内燃机设计

时间：2023-05-01 01:57:42 资料我要投稿

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内燃机设计

曲轴圆角处断裂主要原因：由于在过渡圆角处应力集中现象严重，而且在曲柄中有油道通过，削弱了曲柄圆角处的强度，因此造成了曲轴在此处断裂。

解决曲轴疲劳强度的主要方法有：A 结构措施：增大重叠度；增大连杆轴经与曲柄过渡处的圆角半径；挖空主轴经或将连杆轴经内腔制成枣核形的空心；使用卸载槽。B 工艺措施：圆角滚压；圆角与轴经同时淬火；喷丸处理；氮化处理。C 材料措施和毛坯成型：使用强度更高的材料，制造毛坯时采用模锻。

活塞裙部在工作时销轴方向的变形大，请问原因是什么？一般采用什么措施来进行限制？答：活塞裙部在工作时沿着销座方向产生三种变形情况：（1）活塞受侧向力作用，由于侧向力作用在垂直于销座方向的裙部上，在侧向力作用下，活塞裙部在销座方向上的尺寸变大：

（2）由于作用在活塞顶上的燃气压力和惯性力的联合作用，使得活塞顶在销座的跨度内发生弯曲，使得整个活塞在活塞销座方向上尺寸变大；（3）由于温度升高引起热膨胀，其中活塞销座部分因壁厚比其它部分要厚，所以发生热膨胀的变形严重。以上三种情况共同作用的结果都是使活塞在工作时沿销座方向胀大使裙部变为椭圆形。

解决办法：主要有选择膨胀系数小的材料，进行反椭圆设计，采用绝热槽，销座采用恒范钢片，裙部加钢筒等。

销座裂纹的解决措施：将销座内缘加工成圆角、倒角或销座设计成弹性结构，减小销座边缘处的棱缘负荷；增加活塞销的刚度；增大销座承压表面的长度及采用阶梯形销座；滚压销座孔；材料的选择；适当加大活塞销与销座的配合间隙，在冷态时就有间隙。

气环的作用：密封汽缸中的气体，防止工作气体从活塞和气缸之间的间隙中大量漏掉，同时通过气环散走活塞顶所吸收的热量。

活塞环设计要求：有适当的弹力，以利初始密封；有较高的机械强度，热稳定性好；易磨合且有足够的耐磨性和抗焦结能力；加工工艺简单，成本低

实现措施：良好的材料和表面处理，正确选择环的截面形状、尺寸、运动间隙以及适当的工作和安装应力；采用合理的加工方法和加工要求等。

提高螺栓疲劳强度措施：1.降低螺栓刚度，提高被连接件刚度；2.降低应力集中（采用圆角）；

3.在螺栓头几个牙车出10~15度的倒角；4.防止螺栓承受附加弯矩；5.采用锻造毛坯，螺纹滚压。

提高机体刚度的措施：1.增设加强筋；2.使轴承盖螺栓与缸盖的螺栓在同一垂线上；3.增加曲轴箱的宽度B=（1.5~2）D；4.提高主轴承的刚度。

拉缸：粘着摩擦，指活塞在气缸中高速滑动时，由于油膜破坏，产生干摩擦，引起局部高温，使活塞与气缸接触的地方活塞金属熔化，与缸套粘在一起，当活塞继续滑动时，造成在活塞上或汽缸上产生一道一道的痕迹。

防止拉缸措施：1.保证气缸套与活塞组有正确的几何形状和一定的刚度，合理布置气缸盖螺栓使气缸套受力均匀；2.使气缸套工作表面上有足够的润滑油量；3.在材料、工艺上采取措施，提供气缸套壁面储存机油的能力，提高耐粘着的能力。

干缸套：优点：整个机体用普通材料，只是干缸套用耐磨性好的材料，可节省耐磨稀有金属，机体刚度比湿缸套机体刚度大；缺点：加工复杂，拆装修理不方便，若装配不好，缸筒散热效果差。

湿缸套：优点：制造修理很方便；缺点：机体刚度较差。

穴蚀：发动机运转一段时间后气缸套外表面产生许多穴孔。生成机理：内因：制造有瑕疵；外因：振动，电化学，化学，应力的影响。减少措施：1.减少活塞与气缸之间的配合间隙以及减小气缸套与机体座的配合间隙；2.气缸套壁有一定的厚度；3.内燃机燃烧过程要柔和；

4.对气缸套外表进行表面处理；5.冷却水温不宜太低（90度以上）；6.水质要保持中性（pH7~8）

凸轮设计步骤：1.确定基圆半径 r0=0.5dB+(1~3) dB-凸轮轴直径 dB=(0.25~0.3)D 实际凸圆半径r0`=r0-(0.15~0.2)；2.凸轮宽度b=(0.75~1)r0;3.确定凸轮作用角φ=（180+θ早进+θ早排）*0.5;4.挺柱的升程；5.腹弧半径r1，顶弧半径r2。

气门弹簧的作用是：气门关闭时，依靠弹簧的预紧力使密封锥面密封的较好；进气过程中，保证排气门不被吸开；在负加速度段，要使弹簧的弹力大于配气机构的惯性力，使挺柱和凸轮不脱离；在配气机构回位时，使配气机构中的各零件保持正常的接触。气门弹簧的安装长度为：自由长度减去预压长度；气门弹簧的工作压缩长度为:气门的升程；气门弹簧的最大压缩长度为：预压缩长度加工作最大压缩长度。

配气凸轮除工作段外，都要有缓冲段，主要原因是：由于有气门间隙的存在，使得气门实际开启时刻迟于挺住动作时刻；由于弹簧预紧力的存在，使得配气机构在一开始要产生压缩弹性变形，等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧力之后，气门才能开始运动；由于缸内气压力的存在，尤其是排气门，气缸压力的作用与气门弹簧预紧力的作用相同，都是阻止气门开启，使得气门迟开。由于以上原因的综合作用，使得气门的实际开启时刻迟于理论开启时刻，如果没有缓冲段，气门的初速度短时间内有零变得很大，有很强的冲击，同样，当气门落座时末速度很大，会对气门座产生冲击，气门结构的噪音和磨损加剧。为了补偿气门间隙以及预紧力和气缸压力造成的弹性变形，要在实际工作段前后增设缓冲段，保证气门开启和落座时处于很小的速度。

凸轮评价：设计凸轮时，希望时面值大，凸轮的丰满系数大，即增大R1，R1增大则a增大，导致凸轮作用力大；当凸轮的作用角一定时，具有相同曲率半径的圆弧凸轮要比函数的丰满系数大，即圆弧凸轮的丰满系数最大；当凸轮的作用角一定是，减小基圆半径，加速度值增大，使凸轮升程增大，丰满系数增大，即要增大丰满系数则a增大；凸轮升程的加速度段长度越窄，配气结构上的加速度载荷越大。负加速度段长度变大，需要弹簧载荷减小；对于配气结构工作平稳性，通常用k值来表征。k值反映出挺柱正加速度所占角度与配气系统振动之间的关系。

气门组工作条件：（1）机械负荷大，热负荷高；（2）摩擦，磨损严重；（3）冲击；（4）损坏。气门组设计要求：（1）足够热强度系数；（2）抗冲击，耐磨，耐腐蚀；（3）吸热少，散热快，重量轻，流动阻力小。

材料：进气门（中碳合金钢）排气门（耐热合金钢）

气门组结构设计：（1）头部：平顶；（2）直径：进气门 d1=(0.3~0.5)D 排气门 d2=(0.83~0.87)d1; 升程 htmax=0.25d1;(4)导管间隙 (5~10%)d;(5)气门锥角，进气30~45度排气45~60度；其他尺寸磨合面宽度b=(0.05~0.12)d 杆的直径d0=(0.16~0.25)d 头部厚度t=(0.1~0.12)d 过渡圆弧 R=(0.3~0.5)d 气门杆长l=(2.5~3.5)d ;(7)校核

提高气门组件耐磨性的措施：1、降低热负荷：a.增加气门杆直径；b.增加导管长度；c.增加气门座圈间的冷却；d.多气门；2、提高耐磨耐腐蚀性：a.气门座锥角大于气门锥角；b.加厚气门；3、工艺措施：堆焊，滚压，喷丸，淬硬。

起动措施和装置：1.在燃烧室中安装热电阻丝；2.用易燃燃料帮助起动；3.减少起动阻力；

4.采用空气预热装置。

起动方法：1.手起动：简单可靠，力矩小；2.电起动：低温条件下蓄电池能力下降很多；3.空气起动：起动扭矩大，设备较多，冷态起动困难，热状态起动时引起受热零件热裂；4.用小型汽油机起动内燃机：可以利用小汽油机的排气管道通过柴油机进气管，预热柴油机进气，水路与主机柴油机水套相通，利用小汽油机的热循环水预热柴油机，起动装置较大，成本高。

平衡重的作用：由于四冲程四缸机的离心力、离心力矩、一阶往复惯性力和力矩均平衡，在四缸机上加平衡重可以减轻主轴承的负荷。

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