发动机润滑系统的检修与故障分析和发动机曲柄连杆机构的结构设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计发动机的润滑系统是保证发动机正常运转的依据。润滑系的基本任务就是将润滑油不断地供给各零件的摩擦表面使其润滑，减少零件的摩擦和磨损。润滑系虽然不参加发动机功能转换，却能保证发动机正常工作，使其具有较长的使用寿命。通过对发动机润滑系故障的分析检测和维修的讲述，让我们知道发动机润滑系统的组成和功用，并对润滑系的常见故障现象，故障部位，故障机理，故障的分析检测和维修及故障排除有了一定的认识，明确了分析检测和诊断的基本思路。通过理论与实际结合以及对一些汽车发动机润滑系统的常见组成和功用及故障检测与为维修做了相应说明。随着汽车科技的发展，汽车的结构也越来越复杂，我们只有掌握更多的知识和实践经验，才能更好地运用检测仪器快速准确地查找汽车的故障原因，并把故障排除。润滑系统故障检测与维修第一章序言 第1章绪论1.1选题的目的和意义通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的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。为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。1.2国内外的研究现状目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多，而且已经完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动，即位移、速度和加速度的变化关系：动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯性力、轴承力和曲轴转矩等的分析，传统的内燃机工作机构动力学、运动学分析方法主要有图解法和解析法[5]。1、解析法解析法是对构件逐个列出方程，通过各个构件之间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩，解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。2、图解法图解法形象比较直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改变趋势均能通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算机结果的判断和选择。解析法取点数值较少，绘制曲线精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解其速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂[6]。通过对机构运动学和动力学分析，我们可以清楚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。第2章活塞组的设计2.1活塞的设计活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。2.1.1活塞头部的设计1、设计要点活塞头部，活塞头部的设计要点是：（1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；2、压缩高度的确定压缩高度是由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸构成的，即=++为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。（1）第一环位置火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般汽油机，为活塞直径，该发动机的活塞标准直径，确定火力岸高度为：（2）环带高度一般气环高，油环高。该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称之为油环。取，，。环岸的高度，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，，，汽油机接近下限。则，。因此，环带高度。（3）上裙尺寸对于汽油机，所以。则。3、活塞顶和环带断面（1）活塞顶大多数汽油机正是采用平顶活塞，汽油机为，即。活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取，取为5.6mm，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取，取0.07为5.6mm.为了减少积炭和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角，所有尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。（2）环带断面为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，其平均值为。一般该倒角为。（3）环岸和环槽活塞环侧隙在不产生上述损伤的情况下愈小愈好，目前，第一环与环槽侧隙一般为0.05~0.1mm，二、三环适当小些，为0.03~0.07mm，油环则更小些，这有利于活塞环工作稳定和降低机油消耗量，侧隙确定油环槽中必须设有回油孔，并均匀地布置再主次推力面侧，回油孔对降低机油消耗量有重要意义，（4）环岸的强度校核专门的试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力时，，，已知=4.5，则，，环岸是一个厚、内外圆直径为、的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计算固定面的应力比较复杂，可以将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致的计算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直径，环槽深为：于是作用在岸根的弯矩为（3.1）而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于所以环岸根部危险断面上的弯曲应力（3.2）同理得剪切应力为：（3.3）接合成应力公式为：（3.4）考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力，，校核合格。2.1.2活塞裙部的设计把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线方向上，短轴平行于销轴方向的椭圆形。常用的椭圆形状是按下列公式设计的：（3.4）式中、分别为椭圆的长短轴缸径小于的裙部开槽的活塞，椭圆度（）的大小，一般为。1、裙部的尺寸裙部单位面积压力（裙部比压）按下式计算：（3.5）式中：—最大侧作用力，由动力计算求得，=2410.83—活塞直径，；—裙部高度，。取。则一般发动机活塞裙部比压值约为，所以设计合适。2.2活塞销的设计2.2.1活塞销的结构、材料1、活塞销的结构和尺寸活塞销的结构为一圆柱体，中空形式，可减少往复惯性质量，有效利用材料。活塞销与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合，采用“全浮式”。活塞销的外直径，取，活塞销的内直径，取活塞销长度，取2、活塞销的材料活塞销材料为低碳合金钢，表面渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。表面加工精度及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。2.3活塞销座2.3.1活塞销座结构设计活塞销座的内径，活塞销座外径一般等于内径的倍，取，活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销—销座系统的工作越可靠，所以，一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为，但当制造精度有保证时，两边共就足够了，取间隙为。2.4活塞环设计及计算2.4.1活塞环形状及主要尺寸设计该发动机采用三道活塞环，第一和第二环为气环，第三环为油环。活塞环的主要尺寸为环的高度、环的径向厚度。气环，油环，取，，。活塞环的径向厚度，一般推荐值为：当缸径为时，，取。2.5本章小结在活塞的设计过程中，分别确定了活塞、活塞销、活塞销座和活塞环的主要的结构参数，分析了其工作条件，总结了设计要求，选择合适的材料，并分别进行了相关的强度和刚度校核，使其符合实际要求。

第3章连杆组的设计3.1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。3.1.2连杆长度的确定设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度它通常是用连杆比来说明的，通常0.3125，取，，则。3.1.3连杆小头的结构设计1、连杆小头的结构设计连杆小头主要结构尺寸如图4.1所示，小头衬套内径和小头宽度已在活塞组设计中确定，，。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，小头外径，取。3.1.4连杆杆身的结构设计1、连杆杆身结构的设计连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身截面宽度约等于(为气缸直径)，取，截面高度，取。3.1.5连杆大头的结构设计与强度、刚度计算1、连杆大头的结构设计与主要尺寸连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径、长度、连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径。其中在、在曲轴设计中确定，，，则大头宽度，轴瓦厚度，取，大头孔直径。连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度，取，取，为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离，取，一般螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。3.2连杆螺栓的设计3.2.1连杆螺栓的工作负荷与预紧力根据气缸直径初选连杆螺纹直径，根据统计，取。3.3本章小结本章在设计连杆的过程中，首先分析了连杆的工作情况，设计要求，并选择了适当的材料，然后分别确定了连杆小头、连杆杆身、连杆大头的主要结构参数，并进行了强度了刚度的校核，使其满足实际加工的要求，最后根据工作负荷和预紧力选择了连杆螺栓，并行检验校核。

第4章曲轴的设计4.1曲轴的结构型式和材料的选择4.1.1曲轴的工作条件和设计要求曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。4.1.2曲轴的结构型式曲轴的设计从总体结构上选择整体式，它具有工作可靠、质量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少。为了提高曲轴的弯曲刚度和强度，采用全支撑半平衡结构[11]，即四个曲拐，每个曲拐的两端都有一个主轴颈，如图3.1所示：图3.1曲轴的结构型式4.2曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计4.2.1曲柄销的直径和长度对于汽油机，，为气缸直径，已知=80.985，则，曲柄销直径取为=0.60=48。曲柄销的长度是在选定的基础上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发，应使控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调，根据统计/=，取=0.6=28.8。4.2.2主轴颈的直径和长度从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取，取=1.2=57.6。由于主轴承的负荷比连杆轴承轻，主轴颈的长度一般比曲柄销的长度短，这样可满足增强刚性及保证良好润滑的要求。据统计，取=0.3mm=24。4.2.3曲柄为了能最大限度地减轻曲轴的重量，并减小曲柄相对于主轴颈中心的不平衡旋转质量，将曲柄上肩部多余的金属削去。根据统计，曲柄的宽度，取，厚度，取。曲柄臂以凸肩接主轴颈和曲柄销。凸肩的厚度根据曲轴加工工艺决定。全加工曲轴的只有0.5~1，取=1。曲柄销和主轴颈至曲柄臂凸肩的过渡圆角对应力集中程度影响最大，加大圆角半径可使圆角应力峰值降低，故宜取大，至少不能小于0.05或2.5，取=3。4.3本章小结本章首先分析了曲轴的工作条件和设计要求，在合理选择材料的基础上，对曲轴的各个部分进行结构参数的设计，并进行有关的尺寸校核，使其符合实际加工的要求，还对曲轴的一些细节进行了设计，如油孔的位置以及曲轴的轴向定位等问题，给予了合理的解释，最后对曲轴进行了疲劳强度校核。

第5章曲柄连杆机构的创建运用UG软件分别对曲柄连杆机构的各个零件进行模型的建立，具体步骤如下：5.1活塞的创建（1）创建草图；（2）旋转；（3）打孔；（4）制作倒角；（5）得到活塞图。5.2连杆的创建创建草图；拉伸；通过