机械毕业设计（论文）-YN30型内燃凿岩机设计（缸体部件设计）.doc

车辆与动力工程学院毕业设计说明书 I YN30 型内燃凿岩机设计 缸体部件设计 摘 要 二冲程汽油机采用曲轴箱扫气 具有体积小 升功率高 价格便宜等优点而 广泛应用于小型动力机械 在欧美国家 小型二冲程汽油机作为园林机械已进入 百姓家庭 消费市场巨大 本文设计的是 YN30 型内燃凿岩机机发动机使用的倒置单缸 二冲程 强制 风冷 回流换气 无浮子式化油器 手拉启动的汽油机 首先 本文介绍了二冲程汽油机的应用及发展趋势 并在性能方面与四冲程 发动机进行了比较 另外还简单介绍了 YN30 型内燃凿岩机的工作原理与组成 其次 对该汽油机进行总体设计 在该过程中 确定了发动机的整体尺寸和 有关性能参数 主要包括行程缸径比 连杆比和活塞平均速度 另外 还介绍了 该汽油机的各个系统 然后 根据该机型的用途及工作环境 对该机型的某些零件进行设计计算 主要是气缸的散热片 进排气口设计 曲轴连杆组件的设计要求 材料与主要参 数的选择 通过设计计算 结合该机型的主要用途 对其进行一定的改进 以便 于更好的满足市场需求 最后 根据曲轴连杆的工作条件 对其刚度 强度进行了校核 通过计算 验证设计方案中所选材料与参数是否正确 关键词 内燃凿岩机 风冷 气缸 曲轴 二冲程汽油机 连杆 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 II DESIGN OF YN30 INTERNAL COMBUSTION ROCK DRILL PRAT OF CYLINDER COMPONENTS ABSTRACT Two stroke gasoline engine with crankcase scavenging small size high power low cost advantages are widely used in small scale machinery In the United States and Europe small two stroke gasoline engine has entered the common people as the family garden machinery so it has a huge consumer market This design is a gasoline engine with inverted single cylinder two stroke forced air cooled back ventilation no float carburetor started by the hand for YN30 type internal combustion rock drill machine First the article describes the two stroke gasoline engine application and development trends and compares with four stroke engines in terms of performance Also it briefly introduces the composition and the working principle of YN30 internal combustion rock drill Second the gasoline engine is designed in general In the process set the overall size and engine performance parameters mainly includes stroke bore ratio rod ratio and piston average velocity In addition the gasoline engine also introduced various systems Then according to the type of use and working environment the certain parts are designed and calculated mainly includes the cylinder of the heat sink intake and exhaust port design and the design requirements the choice of materials and the main parameters for the crankshaft connecting rod Through the design and calculations combined with the main purpose of the engine it is certain improved in order to better meet market demand Finally according to the working conditions of the crankshaft connecting rod its 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 III stiffness and strength was checked Through calculating to verify design parameters of the selected materials is correct or not KEY WORDS internal combustion rock drill air cooled cylinder crankshaft two stroke gasoline engine connecting rod 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 IV 目 录 第一章 前 言 1 1 1 1 二冲程汽油机的应用及发展方向 1 1 2 内燃凿岩机的工作原理 2 第二章 总体设计 7 7 2 1 主要尺寸确定 8 2 2 主要零部件设计 11 第三章 零部件设计 1414 3 1 气缸的设计要点 14 3 1 1 气缸的工况及设计要求 14 3 1 2 散热片的设计 15 3 1 3 进排气口的设计 16 3 2 曲轴连杆组的设计 17 3 2 1 曲轴 18 3 2 2 曲柄销 20 3 2 3 连杆 21 第四章 曲轴连杆强度校核 2424 4 1 曲轴疲劳强度计算 24 4 2 连杆的校核 29 4 2 1 连杆小头的校核 29 4 2 2 连杆大头 32 4 2 3 连杆杆身 32 第五章 结论 3434 参考文献 3535 致 谢 3636 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 1 第一章 前 言 汽油机在现代社会中起着很重要的作用 凭借着小的比重量 燃料易获取 拆装方便等优点 广泛应用于交通 军事 农林特别是轻型动力领域 二冲程汽油机采用曲轴箱扫气 具有体积小 升功率高 价格便宜等优点而 广泛应用于小型动力机械 在欧美国家 小型二冲程汽油机作为园林机械已进入 百姓家庭 消费市场巨大 我国生产的小型二冲程汽油机较国外价格低廉而畅销 海外 仪 2005 年出口量就占总产量的 71 其中欧美市场又占很大出口份额 本设计研究的是用于 YN30 型内燃凿岩机中的单缸 风冷二冲程汽油机 通 过本课题的研究来对该机型的某些方面进行计算研究 结合上述的市场要求 找 出该种机型的不足之处 并对该机型进行适当的改进 以便能够更加适应市场的 需要 下面将在二冲程汽油机方面及内燃凿岩机方面进行有关的设计和计算 1 1 二冲程汽油机的应用及发展方向 在排量 转速和压缩比相同时 理论上二冲程比四冲程的功率大一倍 实际 上仅大 50 80 二冲程机运转较平稳 结构紧凑 轻巧 因此二冲程发动机 具有升功率大 结构简单 制造成本低以及便于维修的特点 所以在中小功率的 摩托车和植保机械等领域得到广泛应用 相对于四冲程发动机而言 二冲程发动机的发展一直很慢 这主要是因为二 冲程汽油机长期以来采用混合气扫气造成的燃油短路损失使二冲程发动机未燃 HC 排放超标 燃油消耗率过高 为满足日益严格的环保要求 国外一些公司正在努力对二冲程发动机进行技 术变革 主要措施有 安装催化转化器 采用电控喷油技术 以水冷发动机为主 流 为进一步改善排放性能 要求使用磷含量和硫酸盐灰分低的二冲程汽油机油 尽量采用可生物降解的油品 近年来二冲程发动机技术兴起 一方面是随着科学 技术的迅速发展 人们的环保意识在不断加强 各国政府对二冲程发动机的排放 都做出了严格的规定 另一方面是人们对车用二冲程发动机的研究越来越重视 在现有的技术水平下 四冲程发动机的研究已达到相当高的程度 再想大幅度提 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 2 高其性能将有一定困难 而二冲程发动机在采用电子控制技术后 怠速稳定性得 到了改善 功率范围将更广 燃油消耗率可能比四冲程化油器式发动机还低 尾 气排放也可达到法规要求 化油器式二冲程汽油机若采用电控燃油喷射 数字式 点火控制 发动机的排放性能 动力性 经济性都得到了改善 当同时采用这两 项技术时 二冲程汽油机的性能将将得到进一步的改善 1 2 内燃凿岩机的工作原理 内燃凿岩机是一种以单缸 风冷 二冲程汽油机为动力 汽油机 压气机 凿岩机三位一体的手持式凿岩工具 工作时 由冲击活塞冲击钎尾作功 破碎岩 石 并通过回转机构带动钎杆旋转 从而在岩石上凿出圆形炮孔 一 发动机的运转和冲击活塞的冲击 柄体上气道 喉口 油针阀 节流阀 止回阀等组成汽化器 曲轴箱 气缸 与发动机活塞组成空间 由柄体上止回阀 1 进气 发动机活塞与冲击活塞同裝于气缸 58D 孔中 组成空间 气缸上有进 气道 2 扫气口 3 排气口 4 斜气口 5 斜气道 10 冲击活塞 90 外圆在气缸与活塞导承之间组成上下二环行空间 上气室 和下气室 在上气室 处有进风阀 6 吹风阀 7 在下气 室 处有进气阀 8 排气阀 9 启动和工作过程 1 混合油气的雾化和吸气 机器发动时 拉启动绳使曲轴转动 发动机活塞移动 当活塞向下移动时 曲轴箱空间 容积增大 压力降低 从柄体上止回阀 1 吸入经汽化器雾 化了的混合气 混合气雾化和吸气过程 空气从柄体上风门孔进 经过空气滤清器 通过第一 道止回阀开启通道 进入柄体通道 在此气道上有一最窄处即为喉口 油针阀混 合油喷口即在此处 在气道上喉口截面积最小 气体流速快 压力低 油箱内的 混合油经汽油滤清器 油管 油门阀座小孔及针阀调节油量 从喷孔喷出 与空 气混合成雾状 在经节流阀 止回阀流速变化 进一步雾化后从止回阀 1 吸 入曲轴箱空间 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 3 图 1 1 内燃凿岩机工作原理图 2 气缸燃烧室进气 曲轴继续旋转 活塞反向向上移动 已吸入混合气体的曲轴箱空间 容 积缩小 可燃气体受到压缩 压力升高 这时止回阀 1 关闭 气缸空间 容积增大 压力降低 当活塞向上移动打开扫气口 3 空间 中受 压的混合气经进气道 2 扫气口 3 迅速进入低压的气缸燃烧室空间 3 压缩点火爆炸和冲击活塞冲击 活塞经过上止点 又往下移动 关闭扫气口 3 排气口 4 气缸燃烧室 中可燃气体受到压缩 同时部分混合气从斜气口 5 经斜气道 进气阀 8 进入气缸冲击活塞下气室 冲击活塞处于上部位置并保持相对平衡 状态 活塞继续往下运动 关闭斜气口 5 燃烧室 中可燃气体在两活塞之 间继续压缩 压力升高 这时冲击活塞也往下移动一距离 当发动机活塞运到离 下止点 18 1 毫米距气缸端面 141 1 毫米 相当于点火提前角 54 左右时磁电 机发电 火花塞跳火 使受压的可燃气体迅速燃烧爆发 而发动机活塞靠曲轴和 飞轮的动能继续运动到下止点 使这过程中燃烧压力迅速升高 产生的高压作用 冲击活塞 克服环形空间 中气体阻力 高速向下运动 冲击做功 同时曲 轴箱空间 又在进行下循环的吸气 4 回程和冲击活塞复位 发动机活塞借曲轴及飞轮的动力 超过下止点返回向上运动 在燃烧后的残 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 4 余气体压力帮助下回程 这时气缸燃烧室空间 容积逐渐增大 压力逐渐降 低 当打开斜气口 5 时 还具有一定压力的废气 从斜气口 5 经斜气道 进气阀 8 进入活塞下气室 在钎杆的反弹 气垫反弹和这股补充气垫 的共同作用下冲击活塞迅速向上运动 恢复到最上位置 也可能有不大于 5 毫米 的气垫 相对的平衡 停留一段时间 这时燃烧室 容积增大 压力逐渐 下降 而曲轴箱空间 中混合气体又受到压缩 5 回流换气 发动机活塞向上移动 打开排气口 4 废气从排气口经排气管排向大气 而后逐渐打开扫气口 3 曲轴箱空间 中受压的混合气体经进气道 2 扫气口 3 成梯队形有秩序的将大部分废气从排气口排出 燃烧室空间 又被可燃混合气填充 发动机启动之后 曲轴每旋转一周 都按 回流换气 压缩 点火爆炸冲击 活塞冲击做功吸气 回程冲击活塞复位 进行一次循环 发动机连续运转时 新的循环周而复始的重复着 曲轴转一次 火花塞点活一次 发动机活塞移动两 个行程 完成一个循环 冲击活塞作往复冲击一次 二 点火 气缸中被压缩的可燃气体燃烧爆炸是靠飞轮磁电机发出的高压电在火花塞电 极间产生火花点燃的 飞轮上相对的装着二块永久磁钢和大小极掌组成两个磁场回路 磁电机底盘上装有感应器 点火线圈 电容器和断电器 感应器上有低压 连接线 电容器连接线并联在断电器固定触点螺钉上 电容器壳 断电器摇臂 活动触点 接地 高压线介于感应器的高压接线环上 另端与装在气缸上的火 花塞连接 断电器摇臂上的胶木块靠弹簧力 在飞轮衬芯上的偏心凸轮高处时 调整白金间隙为 0 4 0 5 毫米 飞轮旋转 磁场绕线圈转动 当线圈两端的左 右极快与大小极掌的 S N 极接触 磁场中的磁力线通过线圈铁芯 且磁通量在变化 在此一定相位角时 摇臂胶木靠近偏心 两白金相接触 初级线圈与白金形成一闭合回路 由于通过 线圈铁芯的磁通量变化 使初级线组回路中产生感应电流 当感应电流到最大值 时 飞轮上的凸轮与白金断开 初级线圈电流突然消失 由感应电流在初级线圈 周围形成的磁场也突然消失 由于互感作用 使在初级线圈外的次级线圈感应出 二万伏的高压电势 通过高压线 在火花塞电极之间发出强烈的带蓝色有声响的 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 5 火花进行点火 电容器在初级回路中与初级线圈和断电器并联 当白金断开时 电容器吸收 在磁场另一位置产生的反向感应电流 避免白金之间点火 当白金接触时电容器 将储存的电放出 加强初级线圈的感应电流 加强高压放电 三 转钎 YN30A 型内燃凿岩机的钎杆旋转运动是通过冲击活塞 活塞导承 上棘轮 滚针 隔离片 导承盖 转动套筒 机头等部件组合成转钎机构产生的 冲击活塞有三条左旋斜槽与上棘轮配合 有三条直槽与转动套筒配合 上棘 轮外有六条偏心圆弧槽 偏心槽与活塞导承之间装有六只滚针和六只隔离片 活 塞导承是固定的 上棘轮在活塞导承孔内在滚针与偏心圆弧面斜楔作用下 只能 单向旋转 自上往下看只能逆时针旋转 当冲击活塞受爆炸燃烧力向下运动时 冲击活塞与上棘轮由于螺旋槽配合应 作相对旋转 但上棘轮因滚针与偏心圆弧斜楔卡住 不能顺时旋转 只有迫使冲 击活塞反时针转动一个角度 通过三条直槽带动转动套筒和钎杆转动 发动机每 分钟 2700 3000 转 使钎杆每分钟 150 240 转的速度转动 冲击活塞回程时 因上棘轮斜楔松开 转动无阻 由冲击活塞螺旋槽带动反 时针转动一个角度 四 吹粉 YN30A 型内燃凿岩机的吹粉是利用冲击活塞回程时压缩气室 中空气进 行的 在冲击活塞与气缸形成的环形空间 外装有两个单向阀 一个是只能 进不能出的进风阀 8 一个是只能出不能进的吹风阀 9 上下有活塞环密封 当冲击活塞向下做冲击运动时 空间 容积增大 压力降低 此时吹风 阀 9 关闭 经过空气滤清器的空气经曲轴箱钢管 吸风管 10 和进风阀 8 进入上气室 冲击活塞冲击运动结束后 由于反弹 气垫膨胀和斜气道补气 使冲击活塞 迅速作回程运动 此时进风阀 8 关闭 上气室 容积变小 最后趋于 0 可能有 3 5 毫米气垫 空气受到压缩 从吹风阀 9 排出 经吹风管 机头 转动套筒孔道 钎杆中心孔 钎头斜孔 吹出炮孔中的岩粉 保持转钎工作正常 吹粉压力 1 2kg cm 吹粉空气流量约为 0 1m min 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 6 第二章 总体设计 YN30 型手持式内燃凿岩机 是一种小型的采掘机械化作业工具 在开山凿 岩方面实现机械化以减轻劳动强度和提高工效 降低成本尤为适用 YN30 型内燃凿岩机的结构 按其在机器中的作用可分为发动机 压气机 凿岩机三大部分 发动机发出动力 使机器连续运转 压气机产生一定压力的空 气 吹洗炮孔中的岩粉 凿岩机冲击并转钎 完成凿岩动作 本次设计只进行发动机部分 YN30 内燃式凿岩机特点 YN30 型手持式内燃凿岩机是一种由小型汽油发动机 压气机 凿岩机三位一 体组合而成的手持式凿岩工具 YN30 内燃凿岩机作业时 由本身产生的压缩空气吹洗炮眼里的岩粉 YN30 内燃凿岩机主机重量仅 30KG 携带方便 适合于高山 无电源 无风 压设备的地区 流动性较大的临时性工程尤为适合 YN30 内燃凿岩机在岩石上凿孔 可垂直向下 水平 向上小于 45 垂直向 下最深凿孔深度达 6m YN30 凿岩机采用出口包装 各项指标均达到出口标准 用 途 YN30 内燃凿岩机适用于岩石凿孔 若更换少许零件可改成一具破碎机和夯实 机 用以进行各种破碎 铲凿 挖掘 劈裂 捣实等工作 YN30 内燃凿岩机无论在高山 平地 无论在 40 的酷热或 40 的严寒地 区 均可进行工作 YN30 凿岩机具有广泛的适应性 技术规范 轮廓尺寸 长 x 宽 x 高 760 x335x235 发动机型式 单缸风冷二冲程汽油机 化油器型式 无浮子式 点火方式 白金触电式 火花塞型号 4114 发动机缸径 58mm 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 7 发动机活塞行程 70mm 发动机排量 185 cm3 发动机负荷转速 在凿五孔时测定 2700 3000 r min 发动机怠速 2200 r min 钎杆空转转速 180 r min 钎柄尺寸钎杆尾部 六角 22x108 mm 冲击能 20J 凿孔速度 五孔平均值 200 mm min 最大凿孔仰角 45 最深凿孔深度 6 m 油箱容积 1 65 L 燃油消耗量 在凿五孔时测定 0 13 L m 汽油与润滑油混合比例 按容积 12 1 断电器白金间隙 0 4 0 5mm 火花塞间隙 0 5 0 6mm 进气阀钢珠跳动量 0 4 0 7mm 排气阀组件打开压力 0 6 0 7MPa 2 1 主要尺寸确定 一般发动机设计的主要参数有 行程缸径比 连杆比 缸心距 DS lR 缸径比 气缸数 平均有效压力 活塞平均速度和气缸夹角等 结合本DL 0 i 次 YN30 型内燃凿岩机的技术规范中 发动机部分为单缸风冷二冲程汽油机 不 需要考虑缸数 缸心距和气缸夹角 1 的分析与选取 m C 1 对性能的影响 当其他参数不变化时 与内燃机功率成正比 但 m C m C e P 是当内燃机结构不变时 进排气阻力与的平方成正比 在内燃机摩擦磨损中占 m C 最大份额的活塞组的磨擦损失平均压力与成正比 因此 的提高导致 mm p m C m C 的下降 me p 2 对热负荷的影响 内燃机汽缸内单位时间所发出的热量与功率成正 m C e P 比 因而与成正比 所以汽缸的热负荷与成正比 m CD 2 m C 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 8 3 对磨损和寿命的影响 内燃机汽缸活塞组的由气压引起的磨损速率可 m C 认为与摩擦功率成正比 也就是说 随着的提高 内燃机的寿命可能急速下降 m C 因此必须合理的选择活塞速度 m C 虽然过高会带来一些缺点 但是选取的过低也是不恰当的 首先是对 m C m C 于给定工作容积的内燃机来说 所发出的功率将过小 即每升工作容积所发出的 功率将过低 这是不利的 其次 过低对于像活塞环和汽缸壁的摩擦副 由于 m C 在表面间不能建立起有效的润滑油膜而使摩擦加剧 目前各种发动机的 Cm 取值 范围如表 1 1 所示 表 2 1 目前各种发动机的 Cm m s 的取值范围 车用柴油机 8 5 12 5 增压柴油机 8 11 农用柴油机 6 10 车用汽油机 10 15 二冲程风冷汽油机 6 10 摩托车汽油机 13 17 经过分析方案 由小型汽油机的范围和式知 m C 30 S n Cm A 66 7 100mmS 而本设计中取 S 70mm 满足要求 2 的分析确定DS 行程缸径比 S D 是对发动机结构和性能有更大影响的参数 在气缸直径和活 塞平均速度确定之后 就可合理地选择 S D 并应考虑以下因素 对内燃机的影响是多方面的 S D 1 对升功率的影响 当不变时 减小就意味着转速上升 DS m CDS 因而与转速成正比的升功率跟着增大使内燃机更加紧凑轻巧 2 对燃烧室形状的影响 较小的短行程内燃机气缸余隙比较扁DS DS 平 对压缩比高的发动机而言 使燃烧室有效容积比减小 燃烧过程较难组织 3 对散热的影响 在其它相同的条件下 下降使增大 使得DS DS D 传到气缸冷却水套的热量减少 活塞组零件的温度上升 在具体选择值时 应注意三个问题 尽量使汽缸的散热面积与汽缸的容DS 积之比为最小 便利燃烧室的设计以及使整台内燃机的尺寸最为紧凑 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 9 当每一气缸工作容积一定时 应采用较小的值 因为采用较小的DS 值具有很多优点 可相应地提高内燃机曲轴转速而不至于使活塞平均速度超DS 过许可值 因而可以提高升功率 可降低直列式内燃机的高度 因而可以减小外 形尺寸并相应地减轻重量 由于内燃机曲柄半径减小 曲轴主轴颈和曲柄销轴颈 的重叠度则增大 因而刚度增加 应力状态改善 同时 连杆也可以短一些 这 对其强度和刚度都有利 由于内燃机的气缸直径的增大 气缸盖上的气道和配气 机构的安排较容易 这样 提高转速不仅不妨碍进气 而且由于气门通道的加大 还有可能改善进气条件 然而 当采用较小的值时 由于气缸直径的增大 热负荷 机械负荷和DS 噪声都加大 同时 由于单列式内燃机的长度主要决定于气缸直径 所以对于一 般直列式来说长度将增大 此外 较小的值对燃烧室设计不利 而且对直流DS 式换气的换气品质将变坏 因此 在选定值时必须适当 目前各种发动机的DS S D的取值范围如表 2 2 所示 表 2 2 目前各种发动机的 S D 的取值范围 车用柴油机 0 75 1 2 增压柴油机 0 9 1 3 农用柴油机 0 91 1 26 车用汽油机 0 7 1 2 二冲程风冷汽油机 0 7 1 2 摩托车汽油机 0 7 1 2 根据设计方案 已知缸径 D 58mm 由二冲程风冷汽油机 S D 的范围 0 7 1 2 当 S 70mm 时 满足要求 在具体选择时 还应该注意三个问题 尽量使气缸的散热面积与气缸容DS 积之比为最小 便于燃烧室的设计以及使整台内燃机的尺寸最为紧凑 3 的分析确定lR 连杆长度 大小头孔中心距 是设计时应该慎重考虑的一个结构参数 通L 常用连杆比来表示 值越小 连杆越长 连杆质量对惯性力的影响可lR 能更大 因此在现代高速内燃机的设计实践中 一般都是尽量缩短连杆长度 L 采用大的值 设计过程中应该满足 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 10 1 值越大 连杆缩短会引起活塞侧压力加大 可能增加活塞与汽缸的 n p 磨擦与磨损 2 值越大 连杆越短 则发动机总高度或总长度越小 所以使发动机结 构紧凑 而且 发动机总高度减小 总重量减小 且连杆越短 重量越轻 往复 直线运动部分的质量和不平衡回转部分的质量件减小 其运动时产生的惯性力也 减小 可以减少发动机的振动 本次设计的单缸风冷二冲程汽油机的转速较高 初次取 1 3 1 5 已知 由公式 得 实际本35mmR lR 35 1 3 1 5 105 175mmlR 设计中所取 0 304 合适 115mml 2 2 主要零部件设计 本次设计的发动机是一单缸 二冲程 强制风冷 无浮子式汽化器 飞轮磁 电机点火 油雾润滑 手拉绳弹簧自动回绕启动的小型汽油机 它包括机体 曲 柄连杆 空气滤清器 汽化器 供油系 点火系 冷却系 润滑系和启动器 1 机体件 本次设计的机体件包括曲轴箱 气缸 曲轴箱盖等 为容纳安装其它零件的 基本件 曲轴箱与缸体采用分开式的 曲轴箱用轻合金铸造加工而成 因而其具 有良好的散热性能 气缸材料用 HT30 因其具有良好的铸造性能和切削性能 对 应力集中不太敏感 弹性系数高 有较高的刚度和疲劳强度等优点 2 曲轴连杆机构 曲轴连杆机构是发动机的主要运动机构 它包括曲轴连杆组件 由右曲轴体 左曲轴体 曲柄销 连杆 滚针五种零件压装而成 连杆铜套 活塞销 活塞 上环 活塞下环 活塞环防转销 发动机活塞和弹簧挡环 活塞材料为 ZL108 活塞顶部为球状 活塞身上有三道活塞环槽 活塞群部 与气缸必须有合理的配合间隙 0 08 0 12mm 活塞环用合金铸铁制成 具有较大的自由开口和适当的弹性 连杆铜套用锡青铜 QSn7 0 2 或 QSn6 6 3 加工制成 3 汽化器 YN30 型内燃凿岩机的汽化器是由分散装在柄体上的空气滤清器盖 阻风门 第一道止回阀 柄体空气通道 油针阀 节流阀 柄体混合气通道 第二道止回 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 11 阀 进风门 所组成 根据发动机的需要 调整阻风门 油针阀 节流阀 使燃 油与空气按一定比例混合并雾化成可燃混合气 以一定量进入曲轴箱中 由上可知汽化器上有两道止回阀 第一道在阻风门之后油针阀之前 其作用 是保持喉口真空度 增加对燃油的吸力协调进气波 稳定转速 第二道止回阀在 油针阀和节流阀之后 为进气口 经过汽化器雾化后的混合气即从此阀进入曲轴 箱中 止回阀片弯曲高度和密封性 影响混合气的雾化 影响曲轴箱内的充气量 从而影响发动机的转速和功率 一般弯曲高度为 5 6mm 止回挡阀板弯曲高度控 制进气速度和进气量 控制转速 一般为 2 5 3 毫米 4 供油系 根据汽油机的工作原理 对燃油供给系统最基本的要求是将汽油与空气按所 要求的空燃比在气缸外或气缸内形成所需量的混合气 YN30 型内燃凿岩机的供油系由油箱 油箱盖 汽油滤清器 油管 输油孔 橡皮圈 油针阀组成 机器工作时要保持油路通畅及连接处的密封 5 点火系 YN30 型内燃凿岩机的点火系统为飞轮有触点磁电机 飞轮磁场 磁钢和大 小极快 左右极快 感应器 点火线圈 断电器 高压线 半圆头木螺钉 火 花塞卡子 火花塞组成 YN30 型内燃凿岩机的点火提前角为 54 它比一般小型汽油机 20 30 要大 机器力量大 但跳动大 温度高 会出现转速下降 如点 火提前角大于 57 则飞轮与曲轴的转动惯量不能克服燃烧室爆发压力对活塞阻 力到达下止点 而发生倒车和起动打手现象 如果点火提前角太小 则由于发动 机活塞下移 燃烧室混合气压力增大 迫使冲击活塞往下移动距离较大 燃烧爆 炸时 冲击活塞行程减短 减小了冲击能量 但发动机比较平稳 6 冷却系 YN30 型内燃凿岩机的冷却为飞轮鼓风强制风冷 由飞轮叶片 曲轴箱蜗壳 护罩导风道 气缸叶片 护罩出风口组成 曲轴带动飞轮转动 飞轮叶片在曲轴 箱蜗壳和曲轴箱盖之间鼓风 打在护罩蜗壳上后再向两边导向道分 经护罩壁与 气缸叶片间 从出风口排出 带走气缸散发出来的热量 7 润滑系 YN30 型内燃凿岩机是油雾润滑 将 15 汽油机油润滑 15 车用机油 按 1 12 混合在汽油中 通过汽化器 将混合油雾化 进入曲轴箱 在工作过程中 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 12 油雾被压至各运动表面进行润滑 油雾和废弃中没有燃烧完的机油 从斜气道进 入冲击活塞下腔 经活塞导程进入扭转机构 机头各处进行润滑 8 空气滤清器 YN30 型内燃凿岩机的空气滤清器是镀锌细铁丝缠绕式滤芯的滤清器 它由滤 清器壳 过滤芯罩板 滤清器盖 橡皮圈组成 装在第一道止回阀之前 空气从 柄体风门进入曲轴箱空腔内 经滤清器壳底部孔 过滤芯过滤 把空气中的岩粉 和尘土滤去 使较清洁的空气滤清器盖的径向通道孔流入柄体汽化器部分和燃油 混合雾化 9 起动器 YN30 型内燃凿岩机是手拉绳弹簧自动回绕的起动器 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 13 第三章 零部件设计 本次设计中 我主要进行了气缸 曲轴连杆组的设计 3 1 气缸的设计要点 气缸是发动机活塞和冲击活塞往复运动的轨道 也是燃烧室所在混合气燃烧 爆炸产生动力的地方和压缩空气产生的地方 它是用耐磨合金铸铁制成 外部铸 有散热片 为机器冷却散热用 内部有 58D 和 90D 两部分 缸径 58D 处 由対置的发动机活塞和冲击活塞形成燃烧室 气缸上开有进气道 扫气口 排气 口 斜气道口和火花塞孔 进气道和扫气口与曲轴箱相通 为进扫气通道 排气 口外接排气管通大气 斜气道与 90D 下腔相通 为冲击活塞复位补气通道 进 排气口 斜气口的开闭都由发动机活塞控制 缸径 90D 处是压气机室 其下气 室外装有进气阀 为一单向球阀 控制下气室的补气 迫使冲击活塞返程 下气 室外装的排气阀也是弹簧控制的单向球阀 控制下气室压力 压气机上气室外装 有两个片状单向阀 进风阀和吹风阀 为压气装置的进风和吹风活门 火花塞 紧装在气缸的中部燃烧室处 气缸结构如图 3 1 所示 图 3 1 气缸结构示意图 3 1 1 气缸的工况及设计要求 本次设计的气缸体 为单体式 刚度较差 当用贯穿缸体螺栓固紧时 承受 较大的预紧压力 因此 在安装和工作时容易变形 所以 在设计气缸体时 应 保证它有足够的刚度 尤其在气缸盖接合面附近和曲轴箱按合面附近 更应在结 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 14 构上保证它在工作时和安装时变形最小 而且应有足够的强度 气缸受力复杂 活塞在气缸内运动 使气缸内壁受到强烈的摩擦 在润滑不 良 油 气中有杂质 冷车起动以及不正常燃烧都会导致气缸内壁磨损严重 气 缸内壁是内燃机中磨损最为严重的表面之一 也是决定内燃机大修期的最重要的 表面之一 在燃烧过程中燃气的最高温度可达 2000 2500 最高应力可达 5 15MPa 气缸内外气压力大 导致热应力和机械应力大 因此气缸体的材料应具有较高的 耐磨性 良好的导热性和铸造工艺性 在该发动机中气缸材料采用具有足够强度 刚度 耐磨性及抗震性好的 HT30 铸件表面进行应力处理 毛坯表面不能有缺陷 毛坯硬度 HB197 245 3 1 2 散热片的设计 风冷内燃机的气缸与水冷的共同点是形成气体压缩 燃烧和膨胀的空间 并 对活塞起导向作用 特点是直接用空气作冷却介质 带走散出热量 为了增加散 热面积 在气缸外表面布置了足够的散热片 从散热效率考虑 最理想的散热片 断而形状是抛物线型 它沿纵向方向的温度梯度一定 在同样材料的前提下 散 热效率高 风道阻力小 材料能得到最有效的利用 但因制造困难 且散热片剖 面形状对散热效率影响不大 一般不超过 8 实际上并不采用 通常采用梯形或 矩形散热片 且用梯形较多 为了铸造方便 散热片断面常呈阖头梯形或两端为 1 4 圆弧的矩形 散热片在气缸上的布置主要根据经验确定 一般是根据铸造的可能性确定散 热片的节距和厚度 然后参考现有成功结构 大致确定散热片的高度 最后通过 试验修改定型 如果发现散热片的总散热面积不够 而铸造工艺又不可能铸出更 密更薄的散热片时 就要采用机械 加工的散热片 但当散热片布置很密时 更须提高散热片的表面光洁度 保证散 热片的空气流边界层 冷却风愈大 散热片表面愈光 边界层愈薄 彼此不会干扰 否则气流通过阻力急剧增加 散热系数大大降低 严重时 散热片间会形成空气 死区 使散热恶化 为此 一般散热片最小节距在 3 5 毫米以上 散热片之间的槽宽也是不一样的 上部散热片槽宽比下部大 这样可减小上 部冷却空气的流通阻力 增大风垦 提高冷却效率 减小气缸休上 下部的温度 差 气缸体散热片为长方形 在尖端制有 R 1 毫米的圆角 在根部制有半径为 5 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 15 毫米的圆角 这样不但可以改善散热片的传热性能 也提高了散热片的强度 制 造也较简单 图 3 2 散热片结构 在本设计中 气缸体的散热片采用的就是梯形散热片 如图 3 2 所示 据参 考文献 根据经验数据确定 该气缸体上散热片的尺寸及布置形式 上部散热 1 片的节距取 11mm 根部厚度 4 75mm 尖端厚度 2mm 下部散热片的节距取 13 5mm 根部厚度 4 75mm 尖端厚度 1 5mm 倾斜角度与水平面成 60 3 1 3 进排气口的设计 气缸的上的进气口与排气口是发动机的回流扫气的进出口 进气口与排气口 的高低差 相位差 两边进气口的对称性 影响着废气能否扫干净 可燃气体 尽可能少的被排出 影响着发动机的转速 功率和机器温度 影响机器工作的稳 定性 相位差大 排气时间长 残余压力低 进气时间短 扫气速度快 混合气 逸出相对少 发动机转速偏高 相位差小 进 排气重叠时间多 开始扫气阻力 大 逸出混合气相对的多 发动机转速偏低 两进气口对称 扫气有规律 废气 被赶出的多 可燃混合气跑出去少 发动机就正常有力 如两进气口有高低不对 称 且相差较大 则两边扫气有先后 易将残余废气打乱 废气残留多 可燃混 合气带出去多 则发动机力量小 机温高 转速低且不稳定 还会出现转速下降 及自动熄火现象 进气口倾斜 使进气口打开是由小渐大逐步的扫气成梯队行 有利于扫净废气 该汽油机采用曲轴箱三孔式扫气方案 从扫气形式上说 它既是回流扫气也 是横流扫气 该换气方案不需要附加的扫气泵 结构简单 1 进排气口的位置 在二冲程汽油机的气缸上开有三个口 分别是排气口 进气口和扫气口 其 中排气口位于作功时活塞全行程的三分之二处 它稍高于扫气口 进气口在气缸 的下部 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 16 根据该凿岩机的整体尺寸以及除气缸外的其余尺寸 取气缸高度为 264mm 考虑冲击活塞部位的影响 那么排气口下沿与气缸端面之间的距离取为 183mm 在该气缸上采用进气口与扫气口基本对称的布置形式 两扫气口下沿与排气口相 位差为 3 5mm 距气缸端面 186 5mm 并且两扫气口的高低偏差不大于 0 5mm 还有 20 的斜面光滑 2 进排气口的大小 为了实现更好的进气与排气 减少新鲜充量的流失 并确保发动机能够正常 有力的工作 进排气口的尺寸尤为重要 参考其它二冲程汽油机进排气的经验尺 寸确定 排气口的长 x 宽为mm 扫气口的长 x 宽为mm 进排气18 10 5 18 15 口结构如图 3 3 所示 图 3 3 进排气口结构图 3 2 曲轴连杆组的设计 曲轴连杆组件按其各部分的作用可看作由左右主轴颈 连杆轴颈 曲柄销 曲轴臂 平衡铁 飞轮连接轴 离合器连接螺纹 连杆大头 连杆杆身和连杆小 头组成 曲轴主要用以接受发动机活塞通过连杆传来的力将直线运动变为旋转运 动 并把能量与飞轮共同存储起来或释放出去 连杆用以连装活塞与曲轴 是机 器运动的转换及传力零件 该机型的曲柄连杆组件结构如图 3 4 所示 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 17 图 3 4 曲柄连杆组件 3 2 1 曲轴 1 工作条件和设计要求 曲轴是发动机最重要的机件之一 它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发 动机的整体尺寸 而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性和寿命 曲轴是在不断周期变化的气体压力 往复和旋转运动质量的惯性力以及它们 的力矩 转矩和弯矩 共同作用下工作的 使曲轴既弯曲又扭转 产生疲劳应力 状态 因此在设计时必须使曲轴具有足够的抗弯强度 曲轴是通过主轴颈和主轴 承支承在机体上的 曲轴的抗弯曲强度不足 弯曲变形过大 不但会使轴颈和轴 承之间出现不利情况 同时对机体的受力情况也有不利影响 曲轴设计的主要问 题之一是尽量提高曲轴的疲劳强度 设计曲轴时必须解决的另一个问题是保证轴 颈和轴承工作可靠并且耐用 2 曲轴的结构形式 曲轴的结构与其制造方法有直接关系 在进行曲轴结构设计时必须同时考虑 曲轴分整体式和组合式两大类 1 整体式曲轴 整体式曲轴的结构是整体的 它的毛坯由整根钢料锻造或用铸造方法浇铸出 来 整体式曲轴具有工作可靠 重量轻的特点 而且刚度和强度较高 加工表面 也比较少 是中小型发动机曲轴广为应用的结构型式 只要工厂有条件制造 设 计上总是尽量采用整体结构 但是 当曲轴尺寸较大 曲拐数较多时 这种曲轴 的加工比较困难 需要用大的专用设备 而且某一部分因加工不合格或使用中损 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 18 坏时 整根曲轴便要报废 2 组合式曲轴 组合式曲轴是把曲轴分成很多便于制造的单元体 然后将各部分组合装配而 成 按划分单元休的不同 又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴 小型二冲程发动机经常采用组合式曲轴 小型单缸二冲程发动机因结构与润 滑系统的简化 连杆轴承一般采用滚针 柱 轴承 这时把连杆大头做成整体式 其曲拐必须采用可分开的组合结构才能进行装配 因此 YN30 型内燃凿岩机的发动机采用组合式曲轴 3 材料选择 由于曲轴工作条件差 应选用强度 刚度 冲击韧性和耐磨性都比较高的材 料 其材料还要加工容易 造价低廉 曲轴常用材料为普通碳钢及合金钢 为了 提高曲轴的耐磨性 其主轴颈和曲柄销表面均需高频淬火或渗碳 再经过精磨 已达到高的精度和较小的表面粗糙度值 该发动机曲轴材料采用 50Cr 与平衡铁连接的部分表面进行高频淬火 其余 表面进行调质处理 4 基本参数 1 主轴颈的直径和长度 1 D 1 L 曲轴越长 从避免扭振损坏的角度 主轴颈应越粗 主轴颈过短 会使轴承 副负荷能力变坏 主轴颈直径 0 30 0 35 D 1 D 主轴颈长度 0 45 0 60 D 1 L 式中 D为气缸直径 且D 58mm 在该机型中取 22 2mm 32mm 满足上述条件 1 D 1 L 2 曲柄 曲柄应选择适当的厚度 宽度以使曲轴有足够的刚度和强度 曲柄形状应合 理 以改善应力的分布 现代高速内燃机曲柄的形状大多采用椭圆形和圆形 试验证明 椭圆形曲柄 具有最好的弯曲和扭转刚度 其优点是尽量去掉了受力小或不受力的部分 其重 量减轻 应力分布均匀 曲柄臂厚度 0 2 0 3 D 取 12mm hh 曲柄臂宽度 0 6 0 9 D 取 45mm bb 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 19 3 曲轴圆角 曲轴主轴颈和曲柄臂连接的圆角称为主轴颈圆角 曲柄销和曲柄臂连接的圆 角称为曲柄销圆角 由于曲柄销圆角和主轴颈圆角是曲轴应力最大的部位 且应力沿圆角轮廓分 布也极不均匀 故圆角的轮廓设计十分重要 曲轴圆角半径 r 应足够大 一般 r D 0 03 0 045 圆角半径过小会使应力集 中严重 为了增大曲轴圆角半径 且不轴颈有效工作长度 可采用沉割圆角 曲 轴圆角也可由半径不同的二圆弧和三圆弧组成 当各段圆弧半径选择适当时可提 高曲轴疲劳强度 增加轴颈有效承载长度 本次设计遵循以上原则 选取圆角半 径 R 2mm 3 2 2 曲柄销 在二冲程小型汽油机中 一般采用左 右曲柄与曲柄销压装的方式形成分体 式曲柄连杆组合 其连杆大头采用带保持架的滚针轴承 采用组合式曲柄 对于 毛坯的制造 无需较大的锻造设备 而且便于进行各种热处理及机加工 能有效地 缩短生产周期 采用组合式曲柄 曲柄销在保证曲柄连杆的强度 刚度等方面起着 至关重要的作用 曲柄销的结构如图 3 5 所示 图 3 5 曲柄销结构 1 设计要求 曲柄销直径首先从轴承比压和降低磨擦损失的考虑来确定 较大时 为DS 提高曲轴的刚度 宜取较大的曲柄销直径 曲柄与曲柄销孔的配合过盈量一般为 曲柄销直径 D 的 1000 8 1 1000 4 1 设计时 选取的值大 则轴承的圆周速度加大 因磨擦损失增加会使轴承D 温度上升 此外 连杆大头也相应加大 加重较多 使轴承的离心负荷加大 两 者部不利于轴承的可靠 长期工作 值小 满足不了整个曲柄连杆组合的强度 D 刚度及整机的可靠性 耐久性要求 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 20 2 材料 曲柄销的材料一般选用 20CrMo 40cr 等优质合金钢 经相应的热处理 使 表面具有较高的硬度 而心部仍保持一定的韧性 该发动机曲柄销材料选用 22CrMnMo 表面进行渗碳处理 渗碳层 0 5 0 8mm 3 基本参数 曲柄销的直径和长度 2 D 2 L 在现代发动机设计中 一般趋向于采用较大的 D2值 以降低曲柄销的比压 提高连杆轴承工作的可靠性 提高曲轴的刚度 但是 曲柄销加粗伴随着连杆大 头加大 使不平衡旋转质量的离心力增大 对曲轴及轴承的工作带来不利 因为 随曲柄销直径的增大带来的轴系自振频率增加 也会增加轴承摩擦功率损失 导 致轴承温度升高 增加润滑油热负荷 根据以往的柴油机曲轴设计经验 选取 曲柄销的直径 0 30 0 50 D 取 22 3mm 2 D 2 D 曲柄销的长度 0 35 0 70 D 取 34 3mm 2 L 2 L 3 2 3 连杆 连杆由小头 杆身和大头三部分组成 其功用是将活塞承受的气体压力传递 给曲轴 并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动 为了顺应内燃机高速化趋势 在发展连杆新材料 新工艺和新结构方面都必 须既有利于提高刚度和疲劳强度 又能减轻质量 缩小尺寸 1 结构形式与设计要求 连杆小头与活塞销相连接 与活塞一起作往复运动 连杆大头与曲柄销相连 和曲轴一起作旋转运动 因此 连杆体除了有上下运动 还左右摆动 作复杂的 平面运动 据此可知 连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷 因此连杆的设计要保证足够的疲劳强度 例如尺寸要足够 形状要圆滑 采用高 强度的 220GrMnMo 等模锻 并采用提高工艺强度的措施 连杆应尽可能轻巧 以减小惯性力 连杆小头要有足够的壁厚 要特别注意小头到杆身过渡的圆滑性 减少应力 集中 连杆杆身是小头和大头的连接部分 工作时承受拉伸 压缩变载荷 以及摆 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 21 动惯性力矩的作用 要求具有足够的扰拉强度和抗弯刚度 为了在较轻的质量下 获得较大的刚度和强度 高速内燃机连杆的杆身一般都制成 H 形断面 长轴位于 连杆摆动平面内 另外 从受力均匀与减少应力集中考虑 杆身断面面积由小头 往大头方向逐渐增大 并平滑过渡到大头 连杆大头形状的设计要特别注意降低 应力集中 该发动机的连杆结构如图下所示 图 3 6 连杆结构 2 材料选择 连杆材料的选择就是要保证在结构轻巧的条下有足够的强度和刚度 在本次 设计中 连杆材料选择使用合金钢 20CrMnMo 模锻后对表面进行渗碳处理 深 度为 0 5 0 8mm 淬火硬度为 60 65HRC 3 重要结构及技术参数 在前一章的整体设计中 已经确定了连杆长度 115mm l 设计连杆小头的任务是确定其结构尺寸 小头轴承孔直径和宽度 外形 1 d 1 b 尺寸 衬套内径和厚度 和润滑方式 其中 和已在活塞组设计 z d 1 d 1 d 1 b 1 d 中确定 一般二冲程汽油