发动机设计重点李林玉制.doc

第一章 内燃机的设计要求、设计指标与一般设计方法1、标定功率：十五分钟功率：指内燃机允许连续运转十五分钟的最大有效功率。适用于汽车 一小时功率：适用于工业拖拉机十二小时功率：适用于农业拖拉机持续功率：指内燃机允许长期连续运转的最大有效功率。适用于船舶2、标定转速和活塞平均速度提高内燃机的标定转速和活塞平均速度是提高内燃机单位体积功率的有效措施之一。随着转速的提高，单位时间内气缸所完成的工作循环次数增加了，这会使零件的受热程度加剧，而且噪声增大。随着活塞平均速度的增加，作用于曲柄连杆机构零件的惯性力增加，加速磨损，特别是活塞环和汽缸套的磨损加剧，这将缩短使用寿命。此外，由于提高了配气机构中的气流速度而增加了阻力。因此，在结构设计中，经常用活塞平均速度作为指标。3、平均有效压力与哪些因素有关：混合气形成的方法、燃料的种类、混合气形成的过程、燃烧过程和换气过程的质量、机械效率、进气压力和温度以及内燃机的冷却方式、冲程数有关。4、燃油消耗率：以标定工况时每千瓦有效功率每小时所消耗的燃油的克数作为衡量指标。5、机油消耗率：以内燃机在标定工况时每千瓦小时所消耗的机油的克数来表示。第二章 内燃机的总体设计1、 在样机施工设计中，总体设计的任务是：根据先期研究工作的结果，修正设计进一步协调和解决各零部件和辅助系统在空间位置上的矛盾，保证内燃机各零部件在安装和运转时不发生相互干涉的情况。详细检查内燃机拆装和维修的可能性和方便性，并设计必须的专用工具。绘制内燃机的正式总体布置图，包括纵横剖面图、前后端视图、左右侧视图、俯视图与安装图等，确定外形尺寸，完成各项详细的技术文件。2、必须注意在总体设计中，一定要充分考虑到：产品系列化、零部件通用化、零件标准化。（三化问题）3、内燃机的主要结构参数：活塞行程S与汽缸直径D的比值S/D曲柄半径R与连杆长度L的比值，=R/L气缸中心距L0与气缸直径D的比值L0/D对于V形内燃机还包括气缸夹角4、活塞直径与汽缸直径之比S/D，采用较小比的优缺点：优点：提高升功率可减少内燃机外形尺寸并相应的减轻重量曲柄半径减小，刚度增加，应力状态改善，连杆短一些，这对其强度和刚度都有利 由于气门通道的加大还可能改善进气条件，气缸直径D增大，气道与配气机构安排较容易缺点：由于气缸直径的增大，热负荷、机械负荷和噪声都加大 对于一般直列式、卧式内燃机来说其长度将增大较小S/D值对燃烧室设计不利，对二冲程，其换气品质变坏5、 曲柄半径R与活塞行程S有关。R=S/26、确定连杆长度L考虑一下几点因素：活塞在下止点时，群部不应与平衡重相碰活塞在上止点时，曲柄臂不应与气缸套下部相碰。连杆在气缸套内摆动时，连杆套不应与气缸套下部相碰。7、气缸中心距L0的大小与下列因素有关：气缸盖的型式(整体式、分体式和单体式)、气缸套型式(整体式、干式和湿式）、单列式和V型、水冷式或风冷式以及曲轴的结构型式及各部位的尺寸。8、总体布置的具体内容有哪些？答：根据初步确定的主要零部件的结构型式及轮廓尺寸布置，绘制必要视图及运动轨迹图，发现问题并给予解决。初步选定的辅助系统型式及主要机件轮廓尺寸，确定其位置合理性确定内燃机零部件、系统及其机件的布置和外形尺寸，绘制一套完整的内燃机剖图和外形图。对系列化产品的总体布置还应进行变型系列的产品布置，完成剖图及外形图第三章 内燃机零件的强度计算基础1、清楚零件强度计算过程：（P31） 通过零件结构、尺寸及所承受负荷及转速大小，由零件强度计算得到危险点附近的应力幅、平均应力和应力梯度，结合工艺特点和材料性能数据，按疲劳强度考核判定是否具有足够的安全系数，如果达不到，通过改进零件结构与尺寸或更换材料进行强化，若达到，则通过试制、实际考核到最后定型。2、内燃机强度计算评定时，应选择的工况：标定转速n和标定功率N计算工况最大扭矩Memax计算工况调速器所允许的最高转速工况3、极限应力图（P34)4、应力强度分布曲线的相互关系，应力强度干涉模型（P28)第四章 活塞组1、活塞各部分组成及其作用（图P42）活塞头部：包括活塞顶、顶岸（火力岸）、活塞环带。承受气体压力，接受高温气体的作用，保证工作容积的密封性。活塞裙部：起导向作用并承受侧作用力活塞销座：销座中安装活塞销。活塞通过销座将气体作用力、惯性力通过活塞销传递给连杆2、为了降低活塞销座的应力和负荷，采用下列结构措施：销座与顶部连接处设置加强筋可增加销座刚度将销孔内缘加工成圆角或倒棱，或将销座内侧上加工出一个弹性凹槽。将销孔中心相对销座外圆下偏心34mm，使销座的厚度上面比下面大些，以加强销座承压强度 将销座间距B值缩小，以减小活塞销的弯曲铸铝活塞的销孔中压入锻铝合金的衬套，可提高抗裂纹能力3、活塞裙部工作时如何变形以及设计的形状：（P48) 工作时活塞裙部在活塞销中心线方向增大，在垂直方向减小。所以设计时，裙部的横断面通常做成椭圆形，长轴垂直于活塞销中心线。 由于裙部温度呈内凹形分布，其变形也呈内凹形，内凹形使活塞仅在裙部上下边缘处与汽缸内壁接触，易造成擦伤。解决内凹形最理想的裙部形状是中凸形，可适应温度分布，避免了尖角负荷，并能保证裙部有良好的润滑条件和较高的承载能力4、针对不同活塞，采用什么样的冷却方式：活塞单位面积功率0.44KW/cm2时，自由冷却喷射方式。0.44KW/cm2时，必须采用具有内冷油腔的强制冷却。5、冷却油腔成形方法（工艺）：铜管腐蚀法、可溶性盐芯法、电子束焊接法。6、活塞计算内容：（P53）第一环岸的强度（最大气体爆发压力Pgmax时的剪切与弯曲强度）、裙部及销座的单位压力。7、活塞销的计算：活塞销表面比压活塞销弯曲应力 活塞销的剪应力活塞销的最大变形及变形后的应力。8、活塞环强度计算：活塞环工作时的强度计算，因剪力与轴向力影响较小，则只计算弯矩。工作状态下的弯曲应力 套装应力第五章 连杆组1、采用什么样的结构措施，可提高连杆小头的强度？答：在增压柴油机上，为增大小头下表面的文承面积，将小头做成梯形或阶梯形。在有的强化柴油机上，将连杆小头顶部的厚度做的大于两侧的厚度，以利于增大小头的整体刚度。连杆小头与杆身过渡处采用双圆过渡，应力峰值就低很多2、采用什么样的结构措施，可提高连杆杆身的强度？答：为保证在较小的连杆重量下有较大的刚度和强度，高速内燃机的连杆杆身断面都做成“工”字形。 为使连杆杆身受力均匀，杆身断面通常由小头至大头逐渐增大3、连杆大头采用什么样的结构措施，满足体积小的情况提高的强度？ 答：为避免过大应力集中，从杆身到大头的过渡应尽可能圆滑，连杆螺栓支承面到打头的过渡处不应采用尖角，宜选用较大的过渡半径和沉割槽 采用斜切口有利于减小连杆螺钉承受的拉伸负荷大头盖上采用加强筋4、连杆材料：由于连杆承受带冲击性的交变作用力，连杆的材料必须具有较高的疲劳强度和冲击韧性，一般采用中碳钢或合金钢来制造5、为了提高连杆的疲劳强度，可采用什么样的强化工艺措施？ 答：对于锻钢连杆应选择适当的热处理规范：采用表面喷丸处理可显著提高连杆的疲劳强度；对于合金钢连杆，可通过抛光来减小它的粗糙度，从而达到提高疲劳强度的目的。6、连杆小头强度计算：衬套过盈配合的预紧力及温升产生的应力最大惯性力引起的应力最大压缩力引起的应力连杆小头的疲劳安全系数连杆小头的变形计算7、连杆杆身的强度计算：最大拉伸应力杆身的压缩-纵向弯曲应力连杆杆身的安全系数第六章 曲轴组与轴承1、曲柄臂与轴颈过渡部分应怎样设计？答：在轴颈与曲柄臂的交界处，常设计有一个0.251mm的台阶，以便精磨轴颈和圆角时砂轮不与曲柄臂相碰。在曲柄臂与轴颈的连接处，为了减小应力集中，提高疲劳强度，常采用圆角过渡。过渡圆角半径的增大与表面光洁程度的提高，是增加曲轴疲劳强度的有效措施。2、润滑油通道布置有什么优缺点：答：斜线油道，优点：结构最简单；缺点：曲柄臂与轴颈过渡处被削弱，降低了曲轴的强度，油道与轴颈的表面交线呈椭圆形，斜角 愈大椭圆度愈大，油孔边缘处的应力集中就愈严重，斜线油孔加工工艺愈复杂。 直角多线油道，优点：油孔是圆形的对曲轴圆角部位强度影响较小；缺点：加工复杂，并要加堵头。3、平衡重设计原则：应尽量不增加内燃机的尺寸，尽量少地增加重量平衡重的重心应尽量离曲轴中心远些。平衡重具体布置时，在径向要防止其旋转时与曲轴箱等发生干涉，也不应与活塞相碰采用滚动轴承时，平衡重的径向尺寸还必须小于滚柱的外圆平衡重的厚度，应使连杆能够从两个平衡重之间的空隙中通过4、曲轴毛坯制造时，应采取什么工艺措施： 答：曲轴常用材料根据其毛坯制造方法的不同分成两大类：锻造曲轴材料和铸造曲轴材料 合金钢的疲劳强度高，缺点是对应力集中敏感性大，因此，对机械加工要求高，采取全加工并抛光措施来提高抗应力集中的能力；球墨铸铁价格低，对应力集中不敏感，在性能上通过加入合金元素、热处理和表面强化措施，球墨铸铁曲轴性能的提高也比其他铸铁曲轴大得多。 锻造曲轴可采用自由锻、模锻和镦锻。自由锻可用较小设备生产大型曲轴，但效率低，加工余量大，仅用于小量生产；模锻虽有较高生产率，但需要具备一套较贵的锻模和较大的锻压设备；镦锻可节约大量的金属材料和机械加工工时，所制毛坯金属纤维连续分布，有利于充分发挥材料的强度 锻造和铸造的曲轴，一般要经过热处理，轴经部分还要经过加硬处理（淬火、渗碳、渗氮）和研磨等。5、曲轴疲劳强度计算考虑的内容和步骤：根据作用在曲轴上的最大载荷和最小载荷计算出它的最大应力和最小应力，进一步得出交变应力幅值和平均应力值，再根据曲轴材料的疲劳极限，求出曲轴的安全系数，看其是否咋允许范围内。计算曲轴的弯曲应力的两种方法：1、分段法：是通过主轴颈中点并垂直于曲轴中心线的若干平面将曲轴分成许多段，然后把每段曲轴当做一个绝对刚性的简支梁来计算2、连续梁法：是将曲轴系统用一个多支承的直梁来代替，简化时应保证当量连续梁的刚度在转化前、后曲柄支座截面的转角相等。6、轴心轨迹（定义）：是指轴颈在油膜压力、外负荷及及角速度的周期性变化中，轴心所绘出的一条封闭曲线。影响因素：结构参数（轴承的长径比、间隙），工作参数(负荷、转速）和润滑油的粘度。表示轴心轨迹的参数是偏心距e和偏心角 。荷氏法轴心轨迹计算步骤： 开始时，假定曲柄处于某一初始位置0，由它定出轴承负荷F及其方向，并假定此时的轴心位置为0和0 由公式算出无因次量系数SOD，Sor及方向角 由上述计算所得的值计算出和 算出曲柄转过后的新的轴心位置1和1，并有1=0+ 1=0+ 将上述1和1，作为新的起点（即令1=0，1=0）重复步骤，求另一个后的1和1，直至算完=720。若终点的终和终与初始假定的0和0基本闭合，则计算结束。若误差较大，则以终和终取代0和0重新计算。通过轴心轨迹图可说明：用作判断轴承是否实现液体润滑的依据用以分析轴承损坏的原因可为布置油孔、油槽寻找合适的位置可作为轴承优化设计的依据第七章 曲柄连杆机构的固定件1、运用曲柄连杆机构包络线如何设计机体？（P128） 答：模拟连杆运动的情况，逐点画出连杆外形位置，最后画出这些位置的外包络线，即得出连杆运动轨迹的外包络线P。平衡重运动轨迹的外包络线，可以根据平衡重最外半径rp作圆Q求得。最紧凑的曲轴箱结构形状应该根据这些轨迹外包络线来考虑，考虑到零件的配合间隙、磨损情况、加工装配误差、变形及干涉等原因，曲轴箱内壁和加强筋应与上述外包络线之间应保留一定最小间隙。2、干式、湿式气缸套设计成什么样？上下端如何进行密封设计？（P137） 答：干套是一个薄壁套筒，气缸套上端做出凸肩或在气缸套下端装上弹性锁圈来定位，气缸套承压面也应该平整，否则拧紧气缸盖螺栓时也会引起气缸变形湿套的壁厚应保证气缸套有足够的强度尤其有足够刚度，以减小变形和振动，为安装方便，下凸缘直径应略小于上凸缘直径，凸肩外径要尽量小，以保证气缸中心距尽量小为保证湿套上端的的水封，在气缸套凸肩下加一紫铜垫片，或者凸肩接合面与气缸水套接合面采用磨合面；湿套下端的水封通常用24个耐热、耐油的橡胶密封圈来保证，密封槽的形状必须与密封圈不同，是密封圈产生了弹性变形而起密封作用。3、气缸盖结构形式：整体式、分体式、单体式、连体式。4、考虑气缸盖设计什么样的结构？（P147） 答：一般采用顶置气门，气门和气道都是布置在气缸盖中，燃烧室的布置则随燃烧室的型式而异。5、水腔设计原则：水流不应有死区，否则会使局部温度过高，也应防止水流短路，流进水腔的水应经过有组织的冷却后再从出水口流出。布置进水口位置与各股冷却水流时不应是其相互作用而形成很强的涡流。因为在涡流区易形成蒸汽，引起局部过热。布置进水口位置时，还必须注意与气缸盖螺栓孔或机油通道有适当距离，否则不易密封。气缸盖顶板应略有倾斜，出水口必须布置在最高处，以避免形成空气囊和蒸汽而影响散热。水腔最热部分不应太窄，否则就会有强烈的蒸汽产生，是水垢加速形成而堵塞通道。必须注意过分增加通道断面会使水的流速减低影响散热而是局部温度增加。6、汽缸盖衬垫种类和组成范围制造气缸盖衬垫基本材料有：金属，石棉，橡胶，塑料等。有以下几种型式：整片式硬铝衬垫、层叠式钢片衬垫、波纹式钢片衬垫、铜皮石棉衬垫、编织钢丝或金属骨架与石棉组成的衬垫等第八章 配气机构与驱动机构1、 时面值（定义）：常用开启断面积和开启时间的乘积来表示气门机构的通过能力，此即气门机构的时间段，简称“时面值”。（用来评判气门机构的通过能力）2、 丰满系数：气门通道的平均通过断面Fm对最大通过断面Fmax比值。公式：= =丰满系数越大越好，丰满系数的大小决定于气门升程曲线的形状，而气门升程曲线的形状则取决于凸轮外形的设计。 3、 圆弧凸轮5个参数的确定：基圆半径r0根据凸轮轴直径dt决定。凸轮作用角20决定于已选定的配气相位。挺住最大升程htmax决定于所要求的最大气门升程hqmax。选定顶弧半径r2。根据公式8-4确定r1。4、根据什么凸轮型线评价是好是坏？答：为使圆弧凸轮能可靠地工作，凸轮型线外形应连续圆滑，这就要求各段圆弧在交接点处有公切线或公法线，所以各几何参数之间有一定的约束。 凸轮型线连续圆滑的条件为：腹弧与顶弧的交点B、顶弧圆心O2、腹弧圆心O1，这三点应在一条直线上。5、气门落座速度增加，使气门磨损加剧，为解决此问题，除工作段外，还必须有缓冲段。通常做法是把理论基圆半径略微减小一个值，形成实际基圆，然后用过渡曲线把实际基圆与凸轮的整个工作段圆滑连接。 缓冲过渡曲线的设计包括：缓冲过渡曲线函数的选择，以及它所占的凸轮转角及最大升程。 缓冲过渡曲线的型式很多：等加速等速型，余弦型等6、气门实际升程怎样产生？答：随着内燃机向高速化发展，气门驱动零件的尺寸和重量都受到限制，使整个配气机构的刚度有很大的削弱，又由于高速引起的惯性力激起机构振动，产生了附加的振动负荷，是驱动机构产生动变形。这些因素使气门理论升程曲线与实际升程曲线差别更大。当实际升程小于理论升程时，气门驱动机构受到载荷的作用产生了压缩变形当实际升程大于理论升程时，气门驱动机构的传动链中出现了脱节。7、气门与气门座之间如何让设计的？（密封）： 答：较大的气门锥角有利于提高气门刚度，当气门落座时有良好的自位作用，而且气门与气门座之间座合压力较大，有利于传热和密封。气门锥角常采用45，在气门密封锥面上，真正其密封作用的是一条位于密封锥面中间的窄带，气门头部大部分热量是通过此窄带形成的座合面由气门座导出。座合面宽度一般为1.53.0mm，座合面要求连续，应进行涂色检查。8、凸轮轴相位角排列：控制各缸同名气门的凸轮相对位置，决定于气缸的排列、汽缸数和气缸的发火顺序。在单列式四冲程内燃机中，相应各缸同名气门凸轮顶点之间的夹角等于相应两缸着火间隔角的一半。9、为了改善凸轮与挺柱之间的接触状况，采取什么结构设计？答：对挺柱要求：必须保证工作面耐压、耐磨，以防止工作面早期拉毛、磨损、剥落 把挺住的接触面做成半径非常大的球面，其半径R=5001000mm，同时把凸轮做成锥度很小的锥角，这就使凸轮与挺柱的接触点偏离挺柱轴线，挺柱在工作过程中能绕其轴线微微转动，以求磨损均匀。 合理选定导向长度以及与挺柱座孔的配合间隙10、活塞与气门之间最小间隙的校验：利用曲线图。纵坐标为位移，以最上位置为零往下标出坐标：横坐标为曲轴转角。以横坐标的中点为0，往左右各取20曲轴转角，将活塞位移曲线画出，再将进排气门的位移曲线换算成曲轴转角画于同一图上。若两曲线相交或相切，则二者相碰撞，反之未碰撞。两曲线之间的最小距离表示气门与活塞之间的最小间隙。如果气门与活塞相碰，则应在活塞顶上开气门窝。11、驱动机构的传动型式及相应装置：（按驱动件类型划分）齿轮传动 采用圆柱齿轮或圆锥齿轮。凸轮轴下置，（1）直列式，采用圆柱形齿轮于曲轴齿轮相连；凸轮轴离曲轴较远，采用中间凸轮。（2）V形，圆柱凸轮驱动凸轮轴，由挺柱、推杆、摇臂驱动气门。 凸轮轴上置，采用锥形齿轮。V形，采用锥形齿轮传动时，通常用中间垂直轴或斜轴与铝形齿轮组成齿轮系，或者于圆柱齿轮组成综合传动。链传动 多用于内燃机附件较多或凸轮轴与曲轴距离较远时齿带传动 采用张紧轮皮带传动 因为不能保证准确的定时，所以用在毛衣相位要求的风扇、水泵或发电机的驱动上。第九章 进、排气系1、进、排气系的布置应注意什么问题？答：空气滤清器的安放位置要适当。尽量避免经过散热器等机件之后的热空气进入空气滤清器，以免热空气进入气缸。进气窗口到空气滤清器的阻力应小。进气窗口到排气窗口的距离应大些，以防止排出的废气进入空气滤清器。 空气滤清器应便于保养，保养的间隔期间应尽量长。2、良好的进排气系设计，应满足以下要求：答：进排气系的布置应紧凑，尽量减小它在车辆内所占的空间进排气系的管道等内阻力应尽量小，以使内燃机由于进排气系阻力而造成的功率损失减至最小。工作可靠，其中空气滤清器的保养应方便。进排气的噪声与排放污染应尽量低。4、 空气滤清器的评定指标：流量阻力特性：也称液力特性，是指通过空气滤清器的空气流量与阻力的关系。效率特性：是指滤清器滤除杂质能力的大小，通常是以滤清效率（单位时间被滤清器滤除空气中的杂质与随空气进入滤清器杂质的比值）来表示。寿命特性：通常是以滤清器从开始使用到滤芯逐渐堵塞致使阻力增大到某一极限值，或滤清效率下降到某一极限值时，需要对其进行清洗保养或更换滤芯，已恢复其功能的这一段时间来表征。这一段时间通常称为保养周期或一次使用寿命。第十一章 润滑系1、润滑系布置有一下几种方式，及对应用在什么发动机：（1） 无机油散热器全流滤清式 （2） 无机油散热器分流滤清式（3） 机油散热器与主油道串联式（4） 机油散热器与主油道并联式（5） 机油散热器与主油道各位独立油路式第一、二种没有机油散热器，用于小功率发动机。第三、四、五种有机油散热器，用于大中功率发动机。2、润滑系主要设计参数及计算顺序：循环油量： 指单位时间内流过主油道的机油量，它取决于从内燃机传给机油的热量Q机油泵的供油量： 机油泵的供油量的选定，还要考虑具体的生产情况：（1）根据已生产的机油泵系列选取，一般均选取供油量偏大的（2）靠旅）考虑本系列内燃机机油泵的互换性（3）考虑生产不同系列的内燃机时的互换性相通用性而采用同一机油泵。供油压力及温度： 为了保证润滑部位得到所必须的机油量，在主油道内必须具有一定的机油压力。 为了保证轴承等摩擦零件良好的工作，还必须控制机油的温度。储油量： 为使内燃机在足够长的时间里能可靠的工作，润滑系中在下曲轴箱或机油箱中的储油量除了考虑机油滤清器、机油散热器、管道等机件的容量外，还要考虑下一次保养前机油消耗量，并有一定的