內燃機設計期末復習_袁兆成_精簡版

1、內燃機設計內燃機設計第一章第一章 內燃機設計總論內燃機設計總論第二章第二章 曲柄連桿機構受力分析曲柄連桿機構受力分析 第三章第三章 內燃機的平衡內燃機的平衡 第四章第四章 曲軸系統(tǒng)的扭轉振動曲軸系統(tǒng)的扭轉振動 第五章第五章 配氣機構設計配氣機構設計 第六章第六章 曲軸飛輪組設計曲軸飛輪組設計 第七章第七章 連桿組設計連桿組設計 第八章第八章 活塞組設計活塞組設計 第九章第九章 內燃機滑動軸承設計內燃機滑動軸承設計 第十章第十章 機體與缸蓋設計機體與缸蓋設計第十一章第十一章 內燃機冷卻與潤滑系設計內燃機冷卻與潤滑系設計第一章第一章 內燃機設計總論內燃機設計總論 第一節(jié)第一節(jié) 內燃機設計的一般流程

2、內燃機設計的一般流程 第二節(jié)第二節(jié) 內燃機的主要設計指標內燃機的主要設計指標 第四節(jié)第四節(jié) 內燃機主要參數(shù)的選擇內燃機主要參數(shù)的選擇 第五節(jié)第五節(jié) 發(fā)動機設計的發(fā)展發(fā)動機設計的發(fā)展 第三節(jié)第三節(jié) 內燃機的選型內燃機的選型返回開始第一章第一章 內燃機設計總論內燃機設計總論 第一節(jié)第一節(jié) 內燃機設計的一般流程內燃機設計的一般流程一、計劃階段一、計劃階段 此階段由下述環(huán)節(jié)組成：此階段由下述環(huán)節(jié)組成：1. 確定任務確定任務 主要是根據市場需要和法規(guī)需要主要是根據市場需要和法規(guī)需要 (進行必要性、可行進行必要性、可行性論證性論證)，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，也這個環(huán)節(jié)應該是企業(yè)產品

3、規(guī)劃中確定的，有長期規(guī)劃，也有短期規(guī)劃。有短期規(guī)劃。 2. 組織設計組組織設計組根據任務挑選合適人選根據任務挑選合適人選 人員結構合理人員結構合理 技術結構合理技術結構合理3. 調查研究調查研究 a 訪問市場和用戶，征求對產品的要求訪問市場和用戶，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，考察同類產品收集同類先進產品的資料，考察同類產品 d 確定參考樣機確定參考樣機 4. 確定基本性能參數(shù)和結構形式（概念設計階段）。確定基本性能參數(shù)和結構形式（概念設計階段）。 主要是通過主要是通過: 同類型機

4、型對比、同類型機型對比、 熱力學計算、熱力學計算、 動力學計算和整機一維模型仿真分析。動力學計算和整機一維模型仿真分析。5擬訂設計任務書擬訂設計任務書 說明產品的原因、用途、適用范圍等說明產品的原因、用途、適用范圍等 說明內燃機的主要設計參數(shù)和要達到的技術指標說明內燃機的主要設計參數(shù)和要達到的技術指標 如：如：a. 型式（汽或柴）、氣門數(shù)、直立或臥式型式（汽或柴）、氣門數(shù)、直立或臥式 b. 沖程數(shù)沖程數(shù) （4 或或 2）、缸徑）、缸徑D、沖程、沖程S c. 冷卻方式（水冷卻方式（水 或或 風）風） d. 汽缸排列方式汽缸排列方式 （直列、（直列、V型）型） e. 功率功率Ne、轉速、轉速n、扭

5、矩、扭矩M f. 燃油消耗率燃油消耗率ge(克克/千瓦千瓦.小時小時) g. 機油消耗率機油消耗率gm(克克/千瓦千瓦.小時小時) h. 大修期、保用期、一般大修期是保用期的大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍倍 i. 重量和外型尺寸重量和外型尺寸與用途有關（大車、小車、固定）與用途有關（大車、小車、固定） j. 排污指標（噪聲、廢氣）排污指標（噪聲、廢氣） k. 平均有效壓力平均有效壓力 pme l. 活塞平均速度活塞平均速度Cm . 主要結構說明主要結構說明 燃燒室、零部件（活塞連桿、曲軸飛輪、機體缸蓋、配氣機構、供油燃燒室、零部件（活塞連桿、曲軸飛輪、機體缸蓋、配氣機構、供油潤滑、冷

6、卻、起動潤滑、冷卻、起動） . 產品系列化和變型、強化的可能性產品系列化和變型、強化的可能性二、設計實施階段二、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。寸、結構方案。 2. 按照企業(yè)標準編制零部件圖紙目錄。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。部件三維圖細致設計、零部件工作圖、縱橫剖面圖。 三、檢驗階段三、檢驗階段 1. 試制多缸機樣機試制多缸機樣機 2. 多缸機試驗（磨合、調整、性能試驗、耐久試驗、可靠性試驗、配套試多缸機試驗（磨合、調整、性能試驗、耐久試驗、可靠

7、性試驗、配套試驗和擴大用戶試驗）驗和擴大用戶試驗） 3. 改進與處理階段改進與處理階段 a. 樣機鑒定樣機鑒定. b. 小批量生產小批量生產 4. 內燃機設計的內燃機設計的“三化三化” a. 產品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸數(shù)、增壓度，達到提產品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸數(shù)、增壓度，達到提高高Pe b. 零部件通用化：同一系列的主要零件能夠通用。零部件通用化：同一系列的主要零件能夠通用。 c. 零件設計標準化：按照國標、部標或企標設計零件設計標準化：按照國標、部標或企標設計“三化三化”可以提高產品的質量、減少設計成本、組織專業(yè)化生產、提高勞動生可以提高產品的質量、減少設計成本

8、、組織專業(yè)化生產、提高勞動生產率、便于使用、維修和配件供應產率、便于使用、維修和配件供應四、改進與處理階段四、改進與處理階段1樣機鑒定與改進樣機鑒定與改進. 在總結了單缸機試驗在總結了單缸機試驗 、多缸機試制、樣機性能試驗和用戶配套實驗的基礎上，往、多缸機試制、樣機性能試驗和用戶配套實驗的基礎上，往往要進行多方面的綜合改進和進一步的試驗觀察，然后由企業(yè)或者地方主管部門往要進行多方面的綜合改進和進一步的試驗觀察，然后由企業(yè)或者地方主管部門組織新廠品鑒定。鑒定時設計和試制單位要提供下列文件：組織新廠品鑒定。鑒定時設計和試制單位要提供下列文件：設計任務書設計任務書內燃機研發(fā)試制總結內燃機研發(fā)試制總結

9、內燃機動力性、經濟性、耐久性、排放特性、噪聲水平等性能試驗報告內燃機動力性、經濟性、耐久性、排放特性、噪聲水平等性能試驗報告內燃機生產產量成本盈虧分析內燃機生產產量成本盈虧分析零部件標準審查報告零部件標準審查報告市場需求預測分析市場需求預測分析用戶使用報告用戶使用報告 單缸機試驗單缸機試驗2小批量生產和擴大用戶試驗小批量生產和擴大用戶試驗 內燃機是一個十分復雜的技術系統(tǒng)，涉及到水、內燃機是一個十分復雜的技術系統(tǒng)，涉及到水、油、氣的流動與密封；油、氣的流動與密封； 工質燃燒、做功與傳熱；工質燃燒、做功與傳熱； 機械傳動等多個復雜的物理和化學過程，機械傳動等多個復雜的物理和化學過程， 用戶的要求和

10、使用工況變化非常大，因此必須用戶的要求和使用工況變化非常大，因此必須經過小批量生產和逐步擴大用戶使用試驗，經經過小批量生產和逐步擴大用戶使用試驗，經過嚴密的設計完善和嚴格的生產工藝調整，才過嚴密的設計完善和嚴格的生產工藝調整，才能最終進行正式商業(yè)化生產。能最終進行正式商業(yè)化生產。本章開始第三節(jié)第三節(jié) 內燃機的選型內燃機的選型 一、柴油機、汽油機或氣體燃料發(fā)動機一、柴油機、汽油機或氣體燃料發(fā)動機 柴油機：柴油機：燃料經濟性好；燃料經濟性好；工作可靠性和耐久性好，因為沒有點火系統(tǒng)；工作可靠性和耐久性好，因為沒有點火系統(tǒng)；可以通過增壓、擴缸來增加功率；可以通過增壓、擴缸來增加功率；防火安全性好，柴油

11、揮發(fā)性差；防火安全性好，柴油揮發(fā)性差；CO和和HC的排放比汽油機少。的排放比汽油機少。 汽油機：汽油機：空氣利用率高，轉速高，因而升功率高?？諝饫寐矢撸D速高，因而升功率高。因為沒有柴油機噴油系統(tǒng)的精密偶件，制造成本低；因為沒有柴油機噴油系統(tǒng)的精密偶件，制造成本低；低溫起動性、加速性好，噪音低；低溫起動性、加速性好，噪音低；由于升功率高，最高燃燒壓力低，所以結構輕巧，比質量?。ㄒ话阒挥捎谏β矢撸罡呷紵龎毫Φ?，所以結構輕巧，比質量?。ㄒ话阒挥胁裼蜋C的一半重量）；有柴油機的一半重量）；不冒黑煙，顆粒排放少。不冒黑煙，顆粒排放少。 目前來講，柴油機的優(yōu)點就是汽油機的缺點，反之亦然。目前來講，柴

12、油機的優(yōu)點就是汽油機的缺點，反之亦然。二、沖程二、沖程四沖程：使用可靠，工作柔和，耐磨，經濟性好，指標穩(wěn)定，四沖程：使用可靠，工作柔和，耐磨，經濟性好，指標穩(wěn)定，生生 產、使用經驗豐富；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。體積小，重量輕，結構簡單，但經濟性差。三、冷卻形式三、冷卻形式 水冷：水冷： 1. 冷卻均勻效果好；冷卻均勻效果好； 2.v 大，大，pe大；大； 3.受外界影響小受外界影響小; 4.噪音低噪音低. 風冷：風冷： 1. 散熱不好，熱負荷高，油嘴易堵，

13、機油易變稀，磨損大；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；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；噪音大，因為無水套吸音； 4. 鑄造困難；鑄造困難； 5. 冷卻系結構簡單，無漏水；冷卻系結構簡單，無漏水； 6. 單體結構，維修成本低。單體結構，維修成本低。四、氣缸的布置四、氣缸的布置 主要由發(fā)動機的使用環(huán)境決定。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。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，雙列有向

14、采用雙列，雙列有V型、錯缸型（缸心線平行和缸心型、錯缸型（缸心線平行和缸心線不平行兩種）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。善面積利用率，開闊視野，提高了操縱性、機動性。 本章開始第二章 曲柄連桿機構受力分析返回開始第一節(jié)第一節(jié) 曲柄連桿機構的運動學曲柄連桿機構的運動學( (活塞的運動學）活塞的運動學）第二節(jié)第二節(jié) 曲柄連桿機構中的作用力曲柄連桿機構中的作用力第一節(jié)第一節(jié) 曲柄連桿機構的運動學曲柄連桿機構的運動學(活塞的運動學活塞的運動學)一、一、 簡述簡述 機構的作用：機

15、構的作用： 活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動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活塞上的力轉化為曲軸上的扭矩 兩個假設：兩個假設： 1.曲軸作勻速運轉曲軸作勻速運轉; 2.角速度角速度為常數(shù)。為常數(shù)。二、二、 中心曲柄連桿機構的運動規(guī)律中心曲柄連桿機構的運動規(guī)律活塞的位移表示為活塞的位移表示為)coscos()(rllrAOOAAAx連桿比有利用正弦定理，中，在 sinsinLrsinsinrsinL AOB2122212)sin1 ()sin(1 cos cos)sin1 ()( 2122rllrx活塞的運動可以用三角函數(shù)組成的復諧函數(shù)表示，既活塞的運動是活塞的

16、運動可以用三角函數(shù)組成的復諧函數(shù)表示，既活塞的運動是復諧運動。復諧運動。 226644222122sin211 sin161sin81sin211)sin1 ( 又aaravvrv )2cos(cos )2sin2(sin 2對x求一階導和二階導，得XXrrrX)2cos1(41)cos1()2cos2121(21)cos1(sin21)cos1(2 第二節(jié)第二節(jié) 曲柄連桿機構中的作用力曲柄連桿機構中的作用力一、曲柄連桿機構中力的傳遞和相互關系一、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一、曲柄連桿機構中力的傳遞和相互

17、關系FgFjFcos FFtgFFlN )cos(cos )sin(cos )cos(F )sin(kFFFFFtll轉矩順時針為正。指向圓心為正。同向為正，與 kt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。 二、氣壓力的作用效果二、氣壓力的作用效果氣壓力Fg和 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gFrFrFMtcos)sin( 單缸扭矩MFrFrtgFhFMN cos)sin(sin)sin(cossin sin)(180sin( 翻倒力矩質心半徑 22kkmrm21kkkmmm曲柄連桿機構的所有零件，按照運動性質可分為三組。 活塞組m, 包括活塞、

18、活塞環(huán)、活塞銷和卡環(huán)。 曲軸組 mka. 連桿軸頸及與連桿軸頸相重合的曲柄部分 mk1b. 曲柄上連桿軸頸與主軸頸中間的部分 mk2其當量質量 連桿組 根據質量守恒和質心守恒原理 所以 關鍵是求出重心位置?，F(xiàn)在利用制圖軟件可以方便求出。 221121lmlmmmm mllmmllm 1221 三、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(tǒng)與原機構動力學等效。 四、往復慣性力和氣壓力作用的差別四、往復慣性力和氣壓力作用的差別 氣壓力Fg 是做功的動力，產生輸出扭矩。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。Fjmax FgmaxF

19、j 所占區(qū)域長，總是存在，正負面積相等；Fg 呈脈沖性。 六、多缸機扭矩（動力計算）六、多缸機扭矩（動力計算） 以六缸四行程發(fā)動機（153624）為例： 如果第一缸的扭矩為M1()，則第二缸的扭矩為M2M1(+240)，M3M1（480），. 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

20、） =M 5，21，63，42. 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。 iiAAFFAdMdMMAm360720)(1201221或 3.平均扭矩據此可以計算指示功率、有效扭矩等動力指標。 )360(21)600(21)120(21)480(21)240(21)(212165432115,614,513,412,311,21MMMMMMMMMMMMMMMMMggggggtr第三章第三章 內燃機的平衡內燃機的平衡第二節(jié)第二節(jié) 旋轉慣性力的分析旋轉慣性力的分析第三節(jié)第三節(jié) 單列式內燃機往復慣性力的平衡分析單

21、列式內燃機往復慣性力的平衡分析第四節(jié)第四節(jié) 雙列式內燃機往復慣性力的分析雙列式內燃機往復慣性力的分析第一節(jié)第一節(jié) 平衡的基本概念平衡的基本概念返回開始第三章第三章 內燃機的平衡內燃機的平衡第一節(jié)第一節(jié) 平衡的基本概念平衡的基本概念 一、平衡的定義一、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。在。 二、內燃機振動的原因二、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。工作

22、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。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。 三、不平衡的危害三、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。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。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。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。 第三節(jié)第三節(jié) 單列式內燃機

23、往復慣性力的平衡分析單列式內燃機往復慣性力的平衡分析 幾個基本概念 Ccos2CcosjjjFFF2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。都是不平衡的自由力，如果不采取平衡措施，就會傳到支承上，引起縱向振動。 1. 往復慣性力可以用旋轉矢量表示為3和jjFF單列四沖程六缸機（單列四沖程六缸機（153624）1206720A0 0RjRjFF慣性力分析： 慣性力矩分析：相當于兩個三拐曲軸對稱安置， 0 0, jjMM在自身已經達到靜平衡和動平衡性的曲軸上添加平衡重，目的是減輕軸承負荷和減小曲軸的內彎矩。 5，21，63，4本章開

24、始第四章第四章 曲軸系統(tǒng)的扭轉振動曲軸系統(tǒng)的扭轉振動第一節(jié)第一節(jié) 扭振的基本概念扭振的基本概念返回開始第二節(jié)第二節(jié) 扭振系統(tǒng)自由振動計算扭振系統(tǒng)自由振動計算第三節(jié)第三節(jié) 強迫振動與共振強迫振動與共振第四節(jié)第四節(jié) 曲軸系統(tǒng)的激發(fā)力矩曲軸系統(tǒng)的激發(fā)力矩第五節(jié)第五節(jié) 曲軸系統(tǒng)的強迫振動與共振曲軸系統(tǒng)的強迫振動與共振第六節(jié)第六節(jié) 扭振的消減措施扭振的消減措施第七節(jié)第七節(jié) 扭轉振動的現(xiàn)代測試分析方法扭轉振動的現(xiàn)代測試分析方法第四章第四章 曲軸系統(tǒng)的扭轉振動曲軸系統(tǒng)的扭轉振動 第一節(jié) 扭振的基本概念 扭振扭振：使曲軸各軸段間發(fā)生周期性相互扭轉的振動?，F(xiàn)象：現(xiàn)象： 發(fā)動機在某一轉速下發(fā)生劇烈抖動，噪音增加，

25、磨損增加，油耗 增加，功率下降，嚴重時發(fā)生曲軸扭斷。發(fā)動機偏離該轉速時，上述現(xiàn)象消失 。原因原因：曲軸系統(tǒng)由具有一定彈性和慣性的材料組成，本身具有一定的固有頻率。系統(tǒng)上作用有大小和方向呈周期性變化的干擾力矩。干擾力矩的變化頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時，系統(tǒng)產生共振。研究目的研究目的：通過計算找出臨界轉速、振幅、扭振應力，決定是否采取減振措施，或避開臨界轉速。扭振當量系統(tǒng)的組成扭振當量系統(tǒng)的組成：根據動力學等效原則，將當量轉動慣量布置在實際軸有集中質量的地方；當量軸段剛度與實際軸段剛度等效，但沒有質量。本章開始例：六缸四沖程發(fā)動機（153624），求各階簡諧力矩的相位差，并做出相位圖。解：對于四沖程

26、， 212 2 211 1 21，k第五拐上第k階力矩相位差 120515kkkk第三拐上第k階力矩相位差 240313kkkk第六拐上第k階力矩相位差 360616kkkk第二拐上第k階力矩相位差 480212kkkk第四拐上第k階力矩相位差 600414kkkk 212 2 211 1 21，k取 得到相位圖如下：第六節(jié)第六節(jié) 扭振的消減措施扭振的消減措施 一、使曲軸轉速遠離臨界轉速，更要避開標定轉速 二、改變曲軸的固有頻率 1.提高曲軸剛度C。 增加主軸頸直徑； 減小曲軸長度； 提高重疊度。2. 減小轉動慣量 空心曲軸； 降低平衡重質量； 降低皮帶輪、 飛輪質量。 三、提高軸系的阻尼：主

27、要靠材料 四、改變激振強度 ziia11對次主諧量，可通過改變發(fā)火次序、氣缸夾角來達到 第五章第五章 配氣機構設計配氣機構設計返回開始第二節(jié)第二節(jié) 配氣機構運動學和凸輪型線設計配氣機構運動學和凸輪型線設計第三節(jié)第三節(jié) 配氣機構動力學配氣機構動力學第四節(jié)第四節(jié) 凸輪軸及氣門驅動件設計凸輪軸及氣門驅動件設計第一節(jié)第一節(jié) 配氣機構型式及評價配氣機構型式及評價第五節(jié)第五節(jié) 可變配氣相位及其機構（可變配氣相位及其機構（VVTVVT）四、凸輪的工作段和緩沖段設計四、凸輪的工作段和緩沖段設計 1. 緩沖段設計 設置緩沖段的必要性a. 由于氣門間隙L0(mm)的存在，使得氣門實際開啟時刻晚于挺柱動作時刻。b.

28、 由于彈簧預緊力P0(N)的存在，使得機構在一開始要產生壓縮彈性變形，等到彈性變形力克服了氣門彈簧預緊力之后，氣門才能開始運動。c. 由于缸內氣壓力的存在，尤其是排氣門，氣缸壓力的作用與氣門彈簧預緊力的作用相同，都是阻止氣門開啟，使氣門晚開。 上述原因使氣門實際開啟時刻晚于理論時刻，實際落座時刻早于理論上述原因使氣門實際開啟時刻晚于理論時刻，實際落座時刻早于理論時刻。造成開起沖擊大、落座速度高。機構振動、噪聲和磨損加劇。時刻。造成開起沖擊大、落座速度高。機構振動、噪聲和磨損加劇。第四節(jié)第四節(jié) 凸輪軸及氣門驅動件設計凸輪軸及氣門驅動件設計 一、凸輪軸基本結構參數(shù)一、凸輪軸基本結構參數(shù)異缸同名凸輪

29、夾角 A/2 A發(fā)火間隔角同缸異名凸輪夾角 曲軸轉角/（）氣門升程/mm)(4190)2180()2180(3602121i2i2e1eo2i1i2e1e2i1eT當凸輪挺柱的接觸點不在一條直線上，接觸點的位置相差角時 ，圖a2Te1e2e1)2180(180凸輪與曲軸位置的確定凸輪與曲軸位置的確定壓縮上止點 膨脹下止點 排氣桃尖 上止點 進氣桃尖 進氣下止點 e1 i1-e2 i2當活塞位于壓縮上止點時，進排氣凸輪相對于挺柱中心線的夾角這是確定凸輪軸與曲軸相對工作位置，即正時位置所必須掌握的是確定凸輪軸與曲軸相對工作位置，即正時位置所必須掌握的 e1e2e1)2180(1802T3. 搖臂及

30、其支承 有足夠的抗彎剛度：搖臂采用有足夠的抗彎剛度：搖臂采用T型斷面，搖臂軸采用空心軸。型斷面，搖臂軸采用空心軸。搖臂應盡量避免懸臂安裝，與氣門接觸面要淬硬。搖臂應盡量避免懸臂安裝，與氣門接觸面要淬硬。注意加強支座剛度。注意加強支座剛度。4. 氣門氣門 設計要求：進氣門：a.有足夠的進氣流量，流動阻力??； b.重量輕； c.耐磨性好； d.密封性好。排氣門：a.有較低的溫度，耐熱性好； b.耐磨性好； c密封性好。氣門的主要尺寸：A. lv：取決于缸蓋和氣門彈簧的安裝高度：取決于缸蓋和氣門彈簧的安裝高度Dlv)3 . 11 . 1 (B. d：受限于缸蓋上的空間尺寸：受限于缸蓋上的空間尺寸ie

31、iddDd)85. 08 . 0()5 . 032. 0(dvivdd)25. 02 . 0( C. 氣門桿直徑dv大時，外表面積大，有利于傳熱。一般進排氣門桿一樣 D. 氣門錐角氣門錐角 小，氣體流通斷面積大；大，自位作用好，大升程時氣體流動阻力小。一般45。增壓柴油機30，因受力變形大。 材料：進氣門：（300400C）40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V排氣門：（500C）4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo。 氣門頭部背錐角除影響氣門剛度外，還影響進氣阻力。某項試驗表明，當=20時有最大的進氣流量。 dv第六章第六章 曲軸飛輪組設計曲軸飛輪組設計返回開始第一節(jié)第一節(jié) 曲軸

32、的工作情況、材料選擇曲軸的工作情況、材料選擇第二節(jié)第二節(jié) 曲軸的結構設計曲軸的結構設計第三節(jié)第三節(jié) 曲軸的疲勞強度校核曲軸的疲勞強度校核第四節(jié)第四節(jié) 提高曲軸疲勞強度的結構措提高曲軸疲勞強度的結構措 施和工藝措施施和工藝措施第五節(jié)第五節(jié) 飛輪的設計飛輪的設計第六章第六章 曲軸飛輪組設計曲軸飛輪組設計 第一節(jié)第一節(jié) 曲軸的工作情況、材料選擇曲軸的工作情況、材料選擇 一、工作條件、設計要求 工作條件：工作條件：周期變化的力、力矩共同作用，即受周期變化的力、力矩共同作用，即受彎曲彎曲又受又受扭轉扭轉，承受交變疲勞，承受交變疲勞載荷，重點是彎曲載荷。曲軸的破壞載荷，重點是彎曲載荷。曲軸的破壞80是彎曲

33、疲勞破壞。是彎曲疲勞破壞。形狀復雜，應力集中嚴重（軸頸和曲柄連接的圓角部分）。形狀復雜，應力集中嚴重（軸頸和曲柄連接的圓角部分）。軸徑比壓大，摩擦磨損嚴重。（更換活塞、活塞環(huán)，鏜缸套，修復軸徑比壓大，摩擦磨損嚴重。（更換活塞、活塞環(huán)，鏜缸套，修復氣門、氣門座，磨曲軸）氣門、氣門座，磨曲軸）設計要求：設計要求：有足夠的耐疲勞強度（疲勞試驗）有足夠的耐疲勞強度（疲勞試驗）有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨盡量減少應力集中盡量減少應力集中剛度要好，變形小，否則惡化其它零件的工作條件（兩岸軸承、主軸承、剛度要好，變形小，否則惡化其它零件的工作條件（兩岸軸承、主軸承、活塞、

34、活塞、機體機體等）。等）。 二、材料二、材料要根據用途和強化程度，正確選用：要根據用途和強化程度，正確選用：中碳鋼（中碳鋼（35，40，45），合金鋼，球墨鑄鐵（），合金鋼，球墨鑄鐵（QT，球，球化過程要求工藝高）化過程要求工藝高）第二節(jié)第二節(jié) 曲軸的結構設計曲軸的結構設計 長度決定于缸心距缸心距L0 、缸徑缸徑、缸蓋形式（分組缸蓋）缸蓋形式（分組缸蓋） 一、曲柄銷一、曲柄銷D2 和和L2 趨勢：D2 ，L2 優(yōu)點：L2 一定時，D2增加，比壓下降，耐磨性提高。D2增加，彎曲剛度增加，扭轉剛度增加。L2下降，縱向尺寸下降，剛度提高，缸心距下降。 從潤滑理論來講，希望4 . 022DL 提高D2

35、 受到兩個限制：D2增加導致離心力增加，轉動慣量增加受到連桿大頭及剖分面形式影響，一般 斜切口平切口 0.7 0.65 65. 02DD)(01. 02222cmLDF 5 . 02 . 02FF承壓面積 ，一般 二、主軸頸二、主軸頸 D1，L1 從等剛度出發(fā)，D1D2；從等強度出發(fā)，D1D2 e原因： D1增加，可以提高曲軸剛度，增加了曲柄剛度，不增加離心力。 D1增加，可增加扭轉剛度，固有頻率 ，轉動慣量 I 不多。 但是，D1增加，圓周速度 ，摩擦損失 ，油溫 。0.3DL ,LL ,25. 105. 1/112121DD一般 三、曲柄三、曲柄 整體式曲軸中最薄弱的環(huán)節(jié)。橫截面的抗彎模數(shù)

36、為 62bhW實際理論上40 %,02 %,10Wh重。應力分布不均勻更加嚴，實際理論上 5 bWb%,10%,10（h h增加圓角處應力集中得到改善，增加圓角處應力集中得到改善，b b增加導增加導致應力不均勻性增加）致應力不均勻性增加）多數(shù)采用橢圓形曲柄 本章開始第四節(jié)第四節(jié) 提高曲軸疲勞強度的結構措施和工藝措施提高曲軸疲勞強度的結構措施和工藝措施 一、結構措施一、結構措施 rDD221SDDsA21211.加大曲軸軸頸的重疊度A（），可以增加抗彎和抗扭剛度。2. 加大軸頸附近的過渡圓角重疊度的無量綱形式：14橢圓法；分段圓弧法；沉割圓角法 3. 采用空心曲軸 提高彎曲剛度，減小應力集中，減

37、輕曲軸重量，但加工復雜，必須鑄造，模具復雜 4. 開卸載槽 采用沉割圓角的曲軸 有卸載槽的曲軸結構 二、工藝措施二、工藝措施 1. 圓角滾壓強化 原理：表面產生剩余壓應力，低消部分工作拉伸應力，提高曲軸的疲勞強 度。鋼軸疲勞強度可提高30，球鐵軸疲勞強度可提高3060。 2. 圓角淬火 用熱處理的方法使金屬發(fā)生組織相變，如產生馬氏體相、貝氏體相，發(fā)生體積膨張而產生殘余壓應力。曲軸疲勞強度可提高3050 曲軸淬火殘余應力仿真模擬 考慮表面淬火的曲軸強度分析模型 曲軸在表面淬火處理之后，表面材料發(fā)生了變化。為了真實模擬曲軸的疲勞曲軸在表面淬火處理之后，表面材料發(fā)生了變化。為了真實模擬曲軸的疲勞強度

38、，應該在曲軸有限元模型中考慮淬火硬化的過程和效果。利用仿真模擬強度，應該在曲軸有限元模型中考慮淬火硬化的過程和效果。利用仿真模擬的方法模擬曲軸高頻感應加熱淬火過程，在曲軸表面形成殘余應力，然后用的方法模擬曲軸高頻感應加熱淬火過程，在曲軸表面形成殘余應力，然后用帶有殘余應力的曲軸有限元模型進行疲勞強度計算分析。帶有殘余應力的曲軸有限元模型進行疲勞強度計算分析。 3. 噴丸強化處理 與滾壓強化的道理一樣，屬于冷作硬化變形，在金屬表面留下壓應力，而且使表面硬度提高，從而提高曲軸的疲勞強度 4. 氮化處理 利用輝光離子氮化或氣體軟氮化方法，使氮氣滲入曲軸表面，由于氮的擴散鈉作用，使金屬體積增大，因而產

39、生擠壓應力。曲軸疲勞強度可提高30。 本章開始第七章第七章 連桿組設計連桿組設計 返回開始第二節(jié)第二節(jié) 連桿螺栓的設計連桿螺栓的設計第三節(jié)第三節(jié) 提高螺栓疲勞強度措施提高螺栓疲勞強度措施第四節(jié)第四節(jié) 連桿的強度計算方法連桿的強度計算方法第一節(jié)第一節(jié) 連桿的設計連桿的設計第七章第七章 連桿組設計連桿組設計 組成：連桿體（小頭、桿身、連桿大頭），連桿蓋，連桿螺栓，軸瓦。組成：連桿體（小頭、桿身、連桿大頭），連桿蓋，連桿螺栓，軸瓦。作用：傳遞力、改變運動方式。作用：傳遞力、改變運動方式。 第一節(jié)第一節(jié) 連桿的設計連桿的設計 一、工作情況 運動：上下橫向擺動的復合運動；受力：基本上是周期性變化的拉壓載

40、荷 jmaxzmaxLjmaxjzmaxzjLjmaxjzP-PP ,PP PP 360-PP ,PP 0P 0，時，時21jr1GGP)( 計算斷面的慣性載荷為二、設計要求二、設計要求 足夠的耐疲勞強度，能夠承受很大的交變載荷（拉、壓）；有足夠的剛度，保證軸承潤滑及其他磨損正常；由于高速運動，盡量減輕重量?？傇瓌t：在盡可能輕巧的結構條件下，保證足夠的剛度和強度 三、連桿材料三、連桿材料 精選含碳量的中碳鋼，45，40；中碳合金鋼（40Cr，40MnB，40MnVB）；鍛造后進行調質；機加后探傷（關鍵零部件100%探傷，如曲軸、連桿，否則容易出現(xiàn)事故）。球墨鑄鐵 （載荷小的連桿）鋁合金（小型發(fā)

41、動機）第八章第八章 活塞組設計活塞組設計返回開始第一節(jié)第一節(jié) 活塞的設計活塞的設計 第二節(jié)第二節(jié) 結構設計結構設計第三節(jié)第三節(jié) 活塞環(huán)的設計活塞環(huán)的設計 第八章第八章 活塞組設計活塞組設計 第一節(jié)第一節(jié) 活塞的設計活塞的設計 一、工作條件一、工作條件 1. 高溫導致熱負荷大 燃氣溫度： 柴油機 汽油機 C20001500TzmaxC25002000Tzmax活塞頂部溫度：汽油機柴油機 C340250 C400280Th第三節(jié)第三節(jié) 活塞環(huán)的設計活塞環(huán)的設計 分類：氣環(huán)、油環(huán)作用：氣環(huán)密封、導熱；油環(huán)刮油、布油。其中密封的作用最為重要 一、氣環(huán)的作用原理一、氣環(huán)的作用原理 （一）密封原理 （二）導熱作用 活塞的70熱量由活塞環(huán)