【JX17-20】大众EA888 1.8L发动机整体设计与分析（二维+论文）
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JX17-20
【JX17-20】大众EA888 1.8L发动机整体设计与分析二维+论文
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【JX17-20】大众EA888 1.8L发动机整体设计与分析（二维+论文）,JX17-20,【JX17-20】大众EA888 1.8L发动机整体设计与分析二维+论文
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1 摘要 所设计的 EA888 发动机的主要结构型式为：直列 4 缸、四冲程、水冷却、顶置 气门、顶置双凸轮轴，比较符合现代汽油机的技术发展趋势。 机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装 着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和 刚度。机体有汽缸体和汽缸盖组成。 气缸盖是发动机中不可缺少的一部分。它的主要功用是起着密封气缸体上部，并 与活塞顶部及缸筒共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气共同作用。气缸盖采用了 水冷却，缸盖上无须布置散热片，减小了发动机的体积。进、排气门的布置方式使得 进、排气道拐弯少，气流阻力较小，气体进出较通畅，进气较充分。以及凸轮轴座、 火花塞的布置方式。 本说明书还详细介绍了大众公司 EA888 发动机的活塞组设计方案及主要参数的 确定。 关键词：汽油发动机；气缸盖；活塞；机体 2 ABSTRACT The main structure of the designed EA888 engine: inline 4 cylinder, four stroke, water cooled, OHV, DOHC, compared with the technology development trend of modern gasoline engine. The engine body is the framework of the engine, the engine is the installation of various institutions and the basis of the system, inside and outside the installation of all the main parts of the engine and accessories, to withstand a variety of loads. Therefore, the body must have enough strength and stiffness. The body consists of cylinder block and cylinder head. The cylinder head is an indispensable part of the engine. Its main function is to seal the upper part of the cylinder body, and with the top of the piston and cylinder together to form a combustion space, and withstand high temperature and high pressure gas Co. The cylinder head adopts water cooling cylinder without arrangement fins, reduces the engine volume. The inlet and outlet door arrangement makes the inlet and exhaust pipes turn less, the air flow resistance is small, the gas inlet and outlet is more smooth, and the air intake is sufficient. As well as camshaft seat, spark plug arrangement. This manual also describes the Volkswagen EA888 engine piston group design and the determination of the main parameters. Key words: gasoline engine; cylinder head; piston 3 目 录 摘要.1 ABSTRACT2 目 录3 1 绪论4 2 EA888 发动机总体设计.6 2.1 机体和油底壳设计.6 2.2 气缸盖和燃烧室的设计.7 2.3 连杆组设计.8 2.4 曲轴飞轮组轴承设计.9 2.5 配气机构设计.11 2.6 燃油供给与条件系统设计.14 2.7 润滑系统设计.15 2.8 冷却系统设计.16 2.9 启动系统设计.17 2.10 总体布置方案设计.18 3 发动机主要部件详细设计19 3.1 发动机机体设计.19 3.1.1 机体长度的确定19 3.1.2 汽缸体尺寸的确定19 3.2 机体强度的计算.19 3.2.1 汽缸体强度的计算19 3.2.2 汽缸盖的强度计算22 3.3 活塞的结构设计.23 3.3.1 活塞组工作条件和设计要求23 3.3.2 活塞销工作条件和设计要求24 3.3.3 活塞环工作条件和设计要求24 3.4 活塞组件的材料及表面处理.25 3.4.1 活塞材料及表面处理25 3.4.2 活塞销材料及热处理25 3.4.3 活塞环材料及热处理26 3.5 活塞的结构形式.26 3.5.1 活塞头部26 3.5.2 活塞裙部27 3.5.3 活塞销座27 3.6 活塞的主要结构参数及其强度校核.27 3.6.1 活塞主要尺寸选择27 3.6.2 活塞强度校核29 3.7 活塞销主要结构尺寸及其强度校核.30 3.8 活塞环主要结构尺寸及其强度校核.31 总结.34 4 参考文献.35 致谢.36 5 1 绪论 随着现代科学技术的发展，新发动机的设计已经不可避免，发动机种类繁多，而 发动机的设计主要是基于发动机试验台进行试验的。然而，制造商预计将在市场上的 产品在最短的时间内，特别是在市场竞争对手的发展，获得良好的投资回报。此外， 随着计算机技术的发展，CAE 技术在发动机设计和试验部分进行的设计工作，逐渐远 离经验设计阶段的应用，并提供了一个快速而准确的设计方法。 随着社会和技术的发展，发动机的设计必须改进，以满足废气排放、噪声、燃油 经济性、可靠性、耐久性和制造成本低等苛刻要求。必须对发动机进行高度精细化和 准确的设计，这只能通过使用计算机模型和计算机分析，设计技术。利用计算机通信 技术，设计者可以利用不同的软件在不同的地方进行并行设计，从而缩短设计周期。 快速成型技术可以很快地生产原型零件，从而缩短开发时间。例如，使用快速原型可 以在几天内创建一个复杂的零件，而传统的方法和设备往往需要几个月的时间。 目前，发动机工作过程仿真在发达国家发动机的设计和开发中得到了广泛的应用。 例如，外国开始设计和销售第一台发动机的时间从 8 年减少到了大约 4 年。对中国来 说，发展发动机工作过程模拟的时间并不晚，但也有一些令人印象深刻的贡献，但研 究工作局限于高等院校。为了满足国内发动机市场的需求，特别是为了适应国际市场 竞争，发动机制造企业迫切需要改进现有产品，开发新产品。因此，有必要建立一个 高速、高精度、低成本的发动机工作过程模型。 自 1965 提出虚拟现实的概念以来，利用 CAD、三维图形技术和虚拟现实技术开发 了虚拟现实仿真分析技术。而且，随着大规模仿真软件的日趋成熟和可视化程度越来 越高，一些以前难以想象的设计任务，以虚拟的面向图形的方式在计算机上成为可能。 在上世纪 80 年代随着 CADCAE 技术和系统的快速发展，动态模拟分析技术作为一种 新的技术，其核心是运动学和动力学仿真技术，同时还包括建模技术，三维 CAD 技术、 有限元分析技术、电液控制技术、优化技术。动态仿真技术的应用可以大大简化机械 产品的开发设计过程，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，提高产品质量，提高 产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。 本课题对实际的发动机总体结构进行设计，来加深学生对专业知识的理解程度， 研究意义如下： (1)意义：通过 EA888 1.8 升汽油机设计明白汽油机发动机的结构组成以及工作 原理。 6 (2)掌握查阅收集资料，了解有关于 EMD 技术的工作原理。 (3)了解并运用 CAD 制图软件的初步应用。 (4)将所学理论知识与工程实际密切地结合起来，提高理论实践水平。 发动机是汽车的心脏，汽车的行使速度、加速性、爬坡度、牵引力决定于发动机； 汽车常见故障大部分来源于发动机；汽车的燃油经济性和日常费用也主要决定于发动 机。为了实现汽车的设计目标，根据发动机的重要性，汽车方案设计对发动机的型式 和主要参数、指标是作了规定的。所以发动机设计是一个重要的阶段，其中包括结构 空间、总质量、功率、环境保护、生产成本、使用成本等指标。通过这次我们亲身的 设计实践，让我们对这些专业课的基础知识和基本理论能有进一步的理解和掌握，使 我们在分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种设计手册与资料以 及计算机应用能力等各个方面得到进一步的提高，能够全面地检验并巩固我们以前所 学的专业课知识，并通过结合实际情况，让我们能从一个全新的角度重新学习、认识 以前学过的专业课知识。 7 2 EA888 发动机总体设计 本课题是对大众公司的 EA888 1.8L 发动机进行整体设计。发动机的总体布置和 各附件的布置对内燃机的外形尺寸和工作可靠性、使用方便性都有很大的影响。应在 保证拆装、维修方便的前提下， 尽可能直接可靠地固定在机体和气缸盖上， 并且不使任 何附件过于突出。尽量不用外接的机油管和冷却液管，而采用在零件上开通道代替， 以减少泄漏的可能。减少零件数不仅改善了其可靠性，而且有利于降低成本。对本课 题可以从以下方面进行设计。 2.1 机体和油底壳设计 发动机机体是发动机的骨架，发动机是安装各种机构和系统的基础，内外安装了 发动机的所有主要零部件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须有足够的强度和刚 度。主体由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸套组成。 1、缸体一般由灰铸铁制成，缸体上圆筒腔称为气缸，下部为曲轴箱轴承曲轴， 曲轴腔运动空间。缸体内浇注大量的钢筋、冷却水和润滑油等。缸体应具有足够的强 度和刚度，根据气缸体与油底壳的安装位置不同，通常气缸体分为以下三种形式。 （1）一般气缸体的特征在于，油底壳的安装与曲轴的旋转中心高度相同。具有 高度小、重量轻、结构紧凑、加工方便、曲轴拆装方便等优点。 （2）龙门缸体的特点是油底壳的安装面低于曲轴。它具有良好的强度和刚度， 能承受较大的机械负荷，但其缺点是工艺差，结构重，加工难度大。 （3）隧道式缸体的特点是缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴 承孔较大。其结构紧凑，刚性好，强度高，但加工精度高，工艺差，曲轴拆装不方便。 材料的选用：本机型要求振动小、噪音低，而且较重的发动机机在机舱内有利于 汽车的平衡。选用灰铸铁为机体材料。 2、气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种：如下图所示。 (1)干式气缸套：特点是气缸套装入气缸体后，其外壁不直接与冷却水接触，而和 气缸体的壁面直接接触，壁厚较薄，一般为 13mm。它具有整体式气缸体的优点， 强度和刚度都较好，但加工比较复杂，内外表面都需要进行精加工，拆装不方便，散 热不良。 (2)湿式气缸套：特点是气缸套装入气缸体后，其外壁直接与冷却水接触，气缸 8 套仅在上、下各有一圆环地带和气缸体接触，壁厚一般为 59mm。它散热良好， 冷却均匀，加工容易，通常只需要精加工内表面，而与水接触的外表面不需要加工， 拆装方便， 但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好，而且容易产生漏水现象。 本设计选用湿式气缸套，其结构尺寸及材料为： (1)气缸套材料应具有良好的机械强度、耐磨性和耐热耐腐蚀性、保油性和润滑 性。本机选用价格低廉，并且的到广泛应用的铸铁作为材料。 (2)主要尺寸： 凸缘高度 h=(0.06-0.08)D 取 12 毫米 气缸壁厚 (0.035-0.068)D 取 7 毫米 长 度L=220.5mm 3、油底壳采用钢板焊接结构，根据不同的需求，油底壳可以是干式或湿式，在此 采用湿式油底壳。由于车辆在行驶之时会有倾斜的现象，为避免机油在油底壳内产生 振荡，使吸油中断，在油底壳内部设计一个挡油板。为防止漏油，在油底壳和机体之 间用一层橡胶垫片密封。 2.2 气缸盖和燃烧室的设计 气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压 燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却 水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高 温部分。缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门， 还有进气 通道和排气通道等。 发动机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机 的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。气缸盖一般采用灰铸铁或合金 铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用 9 得越来越多。气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大。 发动机的燃烧室分为统一式燃烧室和分隔式燃烧室两大类。统一式燃烧室由凹顶 活塞顶部与气缸盖底部所包围的单一内腔，几乎全部容积都在活塞顶面上。燃油自喷 油器直接喷射到燃烧室中，借喷出油注的形状和燃烧室形状的匹配，以及燃烧室内空 气涡流运动，迅速形成混合气。所以又叫做直接喷射式燃烧室。其缸盖底面是平的， 活塞顶部下凹，按燃烧室深浅可分为浅盆形和深坑形两类。分隔式燃烧室常用的有涡 流室和预燃室。 浅盆形燃烧室：整个燃烧室是由缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的单一容 积。浅盆形燃烧室虽然有经济性好，易于起动的优点，但是在小型高速发动机上的应 用就会碰到许多问题。小型高速发动机的转速高（有的达 4000r/min） ，混合气形成和 燃烧的时间很短，每次循环供油量又很少，单靠雾化混合，则喷孔直经必须做的很小， 喷油压力很高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的 燃烧过程，显然浅盆型燃烧室达不到这一要求。 深坑形燃烧室：将活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，形成有涡流的深坑形燃 烧室。与浅盆型燃烧室相比，深坑形燃烧室对燃油系统要求降低，由于利用进气涡流 加强混合气形成，使空气利用率大大提高，一般过量空气系数在 1.3-1.5，并保持燃油 消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速发动机上获得广泛应用。 经综合考虑，EA888 型发动机采用优质高强度灰铸铁铸造而成的整体式气缸盖。 燃烧室形状采用深坑形燃烧室。 2.3 连杆组设计 连杆的功用是连接活塞与曲轴。连杆小头通过活塞销与活塞相连，连杆大头与曲 轴的连杆轴颈相连。并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使得活塞的往复运动转变成 曲轴的旋转运动。 连杆工作时，承受活塞顶部气体压力和惯性力的作用，而这些力的大小和方向都 是周期性变化的。因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。这就要求连杆 强度高，刚度大，重量轻。连杆一般都采用中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成，然后 经机加工和热处理，连杆分为三个部分：即连杆小头 1，连杆杆身 2 和连杆大头 3(包 括连杆盖)。 1、 连杆小头 对全浮式活塞销，由于工作时小头孔与活塞销之间有相对运动，所以常常在连杆 10 小头孔中压入减磨的青铜衬套。为了润滑活塞销与衬套，在小头和衬套上铣有油槽或 钻有油孔以收集发动机运转时飞溅上来的润滑油并用以润滑。 2、连杆杆身 连杆杆身通常做成“I“字形断面，抗弯强度好，重量轻，大圆弧过渡，且上小下 大，采用压力法润滑的连杆，杆身中部都制有连通大、小头的油道。 3、连杆大头 连杆大头除应具有足够的刚度外，还应外形尺寸小，质量轻，拆卸发动机时能从 气缸上端取出。连杆大头是剖分的，连杆盖用螺栓或螺柱紧固，为使结合面在任何转 速下都能紧密结合，连杆螺栓的拧紧力矩必须足够大。 连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，大头有整体式和分开式两种。一般都采用分开 式，分开式又分为平分和斜分两种。发动机压缩比大，受力较大，曲轴的连杆轴颈较 粗，相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径，为了使连杆大头能通过气缸，便于拆 装，此方案采用平分式。 4、连杆轴瓦 为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承， 简称连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片，目前多采用薄壁钢背轴瓦，在其内表面浇铸 有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易 磨损等特点。耐磨合金常用的有巴氏合金，铜铝合金，高锡铝合金。 5、主要结构尺寸 连杆长度 l 210mm ，小头直径 R1 22mm ，大头直径 R2 40mm 。选材 45 钢， 定位方式为止口式，连杆螺栓 2M10。 2.4 曲轴飞轮组轴承设计 曲轴是发动机中成本最高的零件，是最重要的机件之一。 曲轴的功用是把活塞、 连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他 辅助装置。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭 转交变载荷。因此，曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足够大的 承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分。 曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。 1、曲轴材料的选择 此方案选用球墨铸铁铸造曲轴。为提高曲轴强度，消除应力集中，轴颈表面应进 11 行喷丸处理，圆角要经滚压处理。为提高曲轴的耐磨性，主轴颈和曲柄销表面上需要 经高频淬火或氮化处理。 2、曲轴的支承 曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。 因 为全支承曲轴的强度和刚度都比较好，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。 所以 此方案采用全支承曲轴形式。 3、曲轴的轴向定位 为了防止曲轴的轴向窜动，保证工作正常，曲轴需设有轴向定位，本方案中采用 半圆环止推片定位，半圆环止推片为四片，上、下各两片，分别安装在机体和主轴承 盖上的浅槽中，用定位舌或定位销定位，防止其转动。 4、曲轴的密封 曲轴的后端借助甩油盘和自紧式橡胶油封来实现密封，曲轴的前端采用与后端一 样的自紧式橡胶油封来实现密封。 5、曲轴轴颈减重孔 曲轴轴颈具有适当形状和尺寸的减重孔，可减轻曲轴的重量、减小旋转质量和离 心惯性力，同时还可以改善圆角应力的分布，提高曲轴强度。此方案曲柄销加工有减 重孔，主轴颈为实心体。 6、曲轴润滑油道 轴承的工作能力在很大程度上取决于润滑条件。曲轴主轴颈和曲柄销一般采用压 力润滑。润滑油通常先进入主轴颈然后再进入连杆轴承。润滑油进入主轴承有两种方 式，此方案采用分路供油方式。从保证润滑考虑，主轴颈油孔开在最大轴颈压力作用 线方向，曲柄销油孔开在压力最小的地方。此方案采用斜油道，结构简单，油道倾斜 角为 26。 7、曲轴扭转减振器 吸收曲轴扭转振动的能量，消减扭转振动，避免发生强烈的共振及其引起的严重 恶果。在此设计中，选用的是橡胶扭转减振器。 8、曲轴端部结构 曲轴的两端分别为自由端和输出端。大多数发动机的机油泵、水泵等辅助装置的 驱动齿轮以及曲轴的扭转减振器均安装在自由端。飞轮安装在输出端。此方案也采用 这一方式，并且顶置配气凸轮轴也靠机油泵驱动齿轮通过齿形带驱动。曲轴输出端借 12 助法兰通过一个定位销和八个螺栓（M141.5-4H5H）来安装飞轮。 9、飞轮的设计 飞轮的主要功用是用来贮存作功行程的能量，用于克服进气、压缩和排气行程的 阻力和其它阻力，使曲轴能均匀地旋转。飞轮外缘压有的齿圈与起动电机的驱动齿轮 啮合，供起动发动机用。飞轮是一个很重的铸铁圆盘，用螺栓固定在曲轴后端的接盘 上，具有很大的转动惯量。飞轮轮缘上镶有齿圈，齿圈与飞轮紧配合，有一定的过盈 量。 (1)飞轮材料：飞轮一般由灰铸铁、球墨铸铁或铸钢制造。本设计选用球墨铸铁。 (2)飞轮的尺寸：根据文献3，D 的范围在 400-600 mm 之间，取飞轮外径 D=378mm；飞轮内径 D1=304mm； 飞轮厚度 b=53mm。 10、轴承的设计 连杆大头轴承和曲轴主轴承由于工作比压高、滑动速度高，是内燃机中工作最严 酷的轴承。内燃机曲轴绝大多数用滑动轴承，且都是可互换的高精度多层金属的薄壁 轴瓦。它们结构紧凑、拆转方便、工作可靠、噪声低、寿命长。 轴瓦主要尺寸有直径、宽度、厚度等。前两者主要取决于曲轴轴颈尺寸，只有轴 瓦厚度是轴瓦设计中要主要考虑的尺寸。对中小功率高速发动机轴颈直径为 20mm- 120mm 的轴瓦来说，重系列（发动机连杆轴承和所有主轴承）为 2.5mm-4mm。轴瓦 中减摩合金厚度为 0.1mm-0.4mm。 2.5 配气机构设计 包括气门组和气门传动组。配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照气缸的 工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气（汽油 机）或新鲜空气（发动机）并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证气缸 密封。进气充分、排气彻底，四行程发动机都采用气门式配气机构。 1、气门组 (1)气门布置方式：有气门顶置式配气机构和气门侧置式配气机构，此方案采用气 门顶置式配气机构。 13 (2)气门数目及气道布置：一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个 排气门的结构。为了改善换 气，在可能的条件下，应尽量加大气门的直 径，特别是 进气门的直径。 (3)气门的材料：气门必须具有足够的强度，刚度，耐热，良好的导热性和耐磨损 耐腐蚀的能力，选用 40Cr。 (4)气门的尺寸：设计中发动机采用每缸四个气门，即两个进气门和两个排气门的 结构。为了改善换气，在可能的条件下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直 径。根 据文献： 进气门直径：的范围在(0.32-0.50) D 之间，取。 i d i d46.5 i dmm 排气门直径：比小 15-20%左右，取=39mm。 e d e d i d e d 气门锥角 r：一般 r 为 450或者 300，设计取 r=450。 气门总长度：的范围在(1.1-1.3) D 之间，取。 v l v l140 v lmm 气门杆部直径：的范围在(0.2-0.25) D 之间，取。 v d v d9.5 v dmm (5)气门座：气门座与气门头部密封锥面配合密封气缸， 气门头部的热量亦经过气 门座外传。气门座可以在缸盖或缸体上直接镗出，也可以采用镶嵌式结构。 (6)气门弹簧：气门弹簧的作用在于保证气门回位。气门弹簧多为圆柱形螺旋弹 簧，它的一端支承在气缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片 固定在 气门杆的尾端。 2、气门传动组 (1)凸轮轴 凸轮轴的材料用 45 钢模锻造而成。凸轮轴各轴颈的工作表面要经过热处理后精 14 磨，以改善凸轮轴的耐磨性。 凸轮轴的尺寸：凸轮轴直径取决于轴的刚度和装拆条件。根据文献，凸轮轴直径 的范围在(0.25-0.35)D 之间，取。36 e dmm 凸轮轴布置方式：凸轮轴下置主要缺点是气门和凸轮轴相距较远，因而气门传动 零件较多，结构较复杂，发动机高度也有所增加。但凸轮轴离曲轴较近，因而凸轮轴 的驱动较简单，安装调整容易；气门与气门导管几乎不受侧压力；适宜系列化。 凸轮轴中置：凸轮轴位于气缸体的中部由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去 推杆， 这种结构称为凸轮轴中置配气机构。凸轮轴上置，凸轮轴布置在气缸盖上。 凸轮轴上置：有两种结构，一是凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，这样既无挺柱， 又无推杆，往复运动质量大大减小，此结构适于高速发动机。另一种是凸轮轴直接驱 动气门或带液力挺柱的气门，此种配气机构的往复运动质量更小，刚度最大，能量损 失最小，特别适应于高速发动机。 此方案采用凸轮轴上置式结构，凸轮轴通过吊杯型机械挺柱直接驱动气门。 凸 轮轴传动方式此方案采用齿形带式传动，齿形带传动噪声小、工作可靠、成本低。 轮轴的轴向定位：此方案利用凸轮轴承盖的两个端面和凸轮轴轴颈两侧的凸肩进 行轴向定位，间隙为 0.1-0.2mm。 (2)挺柱：此方案采用吊杯型机械挺柱。 3、配气相位 配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间。理论上讲 进气、压缩、做功、排气各占 180，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭， 但实际表明，简单配气相位对实际工作是很不适应的，为满足实际要求，常需要使进气 门早开、晚关，排气门早开、晚关。进气提前角取 12，进气滞后角取 20，排 1 2 气提前角取 22，排气滞后角取 10。 1 2 4、气门间隙 气门间隙是指气门完全关闭（凸轮的凸起部分不顶挺柱）时，气门杆尾端与摇臂 或挺柱之间的间隙。一般冷态时，排气门间隙大于进气门间隙，进气门间隙 约为 0.25-0.3mm，排气门间隙约为 0.3-0.35mm，本设计都为 0.3mm。 2.6 燃油供给与条件系统设计 发动机燃料供给系的功用是把汽油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气 15 并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。燃油供给装置有：汽油箱、输油泵、汽油滤清器、 喷油泵、喷油器等。 1、喷油器 将喷油泵供给的高压汽油，以一定的压力，呈雾状喷入燃烧室。 要求： (1)雾化均匀； (2)具有一定的喷射压力和射程，及合适的喷注锥角； (3)断油迅速、无滴漏现象。 型式：目前采用的喷油器都是闭式喷油器，有孔式喷油器和轴针式喷油器两 种。 在此方案中选用孔式喷油器，有四个小喷孔。喷射压力大，喷射的位置和燃烧室 相配合，其主要结构包括针阀，针阀体，喷油嘴，调压弹簧等部件。在喷射方向有特 定的定位，在喷射器体和针阀体间设有定位销，用来保证喷射时的准确位置。 2、喷油泵 是供给系中最重要的零件，它的性能和质量对发动机影响极大。功用：提高汽油 压力，按照发动机的工作顺序，负荷大小，定时定量地向喷油器输送高压汽油。 要 求： (1)泵油压力要保证喷射压力和雾化质量的要求。 (2)供油量应符合发动机工作所需的精确数量。 (3)保证按发动机的工作顺序，在规定的时间内准确供油。 (4)供油量和供油时间可调正，并保证各缸供油均匀。 (5)供油规律应保证汽油燃烧完全。 (6)供油开始和结束，动作敏捷，断油干脆，避免滴油。 类型：发动机的喷油泵 按其工作原理不同可分为柱塞式喷油泵、喷油泵喷油器和转子分配式喷油泵三类。 此方案采用柱塞式喷油泵。 3、油量调节机构 根据发动机负荷和转速的变化相应改变喷油泵的供油量。改变供油量的办法是转 动柱塞，通过改变供油行程来完成的。多缸机还要注意各缸供油均匀性的调整。主要 有齿杆式油量调节机构和拨叉拉杆式油量调节机构。此方案采用齿杆式油量调节机构。 4、调速器 16 是一种自动调节装置， 它根据发动机负荷的变化， 自动增减喷油泵的供油量，使发 动机能够以稳定的转速运行。按功能分有两速调速器、全速调速器、定速调速器和综 合调速器；按转速传感分有气动式调速器、机械离心式调速器和复合式调速器。 在发动机上装设调速器是由发动机的工作特性决定的。汽车发动机的负荷经常变 化，当负荷突然减小时，若不及时减少喷油泵的供油量，则发动机的转速将迅速增高， 甚至超出发动机设计所允许的最高转速，这种现象称“超速”或“飞车”。相反，当 负荷骤然增大时，若不及时增加喷油泵的供油量，则发动机的转速将急速下降直至熄 火。发动机超速或怠速不稳，往往出自于偶然的原因，驾驶员难于作出响应。这时， 惟有借助调速器，及时调节喷油泵的供油量，才能保持发动机稳定运行。因此，发动 机要满足使用要求，就必须安装调速器。本方案采用两极式调速器。 5、机油泵 机油泵可以布置在机体的端部，也可以布置在机体底面上。设计中将机油泵布置 在机体底面上。 机油泵由主动齿轮通过惰齿轮来传动设计中将机油泵布置在机体底平 面上。这种布置不需要油封结构，轴承润滑较好，可以减少磨损。机油泵安装位置底， 发动机起动后，瞬时即能吸上机油。但是维修保养不便。若将机油泵布置在机体的端 部，虽然传动结构简单，但是机油泵的转速较低，安装位置如果较高，起动后吸上机 油比较困难。 2.7 润滑系统设计 润滑系统的功用就是在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机 油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦，从而 减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久 性的目的。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。 1、储油装置 由于发动机使用条件不同，机油储存方式有干式和湿式曲轴箱之分。湿式曲轴箱 由发动机的油底壳储存全部机油， 由油泵从油底壳中抽出机油直接送到润滑系统中去。 汽车发动机选用湿式油底壳。 2、机油输送装置 设有甩油盘或油泵，将机油送至需要冷却的部位。实现压力循环润滑的机油泵， 无论是抽油泵或供油泵，大都采用外啮合式齿轮泵或内啮合式转子泵。本设计采用转 子泵作为输油泵。 17 3、机油冷却和滤清装置 (1)机油冷却方式 机油冷却方式有：空气自然冷却、空气强制冷却、水强制冷却。但是作为车用发 动机的机油冷却器，比较适用的冷却方式只有强制水冷却。本设计采用管筒式冷却器。 (2)机油滤清器 机油滤清器的功用是滤除机油中的金属磨屑、机械杂质和机油氧化物。汽油机在 运转过程中，润滑系统内的机油会不断地变脏，如果这些杂质随同机油进入润滑系统， 将加剧发动机零件的磨损，还可能堵塞油管或油道。 机油滤清器按过滤机理利用分为三类：机械分离、离心分离和磁性吸附。本设计 采用的是机械分离。机油滤清器滤芯的选择：选用复合滤芯。 4、供油方式 发动机润滑系统的供油方式一般有：飞溅润滑、掺混润滑、压力润滑、复合润滑 等四种。在本设计中，采取的是复合润滑。对高速重负荷的摩擦表面，如曲轴主轴承、 连杆大头轴承、凸轮轴轴承等，采用压力润滑；而对于压力较大，输油难以达到或承 受负荷不大的摩擦部位，如气缸壁、凸轮等则采用飞溅润滑；个别零部件，如水泵、 发电机、起动机等轴承，则定期加注黄油润滑。 2.8 冷却系统设计 冷却系的主要功用是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最 适宜的温度状态下工作。 冷却系按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷。由于水冷系冷却均匀，效果好， 而且发动机运转噪音小，此方案采用的是水冷系。 水冷却系是以水作为冷却介质，把发动机受热零件吸收的热量散发到大气中去。 目前汽车发动机上采用的水冷系大都是强制循环式水冷系，利用水泵强制水在冷却系 中进行循环流动。它由散热器、水泵、风扇、冷却水套和温度调节装置等组成。 1、水泵 水泵的功用是对冷却液加压，保证其在冷却系统中循环流动。由于离心式水泵不 受惯性水头的限制，可高速运行，同时由于发动机本身的几何高度不大，水腔流畅， 水泵的扬程勿需太高，与同尺寸的其他类型回转泵相比，它具有效率高、流量大、结构 简单、 制造方便等特点，且在发动机停止工作后，循环水即可泄尽。 18 2、节温器 节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷起动时，冷却液的温度较低， 这时节温器将冷却液流向散热器的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入机体或气 缸盖水套，以便使冷却液能够迅速升温。如果不装节温器，让温度较低的冷却液经过 散热器冷却后返回发动机，则冷却液的温度将长时间不能升高，发 动机也将长时间 在低温下运转。本设计将蜡式节温器布置在气缸盖出水管路中。这种布置方式的优点 是结构简单、容易排除冷却系统中的气泡。缺点是节温器在工作时会产生振荡现象。 3、膨胀补偿水箱 膨胀补偿水箱的作用是，当冷却液受热膨胀时，部分冷却液流入补偿水桶；而当 冷却液降温时，部分冷却液又被吸回散热器，所以冷却液不会溢失。由于冷却器布置 的比较低， 为了补偿水室高度的不足， 将补偿水箱布置在冷却器的上方，这样就可以驱 除高速发动机冷却系统冷却水中由空气和蒸汽组成的水泡。 4、冷却风扇的设计 冷却风扇置于散热器后面，采用圆弧型叶片断面风扇。 2.9 启动系统设计 使发动机从静止状态过渡到工作状态的全过程，叫发动机的起动。完成起动所需 要的装置叫起动系统。在中小功率发动机上，电起动用得比较广泛。大功率发动机用 空气起动或电起动。因此起动系为电起动系。 在发动机起动时，为了使燃料能够可靠的发火和燃烧，因此在一定条件下，保证 发动机可靠起动的最低曲轴转速称为最低起动转速。此设计为直喷式，最低起动转速 为 150200rpm。 电起动中的起动系统是由起动机、蓄电池和发电机三部分组成。起动机由直流电 动机、 传动机构和起动开关组成。 传动机构包括单向接合器和起动机齿轮等。而发电机 有直流发电机和交流发电机两种，因为交流发电机和直流发电机比较具有重量轻、体 质小、结构简单、维修方便、低速充电性能好，并使配合工作的调节器结构简化等优 点，所以起动系的发电机选用为交流发电机。 2.10 总体布置方案设计 总体布置设计上以燃烧室为核心协调处理气缸盖和配气机构布置； 以运动件为核 心协调处理曲柄连杆机构的形状和尺寸，以及机体的结构安排。从自由端看喷油泵和 进气管布置在右侧，起动电机、发电机及排气管布置在左侧，水泵和风扇布置在机体 19 前端，皮带轮靠张紧轮张紧，飞轮端带功率输出装置。凸轮轴采用上置式布置，用齿 形带传动，凸轮轴通过吊杯型机械挺柱直接驱动气门，此方式结构简单，运动件少， 往复运动质量最小，刚度最大，能量损失最小。气门采用顶置式布置。齿轮传动室包 括四个齿轮，分别是曲轴正时齿轮，机油泵齿轮和喷油泵齿轮和惰轮。前端由齿轮传 动室和油底壳上共六个螺钉与前桥托架相连。进排气管的布置有利于气缸盖进排气道 的设计，也便于拆装。飞轮壳和曲轴后油封盖布置在后端，飞轮带有功率输出装置。 机油泵布置在机体底面上，有助于吸油。 20 3 发动机主要部件详细设计 3.1 发动机机体设计 机体是发动机的重要组成部分，主要由汽缸体和汽缸盖等部分组成。机体是构成 发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所 有主要零件和附件，承受各种载荷。由于受力比较复杂并且需要实验来指导，因此 设计时应综合考虑。 3.1.1 汽缸体尺寸的确定 汽缸体位于汽油机机体内腔，尺寸大、轴承比压高、温度较高。本次设计汽油 机的机体材料选取为铝合金，密度=7.85g/cm 。 3 汽缸体的厚度，参考杨连生版内燃机设计设计， ， 取 1/ 0.25 0.3SD 。 1 0.30.3 82.525SDmm 3.1.2 气缸盖尺寸的确定 汽缸盖的结构与尺寸基本上决定了汽缸体、活塞等等，对汽缸体的强度、刚度和 承压能力有很大的影响。气缸盖的外形尺寸又决定了凸轮轴位置和曲轴箱形状，汽 缸盖的大小决定了整个汽油机的耗能，如果选用不如意会使汽缸体设计带来困难， 因此在设计汽缸盖时，应在保证强度和刚度的条件下，尺寸尽量小，重量尽量轻。 汽缸盖内径，参考杨连生版内燃机设计设计， 取 2/ 0.55 0.65SD 2 0.5949SDmm 3.2 机体强度的计算 3.2.1 汽缸体强度的计算 衬套过盈配合的预紧力及温升产生的应力 2222 11 2222 11 11 ()() - t d p SSSS ESSESS 式中汽缸盖厚度，为 49mm； 1 S 汽缸体内径，为 25mm； 2 S 21 汽缸盖材料的线膨胀系数，对于铝合金，可取=1.81/； 5 10 0 c 汽缸体材料的线膨胀系数，对于铝合金可取=1.0 10（1/）； 50 c ， 泊桑比，一般可取；0.3 E汽缸体材料的弹性模数对于铝合金，E=2.2N/mm 5 10 衬套材料的弹性模数，对于青铜，=1.15N/mm E E 5 10 计算得0.065mm。t 计算可得：MPap51.22 把汽缸体视为内压厚壁圆筒，在压力 P 的作用下外表面的切向应力为 内表面= i 22 2 11 22 11 102.5/ - Dd pN mm Dd 外表面 2 2 1 22 11 2 80.03/ a d pN mm Dd 经检验小于 2 100 150/N mm 汽缸体应力的校核 当发动机处于额定工况时，气缸体的最大拉伸作用力为： 93.5638)1 ( 2 1max mRPjN 当发动机处于起动工况时 NmRPj32.56)1 ( 2 2max 固定角 1 2 90arccos124.94 / 2 m H D mm dd r18.13 4 3122 4 21 在的截面上 0 (0.5723215.64 1 N maxj P)0008 . 0 N =2.47 M maxj P)0297. 000033 . 0 ( rmN 计算截面拉伸力引起的法向力和弯矩为： 22 NPNN j 02.2086)cos(sin5 . 0cos max mNrPrNMM j 38.45)cos(sin5 . 0)cos1 ( max 汽缸体壁厚为；mm dd h22 4 12 mmb26 1 mm FEEF EF K84. 0 由拉伸作用在外表上产生的应力为： Mpa hb KN hrh hr M aj 478.18 1 )2( 6 2 1 取点火提前角为： 15 汽缸体的合力为： NmR D ppP za 28258)2cos(cos 4 )( 2 2 max 计算截面中由压缩力引起的法向力和弯矩： N P N PN a a 73.1192)002 . 0 0005 . 0 ( 8 . 10925cos 1 sin 2 sin 1 cos 1 2 sin )cos1 ( 1 aa a P N rP M rPM =)002. 02588 . 1 0005 . 0 00013 . 0 (010625 . 0 8 . 10925mN 04.101 = hb KN hrh hr M a 1 111 1 )2( 6 2 MPa649.24 不对称循环的最大与最小应力为： max 98.51 aaj MPa min1 55.38 aa MPa 平均应力及应力幅： MPa m 9476.76 2 minmax MPa a 5636.21 2 minmax 又由 1 z a m a n 23 材料在对称循环下的拉压疲劳极限，取=200 z1 z1 MPa 应力幅； a 平均应力； m 考虑表面加工情况的工艺系数，其值在 0.40.6 之间，取 a a 4 . 0 角系数， a 1 2 a 材料在对称循环下的弯曲疲劳极限，对于铝合金， 0 0 1 )6 . 14 . 1 ( 则取 a 43. 0 算得n=2.2991.5 则汽缸体合格。 3.2.2 汽缸盖的强度计算 汽缸盖受惯性力拉伸载荷： 22 23 max (1)10218.54 j GGGG PrrN m gg 式中、分别是活塞组、连杆组往复部分、连杆旋转部分及汽缸盖下 G G 2 G 3 G 半部分的重量。 取 40 则弯曲应力为： 1 max 0.0230.4 18346.3 (1/) j l PN ZJJFF 式中计算断面的抗弯曲断面模数，取Z 39 100 . 5mZ 计算圆环的曲率半径，计算可得 1 l 1 lmm17 、汽缸盖及轴承中央截面面积，计算可得F F 2 0.00176FFm 查杨连生内燃机设计 的值在 1500020000Nm 之间，合格。 3.3 活塞的结构设计 3.3.1 活塞组工作条件和设计要求 活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触， 24 瞬间温度可达 2500K 以上。因此，受热严重，而受热条件又差，所以活塞温度都很 高，顶部高达 600700K，且温度分布不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是 做功行程最大，一般汽油机可达 35，这使得活塞产生压力，并产生侧压力的作 a MP 用；活塞在气缸内以很高的速度（812m/s）往复运动，且速度在不断变化，这就产 生了很大的惯性力，是活塞承受很大的附加载荷。如此，活塞在这样恶劣的条件按 下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化 学腐蚀作用。 承受高温高压燃气作用并通过活塞销，连杆将力传递给曲轴。销座孔内侧受力 严重。 目前承受高速增压柴油机的最高燃烧压力控制在 1213MPa，最高可达 15MPa。 高速增压柴油机最高燃气温度在 2000 摄氏度左右，循环平均有效传热温度在 800 摄氏度左右。 活塞组件在高速往复运动中与气缸壁形成密封配对副，在传递力过程中裙部承 受很大的侧压力。 综上所述，活塞是在高负荷，高温，高速，润滑不良的条件下工作的，对它的 设计要求： 要选用热强度好，耐磨，比重小，热膨胀系数小，导热性好，具有良好耐磨性、 工艺性的材料； 有合理的形状和壁厚。是散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避 免应力集中； 保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失，尽可能靠 近活塞中部，确定活塞周边温度均匀注意喉口部位设计，防止局部烧损； 保证活塞头部必须有足够的机械强度和良好的热散热，以承受高温高压燃气的 作用。 活塞裙部应有控制热膨胀措施，以确保在任何工作条件下与气缸之间有最佳配 合间隙； 活塞销座处（特别是销座孔内侧）应有避免应力集中的措施，应根据冷却条件 合理确定第一活塞环的位置及活塞环糟的设计，尽可能减少有害间隙容积。 3.3.2 活塞销工作条件和设计要求 活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷，其本身又作摆转运动，而且处于 25 润滑条件很差的情况下工作，因此，要求活塞销具有足够的强度和刚度，表面韧性 好，耐磨性好，重量轻。所以活塞销一般都做成空心圆柱体，采用低碳钢和低碳合 金钢制成，外表面经渗碳淬火处理以提高硬度，精加工后进行磨光，有较高的尺寸 精度和表面光洁度。 活塞销承受销座传来的燃气应力、活塞比较容易磨损。 活塞销的设计要点有故：组惯性力和连杆小头作用力。由于相对转动角度小。 难以实现完全液体润滑， 1）足够的强度和刚度以限制变形量； 2）内韧外硬以提高抗疲劳和耐磨性； 3）尽可能轻以减小自身往复惯性力。 3.3.3
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