发动机设计说明书

1、 课 程 设 计课程名称： 发动机设计 设计题目： 曲轴设计 学 院： 交通工程 专 业： 车辆工程 年 级： 学生姓名： 指导教师： 日 期： 2013年9月 教 务 处 制目 录1 总体布局，结构特点以及选用原则系统分析11.1 发动机设计总体一般要求11.2 立式直列水冷四冲程柴油机的特点12 标定工况（最大功率）工作过程及热力计算和示功图绘制12.1热力计算12.1.1热力计算的目的12.1.2热力计算方法22.2 重要参数选取22.1.1 压缩比22.1.2 过量空气系数22.1.3 残余废气系数22.1.4 进气温升和残余废气温度22.1.5 热量利用系数22.1.6 示功图丰满系

2、数22.1.7 机械效率22.1.8 平均多变压缩指数22.1.9 平均多变膨胀指数22.2 燃料燃烧化学计算22.2.1 理论空气量的计算22.2.2理论分子变化系数22.2.3 实际分子变化系数32.3燃气过程参数的确定与计算32.3.1 压缩始点的气体状态32.3.2 压缩终点的气体状态32.3.3 燃烧过程及燃烧终点气体状态42.3.4 膨胀终点气体状态52.3.5 示功图的绘制52.4发动机性能参数62.4.1平均指示压力62.4.2 平均有效压力：62.4.3 有效功率：62.4.4 充量系数的计算72.4.5 指示热效率72.4.6 燃油消耗率：72.4.7 发动机总进气量73、

3、活塞位移、活塞侧击力、加速度随曲轴转角变化曲线73.1活塞随曲轴转角的位移图73.2活塞速度随曲轴转角的变化曲线83.3活塞加速度随曲轴转角的变化曲线94、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、主轴颈负荷图114.1气缸压力随曲轴转角变化曲线114.2 气缸侧击力和连杆力随曲轴转角的变化曲线124.3曲柄销处收到离心力和连杆力的合力134.4 第一主轴颈直角坐标及极坐标负荷图144.5第二主轴颈极坐标负荷图154.6 各缸转矩图165 曲轴设计及强度校核175.1 参数选取175.1.1 主轴颈175.1.2 曲柄销175.1.3 曲柄臂175.2 强度计算175.2.1 圆角面195.2.2 油孔所

4、在中心平面225.3 疲劳安全系数的计算245.3.1判断危险点245.3.2材料选择及其疲劳极限245.3.3 油孔边缘处应力255.3.4 循环特征255.3.5 安全系数255.3.6 综合安全系数266曲轴平衡性分析266.1平衡性分析及平衡措施266.2平衡计算267 总结。278参考文献。28II课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果1 总体布局，结构特点以及选用原则系统分析1.1 发动机设计总体一般要求根据发动机的使用，对发动机的提出各种要求，由于该发动机是用于农用运输车、工程、床用以及发电机用动力，所以要求有足够的功率，能够在较宽的转速与负荷范围内稳定运转，燃料和机

5、油消耗少，体积小，重量轻，工作可靠，寿命长，污染少，震动噪声小，能适应各种使用条件，制造成本低，维修方便等1.2 立式直列水冷四冲程柴油机的特点 机体的宽度小而高度和长度大，一般只适用于六缸以下的发动机，四冲程柴油机的燃油经济性好，可靠性和耐久性高，发生故障较少，燃油和润滑油 消耗少，HC排放量较二冲程的小，怠速和低负荷工况运转稳定，活塞和缸套的热负荷较二冲程小，另外水冷，能够保证发动机良好地冷却效果，减少了零件的强度下降，同时可以改善燃烧室的冷却而允许发动机有较高的压缩比，从而可以提高发动机的热效率和功率。2 标定工况（最大功率）工作过程及热力计算和示功图绘制2.1热力计算2.1.1热力计算

6、的目的在发动机设计前经过热力计算，算出混合加热循环几个特殊点的压力、体积、温度关系，进一步绘制出示功图为后面计算动力学、零部件设计计算及校核做准备。2.1.2热力计算方法根据发动机设计手册上的热力计算部分进行热力计算，算出各个状态点的状态参数。2.2 重要参数选取2.1.1 压缩比 =17.52.1.2 过量空气系数 =1.452.1.3 残余废气系数 =0.032.1.4 进气温升和残余废气温度 =20 =950K2.1.5 热量利用系数 =0.82.1.6 示功图丰满系数 =0.952.1.7 机械效率 =0.842.1.8 平均多变压缩指数 =1.362.1.9 平均多变膨胀指数 =1.

7、262.2 燃料燃烧化学计算2.2.1 理论空气量的计算LO=10.21(C12 + H4 - O32)LO=10.21(C12 + H4 - O32)= 10.21(0.8712 + 0.1264 - 0.0432)=0.494(kgkcal/kg)LO=0.494(kgkcal/kg)换算成重量：L=28.96LO= 28.960.494=14.3kg2.2.2理论分子变化系数o=1 + 0.066o=1 + 0.066=1.04o=1.042.2.3 实际分子变化系数d = o+1+d = o+1+ = 1.05+0.051+0.05 =1.043d=1.0432.3燃气过程参数的确定与

8、计算2.3.1 压缩始点的气体状态四冲程柴油机在进气门关闭后，压缩始点的温度Ta：Ta=Ts+T+T1+当为非增压时Ts = To非增压四冲程柴油机：T=1020；T=700800K；取T=15k，T=750kT= 20kT= 750k残余废气系数=0.030.06，取=0.03=0.03Ta=Ts+T+T1+ = 325.7282KTa= 325.7282K压缩始点时的压强：Pa=(0.0900.098)PsPa=0.998.39=88.551KPaPa=88.551KPa2.3.2 压缩终点的气体状态压缩终点的温度：n1=1.35Tc=Tan1-1=912KTc= 912K压缩终点的压力：

9、Pc=Pen1=4342KPaPc=4342KPa2.3.3 燃烧过程及燃烧终点气体状态柴油机的最大爆发压力：Pz=8000KPaPz=8000KPa压力升高比：=Pz/Pc=1.84,取=1.8=1.8燃烧终点的温度：Ty=TcPaPc=Tc=1642.9KHu=42500kj/kg=10153kcal/kg假定所求温度tz=1800，由表3-3和3-4得：(cp2)m=8.618，cpm=7.264(cp1)m=cpm+(cp2)m1+kcalkgmoltz=1(cp2)mdHuM1(1+)+(cp1)m+1.986(-1)tc+524(-d) =2097K换算成摄氏温度为1804度，与假

10、设温度符合。燃烧终点z的气缸容积：Vc=Vh-1=V=初期膨胀比：2.3.4 膨胀终点气体状态Pb=PzVzVbn2=Pzn2Tb=TzVzVbn2-1=Tzn2-1对于柴油机n2=1.221.32;取n2=1.26=335KPa=1089.8K=1089.8K2.3.5 示功图的绘制示功图绘制步骤：上面已经算出a、c、y、z、b五个点的值，定熵燃烧部分的曲线用把V取等步长求出P,用matlab画出出示功图：2.4发动机性能参数2.4.1平均指示压力理论平均指示压力：Pi=Pc-1-1+n2-11-n2-1-1n1-11-1n1-1kgf/cm2=8.8018, 换算成880.18Kpaf为丰

11、满系数，其值约为0.920.98取丰满系数为f=0.95836.17Kpa=836.17Kpa2.4.2 平均有效压力：=702.38Kpa=702.38Kpa其中，机械效率为m=0.84。2.4.3 有效功率：=25.8372kwP=25.8372kw2.4.4 充量系数的计算=0.83360.83362.4.5 指示热效率=0.41460.41462.4.6 燃油消耗率：有效燃油消耗率：=243.21(g/kw.h)234.21(g/kw.h)2.4.7 发动机总进气量四冲程发动机：Gs=vPsVhZRTsn60skg/s空气气体常数R=29.27kgm/kgdeg扫气系数s=1.0=0.

12、0361 kg/s0.0361(kg/s)3、活塞位移、活塞侧击力、加速度随曲轴转角变化曲线3.1活塞随曲轴转角的位移图活塞的位移由上止点开始计量，得(式中r是曲柄半径，l是连杆大小头中心距)3.2活塞速度随曲轴转角的变化曲线对活塞位移求一阶导数就得到近似活塞的速度公式：3.3活塞加速度随曲轴转角的变化曲线对速度公式求一阶导数得近似活塞加速度公式：4、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、主轴颈负荷图4.1气缸压力随曲轴转角变化曲线曲线绘制的基本思想：将曲线分为三段处理，分别是曲轴转角为0-180，180-540，540-720其中首段为Pa的压力，尾端为第三段到大气压力的过渡段，线性处理即可。第二段

13、根据p-v图的画法，根据不同转角下的气缸体积变化即可得到曲线。用到的公式：作用于活塞的力：4.2 气缸侧击力和连杆力随曲轴转角的变化曲线活塞侧击力：连杆力：4.3曲柄销处收到离心力和连杆力的合力4.4 第一主轴颈直角坐标及极坐标负荷图 4.5第二主轴颈极坐标负荷图默认各缸均匀、没有平衡重、且连杆大头在曲柄销正中间，第二曲拐相对第一曲拐360带入下式：4.6 各缸转矩图5 曲轴设计及强度校核5.1 参数选取根据教材p197页表12-1选取参数，已知缸径则可以选取如下参数。5.1.1 主轴颈直径d1=70mm，长度L1=41mm =42mmd1=70mm L1=41mm =42mm5.1.2 曲柄

14、销直径d2=62mm，长度L2=36mm，d2=30mm，偏心距=4mmd2=62mm L2=36mm，d2=30mm =4mm5.1.3 曲柄臂宽度=113mm，厚度=25.5mm=25.5mm其中油孔直径为6mm，轴颈过渡圆角=5mm油孔直径为6mm=5mm=13.5mm=13.5mm5.2 强度计算曲轴危险截面主要是主轴颈、曲柄销的圆角处及油孔中心面，只要算出其中最大当量应力，即可知道最危险的截面，再校核即可。根据教材p204页的内容。油孔处3-32-2截面1-1截面图中11、22截面，分别是主轴颈、曲柄销与曲柄臂相连接的过渡圆角处截面，33截面是曲柄销上油孔边缘处截面。由教材204页图

15、上所示，本人采用分两次加平衡块的方法，第一次加的平衡块用来平衡曲轴的曲柄销，相当于此时曲轴自身动平衡。第二次加上平衡块平衡连杆大头，这样就不用在校核之前计算曲轴曲柄臂质量、曲柄销质量、平衡块质量。=20.5mm，=33.25mm；=64mm=13.5mm，=25.5mm，圆角半径r=5mm，=0。油孔位置角度=65。2656N由于用matlab，中间很多变量都是随转角变化的量，所以不一一列出。5.2.1 圆角面1-1、2-2截面计算公式：弯矩：扭矩：拉压力：剪力：1-1、2-2截面的内力（内力矩）图：以下分别是弯矩、扭矩、拉压力、剪力。1-1、2-2截面危险点应力：主轴颈圆角处：=Mb11Wb

16、11+N11F11，=M11W11+Q11F11曲柄销圆角处：=N11F11+Mb11Wb11=Q11F11+M11W11主轴颈圆角处和曲柄销圆角处当量应力变化曲线：5.2.2 油孔所在中心平面对于3-3截面弯矩：扭矩：抗弯截面系数：抗扭截面系数油孔边缘危险点应力：；弯矩扭矩随曲轴转角变化图：油孔截面处当量应力变化曲线：5.3 疲劳安全系数的计算5.3.1判断危险点主轴颈圆角处最大当量应力=55.14Mpa主轴颈圆角=55.14Mpa曲柄销圆角处最大当量应力=35.19Mpa曲柄销圆角=35.19Mpa油孔处的当量应力=74.16Mpa油孔截面=74.16Mpa根据以上计算的结果，对各个危险点

17、的当量应力进行比较得，可得油孔处的当量应力最大，所以曲轴油孔处的截面是最危险截面，安全系数的计算则校3-3截面即可。=38.02Mpa，=-17.52Mpa； =38.02Mpa=-17.52Mpa=42.71MPa，=-18.95MPa=42.71MPa=-18.95MPa5.3.2材料选择及其疲劳极限曲轴所选材料为球墨铸铁（QT800-2），其力学性能:=800MPa，=480MPa,488Mpa,=360Mpa=476Mpa,=180Mpa,=306Mpa.,5.3.3 油孔边缘处应力=10.25MPa； =27.76MPa10.25MPa27.76MPa=11.87MPa； =30.8

18、3MPa11.87MPa30.83MPa5.3.4 循环特征=-0.4607；=-0.4438-0.4607-0.4438根据教材p209页表12-4，12-5，12-6，可取到如下数据：=2.1，=1.85，=0.702，=0.666，=1.30=0.3538=0.3538=0.7364=0.73645.3.5 安全系数=5.2349 （）5.2349=2.6482 （）2.64825.3.6 综合安全系数发动机曲轴安全系数在1.8-2.5之间是符合安全要求的，本次设计的曲轴安全系数为2.363，满足强度要求。所以曲轴合格。6曲轴平衡性分析6.1平衡性分析及平衡措施不平衡主要是由旋转惯性力及

19、往复惯性力引起的，进而产生力、主矩不为零，使得发动机振动等，旋转惯性力是比较容易平衡的，往复惯性力有一阶、二阶，变化也比较所以只能平衡一部分。为了获得更好的平衡性，在选择曲轴及发火顺序时应均匀且平横性好的。单列式发动机平衡方法有：利用平衡重达到外平衡；利用平衡重减轻主轴承载荷和内力矩；加平衡机构平衡往复惯性力。平衡性要求内平衡与外平衡都好。6.2平衡计算此次曲轴采用两缸曲柄销间隔360的曲轴，在静平衡上有一些缺点，但两缸发火均匀有弥补了这项不足，此外，这种曲轴还有利于加装废气涡轮增压器、有利于运转均匀性。平衡离心惯性力的质量： m为连杆大头质量，R为曲柄销半径，为平衡重的质心。平衡部分一阶往复惯性力的质量： 为活塞组质量加连杆小头的质量，R为曲柄销半径，为平衡重的质心。K取0.30.4是平衡系数以上两式右边均是可以算出的量，而左边就是用UG建模，平衡重使得两边相等为止即为平衡重。7 总结。我最有成就感的是我在做曲轴设计过程中，这么多的计算我把它在matlab中写成程序的形式，我想毕业设计时候应该会用到。以前都是自学matlab只是觉得有时间就看一下，它以矩阵的形式存储数据，在数学计算中应用很大。 第