內燃機設計教案.doc

青島工學院教 案20 15 20 16 學年第 2 學期所 在 學 院： 機電工程學院 教研室(實驗室)： 能源與動力工程 課 程 名 稱： 內燃機設計 授 課 教 師： 董吉凱 授 課 班 級： 2013級能源與動力工程（1）班 使 用 教 材： 袁兆成編著內燃機設計第2版 審 查 人(簽字)： 青島工學院教務處制 內燃機設計 課程教案授課時間2016年3 月8日 第 1 周 周 二 第 7、8 節(jié)2016年3 月11日 第 1 周 周 五 第 5、6 節(jié)授課章節(jié)第一章 內燃機設計總論教學目的、要求1、掌握內燃機設計的一般思路2、熟悉研制內燃機的一般流程教學重點及難點發(fā)動機的主要參數選擇。 教學方法及手段 多媒體教學教學內容及過程一、 內燃機設計的一般流程1、計劃階段 此階段由下述環(huán)節(jié)組成：1）確定任務 主要是根據市場需要和法規(guī)需要 (進行必要性、可行性論證)，這個環(huán)節(jié)應該是企業(yè)產品規(guī)劃中確定的，有長期規(guī)劃，也有短期規(guī)劃。 2）組織設計組根據任務挑選合適人選。3）調查研究a 訪問市場和用戶，征求對產品的要求；b 了解制造廠的工藝條件、設備能力以及配件供應情況；c 收集同類先進產品的資料，考察同類產品；d 確定參考樣機。教學內容及過程4）確定基本性能參數和結構形式（概念設計階段）。主要是通過: 同類型機型對比、熱力學計算、動力學計算和整機一維模型仿真分析。5)擬訂設計任務書2、設計實施階段 1)內燃機總布置設計，確定主要零部件的允許運動尺寸、結構方案、2)按照企業(yè)標準編制零部件圖紙目錄。3)部件三維圖細致設計、零部件工作圖、縱橫剖面圖。3、檢驗階段1) 試制多缸機樣機2) 多缸機試驗（磨合、調整、性能試驗、耐久試驗、可靠性試驗、配套試驗和擴大用戶試驗）3) 改進與處理階段4)內燃機設計的“三化”4、改進與處理階段1)樣機鑒定與改進. 2)小批量生產和擴大用戶試驗二、內燃機的主要設計指標 1、動力性指標 1） 功率Pe2）轉速 n n 增加 對提高 Pe有利，但是轉速增加后：慣性力 ，導致負荷增加，平衡、振動問題突出，噪音增加；工作頻率增加熱負荷增加；摩擦損失增加，導致 m 下降、ge 升高、磨損加劇，壽命縮短； 進排氣系統阻力增加 ，使v 變?。?3）最大扭矩教學內容及過程2、經濟性指標1）燃油消耗率 ge (克/千瓦小時)2）機油消耗率 gm (克/千瓦小時)3）耐久性、可靠性指標 可靠性在規(guī)定的運轉條件下，規(guī)定的時間內，具有持續(xù)工作，不會因為故障而影響正常運轉的能力。 耐久性從開始使用起到大修期的時間。4、重量、尺寸、外形指標是評價設計的緊湊性和金屬利用程度的指標。比重量 gw=G/Pe(kg/kw)；體積功率 Pv=Pe/V(kw/m3) 5、低公害指標6、制造、使用、維護指標三 、內燃機的選型1、柴油機、汽油機或氣體燃料發(fā)動機現在廣泛使用的內燃機主要是柴油機、汽油機和氣體燃料發(fā)動機。在選擇內燃機時首先碰到的問題就是選擇什么內燃機。 從兩方面考慮 內燃機本身的技術經濟特點和市場需求。 地區(qū)或國家對環(huán)境和能源應用分布的要求。2、沖程四沖程：使用可靠，工作柔和，耐磨，經濟性好，指標穩(wěn)定，生 產、使用經驗豐富；二沖程：單位時間內工作循環(huán)多一倍，實際功率輸出大5070%，體積小，重量輕，結構簡單，但經濟性差。教學內容及過程3、冷卻形式 水冷： 1) 冷卻均勻效果好；2)v 大，pe大； 3)受外界影響小; 4)噪音低. 風冷： 1)散熱不好，熱負荷高，油嘴易堵，機油易變稀，磨損大；2)可在沙漠等缺水地帶使用，無凍裂； 3)噪音大，因為無水套吸音； 4)鑄造困難； 5)冷卻系結構簡單，無漏水； 6)單體結構，維修成本低。4、氣缸的布置主要由發(fā)動機的使用環(huán)境決定。單列：結構簡單，使用維修方便。雙列：在增加功率，提高車廂面積有效利用要求下，趨向采用雙列，雙列有V型、錯缸型（缸心線平行和缸心線不平行兩種）臥式：可布置在底盤中部或后部，大幅度降低高度，改善面積利用率，開闊視野，提高了操縱性、機動性。 四、內燃機主要參數的選擇1、平均有效壓力 pme 2、活塞平均速度3、氣缸直徑和缸數4、行程S五、節(jié)發(fā)動機設計的發(fā)展1、目前廣泛采用2、 現代設計方法作業(yè)布置教材P25 1-1、1-4課后小結參考資料 內燃機設計 課程教案授課時間2016年3 月15日 第 2 周 周 二 第 7、8 節(jié)2016年3 月18日 第 2 周 周 五 第 5、6 節(jié)授課章節(jié)第二章 曲柄連桿機構受力分析教學目的、要求1. 掌握掌握內燃機承受機械力分析方法和思路。2. 熟悉內燃機活塞的運動規(guī)律，曲柄連桿機構受力分析。3. 了解軸承和軸頸載荷圖。教學重點及難點重點：內燃機曲柄連桿機構受力分析。 難點：內燃機承受機械力分析方法和思路。教學方法及手段 多媒體教學教學內容及過程一、 曲柄連桿機構的運動學(活塞的運動學) 1、簡述 機構的作用： 活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動活塞上的力轉化為曲軸上的扭矩。 2、中心曲柄連桿機構的運動規(guī)律 活塞的位移表示為教學內容及過程 活塞的運動可以用三角函數組成的復諧函數表示，既活塞的運動是復諧運動。2、 曲柄連桿機構中的作用力 1、曲柄連桿機構中力的傳遞和相互關系 作用力分為： 氣壓力Fg 慣性力往(復慣性力Fj、旋轉慣性力Fr） 合成力 F=Fj+Fg上式說明，永遠存在一個與輸出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩。 2、氣壓力的作用效果 氣壓力Fg在機體內部平衡掉，對外沒有自由力，只有扭矩輸出和翻倒力矩 3、往復慣性力 1）機構運動件的質量換算換算原則：保持當量系統與原機構動力學等效。2）曲柄連桿機構中的慣性力 慣性力與運動質量有關，該機構中的運動質量有往復運動質量 教學內容及過程 旋轉運動質量 往復慣性力 4、往復慣性力和氣壓力作用的差別 1）氣壓力Fg 是做功的動力，產生輸出扭矩。2）氣壓力Fg 在機體內部平衡，沒有自由力。Fj 沒有平衡，有自由力產生，是發(fā)動機縱向振動的根源。 3）Fj 所占區(qū)域長，總是存在，正負面積相等；Fg 呈脈沖性。 5、曲柄連桿機構中力的計算（動力計算） 合成力 F=Fj+Fg 側向力 FNFtg 連桿力 切向力徑向力 單缸扭矩 翻倒力矩 6、多缸機扭矩（動力計算） 1.）連桿軸頸扭矩 第一主軸頸所受扭矩 M0,1=0，第二主軸頸所受扭矩 M1,2=M1()第三主軸頸所受扭矩 M2,3= M1,2+M1（240）第四主軸頸所受扭矩 M3,4= M2,3+ M1（480） 第五主軸頸所受扭矩 M4,5= M3,4+ M1（120） 第六主軸頸所受扭矩 M5,6= M4,5+ M1（600） 第七主軸頸所受扭矩 M6,7= M5,6+ M1（360） 教學內容及過程2）連桿軸頸扭矩根據扭矩向后傳遞的原則，Mgi應該是前一個主軸頸上的積累扭矩Mzi與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸扭矩的一半之和。 3）平均扭矩4）輸出扭矩的均勻性 一般以標定工況評價扭矩不均勻系數 增加氣缸數、點火均勻、組件分組、增加飛輪慣量等均可減小扭矩不均勻性。 7、發(fā)動機對支承的作用力 8、曲軸軸頸和軸承的負荷 作業(yè)布置教材P42 2-1、2-9課后小結參考資料 內燃機設計 課程教案授課時間2016年3 月22日 第 3 周 周 二 第 7、8 節(jié)2016年3 月25日 第 3 周 周 五 第 5、6 節(jié)授課章節(jié)第三章 內燃機的平衡 教學目的、要求1.掌握掌握平衡分析方法和平衡方法。 2.熟悉曲軸軸系平衡塊的布置。3.了解輔助平衡機構的設計。 教學重點及難點重點：平衡分析方法難點：平衡分析方法和平衡方法。 教學方法及手段 多媒體教學教學內容及過程一、 平衡的基本概念 1、平衡的定義 當內燃機在穩(wěn)定工況運轉時如果傳給支承的作用力的大小和方向均不隨時間而變化，則我們就稱此內燃機是平衡的。實際上這種情況不存在。 2、內燃機振動的原因 工作過程的周期性：發(fā)動機扭矩是周期性變化的。 機件運動的周期性：旋轉慣性力、往復慣性力是周期性變化的。 3、不平衡的危害 引起車輛的振動，影響乘員的舒適性、駕駛的平順性。 固定式內燃機的振動，會縮短基礎或建筑物的壽命。 產生振動噪音、消耗能量、降低機器的總效率。 引起緊固連接件的松動或過載、引起相關儀器和設備的異常損壞。 4、研究平衡的目的和采用的方法 通過內燃機平衡性的分析，為分析和選型提供依據。 尋求改善平衡性的措施，這些措施一般包括： 采用適當的氣缸數、氣缸排列和曲拐布置；加適當的平衡重；用適當的平衡機構。 方法主要包括：1解析法2圖解法教學內容及過程2、 旋轉慣性力的分析 旋轉質量 旋轉慣性力 1、靜平衡和動平衡 靜平衡 質心在旋轉軸上 動平衡 2、旋轉慣性力平衡分析 1）單拐曲軸 為使動平衡： 2）三拐曲軸（132，四沖程或二沖程) 作曲柄側視圖及軸側圖 圖解法 整體平衡方法 3. 四拐曲軸 四拐空間（二沖程發(fā)動機）曲軸離心力分析 教學內容及過程 空間曲軸的離心力自然平衡，有不平衡的離心力矩 4. 六拐曲軸 六拐曲軸的平衡性很好，但是也存在內彎矩和軸承負荷問題。因此六拐曲軸也要合理布置平衡重。方案有如圖所示幾種。 往復慣性力 三、單列式內燃機往復慣性力的平衡分析 1、幾個基本概念 1）往復慣性力可以用旋轉矢量表示為 2）往復慣性力始終沿氣缸軸線作用，大小和方向按簡諧規(guī)律變化，力矩總是作用在氣缸中心線與曲軸中心線組成的平面內。 2、單缸機往復慣性力的平衡分析 都沒有平衡，需要采取平衡措施。 教學內容及過程 1）雙軸平衡法 對于一階慣性力，用兩根平衡軸四個平衡重(或兩個)，平衡關系為： 對于二階往復慣性力采用類似方法 2）過量平衡法（01） 從中消去得到12121212a曲柄側視圖曲軸布置圖一階曲柄圖二階曲柄圖當過量平衡率=0.5時，合力矢量變成一個常數。3、多缸機往復慣性力平衡分析單列式兩缸機（發(fā)火順序121，四沖程是不均勻發(fā)火） 圖解法 整體平衡法 雙軸平衡法 2）連桿軸頸扭矩根據扭矩向后傳遞的原則，Mgi應該是前一個主軸頸上的積累扭矩Mzi與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸扭矩的一半之和。 3）平均扭矩4）輸出扭矩的均勻性 一般以標定工況評價扭矩不均勻系數 增加氣缸數、點火均勻、組件分組、增加飛輪慣量等均可減小扭矩不均勻性。 7、發(fā)動機對支承的作用力 8、曲軸軸頸和軸承的負荷 更好的曲軸布置應該是360度曲拐夾角。此時發(fā)火均勻，可采用雙軸機構平衡，也可以采用平衡活塞的方法平衡。四、雙列式內燃機往復慣性力的分析 1、V型兩缸機平衡分析 1）離心慣性力的分析 2）一階往復慣性力的平衡分析 3）二階慣性力平衡性分析 2、V型多缸機平衡性分析 例：V型八缸機（V-8）平衡性分析 V型八缸機用空間曲軸的較多，分析一階往復慣性力和力矩，先將其看成四臺V2機，90時，每臺V2機的FjC = 四臺V-2機的Rj構成一個離心力系，按照與二行程四缸機一樣的分析方法： 因為，各拐原離心力所構成的離心力矩為 所以，在采用整體平衡法時有 分析二階往復慣性力和力矩，先看成兩臺空間曲軸的四缸機 直列空間曲軸四缸機的二階往復慣性力和力矩都等于零 兩臺四缸機的二階往復慣性力和力矩也都為零，即V8機的二階往復慣性力和力矩都為零。作業(yè)布置教材P81 3-1、3-9課后小結參考資料 機械設計基礎 課程教案授課時間2016年3 月 10 日 第 1 周 周 四 第 9、10 節(jié)授課章節(jié)第一章 平面機構的自由度和速度分析1-1 運動副及其分類1-2 平面機構運動簡圖教學目的、要求1.了解機構組成原理2.理解自由度、運動副、約束的概念及三者的關系教學重點及難點1、重點平面機構的運動簡圖的繪制。2、難點繪制簡圖時構件及運動副的準確表示。教學方法及手段 多媒體教學教學內容及過程一、機構的組成1、運動副運動副：兩構件直接接觸并能保持一定形式的相對運動的聯接稱為運動副。1、 高副2、低副 兩構件通過面接觸組成的運動副稱為低副。平面低副可分為轉動副和移動副。教學內容及過程2、自由度和運動副的約束1、構件的自由度平面內自由的構件，有3個自由度，而空間內自由的構件，有6個自由度。 2、運動副的約束3、運動鏈和機構兩個以上的構件以運動副聯接而構成的系統稱為運動鏈。機構是由主動件、從動件和機架三部分組成的。 二、平面機構的運動簡圖1、構件的表示方法1）構件（1）參與形成兩個運動副的構件 （2）參與形成多個運動副的構件 2）轉動副構件組成轉動副時，其表示方法如圖。3、移動副兩構件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。4、平面高副2、 機構運動簡圖的繪制步驟3）移動副兩構件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。4）平面高副2、 機構運動簡圖的繪制步驟作業(yè)布置1、平面機構中若引入一個高副將帶入( )個約束，而引入一個低副將帶入( )個約束。約束數與自由度數的關系是( )。2、兩個做平面平行運動的構件之間為( )接觸的運動副稱為低副；而為( )或( )接觸的運動副稱為高副。課后小結1. 運動副及其分類2. 平面機構的運動簡圖參考資料 機械設計基礎 課程教案授課時間2016年3 月 15 日 第 2 周 周 二 第 1、2 節(jié)2016年3 月 17 日 第 2 周 周 四 第 9、10 節(jié)授課章節(jié)1-3 平面機構的自由度1-4 速度瞬心及其在機構速度分析上的應用第二章 平面連桿機構 2-1 平面四桿機構的基本類型及應用教學目的、要求1. 能準確識別出機構中存在的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束。2. 能準確判斷具體實例屬于哪種平面四桿機構類型。教學重點及難點1、重點平面機構的自由度的計算。2、難點平面四桿機構類型的判斷。教學方法及手段 多媒體教學教學內容及過程一、平面機構的自由度1、平面機構自由度計算公式機構的自由度：機構中各構件相對于機架所具有的獨立運動的數目。若某機構由N個構件組成，除去機架，機構中共有n=N1個活動件。構件在連接之前，全部活動件共有3n個自由度。而聯接后，構件的自由度由于運動副的約束而減少。設在機構中有PL個低副，PH個高副，則該機構全部運動副的約束教學內容及過程數目共有2PL+PH個。則機構自由度F3n2PLPH2、機構具有確定相對運動的條件機構具有確定運動的條件：原動件數目W應等于機構的自由度F。即WF3n2PLPH原動件數自由度數，機構無確定運動 原動件數自由度數，機構在薄弱處損壞 3、計算機構自由度時應注意的事項1）復合鉸鏈 定義：若兩個以上的構件在同一處組成幾個轉動副，且各轉動副軸線重合，則稱該處聯接為復合鉸鏈。計算自由度時，若復合鉸鏈由m個構件組成，則聯接處有(m1)個轉動副。2）局部自由度 定義：機構中某些構件所具有的不影響其余構件運動的自由度，稱為局部自由度。計算機構自由度時，應將局部自由度除去不計。3、移動副兩構件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。4、平面高副2、 機構運動簡圖的繪