发动机内燃机毕业设计说明书.doc

目录目录 摘 要 I ABSTRACT II 绪论 1 1 内燃机的热计算 3 1 1 充气过程参数 3 1 2 汽油机的指示参数 6 1 3 汽油机的有效参数 7 1 4 气缸基本尺寸 7 2 活塞和活塞销的设计 9 2 1 活塞的材料 9 2 2 活塞的结构设计 10 2 2 1 活塞的主要尺寸设计 10 2 2 2 活塞的裙部设计 14 2 2 3 活塞销座与活塞销的设计 20 3 连杆组的设计 24 3 1 连杆的设计 24 3 1 1 连杆的工作情况 设计要求和材料选用 24 3 1 2 连杆长度的确定 24 3 1 3 连杆的质量换算 25 3 1 4 曲柄连杆机构的最大惯性力 28 3 1 5 连杆小头的结构设计与强度 刚度计算 29 3 1 6 连杆杆身的结构设计和强度校核 32 3 1 7 连杆大头的结构设计 35 4 曲轴的设计 38 4 1 曲轴的结构型式和材料的选择 38 4 1 1 曲轴的功用 38 4 1 2 曲轴的结构型式 38 4 1 3 曲轴的材料 39 4 2 曲轴的受力分析 39 4 3 曲轴结构的基本尺寸设计计算 41 4 3 1 主轴颈 41 4 3 2 曲柄销的直径和长度 42 4 3 3 曲柄臂 42 4 4 曲轴的计算 43 4 4 1 名义应力的计算 44 4 4 2 曲轴圆角疲劳强度计算 44 5 气缸盖和气缸体的设计 53 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 1 5 1 气缸盖的设计 53 5 1 1 气缸盖的材料 53 5 1 2 气缸盖的散热 54 5 2 气缸体 55 5 2 1 气缸换气过程 56 5 2 2 气缸体的结构特点 59 6 调速器 61 6 1 调速器的功用 61 6 2 调速器的结构 61 6 3 调速器的工作原理 62 7 发电机 63 7 1 发电机的构造 63 7 2 工作原理 64 7 2 1 交流电的产生 64 7 2 2 发电机的磁场 64 7 2 3 输出电压的调节 65 结 论 66 参考文献 67 致 谢 68 文献综述 69 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 I 摘摘 要要 本文以通用汽油机 1E36F 的相关设计数据以及发电机的相关参数作为参考 对单缸二冲程汽油机的主要零部件进行了结构设计计算 并选取合适的发电机 设计出便携式的发电机组 首先 以运动学和动力学的理论知识为依据 笔者 对发动机的运动规律以及在运动中的受力等问题进行了分析 并得到了精确的 分析结果 然后分别对活塞和活塞销 连杆组 曲轴以及缸体进行详细的结构 设计 同时对结构强度和刚度进行校核 最后选取体积小 重量轻 携带方便 的发电机 关键词 关键词 便携式发电机组 发动机 发电机 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 II Abstract This paper which is based on the data of gasoline engine 1E36F and the generator calculates the data of the structural design which is about of main componnts of single cylinder two stroke gasoline engine then selects the appropriate generators and designs a groups of portable generators Firstly with the theories of the kinematics dynamics and thermal management calculation the author analyses some issues about the law of motion of the engine and the force in the movement and get accurate results Secondly the author does detailed structural design related to the piston and piston pin connecting rod group crankshaft and cylinder block and checks the structual strength and rigidity Finally the author selects the small size light weight and portable generators Keywords Keywords Portable Generators Engine Generator 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 III 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 1 绪论绪论 便携式发电机组已经越来越成为社会的一个研究重点 如何解决发电机组 输出电源频率受限制 发电机组系统效率低 重量大 成本高的缺点是一个难 题 通过设计 确定发动机总体结构和零部件结构 包括必要的结构尺寸确定 运动学和动力学分析 材料的选取等 以满足实际生产的需要 然后选取合适 的发电机 使其轻量化 在我们传统的发电机组的设计模式中 为了满足设计 的需要须进行大量的数值计算 同时为了满足产品的使用性能 须进行强度 刚度 稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算 同时要满足校核计算 对机 构运动学和动力学分析 我们可以清楚的了解内燃机工作机构的运动性能 运 动规律等 从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计 但是在过去 由 于手段的原因 大部分复杂的机构运动尽管能够给出解析式 却难以计算出供 工程使用的计算结果 不得不用粗糙的图解法求得数据 随着计算机的发展 可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程 从而形成机 械性能分析和产品设计的现代理论和方法 目前国内外对于便携式发电机组的研究主要是提高发电机组的电能质量 减小噪音 要减小噪音 首先就要对便携式发电机组的噪音源进行识别 而减 小发电机组的噪声源主要是用约束阻尼层处理和冷却风扇盖硬化处理 可有效 减小噪音级达 3dB 紧固消音器也可减少噪音组 要提高发电机组的电能质量 可以运用 FACTS 和电力新技术对发电机组的电能质量进行系统地综合补偿 携 式汽油发电机的控制模块也是一个研究的重点 在整流后进行功率因数校正 逆 变采用正弦脉宽调制技术 并通过增量式 PID 算法对油门开度进行闭环控制 而 要研究出真正便携式的发电机组 还需要使其体积小 重量轻 携带方便 这主 要采用轻量化设计 采用现代工艺的特种材料 设计最为合适的外形 对便携式发电机组的设计主要包括下面的设计内容 1 对设计所给的参数进行热计算 确定发动机的冲气过程参数 压缩过 程参数 燃烧过程参数 指示参数 有效参数 最后确定气缸的基本尺寸 2 对发动机的各个主要零部件 活塞与活塞销 连杆组 曲轴组 缸体 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 2 等进行结构尺寸确定 运动学和动力学分析 材料的选取 然后对主要设计零 部件进行结构强度和刚度的校核 3 确定了发动机的主要尺寸以后 我们要选取合适的发电机 要与发动 机相配合 满足结构上的要求 此外还要使其体积小 重量轻 携带方便 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 3 1 1 内燃机的热计算内燃机的热计算 内燃机的热计算 根据热力循环的计算公式 计算内燃机各热力参数 指 示参数和有效参数 4 热计算的作用 可以预先绘制理论示功图 进行内燃机的动力和强度计算 确定应选取的气缸尺寸和气缸数目 验证在内燃机调试中所测出的各项参 数与热计算得出的参数相符合的程度 再对不合理的参数进行调整 提供可比 较的依据 热计算的局限性 但是内燃机学还是一门半经验性的科学 热计算的结果 与实际情况常有很大的差别 热力过程计算 1 1 充气过程参数 1 压缩始点温度 KTTa293 0 2 缩始点压力 MPaMPappa1013 0 1013 0 0 10 1 0 3 充气系数 962 0 02 0 1 1 1013 0 1013 0 293 293 5 5 4 5 1 1 1 rk a a k v p p T T 压缩过程参数 4 平均多变压缩指数 1 8 1112930025 0 26 19 135 8 1 315 8 1 11 1 11 nn a bTa n 式中 a b 常数 对于空气 忽略残余废气 a 19 26 b 0 0025 第一次试算 式 1 等号右端代入 n1 1 37 得 n1 1 0 387 第二次试算 式 1 等号右端代入 n1 1 387 得 n1 1 0 386 第三次试算 式 1 等号右端代入 n1 1 386 得 n1 1 0 386 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 4 最后得 n1 1 386 5 压缩终点温度 KKTT n ac 6037 5293 1386 1 1 1 6 压缩终点压力 MPaMPapp n ac 04 14 51013 0 386 1 1 燃烧过程参数 7 燃料燃烧所需理论空气量 燃料空气 kgkmol OHC L 56 0 3241221 0 1 0 8 燃烧所需得实际空气量 燃料空气燃料空气 kgkmolkgkmolLL 756 0 56 0 35 1 0 9 理论分子变化系数 0473 1 65 1 0639 0 1 0639 0 1 0 10 实际分子变化系数 046 1 1 0 r r 11 z 点烧去的燃料质量 868 0 76 0 66 0 b z z x 12 z 点处分子变化系数 0403 1 1 1 1 0 z r z x 13 z 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容 式中 0036 0 47 20 0025 0 26 19 00323 0 89 19 064 0 1 1064 1 dcdTcc babTac T cc c zv zv z zr vrzrvrz vpmz 14 b 点燃烧产物的平均摩尔比定容热容 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 5 式中 0036 0 47 20 0025 0 26 19 00333 0 17 20 064 0 1 11064 1 dcdTcc babTac T cc c bv bv b r vrvr vpmb 15 z 点燃烧产物的平均摩尔比定压热容 z zvpmzppmz T Tcc 00323 0 375 28 315 8 00323 0 06 20315 8 16 燃料发热量 kgkJccLHH vvpmbruu 443802931 17 压力升高比 365 3 04 1 5 3 c z p p 18 cyz 段的燃烧公式及求最大燃烧温度 2 0000323 0 375 28 63488 1315 8 315 8 0 z z zppmzrzcvpmbrcv uz T T TcTcTc L H 化简后 得 第一次试算 取式 2 等号右端的 1979K z T 得 1824K z T 第二次试算 取式 2 等号右端的 1824K z T 得 1852K z T 第三次试算 取式 2 等号右端的 1852K z T 得 1847K z T 第四次试算 取式 2 等号右端的 1847K z T 得 1847K z T 最后取 1847K z T 膨胀过程参数 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 6 19 后膨胀比 217 5 035 1 4 5 20 求多变膨胀指数 n2及膨胀终点温度 Tb zb 膨胀线上的后燃公式 KTT TcTc L H TT n nn z zb bvpmbzvpmz b z r zbu bz b z 11 2 22 507 5 1 0403 1 046 1 1847 1 1 315 8 1 化简后 得 第一次试算 取 Tb 1220K 得 n2 1 0 216 Tb 1282K 第二次试算 取 Tb 1282K 得 n2 1 0 211 Tb 1290K 第三次试算 取 Tb 1290K 得 n2 1 0 21 Tb 1294K 第四次试算 取 Tb 1298K 得 n2 1 0 21 Tb 1294K 最后取 Tb 1294K n2 1 21 22 膨胀终点压力 MPaMPa p p n z b 444 0 507 5 5 3 21 1 2 1 2 汽油机的指示参数 23 理论平均指示压力 有效行程为准 MPa MPa nn p p nn c i 832 0 4 5 1 1 1386 1 1 507 5 1 1 121 1 1365 3 4 4 13 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1386 1 121 1 1 1 1 2 12 24 实际平均指示压力 全行程为准 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 7 98 0 749 0 98 0 113 4 55 61013 0 444 0 14 5826 1 1 1 示功图丰满系数 式中 MPa ppp p abi i 25 指示油耗率 74 254 749 0 293756 0 95 28 1013 0 962 0 10254 1 10254 1 7 7 hkWg pLT p g ik kv i 26 指示热效率 323 0 103600 3 ui i Hg g 1 3 汽油机的有效参数 27 汽油机总机械效率 75 0 75 0 汽油机机械效率 式中 mEmE mEm 28 柴油机平均有效压力 MPapp mie 562 0 75 0 749 0 29 汽油机有效油耗率 hkgg g g m i e 653 339 75 0 74 254 30 有效效率 238 0 317 0 75 0 mie 1 4 气缸基本尺寸 活塞行程 005 0 6000 3030 mc c n c s m mm 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 8 取气缸的缸数 i 1 i 2 列表并比较各组数据后 取 i 1 6 4m s S 0 032m D 0 036m 及 S D 0 89 的一组数据 m c 将气缸直径圆整 取 D 0 036m 得 sm Sn c DS m nipD N S m e e 4 6 30 6000032 0 30 89 0 36 32 032 0 6 15286 2 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 9 2 2 活塞和活塞销的设计活塞和活塞销的设计 活塞是摩托车发动机的重要零件之一 它在高温高压下工作 承受很大的 热负荷和机械负荷 工作过程中活塞与活塞环 气缸不断地发生高速摩擦 由 于润滑条件差 摩擦损坏大 磨损严重 活塞的设计与制造对发动机的动力性 能 经济性能 使用方命 噪声与振动以及废气污染都有重要影响 活塞的设计应重点解决的问题是 1 改善活塞顶及第一环的 作条件 防止顶部热裂 环槽的过度磨损 2 改善活塞销和销座的实际承载能力 减少磨损 防止破裂 3 设计合适的裙部外形 提高裙部承载能力 减小配缸间隙 改善磨 损 并使运转平稳 活塞项吸收的热量约占燃料总发热量的 2 4 经活塞环传给气缸壁的 热量占 70 80 经活塞本身传给气缸壁的热量占 10 20 而传给曲轴箱 空气和机油的仅占 10 左右 铝合金活塞的温度应保证某些部位不超过下列数 值 活塞顶 375 第一环槽 180 220 活塞顶内表面 250 活塞销座 180 2 1 活塞的材料 根据上述对活塞设计的要求 活塞材料应满足如下要求 1 热强度高 即在高温下仍有足够的机械性能 使零件不致C 400 300 损坏 2 导热性好 吸热性差 以降低顶部及环区的温度 并减少热应力 3 膨胀系数小 使活塞与气缸间能保持较小间隙 4 比重小 以降低活塞组的往复惯性力 从而降低了曲轴连杆组的机械 负荷和平衡配重 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 10 5 有良好的减磨性能 即与缸套材料间的摩擦系数较小 耐磨 耐蚀 6 工艺性好 价格低廉 在发动机中 灰铸铁由于耐磨性 耐蚀性好 膨胀系数小 热强度高 成 本低 工艺性好等原因 曾广泛地被作为活塞材料 但近几十年来 由于发动 机转速日益提高 工作过程不断强化 灰铸铁活塞因此比重大和导热性差两个 根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰 铝合金的优缺点与灰铸铁正相反 铝合金比重小 约占有灰铸铁的 1 3 结构重量仅占铸铁活塞的 因此其惯性小 这对高速发动机具有重大 70 50 意义 铝合金另一突出优点是导热性好 其热传导系数约为铸铁的倍 使4 3 活塞温度显著下降 对汽油机来说 采用铝活塞还为提高压缩比 改善发动机 性能创造了重要的条件 共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料 既可铸造 也可锻造 含硅 9 左右的亚共晶铝硅合金 热膨胀系数稍大一些 但由于铸造性能好 适 应大量生产工艺的要求 应用也很广 综合分析 该发动机活塞采用 ZL109 铝硅合金材料铸造而成 铝合金的化学成分对材料的性能有很大的影响 Si 使材料的线膨胀系数下 降 耐磨性 硬度 刚度和疲劣强度提高 但是 过共晶合金中 由于 Si 的含 量大 已超过共晶点 合金的熔点不断提高 使得铸造流动性变差 另外含硅 量增大使合金容易产生偏析 粗大的粗生硅使毛坯又硬又脆 强度低 机械加 工困难 提高铝合金的力学性能主要是依靠固熔强化 沉淀硬化 晶粒细化等 措施 Mg Cu 在铝中的固熔度较高 固熔效果较好 能够提高合金的韧性及疲 劳强度 Mg Cu 有很好的沉淀硬化效果 沉淀过程中能形成均匀 弥散的过渡 相 这种过渡相在基体中能造成较强烈的应变场 提高对位错运动的阻力 Cr Ti Ni 等元素虽然固熔度较低 但是可以改进合金的晶粒结构 沉淀过程 或形成新相 提高铝合金的使用性能和工艺性能 Mn Cr Ti 等元素溶于基体 能强烈地提高其再结晶温度 当弥散第二相质点析出时 可以有效地阻止再结 晶过程及晶粒长大 通过细化晶粒和使合金保持再结晶组织 可使材料的机械 强度提高 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 11 2 2 活塞的结构设计 2 2 1 活塞的主要尺寸设计 活塞的主要结构尺寸见图 2 1 图 2 1 活塞的主要结构尺寸 1 压缩高度 1 H 压缩高度 H1 决定活塞销的位置 取决于火力岸高及环带高度 H3 在 1 H 1 H 保证活塞环良好工作条件下宜缩短 以求降低活塞的总高 H 二行程发动机 1 H 活塞压缩高度 0 48 0 63 D 四行程发动机活塞压缩高度 1 H 0 45 0 57 D 我们要设计的发动机是二冲程发动机 前面的设计中我们 1 H 已经知道了发动机的 D 36mm 取 0 5D 18mm 1 H 2 火力岸高度 4 H 火力岸高度决定第一道环的热负荷 应根据活塞的热负荷决定 使 4 H 4 H 第一环的工作温度不超过允许极限值 同时 在保证第一环工作可靠的条件下 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 12 尽量缩小 以求降低活塞的高度和质量 4 H 四冲程发动机 0 07 0 10 D 4 H 二冲程发动机 0 046 0 085 D 4 H 二行程发动机火力岸高度比四行程发动机小 是为了保证发动机有足够大 的有效行程 然而将导致第一环热负荷的加重 这是设计中应该特别注意的 则 0 05D 0 625 32mm 2mm 4 H 3 环带高度 3 H 环带高度取决于环的数目及环的轴向高度 四行程发动机采用二道气环 3 H 一道油环 二行程发动机多数采用二道气环 有的甚至采用一道气环 环的轴 向高度气环为 1 2 1 5mm 高强化的汽油机有的为 0 8 1 0mm 油环的高度为 2 2 5mm 环岸的高度 b 要求有足够的强度 一般取 b1 1 5 2 5 b2 1 2 1 c 2 c 因为是二冲程发动机 我们只采用两道气环 1 2mm 而 1 c 2 c b1 1 5 1 2 1 8mm 那么环带高 4 2mm 3 H 4 活塞总高度 H 活塞的总高度 H 决定于活塞的质量以及往复运动的惯性力 影响活塞裙部 的承压面积 四行程汽油机 H 0 8 1 0 D 二行程汽油机 H 1 0 1 3 D 此发 动机的 H 1 0D 32mm 活 5 塞顶部厚度 活塞项部厚度应根据活塞顶的应力 刚度以及散热要求来决定 0 06 0 10 D 二行程发动机热负荷高 取上限 四行程发动机机值 大多数取下限 此发动机 0 10D 3 2mm 活塞顶的设计首要原则是有足够的传热截面 这 原则满足后顶部的机械 强度 般也是足够的 摩托车汽油机活塞顶部的设计追求热流型 其作用是控 制活塞的热流分规律 控活塞的温度的分布规律 使活塞各部位的温度均在允 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 13 许的极限之内 热流型活塞的形状通常是从中央到四周厚度逐渐加大 且具有 足够大的过渡圆角 6 活塞环槽设计 活塞环槽设计包括环槽断面形状设计和选择活塞环与环槽的配合间隙 活塞环槽的断面形状见图 2 2 环槽底部设计圆角 R 0 2 0 5mm 我们取圆角 R 0 3 圆角尺寸不仅要保证 圆角处不产生过大的应力集中 又要保证活塞环在环槽中有径向运动的空间 环槽必须有适当的倒角 一般为 0 2 0 5 取倒角为 倒角过 45 453 0 小 当环岸出现毛刺时可能卡住活塞环 引起漏气量增加 倒角过大会使活塞 环漏气量加大 环槽的行为精度也会影响发动机的漏气量 环槽上下两平面 0 63um 第一环槽平面的平面度在全部圆周上不大于 0 007mm 其他环槽平 a R 面的平面度在全部圆周上不大于 0 010mm 活塞环槽平面母线对裙部轴线的垂 直度 当环槽呈蝶形向上倾斜时不大于 25 0 07 当环槽呈伞形向下倾斜时不 大于 25 0 03 梯形环槽除外 环槽平面对裙部轴线的圆跳动不大于 0 05mm 底径表面对裙部轴线的圆跳动不大于 0 15mm 图 2 2 活塞环槽断面形状 环槽的侧隙过大 会加剧环对环槽的冲击 加剧环槽的磨损 影响活塞 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 14 的可靠性从寿命 侧隙过大还将引起发动机漏气量增加 侧隙过小 环槽内油 泥将积存引起活塞粘着烧坏 侧隙的参考值见表 2 1 由于此发动机为强制 风冷 缸径为 32mm 则第一道气环侧隙取 0 07mm 第二道气环侧隙取 0 03mm 背隙取为 0 5mm 表 2 1 环槽侧隙参考值 环槽的背隙比较大 以免环与槽底圆角干涉 一般气环约为 0 5mm 左右 油环更大生 发动机的漏气量还与活塞头部与气缸之间的间隙有关 活塞头部配缸间隙 应尽量小 但又不希望在大负荷工作时头部与气缸接触 2 2 2 活塞的裙部设计 活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞 活塞的裙部设计 应保证裙部的贴合面积和良好的润滑条件 应保证发动机在不同工况下具有最 小的活塞间隙 1 1 活塞横截面形状 活塞在气体压力和侧压力作用下的变形 以及活塞温度场的不均匀而产生 的热变形 均使活塞裙部沿活寒销轴线方向变长 如图 4 3 所示 同时 气缸 在侧压力的作用下的变形是沿活塞销轴线方向缩短 为了适应这种变形 需要 将活塞裙部设计成椭圆 保证活塞有足够的承压面积 防止活塞被拉毛或过度 磨损 常用的椭圆规律有 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 15 图 2 3 活塞裙部变形 图 2 4 活塞裙部单椭圆规律 1 单椭圆规律 单椭圆规律可以下式设计 单椭圆规律活塞裙部形状如图 2 4 所示 2cos1 4 dD e 式中符号见图 2 4 为裙部削薄量 e 为裙部椭圆度 dD 2 双椭圆规律 双椭圆规律按式下式设计 4cos12cos1 4 k dD e 式中 修正系数 k 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 16 修正系数 的作用是为了调整活塞裙部横截面的形状 当 0 时 裙部形kk 状为单椭圆规律 当 0 时 裙部削薄量增加 活塞变瘦 当 0 时 裙部kk 削薄量减少 活塞变胖 3 椭圆度 5 椭圆度的具体数值对于不同的发动机很不相同 推荐为 0 16 0 24mm 左右 椭圆度与气缸间隙也有关系 设计中应该仔细选取 裙部椭圆度不足 可能导 致活塞卡死 椭圆度过大会使活塞裙部与气缸的实际接触面积减小 磨损拉毛 的倾向加大 活塞椭圆度沿高度有变化和不变化两种 如图 2 3 图 2 4 所示 椭圆度 不变的活塞 工艺及检验均简单 但在圆周上接触宽度不等 通用机发动机活 塞大多数采用变椭圆活塞 此处活塞采用变椭圆活塞 在这个圆周范围内我们只需计算一个 范 0 0 0 90 围内来考虑 在 时我们取椭圆度为 0 16 时我们取椭圆度为 0 0 0 60 0 60 0 90 0 20 计算单椭圆规律来计算 计算结果如下 emm 0 0 0 0000 0 10 0 0024 0 20 0 0094 0 30 0 0200 0 40 0 0330 0 50 0 0470 0 60 0 0600 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 17 0 70 0 0880 0 80 0 0970 0 90 0 1000 2 活塞侧表面形状 活塞侧表面形状的设计需要合理地解决以下问题 1 适应活塞工作时沿高度方向不同的热膨胀 使活塞工作中有良好的热态形 状 2 适应活塞的住复运动 使活塞工作中在裙部与气缸间形成一双向楔形油膜 楔形油膜将产生流体动压力 使壁面间油压开高 裙部具有较高的承载能力和 良好的润滑条件 改善裙部与气缸间的摩擦与磨损 3 使活塞与气缸间有较小而又安全的配缸间隙 保证活塞与气缸能够稳定可 靠地工作 图 2 3 描述了活塞形状的设计思想及形状的演变过程 图中 a 所示活塞火 力岸形状为一正圆柱 环区为正圆柱 裙部为椭圆柱 而且椭圆度沿高度没有 变化 b c 所示活塞头部为一正圆台 裙部为椭圆柱 不向的是 b 中椭圆度没 有变化 c 中椭圆度是变化的 D 中活塞头部为正圆台 裙部形状为凸形 且椭 圆度是变化的 图中虚线表示销孔轴线方向形状 实线表示垂直于销孔轴线方 向形状 活塞侧表面形状设计首先必须研究活塞侧表面温度沿高度方向的分布规律 如果已知活塞裙部上端的温度 且假定温度沿活塞裙部高度方向不变 那 么 活塞裙部侧表面形状则为 a 由于实际活塞裙部上端的温度比下端的温度 高 按照这种温度分布设计的活塞裙部的配缸间隙一定比较大 如果已知活塞裙部上端与下端的温度 且假定温度分布规律为线性变化 那么 活塞侧表面的形状为 b 这种温度分布规律与 a 比较实际温度分布规律 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 18 较为接近 其配缸间隙可以小些 图 2 5 活塞型线实例 图 2 6 活塞侧表面形状设计 如果活塞纵向的温度分布规律用下式表示 mh eTT 为活塞裙部上端的温度 这种温度分布规律比较接近实际情况 如 T0 h 果认为铝合金上的线膨胀系数在 120 250内变化不大 则活塞的膨胀量仅与C 温度成正比 令活塞裙部上端处的径向缩减量为 则 mh h e 式中 为裙长 h 处的活塞径向缩减量 h 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 19 系数 m 值与活塞的温度分布规律有关 要准确的知道 m 值 只有深入地研 究活塞的温度分布规律 按上式所示的规律 活塞工作时在热负荷的作用下将变成正圆柱 假定气 缸在工作时没有变形 也为正圆柱 根据流体动力润滑理论 此时 活塞裙部 与气缸间不能形成楔形油膜 实现流体动力润滑 因此 活塞侧表面形状设计 中应使活塞在工作中也呈凸形 保证裙部有良好的润滑条件及较高的承载能力 考虑流体动力润滑效应后活塞侧表面形状如 d 所示 这种形状可以在上式 中加以修正 得到理想的裙部型线 也可以用抛物线近似 图 2 5 所示 采用凸形变椭圆活塞裙部可以把活塞的配缸间隙控制在较小的满意范围之 内 1 3 活塞与气缸的配合间隙 活塞各部位与气缸之间的间隙是不同的 最重要的是活塞顶部大的间隙和 垂直销孔上的裙部间隙 减小活塞顶部的间隙可以降低活塞头部及第一环的热 负荷 减小裙部的间隙可以降低发动机的噪声 但是 设计中如果间隙过小 也容易引起活塞的损伤和拉缸 活塞间隙与发动机的强化程度 活塞的热负荷 活塞的材料 热处理规范 及活塞外形等因素有关 3 活塞顶部间隙 共晶铝合金约为 0 006D 过共晶铝合金约为 0 0055D 活塞裙部间隙 风冷铸铁气缸约为 0 00116 0 00 1 67 D 镶铸铁缸套的铝缸约为 0 00083 0 00116 D 镀铬铝气缸约为 0 00050 0 00083 D 活塞采用过共晶铝硅合金时取下限值 式中 D 为气缸直径 此发动机材料我们选共晶铝合金 则其活塞顶部间隙为 0 006D 0 192mm 我们取为 0 2mm 活塞裙部间隙取为 0 0012D 0 0384mm 我们取为 0 04mm 活塞的配缸间隙是活塞设计中的难题 必须经过反复以验 才能确定最佳 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 20 的配缸间隙 2 2 3 活塞销座与活塞销的设计 活塞工作时顶部承受很大的气压力 这些力通过销座传给活塞销 再传给 连杆 活塞销座和活塞销的设计必须保证足够的强度 足够的承压强度和耐磨 性 1 活塞销与销座的结构设计 典型的汽油机活塞销座设计方案如图 2 6 所示 图 2 6 活塞销座设计方案 活塞销座在裙部的位置一般为 0 6 0 65 H 发动机转速不断提高 2 H 而活塞的总高和压缩高度又不断的降低 使活塞销座外侧上边缘至活塞顶面的 距离越来越小 设计中应尽量加大这一距离 提高销座的柔度和承载能力 此 处我们取 0 6D 19 2mm20mm 活塞销的外直径 取 2 H Dd 3 0 25 0 1 活塞销的内直径 取mmd1036277 0 1 12 75 0 65 0 dd 活塞销长度 取mmdd7107 07 0 12 Dl 9 0 8 0 mmDl 8 28368 08 0 销座的外径等于销座内径的 1 4 1 6 倍 取 销mmdd 5 1395 15 1 0 座与顶部间设置加强筋 减少活塞裙部的变形 加强筋多采用双筋支撑 双筋 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 21 支撑斜角等于连杆的最大摆动角 加强筋尺寸如图 4 6 所示 二行程发动机销 座承受较大的压载荷 活塞的外缘偏向活塞项 6 销座的材料及其组织状况对销座的设计很重要 铸造铝合金活塞销座中针 孔和缩松等缺陷应符合 JB3932 85 的规定 试件经处理后分散性孔洞每内 2 cm 孔洞个数不能超过 40 孔洞最大尺寸不大于 1 20mm 孔洞集中较为严重者最大 尺寸不大于 2mm 通用发动机销孔直径公差 0 010 0 012mm 圆柱度不大于 0 0015 0 0025mm 销孔内表面粗糙度 Ra0 32um 销孔轴线对裙部轴线的垂直 度不大于 100 0 035 销孔轴线对裙部轴线的对称度不大干 0 20mm 销孔轴 线偏移量除外 此处我们取销孔直径公差 0 010mm 圆柱度 0 0020mm 销孔内 表面粗糙度 Ra 取 0 32um 销孔轴线对裙部轴线的垂直度取 100 0 020 销孔 轴线对称度取 0 20mm 9 活塞销的结构一般都设计成中空形 如图 2 7 所示 图 2 7 活塞销结构 活塞销的材料一般为低碳合金钢 15Cr 20Cr 20Mn 20CrMnMo 外表面 渗碳淬火 HRC58 65 层深 0 6 1 2mm 渗碳硬化层的金相显微组织 应是细 密结构的马氏体 不允许有针状的或连续网状的游离渗碳休 芯部的显微组织 应为分解状态的低碳马氏体及铁素体 此处活塞销的材料我们选取 20CrMnMo 活塞销外圆尺寸精度 IT3 IT4 表面粗糙度0 2 0 4 圆柱度 a R 0 0025mm 活塞销的毛坯型式和机加上方法有 热轧圆钢 冲轧或冷拉无缝钢管 冷 挤压和温挤压成型 冷挤压工艺是一种少无切削的先进压力加工方法 材料利 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 22 用率可达 80 85 生产效率高 产品尺寸形状精度高 强度好 冷挤压工艺有复合挤压和反挤压两种 同内生产多采用复合挤压工艺 料 坯在挤压模内经双面冲头挤压后 成中间带连皮孔的坯料 然后再钻连皮孔 反挤压是较先进的冷挤压工艺 该工艺是将销孔的挤压分两次进行 先挤压成 杯状 冲连皮孔后再延伸成型并去台阶 反挤压活塞销多用在强化发动机上 温挤压是将坯料放在中频感应加热到 640 660左右 再进行压力加工 C 温挤压简化了工艺过程 省去了毛坯退火与磷化等工艺 活塞销双面渗碳是强化活塞销的有效方法 双面渗碳活塞销疲劳寿命大大 提高 能够充分发挥挤压工艺的潜能 双面渗碳内外渗碳层厚度总和不超过壁 厚 1 3 最佳厚度为 1 4 此处活塞销的材料取低碳合金钢 活塞销外圆尺寸精度 IT3 表面粗糙度 0 4 圆柱度 0 0025mm 毛坯加工方法我们选温挤压成型 a R 2 活塞销与销座的配合 活塞销与销座孔以及连杆小头衬套孔之间的配合有全浮式活塞销和半浮式 活塞销之分 全浮式活塞销结构中 活塞销在工作状态与销座孔和连杆小头衬套孔之间 都有间隙 全浮式活塞销两端由装在销座孔中的卡环定位 卡环与销之间应有 0 13 0 25的轴向间隙 卡环槽底径对销孔轴线的圆跳动不大于 0 30 mmmm 活塞销与连杆小头衬套孔之间的间隙以及销与销座孔之间的间隙在 0 0003 0 0005 d 范围内 d 为销外径 由于活塞和活塞销材料的线膨胀系数不 同 工作温度下销与销座的配合将变松 因此 为了严格控制冷态间隙或过盈 量 活塞销与销座采用分组装配 以求在较低的制造精度下获得较高的装配精 度 同时保证合理的较小的工作间隙 分组装配时活塞销与销座孔可以采用冷 态过盈配合 也可以采用冷态间隙配合 过盈量或间隙量控制在 0 0025 0 0075mm 之间 近年来 为了降低销与销座的应力集中多采用冷态间 隙装配 半浮式活塞销结构 销与连杆小头间采用过盈配合 过盈量为 0 01 0 03mm 而销与销座孔间冷态有间隙 工作时活塞销只对销座孔有相对运 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 23 动 这种结构可以省掉连杆小头铜套和活塞销卡环 而且可以把小头的宽度减 少到连杆强度所允许的程度 同时加大销座的承载长度以降低销座孔的比压 或者将销座向活塞中心移近以提高活塞销的弯曲刚度并减少活塞的变形 5 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 24 3 3 连杆组的设计 连杆组的设计 3 13 1 连杆的设计连杆的设计 3 1 1 连杆的工作情况 设计要求和材料选用 1 工作情况 连杆的作用是将作用在活塞上的气体压力传给曲轴 并将活塞的往复运动 变成曲轴的旋转运动 连杆小头与活塞销相连接 与活塞一起做往复运动 连 杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动 因此 连杆体除有上下运动外 还左右摆动 做复杂的平面运动 2 设计要求 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 在设计时 应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度 如果强度不足 就会发生 连杆螺栓 大头盖或杆身的断裂 造成严重事故 同样 如果连杆组刚度不足 也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响 所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和 强度 为此 必须选用高强度的材料 合理的结构形状和尺寸 3 材料的选择 连杆材料应具有较高的疲劳强度和冲击韧性 可以来用 45 40cr 40MnB 20Cr 42CrMo 20 CrMo 等钢 合金钢有较高的综合力学性 能 但当存在产生应力集中的因素时 它的耐疲劳能力急剧下降 所以合金钢 连杆的形状设计 过渡圆滑性 毛坯表面质量等 必须给以更多的注意 才能 充分发挥优质材料的潜力 为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和 强度 我们采用精选含碳量的优质中碳结构钢 45 模锻 表面喷丸强化处理 提 高强度 因为要有较高的疲劳强度和冲击韧性 所以此处连杆我们选取 45 钢 15 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 25 3 1 2 连杆长度的确定 曲柄半径与连杆长度之比为 即 这里 为连杆长度 值越大 l r l 连杆越短 发动机的高度或宽度越小 值的常用范围是 1 3 2 1 4 连杆的长度必须根据发动机的总布置确定 要防止活塞运动过程中连杆与 气缸的下端相碰 活塞裙部与平衡块相碰 摩托车发动机多数采用短连杆 短 连杆能够增加活塞对气缸壁的侧压力 可能增加气缸与活塞环之间的磨损 但 是 这种影响并不大 当今气缸 活塞 活塞环的设计与工艺技术完全可以解 决这一问题 在这里设计中我们取 1 4 而 32mm 由于 s 32mm 则 r 16mm rs2 由 1 4 16mm 64mm l r ll 初步确定发动机的连杆长度为 64mm 对所取发动机的连杆长度进行校核 参考 汽车发动机现代设计 一书第八章连杆组设计可知 连杆的长度要满足 活塞在下止点时平衡块不碰到活塞 平衡块半径 则dr5 0 活塞在上止点时曲拐不碰活塞 则 还 2 1 2 1 1 1 ld s 2 1 2 1 2 2 ld s 要满足连杆不碰缸孔下缘 此时 比较各式 hsD ls 05 1 05 0 21 2 3 21 11 仅长冲程需检查 对于短行程发动机 曲柄连杆的一些尺寸比例可以有下面 3 1 的一些式子 取mm 由足够平衡和加 d b D l D l 21 D d 2 工条件取最大可能的平衡块半径 综合这些条件连杆长度可按下b d r 2 式计算 圆整取值 D s D 2 21 2 1 4 2 7 36 32 36 2 36 14 2 12 2 21 3 1 2 所以所取合适 则根据设计数据和已经计算出的数据可以计算出 4 1 0 25 1 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 26 3 1 3 连杆的质量换算 连杆是做复杂平面运动的零件 为了方便计算 将整个连杆 包括有关附 属零件 的质量用两个换算质量和来代换 并假设是集中作用在连 L m 1 m 2 m 1 m 杆小头中心处 并只做往复运动的质量 是集中作用在连杆大头中心处 并 2 m 只沿着圆周做旋转运动的质量 如图 2 2 所示 图 3 1 连杆质量的换算简图 为了保证代换后的质量系统与原来的质量系统在力学上等效 必须满足下 列三个条件 连杆总质量不变 即 21 mmmL 连杆重心的位置不变 即 G 1211 llmlm 连杆相对重心 G 的转动惯量不变 即 G I G Illmlm 2 22 2 11 其中 连杆长度 为连杆重心至小头中心的距离 由条件可得下列换l 1 lG 算公式 l ll mm L 1 1 l l mm L 1 2 用平衡力系求合力的索多边形法求出重心位置 将连杆分成若干简单的G 几何图形 分别计算出各段连杆重量和它的重心位置 再按照索多边形作图法 求出整个连杆的重心位置以及折算到连杆大小头中心的重量和 如图 1 G 2 G 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 27 3 2 所示 图 3 2 索多边形法 2 往复直线运动部分的质量 j m 活塞 包括活塞上的零件 是沿气缸中心做往复直线运动的 它们的质量 可以看作是集中在活塞销中心上 并以表示 质量与换算到连杆小头中 h m h m 心的质量之和 称为往复运动质量 即 1 m j m 1 mmm hj 3 不平衡回转质量 r m 曲拐的不平衡质量及其代换质量如图 3 3 所示 图 3 3 曲拐的不平衡质量及其代换质量 曲拐在绕轴线旋转时 曲柄销和一部分曲柄臂的质量将产生不平衡离心惯 性力 称为曲拐的不平衡质量 为了便于计算 所有这些质量都按离心力相等 的条件 换算到回转半径为 的连杆轴颈中心处 以表示 换算质量为 r k m k m r e mmm bgk 2 式中 曲拐换算质量 k mkg 连杆轴颈的质量 g mkg 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 28 一个曲柄臂的质量 b mkg 曲柄臂质心位置与曲拐中心的距离 em 质量与换算到大头中心的连杆质量之和称为不平衡回转质量 即 k m 2 m r m 2 mmm kr 由上述换算方法计算得 往复直线运动部分的质量 0 040 不平衡回转质量 0 175 j mkg r mkg 3 1 4 曲柄连杆机构的最大惯性力 把曲柄连杆机构运动件的质量简化为二质量和后 这些质量的惯性 j m r m 力可以从运动条件求出 归结为两个力 往复质量的往复惯性力和旋转质 j m j P 量的旋转惯性力 r m r P 1 最大往复惯性力 2coscos 2coscos 2222 rmrmrrmamP jjjj 式中 往复运动质量 j mkg 连杆比 曲柄半径 rm 曲柄旋转角速度 srad 曲轴转角 是沿气缸中心线方向作用的 公式前的负号表示方向与活塞加速度的方 j P j Pa 向相反 已知额定转数 6000 则 曲柄半径nmin r628 30 6000 srad 16 连杆比 0 25rmm 2coscos 2coscos 2222 max rmrmrrmamP jjjj 重庆理工大学本科生毕业设计 600w 便携式发电机组设计 29 1753 90 N 2 旋转惯性力 2 rmP rr 28 1104628016 0 175 0 2 N 3 1 5 连杆小头的结构设计与强度 刚度计算 1 连杆小头的结构设计 连杆小头主要结构尺寸如图 3 4 所示 小头衬套内径已在活塞组设计中 1 d 确定 而宽度 一般取 则mm10d1 1 B 11 4 1 2 1 dB mmB12102 1 1 为了改善磨损 小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套 衬套大多用耐磨锡 青铜铸造 这种衬套的厚度一般为 取 则小头孔直径3mm 2 2mm 小头外径 取 mm12d d 35 1 2 1 D1 mm 6 15123 1D1 并利用下面的公式校核比压 q 1111 Bd FP Bd p q PZX 式中为最大燃气压力为活塞面积 z p p F 计算可得Mpa D q67 29 1210 1814 3 5 3 1210 2 5 3 2 2 的许用值可取为 20 40MPa 所求的值在许用值以内 所以是符合的 qq 二行程发动机上由于没有单独的吸气行程 所以活塞销上所受的力作用方 向常常总是向下的 也就是说总是把活塞销压向小头的下表面 因此 保证活 塞销有可靠的润滑将是比较困难的 二行程发动机连杆小头经常采用滚针轴承 当采用滚针轴承时 许用比压值可达 60MPa 连杆杆身一般采用工字形截面 因为工字形截面对材料利用得最为合