发动机设计说明书.doc

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课 程 设 计 课程名称： 发动机设计 设计题目： 曲轴设计 学 院： 交通工程 专 业： 车辆工程 年 级： 2010级 学生姓名： 赵友 指导教师： 毕玉华（教授） 日 期： 2013年9月 教 务 处 制 目 录 1 总体布局，结构特点以及选用原则系统分析 1 1.1 发动机设计总体一般要求 1 1.2 立式直列水冷四冲程柴油机的特点 1 2 标定工况（最大功率）工作过程及热力计算和示功图绘制 1 2.1热力计算 1 2.1.1热力计算的目的 1 2.1.2热力计算方法 2 2.2 重要参数选取 2 2.1.1 压缩比 2 2.1.2 过量空气系数 2 2.1.3 残余废气系数 2 2.1.4 进气温升和残余废气温度 2 2.1.5 热量利用系数 2 2.1.6 示功图丰满系数 2 2.1.7 机械效率 2 2.1.8 平均多变压缩指数 2 2.1.9 平均多变膨胀指数 2 2.2 燃料燃烧化学计算 2 2.2.1 理论空气量的计算 2 2.2.2理论分子变化系数 2 2.2.3 实际分子变化系数 3 2.3燃气过程参数的确定与计算 3 2.3.1 压缩始点的气体状态 3 2.3.2 压缩终点的气体状态 3 2.3.3 燃烧过程及燃烧终点气体状态 4 2.3.4 膨胀终点气体状态 5 2.3.5 示功图的绘制 5 2.4发动机性能参数 6 2.4.1平均指示压力 6 2.4.2 平均有效压力： 6 2.4.3 有效功率： 6 2.4.4 充量系数的计算 7 2.4.5 指示热效率 7 2.4.6 燃油消耗率： 7 2.4.7 发动机总进气量 7 3、活塞位移、活塞侧击力、加速度随曲轴转角变化曲线 7 3.1活塞随曲轴转角的位移图 7 3.2活塞速度随曲轴转角的变化曲线 8 3.3活塞加速度随曲轴转角的变化曲线 9 4、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、主轴颈负荷图 11 4.1气缸压力随曲轴转角变化曲线 11 4.2 气缸侧击力和连杆力随曲轴转角的变化曲线 12 4.3曲柄销处收到离心力和连杆力的合力 13 4.4 第一主轴颈直角坐标及极坐标负荷图 14 4.5第二主轴颈极坐标负荷图 15 4.6 各缸转矩图 16 5 曲轴设计及强度校核 17 5.1 参数选取 17 5.1.1 主轴颈 17 5.1.2 曲柄销 17 5.1.3 曲柄臂 17 5.2 强度计算 17 5.2.1 圆角面 19 5.2.2 油孔所在中心平面 22 5.3 疲劳安全系数的计算 24 5.3.1判断危险点 24 5.3.2材料选择及其疲劳极限 24 5.3.3 油孔边缘处应力 25 5.3.4 循环特征 25 5.3.5 安全系数 25 5.3.6 综合安全系数 26 6曲轴平衡性分析 26 6.1平衡性分析及平衡措施 26 6.2平衡计算 26 7 总结。 27 8参考文献。 28 课 程 设 计 说 明 书 计 算 及 说 明 结 果 1 总体布局，结构特点以及选用原则系统分析 1.1 发动机设计总体一般要求 根据发动机的使用，对发动机的提出各种要求，由于该发动机是用于 农用运输车、工程、床用以及发电机用动力，所以要求有足够的功率，能够 在较宽的转速与负荷范围内稳定运转，燃料和机油消耗少，体积小，重量轻， 工作可靠，寿命长，污染少，震动噪声小，能适应各种使用条件，制造成 本低，维修方便等…… 1.2 立式直列水冷四冲程柴油机的特点 机体的宽度小而高度和长度大，一般只适用于六缸以下的发动机，四冲程 柴油机的燃油经济性好，可靠性和耐久性高，发生故障较少，燃油和润滑油 消耗少，HC排放量较二冲程的小，怠速和低负荷工况运转稳定，活塞和缸 套的热负荷较二冲程小，另外水冷，能够保证发动机良好地冷却效果，减少 了零件的强度下降，同时可以改善燃烧室的冷却而允许发动机有较高的压缩 比，从而可以提高发动机的热效率和功率。 2 标定工况（最大功率）工作过程及热力计算和示功图绘制 2.1热力计算 2.1.1热力计算的目的 在发动机设计前经过热力计算，算出混合加热循环几个特殊点的压力、 体积、温度关系，进一步绘制出示功图为后面计算动力学、零部件设计计算 及校核做准备。 2.1.2热力计算方法 根据发动机设计手册上的热力计算部分进行热力计算，算出各个状态 点的状态参数。 2.2 重要参数选取 2.1.1 压缩比 =17.5 2.1.2 过量空气系数 =1.45 2.1.3 残余废气系数 =0.03 2.1.4 进气温升和残余废气温度 =20 =950K 2.1.5 热量利用系数 =0.8 2.1.6 示功图丰满系数 =0.95 2.1.7 机械效率 =0.84 2.1.8 平均多变压缩指数 =1.36 2.1.9 平均多变膨胀指数 =1.26 2.2 燃料燃烧化学计算 2.2.1 理论空气量的计算 = + - ) = + - )= + - )=0.494(kgkcal/kg) =0.494(kgkcal/kg) 换算成重量：L=28.96 2.2.2理论分子变化系数 =1 + =1 + =1.04 =1.04 2.2.3 实际分子变化系数 = = = 1.043 1.043 2.3燃气过程参数的确定与计算 2.3.1 压缩始点的气体状态 四冲程柴油机在进气门关闭后，压缩始点的温度： 当为非增压时= 非增压四冲程柴油机：取=15k，750k = 20k 750k 残余废气系数=0.03～0.06，取=0.03 =0.03 = 325.7282K 325.7282K 压缩始点时的压强： =(0.090～0.098) Pa=0.998.39=88.551KPa Pa=88.551KPa 2.3.2 压缩终点的气体状态 压缩终点的温度： =912K 912K 压缩终点的压力： =4342KPa 4342KPa 2.3.3 燃烧过程及燃烧终点气体状态 柴油机的最大爆发压力：Pz=8000KPa Pz=8000KPa 压力升高比： λ=Pz/Pc=1.84,取λ=1.8 λ=1.8 燃烧终点的温度： =1642.9K Hu=42500kj/kg=10153kcal/kg 假定所求温度，由表3-3和3-4得： =2097K 换算成摄氏温度为1804度，与假设温度符合。 燃烧终点z的气缸容积： V= 初期膨胀比： 2.3.4 膨胀终点气体状态 对于柴油机取=1.26 =335KPa =1089.8K =1089.8K 2.3.5 示功图的绘制 示功图绘制步骤： 上面已经算出a、c、y、z、b五个点的值，定熵燃烧部分的曲线用 把V取等步长求出P,用matlab画出出示功图： 2.4发动机性能参数 2.4.1平均指示压力 理论平均指示压力： = =8.8018, 换算成880.18Kpa 取丰满系数为=0.95 836.17Kpa =836.17Kpa 2.4.2 平均有效压力： =702.38Kpa =702.38Kpa 其中，机械效率为=0.84。 2.4.3 有效功率： =25.8372kw P=25.8372kw 2.4.4 充量系数的计算 =0.8336 0.8336 2.4.5 指示热效率 =0.4146 0.4146 2.4.6 燃油消耗率： 有效燃油消耗率： =243.21(g/kw.h) 234.21(g/kw.h) 2.4.7 发动机总进气量 四冲程发动机： 空气气体常数R=29.27 扫气系数 =0.0361 kg/s 0.0361(kg/s) 3、活塞位移、活塞侧击力、加速度随曲轴转角变化曲线 3.1活塞随曲轴转角的位移图 活塞的位移由上止点开始计量，得 (式中r是曲柄半径，是连杆大小头中心距) 3.2活塞速度随曲轴转角的变化曲线 对活塞位移求一阶导数就得到近似活塞的速度公式： 3.3活塞加速度随曲轴转角的变化曲线 对速度公式求一阶导数得近似活塞加速度公式： 4、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、主轴颈负荷图 4.1气缸压力随曲轴转角变化曲线 曲线绘制的基本思想：将曲线分为三段处理，分别是曲轴转角为0-180， 180-540，540-720．其中首段为Pa的压力，尾端为第三段到大气 压力的过渡段，线性处理即可。第二段根据p-v图的画法，根据不同转 角下的气缸体积变化即可得到曲线。 用到的公式： 作用于活塞的力： 4.2 气缸侧击力和连杆力随曲轴转角的变化曲线 活塞侧击力： 连杆力： 4.3曲柄销处收到离心力和连杆力的合力 4.4 第一主轴颈直角坐标及极坐标负荷图 4.5第二主轴颈极坐标负荷图 默认各缸均匀、没有平衡重、且连杆大头在曲柄销正中间，第二曲拐相对第一曲拐360带入下式： 4.6 各缸转矩图 5 曲轴设计及强度校核 5.1 参数选取 根据教材p197页表12-1选取参数，已知缸径则可以选取如下参数。 5.1.1 主轴颈 直径d1=70mm，长度L1=41mm =42mm d1=70mm L1=41mm =42mm 5.1.2 曲柄销 直径d2=62mm，长度L2=36mm，d2‘=30mm，偏心距=4mm d2=62mm L2=36mm，d2‘=30mm =4mm 5.1.3 曲柄臂 宽度=114mm，厚度=25.5mm b=114mm =25.5mm 其中油孔直径为6mm，轴颈过渡圆角ρ=5mm 油孔直径为6mmρ=5mm =13.5mm =13.5mm 5.2 强度计算 曲轴危险截面主要是主轴颈、曲柄销的圆角处及油孔中心面，只要算出其中 最大当量应力，即可知道最危险的截面，再校核即可。根据教材p204页的 内容。 油孔处3-3 2-2截面 1-1截面 图中1—1、2—2截面，分别是主轴颈、曲柄销与曲柄臂相连接的过渡圆角 处截面，3—3截面是曲柄销上油孔边缘处截面。 由教材204页图上所示，本人采用分两次加平衡块的方法，第一次加的平衡 块用来平衡曲轴的曲柄销，相当于此时曲轴自身动平衡。第二次加上平衡块 平衡连杆大头，这样就不用在校核之前计算曲轴曲柄臂质量、曲柄销质量、 平衡块质量。 =20.5mm，=33.25mm；=64mm =13.5mm，=25.5mm，圆角半径r=5mm，=0。 油孔位置角度=65。2656N 由于用matlab，中间很多变量都是随转角变化的量，所以不一一列出。 5.2.1 圆角面 1-1、2-2截面计算公式： 弯矩： 扭矩： 拉压力： 剪力： 1-1、2-2截面的内力（内力矩）图：以下分别是弯矩、扭矩、拉压力、 剪力。 1-1、2-2截面危险点应力： 主轴颈圆角处： ， 曲柄销圆角处： 主轴颈圆角处和曲柄销圆角处当量应力变化曲线： 5.2.2 油孔所在中心平面 对于3-3截面 弯矩： 扭矩： 抗弯截面系数： 抗扭截面系数 油孔边缘危险点应力： ； 弯矩扭矩随曲轴转角变化图： 油孔截面处当量应力变化曲线： 5.3 疲劳安全系数的计算 5.3.1判断危险点 主轴颈圆角处最大当量应力=55.14Mpa 主轴颈圆角=55.14Mpa 曲柄销圆角处最大当量应力=35.19Mpa 曲柄销圆角=35.19Mpa 油孔处的当量应力=74.16Mpa 油孔截面=74.16Mpa 根据以上计算的结果，对各个危险点的当量应力进行比较得，可得油孔处的 当量应力最大，所以曲轴油孔处的截面是最危险截面，安全系数的计算则校 3-3截面即可。 =38.02Mpa，=-17.52Mpa； =38.02Mpa=-17.52Mpa =42.71MPa，=-18.95MPa =42.71MPa=-18.95MPa 5.3.2材料选择及其疲劳极限 曲轴所选材料为球墨铸铁（QT800-2），其力学性能: =800MPa，=480MPa,488Mpa,=360Mpa =476Mpa,=180Mpa,=306Mpa. , 5.3.3 油孔边缘处应力 =10.25MPa； =27.76MPa 10.25MPa 27.76MPa =11.87MPa； =30.83MPa 11.87MPa 30.83MPa 5.3.4 循环特征 =-0.4607；=-0.4438 -0.4607 -0.4438 根据教材p209页表12-4，12-5，12-6，可取到如下数据： =2.1，=1.85，=0.702，=0.666，=1.30 =0.3538 =0.3538 =0.7364 =0.7364 5.3.5 安全系数 =5.2349 （） 5.2349 =2.6482 （） 2.6482 5.3.6 综合安全系数 发动机曲轴安全系数在1.8-2.5之间是符合安全要求的，本次设计的曲 轴安全系数为2.363，满足强度要求。所以曲轴合格。 6曲轴平衡性分析 6.1平衡性分析及平衡措施 不平衡主要是由旋转惯性力及往复惯性力引起的，进而产生力、主矩不为零，使得发 动机振动等，旋转惯性力是比较容易平衡的，往复惯性力有一阶、二阶，变化也比较 所以只能平衡一部分。为了获得更好的平衡性，在选择曲轴及发火顺序时应均匀且平 横性好的。单列式发动机平衡方法有：利用平衡重达到外平衡；利用平衡重减轻主 轴承载荷和内力矩；加平衡机构平衡往复惯性力。平衡性要求内平衡与外平衡都好。 6.2平衡计算 此次曲轴采用两缸曲柄销间隔360的曲轴，在静平衡上有一些缺点，但两缸发火均匀 有弥补了这项不足，此外，这种曲轴还有利于加装废气涡轮增压器、有利于运转均匀 性。 平衡离心惯性力的质量： m为连杆大头质量，R为曲柄销半径， 为平衡重的质心。 平衡部分一阶往复惯性力的质量： 为活塞组质量加连杆小头 的质量，R为曲柄销半径，为平衡重的质心。K取0.3~0.4是平衡系数 以上两式右边均是可以算出的量，而左边就是用UG建模，平衡重使得两边相等为止 即为平衡重。 7 总结。 我最有成就感的是我在做曲轴设计过程中，这么多的计算我把它在 matlab中写成程序的形式，我想毕业设计时候应该会用到。以前都是自学 matlab只是觉得有时间就看一下，它以矩阵的形式存储数据，在数学计算 中应用很大。 第二就是上课时学发动机设计课程只是学，而此次是做，我需要什么 知识，再去自学，能体现自我学习能力。像用UG画二维图都是现学现用。 第三，其实做课程设计的过程中，我也遇到很多困难，我本来前面就做 好的动力学计算机的程序，而此次不是知道压力，而是算出示功图，用程序 不能通过位移反算出角度，我想一个下午才想通，这样才能适应前面写的 算法。另一个是在网上找QT800疲劳极限找不到，等了一天半又才开始算。 课程设计的任务包括内燃机的热力计算和性能参数计算，强度校和及实 体建模等部分组成。时间短任务重，但是大家都很积极努力，组内各个成员 之间配合默契。这次课程设计相当于一次完整的发动机设计流程，让我们了 解了一个产品开发的流程，同时也熟悉了课本知识的实际运用能力。这对于 我们以后在社会上的发展的是比较重要的，无论我们是否从事发动机行业。 总之，我在这次实习中学到了很多的东西。 最后，深入系统地学习了一遍发动机设计书本上的知识，知识重要，但更重要的是在设计过程中用到的思想，比如有的同学在校核前要计算平衡 重，我用的就是先把曲轴看做自身动平衡，然后平衡重只要平衡连杆大头 离心力的方法，就不用在校核前计算平衡重质量。 8参考文献。 [1] 发动机设计.（教材） [2]柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册（上册）.北京： 中国农业机械出版社.1984 [3] 周龙保.内燃机学.第二版.北京：机械工业出版社.2005 [4] 陈家瑞等.汽车构造.第五版.北京：人民交通出版社.2005 [5]工程热力学/华自强等编.-4版-北京：高等教育出版社，2009.11