1197-電池殼的沖壓模具設(shè)計(jì)謝豐林

1197-電池殼的沖壓模具設(shè)計(jì)謝豐林,電池,沖壓,模具設(shè)計(jì),豐林 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目： 電池殼的沖壓模具設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 湖南湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2006183915 姓 名： 謝豐林 指導(dǎo)教師： 周里群 老 師 完成日期： 2010- 05-31 目 錄2引言…………………………………………………………………………………….……. 5摘要 …………………………………………………………………………………….……. 6Abstract …………………………………………………………………………………….….6第一章 零件的工藝性分析…………………………………………………..….… 6第二章 工藝方案的選擇與確定…………………………………………….….… 7第三章 搭邊與排樣…………………………………………………………….…… 8第四章 計(jì)算沖壓力與壓力中心……………………………………………….… 9第五章 初選設(shè)備…………………………………………………………………….12第六章 凸、凹模刃口尺寸的確定…………………………………………….. 13第七章 模具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………...……………. 18第八章 工作零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算………………………………………………… 21第九章 其他工藝結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)與選用……………………………………. 24第十章 校核設(shè)備…………………………………………………………………… 25第十一章 模具的裝配與試?！? 26參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………... 27附錄……………………………………………………………………………………….... 27湘潭大學(xué)興湘學(xué)院3畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書論文（設(shè)計(jì)）題目： 電池殼的沖壓模具設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)： 2006183915 姓名： 謝豐林 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 周里群 老師 一、主要內(nèi)容及基本要求 對(duì)工件進(jìn)行工藝分析。根據(jù)制件材料，形狀，尺寸等要求確定合適的成型工藝選定相應(yīng)的成型設(shè)備和成型工藝參數(shù)，完成成型模具的設(shè)計(jì)，基本要求如下：1.繪制成型模具裝配圖 1 張 2.繪制成型模具全套零件圖 1 套 3.編寫設(shè)計(jì)說明書 1 份 二、重點(diǎn)研究的問題根據(jù)制件材料，形狀，尺寸等要求如何確定合適的成型工藝選定相應(yīng)的成型設(shè)備和成型工藝參數(shù)。了解各種不同材料的沖壓工藝及成型過程，了解模具凸、凹的計(jì)算過程，了解沖壓設(shè)備的各種工藝及成型過程。 三、進(jìn)度安排序號(hào) 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)間41 收集資料、查找相關(guān)的參考文獻(xiàn) 1 周2確定成型工藝、選擇成型設(shè)備和成型工藝參數(shù)1 周3設(shè)計(jì)模具的主體結(jié)構(gòu)、模具零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算2 周4 繪制成型模具裝配圖 1 周5 繪制全套模具零件圖 3 周6 編寫設(shè)計(jì)說明書、翻譯英文資料 1 周7 畢業(yè)答辯 1 周8四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1. 肖景容、姜奎華主編. 沖壓工藝學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2000 2. 馬正元、韓啓主編. 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003 3. 張正修主. 沖模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、要點(diǎn)及實(shí)例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20074. 薛啓翔主編. 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)實(shí)例分析.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008 5. 李名望主編.沖壓模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)指南. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2008 6. 徐政坤主編. 沖壓模具設(shè)計(jì)與制造. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2003引言本次設(shè)計(jì)，是我的一次較全面的設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練，通 過這次訓(xùn)練，我 對(duì)模具基礎(chǔ)知識(shí)5及工程力學(xué)、互換性與測(cè)量技術(shù)、機(jī)械制 圖、金屬工藝學(xué)、工程材料等專業(yè)課的綜合運(yùn)用有了一個(gè)較為系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和運(yùn)用，將原來看來比較抽象的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)為具體化.這次課程設(shè)計(jì)初步掊養(yǎng)了我理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，鍛練了我綜合運(yùn)用模具設(shè)計(jì)和相關(guān)課程的理論，結(jié)合和生產(chǎn)實(shí)際分析和解決工程實(shí)際問題的能力，鞏固、加深和擴(kuò)展了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。通過制訂設(shè)計(jì)方案，合理選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和零件類型，正確計(jì)算零件的工作能力、確定尺寸和選擇材料，以及較 全面地考慮制造工藝、使用和維護(hù)等要求，之后 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到了解和掌握模具零件、機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單 模具的設(shè)計(jì)過程和方法， 對(duì)如計(jì)算、繪圖、熟 練和運(yùn)用設(shè)計(jì)資料（包括手冊(cè)、 圖冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和 規(guī)范等）以及使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算和處理數(shù)據(jù)等方面的能力進(jìn)行了一次全面的訓(xùn)練。因?yàn)楸菊n程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)我們具有基本沖裁模設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，因此通過設(shè)計(jì)的實(shí)踐，使我了解到模具 設(shè)計(jì)的基本要求、基本內(nèi)容和一般程序，掌握了機(jī)械零件常用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。針對(duì)課 程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題查閱資料，大大擴(kuò)展了我們的知識(shí)面，培養(yǎng)了我們?cè)谀＞吖I(yè)方面的興趣及實(shí)際動(dòng)手能力，對(duì)將來我在模具方面的發(fā)展起了一個(gè)重要的作用。本次課程設(shè)計(jì) 是我對(duì)所學(xué)知識(shí)運(yùn)用的一次嘗試，是我在機(jī)械知識(shí)學(xué)習(xí)方面的一次有意義的實(shí)踐。本次設(shè)計(jì),我完全自己動(dòng)手做,獨(dú)立完成自己的設(shè)計(jì)任務(wù)，通過這次設(shè)計(jì)，弄懂了一些以前書本中難以理解的內(nèi)容，加深了 對(duì)以前所學(xué)知識(shí)的鞏固。在設(shè)計(jì)中，通 過非常感謝李應(yīng)明老師的指導(dǎo)，使自己在 設(shè)計(jì)思想、 設(shè)計(jì)方法和 設(shè)計(jì)技能等方面都得到了良好的訓(xùn)練。等專業(yè)課 的綜合運(yùn)用有了6一 已知條件（1）如下圖(1-1)所屬為沖裁零件限位板零件名稱：限位板零件材料：Q235A生產(chǎn)要求：大批量生產(chǎn)圖 1-1A—表示 Wc碳的含量在 0.14%~0.22%的低硬鋼計(jì)算及說明 備注第一章 零件的工藝分析7（1）沖孔如圖（1-1）所示零件尺寸，寬帶 b=42mm,厚度 t=3mm,滿足設(shè)計(jì)要求d>2t,且沖裁件外形由直線和圓弧組成，沒有尖角，且圓角半徑 r>0.5t有利用模具壽命。零件沖孔 d=29mm,查表 1-1，已知材料 Q235A 屈服點(diǎn)大小 235Mpa，選 d≥t 為最小孔，滿足要求。表 1-1 自由凸模沖孔的最小尺寸(mm)材料 圓孔 方形孔 矩形孔 長(zhǎng)圓孔鋼>700Mpa鋼=400-700Mpa鋼t 滿足設(shè)計(jì)要求。（2）沖裁精度2.6.7 沖裁斷面的表面粗糙度表　　　　　2.6.8 沖裁件允許毛刺的高度通過查上表 2.6.7 的沖裁斷面的表面粗糙度表 Ra=12.5 ；查表 2.6.8 沖裁件允許毛刺的高度：新建試模時(shí)≤0.05mm，生產(chǎn)時(shí)≤0.15mm。d 為孔直徑t 為材料厚度計(jì)算及說明 備注8第 2 章 工藝方案的選擇與確定（1） 根據(jù)沖裁件的形狀，分為沖孔和落料兩道工序，且為大批量生產(chǎn)，故選擇復(fù)合模。（2） 提出可能方案沖裁該零件，所需工序有：（a） 落料（b） 沖直徑 29mm 的孔根據(jù)以上工序，可以有如下方案方案一：先落料 再?zèng)_直徑 29mm 的孔；方案二：在同一模具上同時(shí)完成沖直徑 29mm 的孔和落料比較以上兩種方案，第二種方案易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，且生產(chǎn)率高操作安全，適合大批量生產(chǎn)，所以選方案二。（3）沖模的生產(chǎn)過程簡(jiǎn)圖如圖 1-2圖 1-2計(jì)算及說明 備注9第三章 搭邊與排樣（1）確定合理的排樣形式根據(jù)材料的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用原則，材料利用率η＝Ｆ /Ｆ0×１００％＝F/ ＡＢ ×１００％ ，利用率越過越經(jīng)濟(jì)，同時(shí)還要考慮沖裁件的精度要求，精度要求高的要留搭邊。搭邊 a 和 a1 的數(shù)值查表 1-4表 1-4 搭邊 a 和 a1 數(shù)值(低碳鋼) 注：對(duì)于其他材料，應(yīng)將表中數(shù)值乘以下系數(shù)：中等硬度鋼 0.9，硬鋼 0.8 硬黃銅1~1.1 ， 硬鋁 1~1.2故有：a=2.5 (mm) a1=2.2 (mm)（2）確定條料寬度和步距每次只沖一個(gè)零件的步距 A 的計(jì)算式為：A=D1+2a1=（51+21）+2*2.2=74.2（mm）條料寬度： B=（D+2a）=（18+55）+2*2.5=78（mm）（3）計(jì)算利用率選擇的排樣方式如圖 1-3 所示：η——材料利用率； Ｆ——工件的實(shí)際面積； F0——所用材料面積，包括工件面積與廢料面積； A—— 送料進(jìn)距 (相鄰兩個(gè)制件對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離)；B——條料寬度。D1—平行于送料方向的寬帶D—垂直于平行于送料方向的寬帶計(jì)算及說明 備注10圖 1-3工件的實(shí)際面積：F=52×55+3.14*9*9-2*（4*30）-3.14*4*4/2+0.5*3.14*21*21-3.14*(29×29)/4=3361.40F0=A*B=74.2×78=5787.6材料利用率：η＝Ｆ/Ｆ0× １００％＝F/ＡＢ×１００％=58.08％第四章 計(jì)算沖壓力與壓力中心（1）沖裁力的計(jì)算普通平刃沖裁模 ，其沖裁力 P 一般可按下式計(jì)算： FP＝tLτ 材料抗剪強(qiáng)度： τ=（1.2×t/d+0.6）*σb≈150(MPa)沖孔邊緣: L1=29×3.14=91.06(mm)落料邊緣： L2=21×3.14+2*(30+2*3.14+9*3.14+55)=3.5.02(mm)沖孔力： F1=L1τt=91.06 ×150× 3=40977 N落料力 ： F2= L2τt=305.02 ×150× 3=137259 N沖裁力 ： F0=F1+F2= 178236 N考慮到模具刃口的磨損和凸凹模間隙的波動(dòng)，材料的機(jī)械性能的變化，材料厚度偏差的，實(shí)際所需的沖裁力還要增加 30％，即：F=1.3×F0=231706.8 Nτ—— 材料抗剪強(qiáng)度 ，見附表 (MPa)；L——沖裁周邊總長(zhǎng)(mm)；t——材料厚度(mm)σb—抗拉強(qiáng)度為 235(MPa)d---材料最大寬度計(jì)算及說明 備注11當(dāng)上模完成 一次沖裁后，沖入凹模內(nèi)的制件或廢料因彈性擴(kuò)張而梗塞在凹模內(nèi)，模面上的材料因彈性 收縮而緊箍在 凸模上 。為了使沖裁工作繼續(xù)進(jìn)行，必須將箍在凸模上的材料料刮下 ,將梗塞在凹模內(nèi)的制件或廢料向下推出或向上頂出。從凸模上刮下材料所需的力，稱為卸料力 ；從凹模內(nèi)向下推出制件或廢料所需的力，稱為推料力；從凹模內(nèi)向上頂出制件需的力，稱為 頂件力 (圖 1-5)。影響卸料力、推料力和 頂件力 的因素很多，要精確地計(jì)算是困難的。在實(shí)際生產(chǎn)中常采用經(jīng)驗(yàn) 公式計(jì)算： 卸料力 FＱ＝Ｋ FＰ= 推料力 FＱ1＝n Ｋ1 FＰ 頂件力 FＱ２＝Ｋ２ FＰ 圖 1-4 工藝力示意圖由下表 1-5 查的 K=0.045 K1=0.05 K2=0.04材料 厚度/（mm） K K1 K2鋼≤0.10.1～ 0.50.5 ～ 2.52.5～ 6.56.50.1 0.0630.0550.0450.0250.140.080.060.050.030.065～0.0750.045～0.0550.04 ～0.050.03～0.040.02～0.03解得：FQ=0.045×178436.7=8029.65 N FQ1=0.05×178436.7=8921.84 NP——沖裁力(N)； K——卸料力系數(shù)，其值為0.02～0.06(薄料取大值， 厚料取小值)； K１——推料力系數(shù)，其值為0.03～0.07(薄料取大值， 厚料取小值)； K2—— 頂件力系數(shù)，其值為0.04～0.08(薄料取大值， 厚料取小值)； n——梗塞在凹模內(nèi)的制件或廢料數(shù)量(n＝h/t); h——直刃口部分的高(mm)；t——材料厚度(mm)。12FQ2=0.04×178436.7=7137.47 N（2）沖裁中心沖模的壓力中心，可按下述原則來確定：（a）對(duì)稱形狀的單個(gè)沖裁件，沖模的壓力中心就是沖裁件的幾何中心。（b）工件形狀相同且分布位置對(duì)稱時(shí)，沖模的壓力中心與零件的對(duì)稱中心相重合。（c）形狀復(fù)雜的零件、多凸模的壓力中心可用解析計(jì)算法求出沖模壓力中心。解析法的計(jì)算依據(jù)是：各分力對(duì)某坐標(biāo)軸的力矩之代數(shù)和等于諸力的合力對(duì)該坐標(biāo)軸力矩。求出合力作用點(diǎn)的座標(biāo)位置 O0(x0, y０)，即為所求模具的壓力中心如圖 1-5圖 1-5其中：X0=（X1+X2+X3+X4+X5）/5=66.2Y0=(Y1+Y2+Y3+Y4+Y5)/5 =51.4計(jì)算及說明 備注13第五章 初選設(shè)備（1）計(jì)算壓力機(jī)的表承壓力沖裁時(shí)，壓力機(jī)的公稱壓力必須大于或等于沖裁各工藝力的總和。 采用彈壓卸料裝置和上出件的模具時(shí)： FP 總 ＝FＰ＋FＱ＋FＱ2=178436.7+8029.65+7137.47=246873.92 N≈247 KN 根據(jù)標(biāo)稱壓力等參數(shù)查表 1-7，可初選壓力機(jī)為：JH23-25壓力機(jī)型號(hào) J23-3.15 J23-6.3 J23-10 J23-16F JH23-25 JH23-40標(biāo)稱壓力/KN 31.5 63 100 160 250 400滑塊行程/mm 25 35 45 70 75 80滑塊行程 200 170 145 120 80 55最大封閉高度 120 150 180 205 260 330封閉高度調(diào)節(jié)量 25 35 35 45 55 65立柱間距/mm 120 150 180 220 270 340喉深/mm 90 110 130 160 200 250工作臺(tái)前后尺寸/mm 160 200 240 300 370 460工作臺(tái)左右尺寸/mm 250 310 370 450 560 700墊板厚度/mm 30 30 35 40 50 65墊板孔徑/mm 100 140 170 210 260 320模柄孔直徑/mm 25 30 30 40 40 50模柄孔深度/mm 40 55 55 60 60 70最大傾斜角 45 45 35 35 30 30電動(dòng)機(jī)功率/kw 0.55 0.75 1.1 1.5 2.2 5.5表 1-7第六章 凸、凹模刃口尺寸的確定已知沖裁件材料為 Q235A 鋼厚度 t=3mm,沖裁件精度 IT12，查公差表 1-8FP 總－沖裁各工藝力的總和14公差表 1-8查的各尺寸如下圖 1-6 所示：dd—沖孔凹?；境叽?mm)；dp —沖孔凸?；境叽?mm)； dmin—沖孔件孔的最小極限尺寸(mm)；△—制件公差 (mm)；x—系數(shù)計(jì)算及說明 備注15沖裁模刃口尺寸計(jì)算的基本原則：落料件尺寸由凹模尺寸決定，沖孔時(shí)孔的尺寸由凸模尺寸決定。故設(shè)計(jì)落料模時(shí)，以凹模為基準(zhǔn)，間隙取在凸模上；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，以凸模為基準(zhǔn)，間隙取在凹模上。沖裁件內(nèi)圓孔由沖孔制成，外形為非圓形落料而成，（a） 沖孔凸模制造偏差取負(fù)偏差，凹模取正偏差。其計(jì)算公式如下： dp＝ （ dmin＋x△)－δp dd=（dp+Zmin）+δp通過查下沖裁件處始雙面間隙表 1-9，表 1-9 沖裁件處始雙面間隙材料厚度mm軟鋁 含碳（0.08~0.2）%的鋼Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax1 0.04 0.06 0.05 0.07 0.06 0.081.2 0.05 0.084 0.072 0.096 0.084 0.1081.5 0.075 0.105 0.09 0.12 0.105 0.1351.8 0.09 0.126 0.108 0.144 0.126 0.1622 0.1 0.14 0.12 0.16 0.14 0.182.2 0.13 0.176 0.154 0.198 0.176 0.222.5 0.15 0.2 0.175 0.225 0.2 0.252.8 0.168 0.224 0.196 0.252 0.224 0.283 0.18 0.24 0.21 0.27 0.24 0.33.5 0.245 0.315 0.28 0.35 0.315 0.3854 0.28 0.36 0.32 0.4 0.36 0.444.5 0.315 0.405 0.36 0.45 0.405 0.49δp—凸模下偏差，δd—凹模上偏差計(jì)算及說明 備注16得到：Zmax=0.27mm Zmin=0.21mmZmax-Zmin=0.06 mm沖孔部分沖裁凸模，凹模的制作公差，可查表 1-10表 1—10基本尺寸、mm凸模偏差δp/mm凹模偏差δd/mm基本尺寸、mm凸模偏差δp/mm凹模偏差δd/mm≤18 0.02 0.02>180 ～2600.03 0.045＞18 ～30 0.02 0.25 >260 ～360 0.035 0.05>30 ～80 0.02 0.03 >360 ～500 0.04 0.06>80 ～120 0.025 0.035 >500 0.05 0.07>120 ～1800.3 0.04查的：δp=0.02 mm δd=0.025 mm有： δp+δd=0.045 mm＜Zmax-Zminx—系數(shù)，是為了使沖裁件的實(shí)際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸，與工件制造精度有關(guān)，按下列關(guān)系取值，也可查表 1-11： 當(dāng)制件公差為 IT10 以上，取 x＝１ 當(dāng)制件公差為 IT11～I(xiàn)T13，取 x＝0.75 當(dāng)制件公差為 IT14 以下時(shí)，取 x＝0.5。 表 1-11 系數(shù) x材料厚度t(㎜)非 圓 形 圓 形 1 0.75 0.5 0.75 0.5工件公差 Δ 4 ≤0.16≤0.20≤0.24≤0.30 0.17~0.350.21~0.410.25~0.440.31~0.59≥0.36≥0.42≥0.50≥0.60 <0.16<0.20<0.24<0.30≥0.16≥0.20≥0.24≥0.30 計(jì)算及說明 備注17查的 x＝0.75 ，Δ=0.24故得： dp＝ （ dmin＋x△)+δp=（（29+0.75×0.21 ）+0.02=29.16+0.02dd=（dp+Zmin ）-δp=*（29.16+0.27 ）-0.025=29.43-0.025（b）落料落料時(shí)以落料凹模設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)的刃口尺寸計(jì)算如下表表 1-11 以落料凹模設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)的刃口尺寸計(jì)算工序性質(zhì) 凹模刃口尺寸磨損情況 基準(zhǔn)件凹模的尺寸圖 2.3.3 (b)配制凸模的尺寸 落料 磨損后增大的尺寸 Aj＝（ Amax－ x△)＋0.25△ 按凹模實(shí)際尺寸配制，保證雙面合理間隙2cmin ~2cmax磨損后減小的尺寸 Bj＝（ Bmin＋ x△)－0.25△ 磨損后不變的尺寸 Cj=(Cmin＋0.5△)± 0.125△ 注：Aj、Bj、Cj 為基準(zhǔn)件凹模刃口尺寸；Amax、Bmin、Cmin 為落料件的極限尺寸。計(jì)算凹模各尺寸：查上表 1-11 的，尺寸 42，52，55 對(duì)應(yīng)的 x=0.75，尺寸 18 對(duì)應(yīng) x=1磨損后增大的尺寸的：Aj＝（Amax－x△)＋0.25△42mm 的 ：A1= （42-0.75×0.25）+0.25/4=41.81+0.0652mm 的： A2= （52-0.75×0.30）+0.30/4=51.81+0.0618mm 的： A3= （18-1×0.18）+0.18/4=17.82+0.05圓弧 R9，R21 的尺寸為了保證分別與 18mm，42mm 相切，不用計(jì)算直接取其A3,A1 值的一半。磨損后不變的尺寸：Cj=(Cmin＋0.5△ )±0.125△44mm 的 C1=（55+0.7 5×0.3）±0.125 ×0.3=54.78±0.04凸模的尺寸按上述凹模相關(guān)尺寸配制，保證雙面間隙Zmin～Zmax=0.21～0.27mm（前面以由表 1-11 查的）（C）模具間隙模具間隙即模具凸模與凹模之間的間隙，其對(duì)沖裁件的質(zhì)量，沖裁力，模具壽命都有較大的影響。因此選擇合理的間隙，非常重要，確定合理間隙的方法如下：計(jì)算及說明 備注181. 理論確定法如圖 1-7，中的三角形 ABC 可確定合理的間隙，圖 1-7C = （t-h0）×t ×tgβ=t（1- h0/t）×tgβ查下表 1- 12 的 ：h0/t=0.2 ，β=4°表 1-12 h0/t 與 β 的值h0/t β材料 退火 硬化 退火 硬化軟鋼 紫銅 軟黃銅 0.5 0.35 6° 5°中硬鋼 硬黃銅 0.3 0.2 5° 4°硬鋼 硬青銅 0.2 0.1 4° 4°解得： C =3×（1-0.2）×tg4°=3×0.8×0.07=0.168 mmZ=2c=0.336 mm2. 經(jīng)驗(yàn)法材料為硬材料：t＜3mm Z=（8%～10%）tt=1～3mm Z=（11% ～17%）tt=3～5mm Z=（17% ～25%）t已知材料厚度為：t=3mm解得： Z= 0.33 ～0.51 mm式中， h０—— 凸 模切入深度；β——最大剪應(yīng)力方向與垂線方向的夾角計(jì)算及說明 備注19第 7 章 模具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1） 模具的類型選擇根據(jù)沖裁件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需沖孔和落料兩道工序方能完成零件成型，而且要進(jìn)大批量的生產(chǎn)，綜合上述，課選擇正裝式復(fù)合模進(jìn)行生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)圖如圖 1-7.。圖 1-7在壓力機(jī)的一次工作行程中，在模具同一部位同時(shí)完成數(shù)道沖壓工序的模具，稱為復(fù)合模。計(jì)算及說明 備注20模具各部分名稱和代號(hào)等參數(shù)如下表 1-12表 1-12（2） 模架的選擇模架由上下模座，模柄及導(dǎo)向裝置（導(dǎo)柱，導(dǎo)套）組成。（a）模架的形式模架的形式選擇后側(cè)導(dǎo)柱模架，可縱橫送料，送料方便。其模架的形式結(jié)構(gòu)如下圖 1-8計(jì)算及說明 備注21圖 1-8（b）導(dǎo)柱和導(dǎo)套導(dǎo)柱和導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)與尺寸都可以直接從標(biāo)準(zhǔn)中選取，選滑動(dòng)導(dǎo)向的導(dǎo)柱導(dǎo)套，安裝尺寸示意圖如圖 1-9.圖 1-9計(jì)算及說明 備注22（c）模柄的選擇所作設(shè)計(jì)為大型，模具都通過模柄固定在壓力機(jī)滑塊上的，可使用螺釘固定。第八章 工作零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）凸模（a）凸凹模和凸模的結(jié)構(gòu)形式由于沖裁件的落料件為非圓形的，可選擇直通式凸凹模，直通式凸模的工作部分和固定部分的形狀與尺寸做成一樣，這類凸模一般采用線切割方法進(jìn)行加工。1-10 整體式凸模 而沖孔凸模則選擇用臺(tái)階式凸模，如下圖 1-11圖 1-11 標(biāo)準(zhǔn)圓形凸模計(jì)算及說明 備注23（b）長(zhǎng)度計(jì)算凸模長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)模具結(jié)構(gòu)的需要來確定。采用固定卸料板和導(dǎo)料板結(jié)構(gòu)時(shí)，圖 1-12 所示，凸模的長(zhǎng)度應(yīng)該為：L＝h1＋h2＋h3＋（15 ～20）mm 圖 1-12（c）材料和其他要求沖裁件的形狀復(fù)雜，可選擇 Cr12，熱處理為淬火；工作部份的粗糙度為：Ra0.8～0.4 um 固定部分粗糙度為： Ra1.6～0.8 um（2）凹模(一)凹模洞口的類型1. 凹模洞口的類型常用凹模洞口類型如圖 1-14 所示，其中 a)、b)、c)型為直筒式刃口凹模。其特點(diǎn)是制造方便，刃口強(qiáng)度高，刃磨后工作部分尺寸不變。廣泛用于沖裁公差要求較小，形狀復(fù)雜的精密制件。但因廢料或制件在洞壁內(nèi)的聚集而增大了推件力和凹模的漲裂力，給凸、凹模的強(qiáng)度都帶來了不利的影響。一般復(fù)合模和上出件的沖裁模用 a)、c)型，下出件的用 b)或 a)型。d)、e)型是錐筒式刃口，在凹模內(nèi)不聚集材料，側(cè)壁磨損小。但刃口強(qiáng)度差，刃磨后刃口徑向尺寸略有增大 (如 α＝30`時(shí)，刃磨 0.1mm，其尺寸增大 0.0017mm)。圖 1-14 凹模洞口的類型h1、h2、h3、t 分別為凸模固定板、卸料板、導(dǎo)料板、材料的厚度。15～20mm為附加長(zhǎng)度，包括凸模的修磨量，凸模進(jìn)入凹模的深度及凸模固定板與卸料板間的安全距離。凹模錐角α、后角 β和洞口高度 h，均隨制件材料厚度的增加而增大，一般取α＝15′～30′、β＝2°～３°、h＝4～10mm。24計(jì)算及說明 備注設(shè)計(jì)的為復(fù)合模和上出件的沖裁模用 a)型，洞口的主要參數(shù)可查下表 1-13，得到：a=30` β＝３°、h＝10mm。表 1-13 洞口的主要參數(shù)板料厚度t/mm a β h/mm≤0.50 15` 2° ≥40.5～1 15` 2° ≥51～2.5 15` 2° ≥6≥2.5 30` 3° ≥82. 凹模的外形尺寸 凹模的外形一般有矩形與圓形兩種。凹模的外形尺寸應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度、剛度和修磨量。凹模的外形尺寸一般是根據(jù)被沖壓材料的厚度和沖裁件的最大外形尺寸來確定如圖 1-15 所示。  圖 1-15 凹模外形尺寸凹模厚度 H＝Kb（≥15mm) 凹模壁厚 c＝(1.5～２)H (≥30～４０mm)式中 b 為沖裁件的最大外形尺寸；K 是考慮板料厚度的影響系數(shù)。查表 1-15根據(jù)凹模壁厚即可算出其相應(yīng)凹模外形尺寸的長(zhǎng)和寬，然后可在冷沖模國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中選取標(biāo)準(zhǔn)值。 表 1-15 系數(shù) K 值 b 材料厚度 t0.5 1 2 3 ＞3≤ 5050～ 100100～ 200＞ 2000.30.20.150.10.350.220.180.120.420.280.20.150.50.350.240.180.60.420.30.22t=3mmb=73mm為沖裁件的最大外形尺寸；K 是考慮板料厚度的影響系數(shù)25查的： K = 0.5凹模厚度： H＝Kb= 0.5×73=36.5mm （ ≥15mm) 凹模壁厚 ：c ＝(1.5～2)H =（54.75 ～73）mm (≥30～40mm)第九章 其他工藝結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)與選用1.定位零件模具上的定位零件的作用是將毛坯和半成品在模具上能夠正確的定位，根據(jù)毛坯的形狀，尺寸，模具的結(jié)構(gòu)形式可選以下定位零件：導(dǎo)料板：用于條形料的送料，條料靠在一側(cè)的導(dǎo)料板，沿著設(shè)計(jì)的方向送料。定位銷：為上下模座定位，保證沖裁精度。2.卸料和壓料零件（1）卸料板如圖 1-16，為固定卸料板，適用于設(shè)計(jì)沖裁件卸料，作用為當(dāng)凸凹模完成一次回程時(shí)，阻擋余料，使其脫落，卸料班為 45 鋼，熱處理為淬火硬度HRC40～50。圖 1-16（3） 頂件桿如圖 1-17，為頂件桿，取直徑 5～10mm，其與凹模內(nèi)壁的間隙不宜過大，一般取 0.1～0.2mm，但不小于 0.05mm，頂件板的材料為 45 鋼。計(jì)算及說明 備注263.緊固零件（1）沉頭螺釘：表 1-12 中 17，用于固定導(dǎo)料板。（2）螺釘：表 1-12 中的，8，11，20 用于固定模具固定板，從而固定凸凹模和凹模，保證沖裁精度。第十章 校核設(shè)備（1）壓力機(jī)和閉模高度的校核沖裁時(shí)，壓力機(jī)的公稱壓力必須大于或等于沖裁各工藝力的總和。 采用彈壓卸料裝置和上出件的模具時(shí)： FP 總 ＝FＰ＋FＱ＋FＱ2=178436.7+8029.65+7137.47=246873.92 N≈247 KN 根據(jù)標(biāo)稱壓力等參數(shù)查表 1-7，可初選壓力機(jī)為：JH23-25，其閉模高度最大為260mm又由落料凸凹模標(biāo)準(zhǔn)查得，高度為 101mm，符合要求，如下圖圖 1-16-2 閉模高度計(jì)算及說明 備注27第十一章 模具的裝配與試模（1） 模具安裝順序1. 清洗壓力機(jī)滑塊底面，工作臺(tái)和墊片平面及上下模座的頂面和底面。2. 降沖模置于壓力機(jī)工作臺(tái)或墊片上，移至近似工作位置。3. 觀察工件或廢料能否落下。4. 用手搬動(dòng)飛輪或壓力機(jī)的寸裝置，是壓力機(jī)滑塊逐漸降至下極點(diǎn)。在滑塊下降過程中移動(dòng)沖模，以便模柄進(jìn)入滑塊中的模柄孔內(nèi)。5. 調(diào)節(jié)壓力機(jī)至近似的閉合高度。6. 安裝固定下模的壓板，墊塊和螺栓，但不擰緊。7. 緊固上模，確保上模頂部與滑塊底面貼近無縫隙。8. 緊固下模，逐次交替擰緊。9. 調(diào)整閉模高度，使凸模進(jìn)入凹模。10.回升滑塊，在個(gè)滑動(dòng)部分加潤(rùn)滑劑，確保導(dǎo)套上部出氣槽暢通。11.以紙?jiān)嚊_，觀察毛刺以判斷間隙是否均勻?；瑝K寸動(dòng)或手搬使飛輪移動(dòng)。12.刃口加油，用規(guī)定材料試沖若干件，檢查沖件質(zhì)量。13.安裝，調(diào)試送料和出料裝置。14.再次試沖。15.安裝安全裝置。（2）常見的試沖缺陷和調(diào)整方法試沖的缺陷 生產(chǎn)原因 調(diào)整方法送料不暢或料被卡死1.兩導(dǎo)料板件的尺寸過小或有斜度2.凸模與卸料板之間間隙過大，是搭邊翻扭3.用側(cè)刃定距的的沖裁模導(dǎo)料板的工作面和側(cè)刃不平行形成毛刺1.根據(jù)情況修整或重裝卸料板2.減小凸模和卸料板的間隙3.重裝導(dǎo)料板卸料不正常，退不下料1.裝配不正確，卸料機(jī)構(gòu)不能移動(dòng)2.凹模和下模座的漏料孔沒對(duì)正3.頂出桿過短或卸料板行程不夠1.修整卸料板2.修整漏料孔，修整凹模3.頂出器的頂出部分加長(zhǎng)或加深卸料螺釘沉孔的深度凸，凹模刃口相碰1.上模架，下模架，固定板，凹模，墊片等零件不平行2.凸，凹模錯(cuò)位3.導(dǎo)桿和導(dǎo)套配合間隙過大使導(dǎo)向不準(zhǔn)1.修整有關(guān)零件，重裝上?；蛳履?.重新安裝凸，凹模是對(duì)正3.更換導(dǎo)柱或?qū)淄鼓Ｕ蹟?.沖裁時(shí)產(chǎn)生側(cè)向力未抵消2.卸料板傾斜1.在模具上設(shè)置靠塊來抵消側(cè)向力2.修整卸料板或在凸模加導(dǎo)向裝置凹模被脹裂凹?？谟械瑰F現(xiàn)象 修磨凹?？?8沖裁件的形狀和尺寸不正確 凹模與凸模的刃口形狀及尺寸不正確 修整凸模和凹模的尺寸落料位置和沖孔位置不正確，成偏位現(xiàn)象1.擋料釘位置不正2.導(dǎo)料板和凹模送料中心不平行1.修整導(dǎo)料釘2.修整導(dǎo)料板沖壓件不平1 落料凹模有上口大，下口小的倒錐，沖裁件從中通過會(huì)被壓彎2.沖孔結(jié)構(gòu)不當(dāng)，落料是沒有壓料裝置1.修磨凹?？?，去倒錐現(xiàn)象2.加壓料裝置沖壓件毛刺較大1.刃口不鋒利或淬火硬度低2.凸，凹模配合間隙過大或間隙不均勻1.修磨工作刃口2.重新調(diào)整凸，凹模間隙，使其均勻參考文獻(xiàn)1. 夏巨諶、李志剛主編. 中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典.南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社 , 2003 2. 鄭家賢主編. 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,2005 3. 周良德、朱泗芳等編. 現(xiàn)代工程圖學(xué) .長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社 , 2000 4. 徐政坤主編. 沖壓模具及設(shè)備.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005 5. 第四機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所.冷壓沖模設(shè)計(jì).第四機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所, 1979 6. 肖景容、姜奎華主編. 沖壓工藝學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社 , 19997. 李奇 朱江峰主編 .模具設(shè)計(jì)與制造 ， 人民郵電出版社，2008計(jì)算及說明 備注291小型柴油機(jī)高速化和大功率化的發(fā)展D．BroomeRicardo & Co.Engineers(1927) Ltd.(England) 筆者所在公司長(zhǎng)期關(guān)注小型高速柴油機(jī)發(fā)展，特別是其燃燒系統(tǒng)的發(fā)展。僅管這類機(jī)型在北美大陸并不普及，但在歐洲和日本的產(chǎn)量以及使用量卻相當(dāng)大，約有數(shù)百萬臺(tái)。典型的機(jī)型是自然吸氣四缸柴油機(jī)，每缸排量為 25-35 in3 (400-600cm3)，工作轉(zhuǎn)速為 4000-5000 rpm，活塞限速在 2400ft/min(12m/s)。在 warren 的美國(guó)軍方坦克研發(fā)中心（USATAC） ， Mich 提議開發(fā)一種符合軍方要求的大功率輕型動(dòng)力裝置，并且要求能達(dá)到前所未有的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)性能的提升，而不是僅僅增加渦輪增壓器。在這個(gè)情況下，進(jìn)氣系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的研究就被搬上了前臺(tái)。這項(xiàng)計(jì)劃制定了工作的執(zhí)行方案，包括設(shè)計(jì)，制造和在特定單缸機(jī)上的初步實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目這個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)要求最后由 USATAC 制定，其在大概的內(nèi)容如下所述：1．設(shè)計(jì)，采辦，制造和測(cè)試一臺(tái)缸徑為 3.5 英寸（88.9mm）的單缸機(jī)。要求以最高轉(zhuǎn)速工作，至少 5000 rpm。以分離的空氣供給系統(tǒng)的對(duì)渦輪增壓狀況進(jìn)行模擬。2．改進(jìn)這臺(tái)單缸試驗(yàn)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的性能指標(biāo)，使得相對(duì)應(yīng)的軍用四缸機(jī)能夠產(chǎn)生 1 bhp/in 3 (45.5kW/cm3)的功率以實(shí)現(xiàn)單位質(zhì)量功率 3.5 lb/bhp (2.13kg/kW)。3．設(shè)計(jì)將不受傳統(tǒng)觀念影響，以最小化機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷為目標(biāo)。4．最初的燃料要求以 CITE-R fuel (MIL-F-46005A (MR))為標(biāo)準(zhǔn)。一開始，專門針對(duì)航空汽油進(jìn)行研究，但后來這項(xiàng)要求有所放寬。5．如果可能的話使用 MIL-L-2104B 規(guī)格的潤(rùn)滑油。6．項(xiàng)目的最后階段包括一臺(tái)軍用四缸機(jī)的設(shè)計(jì)，其中包含了對(duì)單缸機(jī)的測(cè)試。7．對(duì)于多缸機(jī)的啟動(dòng)，怠速和小負(fù)荷工況的工作性能必須不能被忽視。初步設(shè)計(jì)方案2一個(gè)對(duì)缸徑尺寸和功率輸出指標(biāo)的試驗(yàn)可以很快地顯示出引擎最高轉(zhuǎn)速的極限。從最小轉(zhuǎn)速 5000 rpm 開始，曲線清楚地顯示出轉(zhuǎn)速在 6000 及以上時(shí)，這些活塞的運(yùn)動(dòng)速度與賽車引擎的相當(dāng)。通過增加轉(zhuǎn)速來減小平均有效壓力的意義是重大的，fmep（這些估計(jì)都是根據(jù)筆者公司的一些過去的數(shù)據(jù)的分析，其中大部分被概括在圖1）的增加對(duì)指示平均有效壓力的減小幾乎沒有反饋。幾年來，自然吸氣柴油機(jī)被要求嚴(yán)格工作在冒煙界限以內(nèi)，因此其指示平均有效壓力只能提高到 145lb/in2 (1000kPa)；因此，渦輪增壓的測(cè)量方面有了一些要求。高速和高引擎磨擦帶來的惡果就是燃料的消耗。表格 1 中清楚地顯示了 bsfc 對(duì)曲線的迅速惡化，效果并不比汽油機(jī)來的好，所以會(huì)損失壓縮做功循環(huán)的主要利益。根據(jù)這種情況，就計(jì)劃將轉(zhuǎn)速限定在 6000 rpm。主要的表現(xiàn)問題在引擎的設(shè)計(jì)中所要求的可以被概括為以下幾項(xiàng):引擎的進(jìn)排氣—— 根據(jù)以往在高速小型柴油機(jī)上的經(jīng)驗(yàn)表明，進(jìn)排氣性能是活塞高速化時(shí)限制指示平均有效壓力的重要因素。因此，需要提供足夠大的充氣系數(shù)使得活塞速度能達(dá)到 3500 ft/min (17.8m/s)，比現(xiàn)有的柴油機(jī)水平高出 50%。這就必然要求設(shè)計(jì)脫離傳統(tǒng)的氣缸設(shè)計(jì)，包括更傾向于多氣門的設(shè)計(jì)（表 2） ；渦輪增壓帶來微小的變化，比如更高的進(jìn)氣溫度，最小的壓力損失和減小體積功率的變化。除此之外，渦輪增壓匹配要求需要被事先確定。對(duì)于車用引擎，由于對(duì)后備扭矩的需要，通常傾向于在額定的轉(zhuǎn)速前提下，最小化有效的推進(jìn)力。因此大尺寸的排氣門并不被強(qiáng)求。另外，絕對(duì)短的廢氣排放系統(tǒng)要求排氣速度盡可能低，排氣門面積與進(jìn)氣門相當(dāng)。3同時(shí)需要考慮的是氣門開啟時(shí)間的設(shè)置。在進(jìn)氣口，高速度通常聯(lián)系著較大的氣門關(guān)閉延時(shí)角，在柴油機(jī)里，一般為提前下止點(diǎn) 45 度，這將會(huì)連續(xù)地影響起動(dòng)性能，同時(shí)也犧牲一定的低速性能，更大程度上影響到引擎的自然扭矩儲(chǔ)備。對(duì)于排氣，因?yàn)闇u輪增壓的需要，排氣門在做功沖程結(jié)束前就要開啟，在高轉(zhuǎn)速下提前 60 度開啟并沒有什么優(yōu)勢(shì)。較大的氣門重疊角可以減少廢氣量和降低排氣系統(tǒng)各組成部分的溫度，同時(shí)可以最小化高轉(zhuǎn)速時(shí)充氣系數(shù)的降低程度。充氣系數(shù)與氣體的流動(dòng)有關(guān)。而由于活塞和氣門間余隙容積產(chǎn)生的機(jī)械問題將會(huì)對(duì)燃燒系統(tǒng)有負(fù)面的影響。燃燒問題——當(dāng)引擎達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速時(shí)，點(diǎn)火延時(shí)期的持續(xù)時(shí)間將是一個(gè)基本的問題。點(diǎn)火延時(shí)持續(xù)時(shí)間將是在引擎正常工作時(shí)影響轉(zhuǎn)速，壓縮條件和燃油噴射提前角的重要因素，而特殊的燃燒室結(jié)構(gòu)將會(huì)是另一個(gè)影響因素。CITE-R 燃油的最小十六烷值為 37，但其已測(cè)定的數(shù)據(jù)只適用在低速狀態(tài)下，并不能直接應(yīng)用在 6000 rpm 的高轉(zhuǎn)速引擎的預(yù)測(cè)中。然而，可以從這些有用的數(shù)據(jù)中，得到小型高速引擎在使用輕油（十六烷值為 55）時(shí)，以最小可起動(dòng)壓縮比時(shí)的表現(xiàn)，估測(cè)如表 1 所示（更高的壓縮比會(huì)導(dǎo)致額外的熱損失和最大氣缸壓力的增長(zhǎng)） 。這些數(shù)據(jù)指出在 6000 rpm 時(shí)使用CITE 燃油是可行的。但是在低負(fù)荷的情況下，要求入口溫度保持在室溫下，這對(duì)于采用渦輪增壓的機(jī)型是不可能的。表 1 – 達(dá)到要求轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性*發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 5000 6000 7000 平均活塞速度, ft/min (m/s) 過 2915 3500 4085(1480) (1775) (2070)要求的 bmep 轉(zhuǎn)速, lb/in 2 (kPa) 158 132 113(1090) (910) (780)預(yù)測(cè)多缸機(jī)的 fmep, lb/in2 (kPa)** 72 83 95(495) (575) (655)所有發(fā)動(dòng)機(jī)的 Imep, lb/in2 (kPa) 230 215 208(1585) (1485) (1435)4多缸機(jī)的 Bsfc , 采用 0.33 lb/inp.h(0.20 kg/kW.h), 0.48 0.54 0.61Lb/inp.h (lb/bhp.h (kg/kW.h) (0.29) (0.33) (0.37)* 2-1/2×3-1/2 in (88.9×88.9 mm) 缸徑的發(fā)動(dòng)機(jī)在 1 bhp/in3 (45.5 kW/cm3) 功率輸出。** 見圖 2燃油噴射時(shí)間由燃油噴射系統(tǒng)依靠后置式裝置控制，但是在現(xiàn)實(shí)中，開發(fā)新的噴射系統(tǒng)以替代傳統(tǒng)的脈沖式噴油泵系統(tǒng)是不可能的。在一個(gè)固定的節(jié)流孔噴口，需要考慮的是如何在 6000 rpm 下，以全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能有 60mm3 的噴射量，這就要求能提供合適的特性曲線，調(diào)整壓縮比在 11：1。直噴式的燃燒系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下延長(zhǎng)噴射時(shí)間，其結(jié)果是很嚴(yán)重，這就不得不采用固定的節(jié)流孔噴口。另外一個(gè)附加的問題就是大負(fù)荷下 DI 系統(tǒng)工作的困難性，特別是在更高的冒煙界線空燃比情況下，要求更大的功率以達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)。在 Ricardo 的早期研究中已經(jīng)表明，基于慧星漩渦式的燃燒室系統(tǒng)（見表 3） ，工作在 4500 rpm 的小型高速民用引擎通過改進(jìn)可以達(dá)到特殊應(yīng)用的目的。僅管有獨(dú)立的起動(dòng)裝置和完全多油路系統(tǒng)，但是主要可預(yù)見的問題是在高熱負(fù)荷的情況下，并沒有合適的 DI 系統(tǒng)；盡管如此，隨著可應(yīng)用于多缸機(jī)的內(nèi)置式輔助裝置的應(yīng)用，以及 CITE 燃油的限制，這些問題都不會(huì)很嚴(yán)重。表 2 – 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng) - 氣門面積和限制速度*合適的氣缸蓋布置的形式 氣門面積比例相對(duì)于缸徑的百分比 結(jié)果進(jìn)氣 排氣 Total rpm,max傳統(tǒng)的兩氣門自然進(jìn)氣 18 12 30 3900平頂燃燒室四氣門渦輪增壓 17 17 34 4000斜屋頂三氣門渦輪增壓 21 21 42 5000斜屋頂四氣門渦輪增壓 25 25 50 6000* 3-1/2 in (88.9 mm) 發(fā)動(dòng)機(jī)行程. 受限制的平均進(jìn)氣氣體速度: 自然進(jìn)氣,210 ft/s (64 m/s); 渦輪增壓, 230 ft/s (70 m/s).在項(xiàng)目開始的時(shí)候，一些 DI 系統(tǒng)被拿來做選擇，除此之外有一臺(tái) 4000 rpm 的試5驗(yàn)用單缸機(jī)以及相配套的已設(shè)計(jì)完成的 DI 系統(tǒng)版本。在那段時(shí)期，受制于噪聲，煙氣和獨(dú)特的廢氣排放法規(guī)，分離式燃燒室受到更多的重視，而在 DI 系統(tǒng)上的試驗(yàn)工作并沒有像現(xiàn)在一樣被提上議程。引擎的磨擦問題——與同樣尺寸大小的常規(guī)民用多缸高速渦輪增壓柴油機(jī)相比，很明顯，通過提高轉(zhuǎn)速和活塞速度可以顯著提高 fmep。在表 1 中可以清楚地看到，如果想到同時(shí)達(dá)到功率輸出和燃油消耗率兩項(xiàng)指標(biāo)是一個(gè)很大的問題。圖 2 所示是一臺(tái)典型的民用引擎 fmep/速度曲線圖，其估測(cè)的 fmep 是從高速多缸機(jī)的試驗(yàn)中獲得的。在這個(gè)測(cè)試中，一些柴油機(jī)機(jī)構(gòu)基本的機(jī)械磨擦的增值已被假定，直到渦輪增壓裝置增加氣缸壓力和采用更大的軸承以獲得可接受的可靠性。另外，進(jìn)排氣的泵氣損失將會(huì)大幅增加高速機(jī)的 fmep，除非能夠設(shè)計(jì)一個(gè)合適的氣門直徑并長(zhǎng)期保持不變。表 3 – 燃燒室特性 慧星式 直噴式漩渦式燃燒室 燃燒室特殊轉(zhuǎn)速 (受限于 A/F) 好 失敗燃燒控制和機(jī)械負(fù)荷 好 差熱負(fù)荷和熱損失 差 Poor 好獨(dú)立起動(dòng)性 差 Poor 好采用加熱塞的起動(dòng)性能 好 Good ----軸針類型 針式 多孔式排放 (NOx) 好 Good 差 r多燃料性能 差 失敗6按照汽油標(biāo)準(zhǔn)，該機(jī)型的單位機(jī)械效率將會(huì)很低，但經(jīng)驗(yàn)告訴我們，盡管在細(xì)節(jié)方面的設(shè)計(jì)可以獲得額外的收益，但是較低的水平仍然會(huì)隱藏在設(shè)計(jì)的規(guī)格里。單缸試驗(yàn)機(jī)基于對(duì)外形的考慮，單缸試驗(yàn)機(jī)的最后設(shè)計(jì)被確定，其基本尺寸為：缸徑×沖程：3-1/2 in ф×3-1/2 in (88.9mmф×88.9mm)；正常滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速范圍，3000-6000 rpm；最高氣缸爆發(fā)壓力，2500 lb/in 2(17.3Mpa)。氣缸爆發(fā)壓力也許比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定得稍高，過去的經(jīng)驗(yàn)顯示，設(shè)計(jì)如此一臺(tái)引擎是很危險(xiǎn)的，所以在試驗(yàn)過程中會(huì)造成不可遇見的局限性。事實(shí)上，最初可正常工作的DI 版本的設(shè)計(jì)為 3000 lb/in2(20.7Mpa)，但在隨后的慧星版本中有一定的減小。慧星渦旋燃燒室引擎的布局如圖 3-5 所示，整機(jī)的主要部件如圖 6 所示，如下所述：78曲軸箱——曲軸箱及其后蓋由球墨鑄鐵（BS 1452：1961，Grade 14）鑄成，兩者通過螺栓聯(lián)接。曲軸箱延用 Ricardo 設(shè)計(jì)的 E/6 可變壓縮比汽油機(jī)的曲軸箱，這就導(dǎo)致了燃燒室如 E/6 型機(jī)那樣，置于曲軸箱前端。有三個(gè)主要軸承，全部采用鉛青銅合金襯套，中間一個(gè)軸承采用止推軸承。后軸承作為曲軸的延長(zhǎng)軸的固定軸承，可以進(jìn)行調(diào)節(jié)軸向位置，所以不能分擔(dān)中間軸承承受的燃燒負(fù)荷。曲軸——曲軸由一次鍛造成形的滲氮鋼，BS 970:1955 En 40c。平衡重為整體式，9只用來平衡旋轉(zhuǎn)慣性力，同時(shí)設(shè)有平衡一階和二階往復(fù)慣性力的平衡軸。所有主軸頸和曲柄銷表面滲氮處理，三處主軸頸直徑，從前到后，分別為 3,3,and 2-3/8 in (76.2,76.2,and 60.4 mm)，曲柄銷直徑為 2-5/8 in (66.6mm)。連桿——為獲得較好的模具和避免多余的費(fèi)用開支，連桿的方案從民用機(jī)型上進(jìn)行選擇，最后選定了福特 2700 系列柴油機(jī)的連桿。連桿大頭可承受的最大氣缸爆發(fā)壓力為 3000 lb/in2，連桿小頭則通常不被考慮。因此在將該型連桿運(yùn)用到慧星漩渦燃燒室版本的引擎上時(shí)，要求其最大氣缸爆發(fā)壓力為 2500 lb/in2。軸承采用 2700 系列引擎上的型號(hào)，由 15%的錫鋁合金做成襯套，而小頭襯套采用預(yù)制的鋁青銅合金。除了在加工時(shí)要求仔細(xì)拋光和檢驗(yàn)連桿質(zhì)量外，連桿小頭應(yīng)盡可能減小寬度，以減小活塞銷座和活塞銷襯套的熱負(fù)荷和慣性負(fù)荷。加在連桿大頭固定螺栓上的扭矩高于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，以防止在 6000 rpm 時(shí)，當(dāng)活塞到達(dá)排氣上止點(diǎn)時(shí)螺栓帽脫落。軸承的提供者 The Glacier Metal Co.Ltd. 出了計(jì)算機(jī)計(jì)算的結(jié)果，表明所提供的軸承的工作范圍是合適的，盡管當(dāng)高速時(shí)連桿大頭將承受相當(dāng)大的慣性力?；钊突钊N——活塞由含硅 13%的鋁合金整體鑄造而成，性能為 BS 1490:1970 LM13WP，在斜屋頂燃燒室的有角度的一面上開有淺槽和雙凹槽?；钊捎脙傻罋猸h(huán)，第一道為桶形環(huán)，第二道為錐形的扭曲環(huán)；油環(huán)也作相應(yīng)的設(shè)置。為提高耐磨性，在10環(huán)的磨擦面上鍍銅。不鍍鉻是因?yàn)殄冦~的環(huán)性能已經(jīng)足夠了。雖然活塞高度太大（相對(duì)于柴油機(jī)的普遍標(biāo)準(zhǔn)）會(huì)使設(shè)計(jì)合適的活塞，活塞環(huán)和缸套變得困難，但是在這個(gè)機(jī)型里活塞仍按照實(shí)際需要被特意設(shè)計(jì)成較高的高度。盡管如此，這一些小問題根據(jù)被經(jīng)驗(yàn)所克服?；钊睦鋮s和連桿小頭的潤(rùn)滑是通過一個(gè)安裝在曲軸箱內(nèi)的固定噴嘴定時(shí)噴射實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)方法可以取消連桿大頭軸瓦處油槽的設(shè)計(jì)，從而使軸瓦完整。兩個(gè)活塞的改進(jìn)，盤式冷卻系統(tǒng)的安排，可形變式核心的設(shè)計(jì)都如圖所示。為獲得可行的冷卻方案，對(duì)活塞環(huán)帶的盤式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，承受從活塞頭部傳過來的氣體壓力的支桿被設(shè)計(jì)得近可能細(xì)，在這個(gè)區(qū)域里允許有額外的扭曲。形變式核心有著卓越的性能?；钊N材料為淬火鋼，直徑為 1-3/8 in (34.9mm)：缸套和水套—因?yàn)槭褂娩鰷u式燃燒室系統(tǒng)，在局部有較高的熱傳遞速率，伴隨有 2500 lb/in2的氣缸最大爆發(fā)壓力，使得在設(shè)計(jì)濕缸套的時(shí)候有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)傳統(tǒng)的鐵制氣缸套厚度設(shè)計(jì)，則會(huì)使第一道環(huán)反向點(diǎn)的表面溫度額外地上升。最后方案選擇使用鋼制氣缸套，在內(nèi)壁鍍上一層厚度為 0.0015 in (38μm)的堅(jiān)硬的鉻合金。越向頂部，氣缸套越薄，使得溫度能得以控制，但是較小的厚度將會(huì)削弱缸套的剛度，不利于抵御有水一側(cè)的沖擊。缸套的頂端被折邊以適當(dāng)?shù)倪^盈配合安裝在氣缸上部，下端裝有水封安置在曲軸箱頂部；其徑向定位由曲軸箱內(nèi)的氣缸螺栓提供，水封為通常的橡膠環(huán)。氣缸蓋總成——?dú)飧咨w以及連接架，是發(fā)動(dòng)機(jī)最復(fù)雜的部件，現(xiàn)在依舊有不少設(shè)計(jì)問題有待解決。如何設(shè)計(jì)合適的氣門和氣道成為其具有相當(dāng)難度的核心問題。在傳統(tǒng)的缸徑為 5-1/2 in 的柴油機(jī)中為氣門留有 3-1/2 in 的直徑位置，這樣可以為漩渦式燃燒室系統(tǒng)的活塞區(qū)域提供高達(dá) 5.7 ihp/in2 (0.66 indicated kW/cm2)的冷卻能力。僅管四氣門的布置在其它地方得到了充分的驗(yàn)證，但是在這個(gè)慧星漩渦式燃燒室做四氣門的布置并不十分恰當(dāng)，因此最后選定了三氣門的布置方案。斜屋頂?shù)念^部表面積是很重要的，一部分留給必要的氣門面積，但更多是用來預(yù)留額外的散熱空間。通常情況選擇使用兩個(gè)排氣門，以減小它們各自的尺寸，同時(shí)使用一個(gè)進(jìn)氣門。但是最終一個(gè)相反的方案被選定，同圖 8 所示。一對(duì)進(jìn)氣門布置在中央，因?yàn)榭紤]到如果11采用一對(duì)排氣門的話，較長(zhǎng)的排氣管會(huì)對(duì)燃燒室頂部強(qiáng)烈地加熱，對(duì)排氣門設(shè)計(jì)不利。不對(duì)稱的燃燒室和氣門布置以前也被研究過，但因其不能顯示出實(shí)際的優(yōu)勢(shì)和與多缸機(jī)的要求不符合而被舍棄。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，通過將加熱塞置于燃燒室較低的位置，采用所謂的延展式外形的慧星燃燒室以最小化空間。為了冷卻進(jìn)氣門、排氣門以及兩者之間的橋梁結(jié)構(gòu)，鉆孔是不可避免的，這就需要對(duì)燃燒室與水套之間的金屬層厚度做精確的控制，并且要求水套的表面保持清潔。漩渦燃燒室的加熱塞置于窄處，由 Nimonic 80A 合金精密鑄造而成，是一個(gè)輕型的定位于銅襯墊的上邊緣口，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)這樣的強(qiáng)化在一些地方需要直接冷卻，而不像民用發(fā)動(dòng)機(jī)那樣存在一個(gè)間隙用來迅速暖機(jī)。在燃燒室上部有一個(gè)由球墨鑄鐵制成的噴嘴。一個(gè)傳感器的觸點(diǎn)置于氣缸頂部的后端。輕型合金機(jī)座直接安裝在缸套的上邊緣，沒有用到襯墊，通過 8 個(gè)單頭螺柱垂直夾緊在水套的上邊緣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，燃?xì)獾臎_擊不構(gòu)成問題，設(shè)計(jì)的單頭螺柱滿足 1.4倍于滿負(fù)荷燃?xì)鉀_擊的要求。進(jìn)排氣的頂置凸輪軸采用 11 個(gè)螺栓，通過三角架布置在頂部，以確保安全。凸輪軸通過搖臂驅(qū)動(dòng)氣門的開啟和關(guān)閉，氣門間隙的調(diào)節(jié)通過對(duì)氣門挺柱頂端的墊片來實(shí)現(xiàn)。凸輪軸對(duì)于進(jìn)氣門關(guān)閉和排氣打開的時(shí)刻的控制是可行的。進(jìn)氣門的材料采用鋼BS 970:1955 En 59 “XB”，對(duì)于單獨(dú)的排氣門采用特殊的 21-4/n 奧氏體鋼，但根據(jù)12經(jīng)驗(yàn)，排氣門需要承受高溫，在頭部會(huì)發(fā)生穴蝕現(xiàn)象，因此在頭部采用 Nimonic 80 合金，并鑲有鉻合金。為了實(shí)現(xiàn)多缸機(jī)在質(zhì)量上的指標(biāo)，整機(jī)廣泛采用鋁合金材料，包括氣缸蓋和機(jī)體部分。氣缸蓋初始設(shè)計(jì)采用 BS 1490:1970 LM25WP Al-Mg-Si 合金，但該鑄件卻被證實(shí)在進(jìn)氣口附近存在多孔滲水現(xiàn)象。因此在鑄造方面做了相關(guān)改進(jìn)，材料也被改成高溫RR 350 Al-Cu-Ni-Co-Sb-Zr 合金。之后鑄件就再也沒有出現(xiàn)過大的松孔，但隨之而來的是進(jìn)排氣門之間的橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。冶金實(shí)驗(yàn)證明微孔收縮和薄膜都是在鑄造中形成的，但是這些缺陷是非常嚴(yán)重的，通過一對(duì)固定的熱電偶對(duì)稱置于橋梁結(jié)構(gòu)不同深度處，以選擇合適的插入點(diǎn)的方法，因?yàn)槲锢砩系脑蛟谶@里是不適用的。如表 4 所示的這些實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)按照最初的設(shè)計(jì)程序計(jì)算得出來的數(shù)據(jù)，如圖 4 所示，采用 Lm25WP 的合金時(shí)，材料處于正常工作范圍的邊緣，采用 RR 350 時(shí)材料失效并不僅僅是熱疲勞影響。在對(duì)設(shè)計(jì)做了一定的修改后，加強(qiáng)了橋梁結(jié)構(gòu)的冷卻和強(qiáng)度，同時(shí)減小了進(jìn)排氣門的直徑，分別為 1.050 in (26.7mm)和 1.505 in (38.2mm)，在室溫下經(jīng)過機(jī)械負(fù)荷測(cè)試時(shí)，得知缸蓋甚至只是在裝配后就會(huì)發(fā)生一定的扭曲變形。微型應(yīng)變儀被應(yīng)用在這些橋梁結(jié)構(gòu)，氣門座，氣缸蓋總成，裝配，整機(jī)的扭矩和氣缸體所承受的氣缸爆發(fā)壓力是很合適的。測(cè)定的結(jié)果，與一臺(tái)相似的技術(shù)成熟的，采用鋁制氣缸蓋的民用兩氣門柴油機(jī)相比較，比較結(jié)果見圖 9，證明在冷態(tài)時(shí)兩種機(jī)型的橋梁結(jié)構(gòu)都存在明顯的預(yù)應(yīng)力，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作會(huì)被熱應(yīng)力負(fù)荷所抵消。對(duì) RR 350 材料的冷態(tài)結(jié)果分析表明，在溫度上升后，有足夠的安全系數(shù)保留，也沒有明顯的缺陷問題。表 4 – 氣缸頂部中央的熱流和溫度*估測(cè) 標(biāo)準(zhǔn)局部熱流, 518,000 475,000Btu/ft2.h (MW/m2) (1.63) (1.5)缸壁一側(cè)的溫度 504 525F (C) (262) (279)推斷* 轉(zhuǎn)速: 215 lb/in 2 (14.85 bar) at 6000 rpm. 13現(xiàn)在設(shè)計(jì)的氣缸蓋，已經(jīng)證明其失效時(shí)間為早期設(shè)計(jì)的 2 倍，可以說以上所說的問題都已經(jīng)克服，一個(gè)可行的氣缸蓋設(shè)計(jì)已經(jīng)成形。正時(shí)驅(qū)動(dòng)平衡齒輪——一個(gè)后置蓋將整個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)罩住，下方是兩個(gè)主平衡軸傳動(dòng)齒輪和兩個(gè)二級(jí)兩倍速的平衡軸傳動(dòng)齒輪，在上方是一個(gè)一倍的減速齒輪。平衡軸位于曲柄行程的下方。平衡軸以鋼棒材為毛坯，一端磨削后壓入薄鐵管，使其有光滑的外表面以減少動(dòng)力損失和機(jī)油的攪動(dòng)。從定時(shí)齒輪箱伸出的半速輸出軸前端與噴油泵相聯(lián)，后端與齒形帶輪聯(lián)接。兩根頂置凸輪軸通過 1：1 的同步帶輪與位于缸蓋總成齒輪的副軸相聯(lián)接；這根副軸有一定的撓性，以允許將來需要改進(jìn)時(shí)，燃燒室的改變和氣門位置的布局能夠得以實(shí)現(xiàn)。深溝球軸承被應(yīng)用于正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)。燃油噴射系統(tǒng)——在更早的時(shí)候，就開始采用傳統(tǒng)的高壓燃油噴射泵系統(tǒng)，之后又開始對(duì)適用在本機(jī)型，轉(zhuǎn)速在 3000 rpm 的噴射泵的研究。該工作單元是從一臺(tái)適用14于 3000 rpm，兩沖程三缸機(jī)的噴油泵上改進(jìn)而成的，其單獨(dú)的動(dòng)力學(xué)原理需要在高速下得以驗(yàn)證。為獲得足夠高的噴射速度和噴油量，一種新的凸輪軸被開發(fā)出來，這樣三個(gè)單獨(dú)的工作單元可以相互聯(lián)系起來。噴油泵通過一個(gè)手動(dòng)的調(diào)速器控制，以使得在調(diào)節(jié)噴油時(shí)刻時(shí)不用停機(jī)。在噴油泵附近靠近水套的地方允許有一短的高壓油管，而傳統(tǒng)的 S 號(hào)的軸針式噴嘴正好合適。民用發(fā)動(dòng)機(jī)上的軸針熱屏蔽裝置可以用來保持軸針尖較低的溫度。冷卻回路——通過一個(gè)外置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻液高速流動(dòng)，同時(shí)在主循環(huán)上還安有一流量計(jì)。引擎的冷卻回路是一個(gè)平行系統(tǒng)，冷卻液同時(shí)從幾個(gè)入水口進(jìn)入。在氣缸水套底部開有兩個(gè)互不干涉的孔，冷卻液通過這兩個(gè)孔經(jīng)過缸套和缸套邊緣的壓邊處。然后冷卻液經(jīng) 12 個(gè)在缸蓋和水套之間的缸蓋熱圈上的孔進(jìn)入氣缸蓋。另一條水路是在氣缸頂部的橋梁結(jié)構(gòu)上鉆有四個(gè)孔，冷卻水流在進(jìn)入主循環(huán)前先流經(jīng)進(jìn)氣門周圍的橋梁結(jié)構(gòu)。缸蓋通過一個(gè)單獨(dú)的排水通道與排氣門相聯(lián)。潤(rùn)滑油路——同樣，一個(gè)單獨(dú)的機(jī)油泵用來提供潤(rùn)滑油，以滿足對(duì)潤(rùn)滑和活塞冷卻的要求；流量計(jì)安置在一條獨(dú)立的通路上。所有的潤(rùn)滑油經(jīng)過機(jī)體內(nèi)分離的鉆孔和外部管道相聯(lián)，經(jīng)驗(yàn)表明在典型的發(fā)動(dòng)機(jī)上，這樣的布置可以最大程度上減少成本。低壓供油給氣門結(jié)構(gòu)。機(jī)油箱是干式的，同時(shí)有一定的加壓以防止機(jī)油浸到平衡軸上。發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)引擎的燃燒系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)的改進(jìn)并不是同時(shí)進(jìn)行的，而且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)并沒有做最優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，這里所引證的數(shù)據(jù)只是表明指標(biāo)要求能夠達(dá)到，而不是為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能做最優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)然，更多的成果也是被期待的，特別是在超過轉(zhuǎn)速范圍時(shí)的平衡性和在超高速下燃燒系統(tǒng)的機(jī)械和熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。測(cè)試安裝——發(fā)動(dòng)機(jī)與電子應(yīng)變測(cè)量計(jì)相聯(lián)，也可與駕駛單元相聯(lián)接。冷卻液出口和潤(rùn)滑油入口溫度可以通過水冷散熱交換器自動(dòng)控制。壓縮空氣由獨(dú)立的空氣壓縮15機(jī)提供，中間聯(lián)有一個(gè) ALCOCK 滯流空氣流量計(jì)，另有一個(gè)中冷器，用來控制進(jìn)氣溫度和減少?zèng)_擊效應(yīng)。排氣管通過一根短管與一個(gè)膨脹室相連，在出口處壓力得到控制；在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的增壓模擬中，一個(gè)氣室或一排管道被用來進(jìn)氣。其測(cè)試安裝結(jié)果如圖 10 所示。通常的測(cè)試方法是，通過改變噴油量，控制引擎工作在一定的負(fù)荷范圍以上，并保持一定的轉(zhuǎn)速，而進(jìn)氣量和排氣管背壓保持與對(duì)照樣機(jī)相同。這樣并不是模擬增壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在相同的負(fù)荷范圍內(nèi)，而是通過這些數(shù)據(jù)大致地預(yù)測(cè)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況。根據(jù)表現(xiàn)出來的發(fā)動(dòng)機(jī)的特征結(jié)果，在相同的進(jìn)氣量和背壓的情況下，對(duì)中斷結(jié)果和動(dòng)力磨擦的情況的分析，允許對(duì)多缸機(jī)指標(biāo)的推測(cè)。由于 CITE 燃料在英國(guó)供給困難，USATAC 贊成使用本質(zhì)上相同的航空用低烷值燃油（D.Eng R.D.2486） ，其十六烷值為 37。一些實(shí)驗(yàn)也使用 C.I.油料，是一種本質(zhì)上與ASTM Grade 2-D 柴油相似的燃油，其十六烷值為 55。測(cè)試工作——對(duì)這臺(tái)機(jī)械部分改進(jìn)的新型的發(fā)動(dòng)機(jī)，大部分測(cè)試工作表明其完全達(dá)到了 215 lb/in2 (1485 kPa) imep 的指標(biāo)要求。一些數(shù)據(jù)也表明，在達(dá)到滿負(fù)荷工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)降到 3000 rpm。在開始測(cè)試時(shí)，在 6000 rpm 的轉(zhuǎn)速下其冒煙界線是可以接受的，但在排氣管邊緣的熱電偶測(cè)得的排氣溫度過高，達(dá)到了 1650F (900C)。這是由于非常長(zhǎng)的噴射時(shí)間和16延遲燃燒造成的。對(duì)燃油噴射系統(tǒng)的改進(jìn)減低了噴嘴的噴射速度，但是只是在名義上有大量的減少，在噴嘴口處，只有 20%的減少量在噴射時(shí)間內(nèi)。對(duì)噴射系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算出現(xiàn)另人失望的結(jié)果是自然的。因此就需要像一開始一樣，對(duì)高排氣溫度時(shí)固有的熱力問題在高排氣溫度進(jìn)行研究和尋找設(shè)計(jì)解決方案。在負(fù)荷范圍內(nèi)，在進(jìn)氣壓縮比為 1.9 和 6000 rpm 時(shí)，兩個(gè)燃料的性能如圖 11 所示，而其典型的氣缸爆發(fā)壓力和軸針抬起高度如圖 12 所示。從以上數(shù)據(jù)可得知，增壓對(duì)于兩種燃料達(dá)到性能指標(biāo)都是非常有效的，其在冒煙邊界的 A/F 值為 0.055。這些值得注意的數(shù)據(jù)結(jié)果證明，最后燃油注入燃燒室的時(shí)刻為 40 deg atdc，這可以歸功于慧星燃燒系統(tǒng)出色的混合氣能力，特別是在活塞凹陷處非常有效的氣體流動(dòng)。在使用輕油時(shí)，慧星燃燒室可以達(dá)到最適宜的起動(dòng)性能，但在使用對(duì)點(diǎn)火要求更低要求的航空低辛烷值燃油時(shí)，它就不可能達(dá)到在相同的進(jìn)氣壓力下相同的燃燒效果，不可避免地會(huì)有些損失。在小負(fù)荷時(shí)不能發(fā)火的問題同樣也在使用航空低辛烷值燃油時(shí)體現(xiàn)出來，增加一定的進(jìn)氣溫度可能成為必要的措施—多缸機(jī)使用一根進(jìn)氣總管—采用對(duì)冷卻液特殊控制的二次冷卻器成為必要的手段。從氣缸爆發(fā)壓力圖表上可得知，氣缸最大爆發(fā)壓力在高速的情況下，可以測(cè)得其值在滿負(fù)荷時(shí)為 1475 lb/in2 (10.2MPa)。在恒定的進(jìn)氣壓力和最適宜的噴油時(shí)刻時(shí)，使用輕油的速度曲線如圖 13 所示，噴油時(shí)刻的改變?nèi)鐖D 11 所示。應(yīng)該指出在燃燒室低轉(zhuǎn)速輸出時(shí)相對(duì)于高轉(zhuǎn)速下的要求有所降低，盡管隨著更大的改進(jìn)也會(huì)有相應(yīng)的改進(jìn)?，F(xiàn)在相當(dāng)小的氣門被應(yīng)用，而早期的進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻為 40 deg abdc，其體積效率在 5000 rpm 時(shí)下降，但是多缸機(jī)對(duì)扭矩的儲(chǔ)備要求還是可以接受的。1718多缸機(jī)的可能性在對(duì)單缸機(jī)試驗(yàn)完成時(shí)，還沒有認(rèn)為值得花時(shí)間對(duì)多缸機(jī)的進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。但是，為了獲得對(duì)今后整機(jī)樣式的大致了解，一些可能的四缸機(jī)方案草圖還是有的，其前端視圖和側(cè)視圖如圖 14 所視。該發(fā)動(dòng)機(jī)的正視圖表現(xiàn)了單列、干機(jī)油箱的設(shè)計(jì)，它的氣缸蓋除了采用整體式缸蓋外，本質(zhì)上與單缸機(jī)的相同。渦輪增壓器安裝在飛輪上方，與進(jìn)入總管和中冷器相聯(lián)接。該引擎，包括各個(gè)輔配件，包括飛輪長(zhǎng) 31-3/4 in (806 mm)，高 32-3/4 in (831) mm)，寬 24 in (609 mm)，單位質(zhì)量功率為 9.3 bhp/ft3 (245 kW/m3)。為了達(dá)到特定的重量要求，其干重量必需達(dá)到 470 lb (213 kg)。其質(zhì)量與排量比為 3.49 lb/in3 (0.096 kg/cm3)，而傳統(tǒng)的車用柴油機(jī)的質(zhì)量與排量比為3-5 lb/in3 (0.08-0.14 kg/cm3)。19基于單缸試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為該機(jī)型設(shè)計(jì)的制動(dòng)器的性能也基本上達(dá)標(biāo)了。在4000 rpm 時(shí)要求有 10%的扭矩儲(chǔ)備要求，因此，作為一臺(tái)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)達(dá)到了扭矩的要求。在 4000 rpm 以下，供油量需要削減以保持其排煙有約 5%的不透明度，這樣在低速時(shí)就可能獲得一定的性能增長(zhǎng)。進(jìn)氣壓縮比被要求在通過中冷器損失后還有 2.7，其最大的氣缸爆發(fā)壓力為 1950 lb/in2 (13.5 MPa)。排放情況在單缸機(jī)上并沒有做測(cè)定，但是慧星漩渦式燃燒室已經(jīng)被證明其擁用極低的排放，特別是是氮氧化物方面，倘若不發(fā)火的問題能夠得到解決，那么這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)滿足 1975C.A.R.B 的要求也就成為可能。20概括和總結(jié)在 USATAC 發(fā)起的設(shè)計(jì)和測(cè)試過程中，達(dá)到高效的輸出 1 bhp/in3 (45.5 kW/cm3)和低重量的柴油機(jī)的可能性也曾被研究過，采用高轉(zhuǎn)速和一般的活塞運(yùn)動(dòng)速度，分別為 6000 rpm 和 3500 ft/min (17.75m/s)。預(yù)測(cè)要達(dá)到的目標(biāo)是 imeps 達(dá)到 215 lb/in2 (1485 kPa)，因此也就需要采用渦輪增壓系統(tǒng)。在研究一開始所涉及到的三個(gè)主要問題：1. 引擎的進(jìn)排氣系統(tǒng)，主要是盡可能提供比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更大的氣門面積。2. 燃燒，包括最基本的在很短的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓燃的問題，也有燃油噴射系統(tǒng)和燃燒室的選型。3. 發(fā)動(dòng)機(jī)的磨擦，對(duì) bfc 的控制。從以上幾點(diǎn)考慮，一個(gè)單缸試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)提了出來，包括對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)和燃燒等細(xì)節(jié)問題的研究。1. 使用 Ricardo 設(shè)計(jì)的慧星漩渦燃燒室系統(tǒng)。2. 采用斜屋頂燃燒室頂部設(shè)計(jì)，以便提供足夠的氣門安裝空間。3. 雙進(jìn)氣門和單排氣門設(shè)計(jì)。4. 合理地對(duì)機(jī)械部分做出設(shè)計(jì)，以應(yīng)付在特殊地試驗(yàn)條件下對(duì)很高氣體爆發(fā)壓力的抵抗要求，以及設(shè)計(jì)適應(yīng)高熱應(yīng)力的冷卻系統(tǒng)。測(cè)試工作表明設(shè)計(jì)的指標(biāo)可以達(dá)到，盡管改進(jìn)工作還沒有完成，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示進(jìn)排氣系統(tǒng)和采用慧星燃燒室的燃燒系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 6000 rpm，這還是在采用傳統(tǒng)的高壓燃油噴射泵的情況下。采用 CITE 燃油也可能是出現(xiàn)這種情況的原因。最初為軍事目的設(shè)計(jì)的，背包大小，特殊功率要求的 4 缸試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)制造完成。致謝作者非常感謝文中所提及的美軍坦克研發(fā)中心在這個(gè)項(xiàng)目的大力支持，也很感謝他們和 Ricardo & Co.對(duì)論文出版的許可。21參考文獻(xiàn)1. B.W.Millington and E.R.Hartles, “Frictional Losses inDiesel Engine.” SAE Transactions, Vol.77 (1968), paper 680590.2. C.J.Walder, “Some Problems Encountered in the Design and Development of High Speed Diesel Engines.” SAE Transactions, Vol.74(1966), paper 650025.3. W.T.Lyn and E.Valdmanis, “The Effects of Physical Factors on Ignition Delay.” Paper 689192 presented at SAE Automotive Engineering Congress, Detroit, January 1968. 4. C.C.J.French, “Taking the heat off the Highly Boosted Diesel.” SAE Transactions, Vol.78 (1969), paper 690463.5. C.J.Walder, “The Reduction of Emissions from Diesel Engines.” Paper 7320214 presented at SAE Automotive Engineering Congress, Detroit, January 1973.