2KW便携式发电机组设计 毕业论文.doc
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1、 I 目 录 摘 要 Abstract 1 绪论1 2 设计总论2 2.1 内燃机的概念2 2.2 二冲程汽油机2 2.3 汽油机的设计要求3 2.4 二冲程发动机的发展前景4 2.5 本次设计的原始参数4 3 活塞组的设计5 3.1 活塞的设计5 3.1.1 活塞的设计要求5 3.1.2 活塞设计中重点解决的问题6 3.1.3 活塞的材料6 3.2 活塞的结构设计7 3.2.1 活塞头部的设计7 3.2.2 活塞裙部的设计8 3.2.3 活塞与气缸的配合间隙9 3.3 活塞主要尺寸的设计10 3.4 活塞强度的校核12 3.4.1 环岸的强度校合12 3.4.2 活塞裙部的校核13 II 3
2、.5 活塞传力结构设计13 3.5.1 活塞销座的设计13 3.5.2 活塞销的设计14 3.5.3 活塞销的尺寸及校核15 4 连杆组的设计16 4.1 连杆的设计16 4.1.1 工作情况16 4.1.2 设计要求16 4.1.3 连杆材料17 4.2 连杆长度的确定17 4.3 连杆的结构设计17 4.3.1 小头设计18 4.3.2 杆身设计19 4.3.3 大头设计20 4.4 连杆的强度计算20 4.4.1 连杆小头20 4.4.2 连杆杆身24 5 曲轴的设计26 5.1 曲轴的工作情况、设计要求及选材26 5.1.1 工作条件26 5.1.2 设计要求26 5.1.3 材料选择
3、27 5.2 曲轴的结构设计27 5.3 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计28 5.3.1 曲柄销28 5.3.2 主轴颈29 5.3.3 曲柄臂29 5.3.4 油道布置30 III 5.3.5 曲轴两端的结构30 5.3.6 曲轴的止推30 5.3.7 过渡圆角30 5.4 曲轴的疲劳强度校合31 6 发电机的设计33 6.1 发电机的设计33 6.2 调速装置的设计33 7 其它组件的设计36 7.1 轴承的设计36 7.2 机体与缸盖的设计36 7.2.1 机体的设计36 7.2.2 缸套与缸盖的设计37 7.3 润滑和冷却系统设计37 7.3.1 润滑系统的设计37 7.3.2 冷却
4、系统的设计38 8 总结40 致谢41 参考文献42 文献综述43 I 摘要 本文对内燃机设计的一般要求进行了总结,并对给定功率的二冲程 汽油机进行了设计。主要详细设计了发动机的活塞、连杆和曲轴三个零 件,说明了这三个零件的工作条件、设计要求及材料的选着依据,并结 合设计使用材料的强度极限对零件进行了刚度和强度的校核。概述了其 它组件的设计准则并根据发动机的标定功率及对发电机的功率要求选着 了适用的发电机。 关键词:活塞 连杆 曲轴 发电机 设计 II Abstract This paper sums up the general request for IC Engine Design an
5、d carries on the design for two-stroke gasoline engine of constant power which is detailed on piston, connecting rod and bent axle of engine. It also explains the work condition, design request and terms for selecting materials. Whats more, the rigidity and strength inspections have been done by com
6、bining ultimate strength of materials in design. In this paper, the design criteria have been summarized, and according to the calibration of engine power and the request of generator power, applicative generators have been chosen. Key Words: piston connecting rod bent axle generator design 重庆理工大学毕业
7、论文 2KW 便携式发电机组设计 1 1 绪论 自改革开放以来,我国小型二冲程汽油机的发展速度相当可观。截至目前为止, 生产厂家由原来的几个发展到几十个,遍及全国各地,其品种,由数种发展到二十 余种,年产量达十万台以上,而且随着生产技术水平、产品质量和产量的不断提高, 其配套使用范围逐渐扩大。二冲程汽油机的应用地区非常广泛,从新疆地区到东海 之滨,从严寒的东北到酷热的海南岛均有使用,在国民经济中占有一定的低位。到 21 世纪,人们面临着许多不容回避的严峻挑战,其中资源、环境、生态即是这些挑 战中的重要方面。现在能源问题已是世界瞩目的问题,能源前景不容乐观,能源危 机将日益深化;环境污染日趋恶化
8、,已引起人们的严重关注和不安,能源与环境已 成为 21 世纪制约经济发展的重要因素。有关专家在预测 21 世纪前 10 年世界经济发 展和能源与环境状况时指出:促进经济增长、提高生活水平、保证能源供应是各国 努力的方向;在实现经济目标的同时,保持洁净环境将是各国面临的一大挑战。故 而发动机设计对其动力性、经济性和环保性有很高的要求。 本课题研究的目的是根据给定的发电机功率对二冲程发动机的主要部件进行设 计,如活塞、连杆和曲轴,并选择发电机的型号。对三个主要部件进行设计要先选 着好使用的材料,然后对其进行受力分析并进行尺寸设计,然后对设计的尺寸进行 刚度和强度的校核。由于该发动机的适用地区广泛,
9、故其可能处在的工作环境非常 复杂,内部结构设计的不合理,往往会导致不良的工作状态以及各种污染。本课题 设计从提高动力性、经济性和环保性的角度,通过对各个零件的研究、取材与设计, 使该发动机符合更广泛的需求。 重庆理工大学毕业论文 2KW 便携式发电机组设计 2 2 设计总论 2.1 内燃机的概念 内燃机是一种动力机械,它是通过使燃料在机器内部燃烧,并将其释放出的热 能直接转化为动能的热力发动机。活塞式内燃机于十九世纪六十年代问世,进过不 断的探索改进,内燃机的功率和热效率不断的提高,由于其配套方便,机动性好, 内燃机得到了广泛的应用。 根据所用燃料种类的不同,活塞式内燃机主要分为汽油机、柴油机
10、和气体燃料 发动机三类。汽油发动机是以汽油作为燃料的发动机,由于汽油粘性小,蒸发快, 可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸,经过压缩达到一定的温度和压力后,用火花 塞点燃,使气体膨胀做工。汽油机的特点是转速高,质量轻,结构简单,造价低廉, 运转平稳,使用维修方便。 2.2 二冲程汽油机 二冲程汽油机由于体积小、移动方便,再加上其易于启动(尤其是在寒冷的冬 天) ,维护方便且价格较低,不但在小型手持机具中,而且在一些工程机械中也有大 量应用。二冲程汽油机机油是与燃料混合后进入发动机的,并且随燃料烧掉,不像 四冲程汽油机机油那样在润滑系统内循环使用。其发动机气缸体上有三个孔,即进 气孔、排气孔和扫气孔
11、,这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。其工作循环包含两 个行程: 1、第一行程:活塞至下止点向上移动,三个气孔同时被关闭后,进入气缸的混 合气被压缩;在进气孔被压缩时,可燃混合气流入曲轴箱。 图 2-1 二冲程汽油机工作原理 2、活塞压缩到上止点附近时,火花塞点燃可燃混合气,燃气膨胀推动活塞下移 做工。这是进气孔关闭,密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩;当活塞接近下止点 时排气孔开启,废气排出;随后扫气孔开启,受预压的可燃混合气冲入气缸,驱除 重庆理工大学毕业论文 2KW 便携式发电机组设计 3 废气,进行换气过程。二冲程汽油机工作原理图如图 2-1。 2.3 汽油机的设计要求 为了使发动机便于维
12、护保养、好修、好造,应使各调整部位便于接近,结构简单 合理,工艺性良好。为了更好的适应市场的需求对发动机的设计有以下要求: 1、可靠性和耐久性的要求。可靠性是指在规定的运转条件下,规定的时间内, 具有持续工作,不会因为故障而影响正常运转的能力,对于可靠性高的内燃机应在 保证期内不发生停车故障和需要更换主要或非主要零件的故障;耐久性是指从开始 使用到大修期的时间,耐久性差可能导致发动机启动困难甚至无法启动、排气冒蓝 烟、机油消耗量明显加大、动力性明显下降、工作噪声变大等。由于发动机的工作 状况与驾驶员的安全息息相关,故而在设计中对发动机零件的强度与刚度要有充分 的重视,确保其可靠性与耐久性。 2
13、、低公害的要求。发动机的噪声,主要来自燃烧噪声、气体流动噪声和机械噪 声三个方面,在城市生活日益复杂的今天,噪声已成为城市的主要污染源之一;发 动机排放的污染问题,对全世界来说都十分重视,并根据本国本地区的实际情况制 定相应的排放法规。随着环境保护要求的日益提高,对汽油机造成的污染的问题也 受到越来越多的关注,因此在设计中应考虑到降噪减排的要求,以达到我国 IMO 的 相关规定。 3、经济性的要求。发动机的经济性指标主要指燃油消耗率指标,即每千瓦小时 的燃料消耗重量。对于固定工况使用的内燃机是指标定功率时的燃油消耗率;对变 工况使用的内燃机,则一般是指外特性曲线上的最低油耗率。由于国际油价的不
14、断 上涨,提高汽油机经济性,降低成本是必然要求。内燃机的经济性是内燃机设计师 和使用者永远追求的目标。 4、质量、外形尺寸的要求。质量、外形尺寸是评价设计的紧凑性和金属利用程 度的指标。不同用途的内燃机对质量和外形尺寸指标的要求不尽相同。比如汽车发 动机要求质量和外形尺寸都要小,而工程机械和拖拉机则可能稍大一些。不管怎样, 设计紧凑,质量轻总是内燃机设计追求的目标,在保证质量和可靠性的前提下,应 优选国产材料降低生产成本。 5、内燃机设计的“三化”要求。 “三化”是指:(1)产品系列化,它是指基本 尺寸相同,不同的排列、缸数、增压度,以满足不同的需求;(2)零部件通用化, 它是指同一系列的主要
15、零件能够通用,以减少开发成本;(3)零件设计标准化,它 重庆理工大学毕业论文 2KW 便携式发电机组设计 4 是指按照国家标准、行业标准或企业标准设计,提高设计图样和资料的可读性和交 流性,便于技术交流,同时也起到减少生产和采购成本的作用。 “三化”可以提高产 品的质量,减少设计成本,组织专业化生产,提高劳动生产率,便于使用、维修和 配件供应,因此在进行内燃机设计时,要最大化的满足“三化”要求。 2.4 二冲程发动机的发展前景 进入 21 世纪,节能与环保将是内燃机发展面临的两大主题,在石油短缺,环境恶化 的严峻形势下,寻求提高经济性和降低排放的技术途径将是内燃机研究的主要任务, 以保持内燃机
16、新的发展活力。为了寻求技术突破,国外不少研究单位都在进行着二 冲程发动机的研究工作,有关二冲程发动机的新方案、新实验、新机型都不断的被 研究开发出来。二冲程发动机结构较为简单,且在生产过程中耗的人工、材料、能 源及工艺等相比于四冲程发动机都要低,不管从成本上,还是使用的方便性与安全 可靠性上来说,二冲程发动机都能较高的满足要求,因此它在市场上的发展前景非 常广泛。 本 2.5 本次设计的原始参数 设计原始给定数据如表 2-1。 表 2-1 原始参数 额定频率 Hz 50 额定电压 V 110/115/120/220/230/24 0 额定功率 KW 2 发电机 最大功率 KW 2.2 单缸、强
17、制风冷、二冲程 标定功率 KW 4.1kw/3600rpm 压缩比 8.5:1 汽油机 连续工作时间 h 3 设计取缸径 D=68 ,行程 S=45 ,排量为 163 ,强制风冷。mmC 重庆理工大学毕业论文 2KW 便携式发电机组设计 5 3 活塞组的设计 活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里做往复运动的零件,它们是活塞 式发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性在很大程度 上与活塞组的工作情况相关。活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封,否 则活塞式发动机就不能正常运转。活塞组零件工作情况的共同特点是工作温度很高, 并在很高的机械负荷下高速滑动,同时润滑不良,这
18、决定了它们遭受强烈的磨损, 并且可能产生滑动表面的拉毛,烧伤等故障。实践经验证明,活塞组零件的寿命决 定发动机的维修间隔。在大功率强化发动机中,活塞组的热负荷往往限制了发动机 的强化潜力。由此可见,提高活塞组件零件的工作可靠性和耐久性具有极其重要的 意义。 活塞组的作用归结为以下几点: (1)传力、导向。承受燃烧室内气体的压力,将压力传递给连杆,并保证活塞 在气缸内顺畅运动。 (2)密封。通过活塞环和活塞密封气体,保证缸内工质不泄漏或者很少泄漏。 (3)传热。在密封的基础上,通过活塞环和活塞裙部向缸壁传递热量。 (4)配气。完成进气、压缩和排气功能,在二冲程发动机中还起到配气滑阀的 作用。 3
19、.1 活塞的设计 活塞是二冲程发动机的重要零件之一。它在高温高压下工作,承受很大的热负 荷和机械负荷。工作过程中,活塞与活塞环、气缸不断发生高速的摩擦,由于润滑 条件差,摩擦损失大,磨损严重。活塞的设计与制造对发动机的动力性能,经济性 能、使用寿命、噪声和震动以及废气污染都有重要影响。 3.1.1 活塞的设计要求 活塞是在高温高压高速运动下工作的,为保证活塞能够正常工作,根据其工作 重庆理工大学毕业论文 2KW 便携式发电机组设计 6 条件,在进行活塞设计时应有以下要求: (1)选用热强度好,散热性好,膨胀系数小,耐磨、有良好减摩性和工艺性的 材料。 (2)形状和壁厚合理,吸热少,散热好,强度
20、、刚度符合要求,尽量避免应力 集中,与缸套有最佳的配合间隙。 (3)密封性好,摩擦损失小。 (4)重量轻。 3.1.2 活塞设计中重点解决的问题 活塞顶吸收的热量约占燃料总发热量的 2%4%。经活塞环传给气缸壁的热量占 70%80%,经活塞本身传给气缸壁的热量占 10%20%,而传给曲轴箱空气和机油的 仅占 10%左右。铝合金活塞的温度应保证某些部位的温度不超过以下数值: 活塞顶:375 第一环槽:180220 活塞顶内表面:250 活塞销座:180 活塞设计应重点解决的问题是: (1)改善活塞顶及第一行的工作条件,防止顶部热裂,环槽的过度磨损。 (2)改善活塞销和销座的实际承载能力,减少磨损
21、,防止破裂。 (3)设计合适的裙部外形,提高裙部承载能力,减小配缸间隙,改善磨损,并 使运转平稳。 3.1.3 活塞的材料 根据对活塞的设计要求,活塞的材料选择应有以下要求: (1)热强度高。即使在 300400高温下仍有足够的机械性能,使零件不致 损坏; (2)导热性好,吸热性差。以降低顶部及环区的温度,并减少热应力; (3)膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙; (4)比重小。以降低活塞组的往复惯性力,从而降低了曲轴连杆组的机械负荷 和平衡配置; (5)有良好的减摩性能,耐磨,耐蚀; (6)工艺性好,价廉。 基于以上要求,本设计活塞取用材料为铝合金,牌号为 。由于铝合金密12ZAlSi
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