某引擎柴油发动机设计方案1 引言1.1 发动机简介发动机（英文：Engine），又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，有时它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器.比如汽油发动机，航空发动机。缸体是发动机的基础零件。发动机各机构和系统的零、部件都安装在它的内部或外部。缸体是发动机的基础零件，发动机各机构和系统的零、部件都安装在它的内部或外部。1.2 发动机缸体上料机构设计的目的与意义随着我国经济的快速发展，作为经济发展基础的交通行业，汽车行业也有了飞速的发展。尽管如此，目前我国的汽车生产技术跟国外一些发达国家仍存在着明显的差距，如加工方面自动化程度不高，加工方法相对落后等。这对于我国的汽车生产行业来说，技术的革新仍是一个巨大的挑战。在加工发动机缸体时，由于缸体上下两平面均需加工，当加工完上平面时，需将缸体翻转180度进行加工下平面。此时如果采用人工翻转，既费力又费时，所以我所设计的发动机缸体上料机构将自动完成此动作（自动将缸体推进翻转机构、自动翻转、自动将缸体推出翻转机构）。我的设计属于典型的机电一体化产品，本次设计采用机电一体化技术改变了传统半自动化翻转，即人工将缸体推进、推出翻转机构的方法，对于进行批量生产具有无可比拟的优越性。按机电一体化思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相结合而形成的各种技术、产品或系统，均属于机电一体化范畴。其目的是不断提高劳动生产率，减轻人们的体力劳动，逐步代替部分脑力劳动。通过这种技术生产出来的是种类繁多的机电一体化产品，这些产品广泛的应用到国民经济、科技活动、国防建设和人民生活的各个领域。同时还可以扩大机电产品的出口，促进对外贸易和交流，因而对于振兴我国的机械工业具有重大的作用，对于推动我国科学技术的进步和国民经济的发展也具有极为深远的战略意义。1.3 主要设计内容根据设计任务，缸体上料机构设计及仿真要求综合运用过去所学过的全部课程进行发动机缸体上料机构结构设计，并由仿真来检验上料机构设计的正确性和可行性。重点解决的问题是如何实现缸体自动进入翻转滚笼，滚笼自动翻转180度，最后自动将缸体推出滚笼。2 缸体上料机构总体方案设计及方案的选择2.1 缸体上料机构的主要设计参数1、发动机缸体主要外形尺寸：820mm350mm650mm ；2、发动机缸体重量： = V缸 = 7.2103kg/m3 0.187m3 50%=673.2kg；（缸体重量以50%为实心计算）3、生产纲领为年产10万台。2.2 总体方案设计及选择方案1图2-1 设计方案一方案1示意图中采用液压传动即两个液压缸及液压推杆实现发动机缸体的进出翻转滚笼。此处采用液压传动主要有以下几个优点：1、 液压传动能很方便地实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速。2、 在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑。液压元件之间可采用管道连接或采用集成式连接，其布局、安装有很大的灵活性，可以构成用其它传动方式难以组成的复杂统。3、 液压传动能使执行元件的运动十分均匀稳定，可使运动部件换向时无换向冲击。而且由于其反应速度快，故可实现频繁换向。4、 操作简单，调整控制方便,易于实现自动化。特别是和机、电联合使用，能方便地实现复杂的自动工作循环。5、 液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠。由于各液压元件中的运动件均在油液中工作，能自行润滑，故元件的使用寿命长。6、 液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造、维修和推广使用。滚笼的翻转采用齿轮齿圈传动，动力由三相异步电动机提供。在三相异步电动的正反转控制中，根据三相异步电动机的工作原理，电源反接可以改变旋转磁场的方向，使磁转矩方向与转速方向相反。实现三相异步电动机正反转，同时可实现滚笼正反转。滚笼翻转180度后，由两个挡块实现滚笼的准确定位。方案2图2-2 设计方案二方案2与方案1唯一不同的地方就是方案2中的翻转滚笼采用带传动，采用带传动主要有以下几个优点：、带具有弹性，能缓冲、吸振，传动平稳，噪声小；、过载时，带在带轮上打滑，从而防止其他重要零件损坏，起到安全保护作用；、适用于中心距离较大的场合；、结构简单，装拆方便，成本低。但带传动也存在着一些缺点：、带在带轮上有相对滑动，传动比不恒定；、传动效率低，带的寿命短；、传动的外廓尺寸大；、需要张紧，轴和轴承受力较大；、不宜用于高温、易燃等场合。方案3图2-3 设计方案三方案3的翻转滚笼仍采用齿轮齿圈传动，不同的是当发动机缸体翻转180度后，由液压缸2动作将其拉出。此方案与方案1相比，不足之处就是液压缸2上的活塞杆需伸出的长度过长，刚度要求较高。综合以上三种方案，决定选择第一种方案进行详细设计。3 翻转滚笼及支撑架设计3.1 滚笼筐架设计能实现箱体类物件正反翻转180度的机构很多，但对于发动机缸体这样既大又笨重的物件，要能实现其自动、准确、平稳翻转180度确有难度。目前国内的翻转机构大多采用液压翻转或者电动机带动翻转，相对落后的甚至用人工进行翻转。在此我设计的翻转机构为一个滚笼体翻转机构，两边采用两个大钢轮，中间用四根方钢并用螺栓将其连接成一整体，这样便构成滚笼筐架。此结构简单、轻便、维护方便、运行可靠、加工方便。滚笼正反翻转180度后可用两挡块进行准确定位。如下图所示：图3-1 滚笼筐架3.2 支撑架设计为能较好地支撑翻转滚笼，很好地实现其准确、稳定翻转，在此采用四脚支撑进行对滚笼的支撑。在四个支撑脚上各安装一个托辊，安装托辊的好处可以大大减小滚笼钢轮与支撑架的摩擦阻力。支撑架用空心方钢焊接而成，其结构简单，加工、维护方便。其结构如下图所示：图3-2 支撑架3.3 滚笼体设计滚笼上下两端横跨四跟横梁，上面安装小托辊，这样可在滚笼内形成上下两个滚道，缸体可在滚笼内顺利进出，而且托辊可大大减小与缸体上下底面的摩擦阻力。其结构如下图所示：图3-3 滚笼体考虑到托辊在滚笼内只起水平支撑作用和减少与发动机缸体的摩擦阻力，所以将滚笼内托滚两端均安装有两个轴承，滚筒壁跟随两轴承一起转动，托辊的基本结构简单设计如下：图3-4 托辊3.4 滚笼体的传动设计滚笼翻转的传动方式很多，可以采用带传动、链传动、液压传动等。在此我采用的是齿轮传动。齿轮传动具有传动比准确、使用的范围甚广，而且效率特别的高，结构紧凑，使用寿命长等优点。由于滚笼直径较大，固要求大齿轮也比较大，这对加工造成一定的困难。为解决这一问题，采用齿轮齿圈传动，齿圈用螺栓固定在大钢轮上，齿圈均分成四部分加工，然后再拼接成一完整齿圈。这样便很好地解决了齿圈太大而造成难以加工的问题。齿圈的基本结构和齿圈与大钢轮的连接方式如下图所示：图3-5 传动滚笼体一个完整的翻转滚笼便出来了，此滚笼配合一个小齿轮便能很好地实现发动机缸体的180o翻转。因为滚笼翻转180o度后，需反转108o进行下一缸体翻转，所以动力源方面，我选择的是三相异步电动机，根据三相异步电动机的工作原理，电源反接可以改变旋转磁场的方向，使磁转矩方向与转速方向相反，实现三相异步电动机正反转。准确定位方面由两块挡块来实现。由于异步电动机的转速较高，为减少发动机缸体在滚笼内翻转时的剧烈碰撞，要求滚笼的翻转转速不能过高，因此电动机不能直接与小齿轮连接，其间应加一减速器进行减速来达到要求。电动机与减速器、减速器与小齿轮之间用联轴器联接。如下图所示：图3-6 翻转机构4 液压设计4.1 液压缸设计（以下设计计算均参照 液压气动速查手册 张利平主编 第一版）1、 液压缸设计需满足的条件、缸体在滚笼滚道上受到的摩擦阻力F =G = 0.004326732 = 861.7 N（为滚动轴承摩擦系数；32为轴承数；G为发动机缸体重量；）则a = 32g = 320.00410 =1.28 m/s2、缸体完全进入滚笼所需的最小速度V = = = 1.43 m/s2、 缸筒内径D的确定按作用力大小和预选的工作压力计算缸筒内径D：D = = = 33.13 mm查液压气动技术速查手册取标准缸径D = 50 mm ( F为液压缸作用力；P为预选定的工作压力，Pa ) 在此预选定的工作压力为1MPa3、 缸筒壁厚的确定 对于低压系统，缸筒壁厚可按薄壁筒计算： = = = = 0.36 mm取= 3 mm 试验应力，MPa ，工作压力P 16 MPa 时，= 1.5P，D 液压缸内径， 缸体材料的许用应力，MPa，对于钢管 = 100110 MPa，在这里取105 MPa4、 缸底、缸头厚度h1、h2的确定当缸底有油孔时h = 0.4333D = 0.433350 = 2.83 mm取h1 = 25 mm h2 取30 mm缸底、缸头的结构如下图所示：图4-1 液压缸底图4-2 液压缸头5、 活塞与活塞杆活塞杆直径d的确定按液压缸的速度比已给定并以此来计算活塞杆的直径dd = D = 50 = 24.9 mm圆整d取25mm式中液压缸的往复运动的速度比，根据工作压力，按下表选取。在此取1.33。表4-1 液压缸速度比和工作压力的关系工作压力P/MPa1012.52020速度比1.331.46，22根据活塞杆螺纹尺寸标准系列，选取活塞杆螺纹规格为M161.5 mm ，螺纹长度选择为长型32 mm 。活塞杆的结构草图如下：图4-3 活塞杆活塞的确定由于液压缸的工作压力不高，属于低压液压系统，固活塞的密封方式选择间隙密封。如下图所示：图4-2 活塞密封结构6、 液压缸活塞行程的确定根据工作条件需要，查液压缸活塞行程系列表，取液压缸活塞S = 200 mm。4.2 液压控制回路设计根据工作性质，要求液压推杆把发动机缸体推进/出翻转滚笼后，能自动迅速反回，准备下一缸体的推进/出，如此反复下去。液压控制回路设计如下：图4-3 液压控制回路图4-3所示为两液压缸的液压控制回路，当阀1YA得电换向时，液压缸1动作将缸体推进翻转滚笼，触动行程开关S1，使阀2YA得电换向，液压缸1返回，触动行程开关S2，2YA断电，此时液压缸1处于卸荷状态。当3YA得电时液压缸2动作将缸体推出翻转滚笼，触动行程开关S3，使阀4YA得电，液压缸2返回，触动行程开关S4，液压缸2卸荷。如此反复循环下去。下表为液压控制阀的动作顺序：表4-1液压控制阀动作顺序液压缸控制阀1YA2YA3YA4YA液压缸1推进+液压缸1返回+液压缸2推进+液压缸2返回+ 此回路的优点是控制灵活方便，为提高其可靠程度，电气元件的质量要求较好，以保证系统正常运转。4.3 液压缸的工作环境 为满足缸体能顺利推进/出翻转滚笼，液压推杆需提供的推力F = 861.7 N， 推杆的速度V = 1.43 m/s。这两个条件为液压缸工作必须满足的前提条件。所以液压缸的工作压力P