頂置式四缸內燃機凸輪配氣機構設計及運動仿真
48頁 16000字數(shù)+論文說明書+任務書+4張CAD圖紙【詳情如下】
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任務書doc
全部圖紙dwg
凸輪軸dwg
外文翻譯--運用材料匯編對立體空間構架裝配結構的矢量層面解析doc
彈簧壓冒dwg
氣門dwg
頂置式四缸內燃機凸輪配氣機構裝配圖dwg
頂置式四缸內燃機凸輪配氣機構設計及運動仿真開題報告doc
頂置式四缸內燃機凸輪配氣機構設計及運動仿真說明書doc
內容摘要
該設計是我在學校的最后一個設計，在設計過程運用到了很多的知識，PROE的使用，凸輪的設計，軸的應力計算，氣門頂桿的設計，以及對整體裝配的理解，尤其是運動仿真那一塊，是我的薄弱環(huán)節(jié)，同時在設計過程中，由于很多的事情耽擱了，造成了后期時間緊，同時工作量巨大的結果，這是自己的一個不足。對于知識的利用與融會貫通，基礎知識不扎實，在設計過程中體現(xiàn)了出來，不過通過同學，老師的幫助，終于是克服了種種困難，使圖形得以完成。
工作大致內容：任務書，開題報告，翻譯，模型設計，計算說明以及最后的運動仿真。
運用到的知識非常之多，PROE由于之前不怎么熟悉，所以剛接手的時候非常迷茫，后來通過同學，老師的指導，使自己熟悉了怎么運用，同時對于四沖程機構有了進一步的了解。
通過這次設計，發(fā)現(xiàn)了自己很多的不足，在不足中得以成長，同時也認識到應該合理分配時間，分清什么重要的事先做，做事得有調理。
關于配氣機構在生活中的應用，非常廣泛，在現(xiàn)代社會中越來越多的人開車，對于車子的安全性能進一步加強，因此配氣機構的合理性以及科學性更是重中之重。
目錄
概述
1配氣機構的功用 ……………………………………………… …………………3
2配氣機構的設計要求 ………………………………………… ……………… 4
3配氣機構計算參數(shù)的確定 ………………………………………… …………… 5
1凸輪軸的設計：
1凸輪軸的設計要求 …………………………………………………………………6
2凸輪軸的選材 ………………… …………………………………………………… 7
3凸輪軸的結構 ……………………………… ………………………………………… 8
4凸輪軸的支承軸頸軸承的材料 …………………… 9
5凸輪軸的定位方式 ………………………………………………………………… 10
6凸輪軸的最小尺寸定位方式 11
7凸輪軸的熱處理 11
8凸輪軸的磨損形式 12
9凸輪軸的計算13
10凸輪軸強度校核計算14
2氣門組的設計
21氣門的設計 ………………………………… …………………… ……… 18
211氣門設計的基本要求 20
212氣門的工作條件分析 22
213氣門材料的選擇 23
214氣門頭的設計 24
215氣門桿的設計 25
22氣門旋轉機構的設計 ………………… …………………………………………26
23氣門座圈的設計 ………………………………………………………………26
24氣門導管的設計 ………………………………………………………………28
25氣門的主要損壞形式和預防措 ………………………………………………29
3氣門彈簧的設計
31氣門彈簧的設計要求 ……………………………………………………………30
32氣門彈簧的作用 ………………………………………………………………………31
33氣門彈簧的工作條件 ……………………………………………………………31
34氣門彈簧的結構 ………………………………………………………………31
35氣門彈簧的選材 …………………………………………………………31
36氣門彈簧特性曲線與氣門慣性力曲線的配合 ……………………32
37氣門彈簧的有關計算 ………………………………………………33
371彈簧的最大彈力 33
372彈簧最小的彈力 34
373彈簧的剛度 34
374彈簧變形 34
375內、外彈簧之間的負荷分配 35
376內外彈簧的剛度 35
377彈簧的尺寸 36
378提高氣門彈簧疲勞強度的措施 …… … ……… …………… …37
4凸輪軸配氣機構建模設計………………………………………………………… 37
41工作裝置零件建模 ………………………………………………………… ………38
42氣門的建模 ………………… ………………………………………………… … 38
43彈簧壓帽的生成 ……………………………… ……………………………………… 40
44箱體的生成 …………… ……… ……… ……………… 42
45裝配部件的裝配生成 ……………………………………………………………… 43
5凸輪軸配氣機構仿真設計………………………………………………………… 44
51概述 ………………………………………………………… ………… ……………45
52凸輪配氣結構的機械運動仿真 ………………… …………………… … 46
6參考文獻 ……………………………………………………………………………………47
7致謝 ………………………………………… …48
頂置式四缸凸輪配氣機構的設計
概述
1、配氣機構的作用：它是完成換氣過程，根據發(fā)動機氣缸的工作循環(huán)次序，定時地開啟和關閉進、排氣門，不斷地用新鮮的氣體來交換氣缸內上一循環(huán)的的廢氣。氣門的布置型式方式有頂置式和側置式，如圖1-1所示：
2、配氣機構的要求：
對于一個正常工作的配氣機構具有如下的要求：
① 振動、噪聲較小，且工作可靠和耐磨。
② 進、排氣門的時間充足，泵氣損失小，配氣正時恰當，在排氣過程中能較好的排出廢氣，進氣過程中能吸入較多的新鮮空氣，因而使發(fā)動機具有較高的充量系數(shù)和合適的扭矩特性。
③ 結構簡單、緊湊。
④ 為了減輕慣性負荷，使配氣機構運動零件的質量減到最小。
3、配氣機構設計的計算參數(shù)確定：
從確定氣門座處的通過截面 以及確定喉口流通截面 開始。氣閥處的流通截面積根據氣體不可壓縮連續(xù)流動的條件確定，也即在額定轉速I情況，氣門最大升程時，按氣門座截面處假設的平均速度來確定。
已知：氣缸直徑D=95，
氣道喉口的最大直徑D，配氣機構的結構方案以及燃燒是的形式都已給定的情況下，氣門布置在氣缸上可能性的限制。進氣門 的數(shù)值應大于下列規(guī)定的范圍：
采用氣門頂置式： ， 則可以得到： ， 根據柴油機的195B的結構，選擇 =36mm,
排氣門的氣道喉口的直徑，通常取得比進氣門的氣道喉口直徑小10%~~20%，氣閥升程h時，具有圓錐密封面之氣門的流通截面為：
式中a—氣門頭斜面角（現(xiàn)代發(fā)動機上，a=45度); 氣門的升程，取值一般是氣門頭的25%左右，氣門頭的直徑是40mm，
則： =10mm
∴喉口的直徑經校核取值正確。
1凸輪軸的設計
凸輪軸的布置型式：
1、下置：凸輪軸正時齒輪直接與曲軸正時齒輪嚙合。
2、中置：推桿短，要加入中間傳動裝置。
3、上置：凸輪軸通過搖臂或直接來驅動氣門，要用惰輪、皮帶、鏈條，及張緊裝置。結構復雜，用于高速強化的轎車發(fā)動機。Step2系統(tǒng)彈出如圖所示“測量結果”對話框，在該對話框中進行下列操作。
（1） 選取圖形類型：單擊“圖形類型”區(qū)域中的 ，從彈出的下拉列表中選擇“測量與時間”。
（2） 創(chuàng)建一個測量：單擊創(chuàng)建測量圖標 ，系統(tǒng)彈出如圖5214所示的“測量定義”對話框，在該對話框中進行下列操作。
a 鍵入測量名字：在該對話框中的名字文本框中鍵入測量名字“舉升臂連接軸速度與時間關系”。
b 選擇測量類型：單擊“類型”區(qū)域中的 ，從彈出的下拉列表中選擇“速度”。
c 選取測量點：選取模型中的凸輪軸。
d 選取評估方法：單擊“評估方法”區(qū)域中的 ，從彈出的下拉列表中選擇“每一時間步距”。
e 單擊“確定”按鈕系統(tǒng)立即將新建測量添加到如圖8213
f 所示的“測量結果”對話框中。仿真效果如圖8214所示：
6參 考 文 獻
專著：
【1】付白學馬彪藩旭峰現(xiàn)代汽車電子技術，20083
【2】史紹熙柴油機設計手冊北京：中國農業(yè)機械出版社，1984
【3】UTOCAD 2004簡明教程，科學出版社。2004
【4】建新內燃機理論與設計北京：人民交通出版社，2009
【5】 李澄，吳天生，聞百橋機械制圖北京：高等教育出版社，2003
【6】孝達金屬工藝學 北京：高等教育出版社，1997
【7】華大年，華志宏，呂靜平連桿機構設計上海：上海科技技術出版社，1995
【8】吳宗澤機械零件設計手冊北京：機械工業(yè)出版社，2003
【9】http://wwwqutoedcation/com/carcare/intro/htm
7致 謝
本論文的能夠順利的完成，灌注了齊導師誨人不倦的關懷、指導和教誨，他嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神。從課題的選擇到項目的最終完成，齊從謙老師給我細心的指導和不懈的支持。
在設計過程中，這個也是我在校期間最后的一個設計，感謝所有幫助過我，并且和我一起努力，克服一個個難題，相信在今后的道路中，我們也能一直像現(xiàn)在這樣面對困難。
同時也由于自身原因，在設計過程中，經常由于工作而耽誤，導致了無法如期完成設計，但是在導師的幫助下，我也盡自己最大的努力將這個設計完成，這其中傾注了導師太多太多的精力。最后，由衷地向所有在校園曾經關心和幫助過我老師和同學表示最誠摯的謝意！
畢 業(yè) 設 計（論 文） 頂置式四缸內燃機凸輪配氣機構設計 及運動仿真 nd 部 機械系 專業(yè)班級 機械設計及其自動化 學生姓名 學 號 指導教師 完 成 日 期 2012 年 3 月 內容摘要 該設計是我在學校的最后一個設計，在設計過程運用到了很多的知識， 使用，凸輪的設計，軸的應力計算，氣門頂桿的設計，以及對整體裝配的理解，尤其是運動仿真那一塊，是我的薄弱環(huán)節(jié)，同時在設計過程中，由于很多的事情耽擱了，造成了后期時間緊，同時工作量巨大的結果，這是自己的一個不足。對于知識的利用與融會貫通，基礎知識不扎實，在設計過程中體現(xiàn)了出來，不過通過同學，老師的幫助，終于是克服了種種困難，使圖形得以完成。 工作大致內容：任務書，開題報告，翻譯，模型設計， 計算說明以及最后的運動仿真。 運用到的知識非常之多， 于之前不怎么熟悉，所以剛接手的時候非常迷茫，后來通過同學，老師的指導，使自己熟悉了怎么運用，同時對于四沖程機構有了進一步的了解。 通過這次設計，發(fā)現(xiàn)了自己很多的不足，在不足中得以成長，同時也認識到應該合理分配時間，分清什么重要的事先做，做事得有調理。 關于配氣機構在生活中的應用，非常廣泛，在現(xiàn)代社會中越來越多的人開車，對于車子的安全性能進一步加強，因此配氣機構的合理性以及科學性更是重中之重。 目錄 概 述 ……………………………………………… …… ............……… .… .… 3 ………………………………………… . .……… ........……… . 4 ……………………………… .………… ………… ...… . 5 1 凸輪軸的設計要求 …………………………...……………………………… ...……...… 6 2 凸輪軸的選材 ………………… ……………..……………………………… …… ...…... 7 3 凸輪軸的結構 ……………………………… ………………………….. .....……………… 8 4 凸輪軸的支承軸頸軸承的材料 .. ..........................……… ..............………… ..… 9 5 凸輪軸的定位方式 ……………………………………… ..…… ....…………………… 凸輪軸的最小尺寸定位方式 ................................................................................... 11 7 凸輪軸的熱處理 . ................................................................................................................... 凸輪軸的磨損形式 . .............................................................................................................. 12 9 凸輪軸的計算 ..........................................................................................................................0 凸輪軸強度校核計算 ............................................................................................................ 氣門組的設計 門的設計 ………………………………… …………………… .............. .....……… 18 門設計的基本要求 ................................................................................................ 氣門的工作條 件分析 ................................................................................................ 氣門材料的選擇 .......................................................................................................... 氣門頭的設計 ................................................................................................................. 24 門桿的設計 ................................................................................................................門旋轉機 構的設計 ………………… ……………………… .....………………… 26 門座圈的設計 ……………………………………………………… ................……… 26 門導管的設計 ………………………………………………… ................…………… 28 門的主要損壞形式和預防措 ……………………………………………… 29 3 氣門彈簧的設計 門彈簧的設計要求 …………………………………………… ........……………… 30 門彈簧的作用 ……………………………………………………………… ......……… 31 門彈簧的工作條件 ……………………………………………………… .........…… 31 門彈簧的結構 …………………………………………………… ......… ..…… .......… 31 門彈簧的選材 ……………………………………………… .................…… ..… .......… 31 門彈簧特性曲線與氣門慣性力曲線的配合 ……… ..…… .… ....…… 32 門彈簧的有關計算 …………………………………… ..…… ........................…… 33 簧的最大彈力 . ................................................................................................... 彈簧最小的彈力 . ...................................................................................................彈簧的剛度 .............................................................................................................. 彈簧變形 ..................................................................................................................... 內、外彈簧之間的負荷分配 . .......................................................................... 內外彈簧的剛度 .................................................................................................. 彈簧的尺寸 ............................................................................................................. 提高氣門彈簧疲勞強度的措施 .. ......…… … ……… …………… … 37 氣機構建模設計 … ……………………………………………………… ....... .作裝置零件建模 …………………………...……………………………… . ..……..… 38 門的建模 ………………… ……………..…………………………………… ...…... 38 簧壓帽的生成 ……………………………… ……………………….. .....……………… 40 體的生成 .. ..........................……… .…… ……… ……… … .............………… ..… 42 配部件的裝配生成 ……………………………………… ..…… ..………………… 氣機構仿真設計 ………………………………………………………… ....述 …………………………...……………………………… . ..………… . ..………… .…. 45 輪配氣結構的機械運動仿真 ………………… ……………..……… ...…... 46 …………………………………………… ……………………………………… .......... 致謝 ……………………………… ...................................................................................………… … 48 頂置式四缸凸輪配氣機構的設計 概述 1、 配氣機構的作用：它是完成換氣過程，根據發(fā)動機氣缸的工作循環(huán)次序，定時地開啟和關閉進、排氣門，不斷地用新鮮的氣體來交換氣缸內上一循環(huán)的的廢氣 。氣門的布置型式方式有頂置式和側置式，如圖 1 圖 1門的布置型式方式 2、配氣機構的要求： 對于一個正常工作的配氣機構具有如下的要求： ① 振動、噪聲較小，且工作可靠和耐磨。 ② 進、排氣門的時間充足，泵氣損失小，配氣正時恰當，在排氣過程中能較好的排出廢氣，進氣過程中能吸入較多的新鮮空氣，因而使發(fā)動機具有較高的充量系數(shù)和合適的扭矩特性。 ③ 結構簡單、緊湊。 ④ 為了減輕慣性負荷，使配氣機構運動零件的質量減到最小。 3、 配氣機構設計的 計算參數(shù)確定： 從確定氣門座處的通過截面 及確定喉口流通截面 始。氣閥處的流通截面積根據氣體不可壓縮連續(xù)流動的條件確定，也即在額定轉速 門最大升程時，按氣門座截面處假 設的平均速度來確定。 已知：氣缸直徑 D=95， 氣道喉口的最大直徑 D，配氣機構的結構方案以及燃燒是的形式都已給定的情況下，氣門布置在氣缸上可能性的限制。進氣門 數(shù)值應大于下列規(guī)定的范圍： 采用氣門頂置式： Dd r ， 則可以得到：)dr 根據柴油機的 195擇 36排氣門的氣道喉口的直徑，通常取得比進氣門的氣道喉口直徑小 10%~~20%，氣閥升程 有圓錐密封面之氣門的流通截面為： ? ?nF k n 2c i nc ?? ? 式中 a— 氣門頭斜面角（現(xiàn)代發(fā)動機上， a=45度 ); 門的升程，取值一般是氣門頭的 25%左右，氣 門頭的直徑是 則： 10以 : ? ?nF k n 2c i nc ?? ? =10π（ 35*0*=865 行校核： ∵ .2)038) 取 1000口的直徑為： 143 ./4 =36喉口的直徑經校核取值正確。 凸輪軸的布置型式： 1、 下置：凸輪軸正時齒輪直接與曲軸正時齒輪嚙合。 2、 中置：推桿短，要加入中間傳動裝 置。 3、 上置：凸輪軸通過搖臂或直接來驅動氣門，要用惰輪、皮帶、鏈條，及張緊裝置。結構復雜，用于高速強化的轎車發(fā)動機。 1、 凸輪軸設計的要求： 1） 從柴油機的總體布局來設計凸輪的允許彎曲變形，合理的計算出支撐它的軸頸數(shù)目，軸頸的直徑、和凸輪軸的最小直徑尺寸。 2）選擇合理的材料和熱處理工藝，使它不僅有足夠的剛度與韌性，而且要使凸輪和支撐軸的表面有合理的硬度，具有較好的耐磨性。 3）正確的設計進排氣凸輪的位置，實現(xiàn)配氣正時，使柴油機正確的按照一定規(guī)律運轉。 2、 凸輪軸的 結構： 195B 柴油機是小功率柴油機，它的結構較緊湊，這種結構都是將凸輪軸從機體一端插入的，所以將它的兩個支撐軸頸加工的尺寸大小是不同，前端的支撐軸頸尺寸大，后端的小些，而且前端軸頸的尺寸必須大于凸輪軸的高度，這樣便于安裝。軸頸上安裝滑動軸承。 3、 凸輪軸的選材： 因為凸輪軸要承受一定的機械強度，必須要有足夠的強度和韌性，同時還應具有一定的耐磨性，才能讓發(fā)動機在正常的工況下工作，選擇碳鋼，一般選擇 45鋼就可以滿足要求了。 4、 凸輪軸的支承軸頸軸承的材料： 195得知，采用鐵基粉末冶金，它的型號： 195— 01018 內徑 外徑 寬度 前端 40 47 27 后端 28 35 26 5、 凸輪軸的定位方式： 定位的原因 :由于汽車的上下坡和在加速的過程中，都可能使凸輪軸發(fā)生軸向的竄動。為了防止由此引起的對配氣定時的不良影響，需要采用軸向定位措施。對于 195 6、 凸輪軸的最小直徑確定： 凸輪軸的最小尺寸可以按照下面的公式： （ 2~4）（ 上式中的 ，由表可知： b=2（ 2~4） =（ 2~4） =（ 25~27） 當轉速較高時，支承軸頸間距離較大、凸輪上受力較大時取上限值。 凸輪軸支承軸頸與軸承孔德徑向間隙一般在 圍內，圖 6 圖 6凸輪軸 8、凸輪軸的損壞形式： （ 1） 支承軸頸的磨損。 （ 2）凸輪表面的磨損、刮傷和點蝕 。 9、凸輪軸的熱處理 工藝： a 滲氮； b 滲碳； c 機械加工； d 機械加工； f 高頻淬火（回火）； 10、凸輪軸的計算： 根據氣門彈簧和配氣的計算：配氣機構運動零件的質量 15g， 5g ，凸輪尺寸 38 搖臂尺寸： 6 L=32 凸輪軸的角速度ω =115s 彈 簧的最小彈力是 P=239牛頓，進氣么的喉口直徑 d=36 從排氣門作用到凸輪上的最大的力為： 2（ " ]r+ =[239+4x（ x 610 2+374x 215 x（ 138— x 610? =2539 牛頓 注： 式中的6 2進氣門直徑 帕，是由指示功圖而確定 '0p=帕 ） x（ 2) +99=374g 'nm=2120x 246 /3x 232 =81g 凸輪軸的彎曲量： Y=032(*95*10*6* 445224422m a x ??? =中 E=510 兆帕 —— 鋼彈性模量 ; L=a+b=26+70=96 根據結構總體布置來?。? 22 0 ???? 0?? —— 軸的外徑，則選取時要考慮利用軸的外徑向凸輪供給潤滑油和保持軸具有足夠的剛度。 擠壓應力： ? ?1m a x /4 1 8.0 ? = ?0 5 7 0* 0 2 4 1 =255兆帕 式中 ： 5凸輪的寬度 結合凸輪軸的計算數(shù)據，作出如下的軸的彎矩扭矩圖 根據凸輪軸可知其危險截面為軸承一所在支點處截面，根據軸的具體受載及應力情況，可知該凸輪軸為傳動軸，主要承受扭矩。則按扭矩強度條件計算?？紤]還受有不大的彎矩，則用降低許用扭矩切應力的方法予以考慮 軸的扭矩強度條件為： ? ?? ??? 5 0 0 0 0 式中： T? — 扭轉切應力，單位為 Ｔ — 軸所受的扭矩，單位為 ； 軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 n — 軸的轉速，單位為 r/ Ｐ — 軸傳遞的功率，單位為ＫＷ； d— 計算截面處軸的直徑，單位為 ?T? — 許用扭轉切應力，單位為? ?T? 值為２５－４５ 而通過對軸的計算， ＝ ? ? ?T? ,故軸的扭轉條件符合要求。 進行校核時，通常只校核凸輪軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面）的強度，由此軸的彎扭圖可知，其危險截面為軸承一所在支點處截面，根據機械設計書中式（ 15 及上表中的數(shù)值，并取 ，軸的計算應力 22() ?? ＝ 2231 8 1 7 0 0 ( 0 . 3 1 9 2 0 0 0 )0 . 1 6 5???7?0? 以選定的軸的材料是４５號鋼，調制處理。由表 15得 ? ?1??＝ 60 安全。 凸輪軸的扭轉變形用每米長的扭轉角 ? 來表示 ? ＝4115 . 7 3 1 0 I??? ??? ?式中：Ｔ — 軸所受的扭矩，單位為 N Ｇ — 軸的材料的剪切彈性模量，單位為 對于鋼材，Ｇ＝ 軸截面的極慣性矩，單位為 對于圓軸， Ｌ — 階梯軸受扭轉作用的長度，單位為 m. ??? , — 分別代表階梯軸第 ? 段上所受的扭矩、長度和極慣性矩，單位同前 Ｚ — 階梯軸受扭轉作用的軸段數(shù) 綜合上式計算出 ； ??? 為軸每米長的允許扭轉角，與軸的使用均合有關，對于一般的傳動軸，可取 ??? ＝ m/)(? ；對于精密傳動軸可取 ??? ＝? ? m/? 。對于精度要求不高的軸， ??? 可大于 m/)(1 ? 。顯然對于本設計中所涉及的軸為一般的傳動軸， ?? ??? ，符合扭轉剛度要求。 綜上所述，設計的軸滿足工作要求。 2、 氣門的設計 ： 1、 氣門設計的基本要求 ： ① 材料方面 ： 氣門的工作溫度是決定氣門材料的主要因素。在氣門工作溫度范圍內材料應具有足夠的強度，韌性以及表面硬度。由于排氣門錐面磨損通常為腐蝕磨損，因此在選擇材料時候必須考慮化學腐蝕（主要是硫和磷）的性能。進氣門錐面多屬磨損摩擦，因此進氣門側重于耐磨。 ② 機構方面 要求結構簡單、便于加工，且頸部形狀也要恰當，以便減少氣體的流動阻力，增加其進氣沖量。在保證足夠的強度、剛度和耐磨性的前提下的重量選擇。 ③ 盡可能的降低熱負荷，是氣門設計的一個重要方面 。排氣門是氣門組中 的高溫零件， 25%的熱量經氣門導管導出，氣門頭部 75%左右的熱量經氣門座導出，因此，氣門的設計應與氣缸蓋的設計 密切配合，氣門座周圍必須加強冷劑，并使溫度盡量均勻。 ④ 氣門室配氣機構從凸輪開始的整個運動鏈中的末端零件 。它的運動受到凸輪廓線、挺柱、氣門彈簧等零件特性的制約，因此氣門的設計還必須從整個配氣結構來考慮分析，要避免氣門在落座時承受過大的沖擊和振動，因為在這些機械負荷也是造成氣門及氣門座磨損的原因之一。 2、 氣門的工作條件分析 ： 氣門室發(fā)動機的重要零件之一。工作時需要承受較高的機械負荷和熱負荷，尤其是排氣門，由于經常高溫燃氣的沖刷，因而易于產生漏氣。腐蝕與燒損等現(xiàn)象，工作條件也更為嚴酷。氣門工作時 承受落座沖擊負荷及燃氣壓力給以的靜負荷，這種靜負荷一般在 4 2/ 右，而沖擊負荷一般為 ；氣門的工作溫度：進氣門約為 200~450 度，而排氣門則可達 650~850 度，甚至更高，下面是 195 B 柴油機的排氣門的溫度場。 3、 氣門材料的選擇 ： 氣門材料的選擇必須考利到它的工作溫度、腐蝕、沖擊載荷以及氣門桿部與端面的耐磨等因素。 而且進、排氣門的對材料的要求也是不同。因為進氣門的溫度要低一些，排氣門的溫度要高些。就 195B 發(fā)動機的選材：進氣門的材料用 40氣門的材料用 40 氣門選擇材料的方法：（ 1）奧氏體鋼 這類鋼在常溫和工作溫度下基本上全是奧氏體組織，不能淬硬。它的高溫強度好，耐腐蝕性好、奧氏體鋼用做高功率柴油機的排氣門，其最高工作溫度允許達 870 國產奧氏體鋼4泛用作機車和大型載重汽車的柴油機排氣 門。 （ 2） 馬氏體鋼 一般氣門中采用鐵素體合金鋼，氣碳含量在 間，經淬火后可得到馬氏體組織以上耐磨的要求，這種材料的機械性能加工性好，滑動性好，在工作溫度超過 650 排氣門上廣泛應用，如 44。但在強化程度較高的發(fā)動機上，由于熱負荷和機械負荷高，因而對氣門錐面的耐磨、耐腐蝕性能提出更高的要求，這時，可采用堆焊氣門，這是一種頭部采用奧氏體鋼，桿部采用馬氏體鋼的氣門?？捎媚Σ?焊或閃光焊來堆焊。堆焊氣門設計的關鍵是正確地焊接部位。應該從以下兩個方面來考慮： 1）耐熱性較差的桿部材料不要受到高溫燃氣的侵蝕；焊接的部位以選在氣門全開時界面與導管下端相齊或略高為宜； 2）界面處應在氣門頭部應力區(qū)之外并離頸部頂圓弧中點附近的熱點較遠。 國產常用氣門鋼的化學成分以及機械性能見下表： 當氣門錐面僅耐磨蝕及耐磨性不能滿足需要時可采用堆焊。堆焊錢先把氣門錐面加工出半圓形環(huán)槽，槽的深度由實驗選定，注意不要過分削弱氣門本體強度，然后再堆焊金屬焊上。焊接方法有手工焊、等離子焊高頻冷凝焊等。為了使奧氏體鋼氣門桿端面耐磨也可采用堆焊或焊上一小段馬氏體鋼。用作柴油機排氣門和增壓柴油機進氣門堆焊的材料，目前多數(shù)是鉆基硬質合金，其材料成分： 4、 氣門頭的設計 ： （ 1）氣門頭部的形狀： 氣 門頭部的形狀除了影響氣體的流通特性之外，還會影響到氣門的剛度、重量、導熱性能以及制造成本等，同時也關系到氣門的使用期限。因此根據不同發(fā)動機的不同情況進行具體的分析，然后確定合理的方法。根據 195B 柴油發(fā)動機的結構采用平底型氣門。因為這種氣門的結構簡單、工藝性好、受熱面小，具有一定的剛度，基本上式滿足進排去的要求。這種型號在各類柴油機得到了廣泛的運用。下圖是平底型氣門的示意圖： （ 2） 氣門錐面斜角： 在氣門開啟初期及接近關閉時，氣門錐面斜角 ? 的大小對于氣體的流通斷面有較大的影響。這時的流通斷面大致與斜角 ? 的余弦成正比。此外，氣門與氣門座之間的單位壓力隨斜角的增加而增大，而氣門與氣門座之間的相對滑移則隨斜角的減小人減小，因此氣門 ? 的確定必須根據發(fā)動機的綜合情況而定，對于 195Ｂ柴油發(fā)動機的氣門斜角都是４５度。 （ 3）氣門頭部的直徑： 增大進、排氣流通截面是減少進、排氣阻力，提高進氣量的途徑，同時氣門頭部直徑的選擇還要考慮到燃燒室的形狀，氣缸蓋進、排氣門的布置，氣道之間冷卻水套的設計以及氣門受熱和冷卻的均勻性等因素。綜上的條件 195氣門的直徑 42和 36 （４）氣門頭部厚度及錐面寬度： 氣門頭部厚度Ｔ的設計，主要是從氣門的剛度來考慮，氣門在燃燒壓力的作用下會引起變形，變形過大會使氣門的密封性下降，錐面磨損加劇。由于頭部厚度Ｔ對氣門的剛度影響比頸部圓?。乙蟮枚?，因此當需要增加氣門剛度時首先考慮增加 頭部的厚度。如果還受到氣門質量的限制，則常用適當減小頸部圓弧半徑來得到彌補。厚度Ｔ與氣門頭部的外徑有一定的比例，一般 （０．１０～０．１２）＊３６＝（３．６～４．３２）ｍｍ —— 排氣門； Ｔ＝（０．１０～０．１２）Ｄ （Ｄ是氣門頭部的直徑） １９５Ｂ柴油機的頭部厚度：（０１．０～０．１２）＊４６＝４．２～５．０４） —— 進氣門； 氣門錐面的寬度ｂ與厚度Ｔ有關，一般ｂ＝（０． 9～１． 。當 ? ＝４５度時，ｂ＝（０．９～１ ．５）Ｔ 對于１９５ Ｂ柴油機的氣門錐面寬度 b=（ * —— 進氣門（上式中 T 取 b=（ *4=(.2) 排氣門（上式中 注意事項：并不是所有的 正起到密封的是一條位于寬度封帶的寬度 門的大部分熱量是通過這條密封帶傳出去的，密封帶較寬則傳熱的效果就較好，氣門的工作溫度就較低，但氣門的密封性就較差。反之，密封帶太窄，雖然密封性較好，但散熱不良，且接觸壓力較 大，會加速氣門的磨損，因此需綜合這兩個方面的因素來選取氣門密封帶的寬度，其寬度一般取 195過查表是 5、 氣門桿的設計 ： （ 1）氣門桿的結構： 氣門桿通常是做成實心的，但為了減輕質量，對于高速發(fā)動機，它的溫度很高，將氣門桿做成空心，并在排氣門桿內充油金屬鈉進行冷卻以降低熱負荷，于 195B 柴油機為了考慮到它的成本問題，于是就直接將它設計成實心氣門桿。 （ 2）氣門桿長度 L: 氣門桿長度決定于氣缸蓋和氣門彈簧的設計，一般總希望 短些，以便降低發(fā)動機的總高度，減小氣門的質量，通常 L=（ D， D 是氣門的頭部直徑。195B 柴油機的 L=（ *42=（ 105~147） 3） 氣門桿頸：氣門桿頸的選擇決定也排氣所需的耐久性，增加桿頸有利于氣門的熱量逸散。桿頸的選擇還決定于它在導管中運動時側向力的大小。氣門通過凸輪挺柱和搖臂來驅動時，桿部受到的側向力就比較小。氣門桿頸加大會引起質量的增加，工作時的慣性力增加，落座時沖擊負荷增加的一系列問題。根據經驗公式，氣門桿頸可取頭部外徑的（ 16~25） %?？紤]到加工和維修的方便，一 般進排氣門桿頸取相等。 195B 柴油機的氣門桿直頸：（ 16~25） % *42=（ （ 4）氣門桿表面的熱處理工藝： 要經過淬火處理，要求的硬度不小于 能滿足其工作的條件。 （ 5）氣門桿與彈簧的鎖緊： 為了防止氣門彈簧和氣門鎖夾斷裂時氣門落入氣缸從而引起嚴重的事故，可以在鎖夾槽的下部增一凹槽，然后嵌入彈簧圈，凹槽的位置應能保證氣門的下落量只比氣門最大升程大 1~2可以。如下圖 195 B 柴油機的鎖緊的組合圖 : 1— 氣門 2— 鎖夾 3— 彈簧座 4— 氣門彈簧 二、 氣門旋轉機構的設計 ： （ 1） 氣門旋轉機構的作用： 讓氣門在工作過程中產生均勻、緩慢的旋轉運動，使氣門溫度均勻也可將錐面及氣門桿上的積碳檫掉，以改善氣門桿的潤滑條件，從而改善氣門座及導管的導熱性。 （ 2） 氣門旋轉機構的形式： 有兩種結構形式：，一、強制式旋轉機構 二、松開式旋轉機構強制式旋轉機構。 195B 型柴油機采用的是下置強制式旋轉機構。如圖 : 它在工作時氣門的旋轉時通過蓋盤、氣門 彈簧、彈簧上座和鎖夾來傳遞的。 （ 3）注意事項： 旋轉機構的轉速除了取決于結構因素外，還受到蝶形彈簧特性的影響，一般的講，蝶形彈簧剛度增大則轉速下降，反之，轉速增加。在其他氣門啟閉時間不要旋轉，否則會加劇氣門錐面的磨損。 三、 氣門座圈的設計 ： （ 1） 氣門座圈的作用 : 以一般材料鑄造的汽缸蓋，當氣門座不能滿足耐沖擊、耐腐蝕和熱硬度時，為延長氣門和氣門座的使用期限，就需要采用氣門座。 （ 2）氣門材料：氣門溫度工作溫度一般在 200~300 度之間，對座圈材料的要求為：熱膨脹系數(shù)與氣缸蓋材料接近，在工作溫度下有一定的強度、硬度和耐蝕性，并有較好的導熱性和切削性能。常用的座圈材料為合金鑄鐵，球墨鑄鐵 2。氣門座圈的材料與硬度必須與氣門錐面的硬度相適應。對與 195B 氣門的材料選擇為 2。 （ 3）氣門座圈的結構：氣門座圈是一個金屬環(huán)狀，它是通過壓入氣缸蓋的，在現(xiàn)代的柴油機的進、排氣門口一般都壓入座圈，這樣既可延長氣門和氣門座的使用期限，又便于維修，但也增加了制造成本，特別是影響了排氣門熱量的傳出，從而使排氣門溫度增高，實驗表明，排氣門裝有座圈時，氣門 溫度可能增高40~65 于 195 B 柴油機的氣門座圈也是通過壓入的方法將它給壓入氣缸蓋的。 （ 4）氣門座圈變形的原因：發(fā)動機工作時由于氣門壓力與熱負荷引起氣門座圈的瞬時扭矩變形，該變形會引起氣門的密封和導熱，使氣門溫度升高，并在氣門頸部產生彎曲應力。 （ 5）氣門座圈的過盈配合注意事項：氣門座圈必須與氣缸蓋配合良好，不允許出現(xiàn)松動、脫落現(xiàn)象，因此要合理與慎重的匹配的材料以及它們之間配合公差、應該指出的是，如果增大過 盈量的方法來阻止座圈的脫落時不合適的。因為過盈過大會使座圈的壓縮應力過高，如超過材料的彈性極限，則出現(xiàn)塑性變形，座圈反而會脫落。正確的過盈量見表： 序號 氣門座圈外徑（ 過盈量（ 1 25~60 50~75 75~100 6）氣門座圈高度 h 與壁厚 V 的設計：H=（ 8~15） % ） =（ %*D=（ *40=（ ） 式中 D 是氣門座圈的內徑； （ 7）氣門斜角： 氣門座圈的斜角常設計的比氣門斜角大（ ） 0 c，這樣可使氣門和氣門座的外邊緣在理論上形成先接觸提高其的密封壓力，從而使壓力更均勻地分布。195B 柴油機的 斜角同樣也是按照此公式計算的。但是值得注意的，千萬不能是氣門斜角大于座圈斜角，如果那樣的話，在氣門落座時使形成噴口，使氣流以很高速度流出，從而加速錐面的燒損和侵蝕。 四、 氣門導管的設計 ： （ 1）氣門導管工作的條件：氣門桿工作時在導管中滑動，使導管承受側向壓力，并且氣門的部分熱量也從導管散除。導管與氣門這對摩擦副由于靠近氣門頭部，所以溫度較高，潤滑油易結碳，但供給摩擦副的潤滑油又不能過多，以免流入燃燒室中，因此，要求導管在潤滑條件較差的情況下能耐磨。 （ 2）氣門導管的材料：氣門導管與氣門桿的匹配應 有較好的滑動性，即使在潤滑條件較差的情況下頁要可靠地工作。今年來廣泛采用鐵基粉末冶金來制造導管，它的特點具有磨損笑，工藝性好，造價低的優(yōu)點。 195B 柴油機就是用的這種材料。 （ 3）氣門導管外形及結構：導管的外表面一般都設計成光滑的圓柱形，沒有任何臺階，以便無心磨床加工制造。導管的長度，取決于氣缸蓋的布置，只要條件允許，應盡可能的長些，最好不要小于氣門桿直徑的 6 倍，以減小氣門對導管的側壓力，并有利于氣門的導向和散熱。氣門導管的受熱端盡量靠近氣門頭并創(chuàng)造良好的冷卻條件，這對于降低排氣門的溫度是有利的，為此 可以在排氣道內鑄一平臺，并使冷卻水道盡量靠近凸臺，但這個凸臺絕不能與氣門頭過盈或者鑄的太大，以致有礙于氣體的排出。如圖： （ 4） 氣門桿與導管的配合間隙：氣門導管與氣門桿的配合間隙應認真選擇，間隙過大則散熱不良，同時氣門在導管中容易擺動、沖擊，使其和氣門座磨損不均勻而漏氣、漏油，這種滲漏甚至使氣門頭燒損。間隙過小對氣門座偏心的補償能力下降，還會因氣門桿受熱而卡在氣門導管中。進、排氣門工作的條件不同，所以各自的間隙也是不同，一般進氣門取進氣門桿的 氣門取排氣門桿直徑的 。對與 195B 柴油機的間隙： 10*（ =（ 氣門表面的強化處理： 1、滾壓 2、滲鋁 3、鍍鉻 4、氮化 5、表面淬火 。 （ 5） 導管外徑與氣缸蓋導管孔的間隙選擇：。 五、 氣門的主要損壞形式和預防措施 （一） 排氣門的燒損 一、 排氣門的燒損的原因： ① 燃燒殘渣沉積在錐面，不能自行排出，使氣門與氣門座之間的導熱性變壞，造成錐面局部溫度升高，促使氣門材料燒損。 ② 材料的高溫耐蝕性不夠 ③ 氣門座由于熱應力 或裝配不當產生扭曲，在高溫和氣體壓力作用下氣門頭部變形，因而造成氣門漏氣。 二、預防的措施： ① 在氣門錐面堆焊基合金。 ② 適當?shù)脑黾託忾T頭部厚度，借以減少氣門在工作時的變形和在頭部邊緣的熱積蓄。 ③ 改善冷卻水道的布置，適當?shù)脑黾託忾T座圈的接觸高度，以利充分散熱，降低氣門的工作溫度。 ④ 采用氣門選裝機構。 ⑤ 選擇在高溫下耐腐蝕性好的材料。應考慮柴油中含硫、重油中含釩的影響。 （二） 氣門斷裂 (一 ) 氣門斷裂的主要原因： ① 氣門座扭曲變形或氣門座與導管中心線偏移量過大，使氣門落座時在頸部產生彎曲應力。 ② 提高發(fā)動機的轉速后，陪氣 機構沒有作改進，氣門承受的沖擊和振動過大，或發(fā)動機的溫度過高 ③ 氣門在導管內卡住，活塞與氣門相碰撞 ④ 鎖夾槽處過渡處圓角太小，甚至留有切削裂紋 ⑤ 頸部的鍛造裂紋沒有消除 ⑥ 氣門材料熱處理不當，致使材料強度過低。 （二）預防措施 由于氣門的斷裂是設計和加工工藝兩個方面的原因，因此需針對損壞原因加以解決。設計的合理性應通過必要的措施與計算，對氣門的運動規(guī)律及受力進行分析來考核。工藝方面主要是應嚴格控制熱加工、熱處理的規(guī)范以及機械加工的精度。 （三） 氣門頭部裂紋和碎落 （一）主要原因： 1) 高 溫疲勞，由于氣門座圈變形，當氣門落座之后在氣缸壓力作用下使氣門頭部的某些部位產生很大的附加應力，這個應力分成徑向應力和切向應力，如徑向應力過大，造成圓周方向裂紋，切向應力過大，造成徑向裂紋，如裂紋不斷擴大即可整塊金屬從氣門頭部碎落下來。 2) 由于材料質量或鍛造工藝不合理，在鍛造時產生細小的裂紋，沒有檢查出來。 （二）預防措施 ① 避免鍛造裂紋。馬氏體鋼，高碳馬氏體鋼，奧氏體鋼它們的鍛造溫度區(qū)域和鍛造性能各不相同，導熱性也有很大差別，因此必須認真實驗，嚴格掌握，特別是用電鍍加熱尤其注意。 ② 提高裝配時氣門錐面與氣門座的 位置精度 ③ 選用高溫強度特別是蠕變強度的材料 ④ 采用合理的圖輪廓線等設計方法，防止氣門落座時過大的沖擊和反跳。 此外，當氣門錐面堆焊鈷基合金時，要嚴格控制堆焊 溫度，避免局部過熱，過熱后鈷基合金 硬度顯著降低，晶粒粗大，耐磨迅速下降并在過熱區(qū)的邊界處產生很大的應力，在氣門工作時易產生裂紋。堆焊層不能太薄并需消除堆焊層材料與母材交接處的殘余應力。 1、 氣門彈簧的設計要求 ： （ 1）在挺柱帶有負加速度時，在氣門、挺柱和凸輪要保證不變的運動學關系；（ 2）要使氣門在氣門座 上嚴密的配合和在挺柱沿著基圓0 要保證氣門嚴密配合： 對于排氣門 )( "m i n o ?式中 — N）； —2 " 排氣管的壓力和在進氣時氣缸內的壓力，（ 柴油機的壓差為 帕。 在氣門機構零件之間運動 學的關系保證在： 2式中 K— 儲備系數(shù)（對柴油機機械離心式調速器時，去K=化油器式發(fā)動機取 K= 2在挺柱負加速運動時，換算到氣門一邊的機構慣性力， N。 2、 氣門彈簧的作用 ： （ 1）氣門開啟時，使氣門準確的隨凸輪運動。 （ 2）氣門關閉時，確保氣門和氣門座的閉合密封。 3、 氣門彈簧的工作條件 ： 氣門彈簧承受高頻交變載荷，工況惡劣，故需細心設計，才能使其長期安全地工作。氣門彈簧一旦斷裂會造成非常嚴重的發(fā)動機事故。而氣門彈簧的設計常常受到尺寸上的限制，因此氣門彈簧應有合理的結構與尺寸，彈簧材料應有較高的疲勞強度，制造上應保證一定的精度并且盡力地避免各種缺陷。 4、 氣門彈簧的結構 ： 氣門彈簧通常采用圓柱螺旋壓縮彈簧。目前在大多數(shù)柴油機上都是一個氣門裝兩個氣門彈簧，它既可充分利用空間，減小 彈簧高度尺寸，又易保證彈簧所需要的彈簧力，并且在一個彈簧萬一斷裂時，也有可能在一定時間內防止氣門落入氣缸。采用雙彈簧時，內、外彈簧的螺旋方向應相反。此外，由于兩個彈簧的自振率不同，可以相反阻尼作用，從而減少共振危險。氣門彈簧鋼絲直徑d 大多在 圍內，彈簧旋繞比 一般為 6~9（ 2D 為彈簧的中徑）上圖為 195 柴油機的氣門彈簧工作 圖 5、 氣門彈簧的選材 ： 在彈簧設計時應根據彈簧的工作溫度和應力大小合理的選擇彈簧材料。氣門彈簧材料一般為碳素彈簧鋼絲（ I、 ）、 65 50簧鋼絲等。 碳素彈簧鋼絲有冷拉和油催化 — 回火兩種狀態(tài)。對于 195B 柴油機的氣門彈簧用的就是冷拉鋼絲。冷拉鋼絲有較高的抗拉強度（鋼絲的直徑越小，強度就越高），成本低廉，但是抗應力 — 溫度松弛能力較差，使用與中等負荷的發(fā)動機使用，對于油淬火 — 鋼絲的強度與鋼絲直徑關系不大，與冷拉鋼絲相比較，直徑在 3們的彈性極限大致相同，小于此 直徑的，冷拉鋼絲強度高，相反的，油催化 — 回火鋼絲強度高。油淬火 — 回火鋼絲的優(yōu)點在于熱穩(wěn)定性較好，可適應用較高工作溫度。對于各種彈簧材料適用的最高工作溫度見下表： 材料名稱 最高的工作溫度（ 碳素彈簧鋼絲和 65簧鋼絲 120 油淬火 — 回火碳素彈簧鋼絲 150 50簧鋼絲 210 6、 氣門彈簧特性曲線與氣門慣性力曲線的配合 ： 在設計時首先作出氣門升程曲線和發(fā)動機最高轉速時的加速度曲線 ，將加速度的坐標乘以配氣機構在氣門端的總當量質量即得到氣門慣性力曲線（實際慣性力應與加速度方向相反），由氣門運動規(guī)律測試表明得到，實際的氣門慣性力變化如下圖虛線所示的情況，在從正慣性力過渡到負慣性力的波動最大，最易發(fā)生系統(tǒng)的脫落，彈簧力應超過氣門系數(shù)振動時的慣性力，并且有一定的余量。初選 2p 和 1p 后，在氣門升程曲線右方作出彈簧曲線方程，并在方程曲線上 的 `1c 點引水平線盒垂直線，將水平線上截得的彈簧長度量到對應 的垂直線上，在慣性力圖上 得到彈簧力曲線，彈簧力至少要比慣性力大了 30%，在慣性力從正變負區(qū)域彈簧力的儲備量還應更大一些，此時可對 2P 、 1P 作出適當?shù)恼{整，以來滿足要求。 7、 氣門彈簧的有關計算 ： 已知：凸輪軸的轉速 ?np 分，和凸輪軸的角速度x /115? ，進氣門的最大升程 進氣門喉口直徑 ，圓 弧 凸 輪 線 的 尺 寸 ： ,7, 3 8,15m a ????r a ??? ， 彈簧的材料采用彈簧鋼， 1?? =35 兆帕 500?? 。 （ 1） 彈簧的最大彈力 ： 2m a x ? 832/10*2 9 3*46* 9 5 32?? 式中 K= 彈簧儲備系數(shù)； 2)(31 ????? =130+ 407531 ?=195 —— 換氣到氣門一邊的氣門機構總重量 30g —— 氣門的質量， . ?=55+20=75g —— 氣門彈簧的質量（外彈簧及內 彈簧），按結構要求取 : )3/( 22'=120* )(20 22 =120g—— 搖臂質量。 （ 2） 彈簧的剛度 ： C= 2=195*2293 * 610? /n/m （ 3） 彈簧最小的彈力 ： )( 220m ??=195*62 10*293 ? /239N （ 4） 彈簧變形 ： 1） 預壓縮變形量 ： )(20? =（ *） 總變形量 ： m a xm i nm a x ?= 5） 內、外彈簧之間的負荷分配： 1） 外彈 簧： 56448m a x.m a xm a x. ?????i n.m i nm i n. ????? 2） 內彈簧： m a x.m a x. 35.0 P ?=48 = 9*i nm i n. ??? 6） 內外彈簧的剛度： m a xm a x. / =291* 33 10*0 ?? =m 0*33m a xm a x.. ??? ??????根據以求得的值 ： m a x.m a x.m a x ?m i n.m i nm i n ? （ 7） 彈簧的尺寸 ： A、 彈簧的平均直徑： 28. ? 9. ?B、 彈簧鋼絲直徑 : . ??. ??C、 彈簧的工作圈數(shù)： 0*269*643 .m a x.m a . ??? ? 0*145*643 .m a x.m a ???? 式中 G= 鋼絲剪切彈性模量 D、 彈簧總圈數(shù) : ???????? F、 氣門關閉時彈簧的長度： a xm i ???? 、 氣門全開時彈簧的長度 : m i n...m i n ??? =m i n...m i n ??? =n ? H、 自由彈簧的長度： a xm i n. ????? m a xm i n. ?=、 彈簧的最大和最小應力： 1） 外彈簧 3 ..m a x.`m a x 8k ??? ? = 8 0*2