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1、内燃机设计 袁兆成 考试要点精编 打印1、 内燃机设计的一般流程：一、计划阶段 1. 确定任务2. 组织设计组3. 调查研究4. 确定基本性能参数和结构形式。5拟订设计任务书。二、设计实施阶段 1. 内燃机总布置设计，三维实体造型和虚拟装配、确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案、外形图。 2. 按照企业标准编制零部件图纸目录。3. 部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。三、检验阶段1. 试制多缸机样机2. 多缸机试验四、改进与处理阶段a. 样机鉴定. b. 小批量生产c. 内燃机设计的“三化”，“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
2、配件供应。 pmeVhznpmeVmzD2P e =(千瓦2、 动力性指标：功率 30 t = 0 . 785 t ) 式中 pme 平均有效压力，Vm活塞平均速度，Vh气缸排量(L)，Z气缸数，n 转速，D气缸直径，冲程数，四冲程=4，二冲程=2。 可见，有效功率Pe受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。 3、 转速 n：n 增加 对提高 Pe有利，但是转速增加后： 惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；. 工作频率增加热负荷增加；. 摩擦损失增加，导致 m 下降、ge 升高、磨损加剧，寿命缩短；. 进排气系统阻力增
3、加 ，使v 变小； 4、 经济性指标：降低 ge的措施： 提高 i 和m 5、 耐久性、可靠性指标 ：可靠性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。 耐久性从开始使用起到大修期的时间。 6、 柴油机优点：燃料经济性好；工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统；可以通过增压、扩缸来增加功率；防火安全性好，柴油挥发性差；CO和HC的排放比汽油机少。 7、 汽油机优点：空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数较高，在1.1左右，电控喷射要求=1；因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低；低温起动性、加速性好，噪音低；由于升功率高，最高燃烧
4、压力低，所以结构轻巧，比质量小；不冒黑烟，颗粒排放少。目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。 8、 提高平均有效压力pme的途径： 1. v , 采用合理的进气系统，合理的配气机构2. i , ， 传热损失，加强燃烧室密封。3. m ，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。 9、 活塞平均速度Vm的副作用是：1摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降低。2惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。3进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率111122v下降。 又Q (1-lsina)2=1-l2sin2a-l4sin4a-l6sin6aL281
5、610、中心曲柄连杆机构的运动规律 1x=AA=AO-AO 1-l2sin2a2=(r+l)-(lcosb+rcosa) 1 x=r(1-cosa)+lsin2a在DAOB中， 利用正弦定理， 有 2 Lr111 = r(1-cosa)+l(-cos2a) sinasinb222 1rP =r(1-cosa)+l(1-cos2a) XI+Xsinb=sina=lsina l连杆比4L对x求两次导数得到活塞速度和加速度11Q cosb= (1-sin2b)22=(1-l2sin2a)2122 a=rw2(cosa+lcos2a) aI+aP活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，既活塞的运动
6、是复谐运动。 11、活塞运动规律的分析与用途活塞位移用于示功图转换，气门干涉校验 ，动力计算。活塞速度用于计算平均速度Vm(=)，判断强化程度、计算功率计算最大速度Vmax,评价气缸的磨损程度。 活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行动力计算。 12、曲柄连杆机构中的作用力分为：气压力Fg惯性力往(复惯性力Fj、旋转惯性力Fr）合成力 F=Fj+Fg13、往复惯性力的性质：a. Fj与a 的变化规律相同，两者相差一个常数mj，方向相反。b. 可以用旋转矢量法确定Fj和Fj的大小、方向，用来判断往复惯性力作用性质。c. Fj和Fj 始终沿着气缸轴线作用。d. 往复惯性力总是存在。所以由F
7、j产生的单缸扭矩、翻倒力矩和自由力总是存在。但是曲轴一转内，翻转力矩之和、自由力矩之 x=(r+l)-l(1-lsina) v=rw(sina+l2sin2a) vI+vP和为零。 Fr=mrrw2=(mk+m2)rw214、旋转惯性力Fr是离心力，方向沿曲柄半径方向向外。 153624115、多缸机扭矩，多缸机曲柄图。合成扭120矩计算。 240第一主轴颈所受扭矩 M0,1=0 360480第二主轴颈所受扭矩 M1,2=M1() 600第三主轴颈所受扭矩 M2,3= M1,2+M1 720第四主轴颈所受扭矩 M3,4= M2,3+ M1 1,6M6M6,7第五主轴颈所受扭矩 M4,5= M3
8、,4+ M1 5,6M第六主轴颈所受扭矩 M5,6= M4,5+ M1 O4,5M第七主轴颈所受扭矩 M6,7= M5,6+ M1 5,23,4M3,4M516、平衡：当内燃机在稳定工况运转时如果传给支承M42,3M的作用力的大小和方向均不随时间而变化，则我们就M1M3M1,2称比内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。 M2M0,117、内燃机振动的原因：工作过程的周期性：发动机扭矩是周期性变化的。机件运动的周期性：旋转惯性力、往复惯性力是周期性变化的。 18、不平衡的危害：引起车辆的振动，影响乘员的舒适性、驾驶的平顺性。固定式内燃机的振动，会缩短基础或建筑物的寿命。产生振动噪音、消耗能量、降
9、低机器的总效率。引起紧固连接件的松动或过载、引起相关仪器和设备的异常损坏。 19、研究平衡方法主要包括1解析法：任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。若P0，M0，则该力系是平衡的，反之不平衡2图解法：作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。 20、作图处理，平衡振源。见38。 21、扭振的基本概念。 扭振：使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动。现象： 发动机在某一转速下发生剧烈抖动，噪音增加，磨损增加，油耗 增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。 动机偏离该转速时，上述现象消失 。原因：曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成，本身具有一定的固有频率。系统上作用有
10、大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，系统产生共振。研究目的：通过计算找出临界转速、振幅、扭振应力，决定是否采取减振措施，或避开临界转速。扭振当量系统的组成：根据动力学等效原则，将当量转动惯量布置在实际轴有集中质量的地方；当量轴段刚度与实际轴段刚度等效，但没有质量。 22、如何消除扭振：一、使曲轴转速远离临界转速，更要避开标定转速 二、改变曲轴的固有频率1.提高曲轴刚度C。 增加主轴颈直径； 曲轴长度； 提高重叠度。2. 减小转动惯量 空心曲轴； 降低平衡重质量； 降低皮带轮、飞轮质量。三、提高轴系的阻尼：主要靠材料 四、改变激振强度 五、减振装置减小振幅的
11、辅助装置1. 阻尼式减振器 增大机械摩擦、分子摩擦阻尼，吸收振动能量，减少振幅。但消耗一部分有效能量。 2. 动力减振器 3. 复合式减振器。 a23、计算和分析扭转共振的三个条件： nk 在发动机工作转速范围内；1/2k18，k值太大，Mk很小；一般只考虑前几阶固有频率。 24、作用在发动机上的单缸扭M=Mg+Mj矩： 是周期函数， k=nnaaa上述过程称为简谐分析，也叫做傅里叶变M=M0+Mksin(wkt+dk) M0+Mksin(wkt+dk) =M0+Mksin(kwtt+dk)k=1k=1k=1换。故对于四冲程发动机，扭矩的简谐分析表达式为 M=M0+Mkasin(kwtt+dk
12、)k=125、配气机构：气门的通过能力评价：1. 时间断面2. 平均通过断面3. 时间2&dhtdhtdjc断面丰满系数4. 比时间断面5凸轮型线丰满系数 hrwc&t&h=htwc= ht=ewctdtdjdt26、平底挺柱的运动规律 速度三角形与AOB相似又ABAO cewc=htwc e=ht偏心距e等于挺柱的几何速度 设计时平底挺柱的底面半径要大于emax，即大于vtrwvtrwdh(t)max由=c =c 得 t0tcdjcOBOAht+r0r 27、缓冲段设计 设置缓冲段的必要性 a. 由于气门间隙L0(mm)的存在，使得气门实际开启时刻晚于挺柱动作时刻。b. 由于弹簧预紧力P0(
13、N)的存在，使得机构在一开始要产生压缩弹性变形，等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧力之后，气门才能开始运动。c. 由于缸内气压力的存在，尤其是排气门，气缸压力的作用与气门弹簧预紧力的作用相同，都是阻止气门开启，使气门晚开。 nv=(r+h)w28、凸轮型线动力修正 设计时先选定理想的气门升程曲线，然后再求当量挺柱升程。气门升程y必须4阶导数以上连续。如果气门升程曲线是高次多项式，称为多项动力凸轮。 &FCyM &FC+CSyM当量挺柱升程 x*=ix& =H+ky+kyx*=L+0+y+S+ =L+0+0y+yttt0H0=L0+29、凸轮轴基本结构参数 ：异缸同名凸轮夹角，同缸异名凸轮夹角，A
14、/2 A发火间隔角 F0C+CSM k1=0 k2=(6n)2C0C0C0 C0C0x=k1y+k2y，x*tC00C0C0*tC0012=k1y+k2y(4)qT=y2=180+je1+je21180+ji1+ji21360+je1+ji2-=90o+(je1-je2+ji2-ji1)2224凸轮与曲轴位置的确定：当活塞位于压缩上止点时，进排气凸轮相对于挺柱中心线的夹角这是确定凸轮轴与曲轴相180+fe1+fe2对工作位置，即正时位置所必须掌握的 FT=FF=180+-fe12 230、曲轴的工作情况、材料选择：工作条件：周期变化的力、力矩共同作用，即受弯曲又受扭转，承受交变疲劳载荷，重点是
15、弯曲载荷。曲轴的破坏80是弯曲疲劳破坏。形状复杂，应力集中严重。轴径比压大，摩擦磨损严重。设计要求：有足够的耐疲劳强度，有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨，尽量减少应力集中，刚度要好，变形小，否则恶化其它零件的工作条件。 30、材料正确选用：中碳钢，合金钢，球墨铸铁。 31、曲轴的损坏形式和强度计算方法。主要是弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。现在绝大部分采用有限元方法，极少采用简支梁法。疲劳强度校核：曲轴圆角处和油孔处的应力集中严重，是校核的重点。 32、提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施。 结构措施：加大曲轴轴颈的重叠度A；2. 加大轴颈附近的过渡圆角；3. 采用空心曲轴；4. 开卸载槽；工艺措
16、施：1. 圆角滚压强化2. 圆角淬火3. 喷丸强化处理4. 氮化处理 33、连杆组设计。工作情况：运动：上下横向摆动的复合运动；受力：基本上是周期性变化的拉压载荷。设计要求：足够的耐疲劳强度，能够承受很大的交变载荷；有足够的刚度，保证轴承润滑及其他磨损正常；尽量减轻重量。总原则：在尽可能轻巧的结构条件下，保证足够的刚度和强度。主要参数的选择：1.连杆长度 l，l 的校核：角最大时，连杆是否碰气缸套下止点时，平衡重是否碰活塞裙部。连杆长度精度应该在 0.050.1之间。2. 小头孔经 由活塞销确定。3. 连杆大头孔 由曲柄销直径和长度确定 34、连杆螺栓的设计。刚度匹配问题： 11F=Fj=(m
17、-m1)(1+l)rw2+(m2-m3)rw2 ii1122Fy=Fcosy=Fj=cosy(m-m1)(1+l)rw+(m2-m3)rw iiF0F0C=tana=MMMC=tanb=Fmax=F0+Fj=F0+cFj121. 预紧力F0作用后2. 在工作Fjl01l02载系数统计资料 从上式可以看出，螺栓抗拉刚度C1增加，基本动载系数增加；即动载荷变大，疲F0=(22.5)Fj+F2劳应力变大。这从右图也可以明显看出来。刚度C1增加，意味着角变大，这样动载荷幅度增大。连杆螺栓在设计时应首先满足有足够的抗拉强度，在预紧力和工作载荷下不产生塑性变形，而且要有足够的耐疲劳载荷能力，没有应力集中，
18、采用细牙螺纹，螺栓刚度要小于被连接件刚度。 35、活塞的设计。设计要求：热强度好，导热性好，热膨胀系数小，减磨性好。形状合理，吸热少，散热好，强度刚度好，应力集中小，与缸套有最佳的配合间隙。密封性好，摩擦损失小。 36、活塞裙部设计：作用：引导活塞运动，并承受侧向力。防止裙部变形的方法：选择膨胀系数小的材料，进行反椭圆设计，采用绝热槽，销座采用恒范钢片，群部加钢桶等方法达到。热负荷严重的活塞环带也设计成椭圆，但与群部椭圆不同。 37、活塞环设计。分类：气环、油环 作用：气环密封、导热；油环刮油、布油。其中密封的作用最为重要 气环的作用原理 密封原理：靠活塞环的初弹力形成第一密封面；在环上面气压
19、力PA作用下形成第二密封面；环背气压力PR作用下加强第一密封面；导热作用：活塞的70热量由活塞环传出，环的散热作用是在环的密封作用实现后才能完成的 动cFjtga=C1Dltgb=(1-c)FjDl=C2载荷c=DFFj作用C2C1=26 c=0.140.3338、作图处理，平衡振源。 一.静平衡和动平衡：静平衡Fr=0质心在旋转轴上。动平衡 Fr=0Mr=01122二.旋转惯性力平衡分析：1. 单拐曲轴Fr=Fr0为使动平衡： mprpw=mrrw质径积 mprp=mrrPrrpmpb2. 三拐曲轴取矩，作力矩矢量图 22M2M1=2aFr M2=aFr Mr=M1cos30=M1Mr9030oMrMp=Mr mprpw2b=3amrrw22. 四拐曲轴：四拐空间曲轴离心力分析 amprp=3mrrb3Fra0整体平衡方法 amprp=空间曲轴的离心力自然平衡，有不平衡的离心力矩 Mr=10amrrw2b四拐平面曲轴离心力分析离心惯性力的合力为零，离心惯性力矩也是零，曲轴本身承受有最Fr大达 Fra的内弯矩，而且中间主轴承承受较大的离心负荷。 Fr720oA=180oFr4Fr10mrr
