发动机设计说明书1

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I目 录1 总体布局，结构特点以及选用原则系统分析 11.1 发动机设计总体一般要求 .11.2 立式直列水冷四冲程柴油机的特点 .12 标定工况（最大功率）工作过程及热力计算和示功图绘制 12.1 热力计算 12.1.1 热力计算的目的 .12.1.2 热力计算方法 .22.2 重要参数选取 .22.1.1 压缩比 22.1.2 过量空气系数 22.1.3 残余废气系数 22.1.4 进气温升和残余废气温度 22.1.5 热量利用系数 22.1.6 示功图丰满系数 22.1.7 机械效率 22.1.8 平均多变压缩指数 22.1.9 平均多变膨胀指数 22.2 燃料燃烧化学计算 .22.2.1 理论空气量的计算 22.2.2 理论分子变化系数 .22.2.3 实际分子变化系数 32.3 燃气过程参数的确定与计算 32.3.1 压缩始点的气体状态 32.3.2 压缩终点的气体状态 32.3.3 燃烧过程及燃烧终点气体状态 42.3.4 膨胀终点气体状态 52.3.5 示功图的绘制 52.4 发动机性能参数 62.4.1 平均指示压力 .62.4.2 平均有效压力： 62.4.3 有效功率： 62.4.4 充量系数的计算 72.4.5 指示热效率 72.4.6 燃油消耗率： 72.4.7 发动机总进气量 73、活塞位移、活塞侧击力、加速度随曲轴转角变化曲线 73.1 活塞随曲轴转角的位移图 7II3.2 活塞速度随曲轴转角的变化曲线 .83.3 活塞加速度随曲轴转角的变化曲线 .94、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、主轴颈负荷图 114.1 气缸压力随曲轴转角变化曲线 .114.2 气缸侧击力和连杆力随曲轴转角的变化曲线 124.3 曲柄销处收到离心力和连杆力的合力 .134.4 第一主轴颈直角坐标及极坐标负荷图 .144.5 第二主轴颈极坐标负荷图 154.6 各缸转矩图 165 曲轴设计及强度校核 175.1 参数选取 .175.1.1 主轴颈 175.1.2 曲柄销 175.1.3 曲柄臂 175.2 强度计算 .175.2.1 圆角面 195.2.2 油孔所在中心平面 225.3 疲劳安全系数的计算 .245.3.1 判断危险点 .245.3.2 材料选择及其疲劳极限 .245.3.3 油孔边缘处应力 255.3.4 循环特征 255.3.5 安全系数 255.3.6 综合安全系数 266 曲轴平衡性分析 .266.1 平衡性分析及平衡措施 266.2 平衡计算 267 总结。 278 参考文献。 .28第 1 页课 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。第 2 页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 =17.52.1.2 过量空气系数 =1.452.1.3 残余废气系数 r=0.032.1.4 进气温升和残余废气温度 T=20 r=950K2.1.5 热量利用系数 =0.82.1.6 示功图丰满系数 f=0.952.1.7 机械效率 =0.84m2.1.8 平均多变压缩指数 =1.361n2.1.9 平均多变膨胀指数 =1.2622.2 燃料燃烧化学计算2.2.1 理论空气量的计算第 3 页= + - )L10.21(12 4 32= + - )= + - )=0.494(kgkcal/kg)L10.21(12 4 32 10.21(0.8712 0.1264 0.0432 =0.494(kgkcaLl/kg)换算成重量：L=28.96 L= 28.960.494=14.32.2.2 理论分子变化系数=1 + 0.066=1 + =1.04 0.066 =1.04 2.2.3 实际分子变化系数= +1+= = 1.043 +1+ 1.05+0.051+0.05 = 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 ：=+1+当为非增压时 = 非增压四冲程柴油机： 取=10 20； =700 800；=15k， 750k = 20k750k=残余废气系数 =0.030.06 ，取 =0.03 =0.03= 325.7282K=+1+ 325.7282K=第 4 页压缩始点时的压强：=(0.0900.098) Pa=0.998.39=88.551KPa Pa=88.551KPa2.3.2 压缩终点的气体状态压缩终点的温度： 1=1.35=912K=11912K=压缩终点的压力：=4342KPa=14342KPa=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：=Pz/Pc=1.84,取 =1.8 =1.8燃烧终点的温度：= =1642.9KTyc 1642.9yTKHu=42500kj/kg=10153kcal/kg假定所求温度 ，由表 3-3 和 3-4 得：=1800(2)=8.618， ()=7.264(1)=()+(2)1+ ( )1()7.532pmuc0M.L第 5 页= 1(2) 1(1+)+(1)+1.986( 1)+524( )=2097K 2097ztK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：2438.579104hDVSm 438.57910hVm=1= 53.90mV= 53.536.920zczdTVu 536.9210zVm初期膨胀比： 1.3zcV 1.3786zPKpa zP786Kpa2.3.4 膨胀终点气体状态=()2=()2=()21=()21对于柴油机 取 =1.262=1.22 1.32;2=335KPa()nbzp 35bpKPa=1089.8K21zT =1089.8KT2.3.5 示功图的绘制示功图绘制步骤：第 6 页上面已经算出 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：np定 值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：= 1 (1)+ 211()21 111(1 111)(/2)=8.8018, 换算成 880.18Kpa 80.1ipKa为 丰 满 系数，其 值约为 0.92 0.98取丰满系数为 =0.95836.17Kpapifi =836.17Kpaip2.4.2 平均有效压力：=702.38Kpaeim =702.38Kpae其中，机械效率为 =0.84。 第 7 页2.4.3 有效功率：=25.8372kw120ehpVnZP P=25.8372kw2.4.4 充量系数的计算=0.8336(1)ascpT 0.8336c2.4.5 指示热效率=0.414610.986iicuMpTH 0.4146i2.4.6 燃油消耗率：有效燃油消耗率：=243.21(g/kw.h)3601Heumb 234.21(g/ebkw.h)2.4.7 发动机总进气量四冲程发动机：= 60(/)空气气体常数 R=29.27(/)扫气系数 =1.0=0.0361 kg/s60shscspVZnGRT 0.0361(kGsg/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 (1cos)(1cos2)4xr第 8 页(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： (sini2)vr第 9 页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： 2(cos2)dvjrt第 10 页第 11 页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：,Hxgjhp,()tanHygjpN,2,222()()tanxHygjhgjpp第 12 页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： ,()tangjNp连杆力： cos()LxrBPSp第 13 页4.3 曲柄销处收到离心力和连杆力的合力 cos()QxyBrBPpSpKinYT2QxQy第 14 页4.4 第一主轴颈直角坐标及极坐标负荷图1(2)zxQxrqrpaPPc1zyQyapc1212()zzxzypp第 15 页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：11 111()cossin()i ii i izxQxrqiQyiii i ixrqiyibpppca1y11 1111()sincos()ii ii i izQxrqiQyiiii i ixrqiyiibpppca第 16 页4.6 各缸转矩图1M=iqypR第 17 页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 =42mm1d d1=70mm L1=41mm =42mm5.1.2 曲柄销直径 d2=62mm，长度 L2=36mm，d 2=30mm，偏心距 =4mm2ed2=62mm L2=36mm，d 2=30mm =4mme5.1.3 曲柄臂宽度 =114mm，厚度 =25.5mmbh b=114mm=25.5mmh第 18 页其中油孔直径为 6mm，轴颈过渡圆角 =5mm 油孔直径为6mm=5mm=13.5mm12=A（ d+） -R =13.5mm=A5.2 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 3-32-2 截面1-1 截面图中 11、22 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，33 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。第二次加上平衡第 19 页块平衡连杆大头，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； =64mm12iie12iif12iia=13.5mm， =25.5mm，圆角半径 r=5mm， =0。dRiih油孔位置角度 =65。 2656N12Cp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： ()() ()()111111cosii iibxpiixpiMReCfeRCfe扭矩： ()() ()ncoscosii ityiiy拉压力： ()()()()111csiiiixpixpN剪力： ()()()iiiyiyQRCR1-1、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。第 20 页第 21 页第 22 页1112()()coscosi ivvihhFbb221111()()()6i iibvvi hW211()cosith1-1、2-2 截面危险点应力：主轴颈圆角处：，=1111+1111=1111+1111曲柄销圆角处：=1111+1111=1111+1111主轴颈圆角处和曲柄销圆角处当量 应力变化曲线：2d3第 23 页5.2.2 油孔所在中心平面对于 3-3 截面弯矩： ()() ()()3011111cos)()cossin)sinii ibxpiiqbxpiMRaCafCeRaCaf扭矩： ()()()()()()1siniii iiqxypyRM抗弯截面系数：42W3bqxd抗扭截面系数42()16bqxd油孔边缘危险点应力：；30bqxMW()iqxt第 24 页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：2d3第 25 页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 =55.14Mpadmax 主轴颈圆角=55.14Mpadmax曲柄销圆角处最大当量应力 =35.19Mpadax 曲柄销圆角=35.19Mpadax油孔处的当量应力 =74.16Mpadmax 油孔截面=74.16Mpadmax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； maxmin =38.02Mpamax=-17.52Mpain=42.71MPa， =-18.95MPamaxmin =42.71MPamax=-18.95MPain5.3.2 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, =360Mpabs0=1=476Mpa, =180Mpa, =306Mpa.s1,02.475102.765 0.475165.3.3 油孔边缘处应力第 26 页=10.25MPa； =27.76MPamaxin1()2maxin1()2a10.25MPam27.76MPaa=11.87MPa； =30.83MPamaxin()maxin()a 11.87MPam30.83MPaa5.3.4 循环特征=-0.4607； =-0.4438minaxrminaxr -0.4607r-0.44381()()scsKr1()()s