S195型柴油机机体总成改进设计

S195型柴油机机体总成改进设计摘要本次设计主要对S195型柴油机的曲轴进行改进设计。S195型柴油机问世于上个世纪六七十年代，由常州柴油机厂和上海内燃机研究所，江苏工学院联合研制。本人首先对S195型柴油机的性能和市场经行分析，了解广大消费者的需求及S195型柴油机在当今生产作业中所展现出的弊端，然后选择柴油机的主要性能参数。本人从功率与润滑两方面入手，本文也就大致分为两部分。第一部分从柴油机的曲柄连杆机构入手，通过增大曲柄的偏心距使连杆行程加大，以达到增大功率的目的。并适当增加连杆厚度和布置适量加强筋，使柴油机能够平稳运行。第二部分从柴油机的润滑系统入手，一改S195柴油机较为落后的润滑方式，采用目前广泛使用的强力润滑，并争对单缸柴油机特殊的气缸与曲轴箱相通的结构，选用滤器过滤润滑油中的杂质，极大的延长了轴承机构的使用寿命。关键词：S195型柴油机功率曲轴连杆润滑方式AbstractThisdesignmainlyimprovesthecrankshaftofS195dieselengine.S195dieselenginewasdevelopedbyChangzhouDieselEngineFactory,ShanghaiinternalcombustionengineresearchinstituteandJiangsuInstituteoftechnologyin1960sand1970s.Firstofall,IanalyzetheperformanceandmarketofS195dieselengine,understandtheneedsofconsumersandthedisadvantagesofS195dieselengineintoday'sproduction,andthenchoosethemainperformanceparametersofdieselengine.Istartfromtwoaspectsofpowerandlubrication,thispaperisroughlydividedintotwoparts.Inthefirstpart,startingfromthecrankconnectingrodmechanismofdieselengine,thestrokeofconnectingrodisincreasedbyincreasingtheeccentricityofcrank,soastoachievethepurposeofincreasingpower.Thethicknessoftheconnectingrodandthearrangementofthereinforcingribareincreasedproperly,sothatthedieselenginecanrunsmoothly.Inthesecondpart,startingfromthelubricationsystemofdieselengine,thebackwardlubricationmodeofS195dieselengineischanged,andthestronglubricationwidelyusedatpresentisadopted.Thespecialstructureofcylinderandcrankcaseofsinglecylinderdieselengineiscontested.Filterisselectedtofiltertheimpuritiesinthelubricatingoil,whichgreatlyprolongstheservicelifeofbearingmechanism.Keywords:lubricationmodeofpowercrankshaftandconnectingrodofS195dieselengine目录绪论1.1柴油机简介1.2柴油机的发展趋势现代设计技术及发展趋势2.1设计技术的发展和现用方法2.2设计技术发展的新趋势S195柴油机的改进方法曲轴强度的计算4.1发动机工作时曲轴上作用的力4.2作用力T最大的时候的计算4.3右曲柄的计算4.4右主轴颈计算4.5曲轴的毛坯与材料连杆的强度计算5.1由于装配过盈与温度过盈所产生的应力5.2有活塞组惯性力在连杆小头中所引起的拉伸应力的计算5.3由压缩力引起的应力5.4计算连杆小头的安全系数S195柴油机轴承润滑及其改进第七章结论第一章：绪论本次机体总成改进设计选用的S195柴油机，曾获国家产品质量金奖，并在1978年获得了全国科学大会科技成果奖，是当时国内最受欢迎的柴油机。S195柴油机是小型卧式，单缸，四冲程水冷式发动机。因为具有结构简单、制造成本低、使用方便，修理简单的优点，S195柴油机被广泛应用于各个领域。拖拉机、小型排灌、船用机组、发电机组、空压机组以及农副业加工的动力装置，我们都能见到S195柴油的身影。1.1柴油机简介柴油机是通过燃烧柴油来获取释放能量的内燃机，它是由德国发明家鲁道夫·狄赛尔（RudolfDiesel）于1892年发明的。为了纪念他做出的贡献，后人用他的姓来命名柴油机，因此柴油机又称迪赛尔发动机。柴油机具有扭矩大、经济性能好等优点。其工作原理和汽油机类似，每个工作循环分为进气、压缩、做功、排气四个阶段。但由于柴油粘度大，不容易蒸发，燃点比汽油低，所以柴油机的油气混合、点火方式与汽油机不同。柴油机缸内混合气体采用压燃的方式。当柴油机工作时，空气首先进入气缸内，当空气被压缩到终点时，温度可达到500~700摄氏度。当活塞接近气缸上方时，供油系统开始向缸内喷入柴油，引发爆燃，产生推力，推动活塞向下做功，这一过程所产生的扭矩非常大,为柴油机提供了巨大的动力。1.2柴油机的发展趋势柴油机在各领域都被广泛应用。其中，单缸柴油机凭其在我国被广泛应用。尤其是常州柴油机厂和上海内燃机研究所，江苏工学院联合研制的S195柴油机，适用于多种场合，可用于拖拉机、小型排灌、船用机组、发电机组、空压机组以及农副业加工的动力装置。从上个世纪问世以来，S195经过不断发展改进，已衍生出多种型号，单从缸径就可以分为100、110、115等多种型号，最大功率已经可以达到27KW。同时，随着制造工业的发展，S195柴油机的制造成本愈来愈低，这就使S195柴油机在柴油机行业走的更远。现代设计技术及发展趋势随着社会的进步和科技的发展，人们不但要求通过高度智能化为使用者提供便利，而且要求产品在外形设计上满足大众的审美观。这就要求开发设计人员不仅要具备扎实的现代先进技术基础，而且要具备工艺美学理念。这样既能保证生产商的利益，又能迎合大众消费者的需求。由于计算机的问世及其飞速发展，以计算机为工具的计算机辅助设计（CAD，Computer-AidedDesign)可以大大缩短设计人员的产品开发周期，成为了设计人员的首选工具。2.1设计技术的发展和现用方法随着社会发展，人们对产品的要求越来越多元化，这就促使设计者要提高产品开发的速度。计算机的出现发展为此提供了可能性，计算机辅助设计（CAD）技术也随之孕育而生。CAD是利用计算机强大的计算功能和高效的图形处理能力，辅助使用劳动者进行工程和产品的分析设计，来达到理想中产品的效果或取得创新的一种技术方法。它是综合了计算机学科和工程设计方法的最新趋势而形成的新兴学科。CAD技术已经与工程设计方法息息相关，使用CAD进行设计在现代工程设计中已是家常便饭。CAD技术的应用十分广泛，主要应用领域有以下方面：制造业CAD技术在机床、飞机、汽车、舰船、航天等制造业中应用十分广泛。产品的设计过程要经过设计、分析、优化、模拟等几个主要阶段。CAD应用系统已将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列的功能集于一体。目前常用的软件有PRO/E、UGⅡ、CATIA等CAD应用系统。工程设计CAD技术在工程设计中应用也是比较早的，例如建筑设计、设备设计、结构设计城市交通设计、交通工程设计、水利工程设计、城市规划等，都需要使用CAD技术。电气和电子电路方面CAD技术可运用于印刷线路板设计，在各种规模的集成电路中广泛应用，极大推动了电子技术和计算机技术的发展。仿真模拟CAD技术可以模拟加工过程、物体受力分析，帮助设计者更容易发现问题。其他CAD技术在医疗器械、轻工业、家电、服装设计等方面也有诸多应用。2.2设计技术发展的新趋势在我们日常生活和工作中经常接触到“工业设计”这个名词。现在在产品的设计上人们越来越重视工业设计，工业设计对产品设计起着重要作用，据统计，在工业设计上的花费与带来的收益比约为1：1000。工业设计不仅仅是工程的结构设计，也不单单是工艺美术设计，它是工业革命的结晶，是在基于现代工业基础上，以技术美学为指导，把技术和艺术融合进一个对象中而创造合理美的过程。工业设计的概念起源自十八世纪六十年代的工业革命。由于工业的飞速发展，机器生产取代手工生产，工业产品日益增多，不断进入各个领域。但是，人们的生活不能没有美，这就促使了一种新的设计学科——计算机辅助工业设计（CAID—ComputerAidedIndustrialDesign）。CAID指的是以计算机为主要技术手段，来生成各种数字图形信息，进而进行工业设计的各类创新活动。按分类来说，CAID是CAD的一个分支，因此许多CAD中的方法和技术在CAID中同样适用。S195柴油机的改进方法S195型柴油机在我国和周边东南亚国家还有很大市场，但客户反应存在功率范围小，且机体结构不尽合理，产品成本高等缺点。根据客户提出的要求，对S195型柴油机进行改进设计。经研究讨论，本人提出了如下两个改进方案：方案一：对S195型柴油机的气缸进行扩容，通过增大气缸的容积来使缸内的柴油气体更多，从而增大S195型柴油机的功率，同时加大连杆的厚度，对柴油机曲轴连杆重新进行校核，拿出合理的理论依据，检验改进后的机体是否能正常运行。方案二：增大曲轴的偏心，使连杆的行程加大，进一步增大燃烧室的容积，提高柴油机的功率。同时加大连杆的厚度，对柴油机曲轴连杆重新进行校核，拿出合理的理论依据，检验改进后的机体是否能正常运行。然而在指导老师的指导下，本人发现方案一较方案二改进花费更高，在气缸改动后，需要对机体进行一系列的改动，不符合低成本要求。因此，方案一作废，选择方案二进行改进设计。在原有S195柴油机的基础上加大曲轴的偏心距，使活塞行程加大，将原S195的行程105mm增加到110mm，从而使功率在原来S195的基础上增加5%，。本人主要负责对改进后的S195柴油机曲轴连杆进行校核计算和机体一些零件的设计计算，检验其是否符合设计要求。曲轴强度的计算根据改进设计要求，加大活塞行程后，增加燃烧室的体积，势必要加大曲轴、连杆的负荷，对原有机构的强度必须做相应的改进，选择合理安全的参数，主要是对曲轴和连杆受力分析，验证在原有参数的基础上改进行程是否有足够的安全系数,以下就是对曲轴和连杆有关方面的计算，其中公式均参考《内燃机设计》。4.1发动机工作时曲轴上作用的力1)沿连杆的力，当时，其值最大，等于或(2-1)式中：,爆发时工作压力，,往复运动部分质量，,往复运动部分最大加速度，,不平衡旋转部分质量，,曲轴旋转角速度，,曲拐半径，由两个中选较大的一个值进行计算。图4-1曲轴强度计算简图2)由于切线方向的惯性力而产生的力矩，等于，方向和加速度（）方向相反。其中：近似等于飞轮的转动惯量。3)飞轮的重力4)固定于飞轮上皮带轮上的皮带的牵力和。由于飞轮的重力和皮带的牵力相对比较小，故略去不计。所以：曲轴的计算，只计算相当于作用力最大和作用力最大的时候。由于S195旋转离心力已全平衡掉，而往复运动惯性力小于气体的压力。所以：计算采用(4-2)A计算曲柄销的弯曲力矩(4-3)许用应力所以：已超过许用的应力，但因为计算较保守，故可用。图4-2曲轴计算简图B计算曲柄中的应力假设曲柄的中间断面为的长方形。则抗弯断面模数为：=(4-4)图4-3曲柄断面简图弯曲力矩为：(4-5)(4-6)b)曲柄受的压应力计算(4-7)c)曲柄中的合应力为：许用应力所以：已超过许用应力，但因为计算比较保守，故可以用。4.2作用力T最大的时候的计算由于计算所取的不考虑惯性力，所以前面计算所用的切向力图中的不能用，为了减少计算麻烦，按推荐取：相当于时的取：A曲柄销的计算图4-4曲柄销计算简图a.相当于时的对曲柄肖的弯曲应力为(4-8)b.反作用力对曲柄肖的扭转应力计算。扭转力矩为：图2-5曲柄销扭转图(4-8)扭转应力为：(4-9)c.曲柄销内的合应力：为：所以：已超过，但因为计算较保守，故尚可用。B左曲柄的计算a.在断面x-x处，有作用力T的弯曲应力(4-10)(4-11)图4-6曲柄弯曲图b.径向力Z对曲柄的弯曲应力式中：近似取图4-7曲柄弯曲图图4-8曲柄扭转图c.反作用力对曲柄的扭转应力(4-12)对曲柄窄面的应力为：(4-13)对曲柄宽面的扭转应力为：d.左曲柄x-x断面的应力图如下:图4-9左曲柄应力图e.载荷最大的曲柄边缘的法向应力和为：f.在曲柄窄面和宽面中点的合应力：许用应力所以：宽面中点合应力已大于，但因为计算较保守,所以尚可用。4.3右曲柄的计算a.右曲柄的断面Y-Y处，作用力所形成的应力图4-10右曲柄弯曲图b.径向力Z对右曲柄的弯曲稍应力图4-11右曲柄弯曲图c.反作用力对右曲柄的扭转应力对曲柄窄面的应力对曲柄宽面的应力图4-12右曲柄扭转图d.右曲柄的y-y断面应力图如下:图4-13右曲柄应力图f.载荷最大的曲柄力缘的法向力之和为:e.在右曲柄柄面和宽面中点的合应力:许用应力,所以,但因为计算较保守,故尚可用。4.4右主轴颈计算图4-14右主轴颈计算简图a.对主轴颈的弯曲应力b.扭转应力(4-14)c.主轴颈合应力(4-15)许用应力,所以4.5曲轴的毛坯与材料曲轴材料的选择主要考虑的是要具有足够的疲劳强度和轴颈表面有必要的硬度，同时也要加工起来容易造价低。曲轴毛坯分铸造与锻造两种。用于锻造的曲轴材料有：可锻铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、碳素钢和合金钢。现在铸造中小型内燃机的曲轴通常采用稀土镁球墨铸铁。铸造曲轴的突出优点是容易制成结构复杂、应力分布更为合理的形状，但在加工方面比较困难点。铸造曲轴的毛坯重量、切削废料和成品质量都比较轻。铸铁中由于含有石墨夹杂物，所以耐磨并且容易切削加工，对各种表面缺陷如檫伤，刻痕也比较不敏感，而在钢制的曲轴上就表现的很明显了。铸铁材料中分子内摩擦所消耗的功比钢大，当曲轴发生扭转振动时这种内摩擦的阻尼作用具有消耗振动能、减弱振幅的作用，因此铸铁曲轴有较强的减振作用。铸铁的缺点是弹性模量比钢小（钢E=2.1×105MPa，而球墨铸铁只达到1.7×105MPa），因此在条件相同时铸铁曲轴的刚度小。目前许多的高速内燃机都采用加有某些稀土元素、以镁作为球化剂的球墨铸铁，加入稀土元素具有细化组织、脱硫去气、改善机械性能和铸造性能的良好作用。五、连杆的强度计算5.1小头的作用力a.连杆小头在进气和排气冲程时，受活塞组惯性力的拉升，其最大值为：(5-1)式中：活塞组质量b.连杆小头在工作冲程开始时，承受减去惯性力后的燃气作用力之压缩：(5-2)c.当小头铜衬压人小头和连杆工作时因铜衬及连杆材料膨胀系数不同而引起之附加应力p计算(5-3)式中：装配时的过盈的最大值=0.068温度过盈其中:d小头内径=40mmt连杆工作时温升，取t=110℃青铜线膨胀系数连杆线膨胀系数小头外径=53mm铜衬内径=35mm泊桑系数=0.3E2连杆材料抗拉弹性模数=EB铜衬材料抗拉弹性模数=图3-1连杆小头主要尺寸图5.2由于装配过盈与温度过盈所产生的应力a.小头外表面上的应力(5-4)b.小头内表面上的应力一般和的值为10000-15000N/cm2故基本想符合。5.3有活塞组惯性力在连杆小头中所引起的拉伸应力的计算A.假如在小头半圆柱内表面上的径向压力是均匀分布的则：式中：连杆小头宽度=40mmB.假如：a曲杆固定在小头和杆身连接出即小头外圆和过渡半径相切处。b连杆小头下部支承在刚度很大的杆身上因而不变形。c小头沿连杆的纵向对称线切开用弯矩和法向力代替被切去的小头右半部的作用。图5-2小头计算简图C.计算I-I断面之弯矩和法向力(5-5)式中：平均半径=(D2+d)/4=(5.3+4)/4=2.33cm连杆中心线与I-I断面间夹角=120°Ma、Na为A-A断面的弯矩和法向力。可由下式求得。(5-5)(5-6)=cos+0.5pjm(sin-cos)=217.5cos120°+0.5457(sin120°-cos120°)=2034NmD.根据和计算小头内外侧应力小头外侧纤维应力=[2Mj(6rcmp+h)/h(2rcmp+h)+K]/(5-7)式中：h小头计算壁厚=（D2-d）/2=5.3-4/2=0.65cm小头宽度=4cmK小头和衬套抗拉刚度之比，由下式决定：K=E2FN/E2FN+EBFB=2.21063.06/2.21063.06+1.15106=0.854(5-8)其中：FN=（D2-d）=(5.3-4)4=5.2cm2为小头断面面积FB=（d-d1）B衬=（4-3.5）3.8=1.9cm2为衬套壁断面面积B衬为衬套长度=3.cm=[240.53(62.33+0.65)/0.65(22.33+0.65)+0.854203.4]/40.65=1989.6N/cm2小头内侧纤维应力应取=90°时∴最大=[-2Mj(6rcmp-h)/h(2rcmp-h)+K]/=[-240.53(62.33-0.65)/0.65(22.33-0.65)+0.854203.4]/40.65=2.57kg/cm2=-926.34N/cm25.4由压缩力引起的应力假设：载荷在小头下部成正弦分布，这样的计算与实验数据最符合。a.计算I-I断面之弯矩和法向力(5-9)=（）-Na(5-10)式中，Ma及Na可以从（6）的图中212中查得：Ma/=-0.00120Na/=0.00325故Ma=-0.0012043502.175=-1.135NmNa=0.003254350=141.4N由（6）附录中还可查得：（）=0.013=-11.35+14.142.175（1-）-43502.1750.013=-8.92Nm=43500.013+14.14=494.8Nb.计算外侧纤维应力和内侧纤维应力=(5-11)=-705000N/m=(5-12)=862000N/m5.5计算连杆小头的安全系数=(5-13)式中：材料拉伸及压缩疲劳极限=19~25(45钢)，取22工艺因素取=0.5角系数===0.33材料弯曲疲劳极限，=25~34取=30脉动循环下，材料疲劳极限，=（1.4~1.6）取=1.5=1.530=45==4.77结论：一般发动机连杆小头安全系数为2.5~5.0，而求出S195的=4.77，安全系数符合标准，且在计算过程中，所采用的数据均在安全范围内，连接小头和杆身的圆弧半径也较大，所以小头的工作完全可靠。六、S195柴油机轴承润滑及其改进S195柴油机是四冲程柴油机,主轴承、曲柄销轴承采用的润滑方式是一种兼飞溅与压力式为一体的综合式润滑方式,但经常发现磨损还是很大。因此，本人拟将S195柴油机的润滑方式改为强力润滑。轴承强力润滑的原理主轴承和曲柄销轴承,承受的压力不是很大，轴颈相对轴承以足够高的线

速度转动，带动足够多的压力润滑油进入轴颈与轴承之间形成楔形油膜。楔形油膜承受轴与轴承之间的作用力,避免轴与轴承直接接触,降低摩擦力,减少磨损。活塞销轴承,承受的压力大，还具有冲击性，而且.上止点和下止点受力的方向和大小周期性快速变化,很难建立楔形油膜,但是会形成“挤压油膜”。只要供油充足,负荷的冲击使活塞销径向运动,将负荷支撑区的润滑油向周向二侧挤压(通常称为“挤压作用”),润滑油的粘度抵制这种挤压,油膜压力升高,活塞销与轴承间建立一层“挤压油膜”，承受这种冲击性负荷。由此可知，形成并保持轴承强力润滑有四个条件轴及轴承形位数据正常，包括尺寸及形位公差、表面粗糙度、间隙等;轴与轴承之间的作用力(轴承负荷)不大于油膜承受能力;润滑油压力足够大,数量足够多；润滑油质量好。然而尽管采用了强力润滑，经测试磨损还是很大。在柴油机使用和维护都正常操作下，只有第四条“润滑油质量”有所欠缺，需要合理选择润滑油和保持润滑油的性能