内燃机设计期末复习袁兆成精简版.ppt

内燃机设计 第一章内燃机设计总论 第二章曲柄连杆机构受力分析 第三章内燃机的平衡 第四章曲轴系统的扭转振动 第五章配气机构设计 第六章曲轴飞轮组设计 第七章连杆组设计 第八章活塞组设计 第九章内燃机滑动轴承设计 第十章机体与缸盖设计 第十一章内燃机冷却与润滑系设计 第一章内燃机设计总论 第一节内燃机设计的一般流程 第二节内燃机的主要设计指标 第四节内燃机主要参数的选择 第五节发动机设计的发展 第三节内燃机的选型 返回开始 第一章内燃机设计总论 第一节内燃机设计的一般流程一 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人员结构合理技术结构合理 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 说明产品的原因 用途 适用范围等 说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标如 a 型式 汽或柴 气门数 直立或卧式b 冲程数 4或2 缸径D 冲程Sc 冷却方式 水或风 d 汽缸排列方式 直列 V型 e 功率Ne 转速n 扭矩Mf 燃油消耗率ge 克 千瓦 小时 g 机油消耗率gm 克 千瓦 小时 h 大修期 保用期 一般大修期是保用期的2倍i 重量和外型尺寸 与用途有关 大车 小车 固定 j 排污指标 噪声 废气 k 平均有效压力pmel 活塞平均速度Cm 主要结构说明燃烧室 零部件 活塞连杆 曲轴飞轮 机体缸盖 配气机构 供油润滑 冷却 起动 产品系列化和变型 强化的可能性 二 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 三 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a 样机鉴定 b 小批量生产4 内燃机设计的 三化 a 产品系列化 基本尺寸相同 不同的排列 缸数 增压度 达到提高Peb 零部件通用化 同一系列的主要零件能够通用 c 零件设计标准化 按照国标 部标或企标设计 三化 可以提高产品的质量 减少设计成本 组织专业化生产 提高劳动生产率 便于使用 维修和配件供应 四 改进与处理阶段1 样机鉴定与改进 在总结了单缸机试验 多缸机试制 样机性能试验和用户配套实验的基础上 往往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察 然后由企业或者地方主管部门组织新厂品鉴定 鉴定时设计和试制单位要提供下列文件 设计任务书内燃机研发试制总结内燃机动力性 经济性 耐久性 排放特性 噪声水平等性能试验报告内燃机生产产量成本盈亏分析零部件标准审查报告市场需求预测分析用户使用报告 单缸机试验 2 小批量生产和扩大用户试验 内燃机是一个十分复杂的技术系统 涉及到水 油 气的流动与密封 工质燃烧 做功与传热 机械传动等多个复杂的物理和化学过程 用户的要求和使用工况变化非常大 因此必须经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验 经过严密的设计完善和严格的生产工艺调整 才能最终进行正式商业化生产 本章开始 第三节内燃机的选型一 柴油机 汽油机或气体燃料发动机 柴油机 燃料经济性好 工作可靠性和耐久性好 因为没有点火系统 可以通过增压 扩缸来增加功率 防火安全性好 柴油挥发性差 CO和HC的排放比汽油机少 汽油机 空气利用率高 转速高 因而升功率高 因为没有柴油机喷油系统的精密偶件 制造成本低 低温起动性 加速性好 噪音低 由于升功率高 最高燃烧压力低 所以结构轻巧 比质量小 一般只有柴油机的一半重量 不冒黑烟 颗粒排放少 目前来讲 柴油机的优点就是汽油机的缺点 反之亦然 二 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50 70 体积小 重量轻 结构简单 但经济性差 三 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 四 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 本章开始 第二章曲柄连杆机构受力分析 返回开始 第一节曲柄连杆机构的运动学 活塞的运动学 第二节曲柄连杆机构中的作用力 第一节曲柄连杆机构的运动学 活塞的运动学 一 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两个假设 1 曲轴作匀速运转 2 角速度 为常数 二 中心曲柄连杆机构的运动规律活塞的位移表示为 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 对x求一阶导和二阶导 得 第二节曲柄连杆机构中的作用力一 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一 曲柄连杆机构中力的传递和相互关系 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 二 气压力的作用效果气压力Fg和在机体内部平衡掉 对外没有自由力 只有扭矩输出和翻倒力矩 曲柄连杆机构的所有零件 按照运动性质可分为三组 活塞组m 包括活塞 活塞环 活塞销和卡环 曲轴组mka 连杆轴颈及与连杆轴颈相重合的曲柄部分mk1b 曲柄上连杆轴颈与主轴颈中间的部分mk2其当量质量 连杆组根据质量守恒和质心守恒原理所以关键是求出重心位置 现在利用制图软件可以方便求出 三 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 四 往复惯性力和气压力作用的差别 气压力Fg是做功的动力 产生输出扭矩 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 Fjmax FgmaxFj所占区域长 总是存在 正负面积相等 Fg呈脉冲性 六 多缸机扭矩 动力计算 以六缸四行程发动机 1 5 3 6 2 4 为例 如果第一缸的扭矩为M1 则第二缸的扭矩为M2 M1 240 M3 M1 480 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 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 3 平均扭矩 据此可以计算指示功率 有效扭矩等动力指标 第三章内燃机的平衡 第二节旋转惯性力的分析 第三节单列式内燃机往复惯性力的平衡分析 第四节双列式内燃机往复惯性力的分析 第一节平衡的基本概念 返回开始 第三章内燃机的平衡 第一节平衡的基本概念一 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 二 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 三 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 第三节单列式内燃机往复惯性力的平衡分析 几个基本概念 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 都是不平衡的自由力 如果不采取平衡措施 就会传到支承上 引起纵向振动 1 往复惯性力可以用旋转矢量表示为 3 单列四冲程六缸机 1 5 3 6 2 4 惯性力分析 惯性力矩分析 相当于两个三拐曲轴对称安置 在自身已经达到静平衡和动平衡性的曲轴上添加平衡重 目的是减轻轴承负荷和减小曲轴的内弯矩 本章开始 第四章曲轴系统的扭转振动 第一节扭振的基本概念 返回开始 第二节扭振系统自由振动计算 第三节强迫振动与共振 第四节曲轴系统的激发力矩 第五节曲轴系统的强迫振动与共振 第六节扭振的消减措施 第七节扭转振动的现代测试分析方法 第四章曲轴系统的扭转振动 第一节扭振的基本概念 扭振 使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动 现象 发动机在某一转速下发生剧烈抖动 噪音增加 磨损增加 油耗增加 功率下降 严重时发生曲轴扭断 发动机偏离该转速时 上述现象消失 原因 曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成 本身具有一定的固有频率 系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩 干扰力矩的变化频率与系统固有频率接近时 系统产生共振 研究目的 通过计算找出临界转速 振幅 扭振应力 决定是否采取减振措施 或避开临界转速 扭振当量系统的组成 根据动力学等效原则 将当量转动惯量布置在实际轴有集中质量的地方 当量轴段刚度与实际轴段刚度等效 但没有质量 本章开始 例 六缸四冲程发动机 1 5 3 6 2 4 求各阶简谐力矩的相位差 并做出相位图 解 对于四冲程 第五拐上第k阶力矩相位差 第三拐上第k阶力矩相位差 第六拐上第k阶力矩相位差 第二拐上第k阶力矩相位差 第四拐上第k阶力矩相位差 取 得到相位图如下 第六节扭振的消减措施 一 使曲轴转速远离临界转速 更要避开标定转速 二 改变曲轴的固有频率 提高曲轴刚度C 增加主轴颈直径 减小曲轴长度 提高重叠度 2 减小转动惯量 空心曲轴 降低平衡重质量 降低皮带轮 飞轮质量 三 提高轴系的阻尼 主要靠材料 四 改变激振强度 对次主谐量 可通过改变发火次序 气缸夹角来达到 第五章配气机构设计 返回开始 第二节配气机构运动学和凸轮型线设计 第三节配气机构动力学 第四节凸轮轴及气门驱动件设计 第一节配气机构型式及评价 第五节可变配气相位及其机构 VVT 四 凸轮的工作段和缓冲段设计 1 缓冲段设计 设置缓冲段的必要性a 由于气门间隙L0 mm 的存在 使得气门实际开启时刻晚于挺柱动作时刻 b 由于弹簧预紧力P0 N 的存在 使得机构在一开始要产生压缩弹性变形 等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧力之后 气门才能开始运动 c 由于缸内气压力的存在 尤其是排气门 气缸压力的作用与气门弹簧预紧力的作用相同 都是阻止气门开启 使气门晚开 上述原因使气门实际开启时刻晚于理论时刻 实际落座时刻早于理论时刻 造成开起冲击大 落座速度高 机构振动 噪声和磨损加剧 第四节凸轮轴及气门驱动件设计 一 凸轮轴基本结构参数 异缸同名凸轮夹角 A 2A 发火间隔角 同缸异名凸轮夹角 当凸轮挺柱的接触点不在一条直线上 接触点的位置相差 角时 图a 凸轮与曲轴位置的确定 当活塞位于压缩上止点时 进排气凸轮相对于挺柱中心线的夹角这是确定凸轮轴与曲轴相对工作位置 即正时位置所必须掌握的 3 摇臂及其支承 有足够的抗弯刚度 摇臂采用T型断面 摇臂轴采用空心轴 摇臂应尽量避免悬臂安装 与气门接触面要淬硬 注意加强支座刚度 4 气门 设计要求 进气门 a 有足够的进气流量 流动阻力小 b 重量轻 c 耐磨性好 d 密封性好 排气门 a 有较低的温度 耐热性好 b 耐磨性好 c 密封性好 气门的主要尺寸 A lv 取决于缸盖和气门弹簧的安装高度 B d 受限于缸盖上的空间尺寸 C 气门杆直径 dv大时 外表面积大 有利于传热 一般进排气门杆一样 D 气门锥角 小 气体流通断面积大 大 自位作用好 大升程时气体流动阻力小 一般 45 增压柴油机 30 因受力变形大 材料 进气门 300 400 C 40Cr 35CrMo 38CrSi 42Mn2V排气门 500 C 4Cr9Si2 4Cr10Si2Mo 气门头部背锥角 除影响气门刚度外 还影响进气阻力 某项试验表明 当 20 时有最大的进气流量 第六章曲轴飞轮组设计 返回开始 第一节曲轴的工作情况 材料选择 第二节曲轴的结构设计 第三节曲轴的疲劳强度校核 第四节提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施 第五节飞轮的设计 第六章曲轴飞轮组设计 第一节曲轴的工作情况 材料选择 一 工作条件 设计要求 工作条件 周期变化的力 力矩共同作用 即受弯曲又受扭转 承受交变疲劳载荷 重点是弯曲载荷 曲轴的破坏80 是弯曲疲劳破坏 形状复杂 应力集中严重 轴颈和曲柄连接的圆角部分 轴径比压大 摩擦磨损严重 更换活塞 活塞环 镗缸套 修复气门 气门座 磨曲轴 设计要求 有足够的耐疲劳强度 疲劳试验 有足够的承压面积 轴颈表面要耐磨尽量减少应力集中刚度要好 变形小 否则恶化其它零件的工作条件 两岸轴承 主轴承 活塞 机体等 二 材料要根据用途和强化程度 正确选用 中碳钢 35 40 45 合金钢 球墨铸铁 QT 球化过程要求工艺高 第二节曲轴的结构设计 长度 决定于缸心距L0 缸径 缸盖形式 分组缸盖 一 曲柄销D2和L2 趋势 D2 L2 优点 L2一定时 D2增加 比压下降 耐磨性提高 D2增加 弯曲刚度增加 扭转刚度增加 L2下降 纵向尺寸下降 刚度提高 缸心距下降 从润滑理论来讲 希望 提高D2受到两个限制 D2增加导致离心力增加 转动惯量增加受到连杆大头及剖分面形式影响 一般 承压面积 一般 二 主轴颈D1 L1 从等刚度出发 D1 D2 从等强度出发 D1D2 原因 D1增加 可以提高曲轴刚度 增加了曲柄刚度 不增加离心力 D1增加 可增加扭转刚度 固有频率 转动惯量I不多 但是 D1增加 圆周速度 摩擦损失 油温 一般 三 曲柄 整体式曲轴中最薄弱的环节 横截面的抗弯模数为 h增加圆角处应力集中得到改善 b增加导致应力不均匀性增加 多数采用椭圆形曲柄 本章开始 第四节提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施 一 结构措施 加大曲轴轴颈的重叠度A 可以增加抗弯和抗扭刚度 2 加大轴颈附近的过渡圆角 重叠度的无量纲形式 1 4椭圆法 分段圆弧法 沉割圆角法 3 采用空心曲轴 提高弯曲刚度 减小应力集中 减轻曲轴重量 但加工复杂 必须铸造 模具复杂 4 开卸载槽 采用沉割圆角的曲轴 有卸载槽的曲轴结构 二 工艺措施 1 圆角滚压强化 原理 表面产生剩余压应力 低消部分工作拉伸应力 提高曲轴的疲劳强度 钢轴疲劳强度可提高30 球铁轴疲劳强度可提高30 60 2 圆角淬火 用热处理的方法使金属发生组织相变 如产生马氏体相 贝氏体相 发生体积膨张而产生残余压应力 曲轴疲劳强度可提高30 50 曲轴淬火残余应力仿真模拟 考虑表面淬火的曲轴强度分析模型 曲轴在表面淬火处理之后 表面材料发生了变化 为了真实模拟曲轴的疲劳强度 应该在曲轴有限元模型中考虑淬火硬化的过程和效果 利用仿真模拟的方法模拟曲轴高频感应加热淬火过程 在曲轴表面形成残余应力 然后用带有残余应力的曲轴有限元模型进行疲劳强度计算分析 3 喷丸强化处理 与滚压强化的道理一样 属于冷作硬化变形 在金属表面留下压应力 而且使表面硬度提高 从而提高曲轴的疲劳强度 4 氮化处理 利用辉光离子氮化或气体软氮化方法 使氮气渗入曲轴表面 由于氮的扩散钠作用 使金属体积增大 因而产生挤压应力 曲轴疲劳强度可提高30 本章开始 第七章连杆组设计 返回开始 第二节连杆螺栓的设计 第三节提高螺栓疲劳强度措施 第四节连杆的强度计算方法 第一节连杆的设计 第七章连杆组设计 组成 连杆体 小头 杆身 连杆大头 连杆盖 连杆螺栓 轴瓦 作用 传递力 改变运动方式 第一节连杆的设计 一 工作情况 运动 上下 横向摆动的复合运动 受力 基本上是周期性变化的拉压载荷 计算断面的惯性载荷为 二 设计要求 足够的耐疲劳强度 能够承受很大的交变载荷 拉 压 有足够的刚度 保证轴承润滑及其他磨损正常 由于高速运动 尽量减轻重量 总原则 在尽可能轻巧的结构条件下 保证足够的刚度和强度 三 连杆材料 精选含碳量的中碳钢 45 40 中碳合金钢 40Cr 40MnB 40MnVB 锻造后进行调质 机加后探伤 关键零部件100 探伤 如曲轴 连杆 否则容易出现事故 球墨铸铁 载荷小的连杆 铝合金 小型发动机 第八章活塞组设计 返回开始 第一节活塞的设计 第二节结构设计 第三节活塞环的设计 第八章活塞组设计 第一节活塞的设计 一 工作条件 1 高温 导致热负荷大 燃气温度 柴油机 汽油机 活塞顶部温度 第三节活塞环的设计 分类 气环 油环作用 气环 密封 导热 油环 刮油 布油 其中密封的作用最为重要 一 气环的作用原理 一 密封原理 二 导热作用 活塞的70 热量由活塞环传出 环的散热作用是在环的密封作用实现后才能完成的 活塞环的初弹力是实现密封的关键因素 靠活塞环的初弹力形成第一密封面 P0 0 1 0 2MPa 在环上面气压力PA作用下形成第二密封面在环背气压力PR作用下加强第一密封面 二 环的工作情况与设计要求 1 高压2 高温 燃气温度 活塞传热 摩擦生热3 高速滑动4 润滑不良主要损坏形式为磨损 折断 失效 故障有卡死 颤振 一 工作情况 二 设计要求 有足够的耐磨性 保持适当的初弹力P0 较高的机械强度 加工简单 成本低 三 材料 灰铸铁 合金元素 成本低 磨合性好 粉末冶金 利用多孔性吸附机