bolt. the crank group is the engine important part, not only the rotary motion output torque, meanwhile must actuate the carburetor construction and other appendices, enables the engine the normal work. when designs the crank, reasonably designs its structure, reduces the quality, carries on balance weight the computation to the crank, considers the crank the lubrication. 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - iii the engine matches is mad the system design the quality direct influence engine work condition quality and the working efficiency height. along with engine high speed, the carburetor constructs the optimized design is more and more important key word: piston; connecting rod; crank; matches is mad the system 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 1 第 1 章 概述 车用发动机的基本性能很大程度上决定了整车的基本性能。在设计发动机 时，必须从各个角度来研究分析和综合平衡发动机的各方面性能，开发出符合 需求的发动机。 (1)动力性 动力性是车用发动机的主要指标之一。评价动力性的指标主要是额定功率 和最大扭矩。为了使各种发动机之间有一定的可比性，常用平均有效压力，升 功率及升转矩来评定。平均有效压力与有效功率，排量、转速及冲程有关，可 综合评定发动机的动力性。 (2)经济性 车用发动机大部分采用石油燃料，少量采用液化石油气、天然气及其他带 用燃料。2 衡量发电机经济性的重要指标是有效热效率和比油耗。有效热效率是内燃 机实际循环有效功与得到此有效功所消耗的燃料量之比值。使用油耗可以通过 万有特性曲线来评定。 (3)排气净化 随着汽车产量和保有量的增加，汽车对人类环境的有害影响日益剧烈，各 国对汽车排放物的控制法规逐步加严。降低发动机的排放污染，满足排放法规 要求，成为发动机设计者的重要课题。 (4)振动与噪声 发动机作为整车的振动和噪声源，对车内外行驶振动和噪声影响很大。发 动机的噪声主要由燃烧噪声、气体动力噪声和机械噪声三部分组成。但由于发 动机结构的复杂性、激振力与激振方式的多样性，设计开发时仍需结合人们的 经验，参考成功的样机对有关零部件进行仔细的分析和设计。 (5)小型轻量化 为了节省能源和材料、降低排放、节省道路和停车空间，轿车有小型化和 轻量化的趋势，也要求发动机小型化和轻量化。目前本体体积已相当紧凑。采 用体积小的附件并合理地安排它们的位置，布置紧凑的进排气系统，将发动机 布置车合适的位置和角度，都可以大幅度降低占用空间。 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 3 第 2 章 发动机曲柄连杆机构 2.1 活塞组 活塞组在气缸内承受和传递燃烧气体压力，与气缸盖、缸套内壁构成密封 的燃烧室空间。活塞组包括活塞、活塞环（气环和油环） 、活塞销及活塞销卡 环等零件。 2.1.1 活塞 1活塞的工作条件及材料 活塞在气缸内高速往复运动（现代汽车汽油机活塞平均速度高达 18m/s） ， 与缸套间有很大的磨擦力（非增压发动机活塞组磨擦损失约占发动机机械损失 的 45%65%） 。活塞工作时直接接触周期变化的高温、高压燃气（最高温度达 2200k2800k，最大压力百增压达 59mpa,增压达 12mpa） ，运动中还要承受 本身和连杆小头部分产生的往复惯性力的作用（本身质量的 6002000 倍） ， 接触高温燃气和向外传热，使活塞顶部中心和边缘温度变化在 7000c4000c 之 间，顶部和裙部温度变化在 4000c1000c 之间。在上述工作条件下，活塞要承 受很大的热应力和机械应力，因此活塞工作条件十分恶劣。3 发动机活塞容易出现的故障是磨损后失去圆度和圆柱度、表面金属高温下 撕裂、顶部或气环槽环岸部热疲劳开裂、销座处疲劳开裂等。 为了减轻活塞质量以降低往复运动惯性力，增加导热性以减小活塞热负荷， 汽车发动机活塞普遍采用铝合金材料。在铝合金中添加硅元素，可提高活塞的 耐磨性，其中共晶铝硅合金应用最广泛。含硅 9%左右的亚共晶铝合金，铸造性 能良好，适于汽车发动机活塞的大批量生产。含硅 12%左右的高硅共晶铝硅合 金，热膨胀系数很低，在汽车发动机活塞中也广泛使用。含硅 18%23%的过共 晶铝合金膨胀系数更小，耐磨、耐腐蚀性能性能更优异，作为汽车发动机活塞 的材料，越来越受到重视。 以共晶铝硅合金作材料，可采用铸造或锻造工艺来制造活塞。 2活塞结构 活塞零件结构见图 2-1。活塞由活塞顶部、活塞头部（环槽部）和裙部三 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 4 部分组成。 图 2-1 活塞结构 -燃烧室部分；-活塞销；-气环；-油环；-回油孔；-活塞销卡环 -活 塞头部；-活塞头部（环槽部） ；-活塞群部；-上群部；-下群部 1)活塞顶部 活塞顶部从活塞顶面到第一道气环上环岸称为活塞顶部。汽油机活塞顶部 和柴油机活塞顶部结构上有较大的差异。汽油机活塞顶部一般有平顶、凹顶和 凸顶三种形状。平顶活塞使用最多，结构简单，受热面积小，可获得中等压缩 比。凹顶活塞和凸顶活塞加工量较大，凹顶形状一般较规则，可通过调节凹坑 深度获得不同的压缩比。凸顶开头可分为锥台形或球形，可得到较大的压缩比， 也能增加挤流强度，改善燃烧。如图 2-2 为汽油机活塞顶部形状。 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 5 (a)平顶活塞 (b)凹顶活塞 (c)凸顶活塞 图-2 汽油机活塞顶部结构 燃烧室面积和容积之比的面容比，是影响柴油机燃烧性能的一个重要参数。 当气门重叠角太大，活塞顶部可能和尚未落座的气门相碰时，活塞顶部要 加工出避让气门的避阀坑，增压柴油机活塞顶部往往有避阀坑。活塞顶喷镀陶 瓷，可减少热量流失和活塞热负荷，同时提高发动机热效率。顶部第一环槽上 面加工出隔热槽，可减少第一环槽和第一气环的热负荷，使热流向第二环以下 分散。4 2)活塞头部 活塞头部也称环槽部，从第一道气环槽到油环槽是活塞的环槽部，见图 2- 2。发动机活塞一般有 2 至 3 道气环，1 道油环，随着发动机高速化，气环数有 减少的趋势，比如一道气环一道油环的活塞。 安装气环和油环的环形凹槽称为活塞环槽，环槽由环岸和环底构成。气环 槽一般具有同样的宽度，油环槽比气环槽宽度大。油环槽槽底加工有回油孔， 油环刮下的润滑油从回油孔回到油底。 活塞环槽宽度和深度略大于活塞环的高度和厚度，以保证发动机工作时， 活塞环可在环槽内纵向振动和横向弹动。振动可去除气环槽内积炭，保证气环 端面与槽面的密封，而弹动可可环侧面与缸壁间形成密封。油环在油环槽内的 振动和弹动，可将润滑油涂覆在缸壁面上和从缸壁上下来。 活塞环槽容易出现的故障是积炭、磨损和环槽根部断裂。积炭可用机械和 化学方法去除，环槽磨损后，换用加高的活塞环，如环槽断裂，只能更换活塞。 为提高环槽耐磨性，增加强度，环槽处可镶入耐磨耐热护圈，这样的活塞称为 镶槽活塞。 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 6 3)活塞裙部 从油环槽下环岸到活塞底部称为活塞裙部，裙部可进一步分为从油环槽环岸到 活塞销中心线的上裙部和活塞销中心线到活塞底部的下裙部。 (a)冷态时 (b)稍热时 (c)更热时 (d)正常工作时 图 2-3 活塞群部与缸套的接触情况 活塞裙部是活塞在缸内运动的导向部分，因此与气缸孔间的间隙很重要。 间隙大了，容易造成活塞运动时摇摆，产生敲缸噪声，增加漏气量。间隙太小， 容易造成卡滞，甚至于拉缸。5 活塞裙部由于气压力作用、活塞销座热变形影响和侧压力作用，工作时的 变形是不一样的。因此将自由状态下的活塞裙部加工成椭圆形或正矢曲线形， 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 7 工作时变形成为基本正圆形。裙部椭圆形的长轴在活塞销轴线垂直方向上，如 图 2-3 所示。 活塞上承受的气压力转化为连杆力，连杆力的分力侧压力通过活塞销作用 在活塞上。作功冲程时，膨胀侧压力作用的活塞裙部面叫主推力面；压缩冲程 时，压缩侧压力作用的活塞裙部面叫次推力面。主次推力面侧压力大小差异很 大，因而造成活塞组和缸套的主次推力面磨损差异大，使活塞裙部和气缸套磨 损成不规则椭圆形。6 活塞轴向形状见图 2-4。活塞纵轴方向基本形状是锥形，即顶部直径最小， 头部直径略大，裙部直径最大，这是考虑活塞上下温度不同，膨胀尺寸不同的 结果。而裙部纵向也有锥形，桶形等形状，尤其是桶形裙部活塞，易于形成油 楔，与缸套接触面小而磨擦较小，导向性好承载力高，因而是现代汽车发动机 活塞裙部结构的一种常用形式。 (a) (b) (c) (d) 图4 活塞纵向形状 (a)阶梯柱状侧表面；(b)群部为锥形的侧表面；(c)顶部和头部为锥形的侧表面； (d)群部为桶形的侧表面 有的活塞为减少裙部热膨胀，以控制活过时与缸套间的间隙，在裙部内镶 入膨胀系数很小的钢片，成为恒范活塞、自动热补偿活塞或镶钢片活塞。在现 代汽车发动机上采用的半拖鞋或拖鞋式裙部活塞结构，这种活塞裙部既保证了 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 8 导向作用需要，防止活塞运动时的偏摆，又明显减轻了活塞的质量，对提高发 动机转速有利，同时增加了活塞裙部的弹性，使缸套与活塞间的间隙可以取得 更小。有的柴油机活塞在裙部还有一道下油环，用来加强活塞和缸套的润滑， 同时有更好的刮油作用。7 4）活塞的内部形状 铝合金材料强度低，导热性好，因此活塞头部设计特点是顶部很厚，过渡 圆角半径很大，环槽内壁也较厚。这种活塞顶部厚度随半径增大而增大的导热 良好的活塞，通常称为热注解型活塞。热流型活塞结构如图 2-14 所示。热流 型活塞使顶部和头部内的热流强度基本相等，防止了热量在头部堆积而造成活 塞局部温度升高，增加活塞头部的热负荷。 活塞销座与头部内壁间用加强筋连接，可减少活塞销座的变形。活塞上裙 和下裙壁面基本是等厚度的。 汽车发动机活塞内腔一般靠飞溅润滑油或喷油冷却。 2.1.2 活塞环 活塞环有气环和油环。气环的作用是密封气体和传热，油环的作用是泵油 涂覆在缸壁，润滑活塞和气缸套，同时刮下缸壁面上润滑油。 活塞环的材料一般是铸铁，如优质灰铸铁、球墨铸铁和合金铸铁铸铁活塞 环先铸成筒状，然后一个一个地切割成圆环，也可以单体离心铸造。活塞环也 有钢环，油环还有钢带组合油环。 气环表面镀铬或喷钼，可提高表面硬度增加耐磨性。油环的作用是泵油涂 覆在缸壁，润滑活塞和气缸套，同时刮下缸壁面上润滑油。 气环表面镀铬或喷钼，可提高表面硬度增加耐磨性。油环表面可多孔性镀 铬。活塞环表面镀锡或磷化处理，可提高其磨合性。 1气环 1）气环的密封机理 气环的密封可靠是往复活塞式发动机得以广泛应用的重要因素。气环密封 的先决条件是活塞环必须有一定的弹性，活塞环的弹性使环外侧压迫在气缸壁 上，形成第一次密封（推动弹性的活塞环，由于第一次密封性能消失或下降， 必须更换） 。在第一次密封基础上产生的第二次密封，将高温高压的燃气密封 在气缸与活塞形成的工作腔内。从活塞顶部与缸套间的缝隙泄漏的气体，进入 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 9 活塞环与环槽间的侧隙中，由于节流作用，泄漏气体的轴向不平衡力成三角形 颁。进入活塞环与环槽间背隙中的泄漏气体的径向不平衡力同样成三角形颁。 侧隙中气体轴向不平衡力的合力将气环底面紧压在环槽下环岸上形成密封面， 而背隙中气体径向不平衡力的合力将活塞环外侧面推压在气缸壁上，形成第二 次密封。气体能通过第一道气环向第二道气环泄漏的惟一通道是气环开口，但 气环开口通道面积极小，若几道气环开口错开密闭，则因气流通路太长流动阻 力太大，泄漏量明显下降。于是通过第一道气环的密封作用，泄漏气体压力下 降了 75%，通过第二道气环，泄漏气体压力下降了 95%以上，能继续往第三道 气环泄漏的气体就微乎其微了。8 活塞环由于惯性运动，贴紧在环槽上环岸时，密封机理与气环相同。 当缸套磨损失圆，从活塞环外侧面与缸套间有气体泄漏，则该泄漏气体压 力作用到环的外侧面上就会抵消背隙中泄漏气体压力，活塞环的密封作用就会 下降或消失。活塞环因积炭太多而卡死在环槽里，不能靠弹力压迫在缸壁上， 气环密封作用也消失。这些情况下，发动机因漏气量大而不能发出需要的功率。 1)气环的结构 气环断面因内外侧面形线不同有不同的断面形状，如图 2-5 所示为出气环 的断面形状。 （a）是矩形载面环，是最基本的结构形式，可用于各道气环，但 磨合性刮油性能较差。 （b）是锥面环或斜面环，其磨合性和密封性较好，刮油 性能也较好。若装反，则润滑油消耗会明显增加。(c)是正扭曲环，在拉压作 用下，由环弹力产生扭曲力矩使环扭曲而形成的斜面有很好的刮油作用。 （d） 也是正扭曲环，工作时气环扭曲成碟形形状。 （e）是反扭曲环，这种环能改善 磨合性，但刮油作用不好。 （f）是斜面反扭曲环，作第二道环使用，能有效地 控制机油。 （g）是处阶梯正扭曲环，刮油能力强，但气体密封性能较差。 （h） 是鼻形环，与（g）的性能相同。外阶梯正扭曲环和鼻形环都不适宜作第一道 环。 （i）是桶面环，在现代汽车发动机上得到广泛应用。由于易形成油楔，磨 损大为减少。桶面适应活塞的偏摆，故不容易拉缸。因与缸套接触面小，易于 密封气体，且磨合性能好。 （j）和（k）是正、反扭曲桶面环，其优点如桶面 环所述。 （1） 、 （m）和（n）是梯形环，适宜于柴油机活塞的第一或第二道气环。 梯形面在工作时，容易将环槽内的积炭挤出，抗结胶能力较强。 （0）和（p） 是在环面上镀铬或镀钼。9 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 10 （a） (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (l) (m) (m) (n) (o) (p) 图-5 气环截面形状 气环开口有直切口、阶梯形切口和斜切口，如图 2-6 所示。直切口结构简 单，加工容易，但密封性能不理想。阶梯形切口加工复杂，密封性交好。斜切 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 11 口加工性能比阶梯形好，密封性能略低于阶梯形。但实验证明，平切口与斜切 口密封性能在相同的开口尺寸下，差异很小，因此大批量生产的现代汽车发动 机活塞环，采有平切口较普遍。 图-6 气环的开口形状 按气环开口处的弹力与环其他部分的弹力颁情况，将气环分类为均压环、 梨形环和苹果环。均压环圆环周的弹力相同，梨形环开口处的弹力大于环周其 他部分，苹果环开口处的弹力小于环周其他部分，如图 2-7 所示。10 图 2-7 气环弹力分布的三种类型 2.油环 发动机活塞上的油环有普通槽孔氏、背衬式和钢带组合式等。普通槽孔式 油环的回油孔有圆孔、制状铣刀铣削长条孔和片状铣刀铣削扁孔等，其断面形 状如图 2-8 所示。背衬式油环是在油环背面衬以波纹钢带圈或弹簧圈。 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 12 (a)反向倒角 (b)同向倒角 (c)双向倒角 (d)同向单钩 (e)双片同向单钩 图-8 普通槽孔式油环的断面形状 油环对缸壁的接触压力比气环大，一般是气环弹力的 1.52.0 倍，这样可 增加油环的刮油能力。油环的另一个特点是回油孔很大很光滑。 具有不同断面形状的活塞环以适当的方式组合，才能充分发挥活塞环的作 用。有效的组合能延长活塞环的使用寿命，良好密封，减少润滑油消耗量和摩 擦损失。活塞环配组与发动机类型、用途、强化程度、气缸材料、环的表面处 理等都有关系，何时的活塞环配组要经过试验确定。 活塞环配组的原则是：充分考虑第一道气环的密封能力，抗窜油能力。重 视第二、第三道气环的刮油作用。在只用一支油环的时候，油环的刮油作用必 须充分保证。11 汽油机的第一道气环一般是矩形环、梯形环、正扭曲环或桶面环，第二道 气环可以是锥面环或外阶梯扭曲环或内倒角扭曲环，油环科采用普通槽孔式油 环或钢带组合式油环。 2.1.3 活塞销和卡环 活塞销工作时承受活塞销座传递来的很大的气体压力，在传递给连杆或反 过来承受连杆很大的推力。汽车发动机活塞销一般靠飞溅润滑油润滑，润滑条 件差。活塞销的刚度很重要，因弯曲变形会造成活塞销咬死或活塞销座裂纹。 活塞销用低碳钢或低碳合金钢制造，表面渗碳淬火后再精磨加工，有很高 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 13 的表面质量。为了减轻质量，活塞销一般做成空心圆柱，空心柱可以是阶梯、 圆孔或锥孔。活塞销的结构如 2-9 所示。 (a)圆柱孔 (b)圆锥孔 (c)台阶孔 图 2-9 活塞销 2.活塞销卡环 发动机活塞销玉活塞销座和连杆小偷的全浮石连接值得是，发动机工作时， 活塞销一销座和活塞销与连杆小头间都是间隙配合，可以相互转动。全浮式的 活塞销必须用卡环将其卡死在销座孔内，以免工作时，活塞销从孔中滑出，造 成拉缸甚至将活塞卡死在气缸内不能运动。卡环用矩形或圆形断面弹簧钢制成。 12 2.2 连杆组 连杆组的功能是作功冲程是将活塞承受的气体压力传递给曲轴，推动曲轴 转动输出转矩。其他冲程是则将曲轴的转动传递给活塞，推动活塞往复运动。 发动机工作时，连杆组既要通过连杆小头连接到活塞上，随活塞作往复直线运 动，又要通过连杆大头连接到曲轴上，随曲轴作旋转运动，因此连杆组作的是 往复运动加旋转运动的复合运动。 2.2.1 连杆组的工作条件及材料 连杆组工作时，气压力和往复惯性力的合力使连杆主要承受拉伸和压缩载 荷，而压缩载荷会在连杆上产生附加弯矩。连杆必须要有足够的强度来防止拉 断，尤其是小头与连杆杆身过渡的最小截面处。同时必须有足够的刚度防止连 杆弯曲。连杆材料是中碳钢或中碳合金钢，模锻成型，经调质处理提高其综合 机械性能，即强度高，抗疲劳强度高、柔韧性好。连杆还要磁力探伤，以防止 锻造缺陷造成使用中断裂。 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 14 2.2.2 连杆组结构 连杆组有连杆小头，连杆杆身和连杆大头三部分组成。连杆小头形状为薄 壁桶状，有的连杆小头中间突起，一方面是把模需要，另一方面加强中部强度。 全浮式连杆小头内装青铜衬套，衬套润滑若是飞溅润滑，则在小头上铣出或钻 出集油孔，收集的飞溅的润滑油直接引到衬套，同时从小头孔中喷出，对活塞 的内腔进行冷却。13图 2-10 所示为常用的小头形状， （a）和（b）结构在高速 发动机的连杆小头常见， （c）和（d）对加强活塞销座和活塞销的抗弯能力较 好， （e）提高了小头抗拉强度， （f）对小头衬套进行压力润滑和对活塞内腔进 行喷油冷却。 半浮式连接，则小头孔与活塞销采用过盈配合或者将小头孔铣开，然后用 螺钉将小头夹紧在活塞销上。半浮式连接不再用小头衬套和活塞销卡环。 连杆小头用大圆弧过渡到连杆杆身。圆弧与小头切点间夹角称为固定角， 固定角小，小头表面应力小，固定角最小可到 900。圆弧与杆身相切点是连杆 杆身危险截面。 (a)有集油孔的小头 (c)梯形小头 (e)上端加强小头 (b)有集油槽的小头 (d)阶梯形小头 (f)有喷油孔小头 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 15 图 2-10 连杆小头结构 1. 连杆杆身 连杆杆身断面是工字形，在保证刚度的情况下，工字形断面杆身质量较小。 若小头衬套采用压力润滑，则杆身上钻出油道。 2. 连杆大头 当曲轴采用整体式或半组合式时，为了将活塞和连杆从气缸套抽出，连杆 大头采用剖分形式。汽油机连杆大头采用平切口。大头盖带加强筋的盖的质量 较轻，刚度也较好。 连杆螺钉工作时，承受很大的拉力，若断裂，可能产生严重的后果。因此 连杆螺钉必须有足够的抗疲劳强度，常采用中碳合金钢制造，并经调质处理。 为了防止连杆螺钉松动，在螺钉尾部采用特殊结构，螺母采用花槽螺母， 再穿上开口销或缩紧铁丝放松。 2.3 曲轴组 2.3.1 曲轴组工作条件和材料 曲轴组是发动机的重要部件，在作功冲程把混合气燃烧产生的气体压力转 变为发动机转矩输出，其他冲程时要带动连杆活塞运动。同时曲轴组要驱动配 气机构及其他附件，使发动机得以正常工作。 曲轴工作时，承受周期性变化的气体压力及活塞连杆等运动件的往复和旋 转惯性力作用，这些力在曲轴中产生交变弯曲应力和扭转应力。在轴颈圆角、 油孔等处，应力集中现象十分明显。弯曲和扭转作用还会使曲轴产生振动和变 形。曲轴磨损失去圆度或磨损量超出规定，发动机要大修。因此曲轴必须有足 够的强度、刚度和耐磨性。 汽车发动机曲轴材料为中碳钢或中碳合金钢，如 45 号钢，40cr 钢等，模 锻或自由锻成型，机械加工中进行淬火或氮化，喷丸和圆角滚压等强化处理， 最后要精磨抛光。为了降低成本和改善制造工艺性，现代汽车广泛采用球墨铸 铁为曲轴材料，以铸代锻成型，因此可获得局部结构复杂的曲轴。比如曲轴卸 载穴、筒形减重孔和平衡重等都可以铸造成型，减少了机械加工量。14 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 16 2.3.2 曲轴组结构 曲轴组可分成前端、曲柄和后端三部分，每个曲柄又由主轴颈、曲柄销和 曲柄臂三部分构 成，汽车发动机曲轴组如图 211 所示。 图 2-11 曲轴组 -正时链轮；-机油泵链轮；-曲柄；-输油管；-曲柄销；-主轴颈；-飞 轮；-飞轮齿圈 曲轴有整体式、组合式，组合式有全组合和半组合式。汽车用中小功率发动 机曲轴一般是 整体式，结构简单，质量较轻。全组合曲轴的曲柄销、主轴颈 和曲柄臂分别制造，然后组合装配，因此连杆大头不用剖分，但拆修困难。半 组合将单个曲柄分别制成后组装到一起，系列化容易，但拆修也困难。15如果 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 17 曲轴组支撑轴承数比曲柄数多一个，这种曲轴称为全支撑曲轴。如果支撑数等 于或少于曲柄数，这种曲轴称为非全支撑曲轴。两种曲轴在汽车发动机中都有 采用。 1.曲轴前端 曲轴前端主轴颈较长，一般是阶梯状，用以安装曲轴正时齿轮、风扇皮带 轮，油封及挡油盘。有的曲轴前端装润滑油泵驱动轮，止推轴承也有装在前端 的。有的发动机在曲轴前端安装扭转减振器，减振器用橡胶减振。 2曲柄部分 曲柄部分由主轴颈、曲柄销和曲柄臂组成。主轴颈直径比曲柄销直径大或 相等，在轴线方向两轴颈有重叠，称为重叠度，对曲轴刚性有很大影响。曲柄 臂形状有椭圆形、矩形或圆形等，其厚度比宽度对曲轴刚度影响更大。曲柄销 减重孔可降低曲轴旋转离心惯性力，减重孔的轴线相对于曲柄销轴线向外偏离， 对降低旋转离心惯性力更有利。从主轴颈钻孔，经过曲柄臂到曲柄销，将压力 润滑油送到连杆大头轴承，对轴承进行压力润滑。主轴颈钻孔或铸孔，可减轻 主轴颈质量而最终减少曲轴质量。曲轴动平衡时，在曲柄臂上取掉不平衡离心 质量。 一般曲轴中间的主轴颈较长，其余主轴颈长度一样。止推轴承有装在中间 主轴颈的。 曲柄部分的平衡重用来平衡和消除曲柄连杆机构的不平衡旋转惯性力和曲 轴本身承受的内弯矩，旋转惯性力由曲柄臂及曲柄销的离心质量和连杆大头旋 转部分质量产生(连杆旋转部分质量和往复运边部分质量在连杆组质心处分开， 基本上前者占总质量的 2/3，后者占 1/3。平衡重的配置有多种方式， 。每个曲 柄都布置平衡重称为完全平衡法，可使各主轴承不受离心力负荷，但曲轴总质 量增加，制造工艺性也较差。几个曲柄共用平衡重称为分段平衡法，曲轴质量 可小一些。若采用整根曲轴共用一个平衡重的整体平衡法， 。则曲轴质量最小。 对同一种曲轴，考虑问题的出发点不同，平衡重的布置方法也不同，平衡效果 也会有差异。铸造曲轴一般将平衡重直接铸造在曲柄臂或曲轴上。锻造曲轴则 分别加工曲柄臂和平衡重后，用螺钉将它们连接到一起。为了减少连接螺钉的 剪切应力和保证运转时平衡性能不被破坏，对平衡重要进行定位装配，然后用 螺钉螺母夹紧。 汽车发动机绝大多数曲轴轴承是滑动轴承，分成上下两片，以便于拆装。 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 18 曲轴轴承工作时承受气体爆发压力和惯性件的交变负载荷作用，合金层易疲劳 破坏，轴承和曲轴轴颈间高速摩擦会产生大量摩擦热。轴承合金层不仅要保证 有一层油层形成液体摩擦减小零件磨损还要及时用润滑油的流动来将摩擦热带 走，否则，临界润滑或干摩擦会使轴颈和轴承快速磨损，甚至烧熔黏合，报废 曲轴。此外，润滑油中杂质和酸分对轴承的腐蚀作用，以及加工误差产生的棱 缘负荷，都会 造成轴承不能正常工作。因此，轴承工作对发动机可靠性和寿命都有很大影响， 是发动机的主要零件之一。 高速旋转的轴承的瓦背用低碳钢制造，利于合金层黏结和有较大的屈服极 限。合金层则有锡基和铅基白合金，主要用在汽油机上。轴承结构有两种类型， 曲柄销(也称连杆大头轴承)和大部分主轴承使用普通形状轴承，有的主轴承使 用翻边轴承或普通形状轴承加止推片，对曲轴止推，限定曲轴的轴向位移量。 曲轴箱的主轴承座和轴承瓦盖将轴承紧固在一起，润滑油从主轴箱上主轴承座 油孔引入。16 发动机运转时，连杆的往复运动部分质量和活塞组质量产生的往复惯性力 也会造成发动机振动，影响汽车行驶平顺和舒适性，产生噪声，因此现在汽车 发动机对往复惯性力也予以平衡。 周期变动的往复惯性力只平衡到一阶、二阶，高阶往复惯性力的影响不明 显，平衡机构布置也太复杂。平衡一阶往复惯性力的双惯性质量，旋向相反， 转速和曲轴转速相同。平衡二阶往复惯性力的双惯性质量，旋向相反，转速是 曲轴转速的二倍。 多缸发动机曲柄沿圆周均匀分布，发动机就有一定的平衡特性。发火间隔 均匀，就可有效降低轴承负荷和曲轴的扭转振动。曲柄排列方式与各缸发火顺 序有密切的关系。直列 6 缸四冲程汽油机的曲轴的曲柄排列是 1 和 6 缸在同一 方向，2 和 5 缸在同一方向，3 和 4 缸在同一方向，组与组间 1200夹角。均匀 发火间隔的曲轴转角是 72006=1200，着火顺序是 1-5-3-6-2-4。即第一缸首 先着火，曲轴顺时针转过 1200，1-5-3-6-2-4。即第一缸首先着火，曲轴顺时 针转过 1200，第 5 缸着火；再转过 1200，第 3 缸着火；再转过 1200，第 6 缸； 再转过 1200，第 2 缸；再转过 1200，第 4 缸着火，如此曲轴转过 7200，发动机 完成了一个工作循环。然后重复此过程，周而复始。17若是形发动机，则着 火在左右缸交替发生，若是发火间隔排列苦难，则也有相后着火发生在同一侧 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 19 气缸的情况。发动机发火间隔仍然与曲柄排列方式有很大的关系，等于 7200除 以总的气缸数。 3曲轴后端 曲轴后端若泄漏润滑油，可能会甩到离合器的摩擦盘上，造成离合器打滑， 因此曲轴后端密封很重要。图 212 利用挡油凸缘 1 将润滑油甩离后端主轴颈， 减少润滑油泄漏量。回油螺纹 5 的旋向和发动机的转向相反，因此漏出的润滑 油又被回油螺纹反推回曲轴箱内或从填料座回油孔流回曲轴箱。加上油封 3 的 密封，就可以有效阻止润滑油从曲轴后端漏出。 图 2-12 曲轴后端 1-挡油凸缘；2-油封座；3-填料油封；4-法兰；5-回油螺纹 曲轴后端法兰上安装飞轮。飞轮的功能一方面在作功冲程蓄能，提供给其 他冲程利用，其飞轮矩(由飞轮直径和厚度确定)使发动机的转速稳定。另一方 面，飞轮上安装启动齿圈，以便对发动机进行起动。此外飞轮端面圆周上的角 度度刻度和第一缸上上止点标志，用来在不拆动发动机的情况下，校正发动机 点火提前角或喷油提前角。飞轮用铸铁、铸钢或球墨铸铁制造，选取材料与发 动机转速和飞轮直径有关，即各种材料不离不离心破碎所允许的飞轮圆周转速 度不同飞轮与法兰间用定位销定位，再用沿圆周均匀分布的螺钉将飞轮与曲轴 紧固在一起，或者采用沿圆周不均匀分布的螺钉紧固。以保证经过曲轴飞轮整 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 20 体严格动平衡的曲轴部件，拆装后回装不破坏其动平衡。17 第 3 章 发动机机体与气缸盖 3.1 气缸盖的设计要点 气缸盖装在机体上，并和气缸和活塞一起构成混合气燃烧的燃烧室。气缸 盖的主要设计目标是提高进气效率和燃烧的热效率。为实现上述目的，气缸盖 还得承受热负荷和机械负荷。 为了尽可能的提高发动机的充量系数以达到提高升功率要求，必须改善发 动机的换气过程。合理增大气门直径及采用多气门结构是改善发动机换气过程 的重要措施，但也受各种因数的限制，如低速小负荷的燃烧稳定性，燃烧室及 气缸壁面对气流的遮挡效果，以及直径尺寸也有变化。 出常用的每缸 2 气门外，多气门方案现在运用的越来越多，目前常用的多 气门方案有 3 气门方案（2 进 1 排） ；4 气门方案（2 进 2 排） ；5 气门方案（3 进 2 排） 。 3.1.1 燃烧室 汽油机燃烧室应满足以下要求： (1)采用尽可高的压缩比，以提高发动机的效率； (2)具有最小的面容比一间小热损失； (3)具有最短的火焰传播距离，以尽可能缩短燃烧时间； (4)具有合适的冷却末端混合气 ，以防止其过热，但冷却不能过度，否则会引 起末端混合气燃烧不良，从而使 hcde 排放过高； (5)火花塞尽可能靠近派气门，以使火花塞周围的温度达到最高； (6)进入旗杆内的新混合气应具有一定的流动强度，使空气和燃料迅速混合， 注意过高的涡流强度会使热损失很大； (7)具有适当的挤气面积，加强缸内混合气在燃烧之前和燃烧期间混合气的湍 流； (8)适当冷却派气门，以防止其过热，变形和烧蚀； (9)进入气缸的新混合气应能扫过兵冷却火花塞电极，以避免在大负荷工矿下 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 21 火花塞产生热点而提前点火现象； (10)气门直径及气门数量要能够保证发动机在高转速下具有较高的充量系数； (11)应防止由于燃烧室温度过高引起的发动机工作粗暴经济三强烈燃烧噪声。 18 燃烧室的类型：浴盆型燃烧室，活塞顶盆型燃烧室，分开式燃烧室，带有 复合气门夹角的半球形燃烧室，半球形燃烧室，三气门蓬形燃烧室，四气门蓬 形燃烧室，五气门蓬形燃烧室， 形燃烧室等等。 3.1.2 配气机构 此发动机采用单顶置式气门配气机构，配气机构由气门座、气门组件、气 门导管、挺柱、凸轮轴、凸轮轴正时链轮和曲轴正时链轮等零部件组成。 气门组件包括气门锁夹、气门弹簧座、挡油罩，气门弹簧和近排气门等零 件。 1.气门 1)气门的通过能力 为保证发动机唤起充分，要求气门有尽可能大的通过能力。气门打开时， 新鲜的混合空气或派出废气从气门升起后形成的圆台面积流过，如图 2-13 所 示。气门开度不大时，该圆台侧表面积用下式计算： 2 h h ahcos (dsin2 ) mm 2 当气门开度大时，流通面积用下式计算： 222 hvvh vh dddd a () +h -(dd )htan mm 22cos 式中 a 气门流通面积； 气门锥角； dh 气门喉口直径，mm； h 气门升程，mm; 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 22 dv 气门头部直径，mm; 图 2-13 气门的通过能力 从计算式可以看出，增加气门直径 dv、加大气门喉口直径 dh、增加气门升 程 h 和减小气门锥角等都可以增加气门流通面积，提高换气效率。 进排气门锥角一般为 45o，少数发动机进气门锥角为 30o。虽然进气门锥角 较小时，气闷通过断面较大，进气阻力较小，可以增加进气量。但是气门那锥 角小，则气门刚度差，易变形而造成气门与气门座圈之间不密封。此外，随气 门升程增加，气体流动方向受气门锥角的影响越来越小，甚至气门锥角较大的 进气阻力反而小。较大的气门锥角，可提高气门头部刚度，气门落座时有较好 的气门自动对中作用，与气门座圈有较大的接触压力，不仅利于密封，同时利 于气门传热。气门锥度较大，可利用气门落座时用较大的滑移量而挤掉密封锥 面上积炭。增压发动机由于气门承受的机械负荷较大，与气门座圈的相对滑移 更大些。加上从气门道管获得机油润滑的可能，气闷磨损问题突出，所以增压 发动机的气门锥角采用 30o是合理的，这样气门与座圈之间的压力可相应减少 18%。19 一般发动机每缸两个气门，进气门头部直径比排气门大 15%30%，以提 高进气量。现代汽车发动机采用多气门系统，即缸 3、4 或 5 个气门，其中进 气门属比排气门数多，但排气门直径比进气门大。多气门发动机每个气门的流 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 23 通面积减小，但总流通面积大于两气门。发动机进气量增加，则动力性能好。 此外，气门直径减小，则往复运动质量减轻，运动惯性减小，有利于提高发动 机的转速。气门直径小，气门刚度提高，寿命增加，气门热负荷降低。但气门 数增加，会提高发动机的制造成本。此外，驱动机构变得复杂，还可能增加燃 烧室表面积而影响燃烧性能。 2）气门材料和结构 气门尤其是排气门工作条件十分恶劣。气门与高温气体接触，散热困难， 热负荷高。排气门头部中心温度高达 700oc，座合面温度也有 650oc。进气门因 新混合气或空气的冲刷，温度低些为 300400oc。气门弹簧以很大的弹力来保 证气门的密封， 加上气门弹簧惯性力和气压力，使气门承受很大的机械压力。 而气门润滑条件差，反复升起落座加快座合面磨损和在气门导管中的磨损。 在这种工作条件下，进气门一般用中炭合金钢如铬钢等制造，而排气门要 用耐热合金钢如硅铬钢等制造。为降低成本，排气门头部可堆焊耐热合金钢、 或头部用耐热合金钢，杆部用普通合金钢，再对对焊成一体的措施。 气门由头部和杆身两部分组成。气门头部成圆锥盘形，顶部有平顶、凹顶 盒凸顶三种形状。平顶气门结构简单，加工容易，受热面积小，进、排气门都 可以使用。凹顶气门因与杆身有较大的过渡半径，气体流动阻力较小，且有较 好的弹性适应气门座圈而保证密封，但制造困难，凹部易积炭，且受热面积大， 不适合于作排气门。凸顶气门头部刚度大，排气阻力小，但制造困难，往复惯 性力大而机械负荷较大，受热面较大而热负荷高。 头部通过较大的圆角半径过渡到气门杆身。气门杆身和气门导管间配合间 隙很小，若间隙过大，会使气门在导管内摇摆而影响气门落座时的密封，同时 通过导管散热的能力下降，还会造成润滑油漏入气道，增加润滑油消耗。 有的发动机为加强气门冷却，采用空心杆身，填入半截金属钠粉末而成为 钠冷却气门。但气门温度升高时，质量轻、比热容高、熔点低、沸点高的金属 钠化成液态，并在杆身中剧烈摇晃，有效地将气门头部热量吸收并传递到杆身， 再从气门导管传导缸盖散热。钠冷气门冷却效果十分明显，但制造成本很高。 杆身尾端，用气门锁夹锁定在气门座弹簧上，因锁紧方式不同而尾端结构 有许多种。图所示为较常用的锁定方式和气门尾端结构。气门锁夹有两半构成， 以便于拆卸。 2 气门弹簧 沈阳工业大学本科生毕业设计论文 - - 24 气门的功能是保证气门关闭时与气门座或气门座圈紧密贴合，必会漏气， 同时保证气门开其实，配器机构个零部件互相接触，减少气门脱离凸轮控制的 情况。 配气机构传动件的往复运动时气门弹簧承受变动频率较高的交变载荷，其 最大弹力必须大于气门全开始，驱动系统换算到气门一侧的当量质量产生的惯 性力。由于结构限制，其门弹簧尺寸不能太大，因此气门弹簧应力状态十分严 重，故气门弹簧要是用弹性极限和疲劳极限较高的材料。常用的弹簧材料有高 碳锰钢如 65mn 或高级合金钢 50crva 等冷拔弹簧钢丝，并经淬火和低温回火处 理，以提高其疲劳极限。弹簧表