4110型柴油机总体设计说明书及CAD图纸资料.doc

全套设计（图纸）加 401339828注：页眉，居中，楷体，五号。阅后删除此文本框。摘 要柴油机在现代动力机械中起着重要的作用。为了解和研究柴油机的总体结构及其动力性能，本次毕业设计涉及到“4110型柴油机总体设计”。文中详细地阐述了柴油机的机体组件、活塞连杆机构、配气机构、燃油系统、润滑系统、冷却系统、电气系统等七大系统的设计重点。理解柴油机工作原理、过程，并参照4110型柴油机原型及主要参数进行了柴油机的总体布局设计。通过热力、动力计算及使用情况的分析，对4110型柴油机提出了合理的建议并进行改进。经过改进，柴油机的动力性能和经济性能得以提升，以适应需求。此次毕业设计的选题意义在于提倡使用动力性能更好和节能环保的柴油机。关键词：4110；柴油机；总体设计；改进；性能AbstractDiesel engine plays an important role in modern power machinery. In order to make a further research of diesel engine, this paper is mainly concerned with the system design of 4110 type diesel engine. It is within the significant designing of airframe components、piston and crank mechanism、modified atmosphere mechanism、fuel system、lubricating system、cooling system and electrical system in detail. With the better understanding of diesel engine working principle and process or 4110 type diesel engine primary form and main parameters, the general layout design can be conducted as soon as possible. What is more, through the analysis of heat calculation、power calculation and uers feedback, reasonable suggestions for the 4110 type diesel engine are put forward and then improved. As a result, power performance and economic performance are enhanced to meet demand for use. The important significance presented in this paper lies in advocating to use better power performance、energy conservation and environmental protection in diesel engine.Key Words：4110; diesel engine; system design; improvement; performance目 录摘 要IAbstractII引 言1第一章 4110型柴油机的工作原理及应用范围4第二章 4110型柴油机的总体设计10第三章 4110型柴油机的结构设计133.1 机体组件设计133.2 曲柄连杆机构设计163.3 配气机构和进排气系统设计253.4 燃油系统设计323.5 润滑系统设计353.6 冷却系统设计383.7电气起动系统设计40第四章 4110型柴油机改进建议42结 论43参考文献44附录A 热力计算45附录B 动力计算55致 谢85专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧引 言柴油机是一种功率范围广、可适应各种不同要求的动力机，较汽油机相比较，有其突出的特点。比如：(1)具有较高的热效率，比汽油机高出30%，节约能源、降低燃料成本；（2）柴油机可以采用较大的缸径或较高的增压比来提高单缸功率；（3）功率大，寿命长，动力性能好，工作的可靠性和使用耐久性优于汽油机；（4）柴油机排放产生的温室效应比汽油低45%，一氧化碳与碳氢排放也很低。柴油机也有着其自身的劣势，如：由于最高燃烧压力高，结构比较笨重，转速低，加速较慢；燃烧比比较粗暴，噪声较大，且容易出现震动；排气微粒排放对人类健康产生很大威胁等。由于当前世界提倡低碳、环保、节能的理念，所以，为了节能，各国都在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染，都是柴油机的重要发展方向。目前，在燃烧与喷射技术、进气增压技术、多气门结构、电控共轨技术都取得了丰硕成果。本次毕业设计的内容是“4110型柴油机总体设计”。根据热力计算和动力计算来验证4110型柴油机各性能参数的正确性，通过分析其整体结构及各个系统的选型来验证其结构的合理性是本次毕业设计的设计依据。柴油机的设计方法是在热力计算和动力计算验证4110型柴油机各性能参数正确性的基础上，并根据柴油机主要零部件的位置关系及配合间隙大小和标准件及非标准件正确画法进行CAD绘图。4110型柴油机也存在动力性能和经济性能的缺点，建议和改进4110型柴油机的部分零件也是本次毕业设计的重点之一。如：提高4110型柴油机的额定转速可提高其动力性能，将额定转速提高到2000r/min，在增加额定转速的同时，活塞、连杆往复运动也随之增快，导致曲轴发生很大的扭转变形。为了避免曲轴产生强烈的扭转共振，因此柴油机曲轴自由端安装扭振减震器；4110型柴油机的进气管和排气管安装的同一侧，为了使进入气缸的空气不致受热而影响进气量，可将进气管和排气管分别安装在气缸盖的两侧等。4110型柴油机纵剖面图4110型柴油机横剖面图第一章 4110型柴油机的工作原理及应用范围一、柴油机工作原理1.柴油机曲柄连杆机构柴油机曲柄连杆机构的结构与原理如图1.1所示。它是由活塞、连杆、曲轴等所构成。活塞只能沿气缸直线往复运动。曲轴是由两个中心线不在一直线的轴所构成，其中一个轴安置在集体中心孔内，称作主轴。主轴只能在机体座孔内绕本身中心线转动。另一个通过曲柄与主轴连接在一起，称作连杆轴。连杆为两端带有孔的一直杆，一端与活塞相连；另一端与连杆轴相连。它随着活塞移动和曲轴旋转而进行摆动。当活塞往复运动时，通过连杆推动曲轴绕主轴中心产生旋转运动。活塞移动与曲轴转动是相互牵连在一起的。因此，活塞移动位置与曲轴转动位置是相对立的。活塞能达到的最上端位置，叫做上止点。此时活塞与曲轴主轴中心距离最远。活塞能达到的最下端位置，叫做下止点。此时活塞与曲轴主轴中心距离最近。活塞从上止点移动到下止点，或从下止点移动到上止点时，所走过的距离叫做活塞行程（又叫做冲程）。通常用字母S表示。曲轴没转动半圈（即180），活塞边移动一个冲程。若用字母r表示曲柄半径（曲轴的主轴中心到连杆轴中心间的距离），则即活塞行程等于两倍的曲柄半径长度当曲轴匀速转动时，活塞往复直线运动的速度却在不断变化着的。活塞移动到上、下止点位置时速度等于零，而在中间某一位置时速度最高。根据曲轴转速和活塞行程，求出活塞在一个冲程内速度的平均值，称作活塞平均速度（单位米/秒）活塞在气缸内往复运动的过程中，气缸内空间容积不断变化着。当活塞位于上止点位置时，活塞顶上面的空间叫燃烧室。这个空间容积叫燃烧室容积，用字母表示。活塞从上止点移动到下止点，它所扫过的空间容积叫做气缸工作容积，用字母表示，式中 D气缸直径（厘米） S活塞行程（厘米）活塞位于下止点位置时，气缸内的容积叫做气缸总容积，用字母Va表示，它等于燃烧室容积与气缸工作容积之和，即气缸总容积与燃烧室容积的比值，叫做压缩比，用字母表示，即压缩比表示了活塞从上止点移动到下止点时，气体在气缸内被压缩程度。压缩比越大，表示气体在气缸内被压缩得越厉害，压力和温度也升高得越大。同时压缩比也表明了燃气膨胀时体积变化倍数。压缩比是内燃机的一个重要参数。不同型式的内燃机，对压缩比的大小有不同要求。一般柴油机都要求较大的压缩比，=1220，而汽油机的压缩比较低，=6.510。而4110型柴油机的压缩比，=17。多缸内燃机所有气缸工作容积之和，叫总排量，有称发动机工作容积，如用字母表示，则 式中 气缸数综上所述，内燃机曲柄连杆机构的运动规律是：当活塞移动一个冲程时，曲轴旋转半圈（即180），气缸容积由最小变到最大（或由最大变到最小），当曲轴旋转一周时（即360），活塞完成两个冲程。2.单缸四冲程柴油机工作原理活塞连续运行四个冲程（即曲轴旋转两周）的过程中，完成一个工作循环（进气压缩燃烧膨胀排气）的柴油机，叫做四冲程柴油机。图1.2为单缸四冲程柴油机工作过程示意图。下面对照单缸四冲程柴油机工作过程示意图来说明它的工作过程：1） 进气过程将新鲜空气吸入气缸，提供燃料燃烧时所需要的氧气。燃烧1公斤柴油，理论上需要14.3公斤空气，但由于柴油与空气的混合总是很不均匀，为了是使柴油得到充分的燃烧，空气总是要供应的富裕些，1公斤柴油往往要供给20多公斤空气。2） 压缩过程将吸入气缸内的空气进行压缩，使其温度升高。对柴油机来讲，压缩后的空气温度，必须超过柴油的自然点温度（约大于350）3） 燃烧膨胀过程将燃烧喷入气缸，与氧发生急剧的氧化作用（即燃烧）将放出大量热量，使气体温度和压力急剧上升，推动活塞做功。4） 排气过程将膨胀做功后的废气排出，以便再吸入新鲜空气。上述过程周而复始地不断重复进行着，如此周期循环地工作，实现柴油机连续不断地运转。3.多缸四冲程柴油机工作原理多缸柴油机具有两个或两个以上气缸，各缸的活塞连杆机构，都连接在同一根曲轴上。4110型柴油机有四个气缸组成，各气缸的活塞连杆机构都与曲轴相连接。对每个气缸来讲，却又构成一个完整的单气缸，都按照前述单缸柴油机中各过程进行工作。但在同一时刻，每缸所进行的工作过程却不相同，它是根据气缸数目和结构排列方式不同，并按照一定的工作，使各缸工作过程相互间隔一定的曲轴转角。四冲程柴油机，曲轴转动两周（即720）的时间内，每个气缸都要完成一个循环。为了保证运转均匀性，必须使每缸的工作冲程均匀地分布在720曲轴转角内。若多缸柴油机有个气缸，则间隔角度应为：则四缸柴油机为：多缸柴油各缸发火顺序，可用气缸编号中间以短横线连接起来表示。4110型柴油机发火顺序为1-3-4-2。即表示：第1缸发火后，依次第3、4、2缸顺序进行。表1.1表示4110型柴油机各缸冲程交替顺序表。表1.1 4110型柴油机各缸冲程交替顺序表曲轴转角曲轴位置 各缸工作过程0180360540720（0）1 413422 32 3工作压缩进气排气1 4 1 4排气工作压缩进气2 32 3进气排气工作压缩 1 4压缩进气排气工作4110型柴油机的曲轴是由四个曲拐构成，各曲轴平面之间的相互夹角为180。当活塞1和4运行到上止点位置时，其中一个进入工作冲程；另外一个进入吸气冲程。在曲轴转过180时，则活塞2和3运行到上止点位置，如此循环，使四个气缸每隔180曲轴转角，交替进入工作冲程推动活塞做功。二、4110型柴油机应用范围4110柴油机可配以皮带轮、联轴器、离合器等作为农业排灌、发电机、电焊机、空压机、水泵、碎石机及建筑机械等动力；船用时，配上倒顺车离合器、减速齿轮箱后，可用作渔轮船动力，内河航运主机及轮船辅机。第二章 4110型柴油机的总体设计一、4110型柴油机总体布置4110型柴油机的机体为整体铸件结构，上端为气缸体部分，有四个气缸套座孔，呈直列式，座孔内装有湿式气缸套。机体下端为曲轴箱部分，设有五个主轴承座，曲轴支撑在此座孔内。连杆连接在曲轴的连杆轴颈上，连杆小头一端通过活塞销与活塞相连。活塞沿气缸套内孔上下移动，通过连杆带动曲轴旋转，构成柴油机的曲柄连杆机构。每个气缸套上端装有一个单体式气缸盖，将气缸套顶端密封，构成柴油机工作容积。气缸盖上装有气门组件、气门摇臂和喷油器等，外面用罩壳密封。油底壳倒挂在机体下方，将曲轴箱密封并贮存机油。机体的一侧装有凸轮轴，凸轮轴的前端装有正时齿轮，通过装在机体前端的齿轮系，由曲轴驱动凸轮凸轮轴转动。随着凸轮行程的变化，通过挺柱推动推杆上下移动，又由推杆推动气门摇臂控制着进、排气门的开启与关闭。由此构成了柴油机的配气系统。4110柴油机的润滑系统各部件，集中布置在机体的右侧。机油泵安装在自由端下方。油底壳内的机油经机油泵压出，经单向阀、调压阀、机油冷却器和机油滤清器，经主油道，然后通过机体内的油路，分别送往各摩擦表面，构成本柴油机机的润滑系统。从4110型柴油机的正面（设置高压油泵面）看，中间设置分配式高压油泵，4只高压油管分别联接各缸的喷油器，左面设置柴油滤清器，右边设置飞块离心全程式调速器和发电机，下面设置机油注入口。柴油机左面设置飞轮，飞轮上面设置仪表盘。柴油机的右面设置齿轮传动机构，皮带轮依靠V带带动发电机旋转。柴油机的后面设置机油冷却器，起动电机，机油滤清器以及进、排气管道。二、4110型柴油机结构特点由于4110型柴油机是高速柴油机，所以要求提高各部分零件的刚度和强度。例如，连杆小头横截面增大，整个气缸体采用曲面型设计，形成不断弯曲的波浪形，而不是简单的大平面。在气缸体的内壁和各缸之间的隔板上分别加加强筋和行架结构。在满足铸造要求的条件下，基本壁面要尽可能薄，减轻气缸体的重量，但局部要加厚，特别是在气缸体的上下平面和前后壁面要加厚。主要载荷尽可能直线传递，避免产生附加弯曲和扭矩。气缸体的过渡圆角要圆滑过渡，角度不能太小，不能为直角。柴油机的动力性能通过参数功率、扭矩、转速来体现，并且功率正比于扭矩和转速。增大扭矩或增加转速可提高功率，从而提高动力性能。柴油机的动力性能通过参数功率、扭矩、转速来体现，并且功率正比于扭矩和转速。增大扭矩或增加转速可提高功率，从而提高动力性能。柴油机经济性能柴油机的经济性能主要通过柴油每马力小时和机油每马力小时的耗油量来衡量。柴油平均每马力小时的耗油量为160，机油平均耗油量则为45。为提高柴油机经济性能，可通过以下方式提高：（1）进气量（即充气系数）空气滤清器有足够大的过滤面积，孔的大小及密度要合适；进气管道要有足够大的断面面积，曲率半径尽量要圆滑，表面也要光滑；进、排气门有足够大的面积，进气门直径应大于排气门直径；排气系统、消声器要合理，排气道必须弯道最少，表面光滑，以使空气畅通流出。（2）燃油供给系统增加供油量可通过增加喷油泵柱塞直径即可；喷雾质量要高，雾化效果好，射程足够。（3）配气系统改变凸轮结构，采用高次方凸轮；时间断面面积应最大；开启、关闭时间要适时。（4）减少功率损失，提高机械效率零部件间隙选择要合适；零部件的材料选择要正确，在保证强度、刚度、硬度的条件下，还要保证其磨合性能最佳；附件的选择要合适，比如：风扇直径、机油泵的大小等；润滑油选择要恰当。三、4110型柴油机性能参数气缸数目:4个；机器型式：水冷四冲程直列涡流式燃烧室；气缸直径：110；活塞行程：150；额定功率：60； 额定转速：1500；发火次序：1-3-4-2；压缩比：17：1；活塞平均速度：7.5平均有效压力：6.3；润滑油消耗率：5；燃油消耗率：200；喷油提前角：上止点前222； 润滑压力：1.53； 柴油机总重量：815；外形尺寸（长X宽X高）：1296 X 774 X 1102；配气定时：进气门-开：上止点前 204 关：下止点后404 排气门-开：下止点前604 关：上止点后104。第三章 4110型柴油机的结构设计3.1 机体组件设计机体组件包括机体（气缸体-曲轴箱）、气缸套、气缸盖、油底壳等零件，是柴油机的固定部分。一、 机体机体的主要功用：（1） 支承柴油机所有的运动件，使它们在工作时保持相互准确的位置；（2） 在机体上加工有水道和油道，保证各零件工作时必要的冷却与润滑；（3） 安装柴油机各辅助系统部件；（4） 作为柴油机使用安装时的支承，将柴油机固定在底盘或支架上。机体一般采用铸铁制成。气缸套嵌入机体内，在气缸套与机体壁之间行程冷却水套，通过机体上平面上的孔与气缸盖的水套相通。机体前端的箱体内安装传动齿轮和润滑油泵；后端则为动力输出端。喷油泵装在机体左侧（从飞轮端观察），在装喷油泵的座孔下面，有安装凸轮轴和滚轮轴的轴承孔。机体的左侧中部有两个进水孔，冷却水即由此引入，机体两侧都有盖板，揭开盖板可以检测曲轴连杆机构和轴承情况。图3.1 4110型柴油机气缸体的结构型式1气缸体气缸体部分作用是用来安装气缸套及其附件，要求其对气缸套有可靠的冷却条件。4110型柴油机采用水冷式柴油机气缸体，如图3.1所示。依靠流经气缸体内部的冷却水进行冷却。气缸体内部铸有冷却水腔。冷却水腔构成型式是整个气缸套座孔内为一整体空腔，与气缸套外壁构成一个环形空间。气缸体的顶部装有气缸盖螺栓，用作固定汽缸盖。为保证气缸盖可靠地密封，防止螺栓松脱，气缸盖螺栓与气缸体的连接都采用锁紧措施固定。2曲轴箱机体曲轴箱部分的主要作用是支承曲轴，使柴油机各运动件在工作过程中保持一定的相对位置。曲轴箱结构可分为悬挂式、龙门式、底座式。而4110型柴油机采用龙门式，龙门式的曲轴箱的主轴承座为一整体结构，与曲轴箱横隔板连成一体。曲轴安装是从机体轴向端面穿入。龙门式的结构特点是：刚性最好，结构紧凑，可大大缩短柴油机轴向尺寸，机体下平面的密封也最简单，但重量最重，并且曲轴拆装困难。曲轴箱为铸铁件。为保证主轴承座孔在工作时具有一定的几何精度，除要求主轴承座与盖具有足够的刚度外，还必须保持两者之间可靠地连接。因此，装配时主轴承螺母必须严格按照规定扭紧力矩旋紧。要使主轴承座孔保持必要的几何精度，除扭紧力矩的要求外，还要求主轴承盖具有可靠额定位，以防止位置发生错移。常见的主轴承盖定位方式有：侧面定位、套筒定位、锯齿面定位，本设计为侧面定位。二、 气缸套气缸套的主要功用：（1） 与活塞、气缸盖构成气体压缩、燃烧和膨胀的工作空间；（2） 作为活塞往复运动的导向面；（3） 向周围冷却介质传递一部分热量，以保证活塞组件和气缸套本身在高温、高压环境中正常的工作。气缸套的结构应满足以下要求：(1) 有足够的强度，能承受热负荷和机械负荷作用；(2) 内表面具有较高精度、光洁度和耐磨、抗腐蚀的能力；(3) 外表面对冷却水应有一定抗腐蚀能力；(4) 应保证对气缸工作容积及冷却水具有可靠的密封。气缸套一般采用高磷铸铁和球墨铸铁。气缸套的内壁为一光滑的圆柱面，具有较高的精度和光洁度。气缸套的上端有一凸缘作为气缸套安装定位用，安装时凸缘下端面与机体缸套座孔上端面应紧密贴合，上端面则与气缸盖下平面紧密贴合，在两贴合面中间加有垫片，以密封气缸工作容积及冷却水腔，如图3.2所示。气缸套外圆有上定位面和下定位面。上定位面直径略大，与气缸套座孔尺寸配合较紧密。下定位面与座孔配合较松，通常装有橡胶密封圈以密封冷却水腔，并减震，减少冲击力、磨损和穴蚀。三、气缸盖气缸盖压在气缸套上凸缘平面上，用气缸盖螺栓紧固在气缸体上。它的主要功用：（1） 密封气缸，与气缸套、活塞构成燃烧室空间；（2） 构成柴油机的进、排气通道；（3） 柴油机很多零部件安装在气缸盖上，如进排气门、气门摇臂、喷油器等气缸盖结构必须满足以下要求：(1) 具有足够的强度和刚度，以保证在气体压力和热应力作用下可靠地工作，并与气缸套接合面具有良好的密封性；(2) 气缸盖内的进排气通道应使气体通过时流动阻力最小；(3) 具有可靠的冷却，以保证安装在气缸盖上面的各零部件可靠地工作。气缸盖采用球墨铸铁制成。气缸盖结构型式分为单缸式，即每个气缸有一个单独气缸盖；双缸式，即每两个气缸共用一个气缸盖；多缸式，即没拍气缸共用一个气缸盖。4110型柴油机采用单缸式。气缸盖底平面压在气缸套上凸缘平面上，两者之间装有气缸垫，用以密封燃烧室。底面上有气门座孔，通过内部的气道，将燃烧室空间与大气相通。气缸盖内布置有冷却水腔，冷却水从气缸盖地步串水孔进入水腔，然后从气缸盖顶部回水孔流回散热水箱。四、油底壳油底壳的作用封闭曲轴箱，防止赃物进入柴油机机体内。同时，收集和贮存由柴油机各摩擦面流回的机油，以供润滑系统用。油底壳用钢冲压而成。油底壳结构简单，是由一个盆状薄壳体构成，上面装有防泡板、放油口以及用来检查油面高度的游标尺等。3.2 曲柄连杆机构设计曲柄连杆机构是由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮等部件所组成。一、活塞组活塞组由活塞、活塞环、活塞销等零件组成，如图3.3所示。活塞组的功用1） 与气缸套、汽缸盖构成气缸工作容积和燃烧室，依靠活塞上下移动，使气缸容积周期地改变着，从而实现柴油机的进气、压缩、膨胀、排气等过程。2） 承受燃气的压力作用，并通过连杆传给曲轴。3） 密封气缸，防止燃气漏入曲轴箱内，并阻止过多的机油窜入气缸内。活塞组的工作要求1）活塞承受着很高的气体压力作用，要求活塞应具有较高的强度。2）活塞组承受着往复惯性力的作用，要求活塞组在保证足够强度的前提下，尽量减轻重量。3）活塞组承受高温燃气的加热作用，要求受热后材料强度降低尽量小。4）活塞组沿气缸内壁高速往复运动，有承受连杆摆动运动时的侧压力作用，引起严重的磨损，要求活塞组各零件具有良好的耐磨性。1.活塞活塞用铝合金制成，装有三道气环和两道油环，第一道气环的圆柱形外表面镀多孔性铬，这样可使气缸套和活塞环的磨损大大地降低。有一道油环位于活塞销座的下面，油环环槽内钻有径向的导油孔，槽下倒角上也有斜油孔，都是引出润滑油用的。活塞结构如图3.4所示。铝合金的特点是：比重小，仅为铸铁的三分之一；导热性好，导热系数比铸铁高12倍；加工工艺性好；耐磨性好。其主要尺寸为：活塞总高度=130mm，压缩高度=70mm，火力岸高度h =20mm，活塞销直径d =38mm，活塞裙部的长度=80mm。活塞顶的工作可靠性，很大程度上取决于它的散热效果。活塞顶所吸收的热量主要是通过活塞环传给气缸套，再由气缸套外面的冷却水带走。此外还借助于飞溅到活塞内腔的机油带走一部分热量。有的活塞在顶部内壁上设有加强筋，一方面用以提高活塞顶的强度；另一方面又可使活塞顶散热面积增加。裙部是活塞往复运动的导向部分。由于连杆的摇摆运动，而产生活塞对其港币的侧压力。为使活塞裙部承受侧压力的两侧承压均匀，并使裙部与缸壁间保持最小而又安全的间隙，要求活塞在工作时必须具有正确的圆柱形。由于活塞结构厚度很不均匀，工作时在气体压力、侧压力和热负荷的作用下，活塞外形产生很大变形。从活塞高度方向来看，活塞顶部受到热负荷和气体压力作用大，变形也大，而裙部变形小；从活塞销座处来看，沿活塞销轴向的变形要比销轴垂直方向大得多。因此，为使活塞工作时，在上述负荷作用下发生变形后，形成正确的圆柱形，就必须在常温下将活塞加工成圆锥体形状，是变形较大的顶部尺寸比裙部小些,如图3.5所示；同时在活塞销座处，使变形较大的销孔轴线方向尺寸比垂直方向小些，形成一椭圆形。使活塞在外负荷作用下变性后，形成圆柱体形状。2.活塞环活塞环的功用：气环的功用是密封气缸，防止燃气漏入曲轴箱；比传送活塞顶部所吸收的热量。油环的功用是将气缸壁上过多的润滑油刮下，防止机油窜入燃烧室。活塞环的工作要求：活塞环在自由状态下外形不是整圆，而是比气缸直径大的开口环。它装在活塞环槽里，并随同活塞装入气缸内，依靠自身弹性保持着外圆工作面与气缸壁紧密贴合。工作时，活塞环受到高温燃气的而符合影响，特别是第一道气环，活塞所传递全部热量的4050要通过它传到气缸壁上去。高温使环的弹性和疲劳强度大大削弱。活塞工作环境的润滑条件又受到限制，使活塞环产生严重的磨损，并造成很大磨损功率损失，一般柴油机总摩擦功率损失有一半以上是由活塞环所造成的。因此，要求活塞环具有较高的密封性能；有利于磨合；有较强的抗熔着磨损能力。活塞环用特种铸铁制成，气环的截面呈矩形。油环的外表面有环形槽，槽底有穿通的开口，用来引出积聚在槽内的润滑油。环的开口都是直的，在将活塞装入气缸套时，活塞环开口在槽内的位置应该依次错开，互隔120，并且开口应避开销孔位置。3.活塞销活塞销的功用是连接活塞与连杆，将活塞承受的力传给连杆。活塞销承受着复杂的力的作用，这些力的大学大小和方向都在不断地改变着。它还受到活塞传来的高温影响，润滑条件又很差。因此要求活塞销具有很高的强度、韧性好、买模型好、重量轻。活塞销用低碳钢制成，表面渗碳淬硬。在取出和装入活塞时，要现将活塞放在水中加热到90120，然后用木锤轻轻敲进或敲出；不可强行敲打或硬压。活塞销两侧用挡圈锁住，防止其轴向移动。为了考虑到运转平稳，因此，在同一台柴油机中，各活塞重量相差不大于10克，连杆重量相差不大于20克。活塞销结构为一中空的圆柱体。外圆有很高的精度和光洁度，不允许有钻孔、开槽或出现梢纹、缺口现象，内控做成圆柱形、圆锥形或圆柱与圆锥组合形。活塞销的连接方式有三种：（1）活塞销固定在活塞销座上；（2）活塞销固定在连杆小头中；（3）活塞销浮动于销座及连杆小头中，称作浮动式活塞销。浮动式活塞销的连接方式特点：结构简单，工作中又能在销座中产生缓慢的转动，使磨损均匀，此外由于活塞销载荷分布均匀，可提高活塞销的疲劳强度。二、连杆组连杆是由连杆体、连杆盖、连杆螺栓、螺母、连杆轴瓦、小头铜套等部分组成，如图3.6所示。连杆的作用是连接曲轴和活塞，把作用在活塞上的力传给曲轴，将活塞的往复直线运动转变成为曲轴的旋转的运动。连杆在工作时进行着复杂的摆动运动，同时还承受着活塞传来的气体压力、往复运动惯性力和它本身摆动运动时所产生的惯性力的作用，这些作用力的大小和方向不断的变化着。因此，要求连杆应具备做够的强度和刚度。为了减轻惯性力的影响，应尽量减轻连杆的重量。连杆一般用中碳钢模锻或球墨铸铁制成。连杆的构造：1.连杆小头连杆小头是连杆与活塞销相连接的部分。它的作用是通过活塞销与活塞组相连，将作用于活塞上的气体压力和往复惯性力传递给连杆。工作时连杆小头在活塞销上作摆动运动。连杆小头一般都做成空心圆柱体形状，下端与连杆身连成一体。连杆小头孔中装有铜套，通常用铝青铜或锡青铜制成。连杆小头直径40。为减少连杆铜套与活塞销之间摩擦，要求铜套处必须具有一定润滑条件。常用有以下润滑方式：1） 飞溅润滑 在连杆小头上方或侧边钻有集油孔，曲轴箱内飞溅起的润滑油通过此孔进入衬套工作面，以供润滑。2） 强制润滑 在连杆杆身内钻有有空，将连杆大头与连杆小头连通，润滑油通过此孔从连杆轴颈处压送到连杆小头。2.连杆杆身连杆杆身是大头与小头之间的连接部分。通常都做成“工”字型截面的直杆。因为“工”型断面在同样断面面积下，抗弯性能最好，可获得较高的刚度与强度，并使连杆重量大大减轻。连杆长度240。当连杆小头铜套采用强制润滑时，一般在杆身工字截面内钻有油孔。3.连杆大头连杆大头是连杆和曲轴箱连接部分。包括连杆体上的大头部分以及连杆盖、连杆轴瓦、连杆螺栓等零件。连杆大头直径70。连杆大头一般都做成分开型式。连杆体上的大头部分与连杆盖组合在一起构成曲轴连杆轴颈的轴承。连杆大头剖分型式有两种1） 平切口型式 剖分面垂直于连杆中心线。2） 斜切口型式 剖分面与连杆中心线呈3060夹角。这种型式的优点是使连杆大头横向（与连杆中心线垂直方向）尺寸缩小，从而保证在较大的连杆轴径情况下，使连杆仍能从气缸套处进行拆装。4110型柴油机连杆大头剖分型式为平切口型式。连杆大头的两部分用连杆螺栓连接在一起。为保证两部分装配精度，在工作中不产生位置错移，除连接时要求螺栓按一定扭紧力矩上紧外，还要求具有可靠的定位。连杆大头切口定位型式与主轴承盖定位型式相同，常见有套筒定位、止口定位、锯齿面定位。连杆螺栓是承受负荷最严重的零件之一。经常承受着交变负荷作用，很容易引起疲劳破坏而断裂，因此连杆螺栓一般都采用韧性较高的优质合金钢或优质碳素钢制成。三、 曲轴组曲轴组的作用是把活塞往复运动变成旋转运动，将做那个用在活塞上的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和柴油机各辅助系统进行工作。其基本组件如图3.7所示。曲轴在工作时受到很大的气体压力和惯性力的作用，传递很大的扭矩，因此使曲轴受到数值很大而方向变化着的扭矩、弯曲、压缩和拉伸等周期性的交变负荷作用，引起曲轴的疲劳破坏和振动。同时曲轴轴颈与轴承间产生摩擦而造成严重的磨损。因此，要求曲轴具有足够的强性和刚度；轴颈表面应耐磨，保证良好的润滑条件；在使用转速范围内不发生扭转振动共振现象；具有良好的平衡，保证柴油机运转平稳；重量要轻。曲轴的基本组成：自由端、功率输出端、若干个曲拐所构成。曲拐是由轴颈、连杆轴颈和曲柄所构成。根据柴油机数目和排列方式不同，若干个曲拐按照一定的方位排列构成完整的曲轴。如图3.8所示。曲轴自由端（又称前端）是指曲轴第一个曲拐以前的部分，上面装有正时齿轮，轴端密封装置和柴油机辅助系统的传动装置（如风扇、水泵、发电机传动皮带轮）。高速柴油机上还装有扭振减振器。曲轴功率输出端（又称飞轮端）是指曲轴最后一个曲拐以外的部分，用来安装飞轮，并作为与被驱动机械连接用。此处也装有轴端密封装置。为增大主轴颈直径有利于曲轴扭转刚度的提高而且没有加大连杆和平衡块等副作用。一般取主轴颈直径大于曲柄销直径，故取主轴颈直径为77；而为减少轴颈变形所造成的轴承负荷不均性应适当缩短主轴领长度，故取主轴颈长度为50。曲柄销直径与连杆轴承比压、曲轴强度、刚度、连杆尺寸、曲轴旋转质量、曲轴扭振频率有关。因而取曲柄销直径为70，对于曲柄销长度则选45。曲柄臂厚度的增加使曲拐的弯曲强度加大，但增加曲柄臂厚度会减小曲柄销长度和主轴颈长度，考虑到弯曲强度和轴承比压间矛盾取曲柄臂厚度30。曲柄臂宽度120。综述，4110型柴油机采用的是整体式曲轴且是全支撑结构，其中曲柄销的直径和长度分别为和，主轴颈的直径和长度分别为和，曲柄臂厚度和宽度分别为和，曲柄圆角R=2。飞轮是一个具有很大转动惯量圆盘形零件，安装在柴油机曲轴上。柴油机工作过程中，当动转到燃烧膨胀冲程时，气体压力通过活塞、连杆推动曲轴旋转，而飞轮也被带动着转动。此时飞轮将一部分能量“储存”起来。当柴油机运转到三个辅助冲程时，飞轮便放出所“储存”的能量，使曲轴仍然保持原有转速，使柴油机运转保持较好的均匀性。飞轮用孕育铸铁制成，用六只螺栓紧固在曲轴后端的凸缘上。飞轮上套有启动齿圈，在启动柴油机时，与启动电动机的齿轮相啮合。在飞轮壳上设有检视窗和刻度准线，便于检查配气定时和喷油时间。曲轴结构型式可分为整体式与组合式两大类。整体式曲轴是将所有曲拐及自由端、功率输出端做成一个整体零件。它的优点是具有较高的强度和刚度、结构紧凑。重量轻。它的缺点是加工困难。组合式曲轴是将曲轴分成若干个零件，分别进行加工，然后组装在一起，构成完整的曲轴。它的优点的是加工方便，便于系列产品通用。缺点是结构刚度与强度较差，装配工作复杂。4110型柴油机采用整体式。主轴颈和连杆轴颈工作时都在轴承内高速地转动，并承受着很大的负荷作用，因此，表面要求具有很高的光洁度和精度，表面通常都进行淬火或氮化处理，以提高耐磨性。主轴颈与连杆轴颈一般都做成空心的，以减少曲轴的重量，提高曲轴自振频率。并可利用空心孔作为曲轴内部润滑油路。润滑油一般是由机体上的油道主轴承处，然后再通过曲轴内部的油道送到连杆轴颈上去。以连杆轴颈空心孔做为润滑油路，可利用李新作用使机油进一步进行净化。进入连杆轴颈孔的润滑油，随同连杆轴颈一起高速旋转，在离心力的作用下，润滑油中所含的较重的护体杂志和胶质物，被甩向内孔外侧，干净的润滑油则通过一短铜管从油口流到轴颈表面。曲柄与主轴颈、连杆轴颈的连接，是曲轴最关键的部位，因此此处结构形状变化突然，存在着严重的应力集中现象。曲轴断裂裂缝大多数都出现在这个部位。为减少曲轴轴颈与曲柄连接处的应力集中，提高曲轴的强度，连接处均采用过渡圆角连接，过渡圆角半径越大，应力集中现象则越小。但，过渡圆角半径增大，使轴承承压面积相应缩小，或使柴油机轴向尺寸加大。为解决这一矛盾，出现了内圆弧连接结构型式，即将连接圆弧凹入曲柄平面内，这样即可以使曲轴轴颈以较大半径圆弧与曲柄相连，又保证轴承具有足够的承压面积。为防止工作时曲轴产生轴向窜动，曲轴上均设有止推面，装置在机体的止推轴承内，使两者之间保持一定的配合间隙。4110型柴油机曲轴中间两个曲臂和前后两个曲臂装有平衡块，平衡块用两只螺钉紧固在曲柄上，这种结构的曲轴，经动平衡校正，可以减轻主轴承负荷，并使柴油机平稳的运转。3.3 配气机构和进排气系统设计配气机构是实现柴油机进气过程和排气过程的控制机构。它的作用是按照柴油机的工作次序，定时地打开或关闭气缸的进气门和排气门，使新鲜空气进入气缸，并把燃烧后的废气从气缸内排除出去。柴油机工作时，每一工作循环中，进气和排气过程所占时间极为短暂。高速柴油机在百分之几秒或千分之几秒的时间内就要完成一次进气或排气过程。配气机构的零件在急剧变化的速度下运动着，由于惯性作用，而受到很大的冲击力，同时还受到很高的热负荷作用和高温废气的腐蚀。对配气机构的主要要求是要有足够大的气体流通面积，保证适时地开启与关闭进排气孔，以使废气充分地排除干净，尽可能的吸进新鲜空气。并要求结构简单，工作可靠，调整维修方便。4110型柴油机配气结构采用气门式配气机构，它是由凸轮驱动气门来控制进排气过程。其由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门、气门弹簧和定时齿轮传动机构等所组成。如图3.9所示。一、气门组件气门组件包括气门、气门导管、气门弹簧和弹簧座及其锁紧装置等零件。1.气门气门的功用是控制进排气道的开启和关闭。分为进气门和排气门两种。气门工作时直接与高温燃气接触，受热特别严重，并且承受着频繁的冲击力。因此，对气门提出以下要求：（1） 具有足够的热强度，在高温下能够承受很大的冲击负荷作用。（2） 具有合理的外形和尺寸，对气流的阻力小，以增加充气效率。（3） 具有良好的耐磨性和抗腐蚀性。气门采用优质合金钢制造。由于进排气工作条件不同，故采用不同材料做成。进气门工作温度较低，采用合金结构刚。排气门工作温度高，采用耐高温的优质合金钢制成。气门结构由头部和杆部组成。如图3.10所示。杆部是气门运动的导向部分，用以保持头部锥面准确地与气门座面紧密贴合，因此，要求气门杆部和气门导管脾气和间隙很小，表面经过磨光。杆部顶端与摇臂接触，受到频繁的冲击力和摩擦作用，磨损严重，因此要进行淬火处理硬度在HRc50以上。进气门锥角选择30，排气门锥角选择45，这样有利于提高气门的刚度，当气门落座时有良好的自位作用，而且气门与气门座之间座合压力较大，有利于传热和密封。进气门直径为50，升程为12.5；排气门直径为42，升程为10.5。进、排气门阀盘厚=5 ，气门杆直径d=，头部厚度t=4，气门高h=110。气门冷间隙：进气门为0.30，排气门0.35。热间隙：进气门0.20，排气门0.20。气门杆部与头部之间采用大半径圆弧连接，一方面可减少气体流通阻力；另一方面可减少应力集中，提高气门强度。2.气门导管气门导管为以光滑的圆柱筒，外面有一凸肩。装在气缸盖内。气门导管的作用是做为气门运动的导向面，控制气门运动方向，保证气门准确地座落到气门座上，不致发生歪斜而造成漏气。气门所吸收的一部分热量，也要通过它传送出去工作时气门导管处的温度较高，可达250300，很容易形成积炭，而阻碍气门在导管中运动。导管中没有专门润滑油路供油，几乎在没有润滑条件下工作，因此要求气门导管应具有良好的耐磨性。气门导管一般采用铸铁或铁基粉末冶金制成。3.气门弹簧及其锁紧装置气门弹簧作用是：保证气门驱动机构不因运动质量惯性力使各构件在接触处分离；气门关闭时保持气门与气门座之间严密密封。气门弹簧受到频繁的交变负荷作用，容易造成疲劳破坏而断裂。对气门弹簧主要要求是应具有足够的弹力，出了能够克服气门机构惯性力外，还必须克服气门机构可能产生振动引起的附加载荷。另外还要求弹簧具有较高的疲劳强度。气门弹簧是用优质冷拔弹簧钢丝绕制成，表面进行抛光或喷丸处理，以提高它的疲劳强度。气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧，一个气门上装有两个气门弹簧（内弹簧和外弹簧），采用双弹簧可减少弹簧高度尺寸，降低弹簧应力，并且由于两个弹簧自振频率不同，又可防止共振造成断裂的危险，提高弹簧工作的可靠性。即使一个弹簧断裂，另外一个弹簧还可以支住气门，不致落入气缸内造成重大事故。两个弹簧制成不同旋向，以防止一根弹簧断裂后掉入另一弹簧圈内卡住。4110型柴油机锁紧装置是由卡块和弹簧座所组成。如图3.11所示。卡块为两个半锥体的组合件。弹簧座中间有一倒锥孔。弹簧座压在弹簧上，卡块嵌在气门杆上端槽内，弹簧座中间倒锥孔套在它外面，使其锁紧。二、气门驱动机构气门驱动机构是由凸轮轴、挺柱、推杆和气门摇臂等零件所组成。1.凸轮轴凸轮轴的作用是通过传动机件（挺柱、推杆、摇臂），准确地按一定时间控制气门的开启与关闭，保证柴油机按一定规律进行换气。凸轮轴是由若干个气门与排气凸轮和支承轴颈所构成，通常做成一个整体轴。凸轮轴用球墨铸铁制成，中心有油孔，润滑油由曲轴止推轴承流入油孔，经此通到各轴承。相邻两轴承之间有三个凸轮；分别管理近期、燃油供给和排气。凸轮轴工作时凸轮外表面与挺柱间呈线接触而不是面接触，它又受到传动机件冲击力作用，接触应力很大。因此，对凸轮轴的要求是凸轮表面具有较高的耐磨性，凸轮轴要有足够的韧性和刚度，能承受冲击载荷，受力后变形较小。凸轮轴通过支承轴颈在机体的轴承上。凸轮轴轴承通常都采用不可分的，凸轮轴是从机体的一端插入轴承内，因此支持轴颈尺寸都大于凸轮外形尺寸。为防止凸轮轴产生轴向窜动，在凸轮轴的一端（通常自由端）设有止推轴承。凸轮轴有铸铁轴承，前端轴承有凸缘，用以承受轴向力，凸轮轴承必须按记号成对装配。进排气凸轮的传动，经过推杆和气门摇臂，控制进排气的启闭时间。油泵凸轮的传动，推动滚轮轴上摇臂而使喷油泵供油。油泵摇臂可绕一偏心轴套摆动。轴套用键连接在滚轮轴上，转动滚轮轴就可以改变了摇臂和凸轮间的相对位置，从而改变了凸轮考试推动摇臂的时间，喷油泵供油时间也就得到调节。滚轮轴的尾端伸出机体外（飞轮端），扳动螺母套帽，可以调节喷油泵供油时间；向右转动螺母套帽（面对飞轮），供油时间就提前，向左侧延迟，出厂时已经调整为最佳位置，一般不必扳动，如在运动中，发现排气管冒黑烟严重，耗油不正常燃烧不良等情况，可适当进行调整，滚轮轴上的进排气摇臂与轴同心，所以滚轮轴的转动并不影响进气门的启闭时间。2.挺柱和推杆挺柱和推杆的作用是把凸轮的运动传到气门机构去，以控制气门的开启。4110型柴油机采用滚子挺柱。如图3.12所示。在挺柱下面装一个滚轮，使挺柱与凸轮接触面间由滑动摩擦变为滚动摩擦，以减少凸轮磨损，增加使用寿命。使用时，滚子轴承必须控制不使其绕自身轴线旋转运动，一般采用导向销钉来控制。3摇臂摇臂是推杆与气门间的传动元件。它的作用是改变推杆的运动方向，驱动气门启闭。4110型柴油机摇臂其中部圆孔内镶有衬套，通过摇臂轴支承在摇座上，并可以灵活转动。如图3.13所示。前后端一般为不等长的臂，长臂与气门接触，短臂则通过调整螺钉与推杆相接触。这样可借助推杆较小的移动而得到必要的气门移动距离。摇臂比为1.21.8。摇臂上加工有油孔，机油通过摇臂座上的油孔，达到摇臂轴内，一部分做为摇臂衬套润滑用；另一部分则通过摇臂轴内的油孔送到摇臂两端供传动元件润滑用。三、传动系统柴油机传动系统的功用是将曲轴的旋转运动传到各辅助系统（如凸轮轴、喷油泵、机油泵、水泵等），带动他们运转。如图3.14所示为保证柴油机各系统工作协调，有些辅助系统旋转速度和与曲轴相对位置要求保持严格的关系。因此，柴油机传动系统一般都采用齿轮传动，并通过齿轮啮合位置来保证曲轴和辅助系统之间的相互位置关系。凸轮轴前端装正时齿轮，由曲轴前端的主动齿轮经由惰齿轮传动，转速为曲轴之一半。安装齿轮时，必须对准各齿轮上的定时记号，方能保证正确的进排气门启闭时间和喷油泵供油时间。四、进排气系统进排气系统包括进气管、排气管、空气滤清器和消声器。如图3.15所示。进气管和排气管都安装在气缸盖左侧，分别与各缸进排气道相连。进气管一般是用钢板冲压焊接制或用铸铝、铸铁制成。排气管的排气温度很高，必须能够承受高温作用。排气管一般采用铸铁制成。空气滤清器为惯性油浴式。被吸入的空气中的灰尘杂质，在通过滤芯时被滤网阻住，于是保证了清洁的空气进入进气管。惯性油浴式空气滤清器油槽内的润滑油量，应保持在规定的油平面刻线处。油面太高会导致润滑油进入气缸内行程积炭，油面太低，就会降低滤清的作用。消声器是用以降低柴油机的排气噪声，并熄灭排气中的火花。3.4 燃油系统设计燃油系统由燃油箱、燃油滤清器、喷油泵、喷油器和燃油管组成。如图3.16所示。高置油箱里的燃油，可借其自身重力流入