《內(nèi)燃機(jī)學(xué) 第5版》 課件 第11章 內(nèi)燃機(jī)的概念設(shè)計(jì)

第十一章第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)要求

使用性能要求經(jīng)濟(jì)性要求環(huán)保性要求內(nèi)燃機(jī)功率轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)矩特性等動(dòng)力性參數(shù)應(yīng)滿足汽車和其他工作機(jī)械的使用要求。外形安裝方面的使用要求。整機(jī)重量和尺寸的使用要求。1、使用性要求

2、經(jīng)濟(jì)性要求燃料經(jīng)濟(jì)性的要求。制造經(jīng)濟(jì)性的要求可靠和耐久性要求維修方便性要求內(nèi)燃機(jī)的排放應(yīng)滿足法規(guī)要求。振動(dòng)噪音水平應(yīng)滿足法規(guī)要求。制造過(guò)程的環(huán)保性要求。報(bào)廢銷毀過(guò)程的環(huán)保性要求。3、環(huán)境性要求動(dòng)力性←→經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾經(jīng)濟(jì)性←→排放性之間的矛盾成本←→動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性和可靠性之間的矛盾……4、性能要求的折中第二節(jié)內(nèi)燃機(jī)類型的選擇

燃料的選擇沖程數(shù)的選擇冷卻方式的選擇氣缸數(shù)和氣缸布置的選擇進(jìn)氣狀態(tài)的選擇1、燃料的選擇汽油與柴油理化特性對(duì)比汽油柴油沸點(diǎn)低高燃點(diǎn)高低揮發(fā)性好差低熱值相當(dāng)相當(dāng)混合氣熱值相當(dāng)相當(dāng)1、燃料的選擇汽油機(jī)與柴油機(jī)的性能對(duì)比汽油機(jī)柴油機(jī)著火方式點(diǎn)燃?jí)喝脊β收{(diào)節(jié)變量變質(zhì)壓縮比低高燃油經(jīng)濟(jì)性差好最高爆發(fā)壓力低高振動(dòng)噪聲水平低高排放控制較易難單機(jī)功率可以很小可以很高2、沖程數(shù)的選擇

二沖程機(jī)小功率輕便汽油機(jī)低速船用機(jī)四沖程內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)？3、冷卻方式的選擇液體冷卻有效、均勻、穩(wěn)定、強(qiáng)化潛力大，因此被絕大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)采用。風(fēng)冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)沙漠干旱嚴(yán)酷條件適應(yīng)性好。相同情況下，風(fēng)冷功耗高5％~10％。風(fēng)冷內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲較大。風(fēng)冷氣缸蓋局部高熱負(fù)荷區(qū)不易得到充分的冷卻，影響了可靠性和耐久性。大缸徑或增壓內(nèi)燃機(jī)熱負(fù)荷重，更不宜采用風(fēng)冷。風(fēng)冷vs液體冷卻←→混合冷卻4、氣缸數(shù)和氣缸布置的選擇氣缸數(shù)柴油機(jī)：?jiǎn)胃住?、4、5、6、8、12、16汽油機(jī)：?jiǎn)胃住?、3、4、6、8、12氣缸布置立式、臥式、直列、斜置、V、W發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)和布置方式由使用條件決定。臥式單缸機(jī)立式單缸機(jī)、多缸機(jī)V6、V8W12斜置式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)布置方式舉例5、進(jìn)氣狀態(tài)的選擇增壓是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化的最有效手段。渦輪增壓利用了部分排氣能量，提高機(jī)械效率，使燃油消耗率有所改善。增壓是降低柴油機(jī)排放的重要技術(shù)措施。自然吸氣VS增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣狀態(tài)選擇取決于發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用條件。第三節(jié)內(nèi)燃機(jī)基本參數(shù)的選擇

內(nèi)燃機(jī)的平均有效壓力pme、活塞平均速度vm、轉(zhuǎn)速n、氣缸直徑D和活塞行程S、氣缸數(shù)i等基本參數(shù)，反映了內(nèi)燃機(jī)的工作性能和品質(zhì)。正確選擇這些參數(shù)，才能保證所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品有生命力。一、平均有效壓力

二、活塞平均速度

vm

＞9m/s

高速機(jī)

vm＝6~9m/s中速機(jī)

vm

＜6m/s低速機(jī)1．對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

vm提高導(dǎo)致pme下降。2．對(duì)機(jī)械負(fù)荷的影響

vm提高使慣性力增大，機(jī)械應(yīng)力平方增加。3．對(duì)熱負(fù)荷的影響相同pme的情況下，轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷增加。4．對(duì)磨損和壽命的影響隨著vm的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損加劇，壽命可能下降。

三、氣缸直徑D和氣缸數(shù)i汽油機(jī)的氣缸軸徑：～100mm；車用汽油機(jī)的D=60~90mm柴油機(jī)的氣缸直徑：

60~1000mm，車用柴油機(jī)D=80~140mm

汽油機(jī)的氣缸數(shù)：1,2,3,4,6,8,12柴油機(jī)的氣缸數(shù)：1,2,3,4,5,6,8,12,16發(fā)動(dòng)機(jī)的D,i,S往往根據(jù)排量要求進(jìn)行規(guī)整四、行程缸徑比S/D和活塞行程S

1．S/D對(duì)升功率PL的影響:

汽油機(jī)，S/D減小，使PL增大。2．S/D對(duì)燃燒室形狀的影響:

S/D小的短行程內(nèi)燃機(jī)的燃燒室變小，燃燒室不緊湊。3．S/D對(duì)散熱的影響：相同條件時(shí)，S/D下降使D增大，水套的熱量減少。4．S/D對(duì)外形尺寸的影響：

總體考慮發(fā)動(dòng)機(jī)S/D五、綜合評(píng)價(jià)參數(shù)

綜合評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)選型和基本參數(shù)選擇的合理性。升功率PL（kW/L）活塞面積功率PF

（kW/L）

比質(zhì)量Mo（kg/kW）比體積Vo（L/kW）第四節(jié)內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)程序與方法

一、方案設(shè)計(jì)階段

二、技術(shù)設(shè)計(jì)階段

三、樣機(jī)試制和調(diào)試階段

四、鑒定和投產(chǎn)階段

一、方案設(shè)計(jì)階段典型流程:

在技術(shù)設(shè)計(jì)階段對(duì)選定的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，以最終確定內(nèi)燃機(jī)的總布置設(shè)計(jì)，完成所有零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)，選配好所有附件，完成全套圖樣和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、計(jì)算書(shū)等技術(shù)文件。二、技術(shù)設(shè)計(jì)階段

三、樣機(jī)試制和調(diào)試階段

試制出一批樣機(jī)，進(jìn)行整機(jī)性能調(diào)試以達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，進(jìn)行機(jī)械方面的研究與改進(jìn)以達(dá)到要求的可靠性和工作壽命。四、鑒定和投產(chǎn)階段新產(chǎn)品定型鑒定：新的內(nèi)燃機(jī)樣機(jī)通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)并達(dá)到技術(shù)任務(wù)書(shū)的要求后，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行。小批試生產(chǎn)：通過(guò)鑒定后，先進(jìn)行試生產(chǎn)，以考察工藝裝備的穩(wěn)定性。批量生產(chǎn)：定期抽取產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，以監(jiān)督產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)主要零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、活塞組

二、連桿、曲軸及軸承

三、機(jī)體與氣缸蓋

一、活塞組活塞組:包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷等，是活塞式內(nèi)燃機(jī)中重要組件。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1、功用與工作條件2、基本結(jié)構(gòu)和材料3、活塞的耐熱設(shè)計(jì)4、活塞和活塞銷的傳力設(shè)計(jì)5、活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)6、活塞與活塞環(huán)的密封設(shè)計(jì)（一）活塞的工作條件活塞頂要承受氣缸內(nèi)氣體壓力、溫度的作用?；钊M承受很高的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷；活塞頂所受的壓力傳給連桿和曲軸。銷座內(nèi)上側(cè)應(yīng)力集中；活塞環(huán)既要在盡可能小的摩擦損失下保證漏氣少，又要在很高的壓力、溫度下和極少的潤(rùn)滑油的條件下保證足夠的耐久性；活塞組還要承受連桿擺動(dòng)造成的側(cè)向力；活塞組運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。（二）基本結(jié)構(gòu)和材料中小功率高速內(nèi)燃機(jī)常用整體鑄造的鋁合金活塞（下圖），簡(jiǎn)單輕巧。汽油機(jī)活塞（b）由于機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷均較低，所以比柴油機(jī)活塞（a）更加輕巧。

圖11-2整體式鋁合金活塞a)柴油機(jī)活塞b)汽油機(jī)活塞

為了使內(nèi)燃機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，減小整機(jī)高度和質(zhì)量，減小往復(fù)慣性力，活塞總高度H、特別是壓縮高度H1應(yīng)盡可能縮小。

尺寸比例汽油機(jī)柴油機(jī)H1／D0.35~0.600.50~0.80H／D0.60~1.000.90~1.40H2／D0.40~0.800.50~0.90h／D0.04~0.100.12~0.20d／D0.22~0.300.30~0.40表11-1活塞的主要尺寸比例（以缸徑D為基準(zhǔn)）

制造活塞的材料應(yīng)有小的密度ρ、足夠的高溫強(qiáng)度б、高的熱導(dǎo)率λ、低的熱脹系數(shù)α以及良好的摩擦性能（減摩性和耐磨性）。材料共晶鋁硅合金過(guò)共晶鋁硅合金合金鑄鐵AlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNiAlSi12CuMgNi含Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)×10011~1317~1923~261.8~2.1密度ρ/（kg·L-1）2.702.682.667.3工藝方法硬鑄鍛壓硬鑄鍛壓硬鑄砂鑄20℃時(shí)抗拉強(qiáng)度б20/（N·mm-2）200~250300~370180~220230~300170~210245~345250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度б250/（N·mm-2）100~150110~170100~140100~160100~140245~34520~250℃間熱導(dǎo)率λ20－250/（W·m-1·K-1）155~160160~165145~150157~163135~14033~4620~200℃間線脹系數(shù)α20－200/（10－6·K－1）21.021.419.920.319.311~12250℃時(shí)彈性模數(shù)E250／（N·mm－2）7250074000750007600081000108000~137000表11-2活塞材料的主要性能由燃?xì)鈧鹘o活塞的熱量大部分經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸再傳到冷卻介質(zhì)，一部分經(jīng)活塞內(nèi)壁傳給曲軸箱內(nèi)的油霧和空氣，小部分經(jīng)裙部傳給氣缸。汽油機(jī)活塞的熱負(fù)荷一般較小。柴油機(jī)由于燃燒過(guò)程的持續(xù)高溫高壓、強(qiáng)湍流、強(qiáng)輻射的特點(diǎn)，其熱負(fù)荷遠(yuǎn)高于汽油機(jī)。所以，活塞的耐熱設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)柴油機(jī)。（三）活塞的耐熱設(shè)計(jì)要盡可能減小活塞頂?shù)氖軣岜砻娣e，因此平頂活塞是最佳選擇。但直噴柴油機(jī)的活塞頂形狀復(fù)雜的燃燒室，使熱負(fù)荷加重。一般鋁合金活塞頂最高溫度不應(yīng)超過(guò)350℃。為了提高鋁活塞頂?shù)哪蜔嵝裕刹捎藐?yáng)極氧化處理，生成硬質(zhì)氧化鋁薄膜。頂面噴涂ZrO2陶瓷層，也可提高活塞頂?shù)哪蜔嵝浴Ｓ行┗钊_(kāi)始采用高合金奧氏體鑄鐵護(hù)圈或用Al2O3+SiO2纖維、SiC或Al2O3顆粒強(qiáng)化的鋁合金復(fù)合材料來(lái)強(qiáng)化環(huán)槽和燃燒室。（1）活塞頂

汽油機(jī)的活塞頭部斷面一般都在滿足強(qiáng)度條件下盡量薄，以求輕量化。柴油機(jī)鋁活塞頭部一般很厚實(shí)，以便熱的導(dǎo)出。從頂部到環(huán)帶有很大的過(guò)渡圓角R，可降低活塞頂?shù)臏囟群突钊^部的熱應(yīng)力。（2）活塞頭部斷面

活塞環(huán)對(duì)活塞頭部的散熱起很大作用，尤其第一道環(huán)的熱流量最大。所以，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)幕鹆Π陡叨萮（圖11-2a）。h增大可降低第一道活塞環(huán)溫度，但使活塞頂溫度提高，同時(shí)活塞高度增大。第一活塞環(huán)槽的溫度不應(yīng)超過(guò)240℃，否則潤(rùn)滑油可能結(jié)膠甚至碳化，使活塞環(huán)在環(huán)槽中失去活動(dòng)性，從而喪失其密封和傳熱功能。（3）火力岸高度

（4）強(qiáng)制冷卻

如果在噴油冷卻的活塞環(huán)帶鉆幾個(gè)盲孔，可使第一環(huán)槽的溫度下降20℃左右（圖11-3）。圖11-3活塞環(huán)帶鉆孔對(duì)噴油冷卻活塞溫度場(chǎng)的影響當(dāng)柴油機(jī)活塞功率PF＞0.2kw/時(shí)，需要向活塞內(nèi)壁噴油冷卻，一般通過(guò)固定在機(jī)體內(nèi)壁上的噴嘴噴機(jī)油。a)有4個(gè)φ4mm的鉆孔（D=110mm）b)無(wú)鉆孔圖11－4帶鹽芯鑄出油腔（左）與帶中空環(huán)槽鑲?cè)Γㄓ遥r(shí)活塞溫度場(chǎng)的比較如果活塞功率PF＞0.3kw/時(shí)，為保持正常的活塞工作溫度，需要在活塞上鑄出冷卻油腔（圖11-4左）。用油腔冷卻的活塞可使第一環(huán)槽溫度下降20~30℃。

圖11-4右半部分表示的中空環(huán)槽圈，是在鑲?cè)Φ膬?nèi)側(cè)焊上由不銹鋼板滾軋成斷面呈［形的圓環(huán)制成的，它使第一環(huán)槽的溫度比一般油腔結(jié)構(gòu)下降25℃以上。由于結(jié)構(gòu)上的限制，活塞銷的直徑d不可能超過(guò)0.4D（表11-1），活塞銷的長(zhǎng)度不可能超過(guò)0.85D，因此活塞銷總的承壓面積極為有限。不論在銷與銷座之間，還是在銷與連桿之間，承壓面積都很小，表面比壓很高?；钊N與銷座或活塞銷與連桿襯套之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低，液體潤(rùn)滑油膜不易形成。在這種高壓低速條件下，要保證可靠的液體潤(rùn)滑，配合副的工作間隙要盡可能小。（四）活塞與活塞銷的傳力設(shè)計(jì)

對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，如在銷座上側(cè)挖一個(gè)圓弧坑A（圖11-5b），并在銷孔內(nèi)側(cè)加工出長(zhǎng)3~4mm、錐角1°~2°的微錐度孔，再在邊緣上倒一個(gè)小圓角R，可使最大邊緣負(fù)荷減小40％左右?；钊c活塞銷工作時(shí)彎曲變形互不協(xié)調(diào)會(huì)在銷座孔內(nèi)上側(cè)引起嚴(yán)重的邊緣負(fù)荷（圖11-5a），可能造成銷孔永久變形甚至使銷座裂開(kāi)圖11-5活塞銷座邊緣負(fù)荷的減輕高增壓柴油機(jī)中，氣壓力負(fù)荷很大，活塞銷座孔上半部和連桿小頭襯套孔下半部的負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出相對(duì)的另一半部。這時(shí)，采用斜切的或階梯形的銷座，配上相應(yīng)斜切的或階梯形的連桿小頭，可充分利用活塞銷的有效承壓面積（圖11-6）。圖11-6用斜切的（左）或階梯形的（右）銷座減小承壓面上的比壓活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向作用由裙部完成。為保證良好的導(dǎo)向，裙部要有足夠的長(zhǎng)度H2（表11-1），且與氣缸的配合間隙小，以減輕活塞在連桿擺動(dòng)引起的側(cè)向力作用下從貼緊氣缸的一側(cè)到貼緊另一側(cè)時(shí)對(duì)氣缸的“拍擊”?；钊怪辉诖怪被钊N軸線的方向承受側(cè)向力，所以應(yīng)保證此方向與氣缸間隙盡可能小，而在銷軸線方向，間隙要大一些，以免活塞熱膨脹后卡死在氣缸中。因此，活塞裙部的橫斷面外形呈橢圓形。如何控制鋁活塞的膨脹，是至今仍未完滿解決的技術(shù)難題。目前應(yīng)用最廣的辦法是利用雙金屬片原理的自動(dòng)調(diào)節(jié)活塞（圖11-7以及圖11-2b）。

（五）活塞的導(dǎo)向設(shè)計(jì)

在銷座外側(cè)的活塞內(nèi)壁鑄入膨脹系數(shù)比鋁合金小的低碳鋼片，利用雙金屬片效應(yīng)在溫度提高時(shí)產(chǎn)生的彎曲來(lái)減小活塞裙在垂直銷孔方向上的膨脹量。因這種彎曲量隨溫度的提高而增大，故稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)活塞。

圖11-7車用汽油機(jī)用自動(dòng)調(diào)節(jié)鑲鋼片活塞活塞與活塞環(huán)一起防止氣缸內(nèi)的高壓氣體下竄到曲軸箱，同時(shí)把很大一部分活塞頂接收的熱量傳給氣缸壁，起這種作用的活塞環(huán)稱為氣環(huán)。此外，還設(shè)置專門(mén)的油環(huán)，在活塞下行時(shí)把氣缸壁上多余的機(jī)油刮回油底殼，以減少上竄機(jī)油量。一般要求通過(guò)環(huán)組的竄氣量不超過(guò)總進(jìn)氣量的0.5%，機(jī)油消耗量不超過(guò)燃油消耗量的0.5%。（六）活塞與活塞環(huán)的密封設(shè)計(jì)由于活塞環(huán)開(kāi)口的存在，漏氣通路不可能完全消除。為了防止大量漏氣，一般采用多個(gè)活塞環(huán)形成迷宮式密封。為減小活塞組與氣缸之間的漏氣通路，活塞環(huán)的外周面必須以一定的彈力po與氣缸壁緊密貼合，形成第一密封面（圖11-8）。軸向不平衡力FA將環(huán)向環(huán)槽的側(cè)面壓緊，形成第二密封面。（1）活塞環(huán)密封機(jī)理

圖11-8作用在活塞環(huán)上的力及其密封面①斷面形狀:（2）氣環(huán)的設(shè)計(jì)

②尺寸參數(shù)：在保證密封的前提下，活塞環(huán)的數(shù)目應(yīng)盡可能少，以縮小活塞高度，減輕活塞質(zhì)量，減小發(fā)動(dòng)機(jī)總高度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失。

③材料

:活塞環(huán)一般是由合金鑄鐵鑄造，高強(qiáng)度環(huán)用球墨鑄鐵，經(jīng)熱處理以改善材料的熱穩(wěn)定性。少數(shù)活塞環(huán)用合金鋼制造。圖11-9常用的活塞環(huán)斷面形狀a)矩形環(huán)b)桶面環(huán)c)錐面環(huán)d)梯形環(huán)e)內(nèi)切正扭曲環(huán)f)錐面內(nèi)倒角反扭曲環(huán)

為了能在高速運(yùn)動(dòng)中對(duì)抗機(jī)油的流體動(dòng)壓力刮下機(jī)油，只留下很薄的油膜，油環(huán)工作面的著壁壓力應(yīng)足夠大。

（3）油環(huán)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖11-10典型的油環(huán)結(jié)構(gòu)a)單體鑄鐵油環(huán)b)帶螺旋襯簧油環(huán)c)鋼片組合油環(huán)1、連桿組的設(shè)計(jì)

連桿組的組成：連桿體、連桿蓋和連桿螺栓。要保證有足夠的疲勞強(qiáng)度，要有足夠的剛度，用優(yōu)質(zhì)中碳鋼45鋼模煅，強(qiáng)化機(jī)型用40Cr等合金鋼。（1）連桿的設(shè)計(jì)要點(diǎn)連桿長(zhǎng)度、小頭和大頭直徑、寬度連桿長(zhǎng)度越短越好，連桿桿身多用工字形斷面。連桿小頭要有足夠的壁厚，特別注意小頭到桿身過(guò)渡的圓滑性。采用剖分式結(jié)構(gòu)。盡量采用平切口連桿。

二、連桿、曲軸及其軸承圖11-11高速內(nèi)燃機(jī)連桿結(jié)構(gòu)

a)平切口連桿b)~d)斜切口連桿大頭及其各種定位結(jié)構(gòu)（2）連桿螺栓的設(shè)計(jì)要點(diǎn)負(fù)荷重，同時(shí)要保證大頭尺寸緊湊，采用高強(qiáng)度中碳合金鋼。要盡量降低應(yīng)力集中。嚴(yán)格按規(guī)定的扭矩?cái)Q緊。2、曲軸的設(shè)計(jì)曲軸，價(jià)格最貴的重要零件，成本占整機(jī)成本的10%，足夠的疲勞強(qiáng)度是首要問(wèn)題。結(jié)構(gòu)型式：整體式和組合式。整體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易。支承型式：采用全支撐結(jié)構(gòu)，以提高曲軸的彎曲剛度和強(qiáng)度。關(guān)鍵尺寸：曲軸銷直徑和曲軸壁厚、軸頸到曲軸臂的過(guò)渡圓角。曲軸的材料：45煅鋼；強(qiáng)化機(jī)型：中碳合金鋼。曲軸的結(jié)構(gòu)組成：

圖11-12鑄造的整體四拐曲軸及其主要尺寸內(nèi)燃機(jī)類型曲柄銷主軸頸曲柄臂dcp/Dlcp/Ddcj/Dlcj/Dhcw/Dbcw/D汽油機(jī)單列式0.55~0.650.35~0.450.6~0.70.35~0.450.2~0.250.8~1.2V形（并列連桿）0.5~0.60.45~0.60.65~0.80.3~0.350.18~0.220.8~1.2單列式柴油機(jī)0.55~0.70.35~0.450.65~0.80.4~0.450.2~0.31.0~1.3表11-3曲軸的主要尺寸比例（以缸徑D為基準(zhǔn)參見(jiàn)上圖）3、軸承的設(shè)計(jì)足夠的疲勞強(qiáng)度，采用鋼背－減摩合金多層結(jié)構(gòu)。良好的減摩性能，包括抗咬合性、嵌藏性和順應(yīng)性。良好的耐蝕性。軸承合金種類：巴氏合金、銅基合金、鋁基合金。（1）滑動(dòng)軸承材料（2）軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸瓦厚度：輕系列，1.5~3mm，重系列，2.5~4mm

軸瓦的自由彈勢(shì)和過(guò)盈度軸瓦的定位：定位槽主軸瓦的潤(rùn)滑油孔和油槽軸承間隙：在保證機(jī)油溫度不超標(biāo)和最小油膜厚度滿足要求的情況下，盡可能減少軸承間隙。（一）機(jī)體1．機(jī)體的工作條件與設(shè)計(jì)要求承受復(fù)雜的負(fù)荷；保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度；減輕質(zhì)量，改善鑄造和加工工藝性。

三、機(jī)體與氣缸蓋2．機(jī)體的結(jié)構(gòu)型式（1）平分式機(jī)體：適用于轎車用汽油機(jī)和輕型車用柴油機(jī)；機(jī)體剛度好。（2）龍門(mén)式機(jī)體：用于大功率或高強(qiáng)化汽油機(jī)或柴油機(jī)；（3）隧道式機(jī)體：農(nóng)用單缸機(jī)。3．機(jī)體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)用三維有限元結(jié)構(gòu)分析和試驗(yàn)應(yīng)力分析。主要載荷盡可能直線傳遞。采用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵鑄造。轎車汽油機(jī)平分式機(jī)體輕型車用柴油機(jī)平分式機(jī)體中型車用柴油機(jī)龍門(mén)式機(jī)體高速內(nèi)燃機(jī)典型鑄鐵機(jī)體結(jié)構(gòu)

a)橫向螺栓固緊的龍門(mén)式機(jī)體b)下機(jī)座加強(qiáng)的機(jī)體c)用梯子形加強(qiáng)板抑制龍門(mén)式機(jī)體下端振

1－橫向螺栓2－機(jī)體3－下機(jī)座4－油底殼5－主軸承螺栓6－氣缸蓋螺栓7－梯子形加強(qiáng)板提高機(jī)體剛度的措施

為彌補(bǔ)鋁合金剛度的不足，采用了尺寸很大的下機(jī)座。水套和曲軸箱空腔形狀的設(shè)計(jì)考慮到了壓鑄工藝的要求。小排量轎車汽油機(jī)鋁合金壓鑄機(jī)體1、氣缸蓋的設(shè)計(jì)氣缸蓋的作用是密封氣缸，組成燃燒室。氣缸蓋中的氣道、燃燒室的設(shè)計(jì)?？箼C(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力形成的疲勞。應(yīng)用抗熱疲勞性能好的材料鑄造。應(yīng)具有足夠的剛度。整體式、分體式。（二）缸蓋a)頂置凸輪軸汽油機(jī)的鋁合金氣缸蓋b)直噴式柴油機(jī)的鑄鐵氣缸蓋1－沖壓擺臂2－液壓支座3－鑄造搖臂內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)密封性好。有一定彈性，可重復(fù)使用。耐熱、耐蝕，具有足夠的抗拉和抗剪強(qiáng)度。布置油道、水道。氣缸蓋襯墊的材料：銅皮包石棉、復(fù)合材料等。成本低。（三）氣缸墊第六節(jié)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的快開(kāi)、快閉，各缸換氣良好。摩擦損失小。工作可靠、耐久。一、配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求二、配氣機(jī)構(gòu)總體布置

1．典型的氣門(mén)凸輪驅(qū)動(dòng)方案a)側(cè)置氣門(mén)機(jī)構(gòu)b)、c)下(側(cè))置凸輪配氣機(jī)構(gòu)d)、e)、f)頂置凸輪配氣機(jī)構(gòu)下置凸輪軸一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)齒輪傳動(dòng)方案頂置凸輪軸驅(qū)動(dòng)一般采用齒形皮帶和鏈傳動(dòng)方案柴油機(jī)頂置凸輪軸驅(qū)動(dòng)也有采用扇形齒輪傳動(dòng)2、凸輪軸的傳動(dòng)頂置凸輪軸正時(shí)鏈傳動(dòng)1－鏈張緊器2－凸輪軸鏈輪

3－滑軌4－曲軸鏈輪

5－定時(shí)鏈1－鏈張緊器2－凸輪軸鏈輪

3－滑軌4－曲軸鏈輪

5－定時(shí)鏈6－凸輪軸齒帶輪

7－齒帶張緊輪8－正時(shí)齒帶

9－齒帶限位輪10－噴油泵齒帶輪

11－曲軸齒帶輪頂置凸輪軸的正時(shí)齒形皮帶傳動(dòng)3、每缸氣門(mén)數(shù)的選擇多氣門(mén)方案的優(yōu)點(diǎn)：由于氣門(mén)質(zhì)量輕、升程小，慣性力??；總流動(dòng)面積較大，充量系數(shù)高；氣門(mén)直徑小，溫度較低（這對(duì)排氣門(mén)很重要，尤其是缸徑較大的發(fā)動(dòng)機(jī)）；每缸4或5氣門(mén)時(shí)，火花塞或噴油器可布置在中央，帶來(lái)縮短汽油機(jī)燃燒持續(xù)期或改善柴油機(jī)混合氣形成的優(yōu)點(diǎn)。多氣門(mén)方案的缺點(diǎn)：氣門(mén)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高；氣缸蓋比較復(fù)雜；氣門(mén)機(jī)構(gòu)摩擦損失較大。1、凸輪設(shè)計(jì)與凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)

三、凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)

滾輪挺柱平底挺柱2、凸輪挺柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖11-20等加速等減速凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖11-21高次多項(xiàng)式凸輪的挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖11-22平底挺柱凸輪機(jī)構(gòu)工作情況

a)加速段b)減速段1．剛性氣門(mén)機(jī)構(gòu)

把氣門(mén)凸輪機(jī)構(gòu)中除氣門(mén)彈簧以外的所有構(gòu)件都看成絕對(duì)剛體的剛性模型，是最簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模型。

四、氣門(mén)凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

圖11-23剛性氣門(mén)凸輪機(jī)構(gòu)a)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖b)剛性模型c)飛脫條件圖11-24彈性氣門(mén)凸輪機(jī)構(gòu)的無(wú)阻尼單質(zhì)量振動(dòng)模型（a）及其動(dòng)力學(xué)曲線（b）2．彈性氣門(mén)機(jī)構(gòu)

考慮機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的彈性，用一個(gè)多質(zhì)量振動(dòng)模型近似處理。表11-4氣門(mén)凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能對(duì)比3.幾種典型氣門(mén)凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能對(duì)比機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖11-17b圖11-17e圖11-17d圖11-17fm/mmax1.92(1.44)1.081.001.19k/kmax0.19(0.30)0.290.561.00w0/w0max0.34(0.50)0.560.821.00可見(jiàn)，頂置凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)氣門(mén)的機(jī)構(gòu)具有最佳的動(dòng)力性能，所以在高速內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最廣。五、主要零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1．進(jìn)排氣門(mén)氣門(mén)設(shè)計(jì)要考慮氣流通過(guò)能力、氣門(mén)與氣門(mén)座的密封、氣門(mén)的材料、冷卻、潤(rùn)滑與磨損等方面。氣門(mén)頭部要有足夠剛度。進(jìn)氣門(mén)材料一般用40Cr、38CrSi等，排氣門(mén)用馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。氣門(mén)桿端面與搖臂或擺臂接觸（見(jiàn)圖11-17b~e）既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)，應(yīng)有很高的耐磨性。尺寸較大的強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)排氣門(mén)可做成中空結(jié)構(gòu)，空腔中封入金屬鈉，工作時(shí)熔化成液體，幫助傳熱。2．凸輪軸、挺柱、推桿和搖(擺)臂足夠的抗接觸疲勞和抗擦傷能力。有足夠的剛度及最小的質(zhì)量。圖11－25凸輪直接驅(qū)動(dòng)氣門(mén)時(shí)用的薄壁杯形挺柱

a)無(wú)液壓除隙器b)有液壓除隙器

1-杯形挺柱2-調(diào)隙填片3-外體4-內(nèi)體5-閥罩6-回位彈簧7-柱塞8-球閥9-閥簧10-油腔罩

A-換熱槽B-油腔C-泄油間隙D-進(jìn)油孔E-過(guò)油道F-進(jìn)油環(huán)形槽3．氣門(mén)彈簧氣門(mén)彈簧的功用是保證氣門(mén)凸輪機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的力閉合。因結(jié)構(gòu)布置限制，氣門(mén)彈簧的直徑和高度不能很大，故其應(yīng)力狀態(tài)極其嚴(yán)重，要用彈性極限和疲勞強(qiáng)度很高的優(yōu)質(zhì)合金彈簧鋼絲制造。1、通過(guò)改變配氣定時(shí)，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得最大可能的全負(fù)荷轉(zhuǎn)矩；2、部分負(fù)荷下，減小進(jìn)氣門(mén)升程，提高進(jìn)氣流速，改善燃燒；3、部分負(fù)荷下，調(diào)節(jié)配氣正時(shí)，不用借助進(jìn)氣道中的節(jié)氣門(mén)，就可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)，從而減小泵氣損失；4、優(yōu)化配氣，獲得內(nèi)