柴油机各系统设计

1、3 1 活塞组活塞组包括活塞，活塞销和活塞环。它们在气缸里做往复惯性运动，活塞主要作用是承受 气缸的气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以次推动曲轴旋转。它还和气缸壁面一起活 动构成密封装置，保证燃烧室的良好密封，这个功能是通过装在活塞头部环槽的一系列带开口 的弹性活塞实现的。在高温，高负荷，高速和少量的机油消耗的情况下，它一方面要保证漏气 量少，另一方面又要使摩擦损失不大，同时还要保证足够的耐久性。因此设计时要选用热强度 好，耐磨，比重小，热膨胀系数小，导热性好，具有良好减磨性，工艺性的材料。目前制造活 塞常用的材料有共晶铝硅合金，过晶铝硅合金和铝铜合金。设计选用共晶铝硅合金材料。1、活塞

2、设计的主要尺寸4（ 1 ）活塞高度H：根据柴油机设计手册，对于中小型柴油机而言，H/D范围在，而 D=110mm取H=113.5mm在选择活塞高度时要注意在合理布置的情况下尽量选择小的活塞高度，如果转速越高，要使 H越小，尽量减轻活塞重量，从而控制由于转速高而应引的惯性力的增大。（ 2）压缩高度H1：根据柴油机设计手册，H1/D范围在，取H1=67mm HI=H5 （换带高度）+H4 （上裙高度）+h（顶岸高度）。 在保证气环良好良好工作情况下，宜缩短 H1 高度， 以便降低整机的高度尺寸。（3）顶岸高度h （第一活塞环至活塞顶部距离）：根据柴油机设计手册，对铝活塞h/D范围在，取h=13.4

3、mm。在保证第一道环可靠工作下，也要使 h 尽量小，降低活塞重量和高度，但h 越小，会使第一道环的热负荷越高，。一般第一道环的温度不应该超过240 度，否则润滑油可能粘结甚至结碳，易使活塞环在活塞中失去活动性，散失了密封和传热的功能（ 4）活塞环数目及排列：根据柴油机设计手册，中速机气环3-4 道，油环1-2 道，取气环2 道，油环一道。2 道气环在上面，1 道油环在气环下面。为了降低活塞和整台发动机的高度，减少惯性力和摩擦功率损耗，应该减少环数。5）环岸高度：根据柴油机设计手册，第一道环岸h1（ 第一道气环下面的环岸）/D 范围在其余环岸h2（h3）范围在。取第一环岸h1=5.8mm, h2

4、=2.6mm, h3=4.2mni第一道环温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断压，所以第一环岸高度比其它环岸高度要大一些。（6）活塞顶厚度':根据柴油机设计手册，铝活塞 '/D范围在，取 '=20mm（ 7）活塞裙部长度H2：根据柴油机设计手册，中高速柴油机 H2/D范围在，取H2=74mm对于上裙部 H4也不要过小，否则会产生尖峰负荷，会造成活塞拉毛及擦伤。（8）裙部壁厚'g:根据柴油机设计手册，铝活塞裙部最小壁厚为（）D,取最小壁厚为 3.8mm薄壁对减轻活塞重量有利，但是要使活塞具有足够的刚性，也可以通过设置加强筋来达到。（ 9）活塞销直径d

5、 和销座间隔B：活塞销的功能是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。根据柴油机设 计手册，d/D在间，普通的销座 B/D在间，取d= 44mm, B=46 mm要使活塞销的变形在 d的 范围内。2、活塞的结构2活塞可分为三部分：活塞顶部、活塞头部和活塞裙部。（ 1 ）活塞顶部：活塞顶的形状是根据燃烧系统要求设计的，燃烧室采用凹坑型的。活塞顶部的形状可分为四大类，平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞（如下图）。设计时选用凹顶活塞。2）活塞头部：活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上部分。它有数道环槽，用来安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。活塞头部设计成具有良好导热的“热流型

6、”， 并且采用大圆弧的过渡，增加从顶部到群部的传热面积，降低活塞顶的温度和热应力，这样可提高活塞的承载能力。此外，为提高第一道环的耐磨性，延长其寿命，采用镶环座，即在第一道环槽处铸入一个耐磨铸铁环座，环座的截面形状一般为梯形，这使铝合金冷却时沿径向收缩，以卡紧环座。（ 3）活塞裙部：活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括装活塞销的销座孔。它对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。设计裙部要注意：（a） 活塞裙部应该预先做成椭圆形。由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，

7、受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状，工作时才趋近正圆。（b） 活塞裙身要预先做成阶梯形，锥形。活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形或者锥形。3 2 连杆组 连杆组包括连杆体，连杆盖，连杆螺栓，

8、和连杆轴瓦。而连杆体又包括连杆大头，连杆小头和杆身。连杆的作用是能够将活塞的往复惯性运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用于活塞组上的力传给曲轴。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此设计时要保证连杆有足够的疲劳强度和结构刚度。如果强度不够，会发生连杆大头，连杆螺栓或杆身的断裂；如果刚度不够，会使曲轴连杆机构的工作受影响。连杆一般都采用优质中碳钢，合金钢经模锻或辊锻而成，然后经机加工和热处理，毛坯要经调质处理，非加工表面通常要喷丸强化。1、连杆设计的主要尺寸：4（ 1 ）连杆长度L（ 连杆大小头的空中心距） ：L=210mm通常用连杆比=r/L 来说明，越大，连杆越短，可以降低发动

9、机的总高度，减轻运动间重量和整机重量。但连杆过短会引起活塞侧压力的加大，会增加活塞与汽缸的摩擦和磨损，实验证明，直到=1/3 时这种一向都不太大。（ 2）连杆小头的结构设计：1 ）小头轴承孔直径d: d=42 mm2）小头宽度B1:根据柴油机设计手册，B1范围在（）d之间，小头设计成斜面形状 ,这样 可以增加活塞销座和连杆小头的支承面积，有强化作用。取小头最小宽度31mm小头最大宽度40mm。3）小头外径D1：根据柴油机设计手册，D1范围在（）d之间，取D1=60mm4）小头衬套厚度：根据柴油机设计手册， 范围在之间, 取=2mm。5）小头成衬套外径 di:根据柴油机设计手册，d1= d +2

10、*,得d1=46 mm,6）小头衬套宽度：在通常情况下，衬套和小头制成同样宽度。连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动。连杆小头孔要有足够的壁厚外，还要特别注意小头到杆身过渡的圆滑性，这个过渡结构决定小头的刚度及支承情况，对小头变形和应力有很大影响，应该尽量减小圆弧处的应力集中。3）杆身的结构尺寸：连杆杆身采用“工”字形截面，这样有助于杆身向小、大头的过渡，这种杆身在较小的重量下能得到较大的刚度。1）杆身断面的平均高度 H:根据柴油机设计手册，H范围在之间，取 H=34mm2）连杆厚度B:根据柴油机设计手册，H/B范围在之间，取 B=25 mm为使连杆从小头到大头传力比较均匀，把杆身断面

11、H 设计成从小头到大头逐渐加大，在杆身到大头的过渡采用了较大的过渡圆。4）连杆大头的尺寸及结构：1 ）连杆大头轴瓦厚度：取 = 2.5mm2）连杆大头轴承孔内径 D2:根据连杆轴颈直径有Dp=74+2*2.5=79 mm,3 ）连杆大头轴承外径 D3:取D3=86 mm。4 ）连杆大头宽度 B3:取B3= 42 mm。5）连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，应该要有足够的强度和刚度，否则会影响薄壁轴瓦，连杆螺栓等。为了便于维修，使连杆能够从汽缸中取出，要求大头在摆动平面内的总宽度B0必须小于汽缸直径。2、连杆大头有整体式和分开式两种。一般都采用分开式，分开式又分为平分和斜分两种。平分分开面与连杆杆身

12、轴线垂直，汽油机多采用这种连杆。斜分一一分开面与连杆杆身轴线成3060。夹角。柴油机多采用这种连杆。因为，柴油机压缩比大，受力较大，曲轴的连杆轴颈较粗，相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径，为了使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般都采用斜切口。故本次设计选用斜切口方式。根据柴油机设计手册，斜角范围在30 度 -60 度之间，取斜角为45 度。斜切口连杆常用的定位方式：止口定位，销套定位和锯齿定位。3、连杆盖：即连杆大头可取下的部分。连杆与连杆盖配对加工，加工后，在它们同一侧需要打上配对记号，安装时不得互相调换或变更方向。为此，在结构上采取了定位措施。4、连杆螺栓：连杆螺栓将连杆盖和连杆大头连在

13、一起，它在工作中承受很大的冲击力，如果折断或松脱，将造成严重事故。因此，连杆螺栓都采用优质合金钢，并精加工和热处理特制而成。安装连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力板手分23次交替均匀地拧紧到规定的扭矩,拧紧后还应可靠的锁紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其它螺栓来代替。连杆螺栓必须用中碳合金钢制造，经调质以保证高强度。5、连杆轴瓦：为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片。连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。目前多采用薄壁钢背轴瓦，在

14、其内表面浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨损等特点。连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。轴瓦在轴承孔中真正的定位是靠过盈来保证的，一般在瓦口向外冲压一个定位唇，在轴承座加工一个定位槽，保证轴向定位。3 3 机体组水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体曲轴箱，也可称为气缸体。气缸体上半部有一个或若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸；下半部为支承曲轴和曲轴箱，其内腔为曲轴运

15、动的空间；下曲轴箱是一个简单的储油箱，称为油底壳。气缸体与气缸盖之间用气缸盖衬垫密封。机体中还有往复运动的气缸套。1、 机体2机体的工作表面由于经常与高温，高压燃气相接触，且有活塞在其中作高速往复运动，所以必须耐高温，耐磨损，耐腐蚀，应该具有足够的强度和刚度，即不能发生裂纹和损坏，也不能出现多大的变形，尤其是机体与气缸盖的结合处，气缸套，主轴承座等处，若刚度不够就会产生气缸密封失效，机体振动加剧等严重后果。机体是一个内部有很多搁板的箱形结构，它的刚度主要取决于机体壁的形状而并非厚度，因此常将壁厚减薄到铸造工艺所允许的最小值，在最轻巧的前提下获得很大的刚度。机体的质量要占内燃机总质量的1/4 左

16、右，而制造成本约占总成本的1/10 ，故机体设计要注意减轻其质量和改善铸造和加工工艺性。其材料通常用灰铸铁和铝合金铸造。1 ）机体的三种结构形式（如下图）：1）一般式机体：是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差。2）龙门式机体：其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。它的优点是强度和刚度都好，结构紧凑，筋条分布合理而均匀，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。3）隧道式机体：这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。其

17、优点是结构紧凑、刚度和强度好，但其缺点是加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。设计中根据所需的强度和刚度，选用龙门式机体。2）机体的主要尺寸机体在曲轴箱部分的基本尺寸决定于连杆曲轴组件旋转运动的需要，使它们能在机体内自由运动，另一方面则又要使机体外形尽可能紧凑。机体刚心距Lo：它影响柴油机纵向尺寸的紧凑性，取决于曲轴轴向尺寸，冷却水腔厚度，气缸套和气缸盖的选型。设计选用湿式缸套，全支承曲轴。根据柴油机设计手册， Lo/D 范围在，取Lo=140mm。3）机体的细节设计4一个重要原则就是要使主要载荷尽可能直线传递，避免产生附加的弯曲和扭转。1 ）在气缸盖螺栓和主轴承螺栓的布置时要注意：拉力

18、完全直线传递，螺孔下沉很深，使力线很短。从力的传递角度来看，每气缸周围布置4 个气缸盖螺栓最好。2）机体上尺寸比较大的壁面最好设计成不断弯曲的波浪形，而不是简单的大平面。可以使平壁改成弯壁，加大结构刚度，相邻两缸间的气缸盖螺栓的轴线也靠近刚度较大的侧壁和下面主轴承螺栓的轴线。3）为使壁面的刚度加强，可以设置加强筋，且尽可能的布置成不易变形的三角形。为加强局部的刚度，可以使壁面尽可能的减薄，但必须加强局部的厚度。注意壁面变化要圆滑过渡。4）机体内水道的布置41）设计时水道布置于机体的上部，使气缸套上部先进行冷却，而下部可以利用温差产生对流来进行冷却。这样布置水路比较紧凑，水泵装拆也比较方便。但是

19、分水口水流比较急速。2）布置水道要注意：a.水道最好设计成平滑和逐渐变化的管道，以避免死水区及涡流区；b.水道截面前端要大些，向后端逐渐缩小；c.水道应该要通畅，不得存在气泡的死区，特别是与气缸壁上部相接触的地方，应该避免造成局部过热。3）水腔的尺寸a.活塞在上止点位置时，其第一环的位置应该在水腔区域内。根据柴油机设计手册，ho为左右，取 ho=15mmb.活塞在下止点位置时，活塞裙部露出不宜过大。根据柴油机设计手册 ，hu范围在之 间。5）机体内油道的布置及设计要点1 ）机体内的主油道位于机体的腰部，若靠近凸轮轴一边，有利于减少管道和钻孔的长度。2）油道如果越长，孔径应该稍大一些。3）主轴承

20、为滚动轴承时，油道孔径可略小于一般结构。如果需要喷油冷却，油孔不宜过小。4）机体侧面的油孔与螺栓中心线尽可能相互平行，以便于加工。5）机体主轴承用的润滑油，一般沿着纵向主油道，通过机体横壁上的孔流往主轴承。6）主油道孔径尺寸：根据柴油机设计手册，主油道孔径尺寸范围在12-28 mm。6）提高机体刚度和强度的方法和措施2 ）加强筋的布置a.直列式龙门式机体的横截面主轴承座处，螺栓搭子上一般应有数条横筋和竖筋。竖筋最好从轴承座搭子延伸到水腔壁，与气缸盖螺栓搭子相连，可减轻固紧螺栓时机体的变形，有利于力的传递。b 凸轮轴孔，油孔，水孔等，力求不直接位于作用线上，可布置成稍倾斜的加强筋，使作用里从凸轮

21、轴孔的侧面传递过去，能减小孔边缘局部应力。c 固紧气缸盖螺栓搭子和机体壁部中心线不重合时，搭子下面应有加强筋。螺栓搭子应有大圆弧或锥度过渡。2）加强筋的尺寸与断面结构一般加强筋的厚度大致等于壁厚，高度不宜小于壁厚。否则，承载面难以减轻加强筋所引起的应力不均匀。2、气缸与气缸套气缸是气体压缩，燃烧和膨胀的空间，并对活塞起导向作用。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。气缸套还要承受活塞的侧压力，而且活塞在它的表面做高速的运动，使气缸内壁受到强烈的摩擦。它是内燃机磨损最严重的表面之一，也是决定内燃机大修期的最重要表面。大修不但增加使

22、用成本，而且降低机器的使用寿命。气缸镜面还必须具有一定的耐磨性。气缸套外壁还受到冷却水的穴蚀，它也决定气缸套的使用寿命。因此，气缸套外壁也应该有抗“穴蚀作用”。设计缸套要注意提高刚度和耐磨性，防止拉缸，穴蚀和支承凸肩断袋，减少热变形和安装变形。（ 1 ）气缸及气缸套材料气缸通常与机体一样，采用灰铸铁。设计也选用灰铸铁。气缸套一般都用耐磨性好，铸造方便，成本低的合金铸造而成。常用的铸铁有高磷铸铁和硼铸铁两类，设计中选用高磷铸铁。其硬度可以达600-800HV。（ 2）缸套的分类缸套分为干式缸套，湿式缸套和整体式缸套。1 ）干式缸套：干式缸套是在气缸内压入一个具有较高耐磨性的薄壁套筒。一般是动配合

23、或者过渡配合装入机体中。干式缸套外表面不与冷却水接触，不存在冷却水的密封问题，一般壁厚在1-3 mm。但是铸造工艺要求高，废品率较高，散热效果比较差。3 ）湿式缸套：湿式缸套冷却较好，更换方便，制造容易。它的外表面与冷却水直接接触，冷却和散热效果比较好，气缸套的热应力和变形较小，对于机体上的污物，水垢容易清除。但是易发生穴蚀，比干式缸套重。3)整体式缸套：气缸套与机体连成一体，刚度和强度高于干式缸套和湿式缸套，但铸造复杂,维修与更换不方便。由于缸径比较大，在设计中采用湿式缸套。(3)湿式缸套的结构和尺寸(0.05-0.075) D缸套的壁厚 n与 m (如上图)：根据柴油机设计手册，n范围在(

24、)D之间，m范围在()D之间。取 n=6.2 mm. ,m=9.2 mm。2)圆角及圆弧的过渡：取 R=R1=1.5 mm3)缸套的长度L：根据柴油机设计手册，L的范围在2s左右，而S=130mm,取L=220 mmo 4)气缸套凸肩应该高于气缸体上平面=-0.15 mm ,这样当紧固气缸盖时，可将气缸盖衬垫压得更紧，以保证气缸的密封性，防止冷却水和气缸内的高压气体的窜漏，要求相邻的两个气 缸套的凸肩高出机体顶面高度应大致相等。但这个凸肩会使凸缘根部产生裂纹。为了减少凸 缘所受的弯曲应力，在缸套顶面加工倒角。(4)湿缸套的定位四个定位带支承在气缸体中作为径向定位。缸套的轴向定位采用环形支承凸肩

25、，设在机体的上部，这种定位加工简单，拆装方便。3、气缸盖(1)气缸盖的作用是密封气缸，并与活塞，气缸构成燃烧室空间。同时承受高温高压燃气的作 用，为保证气缸盖与气缸套之间的密封，气缸盖还要受到很大的螺栓预紧力，而气缸盖的各 部分温度分布很不均匀，因此燃烧压力和交变热应力很大。故气缸盖应该具有足够的强度和 刚度，工作时使故气缸盖的变形最小并保证与气缸的结合面和气门座的结合面有良好的密 封。缸呆变形过大，气门损坏，等密封破坏，都会使内燃机无法工作。所以气缸盖的好坏直 接影响柴油机的动力性，经济性和可靠性。常用的气缸盖的材料有铸铁，铝合金和钢。设计 选用HT20-40灰铸铁。(2)在气缸盖内一般有近

26、排气道，气门导管孔，冷却水腔，润滑油孔道，起动阀，安全阀等装 置，并装有配气机构和喷油器等零部件。气缸盖上部装有气缸罩。(3)气缸盖设计受燃烧室，配气机构，气门等零部件的影响。气缸盖分单体气缸盖、块状气缸盖和整体式气缸盖。在设计中选用“型”燃烧室，一个缸用一个盖，即单体气缸盖，一缸一个进气门一个排气门。气缸盖的布置应该从火力面的布置开始。火力面布置包括燃烧室的布置，喷油器的布置。现将气缸盖设计成“鼻梁型” ，气缸盖的高度为 105 mm,气缸盖的最小壁厚为4 左右，在气缸座的气缸盖底面厚度加大到12，以减少翘曲，保证气门的密封性。在“鼻梁区”（气门座孔和喷油器孔之间的区域），由于热疲劳，最容易

27、产生热裂纹，应该首先保证有足够的冷却，设计中在鼻梁区钻水孔以加强冷却。4、气缸垫气缸垫装在气缸盖和气缸体之间，是由两铜片中夹着石棉网制成的，在水孔和燃烧室孔周围加镶边，用来增加强度和耐用性。其做用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气，漏水和漏油。5、气缸盖螺栓布置气缸盖螺栓是气缸盖和气缸体之间的联结件，其位置和数量对气缸盖和气缸体的受力情况， 气缸盖和气缸体之间密封的可靠程度，及气缸套的变形大小有很大影响。螺栓数目要足够，以保证压紧均匀，减小局部变形，密封可靠。每缸使用4 个螺栓。螺栓的布置应该尽量相对气缸中心线均匀分布，否则可能由于气缸受力不均引起局部变形。6、曲轴箱曲轴箱分上曲轴箱和

28、下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳。4 4 曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴，飞轮等一些附件组成。1、曲轴4曲轴是发动机中最重要的机件之一。曲轴将连杆传来的力变为旋转的动力（扭矩），并向外输出。它承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以及由它产生的弯曲和扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的刚度和强度，耐磨损且润滑良好，并有很好的平衡性能。（ 1 ）曲轴的材料曲轴要求强度，冲击韧度和耐磨性好的材料制造，一般采用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。为提高曲轴的耐磨性，主轴颈和曲柄销表面上需要经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工。在设计中选用球墨铸铁

29、。（ 2）曲轴的结构及尺寸机型是X2110。设计中用全支承，整体式的曲轴。全支承的优点是提高曲轴的刚度和弯曲强度，并可减轻主轴承的载荷。1 ）主轴颈a）主轴颈：主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。b）主轴颈直径Dj ：根据柴油机设计手册，直列式的非增压柴油机，D j 在（ 0.70 0.80） D 范围内，取Dj=84 mm。主轴颈的粗细影响曲轴的刚度。如果加粗主轴颈尺寸，可以增加曲轴轴颈的重叠度，提高曲轴的刚度，还可以提高自振频率，减轻扭振。但是主轴颈过粗，会因轴承圆周速度过大，使摩擦损失增加，轴承温度升高。c ）主轴颈的长度L j ：根据柴油机设计手册，非增压柴油机

30、L j 在 （0.35 0.5） D 范围之间，取L j = 44 mm 。短的主轴颈可增强刚性及保证良好的润滑要求，同时轴承的宽度小，使曲轴的变形可能也小。但是主轴颈过小，会使轴承的负荷能力变坏。d）主轴颈过渡圆角 R:根据柴油机设计手册，主轴颈圆角R约为0.045D左右，取R = 4.5mm。圆角曲轴应力最大的部位，所以曲轴的圆角半径应该足够大，避免应力的集中。2）曲柄销a ）曲柄销：曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连。b）曲柄销直径Dp：根据柴油机设计手册，直列式的非增压柴油机，Dp在（0.60 0.70）D范围内，Dp = 74 mm。如果采用较大的 Dp。可降低曲柄销比压，提

31、高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。但是曲柄销直径Dp 过大，会使连杆大头也加大，使不平衡旋转质量的离心力加大，对曲轴及轴承的工作不利。同时还会增加轴承摩擦功率的损失，导致油温的升高，增加润滑油的热负荷。设计中， 由于缸径较大，曲柄销直径也较大，使不平衡的离心力也较大，为减小这种离心力，设计时曲柄销做成空心的，同时还可以减少曲轴的质量，改善圆角应力的分布，提高曲轴强度。c ）曲柄销减重孔直径d：根据柴油机设计手册，在（0.3 0.6）D范围之间，取d = 31mm。曲柄销减重缩孔直径 d1=30 mm。d）曲柄销长度Lp：根据柴油机设计手册，Lp在（0.35 0.45） D范围之间，取Lp

32、 = 44 mm。如果Lp过长,则流过轴承的机油流量减少，冷却差，轴承温度升高，使润滑粘度下降，轴承的承载能力反而降低。e）连杆轴颈过渡圆角 R：取R = 4.5mm。3）曲柄臂a ）曲柄臂：它是曲轴中最薄弱的部分之一，在曲柄平面的抗弯刚度和强度较差。b）曲柄臂厚度h：根据柴油机设计手册，h在（0.3 0.6）D范围之间，取h = 26 mm。增加曲柄臂厚度 h,可使过渡圆角处的压力流线分布更加的均匀，即可以提高它的强度和 抗弯能力。但是它受到缸心距的限制。c）曲柄臂宽度b：根据柴油机设计手册，b在（0.9 1.3） D范围之间，取b = 120 mm。在曲柄臂厚度无法增加时，通常会通过增加曲

33、柄臂的宽度来提高它的强度，但是曲柄臂的宽度越宽，会使应力的分布越不均匀。设计曲柄的形状采用椭圆形，其中心偏离主轴颈中心28 mm,长轴为80 mm,短轴60 mm,如下图所示。4）曲轴的两端a ）曲轴的两端为自由端与输出端。b）曲轴前端：也叫自由端，一般安装机油泵，水泵，正时齿轮等。c）曲轴后端：也叫输出端，一般安装飞轮。在曲轴后端还有安装飞轮的凸缘。为阻止机油向后窜漏，通常在曲轴轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹。5）曲轴的润滑油孔油孔直径d 6mm,与垂直轴夹角为 45°。主轴颈上的斜油道与曲柄的润滑油道相通。润滑油经主轴颈上的斜油道流向曲柄销孔，以润滑连杆轴瓦和曲柄销。6

34、）曲轴的平衡块a ）曲轴的平衡块是用来平衡曲轴的不平衡的离心惯性力和离心惯性力矩，尽量减小主轴承的最大负荷。平衡块的重心要尽量远离曲轴的中心线，用来提高平衡效果。但是平衡块一般不能够超过曲轴旋转所扫过的范围，否则易使平衡块和其它的部件相干涉。设计平衡块时应该尽量不增加曲轴的尺寸，但又要尽量增加重量。b ）平衡块的布置方案1 ：在曲轴上用两个平衡块。（如下图左）2：在曲轴上用四个平衡块。（如下图右）如果用四个平衡块还不能够达到平衡的目的，可以将平衡块加宽，再用螺栓嵌上去；或者将平衡块掏空一部分，注入铅。这样可以增加重量来达到平衡。设计中选用在曲轴上布置四个平衡块。因为布置两个平衡块时，无法使整机

35、得到平衡，所以选用四个平衡块，此时整机基本平衡。平衡块形状见平衡块的平衡计算。7）曲轴的轴向定位为了限制曲轴工作时前后窜动量，保证曲柄连杆机构的正确位置，需要轴向定位。通常用止推片或止推轴承。8）曲轴的止推及油封a ）曲轴的止推由曲轴的止推边限制曲轴的轴向移动，曲轴止推凸肩与止推片的轴向间隙为（0.05 0.2） mm 。使曲轴相对与机体可以自由的沿轴向做热膨胀。b） 为了防止曲轴的前后端沿着轴向漏油，曲轴应该有油封装置。设计中选用甩油盘和橡胶骨架式油封。2、飞轮（ 1）飞轮用来贮存作功行程的能量，用于克服进气、压缩和排气行程的阻力和其它阻力，使曲轴能均匀地旋转，是传动系中摩擦离合器的驱动件。

36、在保证有足够的转动惯量的前提下，应该尽可能减小飞轮的质量，应使飞轮的大部分质量都集中在轮缘上，因而轮缘通常做得宽而厚。飞轮是高速旋转的零件，平衡性能要好，因此，飞轮与曲轴在制造时一起进行过动平衡实验，在拆装时为了不破坏它们之间的平衡关系，飞轮与曲轴之间应有严格不变的相对位置。通常用定位销和不对称布置的螺栓来定位。（ 2）飞轮材料飞轮一般由灰铸铁、球墨铸铁或铸钢制造。（ 3）飞轮尺寸飞轮外径D：根据柴油机设计手册，D的范围在400-600 mm之间。取飞轮外径D = 464 mm；飞轮内径D1= 411mm；飞轮厚度b = 53 mm 。3 5 重要附件1 、喷油器（ 1 ）喷油器是柴油机燃烧供

37、给系中实现燃烧喷射的重要部件，作用是根据柴油机混合气形成的特点，将燃油雾化成细小的油滴，并将其喷射到燃烧室的特定部位。目前采用的喷油器都是闭式喷油器，有孔式和轴针式两种。（ 2）在设计中选用孔式喷油器，有四个小喷孔。喷射压力大，喷射的位置和燃烧室相配合，其主要结构包括针阀，针阀体，喷油嘴，调压弹簧等部件。在喷射方向有特定的定位，在喷射器体和针阀体间设有定位销，用来保证喷射时的准确位置。2、喷油泵1 ）喷油泵是柴油供给系中最重要的另件，它的作用是按照柴油机的运行工况和气缸的工作顺序，按照一定的规律，适时的，定量的向喷油器输送高压燃油。它的性能和质量对柴油机影响极大，被称为柴油机的" 心

38、脏 " 。（ 2）设计中用的是直列式柱塞喷油泵。工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务。（ 3）喷油机构包括柱塞套，柱塞，柱塞弹簧，出油阀，出油阀座等组成。（ 4）喷油泵供油量调节是根据柴油机的负荷变化，每个工作循环的供油量主要取决于调节拉杆的位置。此外，还受到发动机转速的影响。在调节拉杆位置不变时，随着发动机曲轴转速增大，柱塞有效行程略有增加，而供油量也略有增大；反之，供油量略有减少。这种供油量随转速变化的关系称为喷油泵的速度特性。3、机油泵（ 1）机油泵可以布置方在机体的端部，也可以布置在机体底面上。（ 2）设计中将机油泵布置

39、在机体底面上。机油泵由主动齿轮通过惰齿轮来传动设计中将机油泵布置在机体底平面上。这种布置不需要油封结构，轴承润滑较好，可以减少磨损。机油泵安装位置底，柴油机起动后，瞬时即能吸上机油。但是维修保养不便。若将机油泵布置在机体的端部，虽然传动结构简单，但是机油泵的转速较底，安装位置如果较高，起动后吸上机油比较困难。4、调速器调速器是一种自动调节装置，它是根据柴油机负荷的变化，自动增减喷油泵的供油量，从而保证柴油机的转速稳定在很小的范围内变化。当发动机的负荷减小，转速升高时，会导致柱塞泵循环供油量增加，循环供油量增加又导致转速进一步升高，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越高，最后导致飞车；反之，

40、当负荷增大时，转速降低，转速降低导致柱塞泵循环供油量减少，循环供油量减少又导致转速进一步降低，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越低，最后熄火。而减速器就可以改变这种恶性循环，使发动机在规定的转速范围内稳定运转的自动控制机构。通过移动供油拉杆，来改变循环供油量，使发动机的转速基本不变。因此，柴油机要满足使用要求，就必须安装调速器。5、机油滤清器（ 1）机油滤清器的作用：使循环流动的机油在送往运动零件表面之前得到净化处理。由于金属 磨屑和大气中的尘埃以及燃料燃烧不完全所产生的炭粒会渗入机油中，机油本身也因受热氧化而产生胶状沉淀物，机油中含有这些杂质。如果把这样的脏机油直接送到运动零件表面，机

41、油中的机械杂质就会成为磨料，加速零件的磨损，并且引起油道堵塞及活塞环、气门等零件胶结。因此必须在润滑系中设有机油滤清器，使循环流动的机油在送往运动零件表面之前得到净化处理。保证摩擦表面的良好润滑，延长其使用寿命。（ 2）一般润滑系中装有几个不同滤清能力的滤清器，集滤器、粗滤器和细滤器，分别串联和并联在主油道中。与主油道串联的滤清器称为全流式滤清器，一般为粗滤器；与主油道并联的滤清器称为分流式滤清器，一般为细滤器，过油量约为10-30 。3 6 配气机构配气系统由气门组和传动组零件组成。1 、气门组气门组包括气门，气门导管，气门座，气门弹簧、锁片、卡簧等零件。1 ）气门1 ）气门的布置根据气门的

42、安装位置可分为气门顶置式配气机构和气门侧置式配气机构。a）气门顶置式配气机构：由凸轮，挺柱，推杆，摇臂，气门和气门弹簧等组成。特点是进气 阻力小，燃烧室结构紧凑，气流扰动大，能达到较高的压缩力。b）气门顶侧置式配气机构：省去了推杆，摇臂，它的进排气门在气缸的一侧，压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差。设计中选用气门顶置式配气机构。2）气门的材料气门由头部和杆部两部分组成。头部的工作温度很高，尤其是排气门的温度，还要承受气体压力，气门弹簧力以及传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件较差。因此，要求气门必须具有足够的强度，刚度，耐热和耐磨的能力。进气门采用合金钢（铬钢或

43、镍铬等）， 排气门采用耐热合金钢（硅铬钢等）， 在设计中选用40Cr。3）气门的尺寸设计中发动机采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。为了改善换气，在可能的条件下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。a） 进气门直径di ：根据柴油机设计手册， di 的范围在D 之间，取di=46.5mm。b）排气门直径de：根据柴油机设计手册，di比de大15-20%左右，取de=39.5mmt c）气门锥角r：根据柴油机设计手册，一般r为450或者300。设计取r=450。d） 气门总长度lv ：根据柴油机设计手册， lv 的范围在D 之间 , 取 lv=137.5 mm 。e）气门杆部

44、直径dv:根据柴油机设计手册，dv的范围在D之间，取dv=9.5mmi4）气门头顶部形状气门头顶部形状有平顶，球面顶和喇叭形顶等。在设计中选用平顶式。2）气门座气门座与气门头部密封锥面配合密封气缸，气门头部的热量亦经过气门座外传。气门座可以在缸盖或缸体上直接镗出，也可以采用镶嵌式结构。3）气门弹簧气门弹簧的作用在于保证气门回位。气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，它的一端支承在气缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的尾端。2、气门传动组（ 1 ）凸轮轴1）凸轮轴材料凸轮轴控制气门的开启和关闭，每一个进、排气门分别有相应的进气凸轮和排气凸轮。凸轮轴的材料一般用优质钢模锻造而

45、成，也可用合金铸铁或球磨铸铁铸造。凸轮轴各轴颈的工作表面一般要经过热处理后精磨，可以改善凸轮轴的耐磨性。2）凸轮轴的布置形式a） 凸轮轴布置形式分为下置，中置，上置三种。在设计中选用凸轮轴下置式。b) 下置式凸轮轴通过挺柱，推杆和摇臂驱动气门。凸轮轴离曲轴较近，由曲轴的正时齿轮通 过惰轮来传动，机构比较简单，广泛运用。其缺点是配气机构质量较差。凸轮轴的轴向尺寸取决于发动机的总布置。凸轮轴的轴向位置应与气门的轴相位置一致，为了防止凸轮轴的窜动，凸轮轴有轴向定位装置，锁紧垫片，止推凸缘定螺栓。这种布置结构简单，通用性好。3)凸轮轴的尺寸凸轮轴直径de： 凸轮轴的断面尺寸取决于轴的刚度和装拆条件。根

46、据 柴油机设计手册， de的范围在之间，取de=38mm。(2) 挺柱挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆(或气门杆)， 并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。顶柱在其顶部装有调节螺钉，用来调节气门间隙。挺柱常用镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁制造，其磨擦表面应经热处理后研磨。设计中选用20 钢。挺柱尺寸：挺柱工作面直径34 mm挺柱柱直径18 mm挺柱总长69 mm(3) 推杆推杆的作用是将从凸轮轴传来的推力传给摇臂，它是配气机构中最容易弯曲的零件。要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。(4) 摇臂摇臂实际上是一个双臂杠杆，将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端打开气门。3、配气相

47、位1 ) 配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间。理论上讲进、压、 功、排各占180°，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，但实际表明，简单配气相位对实际工作是很不适应的，它不能满足发动机对进、排气门的要求。( 2)为满足实际要求，常需要使进气门早开、晚关，排气门早开、晚关。a） 进气门早开：增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。进气提前角 一般“=10° -30°b） 进气门晚关：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。进气延迟角一般3=40° -80°c） 排气门早开：借助

48、气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。排气提前角 一般丫 =40° -80°d） 排气门晚关：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。排气延迟角 一般8=10。-30。4、气门间隙气门间隙是指气门完全关闭（凸轮的凸起部分不顶挺柱）时，气门杆尾端与摇臂或挺柱之间的间隙。一般冷态时，排气门间隙大于进气门间隙，进气门间隙约为-0.3mm,排气门间隙约为-0.35mm。3 7 燃油供给系统（ 1 ）燃油供给系统的作用是为内燃机缸内混合气的形成与燃烧提供所需的燃料。（ 2）燃油供给系统包括油箱，输油泵，柴油滤清器，喷油泵，喷油器等。1 ）柴油滤清器

49、：通常采用纸质滤芯。柴油从油箱流进滤杯，通过纸质滤芯过滤，杂质被留在滤芯外面，清洁的柴油从滤芯内腔流出，经输油管流向输油泵，在滤清器上设有开关来控制油路。2）油路：有高压油路和低压油路。a） 高压油路主要包括喷油泵、调压阀、共轨管、流量限制器、限压阀和电控喷油器等。b） 低压油路主要包括由低压油路、高压油路、传感与控制等。3 8 冷却系统（ 1 ）冷却系的作用：把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，使发动机在所有工况下能够保持在适当的温度范围。冷却系即要防止发动机的过热，也要防止冬季发动机过冷。（ 2）水冷却系统的主要部件：由散热器、风扇、水泵、冷却水套和节温器等组成。1）散热器：散热器又称为

50、水箱，由上进水室、散热器芯和出水室等组成。将冷却水在水套中所吸收的热量传给大气，增大散热面积，加速水冷却。2）风扇：提高通过散热器芯的空气流速，加速水的冷却。3）水泵：对冷却水加压，加速冷却水的循环流动，保证冷却可靠。通常多采用离心式水泵，离心式水泵具有结构简单、尺寸小、排水量大、维修方便等优点。离心式水泵主要由泵体、叶轮和水泵轴组成。4）节温器：控制冷却液流动路径的阀门。节温器装在冷却水循环的通路中（一般装在气缸盖的出水口），根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线，以达到调节冷却系的冷却强度。3）冷却方式冷却系按冷却介质不同可以分为风冷和水冷。本设计机型是船用柴油机，采用的是

51、双循环闭式水冷却系统，带有海水和淡水的热交换和膨胀水箱。水冷却系是以水作为冷却介质，把发动机受热零件吸收的热量散发到大气中去。目前采用的水冷系大都是强制循环式水冷系，利用水泵强制水在冷却系中进行循环流动。4）水的循环冷却水在冷却系内的循环流动路线有两条，一条为大循环，另一条为小循环。所谓大循环是水温高时，水经过散热器而进行的循环流动；而小循环就是水温低时，水不经过散热器而进行的循环流动，从而使水温升高。散热器内的冷却水加压后通过气缸体进水孔压送到气缸体水套和气缸盖水套内，冷却水在吸收了机体的大量热量后经气缸盖出水孔流回散热器。由于有风扇的强力抽吸，空气流由前向后高速通过散热器。因此，受热后的冷

52、却水在流过散热器芯的过程中，热量不断地散发到大气中去，冷却后的水流到散热器的底部，又被水泵抽出，再次压送到发动机的水套中，如此不断循环，把热量不断地送到大气中去，使发动机不断地得到冷却。3 9 润滑系统润滑的作用是在摩擦表面上覆盖一层润滑油，使相互运动的零件表面之间形成一层油膜，以减小摩擦阻力，降低功率损失，减轻零件磨损，延长使用寿命。（ 1 ）润滑方式设计中采用复合式润滑，即用压力润滑，飞溅润滑，也用润滑脂润滑。1 ）压力润滑：将具有一定压力的润滑油源源不断地送往摩擦表面。如曲轴主轴承，连杆轴承，凸轮轴承，气门和气门摇壁等机油泵强制润滑，用压力润滑，以保证润滑可靠。并且有强烈的清洗和冷却作用

53、。2）飞溅润滑：利用发动机工作时运动零件飞溅起来的油滴或油雾，来润滑摩擦表面。像负荷轻（如气缸），滑动速度低（如活塞销），或润滑条件有利（如凸轮和挺柱）也用飞溅润滑。3）润滑脂润滑：通过润滑脂嘴定期加注润滑脂来润滑零件的表面。如水泵，发动机等轴承用润滑脂润滑。2）润滑系统的功用润滑作用：润滑运动零件表面，减小摩擦阻力和磨损，减小发动机的功率消耗；清洗作用：机油在润滑系内不断循环，清洗摩擦表面，带走磨屑和其它异物；冷却作用：机油在润滑系内循环还可带走摩擦产生的热量，起冷却作用；密封作用：在运动零件之间形成油膜，提高它们的密封性，有利于防止漏气或漏油；防锈蚀作用：在零件表面形成油膜，对零件表面起保

54、护作用，防止腐蚀生锈；液压作用：润滑油还可用作液压油，如液压挺柱，起液压作用；减震缓冲作用：在运动零件表面形成油膜，起减震缓冲作用。3）润滑系的零部件润滑系包括机油泵，机油冷却器，机油滤清器，油底壳，集滤器。1）机油泵：提高机油压力，保证机油在润滑系统内不断循环。2）机油冷却器：在热负荷的情况下用来降低润滑油的温度。3）机油滤清器：使循环流动的机油在送往运动零件表面之前得到净化处理。4）集滤器：用来滤除润滑油中的粗大的杂质。第二章 各系统及零件简介活塞连杆组2.1.1 活塞2.1.1.1 活塞的结构和选型为保持良好的继承性及设计流行样式，本机选择整体式铝活塞，材料为ZL109。燃烧室为流行的型

55、直喷燃烧室。根据柴油机设计手册，中速机气环3-4 道，油环1-2 道，取气环 2 道，油环一道。2 道气环在上面，1 道油环在气环下面，如图1 所示。为了降低活塞 和整台发动机的高度，减少惯性力和摩擦功率损耗，应该减少环数。1 活塞简图2 活塞销简图2.1.1.2 活塞的主要尺寸1 .活塞的高度H:活塞的高度决定于下列因素11） 对柴油机高度尺寸的要求;2） 转速 n;3） 燃烧室形状及尺寸；4） 活塞裙部承压面积。柴油机设计手册介绍 H/D 的一般范围为（） ，推荐值为左右。参照这个范围以及原机尺寸。取值：H=。 H/D=。2 .压缩高度Hi：压缩高度决定活塞销的位置。在保证气环良好工作的条件下，宜缩短H1 。 柴油机设计手册介绍，对于小型高速柴油机H 1 /D 为（）