柴油机连杆加工工艺及铣螺栓座面夹具设计 毕业论文.docx
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1、1前 言跨入二十一世纪,加入世界贸易组织,当前的中国作为一个社会持续进步,经济稳步增长的楷模,随时迎接着世人或挑剔,或羡慕的眼光。我们和祖国一起站在新世纪的起点,面对着迎面而来的机遇和挑战,除了要不断丰富自己的知识和才干,更要看清当前世界发展的形势。国家经济政治要强大,必须有强有力的重工业作为支撑。于是,振兴东北老工业基地便成了一个摆在我们眼前的鲜明目标。为响应这一要求,无数工人、技术人员正在辛勤的抛洒着汗水,释放着自己的智慧,贡献着自己的力量。我作为一名吉林农业大学即将毕业的本科生,当然也希望能尽微薄之力。鉴于此,在调研一汽大柴二金工车间柴油机连杆机械加工工艺基础上,对柴油机连杆的机械加工工
2、艺进行一些分析与研究。我只是一个普通的学生,还没有任何实际经验,要说马上就能够运用自己的专业知识做什么高深的研究设计是不可能的,但是我想这次毕业设计的目的重点不是看我这次设计的高瞻远瞩性,因为毕竟自己经验以及知识非常有限,做出来的结果不可能尽善尽美;重点是要我们学会利用校内的大量资源和所能接触到的书籍、媒体,更系统地掌握学习和研究问题的方法,利用毕业设计的机会锻炼自己分析问题与解决问题的能力,了解工作的大致程序,也能初步积累工程技术人员需要必备的经验,以便为日后离开校园的学习和工作打好坚实的基础。而以我们现在的程度需要付出更多的努力才能真正成为一名机械领域的有用之才。这次设计历时三个月,主要完
3、成的任务有:在已有的知识基础上,制定出合理的柴油机连杆加工工艺;选择其中一道工序铣螺栓座面,进行夹具设计;进行说明书的编写工作。在工序编排的过程中,充分考虑多方面影响因素、结合中国机械行业现行的技术及装备条件;在夹具设计过程中使用了当前普遍使用的AutoCAD。中国现在处于飞速发展和向世界市场全面进军的阶段,需要国人都能以饱满的热情投入到自己的岗位中去。二十一世纪这个知识时代,各个国家的竞争异常激烈,归根结蒂是经济上的竞争。一个国家只要综合国力强大,则其他事业也随之繁荣,因为政治是为经济服务,只要经济真正繁荣,那么国家也就能真正找到适合我国国情的政治方略。而通过历史可以清晰看到,每当一个朝代经
4、济突飞猛进的时候,那么这时也是文化走向繁荣的转唳点。总之,衷心希望中国的机械行业能蒸蒸日上,引领世界的机械事业共同前进。2绪论 概述2.1柴油机发展概况从18世纪末19世纪初的工业革命的一团蒸汽发展为至今的柴油机,可谓历程坎坷,浸有数代科学家及工程师的心血,而至今仍在发展中。工业革命是以蒸汽机的发明为标志的,因为它是人类工业发展的一个里程碑,实现了动力来源的质的飞跃。蒸汽机时代,设置锅炉,将燃料置于其内燃烧以产生蒸汽,再将蒸汽导入蒸汽机中作机械功。这种设计,因为有锅炉的存在,所以整个装置体积庞大,燃料效率低。人们就试想将燃料直接加入发动机内部而进行热功转换这就产生了内燃机。内燃机,是在机器内部
5、进行燃烧的发动机,相对于外部燃烧的蒸汽机来说,而称为内燃机。1878年,鄂图(Otto)1继承前人成果,成功研制了以煤气为燃料、电火花点燃的四冲程内燃机成为发动机发展历程的里程碑。不久,有人提出利用气缸内压缩空气的高温度,去点燃喷射而入的燃料压燃式内燃机。柴油机的发明者是德国工程师鲁道夫迪塞尔2,他于1897年左右首先制成了柴油机,即向气缸内充入空气,并将其压缩到温度高于燃料的自燃点,随后将燃料喷入汽缸内自燃并推动活塞做功。目前,柴油机的发展日趋完善,由于它的热效率高、适应性好、功率范围广,已广泛用于工业、农业、交通运输及国防各个领域,现代工程机械也多以柴油机为动力源。因此,柴油机工业的发展,
6、对国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。1926年,瑞士的阿尔弗雷德约贝西设计了利用废气能量来压缩进气的废气涡轮增压器,并用于柴油机。增压柴油机的功率大幅度增加,其经济性也大大提高。目前,增压已成为柴油机的重要发展趋势。20世纪70年代初,由于石油危机导致原油价格成倍增长,引起对发动机燃油经济性的重视。为了减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖,各国正在加紧进行内燃机代用燃料的研究工作,以逐步减少汽油和柴油的用量。目前,柴油机正朝着提高单机功率,降低油耗、污染和噪声以及提高工作可靠性和延长使用寿命的方向不断发展。本次课题研究的CA4-98柴油机属于载重汽车用柴油机的一种,这类柴油机的设计方面
7、,下列趋向值得注意。1采用V型结构 由于在中汽车吨位的日益增大和车速的普遍提高,载重汽车用柴油机的功率也不断增加,从而发动机缸数就增多。一般六缸以下的发动机均为直列式,也是这类柴油机的主要形式。由于V型结构综合了尺寸小和平衡好的优点,六缸以上的柴油机多采用V型。2提高转速 3采用废气涡轮低增压 多数汽车用柴油机采用低增压,发动机不需要在结构上做大的改变,就可以得到增压和非增压两种机型,使用相同的曲轴传动系统,而不致影响非增压机型的摩擦损失和燃油消耗率,因此,采用低增压是简化柴油机系列的一个良好途径。4废气净化和降低噪声 柴油机排气中的有害成分有氮氧化物NOx、未燃碳氢化合物HC、一氧化碳CO、
8、二氧化硫SO2和碳烟等。由于降低NOx比降低其他有害气体更为昆南,因此,当前废气净化的主攻方向是降低NOx。目前,降低NOx的方法有推迟喷油定时、改变燃烧方式、采用废气再循环法、改变进气条件、使用还原催化剂等。随着柴油机转速的提高和升功率的增大,噪声也相应加大了。发动机的总的噪声辐射与发动机零部件的噪声传送性能及发动机外表面的设计有关。因此,噪声的辐射可以通过发动机零部件的设计而得到改善。四冲程柴油机工作原理柴油机参数选择喷油压力:1015MPa压缩比:16-22压缩终了空气压力:3.54.5MPa 发火后6-9MPa温度:750-1000K 发火后:2000-2500K 工作原理柴油机是一种
9、压燃式的内燃机,柴油燃料在气缸中燃烧,从而产生高温高压的气体,推动活塞运动,通过曲柄连杆机构由曲轴对外做功,从而完成燃料的化学能转化为热能、热能再转化为机械能的能量转换。汽缸活塞活塞销连杆大头盖曲轴图1 气缸及其附件简图Figure1 Cylinder and accessories柴油机的燃油要经过与空气混合燃烧才能转变为热能。要使燃油燃烧,有空气仅仅是燃烧的条件之一,还必须使混合气具有一定的温度。发动机的活塞在缸内向下运动,将空气吸进气缸内,此时空气的温度很低。活塞向上运动时,将空气迅速压缩,空气的温度和压力都上升,并达到足够使柴油燃烧的温度。此时再将燃油以雾化状态喷入,燃油立即在高温高压
10、的空气中燃烧。燃油燃烧后放出大量的热能,使燃气的压力、温度急剧增高,在气缸中膨胀,通过活塞推动曲柄连杆机构对外做功。膨胀终了即活塞做功行程终了,活塞将作过功的废气排出。所有工作循环结束,发动机做好准备,以便新鲜空气再次进入。 综上所述,柴油机每作一次功,都必须经过进气、压缩、膨胀作功、排气等四个过程,这四个过程称为一个工作循环。循环不断进行,柴油机即能连续的工作。 在结构上,柴油机工作循环中的进气、压缩、膨胀作功和排气等过程都是通过活塞、连杆、曲柄、配气系统和燃油供给系统等部件相互配合来实现的。四冲程柴油机工作循环四行程汽油机的每个工作循环均经过如下四个行程,如图2所示图2 四冲程柴油机工作原
11、理Figure2 The four-stroke engine principle1进气行程这一行程的任务是使气缸充满新鲜空气,行程开始时,活塞由上止点往下移动,进气门1打开,排气门2关闭。由于活塞下行,气缸容积增大,气缸压力降到大气压力以下,依靠气缸内外的压差作用,新鲜空气不断地进入气缸。在进气过程的大部分时间里,气缸的压力低于大气压力,其值约为80-95kPa(0.8-0.95kgf/cm2)。由于进气系统的阻力,故进气终了时气缸压力略低于大气压,约为78-88kPa;新鲜空气在进气过程中受气缸壁和活塞顶等高温件的加热,并与上一循环高温残余废气混合,所以进气终了时气缸内的气体温度约为320
12、-340K。2压缩行程这一行程的任务是将进气行程吸入气缸中的新鲜空气进行压缩以使之达到足够的温度和压力,为柴油的燃烧创造条件。当活塞从下止点运动到b时,进气门1关闭,空气开始被压缩。随着活塞上行,气缸容积不断减小,空气的压力和温度不断升高,压缩终了时,缸内气体压力达到2940-4900kPa;温度达到770-970K。3工作行程当活塞到达上止点稍前,即压缩过程后期,柴油经喷油器3以雾状喷入气缸,并与气缸中高温高压的空气混合形成可燃混合气,由于此时空气温度超过了柴油的着火点,所以柴油在喷入的同时就自行着火迅速燃烧。此时进、排气门是关闭的,气缸内的压力和温度由于燃烧而急剧上升,最高压力达到5880
13、-8820kPa;最高温度达到1770-2770K。在上止点后某一时刻(点d),燃烧基本结束。高温高压气体膨胀,将活塞推向下止点,并通过连杆使曲轴旋转对外做功,从而实现了热能向机械能的转换。随着活塞下行,气缸内容积不断增大,气体的温度不断降低,到e点,膨胀做功能结束,作功终了时,压力降为290-390kPa,温度降为1070-1170K。4排气行程这一行程的任务是将作过功的废气排出气缸外。因为残留在气缸内的废气是影响下一个工作循环充气质量的一个重要因素,所以废气排的越干净越好。当活塞越过下止点开始上行时,气缸压力已降低,可以减少活塞上行时的背压,活塞由下止点向上运动,气缸内的废气在活塞的作用下
14、排出气缸。排气终了时缸内废气压力仍高于大气压力,约为103-123kPa,温度约为570-970K。综上所述,四冲程柴油机有如下特点:1)一个工作循环是在曲轴回转两转内完成。2)在曲轴回转两转过程中进气门、排气门和喷油器均只启闭一次。3)每个循环中之有工作行程对外做功,其余三个行程都是为工作行程做准备,都需要外界供给能量。3 设计任务书3.1柴油机参数说明表1 CA4-98柴油机参数Table1 CA4-98Diesel engine parameters柴油机型号CA4-98汽缸数4缸径98毫米行程120毫米总排量3.75升12小时功率44马力12小时功率转速1500转/分活塞平均速度6米/
15、秒最大扭矩23.72千克米最大扭矩转速1200转/分12小时功率时的平均有效压力7千克/平方厘米12小时功率时的燃油消耗率185克/马力小时压缩比16:1喷油顺序1-3-4-2重量360千克3.2柴油机曲柄连杆机构作用曲柄连杆机构是将往复活塞是内燃机燃料的化学能通过燃烧放出热能,在转换为机械能的主要结构,它由活塞组、连杆组和飞轮组三个部分组成。其主要任务是通过这套机构把活塞的往复直线运动,经连杆的摆动变为曲轴的旋转运动,从而把热能转换为机械能并对外作功;同时,通过燃油燃烧时加在活塞顶上的燃气力,经连杆传给曲轴使曲轴获得转矩,对外输出功率。3.3曲柄连杆机构的工作条件内燃机是一种热力机械,在热功
16、转换的过程中,曲柄连杆机构要受到很高的机械负荷和热负荷。机械负荷主要是指作用在机构上的燃气力,以及由机构做往复运动和旋转运动所产生的惯性力,此外还有装配时拧紧螺栓等引起的装配力和相对运动零件间摩擦力。现代发动机的最高燃烧压力对自然吸气的为5-9MPa,而增压发动机可高达12-18MPa。工程机械发动机转速一般是2000r/min左右,小型发动机转速则为4000-6000r/min,其惯性力的大小以几乎与燃气力不相上下。这些力直接作用于活塞、活塞档、连杆、曲轴和轴承上。热负荷有两个含意,一是曲柄连杆机构中与高温燃气直接接触的那些零件,如活塞顶部、第一道活塞环等,由于零件温度很高,造成材料强度、硬
17、度下降,烧损,间隙破坏以及在高温下润滑油变质引起的零件磨损、胶结、密封破坏等;二是由于受热零件(如活塞)形状复杂和冷却状况的差异而造成温差所引起的热应力,使零件破坏(如活塞热烈等)。3.4连杆的结构特点及技术要求3.4.1连杆组的结构特点发动机连杆组通常由连杆体、连杆大头盖、连杆螺栓(及螺母)、连杆大头轴瓦等零件组成。如图3所示连杆组在工作中要把活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动,并作用在活塞组上的力传给曲轴,所以它要承受气体压力、活塞组往复运动惯性力、连杆组自身摆动产生的惯性力,连干大头旋转运动产生惯性力,以及连杆螺栓拧紧连杆大头盖时的预紧力等。所以,连杆组是整个发动机中受力状况最为复杂的一个
18、组件。此外,连杆小头衬套与活塞销,连杆轴瓦与曲柄销所构成的两对轴承摩擦副,也是在极为严酷的条件下工作的。图3 连杆示意图Figure3 Connecting diagram由于连杆组受力情况复杂,所以要求它们具有足够的强度和刚度,否则将会造成严重的后果。3.4.2连杆的技术要求技术要求如下:1、为使连杆大小头运动副之间配合良好,大头孔尺寸公差取为IT5,表面粗糙度Ra不大于0.4m;小头孔尺寸取为IT6,表面粗糙度Ra不大于1.6m。同时对他们的圆柱度亦相应地规定了严格地要求。2、大小头孔的中心距影响到气缸的压缩比,进而影响发动机的效率,因此两孔中心尺寸公差等级应不低于IT8。大小头孔中心线在
19、两个相垂直的方向上的平行度误差会使活塞在气缸中倾斜,致缸壁磨损不均,缩短发动机的使用寿命,同时也使曲轴的连杆轴颈磨损加剧。一般规定两孔轴线在连杆轴线平面内的平行度公差不低于7级,在垂直于该平面内的平行度公差不低于8级。3、连杆大小头两端面对大头孔中心线的垂直度误差过大,将加剧连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两端面的磨损,甚至引起烧伤,一般规定其垂直度公差等级不低于9级。4、两螺栓孔轴线对大头接合面的垂直度为0.02/100mm,否则会使连杆螺栓受力情况恶化,以致体盖结合不好,轴瓦与曲轴轴颈产生不均匀磨损。5、为保证发动机运转平稳,对连杆小头质量和大头质量差别分别给予较严格规定:允差1.53g。具体
20、如图所示:图4 连杆毛坯图-1Figure4 Blank. Connecting-1图5 连杆毛坯图-2Figure5 Blank. Connecting-2图6 局部放大图Figure6 Partial enlargement4 工艺路线的拟定4.1 年产量和批量的确定4.1.1 生产纲领生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。零件的生产纲领需要从产品(成品即柴油机)的生产纲领出发。这里柴油机的年生产量是5万台,由于柴油机为六缸,故连杆年生产量应为5420万件。计算年生产纲领需用下式:NNn(1+) (1+) (公式1)这里:N 零件生产纲领N 产品年生产纲领(5万件)n 每
21、一产品中连杆数(4) 连杆备品率 (2) 连杆平均废品率 (2)所以 N541.021.0220.8万件/年月生产量年生产量12月20.8万12月1.73万件/月日生产量(两班制)月生产量25.5天680件/天4.1.2生产类型机械加工车间的生产性质和类型取决于既定的产品类型及其年产量。根据车间所生产零件的重量,机械加工车间分为轻型、中型、重型和特重型四种。按产量,机械加工车间可分为单件生产、小批生产、和大批大量生产四种性质。表2轻型(100Kg以下)零件的生产性质Table2 100Kg of light (under) produce properties生产类型单间生产小批生产中批生产大
22、批生产大量生产年产量100以下100500500500050005万5万以上故4-98型连杆的生产类别为大批生产。4.1.3平均流水节拍根据我国情况,机械加工车间和装配车间的工作制度按两班制来计算。全年工作日数,按306天计算(即全年日历天数扣除星期天和例假日数)。工人年时基数,即工人全年实际工作时数,要从306天全部工时中扣除一定的缺勤时间。通常,工作工作时间损失率约以8计算。下表(2.2)为设备、工作位置和工人的年时基数。表3 连杆机械加工年时基数Table3 In mechanical processing base of connecting rod内容工作班次全年工作日第一、二班工作
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