490QB柴油機(jī)設(shè)計

1、490QB柴油機(jī)設(shè)計（配氣機(jī)構(gòu)）摘要本設(shè)計的發(fā)動機(jī)機(jī)型為490QB柴油機(jī)，介紹了 490QB柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計, 配氣機(jī)構(gòu)各零件的詳細(xì)設(shè)計。依照本柴油發(fā)動機(jī)的設(shè)計技術(shù)要求，可以確定本柴 油機(jī)的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)尺寸。本機(jī)采用形燃燒室，凸輪軸中置，龍門式機(jī)體方案。為了使本次設(shè)計滿足設(shè)計要求，所以根據(jù)燃機(jī)工程師手冊，對本機(jī)進(jìn)行工作過程 熱計算，結(jié)果表明此次設(shè)計滿足其經(jīng)濟(jì)性和動力性要求。發(fā)動機(jī)通過配氣機(jī)構(gòu)實現(xiàn)換氣，即排出本循環(huán)已燃混合氣和下一個循環(huán)吸入 新鮮充量的進(jìn)氣排氣過程，對于四沖程發(fā)動機(jī)來說，從排氣門打開到進(jìn)氣門關(guān)閉 的整個過程為換氣過程。而發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的好壞，在很大程度取決于換 氣過程的

2、完善程度，因此配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計在本發(fā)動機(jī)設(shè)計中占有相當(dāng)重的位置。 而配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計的核心為提高充氣效率，降低換氣損失，進(jìn)而改善了發(fā)動機(jī)的經(jīng) 濟(jì)性和動力性。設(shè)計氣門采用雙氣門方案，即一進(jìn)一出兩氣門，雙氣門方案結(jié)構(gòu) 簡單，工作可靠，完全滿足進(jìn)排氣要求，降低制造成本。氣門的驅(qū)動采用凸輪軸 挺住一推桿一搖臂一氣門的驅(qū)動方案。凸輪軸采用中置方案，形式為整體式凸 輪軸，全支撐，滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)簡單，加工精度高，具有很好的互換性。本次設(shè)計主要包括氣門彈簧，進(jìn)排氣門，進(jìn)排氣道和凸輪軸設(shè)計，而凸輪形 狀采用函數(shù)凸輪設(shè)計，由Mat lab程序計算得到挺柱的升程，速度，加速度，繪制 曲線。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)，凸輪，氣門T

3、HE 490QB DIESEL ENGINE DESIGN (PISTON ANDCONNECTING ROD )ABSTRACTThe desig n of the diesel engine models for the 490QB in troduced 490QB diesel engine valve train desig n, detailed desig n of each valve train parts. In accorda nee with the technical requirements for diesel engines, you can determine

4、 the structure and size of the diesel engine. The machine adopts the shape of the combustion chamber, the camshaft positi on, gantry body program .In order to meet the desig n requireme nts of this design, it is based on the internal combustion engine engineer manual process to work on the machine t

5、hermal calculations, the results show that the design meets its economy and power requireme nts.Engine for ventilation through valve body, the discharge of the circulating air and fuel mixture is next cycle in hale fresh charge in take and exhaust, for four-stroke engin es, the exhaust valve to ope

6、n the in take valve clos ing the whole process of the ven tilati on process. The engine power and economy is good or bad, to a large exte nt depe nd on the degree of perfection of ventilation process, so Valve design occupies very heavy position in this engine design. The core Valve designed to impr

7、ove volumetric efficiency, reduce ventilation losses, thereby improving the economy of the engine and power. Valve double valve desig n scheme, n amely one into a two-valve, dual valve scheme is simple, reliable, fully meet the requireme nts of the in take and exhaust, reduce manufacturing costs .Va

8、lves driven by the camshaft - tappet - putt - rocker - valve drive soluti ons. Camshaft scheme used in the home, in the form of the mono lithic camshafts, fully supported to meet the stre ngth requireme nts, simple structure, high precisi on, with good in tercha ngeability.The desig n in eludes valv

9、e spri ngs, in take and exhaust valves, and in take and exhaust camshafts road design, and the use of a cam-shaped cam design function, calculated by the Mat lab program tappet lift, velocity, acceleration, plotted.Key words : diesel engine, cam, valve、八、亠丄刖言1第一章整體設(shè)計2§1.1 490QB 柴油機(jī)2§1.2柴油機(jī)

10、的設(shè)計2§1.3設(shè)計容和方法3第二章 燃機(jī)工作過程的熱計算 4§2.1 一般參數(shù)計算 4§2.2進(jìn)排氣過程計算4§2.3壓縮終點參數(shù)計算 5§2.4燃燒過程的計算6§2.5膨脹終點參數(shù)的計算6§2.6指示參數(shù)的計算7§2.7有效參數(shù)的計算7第三章 配氣機(jī)構(gòu)的總體布置 8§3.1氣門數(shù)目、驅(qū)動方式，布置8§3.2凸輪軸布置和傳動方案確定 8第四章氣門組的設(shè)計9§4.1氣門的設(shè)計9§4.2氣門導(dǎo)管的設(shè)計.4§4.3氣門通路面積的校核14第五章氣門彈簧的設(shè)計19§

11、;5.1氣門彈簧的概述19§5.2氣門彈簧的尺寸確定 19第六章 凸輪軸和氣門附件的設(shè)計 25§6.1凸輪軸的設(shè)計25§6.2挺柱的設(shè)計30§6.3推桿和搖臂的設(shè)計31結(jié)論32參考文獻(xiàn)33致34附錄35距第一臺燃機(jī)誕生，經(jīng)過 100多年的發(fā)展，在工程師們孜孜不倦的努力下， 發(fā)動機(jī)不斷的得到改進(jìn)和進(jìn)步，性能不斷得到改進(jìn)與創(chuàng)新，到今天能為人類社會 活動不可或缺的一員，支持著社會的發(fā)展與進(jìn)步，給人們帶來了非常大的便捷， 近些年，隨著柴油機(jī)高壓共軌、缸直噴、凈化等技術(shù)的發(fā)展，以較低的排放輸出 強(qiáng)大的動力，有著無可比擬的優(yōu)勢。由于對環(huán)保越來越重視，現(xiàn)在柴油機(jī)又朝著

12、 更進(jìn)一步降低柴油機(jī)排放，低的運(yùn)行噪音，經(jīng)濟(jì)性更好，長的和可靠的使用壽命 的方向去發(fā)展。由于柴油機(jī)較高的壓縮比，壓縮行程終點的壓力和燃燒最高壓力都很高，所 以其擁有比較高的熱效率，較汽油機(jī)更強(qiáng)的動力輸出，節(jié)約燃料和更長的發(fā)動機(jī) 壽命，更低的污染物排放，適用于更多的用途工況，使其廣泛應(yīng)用于卡車，客車， 工程車，農(nóng)用車等多個領(lǐng)域。由于研究方向的不同，歐洲在柴油機(jī)方面，走在了世界的前沿。依靠新的技 術(shù)，如高壓共軌，低的運(yùn)行噪音，低污染排放，所以，柴油轎車走進(jìn)千家萬戶， 在我國，由于某些特殊原因，柴油供給不足，油品達(dá)不到高壓共軌供油系統(tǒng)的要 求，所以在轎車領(lǐng)域還比較尷尬，但是在重型運(yùn)輸方面，由于其比較

13、大的動力輸 出，比較的熱效率，低的比油耗，大多是柴油機(jī)被在這個方面使用。但是柴油機(jī) 技術(shù)比著歐洲還有比較大的差距，如制造工藝落后，關(guān)鍵的噴油技術(shù)都沒完全掌 握，所以目前，我國把對柴油機(jī)的研究重點放在如電控、柴油機(jī)后凈化處理、某 些關(guān)鍵技術(shù)和材料的研究，開發(fā)出新一代高效節(jié)能的機(jī)器。同時提高柴油機(jī)品質(zhì)， 提高柴油的供應(yīng)量，避免每年一次的柴油荒。相信柴油機(jī)會得到長足的發(fā)展和進(jìn) 步。490QB柴油機(jī)系列應(yīng)用于農(nóng)業(yè)動力機(jī)械、輕卡等多個領(lǐng)域，由于其較強(qiáng)的動 力，較低的油耗，結(jié)構(gòu)簡單，后期維護(hù)方便，成為大馬力拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)的 優(yōu)先選擇o 490QB系列四缸直噴柴油發(fā)動機(jī)，標(biāo)定功率48KW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速320

14、0r/min 柴油機(jī)熱效率高，動力強(qiáng)勁，比汽油機(jī)效率大約提了30%，因而節(jié)約成本，節(jié)省燃料。更環(huán)保，銷量非常高，有很大的發(fā)展前途6-8。第一章整體設(shè)計§ 1.1 490QB柴油機(jī)490QB柴油機(jī)主要用在農(nóng)用機(jī)車，低速汽車，輕卡，和輕氣車，其技術(shù)特點：1油耗比較低，2.動力性好，3油耗低，4.結(jié)構(gòu)緊湊，5可靠性能高。490QB柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)：型式：直噴、直列、四缸、立式、水冷、四沖程、形燃燒室活塞行程/氣缸直徑：105/90標(biāo)定功率 /轉(zhuǎn)速：48/3200 (kW/r/min )壓縮比：18： 1燃油消耗率： 238( g/kW h)潤滑方式：壓力及飛濺復(fù)合式起動方式：電起動

15、7; 1.2柴油機(jī)的設(shè)計一、柴油機(jī)的總體設(shè)計要求對設(shè)計490QB柴油機(jī)整體考慮時，首先要考慮其零件的通用性，盡量選擇常見的材料，易于降低制造成本，方便后期維護(hù)。適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)，而且附件都是標(biāo)準(zhǔn)配件，設(shè)計的發(fā)動機(jī)質(zhì)量可靠，熱效率高，質(zhì)量體積都要小，結(jié)構(gòu)盡 量不要復(fù)雜。使用壽命要長，能適用多個工作環(huán)境。二、柴油機(jī)的設(shè)計要求柴油機(jī)的總體設(shè)計是在 注重節(jié)約能源的同時又 加強(qiáng)了對排放性的要求，使 發(fā)動機(jī)有很廣的適用性。本490QB柴油機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。適用性很廣，工作環(huán)境多變惡略，其設(shè)計 要求如下：1. 必須要可靠，故障率必須要低，選用低的壓縮比和活塞速度。2. 經(jīng)濟(jì)性要好，要省油、潤滑機(jī)油要為普

16、通品牌，不要特俗化。3. 易于啟動，操作簡單，符合客戶的操作習(xí)慣4. 動力必須要足夠。滿足大多數(shù)情況使用。5. 鑒于其工作環(huán)境惡劣，所以過濾系統(tǒng)一定要好，而且要易于更換3-5。§ 1.3設(shè)計容和方法本設(shè)計的主要容為490QB柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，進(jìn)行熱力計算，查閱參考相關(guān) 資料，與同組的同學(xué)一起確定有關(guān)的配合尺寸，使設(shè)計的發(fā)動機(jī)有很好的動力足， 經(jīng)濟(jì)性要好，各系統(tǒng)機(jī)構(gòu)要可靠，利用計算機(jī)AUTOCA專業(yè)繪圖軟件繪圖，然后再手工繪制一裝配圖，用 Mat lab程序計算挺住的升程、速度，并繪制曲線。第二章 燃機(jī)工作過程的熱計算§ 2.1 一般參數(shù)計算2燃燒室容積：V0.0392731

17、L ；1.單缸排量：2Vsd S 0.6676425L ；43.理論空氣量:L0-gc -gh -go0.494643kmol ；0.21 12432在這個式中：gc、gH、go分別為每千克燃油中碳、氫、氧含量（kg）；而且在柴油中C、H、O這三種元素中的質(zhì)量比為：0.87:0.126:0.0044. 過量空氣系數(shù)：a 1.6a取值圍為（1.32.0）;5. 新鮮空氣量：LaL0 0.7914kmol ；6.燃燒產(chǎn)物：Mgo320.8230kmol ；7.殘余廢棄系數(shù)：r 0.05r 取值圍(0.030.06);8.分子變更系數(shù)：0 ML 1.0399 ；9.實際分子變更系數(shù):1.038 ；&

18、#167; 2.2進(jìn)排氣過程計算1. 排氣壓力：Pr 1.10巳111.43kPa 柴油機(jī)Pr 一般的經(jīng)驗取值圍是1.051.15PaFa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取為101.3kPa ;對于非增壓型柴油機(jī)來說，由進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸前時的氣體壓力為 Pab Pa 101.3kPa。2. 氣缸排氣溫度：Tr 800K本次非增壓柴油機(jī)排氣溫度取值圍一般都在700900K 之間。3.進(jìn)氣終點壓力：Pde0.9pa 91.17kPa非增壓柴油機(jī)進(jìn)氣終點的壓力一般圍在0.850.95巳之間。4.進(jìn)氣終點溫度：Tde331.5714K;式中：Td為進(jìn)氣溫度，取為T為外界空氣的溫度，T20°C,即卩 293.15K

19、 ；10 200C 一般取 15C。5.充量系數(shù):c p deTd1c 1 PabTde 1 r0.8024 ；對于自然吸氣式柴油機(jī)來說，其充量系數(shù)的圍為在0.750.90。6. 燃機(jī)空氣流:Aa S C 30 RdTdPabWn0.06884kg/s ；式子中：s 掃氣系數(shù)，Rd是新鮮空氣氣體常數(shù)，值為0.287kJ/(kg K)，而 對于自然吸氣的柴油機(jī)s大約取為1。§ 2.3壓縮終點參數(shù)計算1. 壓縮終點壓力：Pco Pde 4781.6225kPa ；式中：n1為平均多變壓縮指數(shù)，壓縮過程中氣體得到熱量愈多，n1越大。相反熱損失越多n1越小。由此，影響山取值的主要因素有以下幾

20、點：1) .發(fā)動機(jī)的構(gòu)造特征，風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的主要零件(缸體、缸蓋、活塞)溫度要 比水冷發(fā)動機(jī)的高，因此風(fēng)冷機(jī)的 較大；2) .SD較小時，要比長沖程的機(jī)型小一些；3) .當(dāng)氣缸套、活塞、活塞環(huán)以及氣門密圭寸帶磨損時，漏氣量增加，就會帶走 一部分熱量，從而使n1減小；4) .燃燒室表面積炭，會使零件溫度升高，減少散熱量，使n1升高。中速柴油機(jī)n1取值圍為1.341.39,高速柴油機(jī)取值圍為1.371.41，此498柴 油機(jī)為高速柴油機(jī)故而取n11.372壓縮終點溫度：TCoTdeni1c966. 1129K。§ 2.4燃燒過程的計算1. 壓力升高比：p卷限制最大爆發(fā)壓力為Pmax502

21、285kgf/cm，取 pmax 85kgf/cm8335.65kPa此時壓力升高比p 皿pco1.743 ,對于柴油機(jī)，p取值圍是1.702.20b2最高燃燒溫度Tmax =zHu0l?(1 7)(Cpc)m 8.313( P 1)Tco( Cpz)mTmax式中：z是燃燒終點時的熱量利用系數(shù)，對于直噴式中速柴油機(jī)29-9299kJ /mol?K , Cpz m 33.0694kJ /mol?K0.800.88的圍，而對于直噴式高速柴油機(jī) z在0.700.85的圍，此處取z=0.70。比 是燃油低熱值，對于柴油Hu=42500kJ/kg, ( Cpjm、Cpz)m分別是新鮮空氣和燃 燒產(chǎn)物的

22、平均等壓摩爾比熱容kJ/(kg mol K)，見附錄表1，可查得：CPC m將以上數(shù)據(jù)代入公式，可以得：Tmax =2063.6344Ko3.初期膨脹比:_?匹 1. 2744 ；pco4. 燃燒終點氣缸容積Vz: VzVc 0.05008Lo§ 2.5膨脹終點參數(shù)的計算1. 膨脹終點壓力Pex: pex衛(wèi)晉288.7231kPa式中： 14.1243，n2為平均膨脹指數(shù)，n2是一個平均值概念，主要取決于過后燃燒的程度，氣體與氣缸壁之間的傳熱以及氣體的泄露量。n2越小，有用功就越多。在發(fā)動機(jī)中影響n2的因素主要有：1).從氣體中排出的熱量越多，膨脹線越陡，熱損失就越多，越大；2).在

23、膨脹線上過后燃燒的增加，減小了氣體的散熱量，從而減小n2 ; 3).過后燃燒強(qiáng)度越大，n2就會減小；4).轉(zhuǎn)速增加以后，縮短了氣體與氣缸壁的熱交換時間以及泄露 量，轉(zhuǎn)速n越大n2就會增加。高速柴油機(jī) 壓的一般取值圍為1.181.27,此處壓取為 1.27。2. 膨脹終點溫度Tex: Tex環(huán)1009.5822K§ 2.6指示參數(shù)的計算1.平均指示壓力Pmi :PiniPde c1p1n211n2 11n111n11832. 2407kPa0.920.99,此處取 n=0.92；2.指示功率Pi : PPiVsin3059. 300kw式中：i為氣缸數(shù)，i 4 ；為沖程數(shù)，=4;3.指

24、示熱效率i :式中:n為示功圖豐滿系數(shù),其圍在a L0 ? Td ? piH u Pab c8.3130.4646 ；4.指示油耗率：b»36°0 10182.3200g /kW?h ；i ? Hui5.機(jī)械效率：m°.8094。§ 2.7有效參數(shù)的計算1. 平均有效壓力 Pme: Pmem ? Pmi 673.6156kPa ；2. 有效熱效率 net : e m ? i 0.3760 ；K3. 有效油耗率 be: be -L 225.2533g/kW?h。第三章配氣機(jī)構(gòu)的總體布置配氣機(jī)構(gòu)的目是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)換氣的工作過程，即根據(jù)發(fā)動機(jī)的各缸發(fā)火次序， 定

25、時開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門，排氣門。保證廢棄的排除和充入新鮮空氣，以維持發(fā)動 機(jī)穩(wěn)定持續(xù)的運(yùn)行，要求：1氣門具有優(yōu)秀的換氣質(zhì)量，時間 一截面值盡可能大大，泵氣損失要小。2. 發(fā)動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音要盡可能的小，耐磨，可靠，零部件具有很好的互換 性。3. 其結(jié)構(gòu)要簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，外形要美觀 。要同時達(dá)到以上三個要求比較困難， 但發(fā)動機(jī)設(shè)計都要求一個折中的思想， 所 以要根據(jù)實際情況，分清主次，有側(cè)重點的設(shè)計，設(shè)計出優(yōu)秀的發(fā)動機(jī)6-8 o§ 3.1氣門數(shù)目、驅(qū)動方式，布置采用雙氣門頂置式氣門機(jī)構(gòu)布置，即每個氣缸上一進(jìn)一出兩氣門布置方案。 而氣門采用凸輪軸一挺住一推桿一搖臂一氣門驅(qū)動方案。§

26、; 3.2凸輪軸布置和傳動方案確定凸輪軸位置的確定取決于機(jī)體的布置方案和機(jī)體的外形，所以要仔細(xì)考慮才 能確定。凸輪軸由曲軸驅(qū)動，為了減小傳動噪聲，所以要求在不干涉的曲軸運(yùn)動 的情況下，決定凸輪軸位置高度時，盡可能的要求曲軸與凸輪軸接近，保證曲軸能正確傳動，這樣減小了發(fā)動機(jī)的橫向尺寸，便于發(fā)動機(jī)小型化。應(yīng)該也要要使傳 動機(jī)構(gòu)簡單可靠，減小故障率。而當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，功率得到強(qiáng)化類型的發(fā) 動機(jī)時，應(yīng)該使用凸輪軸頂置的方案，即把凸輪軸放在氣缸上方的位置，由鏈條 驅(qū)動凸輪軸，盡量減少推桿的長度，這樣就減小了氣門傳動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量，增 大了機(jī)體，零件的剛度，優(yōu)化發(fā)動機(jī)結(jié)果布置 。在折中考慮，分清主次之

27、后，本次設(shè)計的490QB柴油機(jī)采用凸輪軸中置方案， 由曲軸通過齒輪驅(qū)動凸輪軸，結(jié)構(gòu)簡單可靠第四章氣門組的設(shè)計§ 4.1氣門的設(shè)計§ 氣門的工作環(huán)境與設(shè)計要求一、氣門的工作環(huán)境；氣門做為燃機(jī)的核心部件之一，其工作環(huán)境十分惡劣，因為其工作時會受到 很高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，而氣門頭部又直接與缸的高溫氣體接觸，溫度很非常 高，特別是排氣門，排氣溫度大約在 600° 860°之間，甚至?xí)撸邷貧怏w經(jīng) 排氣門排出，即又受到高溫廢氣體的沖刷，工作條件更為嚴(yán)酷，所以經(jīng)常會密封 不嚴(yán)，導(dǎo)致漏氣，和氣門座圈密封處也會受到腐蝕，燒損。在氣門工作時，氣門 以很高的頻率和速度

28、在運(yùn)動，氣門桿會與氣門導(dǎo)管摩擦，而且氣門每次落座時， 因為其具有很高的速度，就會沖擊氣門座圈和氣門的密封錐面。而沖擊力的大小， 又取決于氣門的落座速度，和氣門的質(zhì)量。所以優(yōu)化進(jìn)排氣門，減小氣門工作時 受到的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，合理設(shè)計凸輪緩沖段曲線，減小氣門落座的速度和加 速度，減小落座沖擊為本次氣門設(shè)計的核心容 。二、氣門設(shè)計的基本要求1材料的選擇考慮到氣門的高溫工作環(huán)境，我們首先想到的是改善氣門的冷卻方式，降低 氣門的工作溫度，其次在氣門的工作溫度下，選擇合適的材料，來保證氣門能耐 高溫，在高溫下有足夠的強(qiáng)度，還要要求其耐磨和耐腐蝕。根據(jù)氣門的失效形式， 其經(jīng)常都是密封面腐蝕磨損，所以選擇材

29、料，要優(yōu)先考慮它的耐磨性，和耐化學(xué) 腐蝕，其次要考慮材料的失效溫度要高于氣門的工作溫度，即工作時，反復(fù)運(yùn)動 受熱，不會強(qiáng)度失效，變形，彎曲。所以對于排氣門，在工作強(qiáng)度大的燃機(jī)上， 一般采用奧氏體鋼，這種材料在高溫下，性能很優(yōu)秀，不會失效變形，而且耐腐 蝕，并且一般都含有大量的重金屬鎳，所以價格很貴。進(jìn)氣門由于進(jìn)氣溫度低， 工作條件相對好些，為了節(jié)約成本，一般采用40Cr,對材料沒有什么特俗要求。2氣門結(jié)構(gòu)方面為了使加工成本低，能大批量生產(chǎn)，要求氣門結(jié)構(gòu)簡單。其氣門頸部的外形也要合適，降低進(jìn)排氣阻力，降低進(jìn)排氣馬赫數(shù)，盡量能多進(jìn)氣。提高充氣效率。 在滿足氣門工作時的強(qiáng)度，耐腐蝕性，耐磨性時，也要

30、求盡可能的降低氣門的質(zhì) 量，降低氣門落座沖擊力。3降低氣門的熱負(fù)荷前面提到過，氣門的工作在高溫環(huán)境下，而其失效形式經(jīng)常是由高溫導(dǎo)致， 所以降低氣門受到的熱負(fù)荷又是設(shè)計重心之一，氣門組中，排氣門受到的溫度最 高，大約有70%的熱量經(jīng)由氣門頭部傳至氣門座圈導(dǎo)出，其余部分熱量由氣門的 桿身導(dǎo)出，因此，氣門頭部的散熱冷卻至關(guān)重要，要求氣門頭部的形狀大小要與 氣門座圈緊密配合的情況下，其要有良好的冷卻措施，加強(qiáng)散熱，氣門盡可能大， 使氣門受熱盡可能的均勻，防止氣門頭部受熱變形不均勻的情況發(fā)生。在機(jī)體缸 蓋允許的情況下，也可以加長氣門導(dǎo)管長度。減小氣門桿身與氣門導(dǎo)管的間隙， 進(jìn)而降低氣門高溫頭部的溫度10

31、。除此之外，還要綜合考慮氣門的運(yùn)動，因為其運(yùn)動受到多個因素的制約，比 如說氣門彈簧、搖臂、挺柱、凸輪外形等多個外部因素影響制約，所以其設(shè)計還 要從配氣機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動來折中考慮，力求優(yōu)化氣門組運(yùn)動，減輕落座沖擊，因為 這個也是氣門錐面與座圈密封失效的原因之一 9。§氣門整體形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計氣門分氣門桿身和氣門頭部分組成。圖 4-1所示，氣門的名字和詳細(xì)結(jié)構(gòu)。圖4-1氣門的基本結(jié)構(gòu)及名稱1氣門的頭部 2氣門的桿身部 3氣門的圓弧徑部 4氣門鎖夾槽 5氣門桿的端 面6氣門密封錐面 7氣門頭部上端面 Dv氣門頭部的直徑 do氣門桿身直徑ti 氣門頭部厚度 R 氣門頸部過度圓弧半徑一氣門密封錐面角

32、一、氣門的頭部設(shè)計1.氣門頭部外形氣體的流通特性會受到氣門頭部外形的影響，氣門的剛度、慣量、散熱性能和 制造難易程度都會受到氣門頭部外形的影響，也會影響到氣門的使用壽命，所以 要根據(jù)不同類型，要具體分析。大體情況，一共有三種類型的氣門頭部形狀：平 底氣門、凹底氣門、還有凸底氣門。而第一種氣門頭部形狀因為其結(jié)構(gòu)簡單、制 造成本低、受熱均勻且小、剛度性好、工藝性優(yōu)異，滿足了大部分發(fā)動機(jī)的進(jìn)、 排氣要求，所以在各種類型的柴油機(jī)中得到了非常大圍的應(yīng)用。而本設(shè)計中的 490QB柴油機(jī)也采用第一種氣門頭部平底設(shè)計2 o2氣門頭部直徑設(shè)計充量系數(shù)對發(fā)動機(jī)效率至關(guān)重要，所以增大氣門頭部的直徑，可以顯著提高充

33、量系數(shù)，增大流通斷面的的同時，也減小了進(jìn)排氣阻力。因為氣門和配氣部件構(gòu) 成整體，所以要綜合考慮近、排氣門位置的布置，汽缸蓋的形狀大小，燃燒室的 形式。氣門之間冷卻水道的布置，氣門冷卻效果，氣門受熱是否均勻，還有很關(guān) 鍵的鼻梁區(qū)冷卻，這都關(guān)系到氣門頭部直徑的選擇。其尺寸的確定，一般都有經(jīng) 驗公式確定，根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計手冊中冊中的參考公式：Q(0.45 0.48 )DQe (0.38 0.41)D此次設(shè)計的缸徑為D=90mm,代入式子得：Q(40.543. 2)mmQ (34. 236. 9)mm綜合考慮到噴油器位置、燃燒室形狀、和缸蓋螺絲等多個影響因素。本次設(shè)計取 Q42 mmQe35mm3. 氣

34、門錐面斜角的確定氣門錐面受到兩個因素的影響，根據(jù)實際情況，要綜合分析，一般來說，常用 的只有30°和45°兩種錐面斜度可以選擇。由于排氣門和氣門座圈密封時，受到 的單位壓強(qiáng)比較大，所以氣門錐面上的積炭非常容易會被刮掉，所以本次就采用 較大的氣門錐面角，即45°錐面角，雖然進(jìn)氣門不會受到跟排氣門一樣大的單位壓強(qiáng)，但是考慮到降低制造成本，易于維護(hù)，方便零件適配，所以進(jìn)氣門也采用45°氣門錐面角。而在自然吸氣發(fā)動機(jī)中，也經(jīng)常取45°錐面角，所以本次設(shè)計的490QB自然吸氣柴油機(jī)就采用45°氣門錐面角。氣門頸部過度圓弧的半徑也比較重要，一般取

35、值圍為本氣口直徑的0.250.50倍, 通常情況下根據(jù)經(jīng)驗，進(jìn)氣門頸部的圓弧半徑取頭部直徑的0.25,而排氣門的頸4氣口直徑的選擇進(jìn)氣口的直徑：di 的直徑。排氣口的直徑：d2 的直徑。5.氣門的升程進(jìn)氣門的最大升程:排氣門的最大升程:部半徑去其頭部直徑的0.35倍。在重合的取值圍，考慮到統(tǒng)一方便加工，把進(jìn)、 排氣門頸部的半徑都為9.5mm。(0. 41 0. 45)D(36. 940. 5)mm,取di37mn為進(jìn)氣口(0. 340. 37)D(30. 633. 3)mm，取d?31mn為排氣口(0. 240. 26)DVi(10. 0810. 92)mm，hze max(° 28

36、0. 30)Q(9. 8 10. 5)mm綜合考慮進(jìn)排氣門的最大升程，取進(jìn)、排氣門的最大升程都為9mm6.氣門頭部和氣門錐面厚度的選擇(1)根據(jù)氣門頭部厚度的設(shè)計原則：在氣門頭部剛度夠的情況下，為了減輕氣 門的質(zhì)量，盡量越薄越好，除此之外，還要受到高溫燃?xì)獾暮婵鞠伦冃巍Ｈ绻?形量過大，就會導(dǎo)致密封不嚴(yán)，漏氣。還會加快氣門的磨損。依照柴油機(jī)設(shè)計手冊中冊 ，氣門頭部厚度選擇的經(jīng)驗公式為：t1(0. 10 0. 12)DV對于進(jìn)氣門：t1(0.100. 12)42(4.25.04)mm,取知4. 5mm對于排氣門：t1(0.100. 12)35(3.54.2)mm'1,取X4mm而氣門錐面

37、寬度的設(shè)計原則：氣門的密封錐面帶出了氣門頭部絕大部分熱量， 所以氣門錐面越寬，則經(jīng)由氣門錐面導(dǎo)出的熱量越多，氣門的工作環(huán)境會有很大 改善。但是會帶來負(fù)面影響，氣門錐面的密封效果就會大大折扣。反之如果錐面 厚度太薄，雖然密封效果會好一些，但是散熱肯定會受到影響，在高壓的情況下， 會使氣門很快磨損。所以綜合考慮這兩方面的原因后，來決定氣門錐面的厚度， 寬度一般在1.53.0毫米之。參考柴油機(jī)設(shè)計手冊，氣門密封面的厚度公式為:b (0.9 1.05八對于進(jìn)氣門 b(0. 91.05)4.5(44.7)mm，取 b4mm對于排氣門 b(0. 91.05)4 (3. 64.2)mm，取 b3. 6mm二

38、、氣門桿部件的設(shè)計1. 氣門桿直徑的設(shè)計桿身一般都會做成實心的，因為加工方便，但是有時在某些高強(qiáng)化機(jī)型中，也 會采用空心桿身，本次采用實心桿身。如果需要桿身越耐磨，則需要粗一點的桿 身，還有助于熱量從桿身散出，增加了冷卻效果。根據(jù)受凸輪驅(qū)動方式的不同， 它受到的側(cè)向力也不同，有大有小，根據(jù)經(jīng)驗選擇，如果桿身側(cè)向力比較大，貝U 桿身直徑為氣門頭部的3040%左右，如果側(cè)向力較小，這相應(yīng)的取小一點，比如 取1625%即可。最后，還是考慮到工藝性，方便加工替換維護(hù)的原則，進(jìn)、排氣 桿身直徑取一致。在本 490QB柴油機(jī)中，選擇氣門桿身的直徑為 42X 16%35X 25%= (7.28.25) mm

39、,綜合考慮后，取桿身直徑為：do=8.0mm。2. 氣門桿身長度的設(shè)計氣門桿身長度L的確定取決于氣門彈簧的長度和汽缸蓋的高度。這里希望能小 些，因為希望能降低發(fā)動機(jī)的總高度，便于發(fā)動機(jī)緊湊。降低了氣門組的質(zhì)量。根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計手冊中冊，桿身的設(shè)計L的取值為：L (2.5 3.5)Dr將Dvi42mm Qe35mm代入式子得：進(jìn)氣門桿長L(105147)mm,排氣門桿長L(87. 5122.5)mm，在依據(jù)進(jìn)、排氣門總高一樣高的設(shè)計原則，此處取進(jìn)氣門桿長L105. 5mm,減去排氣門頭部厚度0.5mm的差別，排氣門桿長L106mm對氣門桿還要經(jīng)過熱處理，端面淬火淬硬處理。其硬度要求要大于HRC50

40、。氣門彈簧盤和桿身接觸，在折中考慮下，應(yīng)該要求連接穩(wěn)定可靠，但是有不減弱 氣門桿，此次設(shè)計的490QB柴油機(jī)中，使用鎖夾槽的方式，其不讓出現(xiàn)尖銳的倒 角。§ 氣門材料的確定在選擇氣門材料時，必須考慮氣門工作時的高溫條件，即此種材料必須要耐高溫、耐腐蝕、較高的抗沖擊力、氣門很嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，還要考慮其主要失效形式，在這次設(shè)計的490QB型柴油機(jī)中，其運(yùn)用于輕卡，載重量比較大，取進(jìn)氣門 的材料為普通的40Cr,而排氣門的高溫條件，則采用的4Cr9Si2Mn為排氣門的材料10M.2氣門導(dǎo)管的設(shè)計氣門桿在導(dǎo)管中做往復(fù)運(yùn)動，桿身的側(cè)向力傳給了氣門導(dǎo)管，所以氣門承受 比較大的側(cè)向力，而氣門桿身的

41、熱量也是經(jīng)由氣門導(dǎo)管傳出，相比之下，氣門和 導(dǎo)管摩擦接合面又相對靠近溫度更高的氣門頭部，所以氣門導(dǎo)管承受的溫度也比 較高。很容易讓潤滑機(jī)油形成積炭，但是潤滑系統(tǒng)供給摩擦副的機(jī)油又不能過多。 過多的話，會經(jīng)過導(dǎo)管流向燃燒室，導(dǎo)致冒黑煙。要求在潤滑不良的條件下摩擦， 氣門導(dǎo)管要耐磨。由于鐵基粉末冶金即使在潤滑不良的條件下，其也比較耐磨， 性子穩(wěn)定，易于制造，經(jīng)常拿這種材料制造氣門導(dǎo)管。氣門導(dǎo)管外圓面不允許有凹凸不平，應(yīng)為光滑的外面柱面，適合于用無心磨 床加工。氣門導(dǎo)管的長度也應(yīng)該盡可能的長，但是最好不要超過氣門桿直徑的6倍，因為導(dǎo)管越長，來自氣門桿身的側(cè)向壓力就會越小，還有利于氣門的冷卻和 導(dǎo)向，

42、但其長度主要取決于氣缸蓋的高度，允許的情況下，盡可能的長些。桿身與氣門導(dǎo)管的間隙也非常重要，其間隙的大小直接影響到潤滑和散熱。間隙如果過大，氣門桿則在導(dǎo)管里竄動，密封間隙過大，直接導(dǎo)致的后果就是密 封不嚴(yán)，漏氣，漏油，更嚴(yán)重會直接是氣門頭部承受更高的溫度而燒損，另外還 會嚴(yán)重影響桿身散熱。如果選擇的間隙過小，氣門會由于潤換不良，在積炭的情 況下，會卡死的導(dǎo)管中，氣門座偏心就得不到補(bǔ)償。所以這間隙要取的合適才行， 由于進(jìn)、排氣門工作溫度不同，間隙大小也會有差別，進(jìn)氣門的氣門管間隙一般 取桿身直徑的0.0050.01之間。排氣門導(dǎo)管間隙取其桿身直徑的 0.0080.012之間。在這次設(shè)計的490Q

43、B柴油機(jī)中，取氣門導(dǎo)管的長度為I >6d=6>8=48mm。折 中考慮后，去l=50mm.導(dǎo)管間隙：進(jìn)氣門：（0.0050.01）8=0.050.07mm,排氣門：（0.008 0.012）8=0.054 0.088mm。§ 4.3氣門通路面積的校核1.氣門通路面積的校核要看頭部直徑、氣門升程和氣門口直徑這三部分選擇的是否恰當(dāng)，取決于氣門頭部面積和氣門口是否足夠大，是否能通過更多的氣體。根據(jù)氣門最大升 程的公式來確認(rèn)（如圖 4-2），下面通過求取流通通路斷面處的假設(shè)平均氣體 流速值。校核式子：CfvyCm_p（ m/s）CyF r在本式中，wv 在一個完全的進(jìn)氣或者排氣過

44、程中，氣門在最大的升程時,流通截面最大，氣門通路斷面處我們假設(shè)平均進(jìn)排氣體的流速（m/ s）；C一個氣缸中同名氣門的數(shù)目；Fr 氣門在最大升程時的通路面積（*）；Fp活塞面積（m2）， FpD2Cm 活塞平均速度，Cm 11.2m/ s ；D氣缸直徑（m）, D90mmS 活塞行程，S 105mmN 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，n 3200r / min ；當(dāng)氣門位于最大升程時，通路面積公式為：E式中，Q進(jìn)、排氣門頭部外徑 mmdv進(jìn)、排氣門頭部徑 mmlk1、k2間的距離mm，如圖圖5-2氣門最大升程示意圖7. 91( mm對本次設(shè)計的機(jī)型的進(jìn)氣門進(jìn)行校核:42372102,2 cos 45°42

45、377. 912o423710 tan 45981.57( mni)Wl11.90. 098241124910 672. 61 m/ s)Frid237241075. 2 mrfi)對排氣門進(jìn)行校核:37.24 33.32 11 tan 45。13. 10Rmm,37.2433.32 22l2 cos 45。11Fri37. 2433. 3213. 107801. 136 mrfi)11. 9Frid20. 09821801.13610 633. 322492. 042； m/ s)871.967( mrn)可知，本次設(shè)計完全可以滿足設(shè)計的要求。本次設(shè)計490QB柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3200r /

46、 min，屬中高速自然吸氣柴油機(jī)， 根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計手冊中冊，進(jìn)氣平均氣流速度 W的圍為6080m/ s ,排氣平均氣 流速度W的圍為70100 m/ s，設(shè)計計算可知進(jìn)氣平均氣體流度為 Vy=72.61 m/ s，而排氣平均氣體流速 W=92.042m/ s，通過計算，氣門通路面積 的大小滿足該設(shè)計要求。2. 氣門口尺寸校核用馬赫指數(shù)法對進(jìn)氣門口尺寸進(jìn)行校核。計算進(jìn)氣口的馬赫數(shù)M :2M -C-d1mia1式中mi 進(jìn)氣平均流量系數(shù)；a1在進(jìn)氣氣門口處的聲速(m/s)；a1 = . gkRTo( m/s)g重力加速度(m/s2);k絕熱指數(shù)，k=1.40;R常溫下，氣體常數(shù)，R=287J /(

47、 kg k)；To進(jìn)氣氣門口空氣的絕熱溫度，To293K。由實驗可知，當(dāng)進(jìn)氣氣門口馬赫數(shù) M超過0.5以后，氣體的充量系數(shù)下降幅 度很大。所以，在確定進(jìn)氣口直徑確定的情況下，馬赫數(shù) M值在發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速 下不能高于0.5。發(fā)動機(jī)運(yùn)行在20003000rpm轉(zhuǎn)速時，mi可按照以前的經(jīng)驗公司進(jìn)行大體的 計算：mi42Dri1.451卑1. 45 10 0. 345ai. gkRT0、9.8 287 1.4 331.571142.63 ( m/ s )將以上數(shù)據(jù)代入求馬赫數(shù)M中，得：2DCmd1mia120. 0911. 20. 0370. 345_1142. 630. 1680. 5所以在柴油機(jī)以

48、額定轉(zhuǎn)速下，進(jìn)排氣口不會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，并且進(jìn)本沒有影 響，主要得益于本次進(jìn)排氣口取值比較。第五章 氣門彈簧的設(shè)計§5.1氣門彈簧的概述一、氣門彈簧的功用氣門彈簧的作用主要有這幾點：1當(dāng)氣門已關(guān)閉時，依靠彈簧的彈力，使氣門與氣門座緊閉封閉。2當(dāng)氣門開啟和關(guān)閉的過程中，使氣門的運(yùn)動完全跟著凸輪的運(yùn)動軌跡走。保證配氣機(jī)構(gòu)各部件都在正常接觸。.在進(jìn)氣階段，保證氣門不會被吸下去。二、彈簧的工作環(huán)境與設(shè)計要求因為在發(fā)動機(jī)工作過程中氣門需要以很高的頻率開啟關(guān)閉，所以氣門彈 簧要受很高的交變力，工作環(huán)境惡劣，需要重點設(shè)計氣門彈簧，它才能安全 可靠的長時間工作。如果工作過程中，氣門突然斷開，將會引發(fā)危

49、險的事故。 彈簧一般都偏上限設(shè)計，受到上限制約，所以要恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計彈簧的尺寸結(jié)構(gòu)。 要保證其在最大應(yīng)力圍，不會失效。彈簧受到很高的交變應(yīng)力，高的疲勞強(qiáng) 度，所以在生產(chǎn)的過程中，務(wù)必要杜絕各種材料缺陷。保證其有很高的抗疲 勞強(qiáng)度。三、確定氣門彈簧的材料首先要考慮氣門彈簧工作的條件，即較高的溫度下，反復(fù)承受交變力， 為了能讓氣門彈簧在正常使用下，穩(wěn)定，有更長的壽命，所以這種材料的機(jī) 械性能必須足夠好，還要有很強(qiáng)的抗溫度-應(yīng)力松弛的性質(zhì)。在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán) 境下，彈簧不會失效，不會出現(xiàn)彈力失效的情況。通常選取65Mn、50CrVA鋼絲或者碳素鋼絲等作為氣門彈簧的材料。在設(shè)計的490QB柴油機(jī)中，選用碳素彈

50、簧鋼絲，在較高的溫度下工作， 可靠，不變形。但是要經(jīng)過熱處理。經(jīng)過油淬火 -回火處理，機(jī)械性能更優(yōu)秀 11-13。§5.2氣門彈簧的尺寸確定一、氣門彈簧中徑D2選取在此次設(shè)計的490QB柴油機(jī)中，考慮到其高的工作強(qiáng)度，增加其工作可靠 性，采用雙彈簧設(shè)計，當(dāng)一個彈簧失效時，不至于引發(fā)事故。其中氣門彈簧的中 徑是：D2i(0. 40.7)d(0.40.7) 37(14. 825.6)mm,取D2i20mmD2e(0. 60.9 )d(0.60.9) 37(22. 233.3)mm)取D2e28mm上述式子中d為氣口的直徑。在此處，取 d=37mm二、確定彈簧的預(yù)緊力當(dāng)氣門緊閉的時候，需要

51、有足夠的預(yù)緊力保證氣門緊閉，保證很好的密封。為了便于加工，所以選擇進(jìn)、排氣門的彈簧一樣，根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計手冊中冊，彈 簧預(yù)緊力的Pi的設(shè)計公式為：P1.5di216.13(kgf)，其中di是進(jìn)氣口的直徑4接著計算氣門上的壓力P2,需要注意燃機(jī)氣門質(zhì)量的大小要與彈簧的性質(zhì)相匹配。所以根據(jù)燃機(jī)設(shè)計手冊，P1(0.40.65)P21,則氣門上受到的力為P2=2.5Pi.確定氣門彈簧時，需要留意在其位于最大形變形量時要預(yù)留一部分裕量，所以參考公式 P20； kgf )，則 P 2 5R50； kgf)三、關(guān)于外氣門彈簧的分配根據(jù)經(jīng)驗，通常情況下其外載荷的分布比例1: 2.0到1: 2.5.在本次設(shè)計中

52、，按下列載荷分配：彈簧的最大彈力P2(kgf)彈簧P2117外彈簧P2233四、確定彈簧鋼絲的直徑由柴油機(jī)設(shè)計手冊可知，計算彈簧的式子：8PDDK (kgf /mm)(5-1)d8PD3n /貢(mm)(5-2)式中P彈簧力（kgf ）；D2 彈簧中徑（mm）D彈簧鋼絲直徑（mm）n彈簧有效圈數(shù)；G彈簧材料切變模量； f彈簧變形量（mm）；斷面切應(yīng)力（kgf / mrn）；K曲度系數(shù)，這里應(yīng)該注意彈簧橫切面的切應(yīng)力分布不均勻影響的 系數(shù)。按照上面公式（1）計算彈簧的鋼絲直徑，可知彈簧材料的切應(yīng)力，則為了容易 一些計算。把公式變形為下面的公式：8. D2KCP2上式 此種材料的許用切用力（kgf

53、 / mm）。確定彈簧的直徑：選擇65Mn為彈簧的材料，按照彈簧的標(biāo)準(zhǔn)系列，先取直徑為2.22.5mm然后去 查相關(guān)資料設(shè)計手冊的13-24表，可知其抗拉強(qiáng)度 b 160（ kgf / mni）已知彈簧允許的切應(yīng)力為：160 0.348（ kgf / mH）；代入上面的公式（3），求得-KC31129.4；再根據(jù)參考資料柴油機(jī)設(shè)計手冊得知其旋繞比為C=7.2, K=1.206。根據(jù)di號得到di=2.78mm因為彈簧是標(biāo)注系列化零件，所以要把其直徑圓整一下，圓整到國家規(guī)定的系列值里：di =2.8mmo外彈簧直徑的確定：用素II作為外彈簧的材料。跟彈簧算法一樣，也是先假定一個外彈簧的直徑為3.

54、5mm，再根據(jù)設(shè)計手冊查表得知，其抗拉強(qiáng)度b 150（kgf / mrfi）；需用切應(yīng)力1500. 345（kgf / mrfi）代入上面的公式（3）后，可得到-KC31069. 1再查設(shè)計手冊，其旋繞比為C 7.4，K 1. 2 ；根據(jù)deD5得，de=3.78mm，圓整到國家標(biāo)準(zhǔn)：de=3.8mm= C根據(jù)公式nGdf28巳可求的彈簧的有效圈數(shù)，上式f2為彈簧的最大形變量：f2彈簧預(yù)緊變形量f 11 maxp1flh/ma£mm10 2050 2o6. 67( mm5.確定彈簧的有效圈數(shù)n和總?cè)?shù)ni16. 6R mm式中hvmax彈簧最大變形量f2 flhvmax6. 6710圖6-1彈簧載荷三角形彈簧材料切變模量G8200kfg / mrn彈簧：nGd4f28P2D38200 2. 8416.677. 73，取 n8圈；8 15243"in210圈GcTf282003 8416. 67外彈簧：n24.9，取 n5 圈;8RD；833283n1en27圈6.計算彈簧的高度當(dāng)氣門位于最大升程時，彈簧處于最大壓縮狀態(tài)，所以要保證相鄰兩圈之間的最小間隙不能小于0.5mm所以本次