复习(内燃机设计)(已学习部分)

内燃机设计 复习题 第 1 页 共 13 页 第一章第一章 内燃机设计总论内燃机设计总论 1 内燃机主要设计指标有哪些 内燃机主要设计指标有哪些 动力性指标 经济性指标 紧凑性指标 可靠性与耐久性指标 适应性指标 运转性能指标 低公害指标 2 内燃机的动力性指标有哪些 内燃机的动力性指标有哪些 内燃机的动力性指标是指内燃机的标定功率 标定转速 活塞平均速度 平均有效压力及扭 矩 这些指标是根据配套的使用要求而确定的 3 经济性指标有哪些 经济性指标有哪些 内燃机的经济性指标是指生产成本 运转中的消耗 燃油 机油 以及维修费用等 这些通常 都是以燃油消耗率和机油消耗率 特别是燃油消耗率作为内燃机经济性的主要指标 4 内燃机设计工作中的 内燃机设计工作中的 三化三化 内燃机的产品系列化 零部件通用化 零件设计标准化统称为内燃机和设计的 三化 5 内燃机主要结构参数有哪些 内燃机主要结构参数有哪些 内燃机的主要结构参数 是指决定内燃机总体尺寸的参数 这些参数为 活塞行程 S 与气 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与气径直径 D 的比值 L0 D 对于 V 型内燃机还包括气缸夹角 6 活塞行程与气缸直径的比值 活塞行程与气缸直径的比值 活塞行程 S 与气缸直径 D 的比值 S D 是决定内燃机设计的基本条件 由此即可确定气缸 直径 D 及活塞行程 S 这两个主要参数 同一气缸容积的值 可以由不同的活塞行程与气缸直径 组合而成 要正确确定出活塞行程和气缸直径值 必须正确确定活塞行程与气缸直径的比值 7 曲柄半径 曲柄半径 R 与连杆长度与连杆长度 L 的比值的比值 曲柄半径 R 与连杆 L 的比值 R L 是决定内燃机连杆长度 L 的一个结构参数 因为在活塞 行程 S 决定后 曲柄半径 R S 2 即可求出 因此 在确定参数 之后 即可决定连杆长度的大 小 8 分析曲柄半径 分析曲柄半径 R 与连杆长度与连杆长度 L 的比值的比值 对内燃机结构的影响对内燃机结构的影响 对于单列式内燃机 值越大 连杆长度越短 D S 相同的条件下 内燃机的高度或宽度 也越小 可是内燃机的外形尺寸减小 重量减轻 同时 连杆缩短后 使连杆杆身具有较大的刚 度和强度 虽然由于 加大 使往复运动质量的加速度和连杆摆角也加大 但因连杆重量减轻 往复惯性力与侧压力并没有什么增加 所以在设计时 为了尽可能缩小内燃机的外形尺寸和减轻 重量 一般尽可能选取较大的值 以使连杆的长度尽量短一些 9 连杆长度的缩短 受到什么条件的限制 连杆长度的缩短 受到什么条件的限制 受到以下条件的限制 1 活塞在下止点时 裙部不应与平衡重相碰 内燃机设计 复习题 第 2 页 共 13 页 2 活塞在上止点时 曲柄臂不应与气缸套下部相碰 3 连杆在气缸套内摆动时 连杆杆身不应与气缸套下部相碰 10 气缸中心距 气缸中心距 Lo 与气缸直径与气缸直径 D 的比值的比值 Lo D 气缸中心距 Lo 与气缸直径 D 的比值 Lo D 是决定内燃机长度的主要参数 第二章第二章 内燃机曲柄连杆机构受力分析内燃机曲柄连杆机构受力分析 1 作用在曲柄连杆机构上的力 作用在曲柄连杆机构上的力 作用在曲柄连杆机构上的力主要是由运动质量产生的惯性力和作用在活塞上的气体力 这些 里 或力矩 随着曲柄转角的不同而变化 在稳定情况下 曲柄每转二周为一个变化周期 实际 上 内燃机的工况是不断变化的 特别是作为动力时 因此 作用在曲柄连杆机构上的力和力矩 也是在不断变化的 要计算在各种工况下的作用力和力矩的情况是相当复杂的 通常在动力学分 析中 只计算标定工况下的作用力和力矩 并认为曲柄是作等速旋转运动 2 进行内燃机的动力学计算的步骤 进行内燃机的动力学计算的步骤 在进行动力学计算之前 必须根据实测的示功图或对工作过程的循环模拟计算来确定气体作 用力的变化情况再根据运动学求出的各运动件的加速度 由此求出惯性力的变化情况 从而得到 总的作用力及力矩 在此基础上 进一步分析这些力和力矩对内燃机平衡与振动的影响 3 活塞 连杆的运动规律 活塞 连杆的运动规律 当曲柄按等角速度 旋转时 曲柄 OB 上任意一点都以 O 点为圆心作等角速旋转运动 A 点 即活塞 沿气缸中心线作往复运动 而连杆 AB 则作复合的平面运动 其大头与曲柄销 即 B 点 一样 作等速的旋转运动 而连杆的小头则与活塞一样作往复运动 所以连杆本身的运动 是由旋转运动和往复运动合成的平面复合运动 在实际分析中 为使问题简化 一般将连杆为分 别集中于连杆大头和小头的两个集中质量 认为它们分别作旋转与往复运动 这样就不需要对连 杆的运动规律进行单独的研究 4 研究曲柄连杆机构运动学的主要任务 研究曲柄连杆机构运动学的主要任务 活塞在作往复运动时 其速度和加速度是变化的 它的速度和加速度的数值及变化规律对曲 柄连杆机构以及内燃机整体的工作有很大的影响 因此 研究曲柄连杆机构运动学的主要任务实 际上就是研究活塞的运动规律 5 连杆的角位移 角速度与角加速度的特殊值 最大或最小 及所在位置 连杆的角位移 角速度与角加速度的特殊值 最大或最小 及所在位置 当 0 或 180 时 连杆角位移有最小值 即 0 min 当 90 或 270 时 连杆角位移有最大值 指绝对值 即 arcsin max 当 0 或 180 时 连杆角速度有最大值 指绝对值 即 max 当 90 或 270 时 连杆角速度为 0 即0 内燃机设计 复习题 第 3 页 共 13 页 当 90 或 270 时 有最大值 指绝对值 即 2 2 max 1 当 0 或 180 时 有最小值 即 0 min 6 活塞的位移的特点 活塞的位移的特点 即曲柄转角 从 0 到 90 时活塞的位移值比曲柄转角 从 90 到 180 时活塞的位移值 大 而且是 值越大 其差值也越大 7 活塞的位移曲线的作用 活塞的位移曲线的作用 活塞的位移曲线可用来对 p v 压力 容积 示功图与 p 压力 曲柄转角 示功图两者之间进 行转换 它与气门的运动曲线配合 还可用来检验活塞与气门之间发生干涉 在柴油机直接喷射 燃烧室的设计中 喷油柱的位置与活塞上燃烧室的配合 也要用到活塞的位移曲线 此外二冲程 内燃机排气口与扫气口位置的确定 与活塞位移变化也是密切相关的 8 活塞速度组成的特点 活塞速度组成的特点 活塞速度可以写成两个速度分量之和 即 21 2sin 2 sinvvRRv 因此 活塞速度可视为由与两部分简谐运动速度所组成 sin 1 Rv 2sin 2 2 Rv 9 活塞速度在特殊位置时的值 活塞速度在特殊位置时的值 当 0 或 180 时 活塞位于上下止点 活塞速度等于零 这是由于活塞在这两点改变 运动方向的缘故 当 90 或 270 时 此时活塞速度等于曲柄销中心的圆周速度 但是 这并不 Rv 是活塞的最大速度 10 活塞的速度 活塞的速度 根据图形和公式分析可知 0 180 时 为正值 活塞向着曲轴中心线方向运动 v 180 360 时 为负值 活塞背着曲轴中心线方向运动 v 0 180 360 时 0 活塞正在改变运动方向 v 90 270 时 但并不是 vR max v 活塞的速度在旋转一周中 时快时慢的变化着 它的平均速度可以表示为 m s 30 60 2sn n s cm 活塞平均速度 cm虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢 但它是表征内燃机性能指标的重要 内燃机设计 复习题 第 4 页 共 13 页 参数之一 11 活塞的最大速度 活塞的最大速度 活塞速度最大时的曲柄转角 maxv 811 4 1 arccos 2 min v 可见 因此小于 90 或大于 270 即活塞速度的最大值出现在1cos0 max v max cos v 偏向上止点一边 大体上在上止点前后 75 左右 不同 值时 有不同活塞速度的位置不同 值越大 活塞速度最大值也越大 相应的曲柄转角便越小 max 12 活塞的加速度 活塞的加速度 活塞加速度也可视为是两个简谐运动加速度之和 即由与两 cos 2 1 Ra 2cos 2 2 Ra 部分组成 活塞加速度的极值点 最大正加速度和最大负加速度 以及相应的曲柄转角 或0cos 0cos41 第一种情况 加速度极值点出现在 0 和 180 处 相应的加速度为0cos 0 时 180 时 1 2 Ra 1 2 Ra 第二种情况 即加速度的极值点还出现在处 相应和加速度0cos41 4 1 arccos 为 8 1 1 2 Ra 可以看出 第二种情况只会出现在 1 4 的机构中 对于 1 4 的机构无意义 综上所述 在曲轴转角一周中 当 1 4 时 在 0 360 有最大的正加速度值 当 在 180 时 有最大的负加速度值 当 1 4 时 在 0 1 2 R 1 2 R 360 有最大的正加速度值 其大小也为 而 在 360 两处有最大的负加速 1 2 R 度值 此值为 而此时在处的加速度值仍为 8 1 1 2 R 1 2 R 13 沿活塞销中心线作往复运动的零件 沿活塞销中心线作往复运动的零件 活塞组的质量活塞组的质量 活塞组的质量包括活塞 活塞环 活塞销以及装在这些零件上的其它附件的质量 可以 p m 认为集中在活塞销的轴线中心上 因为活塞销中心线是活塞组的传力点 虽然当活塞中心偏 p m 离气缸中心时存在一些误差 但由于一般偏移量很小 故可作此假定 14 作旋转运动的零件 作旋转运动的零件 曲柄组的质量曲柄组的质量 曲柄组包括装在曲柄上的所有附件 曲柄上不平衡部分产生旋转惯性力 离心力 的质量可 以换算为集中于曲柄半径 R 处的质量 进行这种换算的条件是 简化后的集中质量所产生 k m k m 内燃机设计 复习题 第 5 页 共 13 页 的旋转惯性力和原来实际系统不平衡质量所产生的旋转惯性力相等 曲柄不平衡部分的质量包括两部分 一部分是曲柄销及其与曲柄臂相邻部分的质量 其 m 质心位置离曲轴轴线的距离就是 R 故简化后的质量不变 为 另一部分是曲柄臂的质mmk 量 如果其质心位置与曲轴轴线的距离为 则此质量换算到曲柄半径 R 处的集中质量应 m k m 满足以下条件 即 所以 22 mRmk R mmk 曲轴主轴颈的质量 由于其质心就在曲轴轴线上 当曲轴旋转时不产生旋转惯性力 因 m 此不用考虑 这样换算到曲柄半径 R 处的整个曲柄组的旋转质量为 k m R mmmk 2 式中 和等数值 可根据曲轴的图纸资料借助于方格纸或求积仪计算出来 m m 15 作复合平面运动的零件 作复合平面运动的零件 连杆组的质量连杆组的质量 连杆组的质量包括连杆体 连杆小头衬套 连杆盖以及连杆螺栓等质量 为了计算简便 一 般认为连杆小头随活塞作往复运动 连杆大头随曲柄作旋转运动 而连杆杆身则作复合的平面运 动 既有平面移动又有平面摆动 因此将连杆质量换算成集中于活塞销中心处作往复运动的质 量和集中于曲柄销处作旋转运动的质量 由此来代替原来作复合运动的连杆的质量 1 m 2 m 16 连杆组质量系统动力学的简化原则 连杆组质量系统动力学的简化原则 根据力学原理连杆组质量简化后的当量系统与原来实际的质量系统动力学相等 则必需满足 下列三个条件 1 质量不变 所有简化后的质量总和应等于原连杆组总质量 c m 2 系统的质心位置不变 所有简化后质量的质心应与连杆组原来的质心位置相重合 如果简化为两个质量 则 0 12 bmam 3 系统对质心的转动惯量不变 所有简化后的质量对于连杆组质心的转动惯量之和应 等于连杆原来的转动惯量 即 c I cii Ilm 2 实际上 把连杆质量换算成和两个质量 对上述三个条件是不能完全满足的 即第三 1 m 2 m 个条件不能得到满足 因为换算后的质量 对于连杆组质心的转动惯量之和 它不等于连杆 c I 组原来的转动惯量 这是由于的大小同质量分布有关 如果质量分布离质心越远 则越 c I c I c I 大 转换后双质量系统的转动惯量显然比原系统的转动惯量要大一些 17 作用于曲柄连杆机构的力 作用于曲柄连杆机构的力 在曲柄连杆机构中 主要作用力有气体作用力 运动质量的惯性力及外界负荷对内燃机运动 的反作用力 内燃机设计 复习题 第 6 页 共 13 页 18 连杆机构中主要零件的主要受力 连杆机构中主要零件的主要受力 曲柄连杆机构中主要零件的主要受力有 往复惯性力 旋转惯性力 气体作用力 19 连杆机构的往复惯性力 连杆机构的往复惯性力 连杆机构的往复惯性力在忽略了高次项之后 可以看作由一次往复惯性力 Pj1和 Pj2二次往复 惯性力所组成 20 活塞上总作用力的分解与传递 活塞上总作用力的分解与传递 叙述分解与传递过程并画出受力图 第三章第三章 内燃机的平衡内燃机的平衡 1 静平衡和动平衡 静平衡和动平衡 曲柄旋转质量系统 不但要求静平衡 也要求动平衡 静平衡 质量系统旋转时离心合力等于零 即系统的质心 重心 位于旋转轴线上 动平衡 质量系统旋转是 旋转惯性力合力等于零 而且合力矩也等于零 r M 2 旋转惯性力及其平衡 旋转惯性力及其平衡 单缸内燃机的总旋转惯性力 包括曲柄不平衡质量和连杆换算到大头处的质量所产生离心力 之和 2 RmP rr 该离心力的作用线与曲柄重合 方向背离曲柄中心 因此 只需在曲柄的对方 装上平衡重 使其所产生的离心力与原有的总旋转惯性力大小相等 方向相反即可将其平衡 为了减轻平衡重质量并充分利用曲轴箱空间 可尽量使平衡重的质心远离曲轴中心线 3 往复惯性力及其平衡 往复惯性力及其平衡 一次往复惯性力 cos 2 RmP jjI 二次往复惯性力 2cos 2 RmP jjII 令 2 RmC j 从形式上看 与离心力一样 但这是的往复质量而不是旋转质量 j P j m 如果把 C 假想看成是一个作用在曲柄上的离心力 则一次往复惯性力 就相当于该离心 jI P 力在气缸中心线上的投影 因为这个离心力是假想的 只是形式上相当于一个离心力 故把它作 为一次往复惯性力的当量离心力 一次往复惯性力采用平衡轴来平衡 二次往复惯性力一般比较小所以不进行平衡 现把这个当量离心力的质量分成完全相等的两部分 即各等于 并使一部分内气缸中心 2 j m 线开始 半径 R 的圆上 以向速度顺时针方向旋转 另一部分以同样条件下反时针方向旋转 内燃机设计 复习题 第 7 页 共 13 页 显然它们的离心力分为 正转部分离心力作为的正转矢量 A1表示 反转部分离心力作为 2 C jI P 的反转矢量 B1表示 jI P 在活塞位于止点时 此两当量重合于气缸中心线上 在任一曲轴转角时 正转矢量 A1与反 转矢量 B1的合矢量都落在气缸中心线上 其方向及大小与一次往复惯性力的方向及大小一致 这是因为 A1 B1在气缸中心上的投影为 jI PC CC BA coscos 2 cos 2 coscos 11 在垂直于气缸中心线方向 A1与 B1的投影正好大小相等 方向相反 其和为零 0sin 2 sin 2 sinsin 11 CC BA 一次惯性力可用两个质量所产生的离心力矢量来代替 所以要想将全部平衡 只要平 jI P jI P 衡掉这两个离心力即可 具体的做法是采用两根旋转方向相反的平衡轴 4 单列式多缸内燃机的平衡的项目 单列式多缸内燃机的平衡的项目 单列式多缸内燃机的平衡的项目 旋转惯性力的合力 一次往复惯性力的合力 二次往复惯 性力的合力 旋转惯性力的合力矩 一次往复惯性力的合力矩 二次往复惯性力的合力矩 5 单列式多缸内燃机的惯性力和力矩的特点 单列式多缸内燃机的惯性力和力矩的特点 多缸机 各缸产生的一 二次往复惯性力却是沿各自气缸中心线 因此是互相平等 且作用 在同一平面内 气缸轴线平面 只是一次惯性力与二次惯性力变化频率不相同 各气缸的旋转 惯性力沿各自曲柄方向作用在不同平面内 由于各气缸中心线之间有一距离 因此各缸的往复惯 性力 和旋转惯性力对于与曲轴轴线垂直的某一参考平面 一般取通过曲轴中央的平面为参考平 面 还将产生力矩 如互相抵消 本身就平衡了 如不能抵消 则是不平衡的 离心力产生的力矩和离心力矩 用表示 由于绝大多数多缸内燃机 曲柄排列从曲柄 r M 端视图看 都是均匀分布的 而各缸的离心力大小相等 方向又与曲柄一致 所以离心力的合矢 量在这种情况下就互相抵消了 即 但是由于各缸的离心力作用线不在同一平面 r P0 r P 内 即使 它们还可能产生合力矩 这个力矩所在平面通过曲轴中心线 以角0 r P r M 速度旋转 所以 它在垂直平面和水平平面的两个分力矩与的大小和方向都是 ry M rx M 变化的 至于一 二次往复惯性力 虽然始终作用在气缸轴线平面内 但各缸中该力的大小和方向都 是随曲轴转角而变化的 所以 对多缸机而言 既使曲柄排列均匀 也只有一次惯性力的合力 为零 即 其它各次惯性力 如 就不一定这零 此外 一 二次惯性力 象 0 jI P jII P 离心力一样 也要产生合力矩 并用 来表示 它们与所不同的是 始终 jI M jII M r M 内燃机设计 复习题 第 8 页 共 13 页 作用在气缸中心线所在平面 而数值大小随曲轴转角变化 6 四冲程两缸机的平衡情况 四冲程两缸机的平衡情况 1 旋转惯性力的合力 旋转惯性力的合力为零 说0 22 21 mrRmrRPPP rrr 明它们已互相平衡了 2 一次往复惯性力的合力 一次往复惯性力已经平衡了 0 21 jIjIjI PPP 3 二次往复惯性力的合力 2cos2 221 RmPPP jjIIjIIjII 需附加两要有以曲轴二倍角速度旋转的平衡轴来平衡 但由于结构复杂 实际上往往就任其 存在了 4 旋转惯性力的合力矩 没有平衡lRmlPM rrr 2 5 一次往复惯性合力矩 没有平衡lRmM jjI cos 2 6 二次往复惯性合力矩 0 jII M 7 四冲程三缸机的平衡情况 四冲程三缸机的平衡情况 1 旋转惯性力的合力 即冲程三缸的旋转惯性力已经平衡 0 r P 2 一次往复惯性力的合力 一次往复惯性力合力已平衡 0 jI p 3 二次往复惯性力的合力 二次往复惯性力已经平衡 0 jII p 4 旋转惯性力力矩 lPM rr 3 与垂直轴的夹角为 r M 30 r 可见 其方向恒位于第一曲柄后 30 度 故可在曲轴上装平衡重将其平衡 lPM rr 3 5 一次往复惯性力矩 30cos 3 2 lRmM jjI 由上式可知 简谐函数规律变化的 当时 有最大值 I M30 jI M 其作用平面位于气缸中心线平面内 lRmM jaxj 2 Im 3 6 二次往复惯性力矩 302cos 3 2 lRmM jjII 由于式可知 当的绝对值 1 时 即 在垂直位置并有极大 302cos 度时与16515 jII M 值lRmM jaxjI 2 Im 3 内燃机设计 复习题 第 9 页 共 13 页 和都可以由附加四轴平衡机构来平衡 jI M jII M 8 四冲程四缸机的平衡情况 四冲程四缸机的平衡情况 1 旋转惯性力的合力 旋转惯性力已得到平衡0 r P 2 一次往复惯性力合力 一次往复惯性力也已平衡 0 jI P 3 二次往复惯性力的合力 2cos4 2 RmP jjII 4 旋转惯性力矩 旋转惯性力矩已平衡 0 r M 5 一次往复惯性力矩 一次往复惯性力矩已平衡0 jI M 6 二次往复惯性力矩 二次往复惯性力矩已平衡0 jII M 9 四冲程六缸机的平衡情况 四冲程六缸机的平衡情况 0 jI P 0 jII P 0 r P 0 r M 0 jI M 0 jII M 第四章第四章 活塞组的设计活塞组的设计 1 活塞组的工作条件 活塞组的工作条件 活塞组是工作强度最大的组件之一 工作中承受的载荷 1 承受很大的机械负荷 2 承受很高的热负荷 3 强烈的磨损 2 活塞的基本结构 活塞的基本结构 活塞头部 包括活塞顶 顶岸 火力岸 及活塞环带 组成燃烧室 承受气体压力 接受 高温气体的作用 活塞裙部 环带以下的部分 起导向作用力 活塞销座 位于裙部中央上方 销座中安装活塞销 活塞通过销座将气体作用力及惯性力 经由活塞传递给连杆 3 活塞的主要尺寸 活塞的主要尺寸 活塞高度 H 活塞高度与顶岸高度 环带高度及裙部高度有关 压缩高度 H1 压缩高度决定了活塞销的位置 它与顶岸高度 环带设计及上裙高度有关 顶岸高度 h 顶岸高度确定了第一环的位置 环带高度 h 环带高度取决于活塞环数 环高及环岸高度 4 活塞顶的厚度的确定 活塞顶的厚度的确定 活塞顶的厚度 是根据强度 刚度及散热条件来确定的 由于 值越大 顶部热应力也越 大 因此在满足强度要求的条件下 尽量使 值取得小些 对于直径较小的活塞若能满足散热 要求 一般也能满足强度要求 活塞顶厚度随活塞材料不同而有较大的差别 铝活塞的 值 汽油机为 0 06 0 10 D 柴油机为 5 第一环槽的工作条件 第一环槽的工作条件 活塞组吸入的热量 多数要由第一环传出 这使第一环槽的热负荷过高 强度降低 并使机 内燃机设计 复习题 第 10 页 共 13 页 油炭化 造成积炭 使环槽严重磨损 6 确定第一环槽的位置的条件 确定第一环槽的位置的条件 为了使第一环槽能正常地工作而不至过早地损坏 除了适当地选择项岸高度外 不可采取以 下措施 1 保证活塞在上止点时 第一环的位置处于冷却水之中 2 将第一道环安排在活 塞顶厚度以下 3 在第一环槽之上开一个槽 这个槽称为隔热槽 其目的是改变活塞顶到第一 环槽之间的热流形式 降低第一环的温度 4 减少顶岸和缸套之间的间隙 减少气流通往第一 环槽的流通面积 降低第一环槽处的温度 5 在铝合金活塞环槽处加镶块 由于第一环槽底部 的磨损最严重 因此常在第一环槽处镶上一个镶块 6 在活塞顶部进行硬模阳极氧化处理 可 提高活塞顶面耐热性及其硬度 并增加热阻 使顶部降温 7 在活塞顶部进行硬模阳极氧化处 理 7 活塞环数由什么确定 活塞环数由什么确定 活塞环数取决于密封的要求 它与内燃机的气体压力及转速有关 8 减少活塞高度的方法 减少活塞高度的方法 除了环的数目外 为减小环带部的高度就要从减小环槽和环岸的高度着手 9 活塞计算的项目 活塞计算的项目 以经验设计计算活塞时 一般只计算第一环岸的强度 裙部及销座的单位压力 活塞顶 尤 其是形状复杂的活塞顶 其强度计算是十分困难的 通常以经验设计为主 而不进行计算 10 第一环岸主要计算项目 第一环岸主要计算项目 第一环岸主要计算在最大气体爆发压力时的剪切与弯曲强度 11 活塞裙部比压的计算 活塞裙部比压的计算 活塞裙部比压 q 一般按下式进行计算 即 MPaDHNq 2max 最大侧压力 由动力计算求得 近似取 8 12 单位 mPa max N maxg P H2 活塞裙部高度 12 活塞销座比压的计算 活塞销座比压的计算 活塞销座比压力 q1按下式计算 即 MPa l d PPq jg 2 maxmax1 13 活塞销表面比压的计算 活塞销表面比压的计算 连杆小头部分的活塞销表面单位压力为 MPa db kPP q jg 1 maxmax 2 活塞销座表面单位压力为 MPa Bld kPP q jg maxmax 1 14 活塞销弯曲应力的计算 活塞销弯曲应力的计算 沿活塞销长度方向的负荷分布 与活塞销及销座的刚度之比有关 也和活塞销与连杆小头衬 套的间隙及活塞销与销座的间隙有关 试验表明 在销座部分 销表面受的压力大致成三角形规 律分布 在销与连杆小头接触部分 压力分布可认为相当于均匀负荷 这时活塞销中央部分所受 内燃机设计 复习题 第 11 页 共 13 页 的弯矩最大为 弯曲应力为 MPa ad bBlkPP jg 4 1maxmax 133 5 128 一般内燃机活塞弯曲应力的许用值为 100 250mPa 军用内燃机为 230 500 MPa 15 活塞销的剪切力 活塞销的剪切力 最大剪应力 max作用在销座和连杆小头之间的截面上 发生在中性轴所在的直径上 MPa ad aa kPP jg 42 2 maxmax max 1 1 3 8 16 活塞销最大变形与变形后的应力 活塞销最大变形与变形后的应力 由于的作用 活塞销压扁失圆 铅垂直径下降 水平直径上升 当直径增大量 maxmaxjg kPP 比连杆小头轴承的最小间隙还小时 轴承就有被咬死的可能 所以应对活塞销失圆时的最大变形 进行计算 活塞销的最大变形发生在水平直径受力最大的部位 利用能量法和莫尔积分 可求出 活塞销直径的增大量为 活塞销变形后 销的横截面上产生弯曲应力 最大的应力是在中央断面上 该断面上下 1 2 3 4 点的正应力值较大 一般情况下 受拉的 1 4 点 以内表面 4 点处拉应力最大 其 值为 17 活塞环的主要尺寸活塞环的主要尺寸 活塞环的主要尺寸是环的高度 b 环的径向厚度 目前的趋势是减少环数和减小环的高度 减小活塞环高度可减少摩擦损失 可使环适应气缸 的不均匀磨损和变形 避免表面接触应力集中 提高耐熔着磨损的能力 减少往复运动质量 提 高环的密封性能等 而且 窄的环也有利磨合 活塞环的径向厚度大与活塞环对气缸壁的接触压力有关 随着径向厚度的增大 活塞环对气 缸壁的接触压力使增大 但是厚度过大 应力也大 当环往活塞上安装时就容易折断 而且对气 缸壁的横向变形的适应性也低 18 活塞环根据接触压力进行分类 活塞环根据接触压力进行分类 活塞环根据接触压力进行分类 均压环 沿整个工作表面对气缸壁的压力是均匀的 非均压 环 沿整个工作表面对气缸壁的压力不是均匀的 在切口附近的压力最高 压力分布呈梨形 通 称为梨形环或高点环 在切口附近的压力较小 压力分布呈苹果形 通称为苹果环或低点环 19 活塞均压环的自由状态形状 活塞均压环的自由状态形状 自由状态下环的曲率半径 在处最小 在处最大 0 20 活塞环的弯曲应力 活塞环的弯曲应力 活塞环工作时的强度计算 因剪切力与轴向力影响较小 则只计算弯矩 活塞环的弯曲应力 应按两种状况进行计算 工作状态下的弯曲应力 套装应力 21 活塞环的套装应力 活塞环的套装应力 内燃机设计 复习题 第 12 页 共 13 页 将活塞环往活塞上套装时 切口扳得比 S0还大 则正对切口处的最大套装弯曲应力得 MPa t D t S E m 2 0 max 1 3 1 1 9 3 第五章第五章 连杆组的设计连杆组的设计 1 连杆承受的载荷 连杆承受的载荷 连杆工作时受到两种载荷 一是燃气作用力和曲柄连杆机构中往复运动惯性力所引起的纵向 载荷 一是连杆杆身复合运动引起的横向载荷 上述两种载荷的大小和方向都是变化的 此外 连杆组装配时还造成静载荷 在小头是因压入衬套而引起 在大头则是由于拧紧连杆螺栓所引起 2 纵向载荷 纵向载荷 F 对连杆的影响对连杆的影响 沿连杆中心线的纵向载荷 F 使连杆杆身承受拉压疲劳载荷 当 F 为正值时 杆身受压 由 于连杆为细长杆件 在摆动平面和与其垂直的平面内 F 力还使连杆产生纵向弯曲 造成轴承不 均匀磨损 当 F 为负值时杆身受拉 为了在负值最大时 不致使连杆体与大头盖的接合面互相 分离 连杆螺栓必须在装配时给予足够的拧紧力 3 横向载荷以连杆的影响 横向载荷以连杆的影响 横向载荷为杆身摆动所产生的附加弯矩 此附加弯矩为杆身的转动惯量与连杆摆动的角加速 度的乘积 4 作用在连杆上的纵向载荷比横向载荷那个大 作用在连杆上的纵向载荷比横向载荷那个大 作用在连杆上的纵向载荷比横向载荷要大得多 5 连杆设计时对疲劳强度和结构刚度的要求 连杆设计时对疲劳强度和结构刚度的要求 连杆设计时必须首先保证有足够的疲劳强度和结构刚度 若疲劳强度不足 往往会造成连杆 杆身或连杆螺栓断裂 进而产生整机破坏的重大事故 若刚度不足 就会造成连杆弯曲变形及连 杆大头的失圆变形 这将导致活塞 气缸 轴承及曲柄销的偏磨 加大了连杆螺栓的附加弯矩 6 连杆小头的特点 连杆小头的特点 连杆小头的特点是 尺寸小 轴承比压高 温度较高 一般为 100 120 轴承表面相对运 动速度低 且属摆动运动 7 连杆小头如何变形 连杆小头如何变形 连杆小头在燃气压力和往复惯性力作用下往往会产生横向和纵向的变形 8 连杆小头变形后的应力分布 连杆小头变形后的应力分布 连杆小头在燃气压力和往复惯性力的作用下往往会产生横向和纵向的变形 其应力分布也很 复杂 图 5 4 由图可见 其应力峰值发生在 A A B B C C 截面处 连杆小头与杆身过渡