内燃机设计教案.doc

青岛工学院教 案20 15 20 16 学年第 2 学期所 在 学 院： 机电工程学院 教研室(实验室)： 能源与动力工程 课 程 名 称： 内燃机设计 授 课 教 师： 董吉凯 授 课 班 级： 2013级能源与动力工程（1）班 使 用 教 材： 袁兆成编著内燃机设计第2版 审 查 人(签字)： 青岛工学院教务处制 内燃机设计 课程教案授课时间2016年3 月8日 第 1 周 周 二 第 7、8 节2016年3 月11日 第 1 周 周 五 第 5、6 节授课章节第一章 内燃机设计总论教学目的、要求1、掌握内燃机设计的一般思路2、熟悉研制内燃机的一般流程教学重点及难点发动机的主要参数选择。 教学方法及手段 多媒体教学教学内容及过程一、 内燃机设计的一般流程1、计划阶段 此阶段由下述环节组成：1）确定任务 主要是根据市场需要和法规需要 (进行必要性、可行性论证)，这个环节应该是企业产品规划中确定的，有长期规划，也有短期规划。 2）组织设计组根据任务挑选合适人选。3）调查研究a 访问市场和用户，征求对产品的要求；b 了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况；c 收集同类先进产品的资料，考察同类产品；d 确定参考样机。教学内容及过程4）确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。主要是通过: 同类型机型对比、热力学计算、动力学计算和整机一维模型仿真分析。5)拟订设计任务书2、设计实施阶段 1)内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案、2)按照企业标准编制零部件图纸目录。3)部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。3、检验阶段1) 试制多缸机样机2) 多缸机试验（磨合、调整、性能试验、耐久试验、可靠性试验、配套试验和扩大用户试验）3) 改进与处理阶段4)内燃机设计的“三化”4、改进与处理阶段1)样机鉴定与改进. 2)小批量生产和扩大用户试验二、内燃机的主要设计指标 1、动力性指标 1） 功率Pe2）转速 n n 增加 对提高 Pe有利，但是转速增加后：惯性力 ，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；工作频率增加热负荷增加；摩擦损失增加，导致 m 下降、ge 升高、磨损加剧，寿命缩短； 进排气系统阻力增加 ，使v 变小； 3）最大扭矩教学内容及过程2、经济性指标1）燃油消耗率 ge (克/千瓦小时)2）机油消耗率 gm (克/千瓦小时)3）耐久性、可靠性指标 可靠性在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。 耐久性从开始使用起到大修期的时间。4、重量、尺寸、外形指标是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。比重量 gw=G/Pe(kg/kw)；体积功率 Pv=Pe/V(kw/m3) 5、低公害指标6、制造、使用、维护指标三 、内燃机的选型1、柴油机、汽油机或气体燃料发动机现在广泛使用的内燃机主要是柴油机、汽油机和气体燃料发动机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选择什么内燃机。 从两方面考虑 内燃机本身的技术经济特点和市场需求。 地区或国家对环境和能源应用分布的要求。2、冲程四冲程：使用可靠，工作柔和，耐磨，经济性好，指标稳定，生 产、使用经验丰富；二冲程：单位时间内工作循环多一倍，实际功率输出大5070%，体积小，重量轻，结构简单，但经济性差。教学内容及过程3、冷却形式 水冷： 1) 冷却均匀效果好；2)v 大，pe大； 3)受外界影响小; 4)噪音低. 风冷： 1)散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大；2)可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂； 3)噪音大，因为无水套吸音； 4)铸造困难； 5)冷却系结构简单，无漏水； 6)单体结构，维修成本低。4、气缸的布置主要由发动机的使用环境决定。单列：结构简单，使用维修方便。双列：在增加功率，提高车厢面积有效利用要求下，趋向采用双列，双列有V型、错缸型（缸心线平行和缸心线不平行两种）卧式：可布置在底盘中部或后部，大幅度降低高度，改善面积利用率，开阔视野，提高了操纵性、机动性。 四、内燃机主要参数的选择1、平均有效压力 pme 2、活塞平均速度3、气缸直径和缸数4、行程S五、节发动机设计的发展1、目前广泛采用2、 现代设计方法作业布置教材P25 1-1、1-4课后小结参考资料 内燃机设计 课程教案授课时间2016年3 月15日 第 2 周 周 二 第 7、8 节2016年3 月18日 第 2 周 周 五 第 5、6 节授课章节第二章 曲柄连杆机构受力分析教学目的、要求1. 掌握掌握内燃机承受机械力分析方法和思路。2. 熟悉内燃机活塞的运动规律，曲柄连杆机构受力分析。3. 了解轴承和轴颈载荷图。教学重点及难点重点：内燃机曲柄连杆机构受力分析。 难点：内燃机承受机械力分析方法和思路。教学方法及手段 多媒体教学教学内容及过程一、 曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学) 1、简述 机构的作用： 活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动活塞上的力转化为曲轴上的扭矩。 2、中心曲柄连杆机构的运动规律 活塞的位移表示为教学内容及过程 活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，既活塞的运动是复谐运动。2、 曲柄连杆机构中的作用力 1、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系 作用力分为： 气压力Fg 惯性力往(复惯性力Fj、旋转惯性力Fr） 合成力 F=Fj+Fg上式说明，永远存在一个与输出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩。 2、气压力的作用效果 气压力Fg在机体内部平衡掉，对外没有自由力，只有扭矩输出和翻倒力矩 3、往复惯性力 1）机构运动件的质量换算换算原则：保持当量系统与原机构动力学等效。2）曲柄连杆机构中的惯性力 惯性力与运动质量有关，该机构中的运动质量有往复运动质量 教学内容及过程 旋转运动质量 往复惯性力 4、往复惯性力和气压力作用的差别 1）气压力Fg 是做功的动力，产生输出扭矩。2）气压力Fg 在机体内部平衡，没有自由力。Fj 没有平衡，有自由力产生，是发动机纵向振动的根源。 3）Fj 所占区域长，总是存在，正负面积相等；Fg 呈脉冲性。 5、曲柄连杆机构中力的计算（动力计算） 合成力 F=Fj+Fg 侧向力 FNFtg 连杆力 切向力径向力 单缸扭矩 翻倒力矩 6、多缸机扭矩（动力计算） 1.）连杆轴颈扭矩 第一主轴颈所受扭矩 M0,1=0，第二主轴颈所受扭矩 M1,2=M1()第三主轴颈所受扭矩 M2,3= M1,2+M1（240）第四主轴颈所受扭矩 M3,4= M2,3+ M1（480） 第五主轴颈所受扭矩 M4,5= M3,4+ M1（120） 第六主轴颈所受扭矩 M5,6= M4,5+ M1（600） 第七主轴颈所受扭矩 M6,7= M5,6+ M1（360） 教学内容及过程2）连杆轴颈扭矩根据扭矩向后传递的原则，Mgi应该是前一个主轴颈上的积累扭矩Mzi与作用在本曲柄销上的切向力所引起单缸扭矩的一半之和。 3）平均扭矩4）输出扭矩的均匀性 一般以标定工况评价扭矩不均匀系数 增加气缸数、点火均匀、组件分组、增加飞轮惯量等均可减小扭矩不均匀性。 7、发动机对支承的作用力 8、曲轴轴颈和轴承的负荷 作业布置教材P42 2-1、2-9课后小结参考资料 内燃机设计 课程教案授课时间2016年3 月22日 第 3 周 周 二 第 7、8 节2016年3 月25日 第 3 周 周 五 第 5、6 节授课章节第三章 内燃机的平衡 教学目的、要求1.掌握掌握平衡分析方法和平衡方法。 2.熟悉曲轴轴系平衡块的布置。3.了解辅助平衡机构的设计。 教学重点及难点重点：平衡分析方法难点：平衡分析方法和平衡方法。 教学方法及手段 多媒体教学教学内容及过程一、 平衡的基本概念 1、平衡的定义 当内燃机在稳定工况运转时如果传给支承的作用力的大小和方向均不随时间而变化，则我们就称此内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。 2、内燃机振动的原因 工作过程的周期性：发动机扭矩是周期性变化的。 机件运动的周期性：旋转惯性力、往复惯性力是周期性变化的。 3、不平衡的危害 引起车辆的振动，影响乘员的舒适性、驾驶的平顺性。 固定式内燃机的振动，会缩短基础或建筑物的寿命。 产生振动噪音、消耗能量、降低机器的总效率。 引起紧固连接件的松动或过载、引起相关仪器和设备的异常损坏。 4、研究平衡的目的和采用的方法 通过内燃机平衡性的分析，为分析和选型提供依据。 寻求改善平衡性的措施，这些措施一般包括： 采用适当的气缸数、气缸排列和曲拐布置；加适当的平衡重；用适当的平衡机构。 方法主要包括：1解析法2图解法教学内容及过程2、 旋转惯性力的分析 旋转质量 旋转惯性力 1、静平衡和动平衡 静平衡 质心在旋转轴上 动平衡 2、旋转惯性力平衡分析 1）单拐曲轴 为使动平衡： 2）三拐曲轴（132，四冲程或二冲程) 作曲柄侧视图及轴侧图 图解法 整体平衡方法 3. 四拐曲轴 四拐空间（二冲程发动机）曲轴离心力分析 教学内容及过程 空间曲轴的离心力自然平衡，有不平衡的离心力矩 4. 六拐曲轴 六拐曲轴的平衡性很好，但是也存在内弯矩和轴承负荷问题。因此六拐曲轴也要合理布置平衡重。方案有如图所示几种。 往复惯性力 三、单列式内燃机往复惯性力的平衡分析 1、几个基本概念 1）往复惯性力可以用旋转矢量表示为 2）往复惯性力始终沿气缸轴线作用，大小和方向按简谐规律变化，力矩总是作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内。 2、单缸机往复惯性力的平衡分析 都没有平衡，需要采取平衡措施。 教学内容及过程 1）双轴平衡法 对于一阶惯性力，用两根平衡轴四个平衡重(或两个)，平衡关系为： 对于二阶往复惯性力采用类似方法 2）过量平衡法（01） 从中消去得到12121212a曲柄侧视图曲轴布置图一阶曲柄图二阶曲柄图当过量平衡率=0.5时，合力矢量变成一个常数。3、多缸机往复惯性力平衡分析单列式两缸机（发火顺序121，四冲程是不均匀发火） 图解法 整体平衡法 双轴平衡法 2）连杆轴颈扭矩根据扭矩向后传递的原则，Mgi应该是前一个主轴颈上的积累扭矩Mzi与作用在本曲柄销上的切向力所引起单缸扭矩的一半之和。 3）平均扭矩4）输出扭矩的均匀性 一般以标定工况评价扭矩不均匀系数 增加气缸数、点火均匀、组件分组、增加飞轮惯量等均可减小扭矩不均匀性。 7、发动机对支承的作用力 8、曲轴轴颈和轴承的负荷 更好的曲轴布置应该是360度曲拐夹角。此时发火均匀，可采用双轴机构平衡，也可以采用平衡活塞的方法平衡。四、双列式内燃机往复惯性力的分析 1、V型两缸机平衡分析 1）离心惯性力的分析 2）一阶往复惯性力的平衡分析 3）二阶惯性力平衡性分析 2、V型多缸机平衡性分析 例：V型八缸机（V-8）平衡性分析 V型八缸机用空间曲轴的较多，分析一阶往复惯性力和力矩，先将其看成四台V2机，90时，每台V2机的FjC = 四台V-2机的Rj构成一个离心力系，按照与二行程四缸机一样的分析方法： 因为，各拐原离心力所构成的离心力矩为 所以，在采用整体平衡法时有 分析二阶往复惯性力和力矩，先看成两台空间曲轴的四缸机 直列空间曲轴四缸机的二阶往复惯性力和力矩都等于零 两台四缸机的二阶往复惯性力和力矩也都为零，即V8机的二阶往复惯性力和力矩都为零。作业布置教材P81 3-1、3-9课后小结参考资料 机械设计基础 课程教案授课时间2016年3 月 10 日 第 1 周 周 四 第 9、10 节授课章节第一章 平面机构的自由度和速度分析1-1 运动副及其分类1-2 平面机构运动简图教学目的、要求1.了解机构组成原理2.理解自由度、运动副、约束的概念及三者的关系教学重点及难点1、重点平面机构的运动简图的绘制。2、难点绘制简图时构件及运动副的准确表示。教学方法及手段 多媒体教学教学内容及过程一、机构的组成1、运动副运动副：两构件直接接触并能保持一定形式的相对运动的联接称为运动副。1、 高副2、低副 两构件通过面接触组成的运动副称为低副。平面低副可分为转动副和移动副。教学内容及过程2、自由度和运动副的约束1、构件的自由度平面内自由的构件，有3个自由度，而空间内自由的构件，有6个自由度。 2、运动副的约束3、运动链和机构两个以上的构件以运动副联接而构成的系统称为运动链。机构是由主动件、从动件和机架三部分组成的。 二、平面机构的运动简图1、构件的表示方法1）构件（1）参与形成两个运动副的构件 （2）参与形成多个运动副的构件 2）转动副构件组成转动副时，其表示方法如图。3、移动副两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。4、平面高副2、 机构运动简图的绘制步骤3）移动副两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。4）平面高副2、 机构运动简图的绘制步骤作业布置1、平面机构中若引入一个高副将带入( )个约束，而引入一个低副将带入( )个约束。约束数与自由度数的关系是( )。2、两个做平面平行运动的构件之间为( )接触的运动副称为低副；而为( )或( )接触的运动副称为高副。课后小结1. 运动副及其分类2. 平面机构的运动简图参考资料 机械设计基础 课程教案授课时间2016年3 月 15 日 第 2 周 周 二 第 1、2 节2016年3 月 17 日 第 2 周 周 四 第 9、10 节授课章节1-3 平面机构的自由度1-4 速度瞬心及其在机构速度分析上的应用第二章 平面连杆机构 2-1 平面四杆机构的基本类型及应用教学目的、要求1. 能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束。2. 能准确判断具体实例属于哪种平面四杆机构类型。教学重点及难点1、重点平面机构的自由度的计算。2、难点平面四杆机构类型的判断。教学方法及手段 多媒体教学教学内容及过程一、平面机构的自由度1、平面机构自由度计算公式机构的自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。若某机构由N个构件组成，除去机架，机构中共有n=N1个活动件。构件在连接之前，全部活动件共有3n个自由度。而联接后，构件的自由度由于运动副的约束而减少。设在机构中有PL个低副，PH个高副，则该机构全部运动副的约束教学内容及过程数目共有2PL+PH个。则机构自由度F3n2PLPH2、机构具有确定相对运动的条件机构具有确定运动的条件：原动件数目W应等于机构的自由度F。即WF3n2PLPH原动件数自由度数，机构无确定运动 原动件数自由度数，机构在薄弱处损坏 3、计算机构自由度时应注意的事项1）复合铰链 定义：若两个以上的构件在同一处组成几个转动副，且各转动副轴线重合，则称该处联接为复合铰链。计算自由度时，若复合铰链由m个构件组成，则联接处有(m1)个转动副。2）局部自由度 定义：机构中某些构件所具有的不影响其余构件运动的自由度，称为局部自由度。计算机构自由度时，应将局部自由度除去不计。3、移动副两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。4、平面高副2、 机构运动简图的绘