某引擎柴油发动机设计方案.doc

某引擎柴油发动机设计方案1 引言1.1 发动机简介发动机（英文：Engine），又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，有时它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器.比如汽油发动机，航空发动机。缸体是发动机的基础零件。发动机各机构和系统的零、部件都安装在它的内部或外部。缸体是发动机的基础零件，发动机各机构和系统的零、部件都安装在它的内部或外部。1.2 发动机缸体上料机构设计的目的与意义随着我国经济的快速发展，作为经济发展基础的交通行业，汽车行业也有了飞速的发展。尽管如此，目前我国的汽车生产技术跟国外一些发达国家仍存在着明显的差距，如加工方面自动化程度不高，加工方法相对落后等。这对于我国的汽车生产行业来说，技术的革新仍是一个巨大的挑战。在加工发动机缸体时，由于缸体上下两平面均需加工，当加工完上平面时，需将缸体翻转180度进行加工下平面。此时如果采用人工翻转，既费力又费时，所以我所设计的发动机缸体上料机构将自动完成此动作（自动将缸体推进翻转机构、自动翻转、自动将缸体推出翻转机构）。我的设计属于典型的机电一体化产品，本次设计采用机电一体化技术改变了传统半自动化翻转，即人工将缸体推进、推出翻转机构的方法，对于进行批量生产具有无可比拟的优越性。按机电一体化思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相结合而形成的各种技术、产品或系统，均属于机电一体化范畴。其目的是不断提高劳动生产率，减轻人们的体力劳动，逐步代替部分脑力劳动。通过这种技术生产出来的是种类繁多的机电一体化产品，这些产品广泛的应用到国民经济、科技活动、国防建设和人民生活的各个领域。同时还可以扩大机电产品的出口，促进对外贸易和交流，因而对于振兴我国的机械工业具有重大的作用，对于推动我国科学技术的进步和国民经济的发展也具有极为深远的战略意义。1.3 主要设计内容根据设计任务，缸体上料机构设计及仿真要求综合运用过去所学过的全部课程进行发动机缸体上料机构结构设计，并由仿真来检验上料机构设计的正确性和可行性。重点解决的问题是如何实现缸体自动进入翻转滚笼，滚笼自动翻转180度，最后自动将缸体推出滚笼。2 缸体上料机构总体方案设计及方案的选择2.1 缸体上料机构的主要设计参数1、发动机缸体主要外形尺寸：820mm350mm650mm ；2、发动机缸体重量： = V缸 = 7.2103kg/m3 0.187m3 50%=673.2kg；（缸体重量以50%为实心计算）3、生产纲领为年产10万台。2.2 总体方案设计及选择方案1图2-1 设计方案一方案1示意图中采用液压传动即两个液压缸及液压推杆实现发动机缸体的进出翻转滚笼。此处采用液压传动主要有以下几个优点：1、 液压传动能很方便地实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速。2、 在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑。液压元件之间可采用管道连接或采用集成式连接，其布局、安装有很大的灵活性，可以构成用其它传动方式难以组成的复杂统。3、 液压传动能使执行元件的运动十分均匀稳定，可使运动部件换向时无换向冲击。而且由于其反应速度快，故可实现频繁换向。4、 操作简单，调整控制方便,易于实现自动化。特别是和机、电联合使用，能方便地实现复杂的自动工作循环。5、 液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠。由于各液压元件中的运动件均在油液中工作，能自行润滑，故元件的使用寿命长。6、 液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造、维修和推广使用。滚笼的翻转采用齿轮齿圈传动，动力由三相异步电动机提供。在三相异步电动的正反转控制中，根据三相异步电动机的工作原理，电源反接可以改变旋转磁场的方向，使磁转矩方向与转速方向相反。实现三相异步电动机正反转，同时可实现滚笼正反转。滚笼翻转180度后，由两个挡块实现滚笼的准确定位。方案2图2-2 设计方案二方案2与方案1唯一不同的地方就是方案2中的翻转滚笼采用带传动，采用带传动主要有以下几个优点：、带具有弹性，能缓冲、吸振，传动平稳，噪声小；、过载时，带在带轮上打滑，从而防止其他重要零件损坏，起到安全保护作用；、适用于中心距离较大的场合；、结构简单，装拆方便，成本低。但带传动也存在着一些缺点：、带在带轮上有相对滑动，传动比不恒定；、传动效率低，带的寿命短；、传动的外廓尺寸大；、需要张紧，轴和轴承受力较大；、不宜用于高温、易燃等场合。方案3图2-3 设计方案三方案3的翻转滚笼仍采用齿轮齿圈传动，不同的是当发动机缸体翻转180度后，由液压缸2动作将其拉出。此方案与方案1相比，不足之处就是液压缸2上的活塞杆需伸出的长度过长，刚度要求较高。综合以上三种方案，决定选择第一种方案进行详细设计。3 翻转滚笼及支撑架设计3.1 滚笼筐架设计能实现箱体类物件正反翻转180度的机构很多，但对于发动机缸体这样既大又笨重的物件，要能实现其自动、准确、平稳翻转180度确有难度。目前国内的翻转机构大多采用液压翻转或者电动机带动翻转，相对落后的甚至用人工进行翻转。在此我设计的翻转机构为一个滚笼体翻转机构，两边采用两个大钢轮，中间用四根方钢并用螺栓将其连接成一整体，这样便构成滚笼筐架。此结构简单、轻便、维护方便、运行可靠、加工方便。滚笼正反翻转180度后可用两挡块进行准确定位。如下图所示：图3-1 滚笼筐架3.2 支撑架设计为能较好地支撑翻转滚笼，很好地实现其准确、稳定翻转，在此采用四脚支撑进行对滚笼的支撑。在四个支撑脚上各安装一个托辊，安装托辊的好处可以大大减小滚笼钢轮与支撑架的摩擦阻力。支撑架用空心方钢焊接而成，其结构简单，加工、维护方便。其结构如下图所示：图3-2 支撑架3.3 滚笼体设计滚笼上下两端横跨四跟横梁，上面安装小托辊，这样可在滚笼内形成上下两个滚道，缸体可在滚笼内顺利进出，而且托辊可大大减小与缸体上下底面的摩擦阻力。其结构如下图所示：图3-3 滚笼体考虑到托辊在滚笼内只起水平支撑作用和减少与发动机缸体的摩擦阻力，所以将滚笼内托滚两端均安装有两个轴承，滚筒壁跟随两轴承一起转动，托辊的基本结构简单设计如下：图3-4 托辊3.4 滚笼体的传动设计滚笼翻转的传动方式很多，可以采用带传动、链传动、液压传动等。在此我采用的是齿轮传动。齿轮传动具有传动比准确、使用的范围甚广，而且效率特别的高，结构紧凑，使用寿命长等优点。由于滚笼直径较大，固要求大齿轮也比较大，这对加工造成一定的困难。为解决这一问题，采用齿轮齿圈传动，齿圈用螺栓固定在大钢轮上，齿圈均分成四部分加工，然后再拼接成一完整齿圈。这样便很好地解决了齿圈太大而造成难以加工的问题。齿圈的基本结构和齿圈与大钢轮的连接方式如下图所示：图3-5 传动滚笼体一个完整的翻转滚笼便出来了，此滚笼配合一个小齿轮便能很好地实现发动机缸体的180o翻转。因为滚笼翻转180o度后，需反转108o进行下一缸体翻转，所以动力源方面，我选择的是三相异步电动机，根据三相异步电动机的工作原理，电源反接可以改变旋转磁场的方向，使磁转矩方向与转速方向相反，实现三相异步电动机正反转。准确定位方面由两块挡块来实现。由于异步电动机的转速较高，为减少发动机缸体在滚笼内翻转时的剧烈碰撞，要求滚笼的翻转转速不能过高，因此电动机不能直接与小齿轮连接，其间应加一减速器进行减速来达到要求。电动机与减速器、减速器与小齿轮之间用联轴器联接。如下图所示：图3-6 翻转机构4 液压设计4.1 液压缸设计（以下设计计算均参照 液压气动速查手册 张利平主编 第一版）1、 液压缸设计需满足的条件、缸体在滚笼滚道上受到的摩擦阻力F =G = 0.004326732 = 861.7 N（为滚动轴承摩擦系数；32为轴承数；G为发动机缸体重量；）则a = 32g = 320.00410 =1.28 m/s2、缸体完全进入滚笼所需的最小速度V = = = 1.43 m/s2、 缸筒内径D的确定按作用力大小和预选的工作压力计算缸筒内径D：D = = = 33.13 mm查液压气动技术速查手册取标准缸径D = 50 mm ( F为液压缸作用力；P为预选定的工作压力，Pa ) 在此预选定的工作压力为1MPa3、 缸筒壁厚的确定 对于低压系统，缸筒壁厚可按薄壁筒计算： = = = = 0.36 mm取= 3 mm 试验应力，MPa ，工作压力P 16 MPa 时，= 1.5P，D 液压缸内径， 缸体材料的许用应力，MPa，对于钢管 = 100110 MPa，在这里取105 MPa4、 缸底、缸头厚度h1、h2的确定当缸底有油孔时h = 0.4333D = 0.433350 = 2.83 mm取h1 = 25 mm h2 取30 mm缸底、缸头的结构如下图所示：图4-1 液压缸底图4-2 液压缸头5、 活塞与活塞杆活塞杆直径d的确定按液压缸的速度比已给定并以此来计算活塞杆的直径dd = D = 50 = 24.9 mm圆整d取25mm式中液压缸的往复运动的速度比，根据工作压力，按下表选取。在此取1.33。表4-1 液压缸速度比和工作压力的关系工作压力P/MPa1012.52020速度比1.331.46，22根据活塞杆螺纹尺寸标准系列，选取活塞杆螺纹规格为M161.5 mm ，螺纹长度选择为长型32 mm 。活塞杆的结构草图如下：图4-3 活塞杆活塞的确定由于液压缸的工作压力不高，属于低压液压系统，固活塞的密封方式选择间隙密封。如下图所示：图4-2 活塞密封结构6、 液压缸活塞行程的确定根据工作条件需要，查液压缸活塞行程系列表，取液压缸活塞S = 200 mm。4.2 液压控制回路设计根据工作性质，要求液压推杆把发动机缸体推进/出翻转滚笼后，能自动迅速反回，准备下一缸体的推进/出，如此反复下去。液压控制回路设计如下：图4-3 液压控制回路图4-3所示为两液压缸的液压控制回路，当阀1YA得电换向时，液压缸1动作将缸体推进翻转滚笼，触动行程开关S1，使阀2YA得电换向，液压缸1返回，触动行程开关S2，2YA断电，此时液压缸1处于卸荷状态。当3YA得电时液压缸2动作将缸体推出翻转滚笼，触动行程开关S3，使阀4YA得电，液压缸2返回，触动行程开关S4，液压缸2卸荷。如此反复循环下去。下表为液压控制阀的动作顺序：表4-1液压控制阀动作顺序液压缸控制阀1YA2YA3YA4YA液压缸1推进+液压缸1返回+液压缸2推进+液压缸2返回+ 此回路的优点是控制灵活方便，为提高其可靠程度，电气元件的质量要求较好，以保证系统正常运转。4.3 液压缸的工作环境 为满足缸体能顺利推进/出翻转滚笼，液压推杆需提供的推力F = 861.7 N， 推杆的速度V = 1.43 m/s。这两个条件为液压缸工作必须满足的前提条件。所以液压缸的工作压力P 0.44 MPa但工作压力不能过高，取液压的工作压力P的范围为0.44 MPa1 MPa 。液压缸的流量q VA 1.43 1.43 2.81 /s固流量应控制在2.81 /s3.0 /s 之间。5 齿轮齿圈设计及校核 （以下均参考机械设计 郑江、许瑛主编 第一版）5.1 齿轮齿圈设计1、 选择齿轮材料及热处理小齿轮：40Cr，调质处理，齿面硬度为260HBS。齿圈：45钢，调质处理，齿面硬度为230HBS。2、 确定初步参数由上面的滚笼传动设计可知，齿圈是安装在滚笼的大钢轮上的，所以齿圈的分度圆直径值为钢轮的外径与内径之间。在此初取齿圈的分度圆直径为 = 1150 mm，初估齿圈的齿数为 = 192个，则齿圈的模数m = / = 1150/192 = 5.99查标准模数系列，取标准模数m = 6 。则 = m = 6192 = 1152 mm齿宽 = 45 mm根据实际情况，取小齿轮与齿圈的传动比为i = 8 ,则小齿轮的齿数 = /i = 192/8 = 24分度圆直径 = m = 624 = 144 mm齿宽 = 40 mm小齿轮与齿圈的中心距a = ( + )/2 = (144 + 1152)/2 = 648 mm 齿圈与滚笼连接为一体，为使缸体在滚笼内翻转时尽量减小滚笼与缸体的相互激烈碰撞，应尽量控制齿圈的转速，在此选定齿圈的转速为= 3 r/min ，则小齿轮的转速 = i = 8 3 = 24 r/min齿轮齿圈基本参数列表如下：表5-1 齿轮齿圈基本参数模数齿数分度圆直径d齿形角材料小齿轮62414420040Cr齿圈6192115220045钢由于齿圈太大，造成加工困难，在此将齿圈均分为四段进行加工，加工完后将其拼接起来再安装到钢轮上。因为齿轮齿圈在传动过程中，啮合点为两齿轮齿圈的节圆上，所以将齿圈均分为四段的时候，应将齿圈截断处安排在齿轮齿圈的齿底，这样可减少因齿圈拼接后可能引起齿轮齿圈的传动误差。其结构草图如下图所示：图5-1 齿圈结构草图5、2 齿轮齿圈的强度校核1、 滚笼的重量估算滚笼的重量 =20% (滚笼总重量以20%为实心计算)则 = 20% = 7.85kg/20% = 495.4 kg 2、 齿轮传动中的受力分析如下图所示：图5-1 齿轮传动受力图翻转滚笼由四个支架托辊支撑，每个托辊内均装有两个深沟球轴承，传动小齿轮带动滚笼翻转。由上示受力图可知，小齿轮只需克服支架托辊对滚笼钢轮的总摩擦阻力即可实现滚笼的翻转，即小齿轮切向力 = 。F = 2 = Gcos43o G = （+）g = = 4F 联立以上四式得 = = 4（+）cos43o = 40.004（673.2 + 495.4）10 cos43o = 136.8 N齿轮齿圈所需承受的转矩 = = 136.8 = 9840.9 Nmm = = 136.8 = 78796.8 Nmm3、 齿轮齿圈的齿面接触疲劳强度校核 （参考机械设计 郑江、许瑛主编 北京大学出版社、中国林业出版社出版第一版）齿轮齿圈预期寿命为10年（每年按250天计），单班工作、计算齿轮齿圈应力循环次数、小齿轮 = 60= 60124（102508）= 2.88齿圈 = = = 3.6、寿命系数、 由图8.18得 = 1， = 1、接触疲劳极限、 由图8.14（a），查MQ线得 = 720 MPa = 580 MPa 、安全系数 参照表8-6，取 = 1、许用接触应力、 根据式（8.6）得 = = = 720 MPa = = = 580 MPa、齿轮传动的齿面接触强度校核公式： = 、确定公式内的各计算数值、确定载荷系数K使用系数 按电动机驱动，载荷平稳，查表8-2， = 1动载系数 按8级精度和速度，查图8.8，取 = 1.05 = 1.0齿间载荷分配系数 根据条件= = = 3.04 100 Nmm= = = 3.42 100 Nmm由表8-3知 = = 1.5齿向载荷分布系数 由图8.11（a）,取 = 1.025 ， = 1因此，载荷系数 = = 11.051.51.025 = 1.61 = = 111.51 = 1.5、确定弹性系数 由表8-4， = 190、确定节圆区域系数 由图8.13， = 2.5、确定重合度系数由式（8.7），重合度为 = 1.88-3.2（） = 1.88-3.2（）= 1.73由式（8.6），重合度系数为 = = = 0.87、齿轮齿圈的接触强度 = = 2.51900.87= 2.55 MPa = 720 MPa = = 2.51900.87= 0.92 MPa = 580 MPa齿面接触疲劳强度足够。4、齿轮齿圈的齿根弯曲疲劳强度校核、求许用弯曲应力 = 、求寿命系数、 由图8.26（a），取 = = 1、求极限应力、 由图8.22（a），取 = 300 MPa =220 MPa、求尺寸系数、 由图8.27，取 = = 0.98、求安全系数 参照表8-6，取 = 1.6、求许用弯曲应力、 = = = 367.5 MPa = = = 269.5 MPa、校核齿根弯曲疲劳强度由式（8.10）得 = 、齿形系数、 由图8.20，取 = 2.63 = 2.15、应力修正系数、 由图8.21，取 = 1.58 = 1.85、重合度系数 由式（8.12）得 = 0.25 + = 0.25 + = 0.68、校核齿根弯曲疲劳强度 = = = 0.15 MPa = = 0.15 = 0.14 MPa 抗弯强度足够。6 托辊轴的校核 （以下均参考材料力学 罗迎社主编 第一版）6.1 滚笼内托辊轴校核由上面3、3滚笼体结构设计可看出，托辊轴相当于一根悬壁轴，其水平保持程度将直接影响到缸体能不能顺利进/出翻转滚笼，所以在设计轴的时候要充分考虑到它的刚度。在此我设计的托辊轴与轴之间的距离为100mm，因为发动机缸体长度为820mm，所以支撑发动机缸体的托轴轴就有16根，每根所承受的压力F = /16 = 6732/16 = 420.8 N 。轴的基本结构及其受力分析如下：图6-1 轴结构及其受力图、弯矩图 、 计算轴的最大弯矩由上图可以看到，轴的最大弯矩为 = F 0.045 = 420.8 0.045 = 18.9 N、 强度校核由上图可看出a-a为轴的危险截面。其弯矩 = = 18.9 N = = = = 47.02 MPa查表得45钢的弯矩许用应力 = 100 MPa ，固此轴的强度足够。6.2 支撑架上的托辊轴校核托辊轴安装结构示意图如下图所示：图6-2 托辊轴安装结构示意图力学模型转换分析如如下图所示： 图6-3 力学模型托辊受到滚笼施加的压力 = 4273.3 N ，则F = 1/2F = 2136.65 N。由于轴的两端固定，所以在此只需校核轴的剪切应力即可。轴的剪力图如图所示：图6-4 剪力图由以上几图可以看出，a-a 为轴的危险截面，其剪应力 = = 2136.65N 危险截面的剪切强度校核： = = = = 10.63 MPa轴材料选用45钢，查表得45钢的许用剪应力为67.5 MPa ，固轴的强度足够。7 电动机、减速器、联轴器的选择7.1 电动机的选择及控制电路设计1、 电动机型号的选定根据翻转滚笼的工作特点，要求电动机能够正反转，传递转矩T = 9840.9 Nmm 。所以我选择的是三相异步电动机，其型号为Y100L-6。额定功率1.5KW，满载转速940r/min ，额定转矩2.2 KNm 。2、 电动机正反转控制电路图如图7-1所示，用按钮开关控制电动机的正反转。图7-1 电动机正反转控制电路在主电路中，采用两个接触器，即正转用接触器和反转用接触器。而且采用了既有电气互锁，又有机械互锁的双重互锁控制线路。当按下按钮时，的动断触点先断开的线圈回路，的动合触点后闭合，使线圈得电并自锁，电动机正转。当按下按钮时，的动断触点先断开的线圈回路，的动合触点后闭合，使线圈得电并自锁，电动机反转。线圈、的作用将在下章有介绍。按钮SB、启动功能如图7-2所示。图7-2 各按钮启动功能7.2 减速器的选择电动机的转速 = 940r/min ，小齿轮的转速 = 24r/min ，所以选择减速器的总传动比i = / = 940/24 = 39.2 。因此选择ZSY型减速器，总传动比i = 40 ，低速轴中心距160，公称转速：输入1000r/min ，输出25r/min ，公称输入功率17KW 。则小齿轮的实际转速= /i = 940/40 = 23.5r/min ，齿圈的实际转速n = 23.5/8 = 2.94r/min 。7.3 联轴器的选择联轴器触联结两轴并传递转矩外，有些还具有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护功能。因此要根据传动装置工作要求来选定连轴器的类型。电动机轴与减速器高速联轴器联接用的联轴器，由于轴的转速较高，为减小启动载荷，缓和冲击，应选用具有较小转动惯量和具有弹性的联轴器，一般选用弹性可移式联轴器，例如弹性柱销联轴器等。因此电动机与减速器之间选用弹性柱销联轴器，型号为LX3。减速器低速轴与齿轮轴联结用的联轴器，由于轴的转速较低，不必要求具有较小的转动惯量，但传递转矩较大，又因为减速器与工作机常不在同一底座上，要求有较大的轴线偏移补偿，因此常需要选用无弹性元件的挠性联轴器，例如齿式联轴器等。根据实际情况，减速器与齿轮轴之间选用型号为WH6的滑块联轴器。8 系统总控制说明及三维仿真设计8.1 系统总控制说明1、 系统结构布置系统各部件的安装结构如下图所示：图8-1 系统总体布置两液压缸均安装在滚道上，翻转滚笼的左侧，最左边的液压缸作为发动机缸体推进缸，第二个液压缸作为发动机缸体的推出缸，两液压缸使用同一液压泵同时供油。电动机和减速器以及小齿轮均安装在滚笼支撑架上，滚笼的正下方。在安装滚笼的时候应注意滚笼内滚道与外滚道的横向对齐，以保证缸体的顺利进出滚笼。由于滚笼内上下滚道之间的高度比缸体高出10mm，所以在翻转180度以后会造成滚笼底部滚道与左边外滚道存在一个10mm的高度差，所以右边外滚道应比左边外滚道低10mm。2、 系统的机电液控制液压缸回路、电动机正反转总控制线路图如下图所示：图8-2 总控制线路图图中液压缸1对应的是上图最左边的液压缸，液压缸2对应的是第二个液压缸。下面进行详细的控制过程说明：首先让1YA得电，液压缸1向左动作，将缸体推进翻转滚笼，液压推杆触动行程开关S1使2YA得电，液压缸1返回，再触动行程开关S2，2YA失电，此时液压缸处于卸荷状态。缸体进入滚笼后，按下开关SB1，KM1线圈得电并自锁，电动机接入三相电源，电动机正转。与此同时时间继电器3YA线圈开始定时，定时时间为10.5s，（滚笼翻转180度所需的时间为10s）10.5s后3YA得电，液压缸2向左运动，将缸体推出滚笼，液压推杆触动行程开关S3，4YA得电，液压缸2返回，再触动行程开关S4，4YA失电，液压缸2处于卸荷状态。按下开关SB2，KM2线圈得电并自锁，电动机反接入三相电源，电动机反转。同时时间继电器1YA线圈开始定时，定时时间为10.5s，(滚笼反转180度所需的时间也为10s)，10.5s后，1YA得电，液压缸1将下一缸体推进滚笼。如此反复循环下去。 8.2 三维仿真设计在此次设计中，所有的三维建模都是用Pro/ENGINEER软件完成，从零件设计到最后的装配、仿真。通过三维参数化建模，大大缩短了我的设计时间，使上料机构变得更加直观。通过动画仿真能使我们更清楚的看到该机构的动作全过程。缸体上料机构的动画仿真视频见附件。结论本次毕业设计是对机械设计制造及其自动化专业学生在毕业前的一次全面、综合性的检验，目的在于巩固和扩大学生在校期间所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。本次的缸体上料机构设计及仿真涉及到机、电、液以及三维软件应用方面的知识，对于我来说是一个很好的挑战，同时也是一个很好的锻炼机会。通过这次毕业设计，让我把四年来所学的知识系统地组织起来解决在设计中遇到的各种问题；使我对机械设计制造、液压和电气控制有了