XD474汽油机凸轮设计.doc

广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 I 摘要 随着我国经济不断的发展 汽车在国内的发展前景越来越好 打破国 外汽车在国内的优势对我国汽车产业的发展至关重要 随着人们生活水平 不断的提高 人们对汽车综合性能的要求也越来越高 安全 舒适 低耗 油 低噪声 低排放是现代汽车发展的趋势 XD474 汽油发动机是四冲程发动机 采用了整体四缸的结构 采用水冷 方式 本设计参考了 LJ474 汽油发动机 XD474 汽油机有重量轻 尺寸小和 低温起动性能好 转速高 结构简单 紧凑的特点 采用立式结构 直喷 燃烧室 由于其重量轻 尺寸小 起动性能好 转速高等特点 被广泛用 于中小型汽车上 在该设计中 涉及到了 XD474 汽油机的基本参数的选择 总体设计 热力学计算 重点是凸轮轴的设计 在专题设计中 凸轮采用高次方多项 凸轮 介绍了凸轮轴的一些典型加工工艺 热处理 磨损 强度计算 关键词 汽油机 凸轮轴 热力学计算 凸轮型线 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 II The Design of the type of XD474 Gasoline Engine Abstract Along with our country economy development the prospect of the development of car is getting better and better in the domestic Breaking the advantage of foreign car in China is very important to the development of China s automotive industry With the improvement of living level people s requirement for the comprehensive performance of vehicle is getting higher and higher the trend of the development of the modern car is safe comfortable low fuel consumption low noise low emission XD474 petrol engine is four stroke engine using the overall structure of the multi cylinder have four cylinder using hydrocooling It reference to the LJ474 gasoline engine XD474 gasoline engine has light weight small size and low temperature start up performance and high speed simple structure compact characteristics It uses vertical structure and DI chamber Because of its light weight small size good starting performances high speed are widely used in small and medium sized vehicles In this design related to XD474 gasoline engine selection of basic parameters general design thermodynamic calculation this paper focuses on the cam shaft design In the project design cam using high order multiple cam this paper introduces some typical camshaft processing technology heat treatment wear strength calculation Key words gasoline engines camshafts thermodynamic Calculation cam profile 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 III 目录 前言 第一章 XD474 汽油机的主要技术参数 1 第一节 设计目的 1 第二节 设计原则 2 第三节 XD474 汽油机主要参数的选择 3 第二章 XD474 整体设计 9 第一节 机体与气缸盖设计 9 第二节 曲柄连杆机构和配气机构设计 11 第三节 五大系统设计 15 第三章 热力计算 动力计算 1 5 21 第一节 热力计算 21 第二节 动力计算 29 第四章 XD474 凸轮轴专题设计 35 第一节 凸轮设计 35 第二节 凸轮轴设计 47 第三节 凸轮轴的加工工艺 50 第四节 凸轮挺柱的磨损 12 53 第五节 凸轮轴强度校核 6 58 第五章 设计总结 60 主要参考文献 61 附录 63 致 谢 74 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 1 前言 本设计主要是对 XD474 汽油机凸轮设计 该设计中对于 XD474 整体设计 参考了 LJ474 汽油发动机 我们在设计中尽可能的选用了 LJ474 汽油机的 零部件及附件 保证用原来的生产线和工艺来生产出新产品 提高产品的 经济效益 并在此基础上结合当前汽车行业对汽油机的发展新要求 配合 当前的工艺 选择合适的转速与功率 及其他参数 以达到设计要求 XD474 汽油机为四冲程发动机 采用了整体四缸的结构 每缸四个气门 两进两排 采用顶置的凸轮轴以减少传动件使得气门运作更灵活更适合 于高速发动机上 由于汽油机增压困难 所以 XD474 汽油机没有采用增压 来提高冲量 XD474 不用于特殊地方运行的车辆上 如沙漠上 所以采用 大多数发动机冷却方式即水冷 喷油系统和点火系统淘汰了传统的化油器 喷油系统和蓄电池点火系统 采用电控喷油系统和电控点火系统 配气机构对发动机的动力性和经济性有着至关重要的影响 而凸轮轴 是配气机构中最重要的部件 凸轮的形状决定了进 排气门运动规律 进 而影响进排气的好坏 因此凸轮的设计至关重要 XD474 的凸轮采用多项式 动力凸轮 该种凸轮负加速度小 正向惯性力小 不易飞脱 凸轮桃尖处 的接触压力小 加速度曲线连续 冲击小 有利于向高速发展 可达到现 代发动机向高速的要求 由于这次毕业设计是我第一次用所学的知识对内燃机进行设计 所以 在设计过程中难免会存在或多或少的错漏 希望各位老师和同学予以批评 指正 并提出宝贵的意见 第一章 XD474 汽油机的主要技术参数 第一节 设计目的 本设计目的是设计出动力性好 燃料经济性好 排放性好 价格合理 并跟得上国内发展的汽油机 其次 配气机构是内燃机换气过程的控制机 构 它根据气缸工作循环的要求 定时地打或关闭进 排气门 使气缸排 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 2 除废气 充入新鲜充量 其工作不仅对内燃机动力性能和经济性能有很大 影响 而且还影响内燃机的可靠性和耐久性 因此 配气机构设计尤为重 要 而在配气机构中凸轮轴的作用首当其冲最为重要 设计出的 XD474 汽油机凸轮轴首先必须满足动力性要求 对于凸轮 必须根据内燃机性能要求设计出相应的凸轮轮廓 设计出的凸轮应满足 能够获得足够大的时面值 以保证气门通过能力 提高气缸充量效率 保证合适的配气正时 正 负加速度不宜过大 最好不要产生突变 以 避免各零部件间作用力过大或产生冲击 气门落座和开启速度不能太大 避免气门座合面及阀座过快磨损 对于凸轮轴的设计必须保证其上凸轮 的配置位置正确 有足够的刚度 疲劳强度 冲击韧性 表面硬度和耐 磨性 第二节 设计原则 在满足技术任务书的前提下 按以下原则设计 1 功率和转速在使用范围内 最大转矩以及转矩特性应满足汽车动力 性的要求 2 发动机的排气中有害污染物的排放和运转噪声能满足法规要求 3 尽可能高的燃料经济性 4 可能高的工作可靠性和足够的使用耐久性 5 结构紧凑 外形尺寸小 重量轻 6 制造工艺性好 成本低 主要零件满足系列化 标准化 通用化 三化 要求 便于组织生产和日常维护保养 7 使用方便 操作性能良好 本机的零部件尽量和 LJ474 汽油机通用 其他通用件在设计及工艺上 都应有高度的继承性 保持原有的标定转速和压缩比 使 XD474 的动力性 和经济性有所提高 1 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 3 第三节 XD474 汽油机主要参数的选择 一 主要技术性能参数 表 1 1 气缸排列方式立式直列 气门配置形式顶 置 气缸数 4 冲程数 4 缸径 行程 mm mm 74 76 活塞总排量 L 1 051 压缩比 9 5 1 燃烧室形式 直喷型燃烧室 工作顺序1 3 4 2 润滑方式压力 飞溅润滑 冷却方式离心水泵强制循环 起动方式 电起动 标定功率 转速 kW r min 62 6000 标定转矩 转速 NM r min 102 3000 总质量 kg 150 怠速转速 r min 850 50 全负荷耗油量 g KW h 275 进气提前角 CA 25 5 上止点前 进气滞后角 CA 40 5 下止点后 排气提前角 CA 60 5 下止点前 排气滞后角 CA 20 5 上止点后 进气门间隙 mm 0 350 05 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 4 排气门间隙 mm 0 040 05 供油提前角 CA 7 9 上止点前曲轴转角 噪声限值 Lw dB A 119 二 主要参数的分析和选择 1 4 内燃机的主要参数是进行内燃机设计时的主要依据和设计目标 掌握 这些参数对内燃机各项性能的影响及其变化规律 对于内燃机设计来说是 非常的必要 一般情况下总是用与动力性指标直接相关的参数进行选择 内燃机有效功率计算式如下 kw 2 1 30 ZnVp P hme e ZDvp mme 7854 0 式中 为平均有效压力 MPa me p 单缸工作容积 L h V Z 气缸数 冲程数 n 转速 r min 活塞平均速度 m s m D 气缸直径 mm 由上式可知 要提高内燃机的有效功率 一般应从下面几个参数考虑 一 平均有效压力 me p 平均有效压力是标志内燃机整个工作过程的有效性和内燃机制造完 me p 善性的指标之一 因此 值的提高 是内燃机技术发展的重要标志 me p 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 5 平均有效压力与混合气形成的方法 燃料的种类 燃烧和换气过程 me p 的质量 进气温度和压力以及机械效率等有关 平均有效压力可用下公 me p 式计算 MPa 2 s suetcsu mvime Tl pH l pH p 00 485 3 2 其中 指示热效率 i 充气效率 v 充量系数 c 过量空气系数 有效热效率 et 机械效率 m 燃料低热值 kJ kg u H 理论空气量 0 l 进气压力 s P 进气温度 K s T 提高平均有效压力值可使功率增加 比重下降 但是机械负荷和 me p 热负荷也随之增加 影响汽油机的可靠性及寿命 现代汽油机在功率点的 最大平均有效压力 0 7 1MPa 而 XD474 汽油机参数选取为 me p 表 1 2 c kJ kg u H 0 l MPa s P K s T it 0 900 964396014 80 093600 34 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 6 把数据代入公式 2 2 得 s suetcsu mvime Tl pH l pH p 00 485 3 MPa 91 0 360 8 1496 0 09 04396034 090 0 485 3 计算出的平均有效压力值 在 0 7 1MPa 之间 故符合要求 me p 二 活塞平均速度 m v 活塞平均速度也是表征活塞式内燃机强化程度 热负荷和机械负荷 m v 的重要参数之一 活塞平均速度对于内燃机的性能 工作可靠性和使用 m v 寿命有很大的影响 一般来说 活塞平均速度增大使发动机功率增高 m v 但是活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大 磨损加剧 寿命下 降 同时 由于进排气流速增大 进排气阻力与气流速度平方成比例地增 加 使充气系数 v下降 所以随着活塞平均速度的提高 对活塞组的材料 和加工工艺等就应要求越高 由公式 15 2 m s 30 Sn m 30 10600076 3 式中 S 活塞行程 n 转速 由可知 9m s 故 XD474 汽油机属于高速内燃机 m v m v 由有效功率公式得 4 107442 1591 0 785 0 785 0 30 322 ZDpZnVp P mmehme e 59 52 kw 因为 62 59 52 6 4 误差在 5 以内 故参数选则符合要求范围 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 7 三 气缸直径 D 和汽缸数 Z 现代内燃机厂往往是通过改变内燃机气缸直径来达到扩大内燃机的功 率 气缸直径 D 加大 有效功率 P 以直径平方的速度增加 但是惯性力以 e 直径平方的速度增加 导致振动和机械负荷加剧 还会导致发动机气缸 活塞组 汽缸盖 气门等零件的热负荷加重 汽油机受到爆燃的影响 气 缸直径一般不超过 110mm 气缸数 Z 与气缸直径 D 转速 n 有密切的联系 在同样功率要求下 气缸数越多 气缸直径就可以缩小 转速就可以继续提高 气缸数增加 平均有效压力线性提高 发动机长度加大 平衡性改善 因此 通过增 me p 加汽缸数是比较好的提高内燃机功率的办法 四 行程 S 行程 S 增加 可以提高平均有效压力 但是在气缸直径不变的情况 me p 下 S 的增加即行程缸径比 S D 增加 导致活塞平均速度提高 有磨损 m v 加速 寿命降低等问题 一般 S 的变化主要用于 1 调节整机排量 SZDZVh 2 4 2 调节耐久性 减小行程 S 即降低 S D 可以减少侧向力和 m v 减轻磨损 3 调节转矩值 M t F 2 S Ft 式中 为切向力 t F 五 评定参数 发动机型式和主要参数选择的合理性和结构的完善性 常用以下三个 参数来评定 强化指标 比重量 升功率 气缸中心距与 me p m v eh NzV 缸径的比值 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 8 1 强化指标 me p m v 平均有效压力和活塞平均速度的乘积通常称为强化指标 或称 me p m v 强化程度 它是与单位活塞面积所做功率 比功率 成正比的 它一方面 代表了功率和转速的强化 另一方面又代表了发动机机械负荷和热负荷的 高低 内燃机的发展趋势是强化程度的不断提高 但是随着强化程度的提 高 发动机的热负荷和机械负荷相应迅速增加 气缸内最高燃烧压力和零 件惯性力都随之增大 一般内燃机的强化指标不超过 140 因为超过了 140 就要采取相应的措 施来提高机器的刚度和强度 使结构复杂 工艺要求更高 而 XD474 汽油机的强化指标等于 8 1bar 13 17m s 106 68 140 me p m v 即其对材料强度和工艺要求适中 2 比重量 比重量是单位千瓦的净重 kg kw 它表征工作过程的强化程度和结 构的完善程度 降低这一数值 就可以节约金属材料 降低制造成本 自 重的减轻意味着功率消耗的节约或有效载重的增加 从而提高了运输效率 因此在设计发动机时 在保证所要求的强度 刚度和制造条件许可的情况 下 应不断地降低比重量 3 升功率 he zVN 4 升功率kw L 它决定于 n 和 表征着发 300 npzVN ehe e p 动机工作过程的完善性 也可以用来评定发动机的结构紧凑性和外形尺寸 大小 现代汽车发动机的发展趋向之一是升功率的继续提高 4 气缸中心距与缸径的比值 气缸中心距及缸径的比值 是表征汽油机长度的紧凑性和重量指标的 重要参数 它与汽油机的强化程度 气缸排列和机体的刚度有关 缸心距 的大小主要取决于气缸盖型式 气缸套型式 直列式还是 V 型 水冷还是 风冷 以及曲轴的结构型式和尺寸分配 5 曲柄半径与连杆长度比 R L 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 9 行程 S 既定后 选择主要考虑以下因素 选择较大的 R L 使连杆短 重量轻 往复和离心质量小 有利于发动机高速化 虽然缩短了连杆长度 但是增大连杆摆角和活塞侧压力 对缸套磨损不利 在选则连杆长度时 要保证活塞在下止点时不与曲轴平衡块相碰 活塞在上止点时曲柄不可与 缸套相碰 因而该机的 R L 选为 1 3 6 第二章 XD474 整体设计 设计原则 为了满足生产及维修的方便 本机的零部件尽量通用且在设计及工艺 上都应有高度的继承性 同时还必须满足三化的要求 满足用于重型货运 汽车和大型客车以及重型工程机械的动力要求 第一节 机体与气缸盖设计 一 机体设计 中小型高速水冷内燃机的气缸体与曲轴一般做成一体 总称为机体 XD474 型汽油机机体包括气缸体 主轴承盖 油底壳等 机体构成内燃机的 骨架 机体内外安装着内燃机所有主要零件和附件 为了保证内燃机活塞 连杆 曲轴 气缸等主要零件工作可靠 耐久 它们互相之间必须严格保 持精确的相对位置 因此在机体设计中必须对重要表面的尺寸 几何形状 相互位置等提出很严格的公差要求 机体在内燃机工作时承受很复杂的负荷 气压力使机体受到拉伸 而 且在气压力的传递过程中 会使机体不同部分承受附加的弯曲和扭曲 往 复惯性力和离心力在高速内燃机中可能达到很大数值 它们也使机体受到 弯曲和扭转作用 所以机体应具有足够的强度以及纵向和横向弯曲刚度 当曲轴向外输出扭矩时 机体要受到由侧压力构成的反扭矩的扭转 因此 机体要有足够的扭转刚度 为了保证曲轴主轴承工作可靠 主轴承座应有 足够的刚度 为了保证燃烧室密封可靠 气缸体上平面密封部位也应有足 够的刚度 否则在燃气压力作用下或在预紧气缸盖螺栓时 上平面密封部 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 10 位就会变形漏气 影响内燃机工作 缸体是发动机的基础 在它的上部固定着气缸盖 为了密封 在其中 垫有气缸垫 在它的四个缸套内上下滑行着四个活塞总成 前端安装着传 动机构的正时齿轮 以及机油泵 水泵 风扇 右侧安装着发电机 进气 管 空气细滤器 左侧安装排气管 机油滤清器 后端与汽车变速器和起 动电机连接在一起 该机型选用气缸体与曲轴箱做成一体的平底式机体结构 采用封闭水 套的双层结构 为了冷却气缸 机体上部应设置冷却水套 冷却水套沿气 缸轴向的长度 应保证活塞环 主要是气环 在上下点位置时 依然在水 套范围之内 以保证活塞环的有效冷却 水套的结构还应使整个内燃机的 冷却尽可能均匀 采用纵向布置水道 使冷却水沿此道直接供向各缸 以 保证供给各缸的水温和水量相同 水套的放水管应布置在水套的最下部 保证在放水时能将水套中的水放尽 防止水套的存水将会在冬天冻结 使 机体冻裂 机体横向尺寸主要取决于连杆螺栓最外点的运动轨迹 纵向尺寸取决 于缸心距 用评价紧凑性 取 1 23 则 1 23 74 91 02mm 0 l D l0 D l0 0 l 缸体顶面壁厚取 12mm 底面壁厚取 10mm 水套壁和横隔板的厚度主要由铸 造条件决定取 4mm 缸体材料用 HT25 47 的普通铸铁 机体与曲轴前后端 面采用自紧式橡胶油封来防止漏油 平面密封材料选用耐油橡胶制成的 O 行圈 二 气缸和气缸套设计 内燃机的气缸是气体压缩 燃烧和膨胀的空间 并对活塞起导向作用 燃烧过程中燃气最高温度可达 2000 2500 C 最高压力可达 5 15 10 帕 06 因此它的内壁直接受到高温高压的燃气作用 而它的外壁又受到冷却水的 冷却 在内外壁温差及爆发压力作用下 气缸套受到相当大的机械应力和 热应力 因此要求气缸套要有足够的强度和刚度 并保证在工作时不致有 过大的变形 气缸套还承受活塞的侧压力 而且活塞在它的表面做高速相 对运动 使气缸内壁受到强烈的摩擦 因此 气缸镜面还必须具有一定的 磨性 气缸套外壁还受到冷却水的穴蚀作用 因此 气缸套外壁还应有抗 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 11 穴蚀作用 该机型选用球墨铸铁材料的湿缸套 湿缸套的壁厚决定于内燃机的指 标和缸套材料 一般认为当壁厚取 0 9D 时缸套穴蚀就很少发生 湿缸套一 般用两个定位带支承在气缸体中作为径向定位 缸套保持足够长度 下止 点时活塞裙部只能露出 5 10mm 以保证导向 三 气缸盖设计 气缸盖的作用是密封气缸 并与活塞共同形成燃烧室空间 并承受高温 高压燃气作用 为了保证缸盖与气缸套之间的密封 缸盖还要受到很大的 螺栓预紧力 一般为爆发压力的 3 4 倍 气缸盖各部分温度很不均匀 如 缸盖底面燃烧室部分温度最高 而冷却水套部分温度较低 进气道和排气 道温度也不相同 因此 气缸盖的机械应力和热应力很大 气缸盖的结构 复杂 铸造残余应力很大 因此 气缸盖应当满足下面要求 1 气缸盖应具有足够的强度和刚度 工作时缸盖变形最小并保证与 气缸的接合面有良好的密封 2 要根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室形式 气门 气道布置合理 力求使内燃机性能良好 3 结构力求简单 铸造工艺良好 冷却合适 缸盖温度场分布均 匀 尽可能减少热应力 避免气门之间形成裂纹 因为气缸直径 D1 和 1 的各种情 况 在全负荷时 的取值范围 0 85 1 1 当 0 8 0 9 时 火焰 传播速度最高 爆燃倾向最大 当 1 03 1 1 时 燃油消耗率达较佳值 但过稀混合气会使热效率下降 考虑到排放要求 把 控制在 1 左右 因 此 取 0 95 二 进气温升 T 新鲜冲量在进入气缸的过程中 受到高温零件加热和冲量动能转化为 热能的影响 使新鲜冲量得到的温升 影响的主要因素有 发动机T T 的冷却方式 转速和负荷 配气系统的结构布置 发动机工作时的环境温 度等 1 当负荷不变而转速增加时 因循环重复次数多而气缸壁面稍有提高 但由于空气与壁面接触时间减少 使壁面传至空气的热量减少 后者的影 响一般比前者大 故随转速的上升而下降 T 2 当转速不变而增加发动机的负荷时 缸壁温度被提高 使吸气过程 中的增高 降低了发动机的充气效率 T 3 缸壁冷却强度直接影响到缸壁温度 冷却强度愈小缸壁温度愈高 则相应的亦愈大 四冲程汽油机 0 40T C 0 XD474 为水冷式发动机 所以不应很大 取 T T 0 10 C 三 残余废气温度 r T 一般四冲程汽油机 900 1100k 的大小与发动机的负荷 转速 r T r T 等都有关系 1 负荷增加时 后期膨胀比减小 升高 r T 2 转速的提高时 部分燃烧延 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 23 长至膨胀过程中进行 使提高 压缩比大则膨胀比大 膨胀较充分 这 r T 会使有所下降 r T 3 直喷式燃烧室使燃烧速度加快 燃烧较完善 后燃期缩短 故取 1000K r T 四 残余废气系数 残余废气系素的值与其压缩比 进气压力 配气正时等有关 汽油机 的压缩比低 进气有节流 气门叠开角较小 所以残余废气系素高 四冲程汽油机 0 06 0 16 该机型压缩比较高 取 0 07 五 平均多变压缩指数 1 n 水冷汽油机的范围在 1 36 1 39 之间 其大小主要取决于工质与气 1 n 缸壁的传热情况 因而也就受到下面一些因素的影响 1 转速大 热交换的时间少 向缸壁的传热量和气体泄露量减少 提高 1 n 2 负荷大 气缸壁平均温度高 使工质在压缩初期从缸壁接受的热量 较多 后期放热少 增大 1 n 3 气缸尺寸较大 传热损失少 增大 1 n 4 直喷式燃烧室 较高 1 n 5 较大 工质后期传热量大 泄露增加 使得下降 1 n 6 采用水冷方式 冷却强度大 较小 1 n 7 进气终了温度较高 工质在压缩过程中传热量大 综上所述 该机型取 1 36 1 n 六 平均多变膨胀指数 2 n 平均多变膨胀指数主要取决于后然的多少 工质与气缸壁间的热交 2 n 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 24 换及泄漏情况 凡是使后燃增加 传热损失减小 漏气减小的因素均使 减小 通常保持较高值可提高循环效率和内燃机工作可靠性 2 n 2 n 1 当混合气形成与燃烧不好时 后然增加 减小 2 n 2 转速增加时 后然增加 传热损失和漏气减少 则减少 2 n 3 负荷增加时 减少 2 n 4 气缸尺寸增大时 减少 2 n 5 气缸散热强烈时 增大 2 n 汽油机 1 20 1 28 该机型取 1 24 2 n 2 n 七 热量利用系数 Z 是一个用以反映实际燃烧过程中燃烧不完善 通道节流 高温分解 Z 和传热等损失大小程度的一个重要参数 它的数值主要受内燃机燃烧品质 的影响 凡是能改善燃烧过程和减少传热损失的因素和措施一般都有利于 的提高 例如 Z 1 排气门早开晚关 排气效果好 加上气门重叠 可取大些 Z 2 对低速汽油机而言 燃料损失小 可取大些 Z Z 3 采用顶置气门 热损失也较小 可取大些 Z 4 直喷式燃烧室 传热损失小 燃烧性能好 也较大 Z 汽油机 0 85 0 95 该机型取 0 9 Z Z 八 机械效率 m 一般四冲程车用汽油机 0 80 0 90 由于 XD474 机的润滑条件较好 m 磨损较小 齿轮齿条传动效率高 故可取 0 85 m 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 25 九 示功图丰满系数 i 是把实际循环中的时间损失和部分换气损失在理论循环中给予考虑 i 此值越小 表示时间损失和换气损失越大 的数值与转速 排气提前角 i 供油提前角 点火提前角等因素有关 一般取值范围在 0 92 0 97 之间 i 该机型取 0 95 i 十 最高燃烧压力 z P 汽油机 2 取值在 80 120 bar 由于是高速汽油机 应取较大值 Z P Z P 取 110 bar Z P 二 燃烧热化学计算 表 3 1 元素成分 重量 燃料自然温 度 K CH 0 化学计量 空燃比 低热值 kJ kg 辛烷值 RON 汽油493 5 33 0 850 145014 8 44171 439 61 80 97 1 理论所需的空气量 0 L kmol kg 3 0 110 8550 145 0 512 0 21 124320 21124 CHO L 1 2 新鲜空气量 1 M 486 0 512 0 95 0 01 LM 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 26 kmol kg 3 2 3 燃烧产物总量 2 M 512 0 95 0 792 0 2 145 0 12 855 0 792 0 212 02 L HC M 0 529 kmol kg 3 3 4 理论分子变更系数 0 3 09 1 486 0 529 0 1 2 0 M M 4 5 实际分子变更系数 3 08 1 08 0 1 08 0 09 1 1 0 5 四 换气过程参数的计算 1 取进气终点压力 barppa9 09 0 0 2 进气温升 则进气终点温度为 0 10TC a T 350 5 k 3 07 0 1 100007 0 10295 1 0 TTT Ta 6 3 充气效率 v 3 0 1 07 01 1 1 295 5 350 9 0 15 9 5 9 1 1 1 0 0 p T T p a a v 7 五 压缩过程的计算 1 选取平均多变压缩指数 1 36 1 n 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 27 2 压缩过程中任意点的压力 x cx p bar 3 36 1 9 0 1 cx a n cx a acx V V V V pp 8 式中 为点的气缸容积 cx Vx 3 压缩终点压力和温度 c p c T bar 3 23 195 99 0 36 1 1 n ac pp 9 K 3 3 7885 9 5 350 1 36 1 1 1 n ac TT 10 3 3 515273 cc Tt 11 其中 为压缩比 为进气终点压力 a p 为进气终点温度 a T 六 燃烧过程的计算 根据 9 5 采用 93 汽油 燃料平均元素成分和分子量 C 0 855 H 0 145 m 115kg kmol 根据门捷列夫公式计算燃料低热值 33 9C 125 6H 10 89 O S 2 51 9H W 43929 5 kJ kg u H 由于过量空气系数 0 95 因不完全燃烧而损失的热量为 u H kJ kg 3 3055161100 u H 12 1 压缩终点的空气平均等容比 热 v C 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 28 由 K 根据资料查得7 2 kcal kgmol 所以 3 788 c T p C 1 986 21 83 kJ kgmol 3 v C p C 13 2 压缩终点的残余废气平均等容比热 v C 由 0 95 和 K 根据资料查得 8 1 kcal kgmol 所3 788 c T p C 以 kJ kgmol 3 6 25986 1 pv CC 14 3 压缩终点的混合气平均等容比热 v C kJ kgmol 3 05 22 07 0 1 6 2507 0 83 21 1 vv v CC C 15 4 燃烧终点的温度 Z T 由公式 3 Zv cvuuZ tC u tC Mu HH 1 1 16 即 zvt C 08 1 3 51505 22 486 0 07 0 108 1 3055 5 439299 0 76022 2 kJ kgmol Zvt C 用试凑法求得 19 2390 z t 因此 K 6 2969 Z T 5 压力升高比 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 29 07 4 3 788 6 2969 08 1 C Z T T u 3 17 6 最高燃烧压力 z P bar 3 27 7823 1907 4 cz PP 18 七 膨胀过程的计算 选取平均多变膨胀系数 24 1 2 n 1 初期膨胀比 0 1 3 788 6 2969 07 4 08 1 c z T Tu 3 19 2 后期膨胀比 3 5 9 2 1 V V 20 3 膨胀过程中任意点的压力 x bx P 24 1 27 78 2 bx z n bx z zbx V V V V PP 3 21 式中 为任意点的气缸容积 bx Vx 4 膨胀终点的压力和温度 b P b T bar 3 8 4 5 9 27 78 24 1 2 n z b P P 22 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 30 K 3 1730 5 9 6 2969 124 11 2 n z b T T 23 1457273 bb Tt 0C 八 八 平均指示压力平均指示压力的计算的计算 i P 3 1 1 1 2 12 1 1 1 11 1 1 1 1 nn c i nn p P 24 i P3 15 5 9 1 1 136 1 1 5 9 1 1 124 1 07 4 0 15 9 23 19 136 1 124 1 bar bar 3 44 12 3 15813 0 iii PP 25 九 指示热效率 395 0 0 1 535 14 1 295 5 43929 512 0 95 0 314 8 314 8 0 v i s s u i P P T H L 3 26 十 指示比油耗 g kw h 3 47 207 395 0 5 43929 106 3106 3 66 iu i H g 27 十一 有效热效率和比油耗 3 316 0 8 0395 0 mie 28 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 31 g kw h 3 33 259 316 0 5 43929 106 3106 3 66 eu e H g 29 十二 平均有效压力和有效功率的校核 bar 3 954 9 8 044 12 mime PP 30 L 3 327 0 10 4 7674 2 6 2 2 S D Vh 31 kw 3 1 65 1200 6000954 9327 0 4 1200 nPiV P meh e 32 5 3 33 62 62 1 65 与给出的有效功率 Pe 62KW 误差不超过 5 热力计算的参数的选取基 本达到要求 与估算值也基本相符 第二节 动力计算 往复活塞式内燃机的特征之一是运动的不均匀性 虽然作为内燃机功 率输出主轴的曲轴 其转动也基本均匀的 但活塞连杆组运动极不均匀 伴随着很大的加 减速度 产生超重上千倍的惯性负荷 对受力件的强度 和耐久性影响很大 并导致振动和噪声 随着内燃机转速越来越高 动力 学的计算显得尤为重要 一 连杆机构运动学计算 在常用的中心曲柄连杆机构中 活塞 A 做往复直线运动 曲柄作旋转 运动 而连杆作平面运动 在现代高速内燃机中 在稳定工况下 可以认 为曲柄作匀速运动 其角速度为 式中 n 是曲轴转速 r min 30 n 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 32 图 3 1 活塞 中心曲柄机构简图 1 活塞位移x 3 2cos1 4 cos1Rx 34 由 得 278 0 6 3 1 l R 3 0 278 391 cos1 cos2 4 x 35 2 活塞速度v 3 aaR2sin 2 sin 36 式中 曲轴旋转角速度 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 33 rad s628 30 600014 3 30 n 则 m s 0 278 39 544 27sinsin2 2 aa2sin139 0sin53 21226 3 活塞加速度a 394384 2coscos 2 Ra 2cos278 0 cosaa 2 sm 3 27 二 曲柄转角 与气缸工作容积 的关系cxVbxV 1 031 0 15 9 263 0 1 s c V V 2 在曲柄转角 为时 气缸工作容积cxV 3 c cxV l r r D V 2cos1 4 cos1 4 2 28 031 0 2cos1 0695 0 cos1 4 103974 62 0 168 031 0 2cos10695 0cos 1 aa 三 压力与曲柄转角 的关系 1 吸气过程 0 180 大气压力 1bar 而吸气过程中气缸内为真空状态 热力计算中已确 k p 定进气时气缸压力为 0 9 0 9bar 则真空度为 a p k p 3 1 0 90 1 gaka pppbar 29 2 压缩过程 180 360 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 34 压缩过程的气体压力为 1 n cx a ac V V PP 其中气缸容积 L 3 30 294 0 263 0 031 0 sca VVV 则 3 31 1 296 0 9 01 0 n cx n cx a acge VV V pppp 式中 气缸在任意点的工作容积 cx V 2 1 cos1 cos2 44 cxc D R VV 由此计算出值后 代入上式求各 角的对应值 cx V gc P 3 膨胀过程 360 540 膨胀过程气体为 2 n bx c zb V V PP 则 3 1 1 2 n bx c zbgb V V PPP 32 式中 x 点的气缸容积 求法同 bx V cx V 4 排气过程 20 540 720 一般发动机的 1 05 1 2 作为功的损失来看并不大 又因 p p 0 p 为 XD474 汽油机发动机泵损失影响较少 因此取 r p bar 3 15 1 15 1 0 ppr 33 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 35 bar 3 15 0 0 ppp rgr 34 四 气体压力的修正 1 吸气过程的压力修正 由于吸气过程之初 气缸内的压力受排气终了压力的影响 不可能一 下就降到进气压力 0 9bar 气缸内的压力变化需要一个过程 所以吸气过程 之初的几个气体压力需要修正 2 膨胀过程气体压力的修正 由于排气提前 部分工质在活塞运行到下止点前就排出气缸外 使缸 内气体压力要小于计算值 所以这几组数据也要修正 3 排气过程气体压力的修正 虽然排气提前 气体压力比理论值要小 但还是比排气终点压力大 r P 因此 实际工作的气体压力降到也需要一个过程 这个过程中的数值也 r P 应加以修正 五 曲柄 活塞机构的受力分析 曲柄连杆机构中的作用力分为 气体作用力 惯性力 往复惯性力 g F 和旋转惯性力 合成力 F j F r F 1 气体作用力 g F 3 6 0 10 AppF gg 35 式中 MPa 为缸内绝对气压力 MPa 为大气压力 A g p 0 p 2 m 为活塞定投影面积 2 惯性力 往复惯性力 3 aarwmF jj 2coscos 2 36 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 36 旋转惯性力 3 2 2 mmrmF krr 37 式中 为活塞组质量和连杆集中在小头的当量质量之和 为曲轴组质 j m k m 量 连杆集中在大头的当量质量 2 m 3 气体压力与往复惯性力的合力 F F 3 g F j F 38 4 曲柄连杆机构作用力的分析 合成力 F 沿气缸轴线作用于活塞 活塞受力 F 分解为两个力 即侧压 力和连杆的压力 N F L F 3 tan FFN 39 3 cos F FL 40 式中 为连杆提前角 由三角关系可知 3 1 sin sin R L 41 连杆对曲轴销的作用力可分解为两个分 切向力 3 cos sin sin FFF Lt 42 径向力 3 cos cos cos FFF Lk 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 37 43 3 作单缸转矩 M 3 ra FrFM t cos sin 44 第四章第四章 XD474 凸轮轴专题设计 凸轮轴是配气机构中的主要驱动零件 必须正确设计 为此拟定如下 设计要求 1 正确配置各缸的进 排气凸轮的位置 保证内燃机正常运转 并且 能满足发动机功率 扭矩 转速 燃油消耗率 怠素和启动等各方面的要 求 2 使发动机具有良好的的充气性能 因而时间面值应尽可能大些 3 加速度不宜过大 并且连续变化 4 具有适当的气门落座速度以免气门和气门座的过大磨损和损坏 5 应使配气机构在所有工作转速范围内都能平稳工作 不产生脱离现 象和过大的振动 6 工作时噪声较小 7 应该使气门弹簧产生共振的倾向达到最小程度 8 应该使配气机构各传动零件受力和磨损较小 工作可靠使用期长 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 38 上述这些要求往往相互矛盾 必须根据发动机的具体要求 抓住主要矛 盾 协调各种因素 妥善解决 第一节 凸轮设计 一 凸轮设计的任务和要求 凸轮设计的主要任务是根据内燃机性能要求设计凸轮外形的轮廓曲线 凸轮外形的轮廓曲线决定着配气机构的通过能力 即时间 截面值和惯性力 的作用情况 对配气机构的工作能力和动力性能有着决定性影响 因此 合理设计凸轮外形轮廓曲线是配气机构设计的关键 从配气机构的基本工作任务出发 对凸轮设计有以下几点要求 1 能获得足够大的时面值 以保证气门通过能力 提高气缸充量效率 2 保证合适的配气正时 要顾及内燃机功率 扭矩 转速 经济性 低负荷运转及启动等方面的要求 3 正 负加速度不宜过大 最好不产生加速度突变现象 以免配气机 构各零件间作用力过大或产生冲击 从而保证机构工作可靠 使用寿命长 4 气门落座和开启速度不能太大 避免气门座合面及阀座过快磨损 5 工作中产生的噪声小 6 具有良好的工艺性 便于制造 内燃机配气凸轮外形轮廓线设计 可归纳为两种方法 1 根据对所设计内燃机分析和也有的经验 选定凸轮外形轮廓线 即 确定凸轮几何形状和挺柱形式 然后计算出挺柱运动规律 从而校验所选 定的凸轮几何形状是否满足设计要求 用这种方法设计的凸轮称为几何凸 轮 它由几段圆弧组成 2 从内燃机性能对气门通过能力和配气机构动力性能的要求出发 先 拟定挺柱的运动规律 而后求出凸轮外形轮廓曲线 用这种方法设计出的 凸轮称为函数凸轮 二 凸轮主要设计参数的选择 2 凸轮的主要参数有凸轮作用角 2 挺柱最大升程 基圆半径 0 max H 0 r 气门落座速度 凸轮最小曲率半径等 0 V 一 凸轮作用角 2 0 凸轮作用角指工作段所占凸轮基圆圆周角 它由配气正时要求决定的 可根据热计算初选决定通常配气正时是用曲轴转角表示的 应换算成凸轮 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 39 作用角 由于四冲程内燃机的凸轮轴转数是曲轴转速的一半 故 0 210 180 4 1 式中 进 排 气门提前开启角 曲轴转角 1 进 排 气门迟后关闭角 曲轴转角 2 取进气提前角 25 进气迟闭角 40 所以对进气凸轮有 1 0 2 0 0 0 25 614025180 4 1 取排气提前角 排气迟闭角 所以对排气凸轮有 0 1 60 0 2 20 0 0 652060180 4 1 二 挺柱最大升程 max H 挺柱升程与气门升程之间存在摇臂传动比 的比例关系 气门最大升 程与气门直径直接有关系 一般进气门的 0 26 0 28 排气门的 v d hmax 0 3 0 35 一般气门直径 0 32 0 5 D 取 v d hmax v d 0 4D 26 2mm v d 取进气门 0 27 则 0 27 7 07mm 取排气门 0 33 v d hmax max h v d v d hmax 则 0 33 8 646mm i 1 2 1 8 取 i 1 5 则进气门挺柱最大升程 max h v d mm 排气门挺柱最大升程 max H716 4 5 1 max h max H764 5 5 1 max h mm 三 基圆半径 0 r 它是根据凸轮轴直径决定的 而应保证凸轮轴具有足够的抗弯刚 c d c d 度和扭转刚度 对于整体制造的凸轮轴 为了保证加工凸轮外形和大修时 重磨凸轮的需要 应使基圆半径 0 5 2 3 mm 0 r c d 广西大学学士学位论文 XD474 汽油机设计 凸轮专题 40 一般 0 25 0 35 D 取 0 3D 20mm 取 20mm 则 取 c d c d c d 0 5 20 2 16mm 0 r 四 气门落座速度 0 V 气门落座速度对气门座合面及气门座的阀面磨损及密封性能有很大影 响 气门落座瞬间的速度和气门机构的运动质量大小决定了落座冲击力的 大小 不同气门材料 容许的气门最大落座速度值也不同 根据一般经验 应在下列范围 铸铁气门座 0 3 0 4 s m 钢气门座 0