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2100
柴油机
曲轴
设计
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2100柴油机曲轴系设计,2100,柴油机,曲轴,设计
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课程设计说明书曲柄销圆角强度的理论计算吴江平 3009201302热能与动力工程2班1. 2100T柴油机的基本参数：冲程数：4；缸径：100mm；气缸数：2；冲程：120mm；压缩比：16；额定功率：18.4kW；额定转速：2000r/min；比油耗：252g/(kWh)；排量：1.88L；曲轴旋转方式：逆时针；活塞平均速度：8m/s;冷却方式：水冷；起动方式：手起动；润滑方式：压力与飞溅复合式；整体尺寸：(长宽高)555 748 486(mm)；标定工况(18.4kW，2000r/min)下的温度：总管排气温度520，机油温度100，冷取水出水温度7080，进出水温度15；2. 整体结构特点：(1) 机体组：是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体；由机体、气缸盖、主轴承盖以及油底壳等组成。机体：灰铸铁；机体的前端有正时齿轮，后端为飞轮盖和盖板，左侧中间装有配气凸轮轴。机体的拱门上有主轴承座，轴承盖同螺栓紧固在轴承座上，曲轴后部装有甩油盘、飞轮壳；燃烧室：直喷式燃烧室；气缸盖：灰铸铁；气缸排列形式：直列式；气缸套：湿式，高磷铸铁；主轴承盖：灰铸铁；主轴承螺栓：钢40Cr；油底壳：湿式，铸铁；曲轴箱结构形式：龙门式；(2) 曲柄连杆机构：是发动机的主要运动机构，其公用是将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动，同时将作用与活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动车轮转动；由活塞组、连杆组和曲轴飞轮组组成，活塞组包括活塞、活塞环和活塞销等，连杆组包括连杆体、连杆螺栓、连杆小头衬套、连杆大头盖和连杆大头，曲轴飞轮组包括曲轴和飞轮等。活塞：铝合金，顶部浴盆形深坑；活塞环：合金铸铁；油环衬簧：钢65Mn；活塞销：中空，钢20Cr；连杆体：工字形断面；连杆小头：全浮式；连杆小头衬套：中间设有集油孔；连杆大头：斜切口，锯齿定位；连杆大头轴瓦：分开式，高锡铝合金；曲轴：合金球墨铸铁，前后油封；曲柄销：枣核型空腔；曲轴正时齿轮：钢45；主轴瓦：分开式，钢背高锡铝合金，下瓦不开油槽；飞轮：直径140mm，(3) 配气机构：是根据发动机每一气缸内进行的工作循环和发火次序的要求，定时的开启和关闭各气缸的进、排气门，以保证新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入气缸并把燃烧生成的废弃及时排出；由气门和气门传动组组成，气门组包括气门、气门导管、气门座和气门弹簧等，气门传动组包括凸轮轴、凸轮轴正时齿轮、挺住、推杆、摇臂和摇臂轴等。气门：平顶；气门导管：铁基粉末冶金；气门座：锥角45，4Cr9Si2；气门内弹簧：钢系3.50CrvA，弹簧展开长度616mm，左旋，有效卷数6.5，总卷数8.50.25气门外弹簧：钢系4.50CrvA，弹簧展开长度734mm，右旋，有效卷数5.25，总卷数7.50.25；凸轮轴：前端装有定距环(钢45)、止推垫片(钢45)，其轴向间隙为0.100.24mm；凸轮轴正时齿轮：钢45；挺柱：钢45，；推杆：钢45；摇臂：球墨铸铁；(4) 进排气系统：在发动机工作过程中，一方面要吸入可燃混合气或空气，另一方面必须把燃烧做功后的废气排出；进气系统包括空气滤清器和进气歧管，排气系统包括排气歧管和排气总管。进气总管：直径64mm，灰铸铁；进气歧管：直径40mm；排气总管：直径54mm，灰铸铁；无排气歧管；(5) 喷油系统：根据柴油机的要求，定时、定量的产生高压油，并按要求喷入燃烧室特定位置；由低压油路和高压油路组成。低压油路包括油箱、油水分离器、柴油滤清器和输油泵等，高压油路包括喷油泵、高压油路、调速器和喷油器等；喷油泵：柱塞式；喷油器：轴针式；(6) 润滑系统减少摩擦副的摩擦和磨损；带走摩擦生成的热量，起冷却作用；冲走铁屑等杂物；密封和防漏；由机油泵、油道、油管、集滤器、滤清器、散热器等组成。(7) 冷却系统使发动机在所有的工况都保持在适当的温度范围内；由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、机体和缸盖中的水套等组成。(8) 起动系统利用发动机以外的能源使发动机运转；起动方式：手起动。曲柄销圆角强度的理论计算具体计算过程【1】质量估算估算方法：仔细阅读图纸，假设工件为薄壁件，利用图纸中的尺寸计算出体积，与密度相乘后得出质量数值，并与其他组所绘制的三维图形进行比较。活塞和活塞销：活塞销：V活塞销=（r外径2-r内径2）h活塞销=（35*10-3/2）2（18*10-3/2）2* 84*10-3=5.9442*10-5m质量=密度*体积M活塞销=7.9*103*5.9442*10-5=0.4696 kg活塞：V活塞=*（99.4*10-3/2）2-（75*10-3/2）2*120*10-3+*（99.4*10-3/2）2*（99.4-89.4）*10-3=4.0106*10-4+7.7600*10-5= 4.7866*10-4 m质量=密度*体积M活塞=2.7*103*4.7866*10-4=1.2923 kgM= M活塞 +M活塞销 = 1.2923+0.4696= 1.7620 kg连杆V小环=*（49*10-3/2）2）（39*10-3/2）2*38*10-3=2.6264 *10-5 mV大环=*（49*10-3）2）（69*10-3/2）2*38*10-3=1.4454 *10-5 m工字钢高h1=20049/249=126.5 mmV工-中间=（12+15）/2*10-3*126.5*10-3*7*10-3=1.1954*10-5 mV工-两边=22*10-3*126.5*10-3*（2712）*10-3=4.1745*10-5 mV连杆= V小环+ V大环+ V工字钢=1.6592*10-4 mM连杆=1.7736 kgProE绘制三维模型中连杆的质量为1.8974 kg 误差为6.626%，从而得出结论：估算较为准确。【2】根据曲轴的ProE三维模型计算曲柄臂和平衡重质量，并获得质心位置曲柄臂的质量为m1=1.3689 kg r1= 39.649 mm平衡重的质量m2= 2.6156 kg r2=48.4075 mm连杆的质心位置位于连杆大头上方59.1mm处【3】离心惯性力的计算：转速2000r/min, w=209.44 rad/s连杆旋转质量离心惯性力：（近似计算时质量取连杆大头的质量）2/3M连杆*w2*R=1.1824*209.442*（59.1+60）*10-3= 6177.2537N= 629.88 kgf（1kgf=9.807N）曲柄臂的离心惯性力： m1* w2*r1=1.3689*209.442*39.649*10-3=2380.80N=242.77kgf平衡重离心惯性力：m2* w2*r2= 2.6156*209.442*48.4075*10-3= 5553.96N=566.327 kgf【4】利用GT-power模拟气缸压力的结果：缸内压力最大值：8.9644 Mpa，对应的曲轴转角为336。【5】结合图纸标注尺寸，计算出与曲轴相关的尺寸如下：参数数值（mm）曲柄销直径dp长度lp减重孔直径d1p减重孔偏心距e圆角半径rp65393834主轴颈直径dj长度 lj3减重孔直径d1j圆角半径rj7539434曲柄臂厚度h宽度b25.5116曲柄半径R轴颈重合度a1a2l1l2601019.521.562.566.5【6】受力分析：取其中一个曲柄销，利用分段法分析受力情况并计算，受力情况如图所示【7】利用Excel表格，结合模拟的气缸压力结果计算气体力、惯性力、竖直合力、侧向力、连杆力、切向力、径向力等（完整的表格附于附录中，此处仅展示部分结果）【8】绘制折线图：【9】曲柄销圆角强度计算按照内燃机设计（吉林大学版）中提供的方法：1. 支反力Rr(j-1)=1/L(pr-pp-pc)l2+pb1(L-a1-b1)+pb2(a2+b2)-Pa1(L-a1)-pa2a2Rrmax=1/12.9(6311.15-896.44-629.88)*6.65+566.33*(12.9-1.95)+566.33*2.15-242.77*(12.9-1.95)-242.77*2.15=2606.40 kgfRrmin=1/12.9(705.83-896.44-629.88)*6.65+566.33*2.15-242.77*(12.9-1.95)242.77*2.15=-1302.83 kgfRtj=l1*pt/LRtmax=62.5/()66.5+62.5)*2125.05=1029.59 kgfRtmin=62.5/()66.5+62.5)*-649.31=-314.59 kgf2. 曲柄平面内弯矩对曲柄臂计算截面重心的弯矩Mb1=Rr(j-1)a1 Mbmax=2606.40*1.95=5082.48 kgf.cmMbmin=-1302.83*1.95=-2540.52 kgf.cm3. 曲柄臂抗弯断面系数Zb=bh2/6Zb=11.6*2.552/6=12.57 cm34. 圆角弯曲名义应力n=Mb/Zbnmax=5083.48/12.57=404 kgf/cm2nmin=-2540.52/12.57=-202 kgf/cm25. 圆角弯曲应力幅和平均应力a=(max-min)/2=404-(-202)/2= 303 kgf/cm2m=(max+min)/2=404+-202)/2= 101 kgf/cm26.圆角承受的扭矩Mtpj= Mtj-RtjRMtpmax=204238-1029.59*6=198060.46 kgf.cmMtpmin=-60516.46-(-314.59)*6=-60516.46kgf.cm7. 曲柄销抗扭断面系数Zt=dp31-(d1/d)4/16=6.531-(38/65)4/16=47.62 cm38. 圆角名义切应力t=Mt/Zttmax=198060/47.62=4159 kg/cm2tmin=-60516.46/47.62=-1270 kg/cm29. 圆角切应力幅和平均应力ta=(tmax-tmin)/2=4189-(-1270)/2=271.4 kgf/cm2tm=(tmax+tmin)/2=4189+(-1270)/2=144.4 kgf/cm210. 圆角弯曲形状系数的计算：方法：=f1*f2*f3*f4*f5*f6*f7r/h=4/25.5=0.1569查柴油机设计手册P594 图9-53=2.8/d=10/65=0.1538h/d=25.5/65=0.3923查柴油机设计手册P594 图9-54f1=0.88b/d=116/65=1.7846 /d=10/65=0.1538查柴油机设计手册P594 图9-55f2=1.08d1/d=28/65=0.5846 查柴油机设计手册P594 图9-56f3=1.03e/d=3/65=0.0462 查柴油机设计手册P594 图9-57f4=0.968 由于/d=10/65=0.1538l*/r=1.5 r=4 所以l*=6l/ l*=5.5/6=0.91671 所以查图9-58b 得到f5=1.01f6=1 f7=1=2.8*0.88*1.03*1.03*0.968*1.01*1*1=2.555711. 弯曲有效应力集中系数：r/d=4/65=0.0615; d1/d=38/65=0.5846;查柴油机设计手册P604 图9-70: 1=2.11b=60; 查柴油机设计手册P604 图9-72: (q) b=0.62s=40; s/b=40/60=0.67;q=(q) b+(q)( s/b)/2=(0.62+0.67)/2=0.645k=1+q (1-1)=1+0.645*(2.11-1)=1.7212. 弯曲有效总不均匀度系数：K/1=2.5557/2.11=1.211213. 圆角扭转形状系数：t=t*q1*q2*q3*q4*q5r/d=4/65=0.0615; d1/d=38/65=0.5846;查柴油机设计手册P597 图9-62 t=1.7 b/d=116/65=1.7846查柴油机设计手册P597 图9-63 q1=1.03h/d=25.5/65=0.3923查柴油机设计手册P597 图9-64 q2=1.012/(dp+dj)=2*10/(65+75)=0.1429q1*q2=1.03*1.01=1.0403; 查柴油机设计手册P597 图9-64 q3=1.09e/d=3/65=0.0462; d1/d=38/65=0.5846查柴油机设计手册P597 图9-65 q4=0.941q5=1t=1.58*1.03*1.01*1.04*0.941=1.60914. 扭曲有效应力集中系数：r/d=4/65=0.0615; d1/d=38/65=0.5846;查柴油机设计手册P604 图9-71:t1=1.59;r=40mm; 查柴油机设计手册P604 图9-72结合公式9-95：qt=(q) ( s/b)得：qt=0.79；kt=1+qt*(t1-1)=1+0.79*(1.59-1)=1.4715. 扭转有效总不均匀度系数：Kt=t/t1=1.609/1.59=1.011916. 尺寸系数，t查柴油机设计手
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