柴油机配气机构毕业设计方案说明指导书.doc

485柴油机设计（配气机构）
摘要
本设计简介了 485柴油机配气机构设计，重要是其各零部件设计。 本次设计485柴油机重要用于轻型载货车。
配气机构功用就是实现换气过程，即依照发动机气缸工作顺序，定 时启动和关闭进排气门，以保证气缸排出废气和吸进新鲜空气。配气机构 设计好坏直接影响发动机整体经济性和动力性，因而配气机构设计在 发动机整体设计上占有相称重要作用。在气门选取上，釆用每缸两个气门 方案，其长处是比较简朴、可靠，对于自然吸气式柴油机可以提高新鲜空 气进气量，减少气缸热负荷，增长气缸耐久性和使用寿命。气门驱 动采用凸轮轴一挺柱一推杆一摇臂一气门机构。凸轮轴布置形式是下置式， 采用是整体式凸轮轴，这样凸轮轴构造简朴，加工精度高，能有良好 互换性。
本次配气机构设计，重要涉及进、排气门设计，气门弹簧设计， 以及凸轮轴设计。编写Matlab程序，计算得到挺柱升程表，绘出挺柱升程、速度、加速度曲线。
核心词：柴油机，配气机构，凸轮轴，气门
THE DESIGN OF VALVE TIMING MECHANISM OF 485 DIESEL ENGINES
ABSTRACT
This thesis introduces the design of valve timing mechanism of 485 diesel engines，mainly the design of its various components. The 485 diesel engine in this design is mostly used in light truck.
The function of valve timing mechanism is to realize the exchange process， namely according to engine cylinder working order，ensure that the intake and exhaust valves open and close at the proper time. The valve gear play a direct impact on the economy and power parameters of the engine，therefore，the design of gas distribution agency in the overall design of the engine play a rather important role. Arranging two-valve per cylinder，the advantages are that it is relatively simple，reliable，for the naturally aspirated diesel engines can improve the fresh air into the cylinder，reduce the heat load of the cylinder to increase the durability of the cylinder and use life. The driving mechanism of valves is camshaft，tappet，pushrod，rocker，valve train. Camshaft arrangement is under the form of home-style，using the integral camshaft，such camshafts have simple structure，high precision machining，and good interchangeability.
This design，including exhaust valve，intake valve，valve spring，and camshaft. Write Mat lab program，calculate tappet lift table，map the curves of tappet lift，speed and acceleration.
KEY WORDS：Diesel engine，Valve timing mechanism，Camshaft，Valve
第一章485柴油机设计规定 3
第二章485柴油机工作过程热计算 6
§2.1 485柴油机工作过程热计算已知参数 6
§2.2 485柴油机工作过程热计算 6
§2.2.1 普通参数计算 6
§2.2.2进排气过程计算 7
§2.2.3压缩终点参数计算 8
§2.2.4燃烧过程计算 8
§2.2.5膨胀终点参数计算 8
§2.2.6批示参数计算 9
§2.2.7有效参数计算 9
第三章485柴油机重要性能参数选取 10
§3.1平均有效压力p 10
v me
§3.2活塞平均速度Cw 10
§3.3行程缸径比〜 11
§3.4曲柄连杆比 12
§3.5气缸中心距 13
第四章配气机构总体布置 14
§4.1气门数目、布置和驱动 14
§4.2凸轮轴布置和传动 14
第五章气门组设计 15
§5.1气门设计 15
§5.1.1气门工作条件与设计规定 15
§5.1.2气门构造和设计 16
§5.1.3气门材料选取 19
§5.2气门导管设计 19
§5.3气门通路面积校核 20
第六章气门弹簧设计 23
§6.1气门弹簧概述 23
§6.2气门弹簧尺寸拟定 23
§6.3气门弹簧校核 28
§6.3.1气门弹簧强度校核 28
§6.3.2气门弹簧共振校核 29
第七章凸轮轴与气门传动件设计 31
§7.1凸轮轴设计 31
§7.1.1凸轮轴设计规定及构造 31
§7.1.2凸轮轴尺寸设计 31
§7.2挺柱设计 35
§7.3推杆和摇臂设计 36
^ i仑 37
参照文献 38
附录 39
柴油机发展，已有一百近年历史，通过这一长时间不断改进和更 新，己经发展到了比较完善限度。由于它效率高，适应性好、功率范畴 广，柴油机已广泛应用于农业、工业、交通运送业和国防建设事业。因而， 柴油机工业发展，对国民经济、国防建设以及人民生活都具备十分重要 意义。近三十年来，柴油机朝着提高柴油机功率，减少油耗、污染和噪声以 及提高工作可靠性和延长使用寿命方向发展。
国内柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快发展，但国内柴油机产 业整体发展依然面临着许多问题。
1、国内重型柴油车产量在逐年增长，中型、轻型车柴油化步伐也在加 快，但在微型汽车、轿车领域，柴油车所占比例仍很少。
2、柴油机行业投入局限性，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开 发能力提高。当前，国内柴油机技术基本薄弱，还不具备完整全新柴油 机产品和核心零部件开发能力。
3、国内柴油机技术落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养办法不 力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对都市环境和大气质量导致不良影 响，使社会产生"厌柴〃心理。
4、柴油品质差、柴油原则修订严重滞后于汽车工业发展需要，对柴 油机技术发展以及各种新技术、改进柴油机排放办法应用导致障碍。
国内柴油机技术攻关重点应放在电控技术、排放后解决技术、整机开 发和匹配技术等核心技术研究和材料开发上，加快开发与配套主机更加适应 节能、节材和高可靠性新一代机型。既有产品要提高可靠性、减少噪音 和烟度，下一步应推广直喷化、轻量化、多缸化，同步还应提高柴油品质， 为各类柴油机新技术应用奠定基本。
485柴油机构造简朴、维修以便、制导致本也较低、比较省油，且具备 较大输出扭矩。由于485柴油机具备许多方面长处，因此无论在国外还 是在国内，其应用越来越广泛，特别是轻型运送车辆，把485柴油机作为其 首选动力。随着国民经济建设和生产发展，485柴油机已越来越广泛地得 到应用，它为国内国民经济发展作出了不可磨灭贡献。
总之，本次设计485柴油机具备动力大、油耗低、使用可靠性高、经 久耐用、经济省油和维修以便等长处，是更省油，更清洁环保机型。特别 是其强劲动力，合理价格必将深受广大客户青眯。因而，此机型在将来 市场应用中有很大发展潜力。
485柴油机重要应用于农用、轻型载重汽车、工程机械等车辆中。从485 柴油机使用范畴就可以懂得其特点。其材料尽量采用普通钢材，零部件 工艺性要好，要适合于大量生产，并且此类柴油机除了和其她机械同样，都 规定产品重量轻、体积小、质量好、效率高、构造简朴、使用以便和维修、保养简朴，对于这一类柴油机是详细规定可以概括为：
一、经济性指标
柴油机经济性指标普通都是以燃油消耗率和机油消耗率作为柴油机经 济性重要指标。
柴油机燃油消耗率是随运转工况不同而变化，普通常以额定工况 时每千瓦时有效功率所消耗燃油克数作为衡量指标(有采用外特性最低 燃油消耗率作为衡量指标)。燃油消耗率重要与柴油机工作过程、燃烧室 构造以及机械效率等有密切关系。高速柴油机在额定工况时燃油消耗率一 般在 sisdssg/aw./z)间。
二、动力性指标
柴油机动力性指标是指柴油机额定功率、额定转速及扭矩，这些指 标是依照与之配套使用规定而拟定。一台柴油机功率，依照不同使 用规定，需要随工况而变化。当代农用柴油机，为了具备良好动力性，其 性能、构造和使用状况随处区不同而差别悬殊，并且大某些柴油机工作环 境恶劣，同步使用负荷不均匀，有时超负荷，有时较低负荷运营，并且有时 候也许持续工作几十个小时，因而此类柴油机应有较好动力性。
三、可靠性与耐久性指标
柴油机可靠性是指柴油机在设计规定使用条件下，具备持续工作、不致因故障而影响柴油机正常工作能力。可靠性指标普通是以在保证期内 不断车故障次数、停车故障次数以及更换重要零件和非重要零件数目来表 示。当前，普通还只采用保证期中故障状况以及使用寿命作为衡量柴油机 可靠性指标，并以使用寿命作为衡量柴油机耐久性指标。使用寿命是指柴 油机从开始使用到第一次大修前合计运转小时数，或车辆行驶公里数。
柴油机大修期普通决定于气缸套和曲轴磨损到达规定极限时间（即此时 柴油机不能继续正常工作），中小型工程机械柴油机使用寿命大概在 6000-10000小时。本次设计中485柴油机重要应用在轻型卡车、农用运送 车、装卸车、叉车等各种中小型工程机械中，其工作负荷变化较大，因而要 有较高可靠性与耐久性指标[3_5]。
四、运转性指标
柴油机运转性指标，重要是指操纵使用与否以便，运转与否平稳，起 动性与加速性好坏以及噪声与排放污染等。操纵使用以便是指使用人员不 需要很特别专门技能，可以便操作、维护、保养。运转平稳是指柴油机平 衡良好，振动小。起动性好即指柴油机起动迅速可靠，普通柴油机规定在-5°C 气温下不附加任何辅助装置就能顺利起动。加速性好是指速度提高得快，一 般在柴油机在短时间内可以达到所需速度。噪声与排放污染是指柴油机在 运转时噪声和排放要在一定范畴内。
五、紧凑性指标
柴油机紧凑性指标，普通是指柴油机重量和外形尺寸指标。衡量柴 油机外形尺寸指标是单位体积功率。它是评价柴油机构造紧凑性和金属材 料运用限度一种指标。衡量柴油机重量指标是比重量。本次设计485 柴油机重要应用于中小型工程机械，因而紧凑性指标较低[1]。
六、“三化”问题
所谓三化问题是指产品系列化、零部件通用化和设计原则化。
1. 产品系列化。柴油机用途虽然十分广泛，但是从生产和管理角度 看，却但愿产品类型不要过多。机型少就便于集中力量进行进一步研究，也 便于组织大规模生产。为此目，国家拟订出以缸径为基本尺寸系列型谱。 型谱中同一系列柴油机，缸径和基本构造相似，通过变化缸数以及其她结 构上变形来满足多方面不同需要。同一系列柴油机应当作到多数零件或 总成，特别是易损件通用。
2. 零部件通用化。意义如上所述。事实上，工业中使用广泛产品其规 格己经原则化了，因此零部件通用化也包括了凡是能采用原则件时就采用标 准件含义。
3. 零件设计原则化。它是指在设计中应按国家机械制图原则绘图，并尽 也许地按照关于原则制定技术条件。
但是发动机要想同步满足上述所有规定是相称困难，由于这些规定是 互相矛盾。因而应在保证重要规定前提下，尽量满足其她规定。对 于农用来说重要应具备足够使用寿命，其她规定都是次要[6-8]。
在柴油机设计开始阶段，依照选定参数进行工作过程热计算，其重要 作用有：
1) 对柴油机动力性能和经济性能参数起一定校核作用；提供柴油机 重要热力参数之间互有关系简朴计算办法。
2) 提供在设计阶段零部件强度计算根据。
3) 为柴油机性能改进提供初步理论根据。
§2.1 485柴油机工作过程热计算已知参数
485柴油机工作过程热计算已知参数见表2-1所示。
表2-1 485柴油机有关参数
参数名称
参数值
参致名称
参数值
有效功率t (kW)
30
压缩比^
18
柴油机转速n(r/min)
2600
最高燃烧压力/^ax (MPa)
8
气缸数i
4
过量空气系数<
1.7
气缸直径(mm)
85
充量系数^
0.85
活塞行程S(mm)
100

§2.2 485柴油机工作过程热计算
本章对485柴油机工作过程进行热计算，分如下七个某些：1) 普通参数 计算；2)进排气过程计算；3)压缩终点参数计算；4)燃烧过程计算；5)膨 胀终点参数计算；6)批示参数计算；7)有效参数计算。
§2.2.1 —般参数计算
一、气缸工作容积r (L)
v = s = 85 n xioo =0.567L
二、燃烧室容积匕(L)
V 0.567 T
V =~— = = 0.033 L
"£ -1 18-1
C
三、理论空气量L。
=14.297 kg
gc ga 0.87 0.004
L. = 34.41(—+ g „ - —) = 34.41( + 0.126
3 8 3 8
四、新鲜空气量1
L L。=1.7xl4.3=24.31kg
五、燃烧产物量M
gH g() 0.126 0.004 ^
M = L + —^+— = 24.31 + + =24.34kg
4 32 4 32
六、理论分子变更系数~
M 24.34
fj = — = 1.001
L 24.31
七、实际分子变更系数#
ft =//o+^ =1.001 i + <
§2.2.2进排气过程计算
一、排气压力〜(kPa)
Pr = \ A pa =110kpa
二、缸内排温7； = 800 K
三、进气终点压力；^(kPa) pde = °-9Pa = 91 kPa
四、进气终点温度L(K)
+ AT +(/> T 293 + 0.05 x 800 T,
Td = — = = 336.2 K
1 +(j)r 1 + 0.05
五、冲量系数< =0.85
六、柴油机总空气流量人（kg/h)
49.17g/s=177kg/h
PahVsin 0.85 x 0.98xl01x 0.5 67 x 4 x 2600
A ：(p ♦—-— =
^ 30rRdTd 30 x 4 x 0.287 x 293
§2.2.3压缩终点参数计算
一、压缩终点压力L(kPa)
P = P/te nX = 91 xi8' 35 = 4 5 0 4 kPa^4.5MPa
•* co r de c
二、压缩终点温度l(k)
T =TAe w,_1 = 336.2 x 1 8I35_1 = 924.6 K
co de c
§2.2.4燃烧过程计算
一、压力升高比、
p 8000
A = flmax = = 1.78
p 4504
r CO
二、最高燃烧温度rmax(K)
8 H
^lUiC ) T = £—-——+ [(//C ) + 8.313(/l - l)]-r
厂 \厂 pz / m max L pcy m v p / J co
弋 M1 + <)
式中^ 一燃烧终点时热量运用系数；//u—燃料低热值(kJ/kg)；(/义丄，人一燃烧产物和新鲜空气平均等压摩尔比热容(kJ/kg.mol.K)
0.75x 44100 ,
8.3T = + [8 + 8.3 13 x (1.7 8 -1)1 x 924.6 =14687.8
max 1.7xl4.3x(l + 0.05)
rma 产 1770K
三、初期膨胀比p
u T 1.001 x 1770
p —= = 1.127
A T 1.78x 924.6
p CO
四、燃烧终点气缸容积L
Fz = /7-^=1.127 x0.033 = 0.0372L
§2.2.5膨胀终点参数计算
一、膨胀终点压力4
p 8000 8000 ,^
p = —^ = = = 250.78 kPa
ex 5nl 1 5.971-25 3 1.9
，s 18
式中 5 =」•= = 15.97
p 1.127
二、膨胀终点温度^
T 1770 1770 ”
= = 889.5 K
15.97 1.99
§2.2.6批示参数计算
一、平均批示压力
P . - £ ^ p ' P 1 1 1
〜=K •- D + 0 - T^T) - ^：0 - 7)]
^-1 n2 -1 S nx -1 e c'
91x18' 35 1.78 x 1.1 63 1 1 1
〜=0 93x [1.78 x (1.163 - 1) + x (1 -———) ([一 ^TT)]
1 8 -1 1.25 -1 15.97 1.35 -1 18

p t =729.4kPa
r ml
二、批示功率尺

p rV n .i 0.729X 0.567 x 2600x 4
Pt = — = = 35.8kW
30r 30x4
二、指不热效率L
(j> Ln Ta p , 1.7 x 0.495 293 729.4
ih = 8.313^~8.3 13 x x——x =40.3%
H p h (j> 44100 99 0.85
u 1 ab T c
四、
批示油耗\
3600 x 1 0 3600 x 1 0 ^ //i \\i
b. = = =202.6g/(kW*h)
TJ H 0.403 X 44100 、
§ I u
§2.2.7有效参数计算
一、机械效率/?„
=83.8%
Pe 30
Pi 35.8
二、平均有效压力
p = n p = 0.838x 729.4 =611kPa
me 1 m * mi
三、有效热效率
rj ef = rj m • rj t = 0.838 x 0.403 =0.338
四、有效比油耗\
be = — = 202 6 =242g/(kW-h)
n 0.838 、
,m
柴油机重要参数选取必要紧密结合实际状况进行选取。它需要设计 师在整机尺寸应尽量小、总质量尽量轻和具备较高动力性、热可靠性 与机械可靠性这两个互相矛盾开发目的之间找到折中点，同步还应考虑整 机外形美观。
针对设计任务规定对的选取这些参数，在预计Pe值时，一方面应考虑 技术力量因素，另一方面还应当给发动机留一定余地，以免影响其寿命。
§3.1平均有效压力P
^ me
柴油机在额定功率时平均有效压力是表达柴油机整个工作过程完善性 和热力过程强烈限度重要参数之一。它决定于混合气形成办法、燃料 种类、混合气形成过程、燃烧过程与换气过程质量、机械效率、进气压 力和温度以及柴油机冷却方式与冲程数。
是标志柴油机热力循环进行有效性、构造合理性和制造完善性 综合指标。
平均有效压力：
30tP 30x4x30
P = = = 0.610MP = 6.1 bar
Vni 0.567 x 2600 x 4
§3.2活塞平均速度c
^ m
柴油机额定转速和活塞平均速度指柴油机在额定功率时转速和活塞 平均速度。活塞平均速度也是决定柴油机高速性指标。提高柴油机额定 转速与活塞平均速度是提高柴油机单位体积功率有效办法之一。普通采用 短冲程而提高转速，使活塞平均速度在不至于过高状况下来提高柴油机 单位体积功率。
一、C对性能影响
m
当其她参数不变化时，q与柴油机功率匕成正比。但是当柴油机构造不
变时，进排气阻力与C成正比，在柴油机摩擦磨损中占最大份额是活塞组
m
摩擦损失，而活塞组磨檫损失平均压力/>_与[成正比。因而，C提
ntm m m
高导致~下降。
二、c对热负荷影响
m
柴油机气缸内单位时间所发出热量与功率匕成正比，因而与成正 比。因此气缸热负荷与成正比。即热负荷随q增大而增大。如果当^ 过大时，也许导致热负荷过大，甚至导致发动机由于热负荷超过极限，使发 动机不能正常工作[9’1()]。
三、c对磨损和寿命影响
m
柴油机气缸活塞组由气压引起磨损速率可以为与摩擦功率成正比，即 随C提高，柴油机寿命也许急速下降。因而必要合理选取活塞速度C。
m m
C增大使发动机功率提高，但活塞组热负荷和曲柄连杆机构惯性
m
负荷增大，磨损加剧，寿命下降。同步由于进排气流量增大，进排气阻力与 气流速度平方成正比例增长，使冲气系数下降。因此随活塞平均速度提 高，必要增大气门通道面积，选用好材料，提高加工精度。但是，C选用过
m
低也不恰当。一方面是对于给定工作容积柴油机来说，所发出功率将过小， 即每升工作容积所发出功率将过低。另一方面，过低将导致活塞环和气缸壁 在表面间不能建立起有效润滑油膜而使摩擦加剧。
30x4
\
「85、
0.7856 x 4 x 6.1 x

/
lioo J

活塞平均速度：
0.7856zP ——
"'1,100
§3.3行程缸径比S/D
对柴油机影响是多方面。〜D小则气缸余隙容积比减小，影响 混合气形成和燃烧。在详细选取值时，应注意三个问题：尽量使气缸 散热面积与气缸容积之比为最小，有助于燃烧室设计且使整台柴油机尺 寸最为紧凑。
当每一气缸工作容积一定期，应采用较小值。其长处为：
1.可相应地提高柴油机曲轴转速而不至于使活塞平均速度超过允许值，
因而可以提高升功率。
2. 可减少直列式柴油机高度，因而可以减小外形尺寸并相应地减轻重
JS-
o
3. 由于柴油机曲柄半径减小，曲轴主轴颈和曲柄销轴颈重叠度则增 大，因而刚度增长，应力状态改进。同步，连杆也可以短某些，这对其强度 和刚度均有利。
4. 由于柴油机气缸直径增大，气缸盖上气道和配气机构安排较容
易。
然而，当采用较小s/D值时，由于气缸直径增大，热负荷、机械负 荷和噪声都加大。同步，由于单列式柴油机长度重要决定于气缸直径，所 以对于普通直列式来说长度将增大。此外，较小s/d值对燃烧室设计不利， 并且对直流式换气换气品质将变坏。因而，在选定s/d值时必要恰当。[1]
60C x 103 60x 8.67 x 103
打程：S = = = lOOmw
In 2 x 2600
因此 S/Z) = 100/8 5= 1.1
§3.4曲柄连杆比
连杆长度I (大小头孔中心距）是设计时应当慎重考虑一种构造参数， 通惯用连杆比来表达，A值越小，连杆越长，连杆质量对惯性力影 响也许更大。因而在当代高速柴油机设计实践中，普通都是尽量缩短连杆 长度L,也就是说采用大X值。
设计过程中应当满足：
1. 对于四冲程高速柴油机来说，最合理连杆长度应当是保证连杆及相 关机件在运动中不与其她机件相碰状况下最短长度。
2. 人值越大，连杆越短，则发动机总高度或总长度越小。因此使发动机 构造紧凑。并且，柴油机总高度减小，总重量减小，且连杆越短，重量越轻， 往复直线运动某些质量和不平衡回转某些质量件减小，其运动时产生 惯性力也减小，可以减少发动机振动。
3. 入值越大，连杆缩短会引起活塞侧压力&加大，也许增长活塞与气 缸磨檫与磨损。
本设计中曲柄连杆比：
L 167
§3.5气缸中心距
气缸中心距是表征柴油机长度紧凑性和重量指标重要参数。缸心距 大小取决于气缸盖型式和曲轴构造型式和尺寸分派。
缸心距选用要考虑气缸盖上进排气道布置、冷却系统布置以及 润滑系统布置。若气缸中心距选用过大，则会减少发动机整体紧凑性， 导致材料挥霍，使制导致本提高，同样给机体冷却导致困难。但是若气缸 中心距选用过小则会使气缸盖设计导致困难。有也许导致进、排气道与气 缸盖紧固螺栓相打架，这样就影响充气效率，导致燃烧不充分，经济性减少。 同样会使排气阻力增大，使气缸压力过高而减少充气效率。
拟定气缸中心距大小，考虑曲柄臂和主轴径、曲柄销长度，使主轴承 和连杆轴承有足够承压面积，并保证曲柄有良好刚度和强度。
本设计中缸心距：l0 + + + + 112mm。
第四章配气机构总体布置
配气机构任务是实现换气过程，即依照发动机工作顺序定期启动和关 闭进、排气门，以保证气缸排除废气和吸进新鲜空气。其规定为：
1. 进排气门时面值足够大，泵气损失小。
2. 振动、噪声较小，并且工作可靠和耐磨。
3. 构造简朴、紧凑。[1]
应当指出，同步满足这三个规定是比较困难。因而在设计时必要依照 详细状况综合考虑，有所侧重，尽量合理满足这些规定。
§4.1气门数目、布置和驱动
本设计釆用每缸一进一排两气门设计方案，气门驱动采用凸轮轴一 挺柱一推杆一摇臂一气门机构。
§4.2凸轮轴布置和传动
当前，除强化强度特别高发动机采用顶置式凸轮轴外，普通都采用下 置式凸轮轴和中置凸轮轴布置。
在凸轮轴布置时应考虑如下原则：
1. 决定凸轮轴横向尺寸和位置时，应保证不与曲柄连杆机构运动轨迹相 碰，并尽量接近气缸中心线，以便减小机体和发动机宽度。
2. 在决定凸轮轴高度位置时，应保证曲轴对凸轮轴传动，并规定配气 机构驱动也比较简便。
3. 当发动机转速较高时，为了减小气门传动机构往复运动质量，可将 凸轮轴位置移动到气缸体上部,有凸轮轴通过挺柱直接驱动摇臂而省去推杆。
综合考虑上述规定，本次设计485柴油机凸轮轴采用下置式。
第五章气门组设计
§5.1气门设计
§5.1.1气门工作条件与设计规定
一、气门工作条件
气门是发动机重要零件之一。工作时需要承受较高机械负荷和热负 荷，特别是排气门，由于经常受到高温燃气冲刷，因而易产生漏气、腐蚀 与烧损现象，工作条件就更为严酷。气门工作时承受落座冲击负荷及燃气压 力所给静负荷，这种静负荷普通为5kgf/mm2左右，而冲击负荷普通为
11.6kgPmm2左右；气门工作温度，进气门约为200〜450°C,而排气门则 可达650〜850°C,甚至更高。尽量使气门在较低热负荷和机械负荷下进 行工作是气门设计重要任务⑴。
二、气门设计基本规定
1. 材料方面
气门工作温度是拟定气门材料重要根据。在气门工作温度范畴内 材料应具备足够强度、韧性和表面硬度。由于排气门锥面磨损常为腐蚀 磨损，因而选材时排气门必要考虑耐化学腐蚀（重要是硫和钒）性能。进 气门锥面多属摩擦磨损，因而排气门则着重耐磨。
2. 构造方面
规定构造简朴、加工以便，且颈部形状也要恰当，以便减少气体流动 阻力，增长其进气冲量。在保证足够强度、刚度和耐磨性前提下气门 重量要轻。
3. 尽量减少热负荷
尽量减少热负荷是气门设计一种重要方面。排气门是气门组中高 温零件，气门头部有75%左右热量经气门座导出，25%左右热量经气门 导管传出，因而，气门设计应与汽缸盖密切配合，气门座周边必要加强冷 却，并使温度尽量均匀。因而，若构造容许，应尽量增长导管长度，恰当减 小气门杆与导管配合间隙，以减少气门温度[12]。
此外，气门运动受到凸轮、挺柱、摇臂、气门弹簧等零件特性制约，
因而气门设计还必要从整个配气机构来分析考虑，要避免气门在落座时承受
过大冲击和振动，由于这些机械负荷也是导致气门与气门座磨损因素之 —[1]
o
§5.1.2气门构造和设计
气门重要由杆部和头部两某些构成。图5-1所示为气门基本构造及名
称。

图5-1气门基本构造及名称 1_气门头部2—气门杆部3—气门径部4一锁夹槽5—气门杆端面 6_气门雄面7—气门头部端面Dv—气门头部直径do—气门杆直径 t,—气门头厚度R—气门颈部圆孤半径气门锥面斜角
一、气门头部设计
1. 气门头部形状
气门头部形状除影响气体流通特性外，还影响气门刚度、重量、导热 性能以及制导致本等，同步以关系到气门有效期限。气门头部形状基本上 有三种形式：平底型、凸底型、凹底型。其中平底型气门长处是构造简朴、工艺性好、受热面小，具备一定刚度，基本上能满足进、排气门工作要 求，因而在各种类型柴油机中得到了广泛应用。本次设计485柴油机采 用平底型气门[2]。
2. 气门头部直径
增大进、排气流通断面是减少进排气阻力，提高充量途径，同步气 门头部直径选取还应考虑到燃烧室型式，汽缸盖进、排气门布置，气 道之间冷却水套设计以及气门受热和冷却均匀性等因素。气门头部直径
尺寸拟定，根据柴油机设计手册中册[1]中参照公式：
Dvi = (0.44 〜0.48)D D ve = (0.37 〜0.41)Z) £>”=(0.82 〜0D 8
依照缸径 D=85mm,代人_L式得：Z)v< = 37.4 〜40.8 awaw d ve = 3 1.2」 mm
考虑燃烧室、喷油器和缸盖螺栓等多方面因素，本设计取、=3^所
D = 22mm
ve
3. 气门锥面斜角
气门锥面斜度普通为30°和45°两种。在设计中考虑到排气门中气门与气 门座之间单位压力较大，则锥面上积炭就容易被压扁或擦掉，因而咱们 采用45°斜角。对于进气门斜角，考虑到制造和维修以便，普通在非增 压柴油机中也取45。。因而，在本次485柴油机设计中，进、排气门锥面 斜角〃均取45°。
颈部圆弧半径R为普通取气口直径0.25〜0.50倍，多数状况下进气门 颈部圆弧半径R可取进气口直径0.25倍，排气门颈部圆弧半径R可 取排气口直径0.35倍，考虑到加工以便原则咱们统一取颈部圆弧半径为 9.5mm[”。
4. 气门头部厚度及锥面宽度拟定
(1) 气门头部厚度q设计原则：气门头部厚度设计重要是从气门刚 度来考虑，气门在燃烧压力作用下会引起变形，变形过大会引起气门 密封性下降，锥面磨损增长。
参照柴油机设计手册中册[1],气门头部厚度&公式为：
/,= (0.10〜0.12) dv
因而，对于进气门，£,=(0.10〜0.12)x38=3.8〜4.56，取/,=4.5mm;
对于排气门，[=(0.10〜0.12)x32=3.2〜3.84，取、=3.5mm0
(2) 气门锥面宽度b设计原则：由于气门大某些热量是经密封带导 出，密封带较宽则传热效果好，气门工作温度就较低，但气门密封性就 较差。反之密封带太窄，虽然密封性较好，但散热不良，且接触压力较大， 会加速气门磨损，因而综合考虑这两方面因素来选用气门密封带宽度， 其宽度普通范畴是1.5〜3.0毫米之间。
参照柴油机设计手册，气门锥面宽度b公式为：
b=(0.9 〜1.05)/,
因而，对于进气门，b = (0.9〜1.05)x4.5=4〜4.7,取 b=4.2mm;
5.气口直径拟定 进气口直径••山=(0.37〜0.46)D=31.45〜39.1,本设计取进气口直径
di=32，
排气口直径：d2=(0.33〜0.37)D=27.2〜31.45,本设计取进气口直径
d2=2 8 o
二、气门杆部设计
1. 气门杆直径设计
气门杆直径选取取决于气门所需耐久性，增长气门杆直径有助于气 门热量逸散。气门杆直径选取还决定于它在导管运动时侧向力大小。根 据经验，气门杆径取为头部外径16〜25%。考虑到加工和维修以便，一 般进、排气门杆直径相等。因而，本次设计485柴油机气门杆直径为： 38x16%〜32x25%=6.08〜8,在此取气门杆直径为：do=8mm。
2. 气门杆长度设计
气门杆长度L取决于气缸盖和气门弹簧设计，普通但愿短些，以便降 低发动总高度，减小气门重量。
依照柴油机设计手册，气门杆长度L设计公式为：
L =(2.5 〜3.5) Dv
将Dvi?=38mm、dv/= 32mm代入上式得：进气门杆长L=95〜133，排气 门杆长L=80〜112,
综合考虑进排气门总长相等设计原则和设计方案取进气门杆长 l =95mm,排气门杆长 L=96.5mm。
气门杆端面要淬硬，普通规定硬度不不大于HRC50。气门杆端部与弹簧盘 相连接，应保证连接可靠但又不致过度使气门杆削弱，在本次485柴油机 设计中采用锁夹槽来连接，槽内不容许浮现尖角。
三、气门升程
进气门最大升程^咖=(0.24」——^ 、——U——,mm
排气门最大升程心_ = (0.28 1…、…mm
综合进排气门最大升程考虑：本设计取进、排气门最大升程均为9mm。 §5.1.3气门材料选取
在气门材料选取必要考虑到其工作温度、腐蚀状况、冲击载荷以及气 门杆杆部与端面耐磨等因素。综合考虑到气门温度和冲击载荷限制， 在本次485柴油机设计中，因其合用于运送车辆中，因此其负荷较高，因 此，取进气门取材料为40Cr,排气门取材料为4Cr9Si2Mn[1]。
§5.2气门导管设计
气门杆工作时在导管中滑动，使导管承受侧向压力，并且气门某些热 量也从导管中逸出。导管与气门这对摩擦副由于接近气门头部，因此温度较 高，润滑油易结炭，但供应摩擦副润滑油又不能过多，以免流入燃烧室， 因而规定导管在润滑较差状况下能耐磨。近年来，国内开始广泛应用铁基 粉末冶金导管，在不良润滑条件下，工作可靠、磨损小，同步工艺性好、造价低。
导管外表面普通都设计成光滑圆柱，没有任何凸台，以便无心磨床 加工。导管长度取决于气缸盖布置，只要位置容许，应尽量长些，最 好不要不大于气门杆直径6倍，以减小对导管侧压力，并有助于气门导 向和散热。
导管与气门杆配合间隙应认真选取，间隙过大则散热不良，同步气门 在导管中易摆动、冲击，使气门和气门座磨损不均匀而导致漏气、漏油，这 种渗漏甚至使气门头部烧损。间隙过小对气门座偏心补偿能力下降，还 会因气门杆受热而卡在导管中。进、排气门工作条件不同，所取间隙也不同， 普通进气门取气门杆直径0.005〜0.01倍，排气门取气门杆直径0.008〜
0. 012 倍。
在本次设计485柴油机中，气门导管长度取>6do=6x8=48mm。综合 考虑，在此取/=50mm。间隙值为：
进气门:(0.005〜0.01) x 8=0.04〜0.08mm
排气门：（0.008〜0.012) x 8=0.064〜0.096mm
§5.3气门通路面积校核
气门头部直径、升程和气门口直径选取与否适当，重要看气门口和气 门通路面积与否足够大。可用气门最大升程下（如图5-2),流通通路断 面处假定平均气流速度值来进行校核。
校核公式： '
C x Fv
式中，'一一相称于在整个进气或排气过程中，气门经常保持最大升程 时，气门通路断面处假定平均气流速(m/s) c一一一种气缸中同名气门数目 fv 气门在最大升程时通路面积(m2)
fp一一活塞面积(m2)，fp=^~
4
cm 活塞平均速度，Cw=8.67m/s
D 气缸直径(m)，D =85mm
s 活塞行程，S=100mm
n 发动机转速，n=2600r/min
气门在最大升程时通路面积公式：Fv^^Dy+dv /[1]