武漢理工大學(xué)《汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計》課程設(shè)計-10kw曲軸設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書學(xué)號：題目10KW四沖程汽油機(jī)曲軸設(shè)計學(xué)院汽車工程學(xué)院專業(yè)熱能與動力工程班級姓名指導(dǎo)教師2014 年 11 月 21 日目錄目錄1.0. 前言4.1. 1 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)4.1.1 初始條件4.1.2. 發(fā)動機(jī)類型4.1.2.1. 沖程數(shù)的選擇 4.1.22冷卻方式4.1.2.3. 氣缸數(shù)與氣缸布置方式 .5.1.3. 基本參數(shù)5.1.3.1 .行程缸徑比 S/D的選擇5.1.3.2. 氣缸數(shù)i、氣缸工作容積 Vs、缸徑D的選擇 52. 熱力學(xué)計算7.2.1. 熱力循環(huán)基本參數(shù)的確定 7.2.2 .各過程的熱力學(xué)計算7.2.2.1絕熱壓縮起點(diǎn) 7.2.2

2、.2. 絕熱壓縮過程 8.2.2.3. 定容燃燒過程8.2.2.4. 絕熱膨脹過程8.2.3. P-V 圖的繪希9 .8.2.4. P-V圖的調(diào)整9.2.5. P-V圖的校核 103. 運(yùn)動學(xué)計算.1.13.1 .曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型 113.2. 連桿比的選擇113.3. 活塞運(yùn)動規(guī)律 1.13.3.1 .活塞位移113.3.2.活塞速度123.33 活塞加速度 1.334 連桿運(yùn)動規(guī)律 133.5. P-V圖向P-a圖的轉(zhuǎn)化144 動力學(xué)計算154.1. 質(zhì)量轉(zhuǎn)換.154.2 .作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力 154.2.1. 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力（氣體壓力） 164.22 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力 1

3、64.2.3. 作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力 1.74.3. 發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩205. 曲軸組零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計215.1 .曲軸的工作條件、結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇 215.1.1 .曲軸的工作條件和設(shè)計要求 215.1.2. 曲軸的結(jié)構(gòu)形式215.1.3. 曲軸材料225.2 .曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié) 225.2.1 .曲柄銷的直徑 D2和長度L2225.2.2. 主軸頸的直徑 D1和長度L1225.2.3曲柄235.2.4. 一些細(xì)節(jié)設(shè)計236. 曲軸強(qiáng)度的校核256.1 .靜強(qiáng)度校核256.1.1 .連桿軸頸的計算 256.1.2. 曲柄計算266.2 .曲軸疲勞強(qiáng)度的計算276.2.1.

4、主軸頸計算 276.2.2. 曲柄臂計算28小 結(jié)29參考文獻(xiàn)30附 錄31.附表0.計算涉及的參數(shù)31附表1.P-V圖及運(yùn)動學(xué)計算圖表31附表2.動力學(xué)計算圖表353武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書10kW四沖程汽油機(jī)曲軸組設(shè)計、八0.刖言內(nèi)燃機(jī)學(xué)課程設(shè)計，是熱能動力工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)完了內(nèi)燃機(jī)學(xué)等專業(yè)課程后的一次 綜合性設(shè)計實(shí)踐和基本訓(xùn)練，旨在對剛學(xué)習(xí)過的發(fā)動機(jī)設(shè)計課程以及發(fā)動機(jī)原理課程的知 識進(jìn)行綜合運(yùn)用，加深對專業(yè)知識的理解。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，通過總體性能計算（工作過 程模擬計算與動力學(xué)計算）將發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)結(jié)合起來，弄清結(jié)構(gòu)與性能之 間的內(nèi)在聯(lián)系；通過發(fā)動機(jī)總體布置圖

5、設(shè)計，對發(fā)動機(jī)的總體結(jié)構(gòu)有一個全面而具體的了 解，并深化對發(fā)動機(jī)各主要零件的作用和設(shè)計要求的理解。這是大學(xué)本科期間第四次課程設(shè)計，也是我們大學(xué)最后一次課程設(shè)計。在經(jīng)歷了三次 課程設(shè)計后，我已經(jīng)取得了一定的基礎(chǔ)，這給我完成本次課程設(shè)計帶來很大的幫助。我們 要充分利用本次機(jī)會，了解當(dāng)今汽油機(jī)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，并結(jié)合到本次課程設(shè)計，高質(zhì) 量地完成任務(wù)。1.1 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)1.1 .初始條件額定功率：P=10kW平均有效壓力：pme =0.81.2MPa活塞平均速度：Vm<15m/s1.2 .發(fā)動機(jī)類型1.2.1 .沖程數(shù)的選擇依據(jù)題意沖程數(shù)選擇為四沖程，即 T =4。1.2.2. 冷卻方式考

6、慮到是單缸機(jī)，而且功率較低，風(fēng)冷即可滿足冷卻要求，所以采用風(fēng)冷方式。123.氣缸數(shù)與氣缸布置方式直列式單缸機(jī)，i=1。1.3 .基本參數(shù)1.3.1. 行程缸徑比S/D的選擇根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】得相應(yīng)汽油機(jī)的行程缸徑比在0.71.0之間。初步選擇行程缸徑比為 0.9，即 S/D=0.9。1.3.2. 氣缸數(shù)i、氣缸工作容積Vs、缸徑D的選擇參考目前已有發(fā)動機(jī)的實(shí)際水平，初步選擇如下：平均有效壓力Pme =1.1MPa升功率：PL = 50 kW/L結(jié)合已給的設(shè)計功率Pe=10kW和上一步確定的S/D計算單缸排量Vs,缸徑D,行程S<根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)的基本公式：iNe 二 P；5S Vm = Sn

7、 VsD2SiFp225m 30 s4其中：Pe發(fā)動機(jī)有效功率，依題為 10kWPme發(fā)動機(jī)平均有效壓力，依題為 1.1MP&Vs單個氣缸工作容積，對于單缸機(jī)即為氣缸工作容積。根據(jù)參考文獻(xiàn)【2】，參照我國近年生產(chǎn)的部分內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)表得非增壓單缸四沖程汽油 機(jī)的升功率一般為5060KW/L。同時為了便于設(shè)計過程的進(jìn)行，初步確定 該單缸機(jī)氣缸工作容積為0.2L。i發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)目，依題為1。n發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。V-活塞平均速度，依題意 Vm<15m/sS活塞行程。D氣缸直徑。T行程數(shù)，T =4。代入上述公式得發(fā)動機(jī)基本參數(shù)：VS =0.20L D=65mm S=59mm n=6000

8、r/minVm=11.8m/s<15m/s符合要求，其介于914m/s之間，按Vm該汽油機(jī)屬于高速汽 油機(jī)。由單位活塞面積功率：Pf二叢二-Pmens=0.39 kW/cm3>0.2 kW/cm3 ,所以需要向活塞 iFp 225可內(nèi)壁噴油冷卻，一般通過固定在機(jī)體內(nèi)壁上的噴嘴噴油。6武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書2 熱力學(xué)計算通過根據(jù)內(nèi)燃機(jī)所使用的燃料，混合氣形成方式，缸內(nèi)燃燒過程（加熱方式）等特點(diǎn), 把汽油機(jī)的實(shí)際循環(huán)近似看成是等容加熱循環(huán)。汽油機(jī)的工作過程包括進(jìn)氣、壓縮、作功 和排氣四個過程。在本次設(shè)計過程中，先確定熱力循環(huán)基本參數(shù)然后重點(diǎn)針對壓縮和膨脹過程進(jìn)行計 算

9、，繪制p-v圖并校核。為建立這些內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)，需對內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)中大量存在的湍流耗散、溫度 壓力和成分的不均勻性以及摩擦、傳熱、燃燒、節(jié)流和工質(zhì)泄漏等一系列不可逆損失作必 要的簡化和假設(shè)，歸納起來有以下幾點(diǎn)：1）把壓縮和膨脹過程簡化成理論的絕熱可逆的等熵過程，忽略工質(zhì)與外界的熱量交 換及其泄漏等的影響；2）將燃燒過程簡化為等容加熱過程，將排氣過程簡化為等容加熱過程；3）忽略發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣過程，從而將循環(huán)簡化為一個閉口循環(huán)；4）以空氣為工質(zhì)，并視為理想氣體，在整個循環(huán)中工質(zhì)物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變， 比熱容為常數(shù)。2.1 .熱力循環(huán)基本參數(shù)的確定據(jù)參考文獻(xiàn)【3】：壓縮過程絕熱指數(shù)n 1=1.3

10、21.35,初步取ni=1.34 ;膨脹過程絕熱指數(shù)n2=1.231.28,初步取n2=1.26。據(jù)參考文獻(xiàn)【2：壓力升高比 P=69,初步取 P=6.8 ;汽油機(jī)壓縮比；受爆燃限制，不能超過10,在710之間，初步取；=8。2.2 .各過程的熱力學(xué)計算2.2.1. 絕熱壓縮起點(diǎn)選取壓縮沖程的下止點(diǎn)（a點(diǎn)）時的氣體參數(shù)Fa二（0.80.9 ） P0，其中P0為大氣壓力,P0=O.1O13MPa 系數(shù)取 0.89，得 巳=0.09MPa。燃燒室容積 乂 = VS /（名_ 1） = 0. 0286L，氣缸總?cè)莘e 乂 = VC + V = 0.2286L。222.絕熱壓縮過程選取壓縮沖程終點(diǎn)（c點(diǎn)

11、），從a點(diǎn)到c點(diǎn)的壓縮過程看作是絕熱過程，絕熱系數(shù)n=1.34。根據(jù)多變過程熱力學(xué)計算公式PV1二PM”二常數(shù)，以及a點(diǎn)氣體狀態(tài)，可以計算出a 點(diǎn)到c點(diǎn)壓縮過程中各個點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。已知 V=0.0286L，可求出 P=1.46MPa2.2.3. 定容燃燒過程選取定容燃燒終點(diǎn)（z點(diǎn)），從C點(diǎn)到z點(diǎn)的增壓過程看作是定容增壓過程，壓力升高 比 > =6.8。則 z 點(diǎn)狀態(tài)：鴿 =乂 = 0.0286L 已=九PP = 9.93MPa。2.2.4. 絕熱膨脹過程選取膨脹過程終點(diǎn)（b點(diǎn)），從z點(diǎn)到b點(diǎn)的膨脹過程看作絕熱膨脹過程，絕熱系數(shù) n2=1.26。根據(jù)多變過程熱力學(xué)計算公式PV2 = Pf2

12、工常數(shù)，以及z點(diǎn)氣體狀態(tài)，可以計算出z 點(diǎn)到b點(diǎn)壓縮過程中各個點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。已知 % 二 0.2286L，可求出 Pb 二 1.02MPa。2.3 . P-V圖的繪制根據(jù)2.2.過程中的計算結(jié)果及公式，可以在 Excel中繪制出循環(huán)過程線，理論 P-V圖 如圖【2-1】所示：理論P(yáng)V圖V/LT-絕熱壓縮 定容燃燒絕熱膨脹定容膨脹圖【2-1】理論P(yáng)-V圖2.4 . P-V圖的調(diào)整實(shí)際的P-V圖和利用多變過程狀態(tài)方程繪制出的理論P(yáng)-V圖存在一些誤差，在發(fā)動機(jī)中為了使其動力性、經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)，采用了點(diǎn)火提前，氣門重疊角，而且存在換氣損失 等等，對理論P(yáng)-V圖作出以下調(diào)整：1）最大爆發(fā)壓力Pz取理論值

13、得2/3，具體為6.6MP&以此值作水平線與原圖形相交， 水平線以上部分去掉，余下部分做些調(diào)整；2） 考慮到實(shí)際過程與理論過程的差異，最大爆發(fā)壓力產(chǎn)生在上止點(diǎn)之后12°15° 選擇13°3） 點(diǎn)火提前角：常使用的范圍為 20。30°,經(jīng)調(diào)整后選擇20°4） 排氣提前角：常使用的范圍為 40。80°，經(jīng)調(diào)整后選擇40°。經(jīng)調(diào)整后所得的P-V圖如圖【2-2】所示：V/LT-絕熱壓縮 定容燃燒T-絕熱膨脹排氣圖【2-2】實(shí)際P-V圖2.5 . P-V圖的校核計算繪制出P-V圖后，利用積分求出圖中封閉曲線的面積，此面積就是發(fā)

14、動機(jī)理論指示功W。然后計算出平均指示壓力，再乘上機(jī)械效率，即得到熱力循環(huán)的平均有效壓力。發(fā)動機(jī)理論指示功:W -183W一格124( 0 . 20. 01 ) kW =0. 247 kW平均有效壓力Pne0.247085 MPa 二 1.05MPa0.20這里m為發(fā)動機(jī)機(jī)械10武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書效率，根據(jù)參考文獻(xiàn)【2】，其中高速汽油機(jī)參考值為0.850.95，選0.85。有效功率Pe二PmVs ni30.1.050.26000 10.54 kW 誤差在- 2%內(nèi)，滿足304#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽

15、車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書要求，故上面選取的參數(shù)以及后面相關(guān)計算在滿足制造需要的同時能夠前后一致#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書3 運(yùn)動學(xué)計算發(fā)動機(jī)的運(yùn)動學(xué)計算是發(fā)動機(jī)設(shè)計的基礎(chǔ)，為熱力學(xué)計算、動力學(xué)計算以及以后對發(fā) 動機(jī)活塞、連桿、曲軸尺寸的確定都作了鋪墊。3.1 .曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型在往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)中基本采用三種曲柄連桿機(jī)構(gòu)：中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，偏心曲柄連 桿機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。其中中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣泛。本次設(shè)計選擇中心曲柄 連桿機(jī)構(gòu)。3.2 .連桿比的選擇根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】知，、，車用發(fā)動機(jī)多用小連桿，初選二:4。3.3 .活塞運(yùn)動規(guī)律3.3.1 .活塞位移根據(jù)曲柄連

16、桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律與其幾何關(guān)系，得活塞位移方程如下：hX = R ( 1 一 cos ： ) (1 一 cos 2 -)4其中：二U為曲柄半徑與連桿長度的比值，R為曲軸半徑，R = S / 2 = 59 / 2mm = 29.5 mm在Excel表格中每隔5°曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表 1,經(jīng)計算后 圖如圖【3-1】 所示：在Excel表格中每隔5曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表2,經(jīng)計算后X - :如圖所示：X-a圖0.050.040.030.020.011O0200300400500曲軸600700800圖【3-1】 轉(zhuǎn)角-活塞位移圖332.活塞速度將活塞位移函數(shù)求導(dǎo)后即可得到活塞速度

17、函數(shù)，如下:V 二 R sin“ sin2otot 十九12武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書n兀其中：轉(zhuǎn)速n = 6°°°r / min ,曲軸半徑R = 29.5mm,角速度，=30。在Excel表格中每隔5曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表1,經(jīng)計算后如圖【3-2】所示:Aa圖曲軸轉(zhuǎn)強(qiáng)#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書圖【3-2】 轉(zhuǎn)角-活塞速度圖13武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書333.活塞加速度將活塞速度函數(shù)求導(dǎo)后即可得到活塞加速度函數(shù)，如下：j 二 R

18、，（cos * 亠；_cos2： ）L Q數(shù)據(jù)同上，在Excel表格中每隔5曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表 2，經(jīng)計算后如圖【3-3】所示：活塞加速度m/15000100005000 0-5000 -10000 -15000曲軸轉(zhuǎn)角（° >3061800圖【3-3】轉(zhuǎn)角-活塞加速度圖由參考文獻(xiàn)【1】知實(shí)際高速發(fā)動機(jī)的最大加速度：對汽油機(jī)而言 j max 二（5001500） g 二（490014700） m/s2其中：g為重力加速度。由j- a圖知活塞最大加速度jmax ” 10000m/s2符合要求。3.4 .連桿運(yùn)動規(guī)律連桿做復(fù)合平面運(yùn)動，即其運(yùn)動是由隨活塞的往復(fù)運(yùn)動以及繞活

19、塞銷的擺動運(yùn)動合成。連桿相對于氣缸中心的擺角為' =arcsin（' sin）在Excel表格中每隔5°曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表 2,經(jīng)計算后如圖【3-4】所示：圖【3-4】轉(zhuǎn)角-擺角圖3.5 . P-V圖向P- a圖的轉(zhuǎn)化已知壓力是體積的函數(shù)，體積是活塞行程的函數(shù)V' f（x），活塞行程是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)X' f）；因此可將P-V圖向P- a圖的轉(zhuǎn)化，如圖【3-5】所示：0Aj1/J、060120180240300360420480540600660720曲軸轉(zhuǎn)角C)7 6 5 4 3 2 1 缸內(nèi)壓力pMp a16武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)

20、計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書圖【3-5】 轉(zhuǎn)角-缸內(nèi)壓力圖#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書4 動力學(xué)計算4.1 .質(zhì)量轉(zhuǎn)換1）連桿是做復(fù)雜平面運(yùn)動的零件，為了便于計算，將整個連桿的質(zhì)量mL用兩個換算質(zhì)量m和m2來代換。假設(shè)m是集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)直線運(yùn)動的質(zhì)量；m2集中作用在連桿大頭中心處，并只做圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的質(zhì)量令L為連桿長度，Ll為由連桿之心G至小頭中心A的距離，則:m2由同組同學(xué)確定的m為0.0559kg2）活塞，包括裝在活塞上的活塞環(huán)和活塞銷等零件，是沿氣缸中心線作往復(fù)直線運(yùn)動的，它們的質(zhì)量可以看作集中在活塞銷中心，并以mh表示，由同組同

21、學(xué)算出為0.192kg則往復(fù)直線運(yùn)動部分當(dāng)量質(zhì)量 m: m = m + m = 0.0559kg + 0.192kg = 0.2479kgP3）曲柄換算質(zhì)量mk := mZ 2mw r（即設(shè)想曲拐沒有質(zhì)量，另有一個等于m質(zhì)量全部集中在曲軸銷中心轉(zhuǎn)動。）其中：m為曲柄銷部分質(zhì)量，叫為單個曲柄臂不平衡質(zhì)量，?為曲柄臂不平衡質(zhì) 量質(zhì)心到曲軸回轉(zhuǎn)中心的距離。則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部分當(dāng)量質(zhì)量mR，本次設(shè)計不過多考慮。4.2 .作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力般因摩擦力數(shù)值較小，變化規(guī)律難以掌握而忽略不計，而負(fù)載阻力與主動力處

22、于平衡狀態(tài)，無需另外計算，因此主要研究氣壓力與運(yùn)動質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對機(jī)構(gòu)（尤其是 曲軸和軸承）的作用。421. 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力（氣體壓力）Pg（R為大氣壓力，即背壓）,結(jié)合之前P-a圖，可以得到Pg-a圖,19武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書如圖【4-1】所示:Pg-a®缸內(nèi)氣壓力PKj1/丿0 60 1：?o ii町 2103(X)印60星M5丄10 6()0 6(507；250002000015000100005000E尺0Ny -5000曲軸轉(zhuǎn)角（°）圖【4-1】轉(zhuǎn)角-氣體壓力圖422. 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力把曲

23、柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件簡化為 m、廉后，可從運(yùn)動學(xué)規(guī)律歸納出兩個力:往復(fù)質(zhì)量m的往復(fù)慣性力p，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mh的旋轉(zhuǎn)慣性力FR1）往復(fù)慣性力p:p = m j （活塞加速度）=-mjR （cos Cos2）（方向與加速度方向 相反）在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表3,經(jīng)計算后如下圖【4-2】所示:#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書Pjd圖往復(fù)慣性力p i (20武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書合成力0圖【4-2】 轉(zhuǎn)角-慣性力圖2）旋轉(zhuǎn)慣性力PR:FR二mRR2分解為：FRx二-rrR2 cos ： ；FRy-hrR2 sin

24、:。這兩個分量隨簡諧變化，如果不能在機(jī)構(gòu)內(nèi)部加以抵消，則需由發(fā)動機(jī)支承來承 受，使發(fā)動機(jī)有上、下、左、右跳動的傾向，本次設(shè)計中不過多考慮。423. 作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力1）氣壓力與往復(fù)慣性力的合成：P = P + P，由前面Pg-a圖與Pj-a圖可得到P-a圖如圖【4-3】所示：P-a圖2500020000150001000050000-5000曲軸轉(zhuǎn)角（口）圖【4-3】 轉(zhuǎn)角-合成壓力圖2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)上作用力的分析與計算合成力P作用在活塞上，將分解為兩個力：垂直氣缸軸線的力Pn （側(cè)向力）與沿連桿軸線的力R。R=PxtaR_=p / cos（目）， °在Excel表格中每隔5

25、曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表2,經(jīng)計算后如圖【4-4】【4-5】 所示：1400120010008006004002000-20D-400-600/ZI/6o/10 11斗31)042D4；30F 6C5072f7曲g轉(zhuǎn)角722武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書圖【4-4】轉(zhuǎn)角-側(cè)壓力圖PI-CX 圖圖【4-5】轉(zhuǎn)角-連桿力圖連桿力在曲柄銷處又分解為垂直于曲柄半徑的切向力Pt和沿曲柄作用的徑向力Pk°其中各力在大小上滿足下列關(guān)系式：切向力：匕=Psin (a 十 B) = FL sin( a 十 E) / cos p徑向力：R = FL

26、cos ( + 0) = FL cos(a + B)/ cos P在Excel表格中每隔5曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表2,經(jīng)計算后如圖【4-6】【4-7】所示:7000切向力p t (N)-3000A7 AV/、f/、60/ 1：20 1(iO 4：；04!JO m* Gi)0 1.曲從轉(zhuǎn)角SOOO40003(X)(2 COO10001000-200023武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書圖【4-6】轉(zhuǎn)角-切向力圖Pk-a 圖圖【4-7】轉(zhuǎn)角-徑向力圖規(guī)定Pt與w同向?yàn)檎?，Pk指向圓心為正，轉(zhuǎn)矩順時針為正4.3 .發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩單缸轉(zhuǎn)矩.M =Py

27、：R=R. x si n( a + B) x R/ cos P在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見附表2,經(jīng)計算后如圖【4-8】所示:Wa圖200rT-1OO單牯轉(zhuǎn)矩M - N *m)圖【4-8】轉(zhuǎn)角-單缸轉(zhuǎn)矩圖24武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書25武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書5 曲軸組零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計5.1 .曲軸的工作條件、結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇5.1.1. 曲軸的工作條件和設(shè)計要求(轉(zhuǎn)曲軸是在不斷周期變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩 矩和彎矩)共同作用下工作的，使曲軸既彎曲又扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)踐表明，對 于各種曲軸，彎曲疲勞載荷

28、具有決定性作用，而扭轉(zhuǎn)載荷僅占次要地位(不包括因扭轉(zhuǎn)振 動而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞)。1) 總結(jié)起來，曲軸的工作條件為：(1) 受周期變化的力，力矩共同作用，曲軸既受彎曲又受扭轉(zhuǎn)，承受交變疲勞載荷, 重點(diǎn)是彎曲載荷。曲軸的破壞80%是彎曲疲勞破壞；(2) 由于曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，特別是在曲軸和曲頸過渡的圓角部分；(3) 曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴(yán)重。2) 因此設(shè)計曲軸時要求：(1) 有足夠的耐疲勞強(qiáng)度。(2) 有足夠承壓面積，曲頸表面要耐磨。(3) 盡量減少應(yīng)力集中。(4) 剛度要好，變形小，否則使其它零件的工作條件惡化。5.1.2. 曲軸的結(jié)構(gòu)形式曲軸的結(jié)構(gòu)與其制造方法有直接聯(lián)系，在進(jìn)行

29、曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須同時考慮。曲軸結(jié)構(gòu)形式在整體結(jié)構(gòu)上分整體式和組合式兩大類，隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄造和鍛造技術(shù) 的進(jìn)步，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)幾乎都采用整體式，因此本次設(shè)計選擇整體式曲軸。曲軸結(jié)構(gòu)形式在支承方式上分為全支承和浮動支承，本次設(shè)計單缸機(jī)不分全支承與浮 動支承，采用全支承。5.1.3. 曲軸材料曲軸材料要根據(jù)用途和強(qiáng)化程度正確選用。 根據(jù)平均有效壓力，選擇合適的活塞結(jié)構(gòu)， 保證活塞能承受所規(guī)定的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。制造活塞的材料應(yīng)有小的密度、足夠的高溫強(qiáng)度、高的熱導(dǎo)率、低的線漲系數(shù)a以及良好的摩擦性能。經(jīng)綜合考慮，選用QT800 （正火后，珠光體基體）。5.2 .曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)5.2.1

30、. 曲柄銷的直徑D2和長度L21） 在考慮曲軸主軸頸粗細(xì)時，首先使確定曲柄銷的直徑D2。在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)設(shè)計中。一般趨向于采用較大的D2值，以降低曲柄銷比壓，提高連桿軸承工作的可靠性， 提高曲軸的剛度。高速車用汽油機(jī)D/D較小，取0/D二0.52，得D2 = 34mm。2） 曲柄銷的長度L2選定D2上考慮的。在薄油膜條件下，L2/D2 = 0.4左右時有最大 承載能力，球鐵曲軸L2/D2應(yīng)取較小值，從而盡可能加強(qiáng)曲柄。但考慮到實(shí)際情況，本次設(shè)計 L2/D2取0.5,得L2 = 17mn。3） 初步校核：承壓面投影面積冃/活塞投影面積F = 0. 01D2L2 /（ nD2 / 400）在0.15

31、0.50范圍內(nèi)，符合要求。4） 初步估計軸承最大條件比壓P2 = FZF/F2二38.94MPa，結(jié)合參考文獻(xiàn)【1】，根據(jù)F2 選取軸承材料高錫鋁 AISnCu30-1 （280巴）或AISnCu20-1 （300巴）。5.2.2. 主軸頸的直徑D1和長度L1如果從曲軸沿全長度具有等剛度要求出發(fā)，可以認(rèn)為主軸頸與曲柄銷一樣粗就行了。從軸承負(fù)荷出發(fā)，貝U主軸頸可以比曲軸銷更細(xì)些，因?yàn)橹鬏S承最大負(fù)荷小于連桿軸承。但 是為了最大限度的加強(qiáng)曲軸的剛度，加粗主軸頸還是很有好處的。1）結(jié)合曲軸各部分尺寸協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)，建議取 D = （1.051.25）D2。由于單缸機(jī)曲軸 較短取 D1 二 1.06D2，得

32、 D = 36mm2）結(jié)合參考文獻(xiàn)【1】，定L1/D1 = 0.5，得L1 = 18mm3）滑動軸承最小寬度不能小于 0.3倍軸頸。523. 曲柄曲柄應(yīng)選擇合適的厚度、寬度，使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。曲軸形狀應(yīng)合理以改善 應(yīng)力分布。在確定曲柄的尺寸時，應(yīng)該考慮到曲柄往往是整體式曲軸中最薄弱的環(huán)節(jié)。曲 柄在曲拐平面內(nèi)的抗彎能力以其矩形斷面模數(shù) W來衡量。2W；-=bh /6 （ mm3）其中：b為曲柄的寬度（mm）, h為曲柄的厚度（mm）可見提高曲柄的抗彎能力，增加曲柄的厚度h要比增加曲柄的寬度b要好得多。根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】b/D = 1.00 , h/D = 0.20 。得 b=65mm,

33、h=12mm。524. 些細(xì)節(jié)設(shè)計5.2.4.1.油道布置在確定主軸頸上油道入口和曲柄銷上油道出口位置時，既要考慮到有利于供油又要考慮到油孔對軸頸強(qiáng)度影響到最小。一般油孔只要安排在曲拐平面旋轉(zhuǎn)前45° 90°的低負(fù)荷區(qū)都是合理的，油道不能離軸頸過渡圓角太近。油孔直徑一般不大于0. 1D2，但最小不得小于5mm?？卓诓粦?yīng)有尖角銳邊，而應(yīng)有不小于 0. 04D2的圓角以減緩應(yīng)力集中。5242曲軸兩段的結(jié)構(gòu)曲軸前段一般有扭轉(zhuǎn)減震器，發(fā)動機(jī)的各種輔助裝置如機(jī)油泵，冷卻水泵等，由安裝 在前段的齒輪或皮帶輪驅(qū)動，配齊正時齒輪也安裝在曲軸前端。曲軸末端有飛輪，用于輸出總轉(zhuǎn)矩，因此末端要做

34、的粗一些。524.3. 曲軸的止推一般將止推軸承設(shè)置在中央軸承的兩側(cè)或后主軸承的兩側(cè)。止推軸承間隙多為 0.050.2mm。5244過渡圓角主軸頸到曲柄臂的過渡圓角半徑 R對于曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度影響很大，增加圓角對于提 高曲軸疲勞強(qiáng)度非常有利，但對于表面耐磨性有不利影響，在保證耐磨條件下取最大圓角 一般R不應(yīng)小于2mm，否則無法加工。524.5. 平衡分析1)單缸機(jī)的單拐曲軸軸向?qū)ΨQ，用兩塊平衡塊，每塊質(zhì)量為 m，其質(zhì)心位置均在曲柄 銷對面Rt處。動平衡條件：mR(為旋轉(zhuǎn)部分當(dāng)量質(zhì)量)由于受曲軸箱尺寸限制，Rt - R = 29.5mm。初定R =28mm。2)平衡分析：(1) 旋轉(zhuǎn)離心慣性力F

35、R =矗只2 = 2吩RR 22R與平衡塊平衡相消。(2) 階往復(fù)慣性力mR2mi =Pi = -m砂cos。，平衡其所需平衡塊質(zhì)量2Ri。(3) 階往復(fù)慣性力入mR2m2 = 一j =-mR' cos2，平衡其所需平衡塊質(zhì)量8Ri(4) 由于單缸機(jī)不涉及合成慣性力矩。由于缸徑不大，可采用單軸平衡機(jī)構(gòu)。29武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書30武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書6 曲軸強(qiáng)度的校核6.1 .靜強(qiáng)度校核由前面動力學(xué)計算得強(qiáng)度校核要用到的基本數(shù)據(jù)如下:Pcos （ + B）1）徑向力Fk二P COS-/ COS -，由上述圖及相關(guān)數(shù)據(jù)得:Pkmax=19016.4

36、9NP2)切向力PPr max=6122.46NRmin = 0NRsin (a + E)P min = 0N3）主軸頸中心到曲柄銷中心的距離/2+12=29.5mm4）主軸頸中心到曲柄臂中心的距離5）主軸頸的徑向反力Pk=-1/2 PkPk max二-9508.25NPkmi = 0N6）主軸頸的切向反力P 二-Pt RD1P max=_5017.02NP min = 0N6.1.1 .連桿軸頸的計算1）在曲拐平面內(nèi)的彎曲應(yīng)力_ xMx-.=rWKnaxLg3二 d2Rsin ：）/cos :，由上述圖及相關(guān)數(shù)據(jù)得:La= (L1+L2 ) /2+h= (18+17)Lb=(L1+h)/2=

37、 (18+12)/2=15mm1901649° 0295 =150.31MPa3二 0. 034322）在垂直于曲拐平面的彎曲應(yīng)力32-y(=ML - PmaxLa=W3D2- 612246°.°295=48.39MPa323二 0. 034323）彎曲總應(yīng)力2 -1 “y+ +2 -1 “Xu= 157.91MPa4）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力T”T131武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書32武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書W6122.460. 0295二 0. 0343= 23.40 MPa165)彎曲總應(yīng)力二cy = .；：24 .二 J57.91 2423.4

38、0 2 MPa=164.70MPa小于該材料所許可的最大應(yīng)力® )= 800MPa在允許范圍內(nèi)6.1.2.曲柄計算1)壓縮應(yīng)力:p<max9508.25-cbh0. 0650. 012=11.25Mpa2)3)4)5)彎曲應(yīng)力:曲拐平面:Pk max La垂直曲拐平面:wyWy扭矩Mk引起的彎曲應(yīng)力:PtmaxR"maxbh2扭矩Mk引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力:k max彎扭總應(yīng)力:tmaxLbbh2kma' 'c=小于該材料所許可的最大應(yīng)力h b219016.490. 0295=63.36Mpa0. 0120. 0652R maxb h26122.460.029

39、50.0650.012 25017.020. 0295 =80.84Mpa0. 0650. 0122=98.65Mpa5017.020.0150.0650.0122 =42.47Mpa,442.47 2(11.2563.3680.8498.65)267.92MPa:=800MPa在允許范圍內(nèi)。33武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書6.2 .曲軸疲勞強(qiáng)度的計算由于曲軸工作時承受交變載荷，它的破壞（斷裂）往往都由疲勞產(chǎn)生。因此，對內(nèi)燃 機(jī)曲軸均須進(jìn)行疲勞校驗(yàn)。曲柄的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算的目的是曲軸不但在運(yùn)轉(zhuǎn)中安全可靠，而 且能充分利用材料的疲勞強(qiáng)度。為此，要求能夠較精確地確定曲軸的疲勞強(qiáng)度（或稱許用

40、 應(yīng)力）和曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時的實(shí)際應(yīng)力（或稱工作應(yīng)力）。由前面動力學(xué)計算知Mmax = 180.61Nm ； Mmin =06.2.1 .主軸頸計算1）彎曲疲勞強(qiáng)度maxminMmaxwyMmaxwy180.61bh2-0MPa180.610.0650.0122=98.65MPa34武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書= 4.17彎曲系數(shù)n-L 、亠 i max minmax min其中 k =0.7,=0.66，=280N/mrm，'2 -1 一。=0.3#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書2）扭轉(zhuǎn)

41、疲勞強(qiáng)度T maxMmaxP max LaWybh2612246°.°295 =101.99MPa0.0650.0122TminMminWy= 0MPa扭轉(zhuǎn)系數(shù)nTkrT-4.043）安全系數(shù)n：Tmax -Tm. '-Tmax -Tmin#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書知）=2.90大于該材料的極限安全系數(shù)（n） =1.8 （根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】#武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書622.曲柄臂計算彎曲系數(shù)n .= 5.111）彎曲應(yīng)力:MlmaxpcmaxLb9508.250.015“: ；u max2 =

42、80.50MpaWbh20.0650.012266u mirML二 0W2-1max 一 忖亠max 一 “in2）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力:maxPmaxhb2612246°.°15 =10.37Mpa0.0120.0652mir 二 0扭轉(zhuǎn)系數(shù)rTky=39.69Tmax - Tmir j 1 T ma _ Tmir j3）安全系數(shù)r= 5.07大于該材料的極限安全系數(shù)r）=1.8 （根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】知）35武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書經(jīng)過此次為期三個星期的汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計，我不僅加緊鞏固了汽車 發(fā)動機(jī)設(shè)計這門課程的知識點(diǎn)，而且又將大學(xué)中所學(xué)的設(shè)計基礎(chǔ)課程和專業(yè)課課

43、程的重 要內(nèi)容重新復(fù)習(xí)了一遍。此外，我還在分析、計算、設(shè)計、制圖、運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、 查閱各種設(shè)計手冊與資料以及計算機(jī)應(yīng)用能力等各個方面得到了進(jìn)一步的提高。與此同 時，我也深刻體會到了設(shè)計一件批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的困難以及團(tuán)隊(duì)合作的重要性。我也在此 次課程設(shè)計中發(fā)掘出了自己面對挫折沒有退卻而靜下心來反復(fù)演算求解的精神。其實(shí)，一 件優(yōu)秀產(chǎn)品的誕生，其間必定含盡了艱辛。就拿此次我設(shè)計曲軸來說吧，一開始我什么都 不懂，不知道如何著手，完全找不到突破口。后來在同學(xué)們的積極討論中以及指導(dǎo)老師的 悉心指導(dǎo)下，我逐漸明白了我的方向，并開始投入到其中，仔細(xì)演算，認(rèn)真推敲。然而， 面對著自己所算出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，無

44、法再繼續(xù)往下算時，我的心中猶如在大冬天被人當(dāng) 頭潑了一盆冷水。可我沒有就此放棄，經(jīng)過和同學(xué)們的互相討論以及接受劉老師的耐心講 解后，我又重新找到了方向。就這樣，在不斷的失敗和站起來的道路之后，我終于成功完 成了此次課程設(shè)計。在此，非常感謝老師能在百忙之余擠出自己寶貴的時間來指導(dǎo)我們的課程設(shè)計，悉心 仔細(xì)地為我們每個人講解問題，從而使我們能更快更好地完成課程設(shè)計通過這次我們親身 的設(shè)計實(shí)踐，讓我們對這些專業(yè)課的基礎(chǔ)知識和基本理論能有進(jìn)一步的理解和掌握。36武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書參考文獻(xiàn).11 楊連生內(nèi)燃機(jī)設(shè)計北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.【2】 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)北京：機(jī)械

45、工業(yè)出版社，2005【31 王中錚.熱能與動力機(jī)械基礎(chǔ)北京：人民交通出版社，2000.1999【4】 周增寶，何永然，劉安俊機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計武漢：華中科技大學(xué)出版社,51 董敬，莊志，常思勤汽車拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001【6】 沈維道.工程熱力學(xué)北京：高等教育出版社，2002【7】 吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計.北京：北京理工大學(xué)出版社，1990【8】 陸際青.汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計北京：清華大學(xué)出版社，199037武漢理工大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計課程設(shè)計說明書附表0.計算涉及的參數(shù)活塞行程活塞直徑轉(zhuǎn)速排量壓縮比余隙容積s(mm)D(mm)n(r/mi n)(L)£Vc(L)59655600

46、0.2080. 0286曲柄半徑多變指數(shù)多變指數(shù)曲柄角速度進(jìn)氣壓力壓力升高比R(mm)n1n23 (rad/s)Pa (Mpa)Ap29.51. 341 . 26586.430. 096.8附表1. P-V圖及運(yùn)動學(xué)計算圖表缸內(nèi)體積 V(L)缸內(nèi)壓 強(qiáng)P(MPa)活塞位移X(m)活塞速度V(m/s )活塞加速度j(m/s2 )角。 擺M曲軸轉(zhuǎn)角a(°)00.02860.090010145.33050.0290650.090.0001402671.88327626110106.721.248512858100.0304560.090.0005593633.7436678819991.1

47、842.48810886150.0327550.090.0012522045.5587242249799.6073.709901524200.0359350.090.0022104237.3068514739533.4454.905067023250.0399570.090.0034225318.9677133629194.7226.064880175300.0447740.090.00487412610.522599628786.0197.180755781350.0503290.090.00654816511.954752788310.4458.244296645400.0565580.0

48、90.00842527513.249645367771.6239.247349233450.0633890.090.010484114.395200637173.65210.1820674500.0707480.090.01270167915.381952046521.08611.04098404550.0785530.090.01505384516.2031385818.89111.8170897600.0867220.090.01751562516.854730595072.41312.50391662650.0951710.090.02006165117.335398764287.33413.09562565700.1038150.090.0226665517.646408153469.62913.58709308750.1125710.090.0