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内燃机配气机构设计(2)
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摘要:3.1 配气机构优化设计的意义 配气机构在整个内燃机的运作当中起到的作用就是换气功能,从字面上看就可以清楚看得出,换气功能就等于人类的呼吸功能
3.1 配气机构优化设计的意义
配气机构在整个内燃机的运作当中起到的作用就是换气功能,从字面上看就可以清楚看得出,换气功能就等于人类的呼吸功能,所以配气机构的重要性是相当于人类的肺部。随着近年来,经济的高速发展,带动着人民向往更有品质的生活,对空气中废气的排放有了更高要的标准或要求。而现代生活水平的提高,人们的出行方式大多数都选择机械出行,即摩托车,汽车,火车那些交通工具。而人们对这些机械的运作也有了更高的要求,即希望可以更加高效,更加精密,更加轻量化和自动化。
在机械运动中,发动机就如同一个心脏般的存在,而发动机是否能够安稳合适合理高效地运作这又关乎到发动机中配气机构的使用,所以在配气机构的设计中,需要更多的是合理性和高效性的体现,但同时也需要考虑到配气机构在使用中的环境因素,因为配气机构的工作环境经常是高温和高压的,配气机构中的气门组件是整个配气机构中最经常发生故障的其中一个零件,而配气机构的工作性能是影响到整个内燃机的性能,包括是否具有经济相对高效益,运作是否相对可靠,是否会对外部造成过大的噪声影响等。
3.2 整体布局设计
本次的设计基本上布局大体思路为,顶置气门凸轮轴下置式机构,成因很简单,主要是出于时代设计趋势,毕竟顶置气门式广泛应用的一种机构,它的稳定性和实效性是值得信赖的,而采用凸轮轴下置原因是其设计较简单,而且本次设计的内燃机所应用的场所为农业低速场合。
顶置气门的工作原理为发动机工作时,曲轴通过定时齿轮带动凸轮轴旋转。当凸轮轴转到凸轮的工作段顶起挺柱时,通过推杆和调整螺钉使摇臂绕摇臂轴摆动,压缩气门弹簧,使气门离座,当凸轮工作段离开挺柱后,气门便在气门弹簧的作用下落座,即气门关闭。
下置凸轮的传动方式为使用齿轮传动,而因为这次设计的内燃机配气机构功率属于中低型,所以曲轴的定时齿轮材料一般选为钢,而凸轮的定时齿轮材料则选为铸铁。同时为四冲程内燃机基础,内燃机每完成一个工作循环,曲轴转动两周,而凸轮轴只转动一周,所以两齿轮传动比为 2:1。
4 结论
内燃机配气机构的设计过程中,关键是气门组的设计,因为过程中涉及到的是气门开启和关闭工作中排气与吸气的多少,是否充分吸排气。现代社会高端设计中,应用到高端汽车的配气机构有可变气门和液力或电磁控制气门开启和关闭,这次的设计学到了不少国内外的一些关于内燃机配气机构的知识,希望在以后的工作中可以应用起来。
[1]马永有,黄亚宇.内燃机配气机构凸轮型线设计方法研究,昆明理工大学学报:理工版,1999(4).
[2]王勇,陈治刚.内燃机配气机构的优化设计[J].内燃机工程,1987.
[3]路琼琼,李智.内燃机配气机构技术现状及发展[J].机械,2009.
[4]王勇波.内燃机配气机构优化设计研究[J].武汉理工大学,2005.
[5]陈涛.内燃机配气机构多体系统动力学研究[J].华中科技大学,2009.
[6]爱都瓦尔多·科勒尔,鲁道夫·富利尔,等.内燃机设计[M].机械工业出版社,2016,05.
[7]李明海,徐小林,等.内燃机结构[M].中国水利水电出版社,
[8]马钢.内燃机配气机构技术现状及发展[J].科技创新与生产力,2008.
1 内燃机的基本工作原理往复活塞式内燃机的工作流程是由曲轴带动曲柄连杆,连杆带动活塞做上下往复运动的一个过程,而四冲程内燃机的工作过程大致分为,进气过程、压缩过程、作功过程和排气过程。进气过程:活塞在上止点向下止点的运动过程,这个时候配气机构带动气门运动,使得进气门打开,排气门关闭,由于大气压力和活塞内压力之间的关系,空气不断被吸进气缸内的一个过程。压缩过程:活塞在下止点向上止点的运动过程,这时,由于配气机构的工作使得进气门和排气门同时关闭,使活塞顶部和气缸形成一个密封的空间,而活塞还在不断往上运动,不断压缩空气使气缸内温度和压力不断提高,为接下来的作功过程提供了足够的条件。作功过程:在压缩过程即将结束的时候,喷油器将柴油以油雾的形态喷到气缸内,在高温高压的环境下,快速蒸发变成气体并与空气混合,在高温的环境下自动着火燃烧,而燃烧的过程中产生的高压气体膨胀推动活塞由上止点快速向下止点运动,这时使得曲轴旋转向外作功。排气过程:在作功过程结束后,在配气机构的牵动下,排气门打开,进气门关闭,活塞在曲轴的带动下,又一次向上运动,燃烧过后的废气通过压力差和活塞的挤压,不断被排出到气缸外部。整个四冲程柴油机的基本工作原理如此重复循环进行,当中涉及到的配气机构就是这次需要设计到的一个内燃机的机构了。2 相关机构的基本设计2.1 活塞的结构设计活塞组机构包含有:活塞、活塞销、活塞环等一些在气缸中做往返运动的零部件。这次的设计由于主要是设计配气机构,所以在设计活塞组中涉及到的一些复杂的计算过程就省略掉了,主要是设计活塞的尺寸外形机构。简单说明一下活塞组的作用:①传力,导向。活塞的顶部需要受到燃烧后气体的压力,然后将压力传递到连杆同时确保活塞在气缸内运作顺畅。②密封。主要由活塞环和活塞密封气体,确保缸内的工作介质达到不泄露或极少泄露的标准。③传热。在一定的密封性下,主要由活塞环和活塞裙部向缸壁传递燃烧的热量。④配气。配合配气机构,完成进气、压缩和排气功能。活塞组的一些基本尺寸数据:由于活塞的工作环境原因,活塞顶部与活塞裙部是不一样的,经验所得,活塞顶部需要比裙部要少,所以活塞裙部直径取气缸直径D=120mm,活塞顶部直径取Dd=119mm。由于本次设计的内燃机是柴油机,所以顶部外形取平顶型。高度H方面由顶部厚度δ、活塞销安装高度位置Hx、气环数量和油环数量决定,由于是低转速型柴油机,所以采用3道气环、一道油环的设计。本次活塞设计的材料为铝活塞,厚度δ=(0.1-0.2)D,即厚度δ=12mm。取活塞销安装的位置Hx=46mm。最后综合计算得出活塞高度H=118mm。如图1所示。图1 活塞活塞销材料选用20Mn2钢,尺寸为dx=25mm,长度Lx=112mm。由于活塞销结构为一圆柱体,为了减少成本和提高材料的利用率,所以一般活塞销采用空心加工制造。如图2所示 曲轴的结构设计曲轴的设计采用整体式曲轴,材料方面选择45钢。由于考虑到是农用机械,曲轴的刚度考虑的出发角度为曲轴全长等钢度。所以选择主轴颈直径Dz=Dq。取曲柄销直径Dq=45mm。曲轴曲柄半径r=S/2=60mm。由摩擦损失和润滑理论得出:Lz/Dz≥0.3,所以 Lz=13.5mm。Lq则取 36mm。其余相关直径和长度尺寸或以整体结构决定。如图3所示 连杆结构的设计连杆组包含有:连杆体、连杆盖、连杆螺栓、轴瓦组成,其中连杆体又分为小头、杆身、连杆大头。连杆组的工作作用为把活塞处所受的压力传递到曲轴变成转矩,并且同时将活塞的往返运动转变为曲轴的旋转运动。图2 活塞销图3 曲轴连杆长度l由连杆比λ=r/l所决定着,其中设计经验所得值为1/4-1/3.2之间。本次设计选择λ=1/3.2。所以算得连杆长度l=192mm。连杆小头孔径d1和宽度B1由活塞销直径dx确定着的,即d1=dx+2δ1。其中δ1为连杆小头衬套厚度,若采用锡青铜衬套的话,其厚度为2~3mm,若采用冷轧青铜带或钢背-青铜双金属带卷制而成的衬套时,厚度即可降到为0.75mm,同时使结构更加紧凑,所以本次设计选择冷轧青铜带,即δ1=0.75mm。图4 连杆3 配气机构的设计3.1 配气机构优化设计的意义配气机构在整个内燃机的运作当中起到的作用就是换气功能,从字面上看就可以清楚看得出,换气功能就等于人类的呼吸功能,所以配气机构的重要性是相当于人类的肺部。随着近年来,经济的高速发展,带动着人民向往更有品质的生活,对空气中废气的排放有了更高要的标准或要求。而现代生活水平的提高,人们的出行方式大多数都选择机械出行,即摩托车,汽车,火车那些交通工具。而人们对这些机械的运作也有了更高的要求,即希望可以更加高效,更加精密,更加轻量化和自动化。在机械运动中,发动机就如同一个心脏般的存在,而发动机是否能够安稳合适合理高效地运作这又关乎到发动机中配气机构的使用,所以在配气机构的设计中,需要更多的是合理性和高效性的体现,但同时也需要考虑到配气机构在使用中的环境因素,因为配气机构的工作环境经常是高温和高压的,配气机构中的气门组件是整个配气机构中最经常发生故障的其中一个零件,而配气机构的工作性能是影响到整个内燃机的性能,包括是否具有经济相对高效益,运作是否相对可靠,是否会对外部造成过大的噪声影响等 整体布局设计本次的设计基本上布局大体思路为,顶置气门凸轮轴下置式机构,成因很简单,主要是出于时代设计趋势,毕竟顶置气门式广泛应用的一种机构,它的稳定性和实效性是值得信赖的,而采用凸轮轴下置原因是其设计较简单,而且本次设计的内燃机所应用的场所为农业低速场合。顶置气门的工作原理为发动机工作时,曲轴通过定时齿轮带动凸轮轴旋转。当凸轮轴转到凸轮的工作段顶起挺柱时,通过推杆和调整螺钉使摇臂绕摇臂轴摆动,压缩气门弹簧,使气门离座,当凸轮工作段离开挺柱后,气门便在气门弹簧的作用下落座,即气门关闭。下置凸轮的传动方式为使用齿轮传动,而因为这次设计的内燃机配气机构功率属于中低型,所以曲轴的定时齿轮材料一般选为钢,而凸轮的定时齿轮材料则选为铸铁。同时为四冲程内燃机基础,内燃机每完成一个工作循环,曲轴转动两周,而凸轮轴只转动一周,所以两齿轮传动比为 2:1。4 结论内燃机配气机构的设计过程中,关键是气门组的设计,因为过程中涉及到的是气门开启和关闭工作中排气与吸气的多少,是否充分吸排气。现代社会高端设计中,应用到高端汽车的配气机构有可变气门和液力或电磁控制气门开启和关闭,这次的设计学到了不少国内外的一些关于内燃机配气机构的知识,希望在以后的工作中可以应用起来。参考文献:[1]马永有,黄亚宇.内燃机配气机构凸轮型线设计方法研究,昆明理工大学学报:理工版,1999(4).[2]王勇,陈治刚.内燃机配气机构的优化设计[J].内燃机工程,1987.[3]路琼琼,李智.内燃机配气机构技术现状及发展[J].机械,2009.[4]王勇波.内燃机配气机构优化设计研究[J].武汉理工大学,2005.[5]陈涛.内燃机配气机构多体系统动力学研究[J].华中科技大学,2009.[6]爱都瓦尔多·科勒尔,鲁道夫·富利尔,等.内燃机设计[M].机械工业出版社,2016,05.[7]李明海,徐小林,等.内燃机结构[M].中国水利水电出版社,[8]马钢.内燃机配气机构技术现状及发展[J].科技创新与生产力,2008.
文章来源:《内燃机工程》 网址: http://www.nrjgczz.cn/qikandaodu/2021/0125/461.html
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