毕业设计（论文）-车用柴油机组合喷油泵设计

车用柴油机组合喷油泵设计车用柴油机组合喷油泵设计车用柴油机组合喷油泵设计目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 ⅠAbstract Ⅱ1绪论 绪论柴油机是一种通过燃烧柴油来获得能量的发动机。它是在19世纪末的德国由发明家鲁道夫·狄塞尔发明的。经过了一个多世纪的探索和几代人的创造，柴油机形成了它特有的优势，被广泛的用于很多不同的领域，由于柴油机的这种不可替代性，发展成为了人类社会历史当中的一种非常重要的动力。由于喷油技术的逐渐成熟，大大改善了柴油机的性能，柴油机尾气排放质量也好于汽油机，使其在环保方面备受亲睐，如今全世界都面临着能源枯竭和日益严重的尾气污染，高效率、节能和减排已成为当今开发柴油机的三大主题。喷油特性是指各个零部件的结构和其性能参数的相互配合下形成的一种性质，喷油特性和柴油机的燃烧进程有着密切的关系，喷油特性的好坏就代表了柴油机的动力经济性等多种性能的好坏，同时也就决定了柴油机的热负荷、机械负荷的大小和工作效率的高低。因此，我们很有必要并且应该提高燃油喷射系统的技术。对于现在的柴油机技术来说，喷油系统应该满足如下基本要求：1）高的泵油压力必须要保障喷油压力和雾化品质的要求。2）按照转速和负荷的变换，能主动调整喷油始点和喷油量；3）柴油机工作所需要的燃油必须由喷油泵去进行配合供油，以保证供油量。4）喷油泵的供油时间要和柴油机工况的时间相符合。5）必须要有可控的喷油持续期。6）喷油泵为柴油机供的油必须被柴油机燃烧殆尽，不能有剩余。7）供油结束速度快，防止滴油。本文主要参考了P型喷油泵的相关资料，详细设计了组合喷油泵总成、柱塞、出油阀、凸轮轴等主要零部件。在设计过程中，详细查阅并收集资料对柴油机喷油泵的发展现状有了大致的了解，同时经过本次设计对组合喷油泵的结构、原理、作用等有了较全面的掌握，充分认识到了喷油泵对于柴油机的重要性。另一方面也是提升了自己的能力，为以后的工作能顺利的进行打下了基础。

2车用柴油机组合喷油泵概述2.1喷油泵外形图2-12.2喷油泵简介喷油泵是柴油机的喷油系统中最为主要的功能零件。其功用是提高油压、控制喷油时间和控制喷油量。按照柴油机的工作顺序，负荷大小，定时定量的向喷油器输送高压柴油，并且保证各缸供油压力均等。将燃油以适当的空间状态喷入燃烧室，形成混合气适宜燃烧的最有利条件，以实现柴油机在功率、转矩等方面的要求。供油量过多或过少都对柴油机有不利的影响。如果供油时间不准确，就会导致柴油机的动力性降低、经济性指标减小和排放污染增加。柴油机各个缸的供油量不均匀，会影响到柴油机的整体性能，也会降低柴油机的工作稳定性，动力性差。[3]2.3喷油泵结构及分类喷油泵的各个零件位置如图2-2所示。喷油泵按照总体结构可以分为直列式的喷油泵和分配式的喷油泵，本次设计采用的是直列式喷油泵。直列式的喷油泵又有两种形式，分列式喷油泵，也就是单体泵，以及合成式喷油泵也就是整体泵。分列式喷油泵的主要特点是没有凸轮轴，主要形式一般是单缸泵较多。单体泵是指一对一的形式，就是一个泵对应一个气缸供油，凸轮是推动柱塞运动的主要动力，单体泵的用途主要是应用于有些大功率或小型单缸的柴油机中。喷油泵刚性的好坏就决定着喷油压力的高低，它们是成正比的。柱塞式的喷油泵每个泵体对应一个气缸，多缸柴油机所用的柱塞数和气缸数一般是相同的，把他们合为一体，就是合成式柱塞泵。多数的合成式喷油泵还包括调速器、输油泵和喷油提前器，由专业厂生产。该类喷油泵降低了成本，简化了结构，方便了调试和维修。多用于缸径比较小，转速比较高的多缸柴油发动机中。我国常用的柴油机喷油泵有:A型、B型、P型和VE型泵等。前三种属柱塞泵;VE泵系分配式转子泵。图2-22.4工作原理柴油机在运转的时候，安装在喷油泵凸轮轴上的凸轮就会在柱塞弹簧的作用下，强迫推动柱塞做上、下的往复运动，就是这样完成喷油任务。这个工程可以大致分为三个阶段，如图2-3所示：2.4.1进油过程：每当凸轮的凸起部分，也就是最高的顶部转过柱塞以后，由于弹簧力的作用柱塞就会往下运动，这样的话，柱塞上部的泵油室就会出现真空的状态，柱塞依然往下运动直到进油孔被打开，油泵上体已经被充满的燃油在这个时候就进入到泵油室里，直到柱塞运动到下止点才结束进油。2.4.2供油过程当凸轮轴转到凸轮的最高顶部正好顶住挺柱的时候，柱塞弹簧处于压缩状态，柱塞越往上运动，燃油受到的压力越大，一些燃油就会通过油孔流回喷油泵上部的油腔里。直到柱塞把套筒上的进油孔挡住，由于柱塞和柱塞套之间的间隙很小很小，几乎可以忽略从间隙里流出的燃油的情况下，柱塞上部的泵油室就可以被看成是封闭的，在这种近乎密封的空间里，柱塞继续往上压缩燃油，燃油的压力高到一定程度，高于出油阀的弹簧力加上高压油管的剩余压力两者的和的时候，燃油就会顶开出油阀，从出油阀到高压油管到喷油器一路最后喷入燃烧室里。2.4.3回油过程柱塞向上运动过程中，上升到柱塞上的斜槽和柱塞套筒上的回油孔相同，正好让开回油孔的下边缘时就开始回油。这时，泵油室的燃油就会通过柱塞头部的槽和斜槽相互连通，泵油室的燃油压力自然也就降低了，出油阀也就会在弹簧力的作用下迅速落回出油阀座，此时就停止供油了。柱塞继续上升到凸轮的凸起部分转过最高点的时候，柱塞又往下运动，如此循环。图2-3从上图的吸油和压油过程能够看出活塞向上运动，不是所有时间段都在进行供油，这三个主要的过程中只有中间一段过程才是压油过程，这一行程就是柱塞的有效行程。其供油量可用公式表示为：，其中d是柱塞直径。[1]2.5油量调节：为了适应柴油机的各种不稳定工况，这就要求供油量必须能随着负载的不同而随意可调。在柴油机中能实现这样的功能和技术的结构就是喷油泵。这种调节可以在静态和动态两种不同的状态下进行。1）P型喷油泵的动态变化：P型泵的调节机构一般情况下是用L形拉杆，拉杆上的槽和喷油泵的缸数一样，在柱柱套上安装柱塞时就要注意将下面的扁法兰装进油量控制套下面槽里，这样的话一转动油量控制套柱塞就会跟着转。每一个油量控制套上都有一个和对应缸的拉杆槽啮合的钢球，这样的话调速器一工作带动拉杆左右移动，与其相连的钢球就会转动，从而油量控制套就会转动，带动柱塞同步旋转。如此一连串的运动就会帮助调油量，以至于改变供油的有效行程。2）静态下的调整：所谓静态就是指喷油泵在静止、不运转时的状态。静止的状态下柱塞是不能转动的，要想调节油量就可以通过转动柱塞套，由于P型泵主要就是分体法兰结构，柱塞套和法兰套通过定位销连在一起，在出油阀接头的安装作用下，柱塞套和法兰套结合的非常紧，几乎可以看做是一个整体，所以就可以通过转动法兰的方法调节油量。2.6喷油泵设计要求柴油机喷油泵对每个缸的供油量要相等，一般情况下，各个喷油泵的供油量不均匀性不超过3%.供油的开始时间点和延续时间相同，也就是各缸的供油提前角和迟后角要一致，一般偏差为，各缸一起开始、一起停油、由此就保证了燃油的最大利用率，和柴油机的最大工作效率。喷油泵必须向喷油器提供尽可能高压力的燃油，以保证雾化质量足够好。【1】2.7喷油泵的结构选择喷油泵的形式和结构有很多种，目前，在质量大、载重大的车用和船用的柴油机上，直列柱塞式由于他工作可靠而且被应用过很长时间，技术成熟，因此是被使用最多的一种。表2-1所列为我国的几种柱塞式喷油泵主要系列。A、B系列喷油泵的主要基本结构是相同的，都是直列柱塞式的喷油泵的传统机构。P型喷油泵则另辟蹊径，采用了不开侧窗的箱型封闭泵体，由此使喷油泵的结构加强。因此，本设计在借鉴前人的基础上采用直列柱塞式P型喷油泵。几种国产柴油机柱塞式喷油泵系列表2-13、柱塞偶件3.1柱塞简介柱塞偶件是喷油泵总成中最重精密的偶件之一，由柱塞和柱塞套组成。一般情况下柱塞偶件是用优质的合金钢制造的，经过精密的加工和相互配对研磨，把他们之间的配合间隙控制在0.001-0.004mm。间隙过大或者过小都是不行的，都对柴油机的工作不利，影响稳定运转。既要保证密封又要有良好的润滑，这就对柱塞偶件的精密性提出了更高的要求。由此，为了确保偶件在任何情况下都能稳定工作而不变形，他们在使用过程中不能相互交换而且必须对偶件进行严格的热处理。3.2柱塞外形及结构图3-1图3-23.2.1工作原理由于柱塞上下运动，通过柱塞的头部和柱塞套上的进回油孔相互之间的交替运动使得燃油压力改变。由于凸轮的转动给柱塞提供了动力，从而完成了喷油泵进油、供油和回油的过程。通过横拉杆改变柱塞的角度从而实现对油量的调节。图3-33.2.2柱塞上斜槽的型式及选型图3-4为了调节油泵每循环供油量，在柱塞头部设置有各式各样的控油槽，它是根据柴油机对喷油泵提出的要求决定的，一般说除了切断燃油的直槽外还必须具有控制进回油时间的斜槽或螺旋槽。两种型式在平面展开图上是有明显区别的，螺旋槽展开后为一直线，而斜槽展开后为一条三角函数曲线，故它们的供油特性曲线（供油量与齿杆位移的关系曲线）是有差别的如图3-5所示。从工艺加工方法看，加工斜槽要比加工螺旋槽容易很多，在性能上也有其特点，从斜槽供油特性曲线来看，在怠速小油门时供油量变化率较小，能减少怠速时各缸油量不均匀度，故对改变柴油机怠速稳定性有一定的作用。柱塞上斜槽的形状可有螺旋线型和直线型两种形式，根据斜槽的倾斜方向的不同又能分成左旋和右旋。直线型斜槽柱塞大多被用在国产系列泵中，这样可以简化加工工艺。空转时，调油齿条对供油量影响小，也不容易出现供油不均匀的现象，因此，本设计将采用直线型左旋斜槽。图3-53.3柱塞套及选型柱塞套有单孔和双孔两种柱塞，他们是通过孔的数量来区分的，顾名思义单孔柱塞套就是只有一个油孔，无论是进油还是回油都只通过这一个孔，这样的弊端就是会导致柱塞偶件受到很大的磨损，寿命就会降低。在柱塞直径和配合间隙相同的情况下，单孔柱塞套的喷油峰值压力要比其他形式的高很多，不利于提高柴油机的适应性。而双孔柱塞套有两个油孔，可使柱塞偶件的磨损部件分布相对均匀些，使其使用寿命变长。因此，在本设计中采纳双孔柱塞套。双孔柱塞套按照油孔相对轴向的位置不同，又能分成平孔和高低孔两种型式，平孔顾名思义进、回油孔的中心线高度相同，油孔比较方便加工，工艺性能很好；高低孔的回油孔位置比较低，密封性能好，同时进、回油孔相互不影响。本次设计将采用径向对称的平孔型式。3.4柱塞设计3.4.1主要技术参数：柴油机型式：四冲程的直列直喷式喷油泵，强制水冷、废气涡轮增压中冷。发火顺序：自飞轮端向自由端逆时针1-3-2-4（飞轮端起）。、供油系数：20℃时的燃油比重：3.4.2柱塞材料的选取考虑到柱塞材料的淬透性等因素，柱塞材料选整体淬火。3.4.3柱塞直径设计在设计选取柴油机的柱塞直径时，可以根据标定功率下的每循环喷油量为主要依据。(g/st)上式中：因为（g/st），所以柱塞直径：参考Bosch公司P系列柴油机的柱塞直径取为：3.4.4柱塞的几何有效行程计算供油系数供油系数一般可近似地取为如下情况：柴油机转速为2300r/min，本设计为高速机所以选取参数为：；此值应该选取柴油机工作中最小的那个值来设计，对于柴油，本设计选取参数为：。最大几何有效行程的计算：因为在一般情况下，油泵供油裕度系数为：。取为：1.3则喷油泵的最大可能的供油量就按照额定供油量的倍设计，由此得：3.4.5柱塞的全行程由于,因此，考虑到喷油泵体的整体设计方式，柱塞全行程取值为：参考经验公式，柱塞的全行程应符合：其中：为油量储备系数，一般；取为1.3此方案中将进回油孔直径均取为3.5mm即：。根据公式通过计算，h=10≥7.109，符合要求。3.4.6几何供油持续时间式中：（Z=0.5）；为曲轴转角，当今设计中在高速、低速机中；中速机，高速机，所以：。--，它由下式计算：式中：P为燃油开始回油时高压油路的燃油压力。高速机，这次组合泵的设计给定的参数是高速机，所以选择50MPa。由此可得：所以：3.4.7柱塞的平均速度根据公式得柱塞的平均速度：查资料得高速机的平均速度范围在1.4～2.3m/s之间。代入数据得：故选择的角度是符合条件的。3.4.8柱塞斜槽设计螺旋边的倾角应根据规定的有效行程选择，距油量调节部分的始点约为全调节部分的2/3～3/4，同时也要考虑到有效行程在位移和速度图上的必要位置。螺旋边旋转一周柱塞上升的距离是导程，假设导程为L（mm），倾斜角为θ，柱塞的直径为（mm）则导程一般在12,15,20,30,60,80范围内选择。由于L不能选的过大也不能过小，故取L=20mm，代入数据=12mm，计算得出,。根据选定的和油孔直径得出螺旋边和油孔的位置，相距两控油边为/2的位置引两条平行于控油边的直线，两条直线之间的垂直距离即为柱塞的有效行程。图3-63.5柱塞套的计算3.5.1柱塞套材料选取由于套筒和柱塞之间是来回运动摩擦的，这就要求柱塞套有很好的耐磨性和抗咬合性，既然有摩擦那就一定会产生热量，所以还要有抗高温回火性等，在保证中孔粗糙度符合条件的同时综合考虑以上因素，由此选取材料为。3.5.2柱塞套结构设计图3-7其中，柱塞壁厚的比例尺寸D/d一般为2.0~2.6，喷油泵工作时的强度是很高的，为了满足工作需要，延长使用寿命，这个比例尺寸一般取较大值。同时，柱塞强度足够，柱塞套的长度与柱塞直径比值需要较大值，这样能提高导向性。柱塞套上的进、回油孔是在柱塞的径向摆设的，小尺寸柱塞套经常只用一个回油孔。表3-1柱塞的比例尺寸≤7522.51.71.92.21.61.61.65~64.5~60.140.140.15本设计将采用平面密封式柱塞偶件，颈部选择平孔的形式。由上述分析及表一同时参考P型喷油泵并进行适当的优化调整，保证了柱塞强度，选择了稍微大一点的柱塞套长度与柱塞直径比值，保证了偶件的导向性良好。最终取得设计数据基本尺寸如表3-2所示：表3-2柱塞套基本尺寸柱塞套外径（mm）柱塞直径（mm）比值D=30122.5D1=20121.83D2=15121.33L=86127.53.5.3柱塞的旋转运动转动柱塞目前应用较多的有两种：齿杆——齿圈机构，拉杆——拨叉机构。本设计采用拉杆—拨叉式机构。如图3-6所示：图3-8相关计算如下：拉杆位移L和柱塞转角的关系为：上述公式：相应于柱塞转角所对应的柱塞表面圆弧长度E与拉杆位移的关系如下：3.5.4柱塞偶件的间隙设计现代柴油机中柱塞压力可达130MPA，因此柱塞与柱塞套之间的径向间隙尽可能小，径向间隙必须正确选择并严格控制，以保证柱塞偶件可靠，根据柱塞偶件配合间隙推荐值，如表3-3所示：表3-3配合间隙推荐值柱塞直径（mm）5.0～6.56.5～8.59.5～1212～1620～25配合间隙（um）1.5～2.51.8～2.82.0～3.02.5～3.53.0～4.0由于，因此将柱塞偶件径向间隙设计为0.002~0.003mm，且间隙不允许出现细腰，倒锥和鼓形。3.6柱塞弹簧设计3.6.1参数选取根据泵总成图中柱塞弹簧的安装空间，设计如图所示弹簧。弹簧中径初选为。依照《机械设计》第二版表14-10,取弹簧丝直径圆整为。弹簧设计参数的初始条件如下表3-4：图3-9柱塞弹簧表3-4参数公式数值弹簧中径D25弹簧外径29弹簧内径21线径d弹簧丝直径4有效圈数n用于计算弹簧总变形量的弹簧圈数量6.5总圈数8.5自由高度55第一安装负荷高度42第二安装负荷高度32压并高度323.6.2柱塞弹簧材料在保证弹簧的刚度和强度的同时，需要一定的柔性和稳定性，因此，柱塞弹簧材料选取：4.0-SWOSC-V。3.6.3弹簧校核计算3.6.3.1旋绕比C验算弹簧的旋绕比决定着弹簧绕制的难易程度，因为弹簧绕制的越难，它的剪切应力就越大，所以要对弹簧的C进行取值范围。现代设计要求表示钢丝直径在3～7mm范围内的弹簧，旋绕比在4～9范围内较为合适。由上式表示这是符合要求的。3.6.3.2螺旋角α计算本设计中的螺旋角如下：3.6.3.3弹簧的节距t验算相关资料查得:对于螺旋角的计算如下：节距应该满足：（mm）所以：(mm)本次设计的弹簧节距可以这样算得：(mm)，由此可知，弹簧合格，将节距圆整为7.5。3.6.3.4弹簧稳定性验算弹簧稳定性计算公式如下：查得b应小于5.3，所以。 3.6.3.5(mm)3.6.3.6弹簧的刚度P`3.6.3.7：(N)第二负荷：(N)3.6.3.83.6.3.9弹簧所受振动载荷为:：,：：：(：(，根据结果看来，可以忽略振动的影响。：（）（3.6.3.10对于材料为直径为4mm的钢丝：；在对其许用剪切力进行求值为：[]=0.33×=644.8～731.3（MPa）。最后求出安全系数为：由此得到，安全系数大于1.3，合格。3.7柱塞的工作行程柱塞是在喷油泵的凸轮的作用下来回运动的，所以根据泵油的原理，柱塞可分为四个不同的阶段，即四个行程。柱塞运动上下止点之间的总行程为h。图3-10A—A表示柱塞移动到下止点时的位置，这时候进油孔被完全打开，或打开2/3以上。参考设计如下表3-5所示：表3-5柱塞行程推荐表柱塞直径/mm预行程/mm减压面积/mm35；5.5；611.7~1.835；50；706；6.5；7.51.9~2.035；50；708；8.5；92.15~2.2535；50；7010；122.2~2.335；50；703.7.1预行程h1图3-11柱塞由下止点向上移动直到柱塞套上的油孔被封闭，这段距离就是预行程，改变正时螺钉的位置，或改变挺柱体垫片的厚度都可以调整预行程。由表3-3，本次设计取h1=2.3mm。3.7.2减压行程h2柱塞往上运动，从刚关闭进油孔到减压带脱离阀座的导向孔，也就是柱塞运动到供油开始点的时候，这段距离就是柱塞的减压行程。在一定的柱塞直径条件下，和出油阀的结构和减压容积的大小有关，随着出油阀减压容积的变大而变大，即正比，当出油阀的减压容积一定时，则减压行程随柱塞直径变大而变小，即相反。但由于供油过程中的液力效应，实际减压行程要比理论的减压行程小。本次设计将减压过程的行程取为：3.7.3有效行程是从高压油的供油开始点到柱塞的斜槽打开回油孔的这段距离。通过调节回油孔和柱塞斜槽的相对位置就可以控制有效行程的大小。这样的改变是静态的调整，是通过调整拨叉和横拉杆的相对位置来实现的。每循环供油量与h3成正比。下面计算有效行程的相关数值：通过参考相关资料，可以取柱塞的面积为：由公式：= 带入数据得：1==最后可以算得有效行程为3.7.4剩余行程h4从柱塞斜槽打开回油孔开始一直到上止点，柱塞走过的这段距离就是被称为剩余行程，柱塞处于剩余行程时，油泵不供油，除了以上的四个行程以外的行程就是用柱塞的总行程h去掉上述行程即可得到。本次设计取h4=10-2.3-1.9-0.8=5.0mm。4喷油泵的选型做柴油机设计时，首先应该做的就是按照喷油泵原始的供油量特性曲线来确定柱塞直径尺寸和喷油泵的相关尺寸。4.1柱塞的速度柱塞在各工作行程的速度情况可以从凸轮的升程和凸轮随转角的速度曲线了解到，还可以看出供油持续时间为凸轮转角时供油结束时的行程。如可知：柱塞行程的，，。柱塞速度：式中：。实际供油开始的柱塞速度为：一般喷油的时候柱塞的最大速度是:喷油泵的喷油速率决定着凸轮的外形形状，在选择切线凸轮的时候就要注意供油过程一定要在过渡点之前结束，因为超过此点之后滚轮和凸轮之间的挤压力将会太高。4.2喷油泵尺寸及型号的选择由原始数据，上述分析计算及已选定的柱塞直径并参考Bosch公司直列式组合喷油泵系列参数（表4-1），得知应选定柱塞式喷油泵中的P型泵将其设计为P4型组合喷油泵。表4-1Bosch公司直列式组合喷油泵系列及参数系列代号ABPZ主要参数凸轮升程（mm）8101012分泵中心距（mm）32403545柱塞直径（mm）68810979101181011128.512139最大供油量（mm3/循环）60-150130-225130-475300-600分泵数2--122--124--122--8最大使用转速（r/min）140010001500900最终将确定组合喷油泵P4主要参数，如表4-2所示：表4-2组合喷油泵P4主要参数机型P4柱塞直径（mm）12柱塞行程（mm）10柱塞套大外圆直径(mm)Φ32进回油孔直径(mm)Φ3.5柱塞预行程（mm）2.3螺旋线导程（mm）25.3最大几何有效行程（mm）1.9出油阀开启压力(MPa)1.0出油阀升程(mm)1.45减压阀开启压力(MPa)13减压阀关闭压力(MPa)≥105出油阀一般情况下柱塞式的喷油泵都有出油阀，以保证能正常喷油，出油阀偶件也是喷油泵的精密偶件之一，能对高压系统的残余压力，喷油的定时、定量和定压，和其速度特性等进行控制。现在实际应用的出油阀偶件有减压、非减压式出油阀、等压式出油阀等，它们的结构形状对喷油特性有非常大的影响。5.1作用1)在不供油时它可以把柱塞腔与高压油管互相隔离，以避免当柱塞下行时把高压油管中的燃料吸到油泵腔里。2)为了下次喷油压力能够快速上升，它能让高压油管中保持一定的残余压力。3)在供油结束后，为了让断油迅速同时避免喷油器滴油现象的产生可用出油阀降低高压油管中的油压。5.2等压出油阀结构及原理图5-1出油阀芯部装有等压阀等相关零件，还包括阀座、弹簧座、减压器等。出油阀及其部件上升的过程是供油的过程，供油结束后，出油阀芯部件落回出油阀座，高压油路被关闭。[2】整个过程中主要依靠压力作用开闭油阀，而且在各种工况下的供油结束之后，柴油机储油箱的残余压力都能自动调节，一般情况下保持在高于大气压力的某一水平线上，只会有微小的波动，其值取决于等压阀的开启压力，这就是等压出油阀的由来。当高压油管的压力太大的时候还可以自动卸压，防止二次喷射，对于不定转速、不定负荷的工况，有很好的应变性能。5.3出油阀设计5.3.1结构设计为保证足够流通面积，考虑到减压阀回油孔加工装配问题，把减压阀的节流孔设计为,球阀直径为。5.3.2材料选取由于出油阀在落座的瞬间会受到强烈的冲击，所以这就要求出油阀的材料具有足够的表面硬度和抗冲击性能。喷油泵在喷油时压力很大这就要求材料有较好的硬度，综合这些因素材料选用碳氮共渗表面硬度。5.4出油阀座设计5.4.1结构设计为了保证零件的强度，考虑到出油阀的安装空间，出油阀下座外圆设计为.5.4.2材料选取本设计中采用的等压式出油阀在落座过程中，会产生较大的冲击力，又考虑到高喷射压力对零件强度的需要，芯部硬度应尽可能的高。所以出油阀材料一般选用GCr15。5.4.3工艺要求为了保证足够的密封性能，出油阀偶件的密封锥面要进行配对研磨，并且一旦配对之后就不能互换，其密封带宽度。出油阀偶件的加工精度和公差应符合相关规定。还应该注意出油阀座面与导向侧面的加工精度，以保证其良好的密封性及卸压作用。5.5性能参数设计5.5.1出油阀开启压力设计根据国产车相关资料了解到，开启压力设计为。5.5.2出油阀升程设计出油阀升程的设计原则是保证出油阀座面的流通面积高于高压油管的流通面积的1.4倍（高压油管设计为），则有：流通面积为：≥其中：计算得：取出油阀升程为：。图5-25.5.3等压阀开启压力设计为了保证高压油管在喷油结束后有较高的残余压力，减压阀关闭压力一般应不小于针阀关闭压力的60%。对P4型车用组合喷油泵来说取：其中：为球阀开启压力；为承压比。计算得：取等压阀开启压力为：。5.6出油阀弹簧设计5.6.1弹簧设计参数及选用材料根据泵总成图中柱塞弹簧的安装空间，设计如图5-3所示弹簧。弹簧中径初选为。依照《机械设计》第二版表14-10,取弹簧丝直径圆整为。弹簧设计参数的初始条件如下表5-1：图5-3出油阀弹簧表5-1参数公式数值弹簧中径D7弹簧外径8.2弹簧内径5.8线径d弹簧丝直径1.2有效圈数n用于计算弹簧总变形量的弹簧圈数量7.5总圈数9.5自由高度24第一安装负荷高度16第二安装负荷高度14.5压并高度10.85.6.2出油阀弹簧材料在保证弹簧的刚度和强度的同时，需要一定的柔性和稳定性，因此，选取出油阀弹簧材料：1.2-SWP-B。5.6.3弹簧校核计算5.6.3.1旋绕比C验算一般对于，C的取值范围为4～9，因此符合要求。5.6.3.2螺旋角α计算本设计中的螺旋角如下：一般为5～9，所以符合。5.6.3.3弹簧的节距验算查相关资料得:螺旋角的弹簧节距计算如下：同时也要满足：所以：对于该弹簧节距计算如下：，根据上述计算可知弹簧合格，将节距圆整为3。5.6.3.4弹簧稳定性验算弹簧稳定性计算公式如下：查遍得b应小于5.3，所以合格。 5.6.3.5弹簧展开长度计算(mm)5.6.3.6弹簧的刚度(N/mm)5.6.3.7弹簧负荷计算第一负荷：(N)第二负荷：(N)5.6.3.8曲度系数k6组合喷油泵凸轮设计对凸轮的设计是喷油泵的很总要的技术之一，尤其是凸轮型线。挺柱连接了柱塞和凸轮轴，凸轮型线展现了挺柱的升程、速度和加速度的变化规律。供油开始的时间、喷油压力和喷油规律都会受到柱塞运动的影响，最高工作转速也和柱塞的运动规律有关，而这几项参数直接影响了柴油机的各方面性能。随着对环境的重视，对柴油机燃油系统的要求越来越高，要能够对喷油定时、定量和压力灵活可调，而且喷油压力和速率越高越好，除了引入电控技术以外，改进凸轮型线设计也是很重要的。[15]6.1凸轮轴结构如图6-1所示：图6-1凸轮轴喷油泵的凸轮轴是驱动柱塞往复运动的关键部件。凸轮轴上制有凸轮外，两端放分别安装调速器和提前器的轴头。轴上的凸轮有两种结构：一种是推动柱塞移动的凸轮；另一种是驱动输油泵的凸轮。驱动柱塞的凸轮按柴油机工作顺序和点火相位制造的，以实现柴油机可靠供油；驱动输油泵的凸轮，按输油泵活塞行程设计，以完成低压供油功能。本设计选取的是推动柱塞的凸轮。6.2凸轮型线选取凸轮型线决定了柱塞的运动规律，和滚轮中心的运动轨迹，而凸轮与滚轮间接触应力不能过大，过大会使喷油泵的使用寿命降低。柴油机的燃烧室形式不同，喷油规律不同，所以喷油泵凸轮外型的选择必须和配套柴油机相适应，否则就会影响柴油机的性能,会导致温度过高，温度过高则会使喷油泵供油速率太快而使柴油机工作粗暴。所以凸轮型线选择要求如下:首先供油速率尽量高，而且供油能力要强，当喷油泵转速大的时候也能承受得起，凸轮旋转产生的噪音和磨损都要尽量的减小，延长其寿命。一般常见的凸轮型线有两种基本类型：(a)几何凸轮(b)函数凸轮为了克服切线凸轮由于曲率半径的突然减小导致的接触应力增大，影响喷油泵转速和喷油速率，本次凸轮型线采用切线凸轮设计。[16]6.3构成凸轮的基本要素构成凸轮的几何要素以切线型凸轮为例，包括：基圆直径、升程、过渡圆弧、凸轮切线和坡度。基圆直径：是构成凸轮的基本几何参数，又是滚轮间歇供油运动的轨道面升程：通过凸轮升程间接确定了柱塞的最大行程，并与柱塞直径形成的速度容积，也决定了喷油泵循环供油量。过渡圆弧：是影响滚轮运动的重要参数，它的大小就决定了供应速率和接触应力的大小。凸轮切线及坡度：它是影响柱塞运动速率的一个重要因素。切线坡度越斜，柱塞速率越高。但有效行程转角就小了。6.4凸轮转角和速率曲线凸轮转角和速率曲线是以横坐标为凸轮转角，总坐标以速率和升程表示的关系线。我们经常见到的随凸轮转角变化的速率曲线有两种基本形态：一种近似三角形；另一种可近似看成四边形。少数还有多边形的。三角形曲线其供油起始点处速率偏低，供油终点处速率偏高。整个供油过程呈现上升趋势。四边形曲线比三角形有了新的改进，解决了供油起始点速率偏低的问题。其规律是在有效行程工作区间初期曲线变化增加，在供油终点峰值附近供油速率增加变换缓。从而提高了供油平均速率，降低了速率升高率，有效的降低了柱塞最高运动速度，提高了平均速度，改善了供油特性。6.5供油提前角的选取1）气缸爆发压力要求在本设计中为了提高柴油机的动力性，只有提高活塞有效压力来实现，加大滞燃期喷入缸里的燃油可以增加有效压力，从而增加爆发压力。2）燥声要求研究表明，供油提前角越大，柴油机的震动加剧、燥声也会增加。3）柴油机经济性要求实验表明，当供油提前角适当增加，柴油机的经济性和排放(指NOx排放)将得到一定改善，但太大将恶化经济性和排放。综上所述,将P4组合泵的供油提前角设计为30°曲轴转角。6.6几何有效行程内的平均速度设计6.6.1几何供油持续时间φp：式中：。——。——柴油机实际喷油持续时间，本设计所匹配的是高速柴油机，取。它由下式计算：式中：P——对于高速机取本设计取P=50MPa计算得：代入并计算得出几何持续供油时间为:6.6.2柱塞的平均速度CP柱塞在其几何有效行程内的平均速度为： 6.6.3凸轮型线设计根据相关资料，确定了以下设计参数：凸轮轴额定转速n1150r/min最大行程h10mm柱塞预行程H12.3mm最大供油速度V3.0m/s凸轮的最大转角α60°第一负荷P1106NCb基圆半径17mmRgm材料的弹性模量：；许用接触应力：。本设计组合喷油泵凸轮采用的是切线凸轮型线。第一段（切线段），设该区段角为（）当滚轮处于切线段时，图6-2第二段，设该区段角（）；；顶圆半径；切线长度：=20.78；；；；；当滚轮处于圆弧段时，：；：：喷油泵凸轮升程表，如下表6-1所示：凸轮转角()凸轮升程(O1O2)凸轮转角()凸轮升程(O1O2)028.0003233.016128.0033333.387228.0183433.775328.0383534.184428.0673634.612528.1083734.870628.1503834.055728.2123935.447828.2764035.899928.3484136.2851028.4314237.0021128.5234337.3311228.6254437.6331328.7364537.9261428.8564638.1951528.9884738.4461629.1284838.6771729.2974938.8951829.4405039.0831929.6125139.2592029.7975239.4192129.9905339.5462230.1955439.6702330.4175539.7902430.6565639.8662530.8985739.9212631.1505839.9672731.4205939.9242831.7126040.0002932.0136140.0003032.3303132.6686.6.4凸轮轴强度校核1）泵腔压力计算喷油泵在工作时，凸轮的驱动机构会产生惯性力、泵腔压力、摩擦力和弹簧力，这些力叠加到滚轮与凸轮的接触面上产生了一个正应力，用圆柱形滚体的赫兹公式来计算。对于钢滚动体时，凸轮上的接触应力为：式中：N—，；其中；为：；为：；式中的弹簧力；；。为：；为：；式中，，；。；；Rg—滚轮半径。根据以上公式计算得出：根据许用接触应力确定喷油泵许用的最大泵腔压力：：代入数据校核可知本次凸轮的设计强度符合要求。图6-32）凸轮极限转速凸轮极限转速的计算公式如下：一般情况下，凸轮的极限转速应大于额定转速的1.25倍。公式得出极限转速为:NG=1514m/s，因此，极限速度在允许的速度符合要求。3）全负荷寿命以允许的泵腔压力为基础的赫兹应力先任意假定为1800N/mm2，根据滚动轴承的寿命公式列出计算滚轮寿命的经验公式：若P0的单位为N/mm2,n的单位为r/min。则对于圆柱形滚轮来说，在耐久试验中得到下列的常数:式中L是全负荷寿命（h）。带入数据可以得到7喷油器由于此次设计的任务量比较大，绘制图形任务量大时间有限故本次没有专门去设计喷油器及调速器，但这两部分在柴油机喷油系统中也起着很重要的作用，下面分别作简要介绍。7.1喷油器的组成和功用喷油器是柴油机能实现喷油的主要部件，喷油器的基本作用是在正确的时间将燃油用合适形态喷入燃烧室，使燃油与燃烧室的形状和气流运动相互配合，形成良好的混合气，正是根据这种特点，把燃油雾化成细微的油粒，将其喷射到指定的位置，组织完善的燃烧过程。组成喷油器的部件主要有喷油器体、调压装置和喷油嘴等。喷油器在工作过程当中承载非常高的各种负荷，包括液力、热和机械负荷，越提高柴油机性能，喷油器的工作环境就越严峻。所以就要一直不停的优化喷油器的结构和各方面性能，这就使得喷油器在满足柴油机提出的高频率、高压力、高油量的同时，保证使用寿命和紧凑的结构。不同场合下的喷油器，所达到的要求的重点不同，结构布置方案设计和参数的选取也有所不同，但对使用寿命和工作可靠性的要求是相同的。其主要故障有针阀运动阻滞或卡死、喷雾不良、喷孔结碳、滴油，及调压装置松弛或损坏等。必须注意喷油器的合理设计和使用，以消除或减少故障。7.2喷油器结构由于不同柴油机的气缸盖各不相同和燃烧室结构也各式各样，燃烧的方式也有很大差别，从而喷油器也就有多种结构型式，根据不同作用可有如下分类。由喷油嘴的类型分：开式喷油器和闭式喷油器。根据安装方式的不同分以下两种：1）插入式：按压紧方式又有法兰式和压板式两种2）螺纹拧入式：又可分为螺套拧紧和喷油嘴帽外的螺纹拧紧两种。3）根据调压弹簧的布置：调压弹簧上置式和下置式结构。4）根据喷油嘴冷却方式：非冷却和强制冷却式。本次选用的喷油器的安装方式为板压式，装用多孔式P系列喷油嘴偶件，顶部为进油管接头，侧面为溢油管接头的低惯量喷油器。其工作原理为：当喷油泵产生的燃油通过高压油管进入喷油器时，燃油压力低于开启压力，喷油器靠调压弹簧力，使喷油嘴上的针阀和针阀体座面封闭，不喷雾；当燃油压力高于开启压力时，高压油推动向上运动，使喷油嘴开启，燃油从喷孔成雾状喷出。燃油压力低于开启压力，针阀在调压弹簧作用下迅速下落，关闭座面，停止喷射，从而完成向柴油机气缸供油的工作过程。8调速器8.1调速器的功用调速器可以自动调节喷油量，它根据柴油机在各种工况下的变化，自动增加或减少供油量，这样柴油机就能稳定的运转。所以为了实现对油量的控制，使柴油机能在各种负荷的变化下保持柴油机的稳定性，就必须有调速器。除此之外，由于柴油机还配备了发电机组，为了确保发电机发出稳定的电压，必须保证柴油机在原规定的转速下稳定的运转，那么柴油机也必需装配调速器。总之，调速器的功用可概括如下：1）确保柴油机能在最低转速下稳定运转，控制最低稳定转速；2）防止柴油机超速运转（飞车），控制最高转速；3）根据各种负荷的变化，能自动调节对油泵的供油量，使得柴油机一直能稳定地运行。8.2调速器的分类以及必要性调速器按原理不同可分为：机械式调速器、液压式调速器、气动式调速器等多种形式。现在使用最广泛的是机械式和液压式，主要是因为这两种有简单的构造，工作稳定可靠，性能好。机械式中按照用途不同可分为：单制式、双制式和全制式调速器。在柴油机上若不装调速器，实际上由于以下原因是不能使用的。（1）当载荷突然释去或减小，而没有相应地减少供油量时，柴油机的曲轴可能达到很高的转速，造成飞车。实践证明，柴油机飞车即使时间很短，也会导致柴油机主要零件的损坏，甚至整台柴油机的报废。（2）低速空转或低负荷时，柴油机工作很不稳定，甚至会使柴油机停车。因为柴油机空转工作时，全部气缸内燃气的指示功消耗在克服柴油机内部的阻力上，即柴油机的机