發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

發(fā) 動 機(jī) 結(jié) 構(gòu)發(fā) 動 機(jī) 結(jié) 構(gòu)發(fā) 動 機(jī) 結(jié) 構(gòu)概 念 設(shè) 計(jì)概 念 設(shè) 計(jì)概 念 設(shè) 計(jì)中 國 北 方 發(fā) 動 機(jī) 研 究中 國 北 方 發(fā) 動 機(jī) 研 究中 國 北 方 發(fā) 動 機(jī) 研 究所所所2007年年年 8月月月 中國北方發(fā)動機(jī)研究所主 要 內(nèi) 容一 、 機(jī) 體 與 氣 缸 套 ；二 、 氣 缸 蓋 ；三 、 活 塞 ；四 、 連 桿 ；五 、 曲 軸 ；六 、 配 氣 機(jī) 構(gòu) ； 中國北方發(fā)動機(jī)研究所一 、 機(jī) 體 與 氣 缸 套 1 機(jī) 體 機(jī) 體 是 發(fā) 動 機(jī) 的 基 礎(chǔ) （ 骨 架 ） ， 幾 乎 所 有 零 部 件 和 輔 助系 統(tǒng) 均 裝 置 于 機(jī) 體 的 內(nèi) 外 。 體 積 最 大 ： 決 定 發(fā) 動 機(jī) 的 外 形 尺 寸 重 量 最 大 ： 占 發(fā) 動 機(jī) 總 凈 質(zhì) 量 20% 25%1.1 機(jī) 體 結(jié) 構(gòu) 形 式 平 分 式 和 下 沉 式 （ 圖 ） ； 根 據(jù) 有 無 氣 缸 套 及 其 安 裝 形 式 ， 機(jī) 體 又 可 分 為 ： 無 缸 套 、干 式 缸 套 和 濕 式 缸 套 三 種 形 式 。1.2 機(jī) 體 設(shè) 計(jì) 要 求 具 有 足 夠 的 強(qiáng) 度 機(jī) 體 承 受 交 變 的 拉 壓 、 彎 曲 和 扭 轉(zhuǎn) 載 荷 ， 在 長 期 和 連 續(xù)作 用 下 ， 必 須 具 有 足 夠 的 強(qiáng) 度 ， 發(fā) 動 機(jī) 強(qiáng) 化 程 度 愈 高 ， 對 強(qiáng) 度 的 要 求 愈 苛 刻 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 具 有 足 夠 的 剛 度 剛 度 是 機(jī) 體 設(shè) 計(jì) 中 極 為 重 要 的 指 導(dǎo) 思 想 。 缸 體 剛 度 不 足 會 使 氣 缸 套 失 圓 ， 氣 缸 密 封 失 效 ， 造 成 漏氣 ， 機(jī) 油 耗 量 增 大 ， 嚴(yán) 重 時(shí) 導(dǎo) 致 拉 缸 ； 曲 軸 主 軸 承 孔 、 凸 輪 軸 孔 變 形 過 大 導(dǎo) 致 各 摩 擦 副 的 磨 損加 劇 ， 嚴(yán) 重 時(shí) 會 影 響 曲 軸 與 凸 輪 軸 對 氣 缸 中 心 線 的 垂 直 度 ，這 將 大 大 影 響 發(fā) 動 機(jī) 工 作 可 靠 性 和 使 用 壽 命 ； 機(jī) 體 上 壁 ， 特 別 是 曲 軸 箱 壁 剛 度 不 足 時(shí) ， 將 產(chǎn) 生 過 大 變形 及 振 動 ， 從 而 激 發(fā) 出 強(qiáng) 烈 的 噪 聲 ， 構(gòu) 成 發(fā) 動 機(jī) 噪 聲 中 的 重要 組 成 部 分 ； 傳 動 箱 剛 度 不 足 則 導(dǎo) 致 各 傳 動 孔 相 對 位 置 偏 差 過 大 ， 傳動 平 穩(wěn) 性 變 差 ， 齒 輪 磨 損 加 劇 ， 受 力 狀 況 惡 化 ， 噪 聲 增 大 ，嚴(yán) 重 時(shí) 導(dǎo) 致 斷 齒 ， 直 至 發(fā) 動 機(jī) 失 效 。1.3 機(jī) 體 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范1.3.1 材 料 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 高 強(qiáng) 度 灰 鑄 鐵 （ HT250 、 HT300） 或 合 金 鑄 鐵 、 高 強(qiáng) 度鋁 硅 合 金 （ 如 ： ZL101、 ZL702A、 ZL114A） 。 1.3.2 缸 心 距 與 缸 徑 比 （ L/D） 為 縮 小 體 積 、 減 小 重 量 ， 機(jī) 體 在 缸 徑 D確 定 的 情 況 下 ，縮 小 外 形 尺 寸 的 潛 力 主 要 就 是 最 大 限 度 地 壓 縮 缸 心 距 L， 以求 得 最 短 的 機(jī) 體 長 度 尺 寸 。 L/D： 1.10 1.15（ 國 外 ） ， 1.20 1.25（ 國 內(nèi) ） ， 依賴 于 鑄 造 技 術(shù) 無 缸 套 機(jī) 體 ： L/D=1.17（ Ricardo） 干 式 缸 套 機(jī) 體 ： L/D=1.20 濕 式 缸 套 機(jī) 體 ： L/D=1.281.3.3 基 本 壁 厚 缸 徑 D為 100mm以 下 時(shí) ， 基 本 壁 厚 為 4 5mm； 缸 徑 D為 100 130mm時(shí) ， 基 本 壁 厚 為 5 6mm； 缸 徑 D為 130 150mm時(shí) ， 基 本 壁 厚 為 6 8mm。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1.3.4 氣 缸 蓋 螺 栓 數(shù) 目 及 位 置 中 小 缸 徑 多 缸 機(jī) 多 采 用 每 缸 六 個(gè) 螺 栓 近 似 均 布 的 方 案 ，其 中 四 個(gè) 布 置 在 兩 缸 相 鄰 的 隔 板 平 面 內(nèi) ， 螺 栓 孔 搭 子 須 用 一定 高 度 和 寬 度 的 筋 條 與 主 軸 承 蓋 螺 栓 搭 子 相 聯(lián) 。 缸 徑 較 大 的 機(jī) 型 一 般 采 用 七 個(gè) 或 八 個(gè) 螺 栓 。 缸 徑 小 于 90mm的 2、 3、 4缸 機(jī) 也 有 采 用 四 個(gè) 螺 栓 的 例 子 。螺 栓 搭 子 若 靠 近 機(jī) 體 壁 面 時(shí) ， 螺 栓 孔 中 心 線 應(yīng) 移 至 氣 缸 壁 的中 心 線 ， 并 以 緩 慢 的 坡 度 過 渡 到 機(jī) 體 的 壁 面 。 螺 栓 孔 的 螺 紋 應(yīng) 盡 可 能 下 沉 ， 采 用 濕 式 缸 套 時(shí) 甚 至 可 下沉 到 缸 套 支 撐 面 以 下 ， 以 改 善 機(jī) 體 頂 平 面 的 受 力 情 況 。1.4 提 高 機(jī) 體 結(jié) 構(gòu) 剛 度 的 設(shè) 計(jì) 方 法1.4.1 合 理 的 外 形 設(shè) 計(jì) 清 砂 孔 位 置 中國北方發(fā)動機(jī)研究所清 砂 孔 不 應(yīng) 布 置 機(jī) 體 兩 側(cè) 外 表 面 ， 即 使 是 直 徑 較 小 的 孔 、洞 ， 這 一 點(diǎn) 為 國 外 許 多 高 速 柴 油 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 所 證 實(shí) 。 機(jī) 體 的清 砂 宜 從 上 、 下 及 前 、 后 端 面 處 理 。 兩 側(cè) 外 形 設(shè) 計(jì)機(jī) 體 上 部 的 外 壁 設(shè) 計(jì) 成 波 浪 形 曲 面 ， 實(shí) 踐 證 明 ， 類 似 的 結(jié)構(gòu) 形 狀 有 利 于 提 高 機(jī) 體 上 部 的 剛 度 。在 機(jī) 體 外 側(cè) 面 布 置 連 續(xù) 的 加 強(qiáng) 筋 ， 也 有 利 于 提 高 機(jī) 體 上 部的 剛 度 。1.4.2 采 用 無 缸 套 或 干 式 缸 套 機(jī) 體 能 最 大 限 度 縮 小 外 形 尺 寸 ， 提 高 剛 度 。 無 缸 套 機(jī) 型 多 為 四 缸 機(jī) ， 干 式 缸 套 機(jī) 型 的 最 大 缸 徑 可達(dá) 146mm。 統(tǒng) 計(jì) 數(shù) 據(jù) ： 日 本 八 大 汽 車 制 造 企 業(yè) 近 年 生 產(chǎn) 的 194種 汽車 柴 油 機(jī) （ 缸 徑 為 74 146mm， 標(biāo) 定 轉(zhuǎn) 速 為 5200 2200r/min的 4、 6缸 直 列 和 V8、 V10、 V12缸 機(jī) ） 中 ， 無 缸 套 機(jī) 型 54種 （ 28%） ， 干 式 缸 套 機(jī) 型 90種 （ 46%） ， 共 144種 ； 濕 式 缸 套 機(jī) 型 50種 （ 26%） 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1.4.3 加 強(qiáng) 主 軸 承 蓋 剛 度 或 采 用 整 體 框 架 軸 承 蓋 對 于 下 沉 式 機(jī) 體 ： 采 用 橫 拉 螺 栓 結(jié) 構(gòu) ， 如 豐 田 IHD-FTE、 150A等 。 對 于 平 分 式 機(jī) 體 ： 采 用 整 體 框 架 式 軸 承 蓋 ， 如 濰 柴 的 Steyr WD615（ 6L-126 130） 、 D12V150ZALL及 三 代 改 。1.4.4 整 體 式 傳 動 箱 式 機(jī) 體 1.4.5 提 高 機(jī) 體 頂 板 厚 度 機(jī) 體 頂 板 是 濕 式 缸 套 機(jī) 體 剛 度 最 薄 弱 的 環(huán) 節(jié) ， 增 大 機(jī) 體頂 板 厚 度 ， 可 提 高 缸 套 座 圈 部 分 的 剛 度 ， 避 免 缸 套 支 撐 凸 肩因 剛 度 不 足 而 導(dǎo) 致 氣 缸 變 形 。 剛 性 好 的 頂 板 也 有 助 于 增 加 整個(gè) 機(jī) 體 的 抗 彎 剛 度 。 1.4.6 縮 小 兩 缸 間 隔 板 通 水 孔 面 積 ， 并 盡 可 能 降 低 其 位 置 對 于 串 聯(lián) 或 串 并 聯(lián) 進(jìn) 水 方 式 的 機(jī) 體 ， 兩 缸 之 間 隔 板 的 通孔 ， 是 局 部 剛 性 薄 弱 環(huán) 節(jié) ， 設(shè) 計(jì) 中 可 對 模 型 進(jìn) 行 模 態(tài) 分 析 ， 修 改 設(shè) 計(jì) ， 以 提 高 局 部 剛 度 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所2 氣 缸 套 （ 圖 ）2.1 整 體 式 氣 缸 套 （ 無 氣 缸 套 ） 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 與 應(yīng) 用 廣 泛 用 于 高 速 、 高 緊 湊 、 高 強(qiáng) 化 車 用 柴 油 機(jī) 。 螺 栓 孔 螺 紋 深 度 ： 10%D 機(jī) 體 頂 部 厚 度 ： 20%D（ 改 善 氣 缸 孔 變 形 ） 缸 筒 壁 厚 ： 7%D 典 型 應(yīng) 用 ： Ford的 BSD-678（ 522kW/3000r/min） ,平 均 有 效 壓 力 ：2.678MPa Benz的 OM603D35A（ T） 車 用 、 五 十 鈴 的 4EEI（ T） 轎 車 Cummins B系 列 載 重 貨 車 柴 油 機(jī) 缺 點(diǎn) ： 鑄 造 要 求 嚴(yán) 格 ， 維 修 性 差 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所2.2 干 式 氣 缸 套 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 該 結(jié) 構(gòu) 形 式 是 從 整 體 式 氣 缸 套 考 慮 維 修 性 而 發(fā) 展 起 來 ，覆 蓋 范 圍 D： 82mm 146mm壁 厚 ： 1.2 3.5mm（ 離 心 澆 注 ） ， 1mm（ 冷 拉 低 碳 無 縫 鋼 管 ） 配 合 ： 過 渡 配 合 （ H6/r6） ， 壓 入 機(jī) 體 后 珩 磨 。 滑 配 合 （ H6/g6） 。 典 型 應(yīng) 用 ： Hino（ 日 野 ） 的 F20C（ 280、 350kW/2200r/min）2.3 濕 式 氣 缸 套 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 濕 式 缸 套 是 我 國 廣 泛 應(yīng) 用 的 傳 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 ， 設(shè) 計(jì) 原 則 是綜 合 考 慮 剛 度 與 熱 應(yīng) 力 的 平 衡 。 剛 度 與 壁 厚 三 次 方 成 正 比 ，增 加 剛 度 是 解 決 穴 蝕 的 有 效 方 法 ， 壁 厚 受 到 熱 應(yīng) 力 的 限 制 ，最 佳 壁 厚 7%D。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所濕 式 氣 缸 套 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 中國北方發(fā)動機(jī)研究所2.4 材 料 和 表 面 處 理 2.4.1 材 料 主 要 有 鍛 鋼 和 鑄 鐵 一 般 強(qiáng) 化 程 度 要 求 的 柴 油 機(jī) 氣 缸 套 ： 采 用 中 磷 釩 鈦 鑄 鐵 、硼 鑄 鐵 、 加 鈮 鑄 鐵 、 硼 鈦 鑄 鐵 等 材 料 ； 高 強(qiáng) 化 程 度 要 求 的 柴 油 機(jī) 氣 缸 套 ： 采 用 球 墨 鑄 鐵 、 可 鍛 鑄鐵 或 半 可 鍛 鑄 鐵 以 及 鍛 鋼 ， 但 必 須 經(jīng) 專 門 的 熱 處 理 。 2.4.2 表 面 處 理 表 面 處 理 的 目 的 ： 其 一 為 加 速 活 塞 、 活 塞 環(huán) 與 氣 缸 套 的 磨 合 ， 如 對 氣 缸 套 進(jìn)行 磷 化 處 理 ； 其 二 為 提 高 氣 缸 套 的 耐 磨 性 和 抗 拉 傷 能 力 ， 如 采 用 表 面 鍍鉻 、 氣 體 氮 碳 共 滲 、 表 面 激 光 淬 火 、 滲 浸 碳 化 硅 、 表 面 等 離子 噴 涂 多 元 合 金 等 。2.4.3 平 臺 網(wǎng) 紋 表 面 用 SiC油 石 珩 磨 加 工 出 有 一 定 規(guī) 范 要 求 （ 交 角 22 23 ） 的 交 叉 網(wǎng) 紋 ， 使 珩 磨 形 成 的 溝 槽 內(nèi) 儲 油 ， 溝 槽 之 間 的平 臺 承 受 活 塞 和 活 塞 環(huán) 的 側(cè) 壓 力 ， 從 而 改 善 磨 合 條 件 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1 概 述 氣 缸 蓋 與 活 塞 、 氣 缸 套 并 與 共 同 組 成 燃 燒 室 ， 其 結(jié) 構(gòu) 形狀 復(fù) 雜 ， 除 承 受 高 溫 、 高 壓 燃 氣 的 作 用 外 ， 還 承 受 很 大 的 螺栓 預(yù) 緊 力 。 氣 缸 蓋 各 部 分 的 溫 度 分 布 很 不 均 勻 ， 底 面 燃 燒 室部 分 溫 度 很 高 ， 而 冷 卻 水 套 部 分 溫 度 較 低 ， 進(jìn) 、 排 氣 道 溫 度相 差 也 較 大 。 因 此 ， 氣 缸 蓋 承 受 的 機(jī) 械 應(yīng) 力 和 熱 應(yīng) 力 都 很 大 。此 外 ， 因 結(jié) 構(gòu) 形 狀 復(fù) 雜 ， 鑄 造 殘 余 應(yīng) 力 也 很 大 。2 設(shè) 計(jì) 要 求 具 有 足 夠 的 強(qiáng) 度 和 剛 度 ， 保 證 工 作 時(shí) 變 形 小 ， 避 免 氣 門磨 損 、 氣 門 桿 咬 死 、 氣 缸 密 封 失 效 等 故 障 。 設(shè) 計(jì) 合 理 的 氣 門 （ 數(shù) 目 、 大 小 ） 和 進(jìn) 、 排 氣 道 ， 保 證 高充 氣 效 率 ， 對 直 噴 式 燃 燒 室 還 要 求 有 合 適 的 進(jìn) 氣 渦 流 強(qiáng) 度 。 結(jié) 構(gòu) 力 求 簡 單 ， 鑄 造 工 藝 性 良 好 ， 冷 卻 適 宜 ， 溫 度 場 分布 均 勻 。二 、 氣 缸 蓋 中國北方發(fā)動機(jī)研究所3 氣 缸 蓋 的 結(jié) 構(gòu) 形 式3.1 水 冷 柴 油 機(jī) 氣 缸 蓋 分 為 整 體 式 、 單 體 式 和 分 塊 式 （ 圖 ） 中國北方發(fā)動機(jī)研究所3.2 按 氣 門 數(shù) 分 為 二 氣 門 和 四 氣 門 兩 種 結(jié) 構(gòu) 形 式 D 110mm的 中 、 小 型 非 直 噴 柴 油 機(jī) ： 多 采 用 兩 氣 門 結(jié) 構(gòu) ，燃 燒 室 偏 置 ； D 140mm直 噴 柴 油 機(jī) ， 采 用 四 氣 門 結(jié) 構(gòu) ； 110mm D 140mm， 傳 統(tǒng) 上 采 用 兩 氣 門 ， 近 年 來 對 排 放 指標(biāo) 要 求 的 不 斷 提 高 ， 越 來 越 多 的 柴 油 機(jī) 采 用 四 氣 門 結(jié) 構(gòu) 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所4 氣 缸 蓋 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范4.1 氣 門4.1.1 氣 門 直 徑 流 通 能 力 流 量 系 數(shù) 相 對 面 積 系 數(shù)其 中 ： 流 量 系 數(shù) 是 衡 量 氣 道 品 質(zhì) 的 參 數(shù) ； 相 對 面 積 系 數(shù) 是 衡 量 氣 門 座 內(nèi) 通 道 面 積 的 參 數(shù) ， 是 氣 門座 內(nèi) 通 道 總 面 積 與 氣 缸 流 通 截 面 積 之 比 。 對 于 兩 氣 門 結(jié) 構(gòu) ： 進(jìn) 氣 門 頭 部 直 徑 ： dvi=(0.4 0.45)D， 排 氣 門 頭 部 直 徑 ： dvo=(0.35 0.4)D。 對 于 四 氣 門 結(jié) 構(gòu) ： 進(jìn) 氣 門 頭 部 直 徑 dvi=0.32D。 兩 氣 門 與 四 氣 門 的 流 通 能 力 差 ： 進(jìn) 氣 11%， 排 氣 25%。4.1.2 直 噴 兩 氣 門 布 置 （ 圖 ） 中國北方發(fā)動機(jī)研究所直 噴 兩 氣 門 布 置 中國北方發(fā)動機(jī)研究所4.2 氣 缸 蓋 的 預(yù) 緊 與 密 封4.1.1 氣 缸 蓋 螺 栓 的 數(shù) 目 與 位 置 氣 缸 蓋 螺 栓 的 數(shù) 目 為 4 8， 盡 可 能 靠 近 氣 缸 套 并 沿 氣 缸中 心 均 勻 布 置 。 四 螺 栓 布 置 用 于 小 缸 徑 發(fā) 動 機(jī) 上 （ 一 般 D 85mm） ； 大 多 數(shù) 中 、 小 缸 徑 柴 油 機(jī) ， 采 用 六 螺 栓 布 置 ， 對 于 直 噴燃 燒 室 ， 一 般 可 沿 氣 缸 中 心 近 似 地 布 置 成 六 角 形 ； 重 車 水 冷 柴 油 機(jī) ， 至 少 應(yīng) 采 用 6個(gè) 螺 栓 布 置 ； 增 壓 機(jī) 型 常 采 用 7 8個(gè) 螺 栓 布 置 。 4.1.2 氣 缸 蓋 的 預(yù) 緊 與 密 封 水 冷 單 體 式 氣 缸 蓋 ： 每 缸 預(yù) 緊 力 =(2.5 3)Pz， AVL推 薦2 2.5； 風(fēng) 冷 柴 油 機(jī) 氣 缸 蓋 ： 每 缸 預(yù) 緊 力 =(2 2.5)Pz； 中國北方發(fā)動機(jī)研究所4.3 氣 缸 蓋 的 材 料 對 在 熱 負(fù) 荷 下 工 作 的 材 料 ， 常 用 的 判 據(jù) 是 Eichelberg品質(zhì) 因 子 ， 即 品 質(zhì) 因 子 = /aE 式 中 ， 為 導(dǎo) 熱 率 W/(mK)； 為 極 限 拉 伸 應(yīng) 力（ MPa） ； a為 線 脹 系 數(shù) （ 1/K） ； E為 彈 性 模 量 （ MPa） 。 灰 鑄 鐵 除 強(qiáng) 度 比 較 差 外 ， 其 余 三 個(gè) 因 素 都 比 較 好 ， 加 上其 鑄 造 工 藝 性 良 好 ， 是 氣 缸 蓋 的 較 理 想 材 料 。 球 墨 鑄 鐵 雖 然 強(qiáng) 度 較 高 ， 但 其 他 三 個(gè) 因 素 多 較 差 ， 因 此在 相 同 條 件 下 容 易 發(fā) 生 熱 裂 。 在 熱 負(fù) 荷 與 機(jī) 械 負(fù) 荷 比 較 高 的 情 況 下 ， 在 灰 鑄 鐵 中 加 入Cu、 Cr、 Mo等 合 金 元 素 ， 可 以 使 其 熱 品 質(zhì) 進(jìn) 一 步 提 高 。 高 強(qiáng) 度 鋁 硅 合 金 的 熱 品 質(zhì) 可 與 灰 鑄 鐵 相 比 ， 但 硬 度 不 足是 一 個(gè) 問 題 ； 另 外 其 線 脹 系 數(shù) 太 大 ， 且 最 高 表 面 允 許 溫度 只 有 220 ， 所 以 僅 限 于 應(yīng) 用 在 重 量 要 求 苛 刻 的 軍 用 柴油 機(jī) 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所4.4 氣 缸 蓋 的 熱 負(fù) 荷 不 同 類 型 的 燃 燒 室 對 氣 缸 蓋 熱 負(fù) 荷 影 響 很 大 ， 在氣 缸 蓋 中 的 分 布 也 很 不 均 勻 。 無 渦 流 直 噴 式 柴 油 機(jī) 氣 缸 蓋 的 熱 負(fù) 荷 最 低 ， 有 渦流 的 直 噴 式 次 之 ， 熱 負(fù) 荷 最 高 的 是 渦 流 室 。 特 別是 小 缸 徑 柴 油 機(jī) ， 由 于 鑄 造 壁 厚 不 能 隨 缸 徑 減 小按 比 例 減 小 ， 相 對 冷 卻 水 腔 不 足 ， 熱 負(fù) 荷 特 別 高 。球 型 燃 燒 室 的 熱 負(fù) 荷 介 于 直 噴 式 和 渦 流 室 之 間 。 氣 缸 蓋 中 央 的 熱 流 量 最 大 ， 形 成 最 危 險(xiǎn) 區(qū) 域 。 在渦 流 室 氣 缸 蓋 上 ， 中 央 和 邊 緣 的 熱 流 量 相 差 可 達(dá)3倍 ； 而 在 直 噴 式 氣 缸 蓋 上 ， 熱 流 量 分 布 要 均 勻得 多 ， 因 而 直 噴 式 柴 油 機(jī) 更 適 合 增 壓 。 氣 缸 蓋 材 料 的 許 用 極 限 溫 度 ： 鑄 鐵 氣 缸 蓋 ： 375 ， 鋁 合 金 氣 缸 蓋 ： 220 中國北方發(fā)動機(jī)研究所4.5 降 低 氣 缸 蓋 熱 負(fù) 荷 的 措 施4.4.1 薄 壁 強(qiáng) 背 結(jié) 構(gòu)采 用 冷 卻 條 件 好 且 承 載 能 力 強(qiáng) 的 結(jié) 構(gòu) 來 承 擔(dān) 燃 氣 壓 力 ，而 熱 負(fù) 荷 由 較 薄 的 元 件 承 受 ， 同 時(shí) 用 大 量 支 撐 將 壓 力 載荷 傳 遞 到 強(qiáng) 背 上 。4.4.2 鉆 孔中 、 小 型 柴 油 機(jī) ， 為 解 決 冷 卻 與 剛 度 問 題 ， 常 采 用 鉆 孔的 冷 卻 水 道 ， 鉆 孔 尺 寸 為 10%D， Ricardo推 薦 ： 流 向 鼻 梁區(qū) 的 水 流 量 應(yīng) 占 總 水 流 量 的 1/3， 流 速 要 達(dá) 到 3m/s， 具 有以 下 優(yōu) 點(diǎn) ： 可 保 證 氣 缸 蓋 關(guān) 鍵 部 位 的 最 大 壁 厚 不 超 過 臨 界 值 。 鉆 孔 表 面 光 潔 ， 傳 熱 效 果 好 ， 避 免 鑄 造 表 面 熱 障 。 提 高 氣 缸 蓋 抗 熱 疲 勞 性 能 ， 同 時(shí) 降 低 鑄 造 工 藝 要 求 。 鉆 孔 大 小 及 合 理 布 置 可 調(diào) 節(jié) 水 流 速 度 和 水 流 的 分 布 。 對 于 直 噴 式 氣 缸 蓋 ， 鉆 孔 可 降 低 噴 油 器 部 位 的 熱 負(fù) 荷 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1 活 塞 的 總 體 結(jié) 構(gòu) 現(xiàn) 代 高 速 柴 油 機(jī) 活 塞 總 體 結(jié) 構(gòu) 均 為 “ 三 環(huán) 短 活 塞 ” （ 圖 ）以 降 低 發(fā) 動 機(jī) 的 總 體 高 度 ， 減 小 活 塞 質(zhì) 量 ， 降 低 高 速 時(shí) 活 塞的 往 復(fù) 慣 性 力 。 活 塞 的 設(shè) 計(jì) 高 度 H：對 于 缸 徑 D 100mm， 活 塞 高 度 H=（ 0.85 1） D；100mm D 120mm， H=（ 0.95 1.15） D；120mm D 140mm， H=（ 1.00 1.20） D； （ 150:0.925D）2 活 塞 的 材 料 為 了 滿 足 高 強(qiáng) 化 程 度 柴 油 機(jī) 的 需 要 ， 要 求 活 塞 的 材 料 具備 熱 強(qiáng) 度 高 、 熱 穩(wěn) 定 性 好 、 導(dǎo) 熱 性 能 好 的 輕 合 金 ， 目 前 多 采用 共 晶 高 硅 鋁 合 金 ZAISi12NiMg和 過 共 晶 高 硅 鋁 合 金 ZAISi118CuNiMg （ 硅 含 量 高 出 共 晶 點(diǎn) ） 或 ZAISi25CuNiMg等 。三 、 活 塞 中國北方發(fā)動機(jī)研究所3 活 塞 頭 部對 于 非 增 壓 直 噴 柴 油 機(jī) ， 為 加 強(qiáng) 活 塞 冷 卻 ， 向 活 塞 頂 底部 連 續(xù) 噴 射 潤 滑 油 以 冷 卻 活 塞 。對 于 增 壓 直 噴 柴 油 機(jī) ， 在 活 塞 頭 部 的 環(huán) 槽 帶 內(nèi) 用 水 溶 性鹽 芯 鑄 出 專 用 的 冷 卻 油 腔 ， 潤 滑 油 在 該 油 腔 內(nèi) 流 動 帶 走更 多 的 熱 量 （ 第 1環(huán) ： 50%） ， 以 降 低 活 塞 頭 部 的 溫 度 。（ Mahle推 薦 ： 潤 滑 油 流 量 為 5L/kWh）現(xiàn) 代 高 速 柴 油 機(jī) 活 塞 為 了 解 決 排 放 問 題 ， 出 現(xiàn) 了 “ 高 置頂 環(huán) ” 的 設(shè) 計(jì) 結(jié) 構(gòu) ， 完 全 不 同 于 傳 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 方 法 ， 即 為降 低 第 一 道 活 塞 環(huán) 的 熱 負(fù) 荷 ， 將 環(huán) 岸 設(shè) 計(jì) 得 較 低 ， 如 推薦 該 值 為 （ 0.15 0.2） D， 同 時(shí) 要 求 第 一 道 活 塞 環(huán) 處 于冷 卻 水 腔 處 。 （ 三 代 改 ： 0.153D）典 型 應(yīng) 用 ： Ford的 BSD-678柴 油 機(jī) （ YC6112） ， 其 環(huán) 岸 高 度 僅 10mm，而 缸 套 冷 卻 水 腔 頂 部 距 氣 缸 體 上 平 面 距 離 為 22mm， 第 一道 活 塞 環(huán) 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 高 出 水 腔 頂 部 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 通 過 鑄 入 含 鎳 奧 氏 體 鑄 鐵 鑲 圈 ， 來 強(qiáng) 化 第 一 道 活 塞 環(huán) 槽 。 第 一 道 活 塞 環(huán) （ Mahle推 薦 ） 采 用 球 墨 鑄 鐵 桶 面 梯 形 環(huán) ，外 層 鍍 0.10 0.20mm的 硬 鉻 ， 硬 度 要 求 達(dá) 800HV2以 上 。 它集 中 了 桶 面 環(huán) 和 梯 形 環(huán) 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 在 具 有 良 好 潤 滑 性 、 密 封性 和 磨 合 性 能 的 同 時(shí) ， 能 把 高 溫 下 形 成 膠 狀 的 潤 滑 油 從 環(huán)槽 中 排 出 ， 而 代 之 以 新 鮮 的 潤 滑 油 ， 由 于 其 優(yōu) 越 的 抗 結(jié) 膠能 力 而 能 適 應(yīng) 在 高 溫 下 工 作 。4 活 塞 銷 座 4.1 活 塞 銷 座 的 受 力 狀 態(tài) 活 塞 銷 座 是 活 塞 承 受 機(jī) 械 負(fù) 荷 最 嚴(yán) 重 的 部 位 ， 作 用 在 活 塞頂 上 巨 大 的 燃 燒 壓 力 會 導(dǎo) 致 活 塞 、 活 塞 銷 及 銷 座 產(chǎn) 生 變 形 ； 銷 和 銷 座 的 變 形 不 一 致 會 導(dǎo) 致 銷 座 內(nèi) 部 上 邊 緣 處 出 現(xiàn) 所 謂尖 峰 負(fù) 荷 ， 由 此 引 起 嚴(yán) 重 的 應(yīng) 力 集 中 ； 銷 座 承 壓 面 積 小 ， 發(fā) 動 機(jī) 工 作 時(shí) 活 塞 銷 與 銷 座 之 間 僅 有 很小 角 度 的 擺 動 ， 無 法 形 成 潤 滑 所 需 要 的 油 膜 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所4.2 活 塞 銷 座 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 在 設(shè) 計(jì) 時(shí) 應(yīng) 盡 可 能 加 大 銷 座 上 半 部 的 長 度 以 增 加 承 壓 面積 ； 采 用 異 形 銷 孔 結(jié) 構(gòu) ， 可 改 善 銷 座 的 應(yīng) 力 集 中 ， 提 高 活 塞銷 及 銷 座 的 承 載 能 力 ， 防 止 銷 座 孔 內(nèi) 表 面 開 裂 ； 異 形 銷孔 結(jié) 構(gòu) 主 要 包 括 橢 圓 形 銷 孔 、 卸 荷 腔 （ 離 隙 銷 孔 ） 及 錐形 銷 孔 等 ； 橢 圓 形 銷 孔 和 卸 荷 腔 銷 孔 （ 17.5 ） 可 減 少 應(yīng) 力 集 中10%左 右 ， 據(jù) Mahle公 司 的 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 錐 形 銷 孔 可 降 低 應(yīng) 力集 中 達(dá) 30%左 右 ,具 體 結(jié) 構(gòu) 是 在 銷 孔 內(nèi) 端 設(shè) 計(jì) 一 小 段 錐 孔 ，錐 度 一 般 為 0.014 0.04。 5 活 塞 裙 部5.1 活 塞 裙 部 的 長 度 中國北方發(fā)動機(jī)研究所活 塞 裙 部 的 長 度 ： （ 0.50 0.55） D， 傳 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 為 （ 0.60.8） D， 如 日 產(chǎn) 的 FD-42型 車 用 柴 油 機(jī) ， 其 活 塞 裙 部 長 度僅 為 0.47D。5.2 活 塞 裙 部 型 線 現(xiàn) 代 高 速 柴 油 機(jī) 活 塞 裙 部 外 形 多 為 中 凸 變 橢 圓 形 。 5.2.1 裙 部 橫 向 型 線裙 部 橫 向 型 線 多 采 用 雙 橢 圓 坐 標(biāo) 方 程 來 設(shè) 計(jì) 。橢 圓 度 （ 橢 圓 長 軸 與 短 軸 的 差 值 ） 為 ： =(G/4)(1-cos2 ( /25)(1-cos4 ) 其 中 ： G為 裙 部 最 大 橢 圓 度 ， 對 于 中 、 小 缸 徑 柴 油 機(jī) ， 一般 取 0.4， 若 基 于 特 殊 原 因 ， 可 大 于 或 小 于 此 值 ； 為 圓周 角 ； 為 無 因 次 修 正 系 數(shù) ， 計(jì) 算 時(shí) 一 般 取 2。 5.2.2 裙 部 縱 向 型 線 活 塞 裙 部 的 縱 向 型 線 一 般 為 桶 形 曲 線 ， 目 前 多 采 用 國外 成 熟 的 型 線 ， 或 根 據(jù) 活 塞 的 實(shí) 際 工 作 情 況 對 已 有 中 凸 型 線 進(jìn) 行 修 正 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1 連 桿 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)1.1 中 心 距 L 的 確 定 現(xiàn) 代 高 速 柴 油 機(jī) 普 遍 采 用 短 連 桿 結(jié) 構(gòu) ， 以 降 低 總 體 高 度和 質(zhì) 量 。 但 過 小 的 連 桿 中 心 距 或 曲 柄 連 桿 比 （ =R/L）會 引 起 活 塞 側(cè) 壓 力 的 增 加 ， 導(dǎo) 致 柴 油 機(jī) 摩 擦 損 失 增 大 ，加 速 活 塞 、 活 塞 環(huán) 、 氣 缸 套 的 磨 損 ， 曲 柄 連 桿 比 的 取 值為 ： 0.32。 現(xiàn) 代 高 速 柴 油 機(jī) 連 桿 一 般 采 用 碳 鋼 或 合 金 鋼 經(jīng) 模 鍛 而 成 ，常 用 材 料 有 ： 45、 40Cr、 42CrMo、 35CrMoA等 。1.2 連 桿 的 結(jié) 構(gòu) 形 式1.2.1 連 桿 大 頭 的 剖 分 形 式 （ 圖 ） 平 切 口 （ 水 平 剖 分 ） ： 剛 性 好 ， 盡 可 能 采 用 。 斜 切 口 （ 45 剖 分 ） ： 只 有 在 連 桿 軸 頸 較 大 ， 連 桿 不 能通 過 氣 缸 套 時(shí) 才 采 用 。四 、 連 桿 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1.2.2 連 桿 蓋 的 定 位 方 式 平 切 口 ： 螺 栓 桿 定 位 、 定 位 銷 （ 套 ） 定 位 斜 切 口 ： 止 口 定 位 、 鋸 齒 定 位 在 一 些 轎 車 發(fā) 動 機(jī) 上 ， 也 有 采 用 漲 開 時(shí) 的 不 規(guī)則 斷 面 來 定 位1.2.3 連 桿 小 頭 的 結(jié) 構(gòu) 形 式在 確 定 了 活 塞 銷 直 徑 ， 并 且 在 活 塞 內(nèi) 腔 允 許 的情 況 下 ， 盡 可 能 增 大 連 桿 的 承 壓 面 積 以 降 低 比壓 ， 一 般 將 連 桿 小 頭 設(shè) 計(jì) 成 楔 形 結(jié) 構(gòu) 。2 連 桿 強(qiáng) 度 計(jì) 算（ 專 題 ） 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 發(fā) 動 機(jī) 的 全 部 功 率 都 是 通 過 曲 軸 輸 出 ， 曲 軸 承 受 周 期 性變 化 的 力 、 力 矩 （ 包 括 扭 矩 和 彎 矩 ） 共 同 作 用 ， 結(jié) 構(gòu) 形 狀 復(fù)雜 ， 應(yīng) 力 集 中 嚴(yán) 重 ， 易 產(chǎn) 生 疲 勞 破 壞 。 因 而 曲 軸 的 設(shè) 計(jì) 必 須具 有 足 夠 的 疲 勞 強(qiáng) 度 （ 圖 ） 。1 曲 軸 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 曲 軸 的 基 本 尺 寸 依 賴 于 發(fā) 動 機(jī) 的 總 體 結(jié) 構(gòu) ， 必 須 同 時(shí) 考慮 連 桿 大 頭 的 切 口 形 式 、 軸 瓦 的 許 用 比 壓 、 氣 缸 中 心 距 、 曲軸 的 強(qiáng) 度 、 發(fā) 動 機(jī) 的 強(qiáng) 化 程 度 等 各 方 面 的 因 素 。 1.1 軸 頸 的 確 定1.1.1 連 桿 軸 頸 Dp 連 桿 軸 頸 ： Dp=(0.6 0.65)D（ 直 切 口 連 桿 ） ， 大 于 該值 應(yīng) 采 用 斜 切 口 連 桿 。 增 大 連 桿 軸 頸 直 徑 ， 可 減 小 連 桿 軸 承 的 比 壓 ， 但 曲 軸 不平 衡 旋 轉(zhuǎn) 慣 性 力 急 劇 增 大 ， 使 發(fā) 動 機(jī) 振 動 加 劇 ， 特 別 是 高 速 發(fā) 動 機(jī) 。 五 、 曲 軸 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1.1.2 主 軸 頸 Dj =(1.05 1.25)Dp主 軸 頸 直 徑 的 確 定 ， 應(yīng) 具 有 適 當(dāng) 的 重 疊 度 ， 以 保 證 曲 軸的 強(qiáng) 度 。增 大 主 軸 頸 可 提 高 曲 軸 剛 度 、 降 低 軸 瓦 比 壓 、 減 小 扭 振 。增 大 主 軸 頸 后 ， 由 于 主 軸 頸 投 影 面 積 增 大 ， 可 適 當(dāng) 減 小主 軸 頸 長 度 ， 因 而 可 增 加 曲 柄 臂 厚 度 ， 提 高 曲 軸 強(qiáng) 度 。但 過 多 增 大 主 軸 頸 會 引 起 軸 承 摩 擦 損 失 增 加 ， 影 響 發(fā) 動機(jī) 性 能 。為 了 避 免 過 大 的 扭 振 ， 在 曲 軸 較 長 時(shí) 應(yīng) 適 當(dāng) 加 大 主 軸 頸的 直 徑 。1.1.3 軸 頸 有 效 長 度 （ 軸 瓦 有 效 長 度 ）主 軸 頸 有 效 長 度 與 主 軸 頸 直 徑 之 比 為 ： 0.26 0.4連 桿 軸 頸 有 效 長 度 與 連 桿 軸 頸 直 徑 之 比 為 ： 0.35 0.55 為 提 高 剛 度 ， 在 軸 瓦 比 壓 許 可 條 件 下 ， 軸 頸 有 效 長度 越 小 越 好 ， 可 最 大 限 度 增 大 曲 柄 臂 厚 度 ， 以 增 加 曲 軸的 抗 彎 截 面 模 量 ， 降 低 曲 軸 臂 中 危 險(xiǎn) 截 面 處 的 應(yīng) 力 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1.2 曲 軸 的 平 衡發(fā) 動 機(jī) 工 作 過 程 中 產(chǎn) 生 的 旋 轉(zhuǎn) 和 往 復(fù) 慣 性 力 ， 其 大 小 和方 向 都 是 周 期 性 變 化 的 ， 如 不 加 以 平 衡 ， 則 成 為 發(fā) 動 機(jī)振 動 的 根 源 。 進(jìn) 行 慣 性 力 系 平 衡 的 主 要 手 段 曲 軸 平 衡 塊的 布 置 。 1.2.1 曲 軸 的 靜 平 衡靜 平 衡 是 指 曲 軸 在 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) 離 心 力 的 合 力 為 零 ， 即 其 質(zhì) 心位 于 旋 轉(zhuǎn) 軸 上 。 在 曲 軸 設(shè) 計(jì) 中 必 須 保 證 曲 軸 是 靜 平 衡 的 。理 論 上 ， 曲 軸 都 可 設(shè) 計(jì) 成 靜 平 衡 的 ， 但 由 于 制 造 時(shí) 的 偏差 會 產(chǎn) 生 靜 不 平 衡 現(xiàn) 象 ， 因 此 必 須 對 曲 軸 進(jìn) 行 靜 平 衡 試驗(yàn) 。1.2.2 曲 軸 的 動 平 衡通 過 靜 平 衡 試 驗(yàn) 可 實(shí) 現(xiàn) 曲 軸 的 靜 平 衡 ， 但 其 旋 轉(zhuǎn) 質(zhì) 量 不一 定 在 同 一 個(gè) 旋 轉(zhuǎn) 平 面 內(nèi) ， 因 而 會 產(chǎn) 生 慣 性 力 矩 ， 引 起曲 軸 振 動 ， 這 就 是 曲 軸 的 動 不 平 衡 。 設(shè) 計(jì) 中 必 須 保 證 曲軸 是 動 平 衡 ， 動 平 衡 的 曲 軸 則 必 定 是 靜 平 衡 的 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 4缸 機(jī) 曲 軸 的 曲 拐 平 面 對 稱 布 置 ， 曲 軸 既 靜 平 衡 又 動 平 衡 。但 曲 軸 存 在 內(nèi) 彎 矩 ， 會 引 起 曲 軸 變 形 ， 必 須 在 曲 軸 臂 上設(shè) 置 平 衡 塊 。 5缸 機(jī) 曲 拐 夾 角 為 72 （ 發(fā) 火 次 序 為 1-4-3-2-5） ， 其 旋轉(zhuǎn) 慣 性 力 是 平 衡 的 ， 但 其 慣 性 力 矩 是 不 平 衡 的 ， 必 須 在曲 軸 臂 上 設(shè) 置 平 衡 塊 。 6缸 機(jī) 曲 拐 夾 角 為 120 （ 發(fā) 火 次 序 為 1-5-3-6-2-4） ， 呈鏡 面 對 稱 布 置 ， 顯 然 是 動 平 衡 的 ， 但 曲 軸 本 身 存 在 內(nèi) 彎矩 ， 為 了 平 衡 上 述 內(nèi) 彎 矩 ， 必 須 在 曲 軸 臂 上 設(shè) 置 平 衡 塊 。2 曲 軸 材 料 曲 軸 材 料 主 要 是 鍛 鋼 和 球 墨 鑄 鐵 。 球 墨 鑄 鐵 一 般 用 于 強(qiáng) 化 程 度 不 高 的 非 增 壓 發(fā) 動 機(jī) 中 ， 球墨 鑄 鐵 曲 軸 的 強(qiáng) 度 與 普 通 中 碳 鋼 相 當(dāng) ， 伸 長 率 、 沖 擊 韌度 和 彈 性 模 量 較 低 ， 綜 合 力 學(xué) 性 能 低 于 鍛 鋼 ， 但 球 狀 石墨 的 耐 磨 性 能 優(yōu) 于 鍛 鋼 。 鍛 鋼 一 般 用 于 強(qiáng) 化 程 度 高 的 增 壓 發(fā) 動 機(jī) 中 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所3 提 高 曲 軸 強(qiáng) 度 的 措 施3.1 結(jié) 構(gòu) 措 施 提 高 曲 軸 強(qiáng) 度 的 結(jié) 構(gòu) 措 施 主 要 是 降 低 軸 徑 圓 角 處 的 應(yīng) 力集 中 。 增 大 軸 徑 重 疊 度 A重 疊 度 ： A=(Dp+Dj+S)/2其 中 ： Dp為 連 桿 軸 頸 直 徑 ， Dj為 主 軸 頸 直 徑 ， S為 活塞 行 程 增 大 過 渡 圓 角 R 過 渡 圓 角 的 大 小 、 形 狀 、 材 料 的 組 織 ， 表 面 加 工 質(zhì) 量 和粗 糙 度 等 ， 對 曲 軸 的 應(yīng) 力 影 響 十 分 明 顯 ， 增 大 圓 角 半 徑 可 以使 局 部 應(yīng) 力 峰 值 下 降 。 試 驗(yàn) 表 明 ， R/D0.05時(shí) （ 此 處 D為 連桿 軸 頸 或 主 軸 頸 直 徑 ） ， 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) 趨 于 平 緩 。 較 大 的 圓 角 更 易 于 磨 削 加 工 ， 精 度 和 表 面 粗 糙 度 易 于 保證 ， 但 圓 角 半 徑 的 大 小 受 曲 軸 軸 向 尺 寸 的 限 制 ， 因 此 在 設(shè) 計(jì)中 必 須 綜 合 考 慮 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所3.2 工 藝 措 施 采 用 適 當(dāng) 的 工 藝 措 施 ， 可 使 曲 軸 疲 勞 強(qiáng) 度 得 到 大 幅 度 提高 。3.2.1 液 體 氮 碳 共 滲 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 可 提 高 40%左 右 ， 適 用 于 球鐵 和 鍛 鋼 。3.2.2 圓 角 滾 壓 強(qiáng) 化 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 可 提 高 30% 60%。 圓 角 滾 壓 強(qiáng) 化 是 利 用 滾 輪 壓 力 的 作 用 ， 使 曲 軸 圓 角 表 面的 機(jī) 械 應(yīng) 力 超 過 材 料 的 屈 服 極 限 而 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 ， 讓 曲 軸 表層 直 到 一 定 深 度 范 圍 內(nèi) 出 現(xiàn) 殘 余 壓 應(yīng) 力 ， 在 工 作 時(shí) ， 可 抵 消部 分 曲 軸 的 拉 應(yīng) 力 。 3.2.3 圓 角 表 面 淬 火 ， 疲 勞 強(qiáng) 度 可 提 高 30% 50%。 在 非 液 體 氮 碳 共 滲 的 曲 軸 中 ， 由 于 軸 頸 表 面 的 硬 度 不夠 ， 一 般 采 用 高 頻 淬 火 工 藝 來 提 高 其 硬 度 。 但 由 于 工 藝 原 因 ，在 對 軸 頸 表 面 進(jìn) 行 淬 火 處 理 時(shí) 圓 角 處 不 淬 火 ， 這 樣 軸 頸 部 分產(chǎn) 生 殘 余 壓 應(yīng) 力 ， 而 圓 角 部 分 則 因 不 淬 火 而 形 成 回 火 區(qū) ， 出現(xiàn) 殘 余 拉 應(yīng) 力 ， 從 而 降 低 了 曲 軸 的 疲 勞 強(qiáng) 度 ， 因 此 ， 應(yīng) 采 取工 藝 措 施 ， 使 軸 頸 與 圓 角 同 時(shí) 淬 火 。4 曲 軸 的 強(qiáng) 度 計(jì) 算 （ 專 題 ） 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1 概 述 配 氣 機(jī) 構(gòu) 是 發(fā) 動 機(jī) 的 一 個(gè) 重 要 系 統(tǒng) ， 其 設(shè) 計(jì) 好 壞 對 發(fā) 動機(jī) 的 性 能 、 可 靠 性 和 壽 命 有 極 大 的 影 響 ， 現(xiàn) 代 發(fā) 動 機(jī) 配 氣 機(jī)構(gòu) 在 設(shè) 計(jì) 理 論 和 方 法 上 取 得 了 重 大 突 破 。1.1 創(chuàng) 立 了 許 多 性 能 優(yōu) 良 的 凸 輪 型 線 早 期 形 狀 簡 單 的 圓 弧 、 切 線 凸 輪 ， 雖 有 較 大 的 時(shí) 面 值 ，但 加 速 曲 線 不 連 續(xù) ， 工 作 中 易 引 起 配 氣 機(jī) 構(gòu) 的 沖 擊 和 跳 動 ，尤 其 對 轉(zhuǎn) 速 較 高 的 發(fā) 動 機(jī) 情 況 更 嚴(yán) 重 ， 于 是 一 些 工 作 平 穩(wěn) 性較 好 的 函 數(shù) 凸 輪 逐 漸 產(chǎn) 生 并 得 到 應(yīng) 用 ， 如 無 沖 擊 凸 輪 ， 復(fù) 合正 弦 、 復(fù) 合 擺 線 、 低 次 方 、 高 次 方 、 多 項(xiàng) 動 力 、 N次 諧 波 凸 輪等 。 這 些 凸 輪 型 線 ， 由 于 它 們 的 加 速 度 甚 至 高 階 導(dǎo) 數(shù) 連 續(xù) ，改 善 了 配 氣 機(jī) 構(gòu) 的 動 力 性 能 ， 同 時(shí) 時(shí) 間 截 面 也 足 夠 大 ， 能 夠滿 足 發(fā) 動 機(jī) 充 氣 性 能 的 要 求 ， 因 而 被 廣 泛 用 于 現(xiàn) 代 各 種 發(fā) 動機(jī) 配 氣 凸 輪 的 設(shè) 計(jì) 中 。六 、 配 氣 機(jī) 構(gòu) 中國北方發(fā)動機(jī)研究所1.2 由 剛 性 設(shè) 計(jì) 發(fā) 展 為 彈 性 設(shè) 計(jì) 配 氣 機(jī) 構(gòu) 是 一 個(gè) 剛 性 較 差 的 系 統(tǒng) ， 因 氣 門 彈 簧 和 慣 性 載荷 的 作 用 而 產(chǎn) 生 變 形 。 隨 著 轉(zhuǎn) 速 提 高 ， 變 形 加 大 ， 如 設(shè) 計(jì) 不當(dāng) ， 氣 門 的 實(shí) 際 運(yùn) 動 規(guī) 律 和 理 論 上 將 產(chǎn) 生 很 大 誤 差 ， 造 成 系統(tǒng) 的 脫 離 、 跳 動 、 提 前 落 座 等 現(xiàn) 象 ， 影 響 發(fā) 動 機(jī) 的 性 能 和 零件 的 可 靠 性 。 因 而 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 要 考 慮 配 氣 機(jī) 構(gòu) 的 彈 性 變 形 ， 它已 成 為 現(xiàn) 代 配 氣 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 的 基 本 思 想 。1.3 由 凸 輪 設(shè) 計(jì) 研 究 發(fā) 展 到 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 凸 輪 設(shè) 計(jì) 必 須 同 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 結(jié) 合 在 一 起 ， 對 配 氣 機(jī) 構(gòu) 在 各工 作 轉(zhuǎn) 速 下 的 動 態(tài) 行 為 進(jìn) 行 研 究 ， 要 求 協(xié) 調(diào) 充 氣 性 能 、 平 穩(wěn)性 與 可 靠 性 等 方 面 的 要 求 。1.4 引 入 摩 擦 學(xué) 設(shè) 計(jì) 的 理 論 和 方 法 考 慮 到 配 氣 機(jī) 構(gòu) 中 摩 擦 副 的 潤 滑 狀 態(tài) 、 摩 擦 和 磨 損 狀 況 ，在 配 氣 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 中 引 入 摩 擦 學(xué) 設(shè) 計(jì) 的 理 論 和 方 法 ,是 現(xiàn) 代 設(shè)計(jì) 的 重 要 發(fā) 展 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所2 配 氣 機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 主 要 包 括 頂 置 和 下 置 凸 輪 兩 種 結(jié) 構(gòu) 形 式 （ 圖 ） 。2.1 下 置 凸 輪 結(jié) 構(gòu) 下 置 凸 輪 配 氣 結(jié) 構(gòu) 形 式 傳 動 可 靠 ， 制 造 成 本 低 ， 用 于4000r/min以 下 的 發(fā) 動 機(jī) 中 。 缺 點(diǎn) 是 傳 動 鏈 較 長 ， 系 統(tǒng) 剛 度較 低 ， 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 盡 可 能 提 高 系 統(tǒng) 的 剛 度 。 2.2 頂 置 凸 輪 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 動 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 達(dá) 到 4000r/min以 上 ， 應(yīng) 采 用 頂 置 凸 輪 結(jié) 構(gòu) 。 頂 置 凸 輪 可 通 過 搖 臂 傳 動 氣 門 ， 也 可 直 接 傳 動 氣 門 ， 頂置 凸 輪 結(jié) 構(gòu) 的 傳 動 鏈 短 ， 系 統(tǒng) 剛 度 有 很 大 的 提 高 ， 運(yùn) 動 質(zhì) 量小 。 由 于 摩 擦 副 數(shù) 目 減 少 而 使 摩 擦 損 失 減 小 ， 機(jī) 械 效 率 提 高 ；而 慣 性 負(fù) 荷 減 小 更 可 降 低 氣 門 彈 簧 載 荷 ， 使 系 統(tǒng) 各 零 件 和 摩擦 副 受 力 減 小 ， 工 作 可 靠 性 提 高 ， 也 有 利 于 減 小 配 氣 機(jī) 構(gòu) 的噪 聲 等 。 頂 置 凸 輪 傳 動 較 復(fù) 雜 ， 發(fā) 動 機(jī) 高 度 尺 寸 增 加 ， 制 造 成 本較 高 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所3 配 氣 機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 3.1 凸 輪 型 線 的 設(shè) 計(jì) 凸 輪 型 線 設(shè) 計(jì) 是 配 氣 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 中 最 關(guān) 鍵 的 部 分 ， 在 確 定了 系 統(tǒng) 參 數(shù) 后 ， 重 要 的 問 題 是 根 據(jù) 發(fā) 動 機(jī) 的 性 能 和 用 途 ， 正確 選 擇 凸 輪 型 線 類 型 及 凸 輪 參 數(shù) 。 3.1.1 凸 輪 型 線 的 類 型 配 氣 機(jī) 構(gòu) 振 動 特 征 數(shù) ，是 型 線 選 擇 的 參 考 技 術(shù) 指 標(biāo) ： 其 中 ： m為 系 統(tǒng) 當(dāng) 量 質(zhì) 量 （ kg） ； C為 系 統(tǒng) 剛 度 （ N/mm） ； 為 凸 輪 軸 角 速 度 （ rad/s） 。 反 映 了 配 氣 機(jī) 構(gòu) 的 柔 性 程 度 。 當(dāng) 系 統(tǒng) 剛 度 大 ， 質(zhì) 量 小而 轉(zhuǎn) 速 較 低 時(shí) ， 很 小 ， 反 映 系 統(tǒng) 有 較 高 的 剛 性 ， 工 作 時(shí) 產(chǎn)生 的 變 形 和 振 動 較 小 。 反 之 ， 較 大 ， 反 映 系 統(tǒng) 柔 性 大 ， 易產(chǎn) 生 變 形 和 振 動 。 C1000m 2 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 0.001時(shí) ： 系 統(tǒng) 剛 度 較 好 ， 可 采 用 組 合 曲 線 或 圓 弧 凸 輪 ， 獲 得 較 大的 時(shí) 面 值 ， 有 利 于 充 氣 性 能 的 提 高 ； 0.001 0.002時(shí) ： 系 統(tǒng) 為 柔 性 系 統(tǒng) ， 應(yīng) 采 用 平 穩(wěn) 性 更 好 的 多 項(xiàng) 動 力 、 N次諧 波 或 高 次 方 凸 輪 。 僅 指 出 選 用 型 線 的 大 致 范 圍 ， 具 體 設(shè) 計(jì) 還 應(yīng) 根 據(jù) 發(fā) 動機(jī) 的 性 能 、 用 途 等 要 求 ， 最 后 確 定 凸 輪 型 線 的 類 型 。3.1.2 凸 輪 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 正 確 選 擇 凸 輪 設(shè) 計(jì) 的 原 始 參 數(shù) ， 包 括 配 氣 相 位 、 凸 輪 過渡 段 和 工 作 段 升 程 、 過 渡 段 和 工 作 段 包 角 以 及 基 圓 半 徑 等 ，這 些 參 數(shù) 應(yīng) 根 據(jù) 統(tǒng) 計(jì) 數(shù) 據(jù) 和 設(shè) 計(jì) 規(guī) 律 加 以 選 定 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 評 價(jià) 系 統(tǒng) 工 作 平 穩(wěn) 性 的 參 數(shù) 周 期 比 K ：式 中 ： nc為 凸 輪 軸 設(shè) 計(jì) 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） ， m為 凸 輪 正 加 速 度區(qū) 間 （ ） ， fn為 配 氣 機(jī) 構(gòu) 固 有 頻 率 （ min-1） 。 K是 配 氣 機(jī) 構(gòu) 在 凸 輪 正 加 速 度 區(qū) 間 內(nèi) 振 動 的 次 數(shù) ， K越 大 ，系 統(tǒng) 工 作 越 平 穩(wěn) ， 但 凸 輪 豐 滿 系 統(tǒng) 降 低 。 對 于 不 同 的 凸 輪 型線 ， 有 不 同 的 K值 ， 對 于 高 次 方 、 多 項(xiàng) 動 力 等 凸 輪 要 求 K在1.3左 右 。 應(yīng) 具 備 較 好 的 充 氣 性 能 ， 即 挺 柱 升 程 曲 線 下 的 面 積 （ 豐滿 系 數(shù) ） 較 大 ， 充 氣 性 能 和 平 穩(wěn) 性 常 常 會 有 矛 盾 ， 在 設(shè) 計(jì) 中應(yīng) 優(yōu) 先 考 慮 凸 輪 的 平 穩(wěn) 性 ， 在 良 好 的 平 穩(wěn) 性 基 礎(chǔ) 上 盡 可 能 提高 充 氣 性 能 。 改 善 氣 門 及 氣 門 座 的 工 作 條 件 ， 使 氣 門 升 起 和 落 座 發(fā) 生 在 過 渡 段 上 ， 設(shè) 計(jì) 凸 輪 時(shí) ， 過 渡 段 的 高 度 要 足 夠 大 。 Cmn n360fK m1000C30fn 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 最 大 挺 柱 速 度 受 挺 柱 底 面 直 徑 的 限 制 挺 柱 速 度 正 比 于 凸 輪 與 挺 柱 接 觸 點(diǎn) 的 偏 心 量 ， 接 觸 點(diǎn) 不應(yīng) 超 過 挺 柱 底 面 圓 周 之 外 ， 滿 足 關(guān) 系 式 ： dTA=2emax+(2 3) dTA為 挺 柱 底 面 直 徑 （ mm） ， emax為 接 觸 點(diǎn) 最 大 偏 心 量（ mm） ， 當(dāng) 挺 柱 速 度 以 mm/rad表 示 時(shí) ， 其 數(shù) 值 與 接 觸 點(diǎn) 的 偏心 量 相 同 ， 即 ： emax = vmax 凸 輪 曲 率 半 徑 的 限 制 為 便 于 加 工 以 及 限 制 凸 輪 挺 柱 間 過 大 的 接 觸 應(yīng) 力 ， 最 小曲 率 半 徑 不 能 太 小 。 當(dāng) 采 用 滾 輪 挺 柱 時(shí) ， 凸 輪 可 能 出 現(xiàn) 凹 弧 的 情 況 ， 考 慮 加工 工 藝 性 ， 一 般 凹 弧 的 半 徑 為 350mm 400mm。 凸 輪 與 挺 柱 間 的 接 觸 應(yīng) 力 不 應(yīng) 過 大 （ 1600 1800MPa） 凸 輪 與 挺 柱 的 異 常 磨 損 是 配 氣 機(jī) 構(gòu) 常 見 故 障 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 應(yīng)予 以 考 慮 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所3.1.3 凸 輪 過 渡 段 的 設(shè) 計(jì) 配 氣 凸 輪 過 渡 段 的 型 線 有 多 種 ， 應(yīng) 用 最 廣 的 是 等 加 速 等 速 過 渡 段 。 氣 門 落 座 發(fā) 生 在 速 度 不 變 的 等 速 段 上 ， 保 證 氣 門 落 座 較為 平 穩(wěn) 。3.1.4 凸 輪 工 作 段 的 設(shè) 計(jì) 幾 何 凸 輪 具 有 豐 滿 系 數(shù) 較 大 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 但 其 動 力 性 能 不 好 ，影 響 配 氣 機(jī) 構(gòu) 工 作 的 平 穩(wěn) 性 和 零 件 的 工 作 可 靠 性 和 壽 命 ， 因此 在 高 速 發(fā) 動 機(jī) 推 薦 采 用 函 數(shù) 凸 輪 。 復(fù) 擺 型 （ FB2） 凸 輪 屬 于 組 合 式 函 數(shù) 凸 輪 ， 具 有 較 大 的 時(shí) 面 值 ， 平 穩(wěn) 性 也 比較 好 ， 適 用 于 中 、 高 速 發(fā) 動 機(jī) 上 。 高 次 多 項(xiàng) 式 凸 輪 屬 于 整 體 式 函 數(shù) 凸 輪 ， 不 僅 升 程 、 速 度 、 加 速 度 曲 線 連續(xù) ， 而 且 其 高 階 導(dǎo) 數(shù) 連 續(xù) ， 因 而 工 作 平 穩(wěn) 性 較 好 ， 可 用 于 高速 發(fā) 動 機(jī) 上 。 中國北方發(fā)動機(jī)研究所 多 項(xiàng) 動 力 凸 輪 屬 于 整 體 式 函 數(shù) 凸 輪 ， 其 設(shè) 計(jì) 思 想 與 一 般 凸 輪 設(shè) 計(jì) 思 想不 同 ， 一 般 凸 輪 是 直 接 設(shè) 計(jì) 挺 柱 的 升 程 規(guī) 律 ， 而 多 項(xiàng) 動 力 凸輪 的 設(shè) 計(jì) 方 法 是 首 先 設(shè) 計(jì) 理 想 的 氣 門 運(yùn) 動 規(guī) 律 ， 預(yù) 先 考 慮 系統(tǒng) 動 、 靜 變 形 的 影 響 ， 計(jì) 算 出 相 應(yīng) 的 挺 柱 升 程 規(guī) 律 。 因 此 ，多 項(xiàng) 動 力 凸 輪 的 動 力 學(xué) 性 能 優(yōu) 于 高 次 多 項(xiàng) 式 凸 輪 ， 在 高 速 發(fā)動 機(jī) 獲 得 廣 泛 的 應(yīng) 用 。3.2 配 氣 機(jī) 構(gòu) 動 力 學(xué) 由 于 配 氣 機(jī) 構(gòu) 是 一 個(gè) 彈 性 系 統(tǒng) ， 凸 輪 所 確 定 的 運(yùn) 動 規(guī) 律經(jīng) 過 剛 性 較 差 的 傳 動 鏈 的 傳 遞 ， 就 會 產(chǎn) 生 失 真 ， 引 起 氣