开题报告4102C柴油机曲轴连杆活塞组改进设计.docVIP

河南科技大学毕业设计（论文）开题报告（学生填表）学院： 车辆与动力工程学院 2013年 4月9日课题名称4102C柴油机曲轴连杆活塞组改进设计学生姓名孟飞专业班级热发091课题类型工程设计指导教师马志豪职称教授课题来源生产1.设计（或研究）的意义柴油机技术得以全面的发展，应用领域起来越广泛。大量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域，尤其是在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力“柴油化”趋势业已形成。柴油机的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化柴油机，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型柴油机。柴油机的总体设计是在注重节约能源的同时又加强了对排放性的要求，提高了产品的适用性。对于毕业设计要求，是通过发动机曲轴连杆活塞组的改进设计来提高发动机的动力性、经济性、降低有害物排放。对于曲轴的设计要求：1）具有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。设计时应尽量减小应力集中，加强薄弱环节。2）具有足够的刚度，使曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆和曲轴的工作条件;同时应避免在工作范围内出现共振，以防产生过大的扭转、横向和轴向震动的附加应力。3）轴颈具有良好的耐磨性。选取适当的轴承材料、轴颈硬度和加工精度，以保证曲轴和轴承有足够的寿命。4）曲柄排列应合理，以保证柴油机工作均匀；曲轴平衡性良好，以减小振动和主轴承最大负荷。5）材料选择适当，以充分发挥材料强度潜力；具有良好的润滑条件。曲轴的结构形式的选择：按结构形式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。整体曲轴结构简单、质量轻、工作可靠、使用广泛，尤其在中高速机上应用更为普遍。只要设备允许，通常采用整体曲轴。组合曲轴，大型柴油机曲轴，由于受到制造设备能力的限制，多采用组合曲轴。主要尺寸确定原则：1）主轴颈和曲柄销：主轴颈：对于低中增压柴油机，d1=（0.700.80）D(D为缸径D),主轴颈长度l1=（0.350.50）D。曲柄销：对于低中增压柴油机，dp=（0.700.80）,曲柄销长度lP=（0.500.70）D。2）曲柄臂：中高速柴油机整体曲轴曲柄臂厚度h=(0.20.3)D;宽度b=(0.91.3)D。3）曲轴圆角：曲轴圆角半径r应足够大，一般r/d=0.045,圆角半径过小会使应力集中严重。4）具有良好的润滑条件，曲轴主轴颈和曲柄销一般采用压力润滑。5）平衡块：应根据转速、曲轴结构、曲柄排列、轴承负荷以及对平衡的要求等因素综合考虑是否配置平衡块。6）轴承的轴向定位。7）曲轴端部结构：应根据曲轴的其他结构如机油泵、正时齿轮合理设计自由端和输出端8）采用合理的措施，提高曲轴疲劳强度。曲轴的材料：曲轴材料一般应根据曲轴工作应力凭经验选取，若能采用曲轴疲劳试验方法选取曲轴材料最为合理。选取时还应考虑柴油机的用途、生产经验、设备情况以及资源等因素。曲轴的计算：初步确定曲轴尺寸后，需对曲轴进行以下计算，以检验所设计曲轴是否满足要求：1）轴心轨迹和轴承负荷计算，并校核轴颈表面线速度。2）曲轴疲劳强度计算。 3) 平衡计算。4）扭转振动计算。根据上述计算结果，决定是否需要修改设计。上述程序反复进行后，确定曲轴的尺寸、平衡块的大小和布置形式、润滑油道的布置，并完成曲轴的两端的设计，绘制零件图。对于连杆的设计要求1） 结构简单，尺寸紧凑、可靠耐用2） 在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能减轻重量，以降低惯性力。3） 尽量缩短长度，以降低发动机的总体尺寸和总质量。4） 大小头轴承工作可靠，耐磨性好。5） 连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠。连杆既是传力构件，又是运动件，因此，不能单靠加大连杆的尺寸来提高承载能。必须从材料、构形设计、热处理季表面强化等方面采取措施，来解决连杆尺寸、重量和强度、刚度之间的矛盾。连杆结构类型的选择单列式柴油机的连杆，根据大头的结构一般可分为平切口连杆，写斜切口连杆及整体式连杆。采用何种切口形式的连杆，要通过气缸孔的直径是否便于拆装和是否便于通过曲轴箱侧壁上的窗口拆装连杆螺栓。主要尺寸设计原则1） 连杆长度l与结构参数=R/l(R为曲柄半径)有关。连杆长度越短，即越大 则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对高速化有利，但大使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸套相碰的可能性。连杆长度l和的数值由总体设计最后确定。2） 小头主要尺寸为连杆衬套内径d和小头宽度b1（通常小头和衬套制成同样的宽度）。b1取决于活塞座间隔b和销座与连杆小头的端面间隙1，即b1=b-1。这些尺寸有活塞设计时确定。3） 杆身参数：Am/A=(0.040.06) H/D=(0.30.4) H/B=(1.41.8)式中Am为杆身平均断面，H为高度，B为宽度，D为缸径，A为活塞投影面积。4） 连杆大头尺寸主要参数取决于曲柄销直径D2、长度L2及连杆轴瓦厚度和连杆螺栓dx。D2、L2、，由曲轴和轴承设计决定，dx则根据强度要求设计；为使活塞连杆组能从气缸装拆，要求大头的最大横向尺寸小于气缸直径；连杆螺栓孔中心线应尽量靠近轴瓦，连杆螺栓孔中心距一般为l1=(1.21.3)D1。螺孔外侧边厚不小于24mm。连杆的材料连杆材料应具有较高的疲劳强度和冲击韧性。一般连杆采用中碳钢或碳合金钢，如45、40Cr、40MnB等，某些小功率柴油机连杆也有用球墨铸铁或可锻铸铁制造。连杆的计算初步确定连杆尺寸后，需对连杆进行以下计算，以检验所设计连杆是否满足要求： 1）连杆小头应力计算。2）连杆杆身应力的计算。3）连杆大头应力的计算。根据上述计算结果，决定是否需要修改设计。上述程序反复进行后，确定连杆的尺寸、连杆小头和大头结构形式的确定，绘制零件图。对于活塞的设计要求1）在保证强度和刚度、以及散热良好前提下，应尽量降低活塞高度，减轻活塞重量2）保证密封性良好，并尽量减少摩擦损失。3）减少活塞顶吸收的热量，已传给活塞的热量应迅速散掉，保证活塞温度不超过允许极限。4）保证导向部分润滑可靠同时又需润滑油上窜，尽量降低润滑油消耗量。5)耐磨性好，尤其是第一道环槽。6）活塞裙部与汽缸壁的接触面积要尽可能大，又要防止活塞拉毛和卡死7)活塞与气缸的配合间隙小，以减少对气缸的撞击和噪声，以及使比工况适应性好。活塞结构分类的选择活塞的结构形式很多，主要取决于柴油机的强化程度和使用要求。活塞分为整体 塞（铝活塞、铸铁活塞）和组合活塞（钢顶铝裙活塞、钢顶铸铁裙活塞、铸铁顶铝裙活塞等）活塞的选型一般根据1）平均有效压力；2）从控制惯性负荷考虑;3)从经济上考虑；4）使用条件对活塞结构选型也有一定影响主要尺寸设计原则1） 活塞高度：活塞高度取决于柴油机的用途、转速、燃烧室形状及尺寸、活塞裙部承压面积。2） 頂岸高度h：应根据热负荷及活塞冷却状况确定h,3） 环槽尺寸：环槽的轴向高度等于活塞环的轴向高度b, 气环槽:D=D-(2t+KD)+0.5 油环槽：D=D-(2t+KD)+1.5式中D代表缸径；t代表活塞环的颈县=向厚度；K代表系数4） 活塞顶厚度: 是根据活塞顶部应力、刚度以及散热决定的。5） 裙部长度:中速柴油机H2/D=1.01.1.6） 活塞销直径d和销座间隔B:中速机d/B=0.400.48；普通销座B/D=0.350.42活塞的冷却：1） 无油腔的自由喷射冷却；2）具有内冷油腔的强制冷却；2. 国内外同类设计（或同类研究）的概况综述国内外曲柄连杆机构三大组成部分还是没有变。现在还是应用于内燃机领域，像五大机构两大系统或者六大机构两大系统这样的差别没什么实际意义。曲柄连杆机构从数量发面发展，如双曲柄连杆机构以至于以后的多连杆机构。目前，车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。至于新的发展趋势，曲轴应该是材料方面的改进，比如碳材质的，高速、高效加工在曲轴制造业已有相当程度的应用，并成为主要发展方向，相信曲轴制造技术在将来会有更新、更快的发展。还有从数量发面发展，如果双曲柄连杆机构以至于以后的多连杆机构。而国内活塞裙部型面设计，主要是经验对比设计，然后通过装机实验来进行修正，也有的利用在活塞裙部涂复合材料层后进行额定工况的磨合试验，然后对磨合的裙部外形尺寸进行精密测量和拟合，来确定裙部型面，这种方法耗时，而且大量的实验使得成本提高。开发周期长，已不能满足用户的要求。八十年代国外有关研究有:R.MUNRO利用有限元法对柴油机活塞进行了数值分析，详细论述了有限元方法在柴油机设计中的应用，给出了温度场、热变形、机械变形以及应力场，反映了一般柴油机活塞在这方面的变化趋势。3. 课题设计（或研究）的内容1.方案选择主要参数选择，及其依据。2. 曲轴、连杆、活塞设计绘制曲轴、连杆、活塞零件图并说明其设计思想。3.主要曲轴、连杆、活塞尺寸公差分析对于曲轴、连杆、活塞零中的主要尺寸公差，对于其对发动机影响进行分析。4. 设计（或研究）方法1）、要查阅相关的书籍资料和各种期刊，以及近几年来有关4102C型直列四冲程柴油机的相关知识。2）、了解国内外该机型的一些主要设计参数以及基本要求，确定自己设计的主要结构参数。3）、在设计过程中，要与小组成员一起经过仔细讨论，要团结合作，确定主要零部件的结构方案。5. 实施计划第56周 查阅资料，