6110型柴油机整体设计及曲轴详细设计大学论文.docx

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6110型柴油机整体设计及曲轴详细设计大学论文

摘要：

Abstract.：

第一章：

前言

1-1选题背景和意义

1-2国内外研究现状

1-3主要技术规格

1-4研究内容和方法

第二章：

发动机的总体布置

第三章：

发动机的总体设计

3-1机体组的设计

3-2曲轴飞轮组的设计

3-3连杆组的设计

3-4配气机构的设计

3-5活塞的设计

3-6柴油机供给系统的设计

3-7发动机冷却系统的设计

3.8发动机润滑系统的设计

3-9发动机启动系统的设计

第四章：

曲轴的详细设计

摘要

一台较为先进的柴油机，不仅要有先进的性能指标，而且还要有足够的寿命和可靠性。

6110型柴油机就是针对配备大型货车而进行开发和研制的同时也可用于发电机组、工程机械和船舶。

该机型噪音低，排放好，功率大，结构紧凑，启动好，烟度小，经济性好，燃油消耗率低。

原机型主要用于城市间的长距离运输，对于城市交通路况需要重新设定参数，以改善燃油经济性和排放性能。

柴油机的总体布置和各附件的布置对内燃机的外形尺寸和工作可靠性、使用方便性都有很大的影响。

应在保证拆装、维修方便的前提下，尽可能直接可靠地固定在机体和气缸盖上，并且不使任何附件过于突出。

尽量不用外接的机油管和冷却液管，而采用在零件上开通道代替，以减少泄露的可能。

减少零件数不仅改善了其可靠性，而且有利于降低成本。

本课题对活塞进行了详细设计和分析验算,并给出了合理的设计方案。

关键词：

6110、六缸、柴油机、曲轴设计、活塞设计

Abstrac

Amoreadvanceddieselengines,notonlyhaveastate-of-the-artperformance,butalsotohavethelifeandreliability.X6110typedieselgeneratorset,constructionmachineryandshipscanalsobeusedforresearchanddevelopment,withlargetrucks.Themodelhaslownoise,emissions,power,compact,goodstart,smokeasmall,goodeconomy,lowfuelconsumption.Theoriginalmodelismainlyusedforlong-distanceinter-citytransportation,theneedtore-settheparametersforurbantrafficconditions,inordertoimprovefueleconomyandemissionsperformance.Theoveralllayoutofthedieselengineandattachmentsizeandshapeofthelayoutoftheinternalcombustionenginereliability,easeofusearegreatlyaffected.Shouldensurethatunderthepremiseofconvenientdisassembly,repair,andasdirectlyaspossibletoreliablyfixedinthebodyandthecylindercover,andanyattachmentsaretoo.Asfaraspossiblewithoutexternaloilpipeandthecoolanttube,whiletheuseofopenchannelinsteadofontheparttoreducethepossibilityofleakage.Reducethenumberofpartsnotonlytoimproveitsreliability,butalsohelptoreducecosts.Thistopiconthepistonofthedetaileddesignandanalysisofchecking,andgivesareasonabledesign.

Keywords:

6110,sixcylinder,dieselenginecrankshaft,pistondesign,design

第一章前言

1.1选题背景和意义

柴油机的发展,已经有八十多年的历史。

通过这一长时期的不断改进和提高，已经发展到了比较完善的程度。

由于他的热效率高、适应性好、功率范围广，已经广发应用于农业、工业、交通运输业和国防建设事业。

因此，柴油机工业的发展对国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。

就当前各国动力机械的发展情况来看，在现有各种原动机中，包括蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机柴油机、汽油机、煤气机以及核动力装置等，其中蒸汽轮机和核动力装置主要用于大型固定式电站、大型远洋航轮和军用舰艇上。

水轮机多限于水电站。

而汽油机则由于具有功率高、噪音低、振动小，以及对负荷变化的反应迅速等优点，在小客车上的应用占压倒优势。

目前世界上的小客车数量很大，所以汽油机的产量也很高。

此外，汽油机也用于中、小型载重汽车，小型农业、林业机械等。

但是，由于汽油机所用燃料的价格和燃料消耗率均较柴油

机为高，因此，在其它经济领域，就不能与柴油机竞争。

在远洋海轮方面，柴油机是主动力。

据1972年统计，全世界商船队的50000艘海轮中，有80%是用柴油机驱动的。

在25000吨以下的船舶中，柴油机是目前最经济的动力装置，其数量更是占压倒多数。

在1966年以前，30000吨以上的海轮主要采用蒸汽轮机，而以后，则采用柴油机的已逐渐增多。

由于柴油机功率的不断提高，目前100000吨以上的海轮，甚至200000吨以上的巨型油船中，也已有柴油机作为主机的。

柴油机还广泛应用于移动式电站和备用电站。

随着大功率中速柴油机的发展，柴油机在固定式电站的应用也已逐渐得到推广。

现代大功率中速柴油机已能经济地使用于发电量为100000KW的电站，而且不久，柴油机电站的发电量将要达到200000KW。

在军用车辆方面，第二次世界大战期间，世界各国的坦克大约有65%是汽油机，只有35%是柴油机。

但是，经过战后几十年来对高强化柴油机的研究发展，目前，除一些轻型坦克仍然使用汽油机，主战坦克基本上已经全部采用柴油机了。

军用舰艇也仍然以柴油机为主。

从全球的角度来看，柴油机的竞争一直十分激烈，因而促进了其技术的不断创新和发展。

为了满足市场需求、扩大市场占有率、增强竞争实力，近几年世界各大柴油机制造商竞相推出了一批新研制或改进提高的产品或技术，这些新产品或新技术基本上体现了柴油机的发展方向。

电控喷射技术，共轨燃油喷射系统，可变气门正时系统，涡轮增压中冷技术，混合动力，代用燃料等诸多方面。

由上可知，世界各国柴油机的产量不断增长，应用范围日益扩大，在各经济部门和国防工业中，柴油机都占有极其重要的低位。

它对实现我国四个现代化将起十分重要的主用。

1.2国内外研究现状

与汽油机相比，柴油机因为其较低的燃油消耗率和较高的热效率，在车用发动机方面得到了越来越多的应用。

从世界范围来看汽车柴油化也已成为一种趋势。

随着世界汽车保有量的不断增加，车辆的污染物排放已经成为了大气环境的主要污染源。

面对日益严峻的环境压力。

各国政府陆续制定了关于柴油机的排放法规，且逐年修订，使法规越来越严格，这也推动了柴油机排放控制技术的发展。

但是，柴油机有害排放物和颗粒排放问题较为严重，为了保护环境，几乎所有国家对内燃机的排放进行了限制。

1.3主要技术规格

柴油机类型:

水冷四冲程直列式顶置式气门

进气方式:

自然吸气

气缸数－缸径×冲程:

6-110mm×130mm压缩比:

17

燃烧形式:

直接喷射润滑方式:

压力循环飞溅复合式

冷却方式:

闭式压力循环起到方式:

电启动

电机停止方式:

燃油控制系统

输出功率:

110千瓦/2400转

标定功率燃油消耗率:

236g/kwh

冷起动温度:

-25℃

排气温度:

<600℃

1.4研究内容和方法

本论文主要研究的内容是6110柴油机，包括热力计算和动力计算，以及各个系统零件的设计选择。

通过实际循环热计算、动力计算，可以得到6110柴油机的各个特性曲线。

通过对整机的布局、对柴油机配气系统、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动系统的了解与掌握，找出影响柴油机的动力性能指标、经济性能指标、运转性能指标和可靠性耐久性指标的主要参数以及各结构参数之间的最佳配合状态。

同时绘制CAD零件图和装配图。

第二章柴油机总体布置

柴油机的总体布置和各附件的布置对内燃机的外形尺寸和工作可靠性、使用方便性都有很大的影响。

应在保证拆装、维修方便的前提下，各种附件可能直接可靠地固定在机体和气缸盖上，并且尽量不使任何附件过于突出。

尽量不用外接的机油管和冷却液管，而采用在零件上开通道代替，以减少泄漏的可能。

尽可能减少零件数目，因为减少零件数目不仅可以改善发动机可靠性，而且有利于降低生产成本。

由于本机是6110型柴油机，其总体布置：

从发动机前端看，进气管布置在右侧，排气管在左侧；齿轮室布置在右端，齿轮室由四个齿轮组成（曲轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮、主动起动齿轮和从动起动齿轮）；机油泵、高压油泵装在齿轮室盖内；左端装有飞轮，其功率从飞轮端输出；本机采用闭式压力循环水冷的冷却方式，为此在机体上不设有贮水箱，在气缸盖的底部装有放水阀；机体上部还装有油箱；机体下部装有油底壳；在气缸盖上装有汽缸盖罩盖。

第三章发动机的总体设计

3-1：

机体组的设计：

机体组的作用是作为发动机各机构、各系统的装配基体，而且其本身的许多部分又分别是曲柄连杆结构、配气结构、冷却系统和润滑系统的组成部分。

一般而言机体组包括气缸盖、气缸体、气缸盖衬垫以及油底壳等组成。

气缸盖和汽缸体的内壁共同组成燃烧室的一部分，是承受高温、高压的部件。

各运动部件的润滑和受热、机体的冷却也都要通过机体组来实现，因此可以说机体组把柴油机的各种机构和系统组成为一个整体，保持了它们之间必要的相互关系。

3-1.1气缸体

气缸体的功用是柴油机各个机构和系统的装配基体，所有其他零部件和辅助系统均装置于集体的内外。

发动机工作时，机体承受拉、压、弯、扭等不同形式的机械负荷，气缸工作表面由于经常与高温、高压的燃气相接触，且有活塞在其中作调整往复运动，所以气缸体应具有足够的强度和刚度，并且具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀的性能；此外在发动机工作中，需要对气缸进行适当冷却，以免机体损坏和变形。

由于6110柴油机冷却方式是水冷式，气缸体还包括曲轴箱。

是柴油机最重的零件，因此应该力求结构紧凑、质量轻，以减小整机的尺寸和质量。

根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常气缸体分为一般式、龙门式和隧道式。

图3-1气缸体的结构形式

此机体采用“龙门式”，其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心，即加强了机体裙部敢赌，又减小了机体噪声。

气缸体材料为QT500-7球墨铸铁，并将六个气缸浇铸成一体，做成整铸缸体，使得纵向平面中的弯曲刚度和绕曲轴轴线的扭转刚度显著提高。

曲轴箱刚架结构主要从有利于承受柴油机支撑的发作用力和整个机体的弯曲刚度和扭转刚度出发，将加强筋布置成放射形结构。

加强筋的宽度取8mm。

为了加强主轴承座的刚度，把轴承座出的加强筋布置成三角网状结构。

此孔有四个螺栓和铁皮封闭，并用纸质垫片防止漏油。

水箱和油箱都安装在机体上部。

3-1.2气缸盖与气缸盖衬垫

气缸盖的主要作用是密封气缸上部，并与活塞顶部和气缸一起形成燃烧室，同时气缸盖也为其他零部件提供安装位置。

承受高温、高压燃气飞作用和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷，避免进、排气门座之间发生热裂纹。

为了不影响发动机的动力性、经济性和工作可靠性，需要保证气缸的良好密封性。

为此气缸盖应具有足够的强度和刚度，同时通过良好的冷却，使温度分布尽可能均匀。

故本机中气缸盖的材料采用QT500-7铸铁，又因气门布置方式为顶置式，发动机缸径为110mm，在105-150mm之间，所以气缸盖结构选用分体式，气缸盖一般壁厚5mm，火力板壁厚8mm。

气缸盖上部装有气缸盖罩。

图3-2汽缸盖示意图

缸盖与机体之间选用螺栓连接，在两者之间装有气缸盖衬垫，用来保证燃烧室不漏气。

目前应用较多的是金属—石棉气缸垫，石棉之间夹有金属丝或金属屑，而外覆铜皮或铁皮；水孔和燃烧室周围另用镶边增强，以防被高温燃气烧坏，安装气缸垫时，应注意把光滑的一面朝气缸体，否则容易被气体冲坏。

气缸盖中亦有水道连通机体中的冷却水套，并与水箱想通；在气缸盖的底下装有放水阀。

在气缸盖底板上的气门座孔上镶有气门座，材料为合金铜铬钼铸铁，用来增加气门座的耐磨性和耐热性。

3-1.3燃料室

柴油机燃烧室的功用是将燃料的化学能转化为热能。

是在高温、高负荷下工作，承受着气体力、惯性力产生的静载荷和振动负荷，同时受到热应力和热腐蚀的作用。

本设计中机型的燃烧室是四角ω型，同时减少喷油提前角、提高喷油压力、增加喷孔数目、减少喷孔直径，这些措施明显的改善了发动机的排放性能。

图3-3燃烧室

3-1.4气缸套

湿式气缸套外壁与冷却液直接接触，壁厚5mm～8mm，利用上下定位环带实现径向定位，轴向定位靠气缸套上部凸缘与机体顶部相应的支承面配合实现。

湿式气缸套的优点是机体上没有密封水套，容易铸造，传热好，温度分布比较均匀，修理方便，不必将发动机从船上上拆下就可更换气缸套。

虽然它刚度不如干式缸套，但可以通过布置加强筋的办法提高机体的刚，故此机型选用湿式气缸套。

（1）材料和工艺材料为95型硼铸铁，采用离心铸造工艺，并对离心铸造后的硼铸铁缸套进行氧化处理，使汽缸内壁形成网络状的硬化轨迹，以增强缸套的耐磨性和耐热性。

（2）结构和尺寸

Ⅰ、缸套的厚度δo

根据《内燃机设计》中的统计数据，

取δo=6mm

Ⅱ、气缸套的定位及其长度

a缸套的定位

缸套用两个定位带支撑在气缸体中作为径向定位，为了安装方便及机构紧凑，下定位带的直径D2略大于缸套外径D1而略小于上定位带直径D3，一般取D3—D2=1~2mm，此时取D3—D2=1mm。

上定位带与安装孔用H8/e7配合，下定位带用H7/f6配合。

b凸缘高度h1

根据《内燃机设计》中的统计数据，h1=5~8mm

取h1=8mm

c凸缘宽度b1

根据《内燃机设计》中的统计数值，b1=2~4mm

取b1=2mm

d为了可靠地压紧气缸套，湿缸套上端与气缸盖衬垫压紧部分，要突出机体顶面Δ=0.1mm

e缸套长度h0

根据《内燃机设计》中的统计数据，h0≈2S（S为活塞冲程）

取h0=260mm

f缸套内径Φ=110+0.03mm

Ⅲ、气缸套的水封

湿缸套上部考凸缘的压紧密封，下部装有2个耐热耐油的圆断面O形橡胶密封圈封水。

为了使橡胶圈能产生必要的弹力，槽的断面与橡胶圈的断面不同，缸套中槽断面采用矩形，使缸套装入机体后密封圈产生变形，达到密封的目的。

3-1.5油底壳

油底壳的主要功用是贮存机油（润滑油）并封闭曲轴箱。

为了加强油底壳内机油的散热，采用了铝合金铸造的油底壳，在壳的底部还铸有相应的散热肋片。

3-2曲轴飞轮组的设计

曲轴飞轮组主要有曲轴、主轴瓦、定时齿轮、扭转减震器、止推片、飞轮、飞轮螺栓等组成。

其零件和附件的种类和数量取决于发动机的结构和性能要求。

图4-1曲轴飞轮组示意图

3-2.1曲轴

曲轴的功用是承受连杆传来的力，并由此造成绕其身轴线的力矩，并对外输出转矩。

在发动机工作中，曲轴受到旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷。

为了保证工作可靠，要求曲轴具有足够的刚度和强度，个工作表面要耐磨而且润滑良好。

因为6110柴油机为直列式四冲程发动机，所以曲轴选用整体式全支承曲轴（选用这种支承，可以提高曲轴的弯曲强度和刚度，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损），一般采用滚动轴承。

（1）曲轴材料及工艺

曲轴材料选用QT60—2球墨铸铁，加工工艺为铸造，在加大主轴颈供油孔的基础上，并采用氮化和轴颈圆根滚压强化工艺，来提高曲轴疲劳强度。

（2）曲轴结构及尺寸

Ⅰ、曲柄销尺寸

a曲柄销直径D2

根据《内燃机设计》统计数值，D2=（0.63~0.7）D，其中D为气缸直径Φ110mm，

因为D2=69.3~77mm；取D2=72mm

b曲柄销长度L2

曲柄销的长度L2是在选定D2的基础上考虑的。

从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发，对球墨铸铁曲轴而言，为了尽可能加强曲柄，L2/D2应取得小些。

根据《内燃机设计》中的统计数据，L2=（0.38~0.48）D，

取L2=44mm

所取的L2值偏向下极限，L2/D2=0.4，这是因为在薄油膜的条件下，轴承的长度比L2/D2=0.4左右有最大的泵载能力。

此外，如果L2过长，则使流过轴承的机油量小，冷却效果差，轴承温度升高，使润滑油粘度下降，轴承的承载能力反而下降；同时，轴承过长，对曲轴变形的适应性能力差，容易产生棱缘负荷。

c曲柄销减重孔直径d2

在曲柄销中挖减重孔，对曲柄销的刚度和强度几乎没有多大影响，但可以大大减小曲柄销的重量，达到使不平衡质量大大降低的目的。

根据《内燃机设计》中的统计数据，d2=（0.3~0.6）D2

取d2=25mm

d校核曲柄销的承压面积

根据活塞销承压面的投影面积F2=D2L2与活塞顶面积F=1/4πD2比较。

根据《内燃机设计》中的统计数值，一般F2/F=0.2~0.5则：

F2/F=D2L2/1/4πD2=72×44/1/4π×1102=0.305

可见，其计算结果在其统计范围内，故属可信。

e连杆轴颈的过渡圆角R

R=2.5mm

Ⅱ、主轴颈尺寸

a主轴颈直径D1

从轴承负荷出发，则主轴颈可以比曲柄销更细一些，因为主轴承最大负荷小于连杆轴承，但是为了加强曲轴的刚度，可以加粗主轴颈；加粗主轴颈能增加曲轴轴颈的重叠度，减轻扭振危害，此外还可以缩短其长度。

因此，从曲轴各部分尺寸协调的观点，根据《内燃机设计》中的统计数据，一般取D1=（0.6~0.8）D，即D1=67mm

b主轴颈长度L1

根据《内燃机设计》中的统计数据，L1=（0.35~0.45）D

取L1=40mm

前端主轴颈和后端主轴颈的长度一样，均为40mm。

c主轴颈过渡圆角R

R=2.5mm

Ⅲ、曲柄尺寸

曲柄应选择适当的厚度、宽度，以使曲轴有足够的刚度和强度。

曲柄形状应合理，大多选用椭圆形或圆形，以改善应力的分布情况。

曲柄宽度b=80mm

曲柄厚度h：

根据《内燃机设计》中的统计数值，

h=（0.22~0.28）D

取h=25mm

Ⅳ、曲颈重叠度A

A=1/2（D1+D2）—r=1/2（56+72）—46.5=17.5mm

Ⅴ、曲轴的润滑油孔

为了保证曲轴轴承工作的可靠，对它们必须有充分的润滑。

采用分路供油的方法将润滑油输送到曲轴油道，润滑油一般从机体上的主油道通过主轴承的上轴瓦引入，因为上轴瓦承受惯性力的作用，比下轴瓦（承受爆发力和惯性力的联合作用）受力要低一些。

曲轴油孔直径d=5mm，与垂直轴方向夹角为45°。

由于曲轴的扭转破坏大多数是从应力集中的油孔边缘或过度圆角处开始的。

因此，为减少油孔处的应力集中，油孔边缘处的过度圆角取得较大，并进行抛光处理。

在曲轴的后端主轴颈上的斜油道与曲柄销上的润滑油孔想通。

润滑油经主轴颈斜油槽流向曲柄销孔，以润滑连杆轴瓦和曲柄销。

Ⅵ、曲轴两端结构、止推和油封

曲轴上带动辅助系统的正时齿轮和皮带轮一般装在曲轴的前端，因为结构简单、维修方便。

消除扭转振动的减振器也装在曲轴前端，因为这里振幅最大。

曲轴后端设有法兰，飞轮与后端用螺栓和定位销连接，定位销用来保证重装飞轮时保持飞轮与曲轴的装配位置。

为防止曲轴的轴向位移，在曲轴与机体之间设置止推轴承。

止推轴承只能设置一个，以使曲轴相对于机体能自由地沿轴向做热膨胀。

止推轴承设置在后端可以避免曲轴各曲拐承受功率消耗者的轴向推力的作用。

曲轴轴向间隙应保持Δα=0.05~0.2mm，为了保证止推轴承工作可靠耐久，其工作表面上要有相应的存油坑，止推片接合面端头要局部削薄，以改善润滑。

发动机工作时，为了防止曲轴前后端沿着轴向漏油，曲轴应有油封装置，本设计中采用甩油盘和橡胶骨架式油封的组合式油封结构。

3-2.2飞轮的设计

飞轮用螺栓和定位销与曲轴后端相联，并用一个M30的螺母紧固，螺栓用垫片锁紧，为了方便检查机体的配气定时和供油角度，在飞轮外圆上刻有上止点标记和曲轴转角的度数。

（曲轴转角以活塞处于上止点位置为0°）

（1）材料的选用球墨铸铁HT20—40

（2）飞轮的尺寸

根据《内燃机设计》中的统计数据得，高速内燃机D2=（3~4）D（D——缸径），即D2=（330-440）mm；实际上高速柴油机D2=（400~600）mm；

本机型是小型柴油机，取飞轮外径D2=400mm；满足输出装置的要求。

飞轮内径D1=350mm；飞轮倒角R=2mm；

飞轮厚度b=45mm；

（3）飞轮的校验

Ⅰ、柴油机理论所需的飞轮矩

式中：

ψ—飞轮的转动惯量占发动机总惯量的分数

根据《内燃机设计》中的统计数据得，ψ=0.8~0.9，

取ψ=0.9；Ne=101kw；

ξ—发动机盈亏功系数，根据《内燃机设计》表5—8，

ξ=0.2~0.4；取ξ=0.2

δ—发动机运转不均匀系数

根据《内燃机设计》中的统计数值，δ=1/64

=4.32×108×

=54.54N•m2

Ⅱ、飞轮实际的飞轮矩

GDm2=πbρ/8（D24—D14）•g（N•m2）

式中：

ρ—材料的密度（kg/m3）；ρ=7.4×103kg/m3

则GDm2=1/8π×0.045×7.4×103×（0.404—0.354）×9.8

=13.57N•m2

从以上校验的结果可以看出，实际飞轮矩和理论上所需要的飞轮矩基本相等，故飞轮满足要求。

Ⅲ、圆周速度的校核

飞轮旋转时由于材料本身离心力的作用会产生拉伸应力，对于灰铸铁飞轮来说，圆周速度ν=πD2n/60000不超过35~50m/s，否则选用球墨铸铁甚至铸钢、锻钢飞轮。

则ν=πD2n/60000=3.14×350×2400/60000=65.94m/s，故本设计飞轮材料选用球墨铸铁飞轮。

3-3连杆组设计

连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆轴瓦和连杆螺栓。

其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力矩传给曲