柴油机曲轴飞轮设计说明书

1、第一章、八前言1.1 柴油 机 曲轴 设计 的 背 景柴油机具有良好的经济性、动力性及较高的热效率等显著优点, 在汽车节能等方面有较大的潜力。经过多年的研究和新技术的应用， 现 代 柴 油 机 的 现 状 已 与 往 日 不 可 同 日 而 语 。随 着 电 控 喷 射 、高 压 共 轨 、 涡 轮 增 压 、中 冷 等 先 进 技 术 的 应 用 ，柴 油 机 在 重 量 、噪 音 、烟 度 等 方 面 已 取 得 了 重 大 的 突 破 。我 国 小 缸 径 多 缸 增 压 柴 油 机 已 取 得 了 较 快 的 发 展，但 整个 市场 的需 求还在 增长 。2000 年， 中国 4缸以上

2、、缸 径小 于 100mm 的 多 缸 机 年 产 量 约 63.9W 台 ，主 要 用 于 农 用 运 输 车 、轻 型 车 、 面 包 车 、轮 式 拖 拉 机 、中 小 型 工 程 机 械 、小 型 船 舶 主 辅 机 等 。由 此 可 见，小缸径多缸柴油机的市场前景还是很客观的。四缸 柴油 机主 要应 用 于中 型轮 式拖 拉 机、中 型联 合 收割 机、中 型 工程机械、轻型汽车等的配套。随着人们对柴油机认识的逐步转变， 柴 油 机 的 应 用 领 域 也 在 不 断 地 扩 大 。柴 油 机 热 效 率 高 ，能 量 利 用 率 高 ， 节 能等特 点也 得到 认可 。柴油机 的供

3、 油系统相对简单 ，柴油机的 可靠 性也比汽油机好。在相同的功率情况下，柴油机的低速扭矩性较好， 功率大，完全符合农用机械的使用要求。随着电喷、高 压共轨、增 压中冷等先进技术的应用，柴 油机的燃 烧不断得到改善，在节能和有害物的排放方面的优势已逐渐显现出 来 。现 代 柴 油 机 随 着 强 化 程 度 的 提 高 ，柴 油 机 单 位 功 率 的 比 重 也 明 显 降 低 ，轻 量 化 、高 速 化 、低 油 耗 、低 噪 音 和 低 排 放 成 为 现 代 柴 油 机 的 发展方向曲轴 是发 动机 中最 重 要的 零件 之一 ，发动机 的全 部功 率都 是 通过 它 输 出 的 。而

4、且 曲 轴 是 在 不 断 周 期 性 变 化 的 力 、力 矩（ 包 括 扭 矩 和 弯 矩 ）的 共 同 作 用 下 工 作 的 ，极 易 产 生 疲 劳 破 坏 。曲 轴 形 状 复 杂 ，应 力 集 中 严 重 ，因 此 设 计 中 必 须 使 曲 轴 有 足 够 的 疲 劳 强 度 ，以 保 证 正 常 工 作。曲轴 是柴 油发 动机 的 重要 零件 。它可 以是有 若干 个相 互错 开 一定 角 度 的 曲 柄（ 或 曲 拐 ）加 上 功 率 输 出 端 和 自 由 端 构 成 的 。每 个 曲 柄 又 是 由 主 轴 颈 、曲 柄 销 及 曲 柄 臂 组 成 。曲 轴 的 作 用

5、 是 把 活 塞 的 往 复 直 线 运 动 变 成 旋 转 运 动 ，将 作 用 在 活 塞 的 气 体 压 力 变 成 扭 矩 ，用 来 驱 动 工 作 机 械 和 柴 油 机 发 动 机 各 辅 助 系 统 进 行 工 作 ，曲 轴 在 工 作 时 承 受 着 不 断变化的力，惯 性力和它们的力矩作用，受 力情况十分复杂。其精度 要 求 非 常 高 ，它 的 加 工 质 量 对 内 燃 机 的 工 作 性 能 ，对 装 配 劳 动 量 都 有 很 大 影 响 。因 此 ，各 要 素 的 尺 寸 精 度 ，位 置 精 度 和 表 面 质 量 要 求 相 当 高 。曲 轴 中 几 个 主 要

6、 加 工 表 面 ，连 杆 表 面 ，轴 承 轴 颈 及 锥 面 键 槽 的 精 度 要 求 都 较 高 ，连 杆 轴 颈 需 经 过 抛 光 。所 以 研 究 曲 轴 加 工 工 艺 对 曲 轴 的生产具有一定的实际意义。此设计的题目是曲轴飞轮组。曲轴是内燃机最主要的部件之一。它的尺寸参数在很大程度上决定并影响着内燃机的整体尺寸和重量， 内 燃 机 的 可 靠 性 和 寿 命 也 在 很 大 程 度 上 取 决 于 曲 轴 的 强 度 。因 此 ，设 计新型内燃机或老产品进行改造时必须对曲轴强度进行严格的安全 校 核 。近 年 来 随 着 发 动 机 动 力 性 和 可 靠 性 要 求 援

7、不 断 提 高 ，曲 轴 的 工 作 条 件 越 来 越 不 好 ，曲 轴 的 强 度 问 题 也 越 来 越 复 杂 。对 曲 轴 强 调 确 定 的 方 法 有 两 种 ：试 验 研 究 和 分 析 计 算 。此 外 ，曲 轴 的 平 衡 也 是 曲 轴 设 计时的一个重要问题，既要满足平衡又要减小平衡重质量。飞轮主要有以下作用：1、储存动能，使 曲轴转速均匀；2、驱 动 辅助装置；3、正时调整角度用。飞轮的设计原则是，质量尽可能小 的 前 提 下 具 有 足 够 的 转 动 惯 量 ，因 而 轮 缘 常 做 的 宽 厚 。在 进 行 曲 轴 飞 轮 组 设 计 时 曲 轴 的 强 度 、

8、平 衡 、飞 轮 的 平 衡 都 是 需 要 注 意 的 问 题 ，其 中 曲 轴 的 强 度 是 较 困 难 的 ，需 发 在 低 成 本 的 情 况 下 ，用 普 通 材 料 合 理 进 行 设 计 结 构 和 工 艺 ，使 曲 轴 满 足 强 度 要 求 。曲 轴 飞 轮 组 是 发 动 机 正 常 工 作 的 保 证 ，对 其 进 行 研 究 ，进 行 合 理 地 设 计 ，可 以 满 足 现 代 发 动 机的要求。1.2 国内外同类设计的概 况综 述近些 年来 ，我国的发动 机曲 轴生 产行业得到较大 的发展，总 量已 具 有 相 当 的 规 模 ，无 论 是 设 计 水 平 ，还

9、是 产 品 种 类 、质 量 、生 产 规 模 、 生 产 方 式 都 有 很 大 的 发 展 。曲 轴 是 发 动 机 中 承 受 冲 击 载 荷 、传 递 动 力 的 重 要 零 件 ，是 发 动 机 五 大 件 中 最 难 以 保 证 加 工 质 量 的 零 件 之 一 。由 于曲轴工作条件恶劣，因此，对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、 表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等，要求都十分严格。因此， 发达国家十分重视曲轴生产，不断改进其材质及加工工艺，以提高其 性能水平，满足发动机行业发展的需要。近几年来，我国不断引进国 外先进的技术，加以研究改进，使得国内曲轴加工技术发展十分迅速。 随

10、着改进后的加工工艺的逐渐应用，国内的曲轴加工水平正逐步提 高。曲轴是柴油机中关键零件之一，其材质大体分为两类：一是钢锻 曲轴，二是球墨铸铁曲轴。由于采用铸造方法可获得较为理想的结构 形状，从而减轻质量，且机加工余量随铸造工艺水平的提高而减小。 球铁的切削性能良好，并和钢制曲轴一样可以进行各种热处理和表面 强化处理，来提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。而且球铁中的内摩擦 所耗功比刚大，减小了工作时的扭转振动的振幅和应力，应力集中也 没有钢制曲轴的敏感。所以球磨铸铁曲轴在国内外得到广泛采用。从目前整体水平来看，毛坯的铸造工艺存在生产效率低，工艺装 备落后，毛坯机械性能还不稳定、精度低、废品率高等问题。

11、从熔炼、 球化处理、孕育处理、合金化、造型工艺、浇注冷却工艺等工艺环节 采取措施对提高曲轴质量具有普遍意义。目前，国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机床组 成的流水线生产，生产效率、自动化程序较低。而国外广泛采用数控 技术和全自动控制生产线，具有较高的灵活性和适应性，使曲轴的加 工精度、效率、整体质量显著提高。球铁曲轴具有诸多优点，国内外广泛采用。但整体水平与国外还 有相当差距，近年来，我国内燃机曲轴专业生产厂家通过引进技术消 化吸收和自行开发，总体水平有了较大的提高，但是我国距世界先进 水平仍相差很远，甚至于还满足不了我国内燃机工业技术发展的要 求。我国曲轴专业生产厂家不是很多，且

12、整体规模小、专业化程度低、 企业设备陈旧、产品设计和工艺落后、性能寿命和可靠性差、品种杂 乱和 三化”程度低，这些都影响了整机适应国内及国际市场的能力。 内燃机零部件行业将面临更加激烈的市场竞争，也将迎来新的发展机 遇。我们只有充分了解国内外内燃机曲轴技术水平，才能制造出具有 世界一流水平的内燃机曲轴，以实力参与市场竞争。第二章总体设计方案2.1 内 燃 机 设 计 要 求内 燃 机 设 计是 一 项 复 杂 的 工作 ，它 的 许 多 零 件 是 在 经 受 高 温 ，高 应 力 和 剧 烈 磨 擦 的 苛 刻 条 件 下 工 作 的 。这 就 使 设 计 人 员 必 须 掌 握 相 当 宽

13、 广 的 有 关 理 论 与 技 术 知 识 才 能 正 确 的 进 行 设 计 。我 们 设 计 的 目 的 是 为 了 应 用 于 实 际 ，因 此 ，我 们 在 设 计 的 时 候 ，首 先 要 根 据 实 际 需 要 来 确定设计的目的和要求。1 功 率 和 转速作 为 动 力 机械 ，使 用 者 对 内 燃 机 第一 位 的 要 求 是 应该 能 够 在 规 定 转 速 下 发 出 所 要 求 的 功 率 。转 速 和 功 率 的 具 体 数 值 是 根 据 用 途 来 确 定 的，它在设计中一般会给出，要求设计者能够按要求设计产品。2 内 燃 机 的经 济 性内 燃 机 的 经济

14、性 包 括 ：内 燃 机的 使 用 价 值 应 该 尽 量 大 ，而 为 使 用 内 燃 机 所 必 须 付 出 的 代 价 应 尽 量 小 。这 是 设 计 人 员 应 该 争 取 的 重 要 目 标之3.高的工作可靠性和足够的使用寿命现代内燃机寿命指标较先进的的大致为：运输用汽车内燃机30-60 万 公 里 ；拖 拉 机 及 农用 内 燃 机 6000-10000 小 时 ；工 程 机 械 用 内 燃 机 10000-28000 小 时 。4 内 燃 机 外廓 尺 寸 的 紧 凑和 质 量在 许 多 动 力装 置 中 ，为 了 能 有更 多 的 有 用 空 间 ，希 望 内 燃 机 本 身

15、 占 用 的 空 间 缩 至 最 小 ，即 要 求 内 燃 机 的 设 计 紧 凑 ，空 间 占 用 小 ，内 燃 机 的 质 量 就 小 ，质 量 小 是 我 们 追 求 的 目 标 。质 量 小 在 某 种 程 度 上 表 明 所耗用的金属质量少。5 内 燃 机 设计 的 三 化 问 题所谓三化，指产品系列化，零部件的通用化和设计的标准化。6 内 燃 机 的可 靠 性 及 其 它工 作 可 靠 是内 燃 机 应 该 具 有的 起 码 性 能 ，否 则 其 它性 能 将 无 从 谈 起。2.2内燃机的主要参数、气缸数与缸径压缩点火式内燃机，由于燃烧过程的特点，汽缸直径不能过小， 一般以不小于

16、85mm为宜。内燃机的缸径应符合系列型谱的规定，其 尾数应该取整数，优先选用0和5。二、活塞平均速度活塞平均速度Cm表征柴油机高速性和强化程度的一项主要指 标，对柴油机总体设计和主要零件结构形式影响很大。活塞平均速度 计算公式：cm聲。在功率给定以后，若平均有效压力、活塞行程 的缸数维持不变，提高活塞平均速度可使气缸直径减小，柴油机体积小、重量轻。但是提高活塞平均速度受到以下列因素的限制：1）提高活塞平均速度后，使运动件的惯性力增大，同时活塞, 缸套和气缸盖的热负荷也相应增加。2）提高活塞平均速度使柴油机零件的磨损加快，缩短了柴油机 大修期。3）活塞平均速度的提高，使摩擦功率损失增加，机械效率

17、降低， 燃油消耗率升高。4）进排气阻力随活塞平均速度的提高而增加，使充气效率降低。 随着活塞平均速度的提高，柴油机的平衡、振动和噪声等问题突出出 来。一般柴油机总哭声强度约与转速的三次方成正比。三、平均有效压力平均有效压力是表征柴油机强化程度的重要指标之一,可由下式求得：Pme Pg mVs式中Pme为平均有效压力0We为有效功（曲轴输出端的）Vs为气缸工作容积（活塞排量）P为平均指示压力 m为机械效率提 高 Pi 值 可 使 功 率 增 加 比 重 量 下 降 。然 而 机 械 负 荷 和 热 负 荷 也 随 之提高，影 响柴油机的可靠性和寿命。同 时，对 排气的有害成分、噪 声、振 动等都

18、有不利影响。提 高充气系数，改善工作过程，减 少机械 损失与热损失，是提高P值的主要措施，但是非增压柴油机P值的提 高 是 有 限 的 。最 有 效 的 措 施 是 采 用 增 压 或 增 压 加 中 冷 系 统 。在 选 定 柴 油机的的P值时一定要慎重。在进行设计是，它应根据同类型发动机 的实际数据来初步选定。四、行程及其与缸径的比值行 程 与 缸 径 比 S/D 是 对 柴 油 机 结 构 和 性 能 有 重 大 影 响 的 参 数 ，在气缸直径和活塞平均速度确定之后，就可以合理的选择S/D。并考虑以 下因素 ：1）选用较小的 S/D ， 可减小柴油机的高度宽度和质量。2）小的 S/D

19、可以缩小行程 S， 加大曲轴的 连杆轴颈和主轴颈重 叠度， 提高曲轴的弯曲和扭转刚度， 以及疲劳强度。3） 当 S/D 减小 时,柴油机的转速可 增加,提高了柴油机 的升功率, 但增加了运动件的惯性力和柴油机的噪声。4） S/D 比值过小，特别是直喷式燃烧室的柴油机，为保持一定的 压缩比£以及燃烧室容积与压缩容积之比值（Vh/Va ）,必将使活塞与 气缸盖之间需要更小的间隙， 这就增加制造上的困难如间隙不能保 证，将使发动机各项性能指标难以达到。5）选择风冷柴油机的 S/D 时， 应考虑缸套的散热睡布置。五、气缸中心距及其与缸径的比值气缸中心距及其与缸径的比值，是表征柴油机长度的紧凑

20、性和重量指标的重要参数，它与柴油机的强化程度、气缸排列和机体的刚度 有 关 。缸 心 距 的 大 小 主 要 取 决 于 气 缸 盖 型 式（ 整 体 式 、块 状 式 或 单 体 式 ）、 气 缸 套 型 式 （ 干 式 或 湿 式 ）、 直 列 式 还 是 V 型 、 水 冷 还 是 风 冷 、 以曲轴的结构型式和尺寸分配。六、压缩比压缩比直接影响柴油机的性能、机 械负荷、超支性能，以 及主要零件的结构尺寸。在一定范围内，柴油机的热效率随压缩比的增加而 提 高 。增 大 压 缩 比 也 可 使 柴 油 机 的 起 动 性 能 获 得 改 善 。但 压 缩 比 的 提 高 将 使 气 缸 最

21、 高 爆 发 压 力 相 应 上 升 ，机 械 负 荷 增 加 对 柴 油 机 使 用 寿 命 有影响。2.3 内 燃 机 的 设 计 方 法 和 在 设 计 中 应 注 意 的 问 题内燃机是一个结构复杂，布置紧凑的机器。它有许多零件组成， 各 个 零 件 之 间 不 但 必 须 以 一 定 的 配 合 关 系 联 系 成 一 个 整 体 ，而 且 必 须 在 作 相 对 运 动 的 过 程 中 互 不 干 涉 。因 此 ，在 设 计 每 一 个 零 件 时 ，必 须 把 它 看 作 是整 个内 燃机 的 一 部 分。并 注意 该零 件 与其 它零 件之 间 的 关 系。考虑到这一特点，通常

22、内燃机的技术设计要按一定的程序进行， 即 先 从 内 燃 机 的 全 局 出 发 确 定 出 各 个 局 部 结 构 的 轮 廓 尺 寸 ，再 根 据 给 定的轮廓尺寸设计各零部件的细节，然后再将各个局部汇合在一起， 从 总 体 结 构 上 审 查 各 个 局 部 的 设 计 是 否 正 确 。通 常 这 个 设 计 程 序 分 三 个阶段：草图设计、工作图设计和绘制装配图。在设计内燃机的过程中需要确定出主要零件的结构，尺寸和材 料 。在 这 里 考 虑 问 题 的 主 要 出 发 点 是 保 证 由 这 些 零 件 组 成 的 内 燃 机 能 够 有 效 的 实 现 将 燃 料 中 的 热

23、能 转 化 成 机 械 功 的 过 程 。这 就 必 须 使 零 件 的 结 构 ，尺 寸 和 所 用 材 料 适 应 工 作 过 程 的 需 要 。除 此 之 外 ，还 要 考 虑 另一方面的问题，这就是：1 受 力 问 题零 件 在工 作过 程中 要 承受 机械 负荷 的 作用 ，在力 的作 用下 零 件将 产 生 机 械 应 力 和 变 形 。机 械 应 力 超 过 一 定 的 限 度 时 零 件 将 发 生 断 裂 性 的破坏，变形超过一定的限度时零件之间的相互配合关系将被破坏。所 有 这 些 都使 零件 失去 工 作 能 力。因 此 ，在 设 计 每一 个零 件 时 都 要充 分 了

24、 解 该 零 件 在 工 作 过 程 中 所 受 力 的 大 小 和 力 的 作 用 情 况 。在 本 次 设 计中，充分的考虑了这个问题，在必要时进行了力的校核计算。2 磨 损 问 题内燃机的许多零件在力的作用下相互摩擦运动，如活塞与汽缸 壁 ，轴 颈 与 轴 承 等 。本 次 设 计 中 比 较 注 意 零 件 的 磨 损 问 题 ，对 受 到 磨 损的部位注意正确地供给润滑油和采取其它措施来延长零件的使用 寿命。3 热 负 荷 问题内燃 机的 许多 零件 ，如活塞 ，汽缸和 汽缸盖 等在 工作 中要与 高温 气 体 相 接 触 ，在 此 情 况 下 零 件 被 破 坏 。本 次 设 计

25、为 水 冷 柴 油 机 ，在 必 要处都布置有冷却水道或利用润滑油进行冷却散热。上面这三个问题是在内燃机的过程中经常遇到并必须注意解决 的 问题 ,总括 起来说就 是 ：零 件必 须 有足 够的 强 度和 刚度 ，以 便 能够 随 力 的 作 用 必 须 注 意 减 小 零 件 的 磨 损 和 提 高 耐 磨 性 ，以 便 延 长 零 件 的 使 用 寿 命 ；必 须 注 意 零 件 的 热 强 度 、热 变 形 与 热 应 力 的 问 题 以 便 使 零 件能够在高温条件下可靠工作。第三章曲轴零件的设计曲轴是发动机最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而

26、且也在很大程度上影响着发动 机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着发 动机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻，因此，曲轴的强度 和刚度问题就变的更加严重，在设计曲轴时必须正确的选择曲轴的尺 寸参数、结构形式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果。3.1柴油机的结构参数 初始条件1.60KW平均有效压力:pme 0.8 1.2Mpa活塞平均速度:V m < 18 m /2.发动机类型依据题意冲程数选择为直列式四冲程，即T =43.基本参数行程缸径比S/D的选择根据参考文献【内燃机学】得相应柴油机的行程缸径

27、比在1.0至1.3之间。初步选择行程缸径比为1.1，即效压力 pme 0.9Mpa。S/D=1.1 。同时初选平均有2）气缸工作容积Vs,缸径D的选择根据内燃机学的基本计算公式:PePme VS i n Vm Uvs3030TD2 S其中Pe为发动机的有效功率，依题为60kwpme为发动机的平均有效压力，依题为0.9 MpaVs为汽缸的工作容积，Vs=1.0L为发动机的转速Vm为活塞的平均速度，依题为 18m/sS 为发动机活塞的行程D为发动机汽缸直径为发动机的行程数，依题为4根据参考文献【内燃机学】参照我国近年生产的部分内燃机产品的性能参数表得非增压4缸四冲程柴油机的升功率一般为15至25

28、之间，同时为了便于设计过程的进行，初步确定单缸气缸工作容积为1L。由 Vs2 -D S，以及 S/D=1.1，可得 D=105mm，所以 S=1.1，4D=115.5mm0再根据以上的条件代入以上公式得:D=105mm，S=115.5mm由于Vm=7.7m/s介于，Vm=7.7m/s， Pme =0.9MPa ， n=2000 r/min6-9之间，则按Vm分类得该柴油机为中速柴油机。由单位活塞面积功率PF止Pmei nVSPme nS得i* Fp225 iFp225memePF=0.231Kw/cm2>0.2Kw/cm 2，所以需要向活塞内壁喷油冷却，一般通过固定在机体内壁上的喷嘴喷机

29、油。3.2热力学计算通常根据内燃机所用的燃料，混合气形成方式，缸内燃烧过程（加 热方式）等特点，把活塞式内燃机的理想循环分为三类，即混合加热 循环理想循环（萨巴德循环）、定压加热理想循环（狄赛尔循环）、定 容加热理想循环（奥托循环）。柴油机实际循环近似看成混合加热循 环理想循环。柴油机的工作过程包括进气、压缩、做功和排气四个过 程。在本设计过程中，先确定热力循环基本参数然后重点针对压缩和 膨胀过程进行计算，绘制P-V图并校核。为建立内燃机理论循环，均匀等需对内燃机的实际循环中大量存在的湍流耗散以及温度压力分布不系列不可逆损失作必要地简化和假设，归纳起来有以下几占:八、假设工质是理想气体，其物理

30、常数与标准状态下的空气物理常数相同。忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环。假设工质的压缩及膨胀是可逆变过程。假设燃烧过程为等容、等压、混合加热过程，工质放热为定容放321热力循环基本参数的确定根据参考文献【内燃机原理】非增压活塞冷却柴油机压缩过程绝热指数n1=1.351.40，初步取n1=1.37 ;膨胀过程绝热指数n2=1.251.30，初步取n2=1.30 ;根据参考文献【内燃机原理】非增压中速柴油机压缩比=1415 ,初取几何压缩比=14 ；有效压缩比 =12.8 。根据参考文献【发动机设计】取入=1.4;确定其他参数如下：环境压力Po=0.1013Mpa;环境温度To=

31、293K ;燃 烧过量空气系数 a =1.27 ;残余废气系数 丫 =0.04;残余废气温度Tr=650K ;压缩始点压力 Pa=0.95Po=0.096235Mpa;最大燃烧压力Pz=4.43M pa;Z点热利用率系数E z=0.7; B点热利用率系数E b=0.85;燃烧室扫气系数© s=1.05;燃料质量分数C=0.87 , H=0.126 , 0=0.004 ;燃料低热值 Hu=42286.68KJ/Kg。3.2.2各过程的热力学计算根据参考文献【内燃机原理】P66页例题，对各参数作如下计算： 压缩始点温度(5)(6)TaT kTkc Tr1293 2 “ O.。* 4 65

32、0308.654K ;1 0.04压缩始点压力P a=0.95* Po=0.096235Mpa充气系数 v(4)平均多变压缩指数 由上述得n1=1.37 ;Tc压缩终点温度Ta (n1 1) 308.65412.8.37 792.75K;压缩终点压力PC Pan1 0.09623512.8.37 3.1638Mpa（7）燃料燃烧所需理论空气量Lo=0.495 kmol （空气）/kg （燃料）；（8）燃料燃烧所需实际空气量L=a Lo =1.27Lo=0.62865kmol （空气）/kg （燃料）;理论分子变化系数P 0=1+0.0639/ a = 1.05457 ;(10)实际分子变化系数

33、气457.。：04 1.0524 得 B =1.0524 ；(11)z点烧去的燃料质量分数Xz-竺 0.823529412 ; b 0.85(12)z点处分子变化系数z=1 +1 +xz=1.0432 ;(13) z点燃烧产物的平均摩尔比定容热容Cvpmz(g)cv 0) (xz购 26.68672325 ；(1)0.064xz(14)b点燃烧产物的平均摩尔比定容热容Cvpmb(1.064)Cv (1)(1 心 27.13726083 ;(1)0.064(15)z点燃烧产物的平均摩尔比定压热容（19）初膨胀比Cppmz Cvpmz 8.315 35.00172325；(16)燃料发热量HuHu

34、 L(1)( Cvpmbcv) 29343088.10052KJ/Kg(燃料)；(17)压力升高比pzpc1.4 ；(18)cyz段的燃料燃烧公式，求最大燃烧温度Tz :zH uLo1.941151394(c v 8.315 )Tc(Cvpmb 8.315 )Tcz(1)CppmzTz联立求 解得：Tz=2047KTz 1.0524*2047Tc 1.4*792.756(20)后膨胀比12.81.9411513946.594 ；(21)(22)(23)(24)Tb Tz -b 2047*z膨胀终点压力：pb1.05241.0432pzn21172.763 K ;6.5940.34 43 Mpa

35、 0.381454739 Mpa ; 6.594 .理论平均指示压力(以有效行程为准)多变膨胀指数由上述得n2=1.30 ; 膨胀终点温度：通常情况下，压缩始点的压强在Pa= ( 0.80.9 ) Po ( Po为当地n2 1pi 日(1) nri(1 由害曰.2928"pa ；(25)实际平均指示压力(以全行程为准)1)(3 pa)()1.2928(12.81) (0.381454730.096235(14 12.8) 1 127g053Mpa14 1(26)指示油耗givpk28.96 LTkpi12.54106162.5811053g/(kW.h);指示效率3600000giH

36、u3600000162.5811053 42286.680.523635208 ；(27)柴油机总机械效率0.8 ；柴油机平均有效压力pmepi * m 1.127805363*0.80.902244291 Mpa ；柴油机的有效油耗ge 2m162.5811053203.2263816g/(kW.h);0.8柴油机有效效率e i* m 0.523635208*0.8 0.418908166 ；(28)柴油机 气缸基本尺寸 圆整：D=105mmS=116mmS/D=1.105Vm=7.733m/s.3.2.3 P-V 图的绘制大气压力值)，假定外界 Po=0.1013Mpa ，选定R=0.09

37、6235MPa ，将压缩过程近似看作可逆多变过程，由上一步m 1.37，并利用PVn=co nst，利用前面计算所得单缸容积，可以在excel中绘出压缩过程线。混合气体在气缸中压缩后，先经等容加热，利用 值可得最大 爆发压力值，然后进行等压加热，利用初期膨胀比可以确定该过程的1.30，终点气缸工作容积。膨胀过程类似于压缩过程，n2由上一步取得绘出膨胀线。最后连接膨胀终点和压缩始点。得出理论的P-Vc、/1.371.37PaVa =PcVcP a=0.096235MPa,Va=1.06666L,Vc=Va/( -1)=0.06666L,得 P c=4.2957MPa;Pz=6.014 MPaVz

38、 =Vz* p =0.12941LPz= X * Pc=6.014MPa,Pz Vz'1.3=PbVbPz =1. 3Pme*100% = 1.6%同时得 Pe =59.1KW.P b=0.3875MPa绘图采用描点绘图法，以压缩过程为例。压缩线上的点满足，(0.06666L-1.06666L), 最后以V为横坐标，对应的P为纵坐标，绘制理论 P-V图曲线，其他曲线的绘制可以类似绘制，相关数据记录于附表1中图形3.2.4 P-V 图的调整实际的P-V图和利用多变过程状态方程绘制的P-V图还存在 些差别，在发动机中，为了使其动力性、经济性达到最优。采取了点 火提前，排气提前。从内燃机、汽

39、车构造中可知主要是点火提 前角和配气相位的原因。对上图作以下调整:点火提前角：常使用的范围是(1015。)，考虑实际过程与理论 过程的差异，实际过程中的最大爆 发压力达不到理论值。还有就是在上止点后12°。综合考虑以上因素后，将上面的P-V作 调整后的P-V图如下：图2调整后P-V图325体积 (L )有效功及有效压力的求解""666o.1O513*Vx( 1.37)dVx0.06666=1.21641+0.387376-0. 4968486=1.1073Kw所以，Pme '=Wi* n m/Vs=1.1073*0.8/1.0=0.88584Mpa；其中

40、n m由热力学计算所绘制的示功图为理论循环的示功图，其围成的面 积表示的是汽油机所做的指示功W数值由对示功图积分后求得的面 积来表示：Wi S2 S3 S1 Pz*(Vz'Vz) :Pb*Vb1.3*Vx(1.3)dVx :Pa*Va1.37*Vx(1.37)dVx其 中：Pz=6.014Mpa ;Pa=0.096235Mpa ; Pb=0.38145MpaVb= Va =1.06666LVz '=0.12941L ;Vz=0.06666L将上述数值代入得:1.066661.3S。14*©12941O.。6666)o.12941 O.42142*VXdVX为汽油机的机

41、械效率，；n m=0.85,则误差为(Pme - pme ' )/与刖面计算的结果大致一样，在+2%以内，故上面选取的参数和以后的相关计算在满足制造的同时能够前后一致。326 P-V 图向Pg-a图的转化V=Vr+Vx,其中Vr为燃烧室容积，Vx为气缸容积，Vx=D2x04知道活塞位移x和曲轴转角a的关系（见下面对应内容），则可以在EXCEL 表格中，求取出相应转角a时对应的气缸容积V。由2.3和2.4的内容，综合应用，每隔5°求（P，V） 0做出pg- a图如图3 所示，数据记录于附表2中0图3 缸内压力一曲轴转角图43210050 100 150 200 250 300

42、350 400 450 500 550 600 650 700 750 800曲轴转角 (° )第四章 曲轴零件的结构的设计4.1 曲轴 的 工作 条件 ， 结 构形 式和 材 料的 选 择4.1.1 曲 轴 的工 作条 件和 设计要 求曲轴 是在 不断 周期 性 的气 体压 力、往 复和旋 转运 动质 量的 惯 性力 以 及 它 们 的 力 矩（ 扭 转 和 弯 曲 ）共 同 作 用 下 工 作 的 ，使 曲 轴 既 扭 转 又 弯 曲 ，产 生 疲 劳 应 力 状 态 。对 于 各 种 曲 轴 ，弯 曲 载 荷 具 有 决 定 性 意 义 ， 而 扭转载 荷仅 占次 要地 位，曲

43、轴 破坏 统计表明，80左右 是由弯 曲疲 劳 产 生 的 。因 此 ，曲 轴 结 构 强 度 研 究 的 重 点 是 弯 曲 疲 劳 强 度 。设 计 曲 轴 时 ，应 保 证 它 有 尽 可 能 高 的 弯 曲 强 度 和 扭 转 刚 度 。要 使 它 具 有 足 够 的 疲 劳 强 度 ，特 别 要 注 意 强 化 应 立 集 中 部 位 ，设 法 缓 和 应 力 集 中 现 象 ， 也就是采用局部强化的方法来解决曲轴强度不足的矛盾。曲轴 各轴 颈在 很高 的 比压 下，以 很大 的相对 速度 在轴 承中 发 生滑 动摩擦。这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体摩擦， 尤 其 当

44、 润 滑 不 洁 净 时 ，轴 颈 表 面 遭 到 强 烈 的 磨 料 磨 损 ，使 得 曲 轴 的 实 际 使 用 寿 命 大 大 降 低 。所 以 设 计 曲 轴 时 ，要 使 其 各 摩 擦 表 面 耐 磨 ，各 轴颈应具有足够的承压面积同时给于尽可能好的工作条件。4.1.2 曲 轴 的结 构形 式曲轴 从整 体结 构上 看 可以 分为 整体 式 和组 合式 ，随着 复杂 结 构铸 造 和 锻 造 技 术 的 进 步 ，现 代 内 燃 机 几 乎 全 部 都 用 整 体 式 曲 轴 。从 支 承 方 式 看 ，曲 轴 有 全 支 承 结 构 和 浮 动 支 承 结 构 ，为 了 提 高

45、曲 轴 的 弯 曲 强 度和刚度，现代多缸内燃机的曲轴都采用全支承结构。4.1.3 曲 轴 的材 料曲轴 的材 料应 具有 较高的 疲劳 强度 、必要的 硬度 以及 较好 的淬透 性 。曲 轴 常 用 材 料 根 据 其 毛 坯 制 造 方 法 的 不 同 可 以 分 为 两 类 ：锻 造 曲 轴 材 料 和 铸 造 曲 轴 材 料 。本 次 课 程 设 计 中 选 用 铸 造 曲 轴 材 料 。曲 轴 材 料一般使用 45 ， 40Cr ， 35Mn2 等中碳钢和中碳合金钢以及球墨铸铁QT60-2 、可 锻铸铁 KTZ70-2 、合 金铸铁及铸通 ZG35 等。钢 制曲轴采 用铸造很少，绝大

46、多数是锻造的。本次设计的发动机的升功率仅为精 加 工 。目 前 球 磨 铸 铁 由 于 性 能 优 良 ，加 工 方 便 ，价 格 便 宜 广 泛 的 用 于 曲 轴 材 料 。 本 设 计 采 用 QT800.4.2 曲 轴 主 要 尺 寸 的 确 定 和 结 构 设 计 细 节4.2.1 主 要 尺 寸综合以上考虑，确定主要尺寸如下：主 轴 颈 直 径 ：D1=( 0.65-0.80 )D=70mm长 度 ：L1=( 0.4-0.45)D=42mm曲 柄 销 直 径 ：D2=( 0.55-0.7 )D=60mm长 度 ： L2=( 0.35-0.45)D=38mm曲柄臂厚度：h= ( 0.

47、2-0.3 ) D=23mm宽 度 b= ( 1.0-1.3 )D=118mm根据主轴颈长度和曲 柄销长度以及曲柄臂的厚度，确定缸心距L=2h+L1+L2=126mm4.2.2 一 些 细节 设计1. 油道 布置在 确定 主轴颈上 油 道入 口和 曲 柄销 上油 道出 口 的位 置时 ， 既要考 虑 到 有 利 于 供 油 又 要 考 虑 到 油 孔 对 轴 颈 强 度 的 影 响 最 小 。一 般 油 孔 只要安排在曲拐平面旋转前40。90°的低负荷区都是合理的，油道 不 能离轴 颈过 渡圆 角太 近。油孔直径一 般不大于 0.1d 2， 但最 小不得 小 于 5mm 。 孔口 不

48、应 有尖角锐边 ，而 应有 不小 于 0.04 d 2的圆 角以减 缓应力集中。2. 曲轴 两端 的结构曲 轴前端一般 装有扭转减 震器，发动机的各种辅助装置如机油 泵 ，冷 却 水 泵 等 ，由 安 装 在 前 端 的 齿 轮 或 皮 带 轮 驱 动 ，配 气 正 时 齿 轮 也安装在曲轴前端。曲轴 末端 装 有飞 轮， 用于 输出 总 转矩 ，因 此 末端 要做 的粗一 些。3. 曲轴 的止 推为了防止曲轴产生轴向位移，在曲轴机体之间需要设置一个止推 轴 承 ，承 受 斜 齿 轮 的 轴 向 分 力 和 踩 离 合 器 产 生 的 轴 向 推 力 。一 般 将 止 推 轴 承 设 置 在

49、中 央 轴 承 的 两 侧 或 后 主 轴 承 的 两 侧 。止 推 轴 承 间 隙 多 为0.05-0.2mm4. 过渡 圆角主 轴 颈到 曲柄 臂 的 国 度 圆 角 半 径 R 对 于 曲 轴 弯 曲 疲 劳 强 度 影 响 很 大，增 加 圆 角 对 于 提 高 曲 轴 疲 劳强 度 非 常 有 利 ，但 对于 表 面 耐 磨性 有 不 利 影 响 ，在 保 证 耐 磨 条 件 下 取 最 大 圆 角 。一 般 R 不 应 小 于 2mm ， 否则无法加工。第五章 曲轴强度的校核5.1静强度计算由前面动力学计算得强度校核要用到的基本数据如下：径向力Pk=PICOS(a +卩)=P春，由

50、上述的图及相关数据得：P k max48916.04 NPk min -2.033871497N切向力Pt=Pi sin(a +B )=PS，由上述图及相关数据得：Pt max 25557.36062NPt min ON32主轴颈中 心到 曲柄销中 心 的距离La= ( 42+38)/2+23=63mm主轴颈中心到曲柄臂中心的距离Lb=(42+23)/2=32.5mm主轴颈的径向反力Pk =-1* PkP k max 24458.02Pk min 1.016935749N主轴颈的切向反力Pt* rPt =-1.657142857Pt/2D1Pt max22676.1NPt min0N5.1.1

51、连杆轴颈的计算在曲拐平面内的弯曲应力x Ma PlkPkmax *0.063*32W_d3.1415926*0.06332145.324299Mpa其中W为抗弯截面模量，对圆截面而言有 W= d 3 /32=2.12058*0.00001m3在垂直于曲拐平面的弯曲应力y Ml pt* La3Wd2325557.36*0.063*3275.92816459M pa3.1415926*0.06 3弯曲总应力=J( X)2+( y)2 丿75.9281652 145.3242992163.9641369Mpa扭转应力k PH 25557.36062*0.058*31634.9511M paWp3.1

52、415926*0.06 3其中 Wp 为抗弯截面模量，对圆截面而言W= d2/16=0.0000424115m3弯扭总应力cy J 2 4* k2J163.964136g 4*34.95112 178.243MPa小于该材料所许可的最大应力=800M Pa ，所以在允许范围内5.1.2曲柄臂计算压缩应力：Pk'c bhP k ' max0.135*0.02324458.027.877M Pa0.135*0.0230弯曲应力:曲拐平面:MkwxPk max* Lah*b2648916.04*0.063*644.111M Pa0.023*0.1352其中 WxW=h*b 2/6=0

53、.0000698625m对矩形截面而言垂直曲拐平面:MtW?Pt' max* rb*h2621176.1*0.058*60.135*0.0232103.19 MPa其中 Wy 为抗W=b*h 2/6=0.000071415m对矩形截面而言有(3)扭矩Mk引起的弯曲应力maxMkW?P t max * rb* h242352.2*0.058*60.135*0.0232207.8MPaW=b*hWy为抗弯截面模量，对矩形截2/6=0.000071415m3.面而言有(4)扭矩Mk易引起的扭转应力0.135*0.0232kmax 坐 P'max半 22676.1*0.0325*661

54、.9175M PaWyb*h2cyc)24* k max2J207.82 103.192 44.1112 7.8772 4*61.91752266.0716678M Pa小于该材料所许可的最大应力c 800MPa ，所以在允许范围内。5.2曲轴疲劳强度校核由于曲轴工作时承受交变载荷，它的破坏往往都由疲劳产生。因 此，对内燃机各种曲轴均须进行疲劳校验。曲柄的疲劳强度验算的目 的是曲轴不但在运转中安全可靠，而且能充分利用材料的疲劳强度。为此，要求能够较精确的确定曲轴的疲劳强度和曲轴运转时的实际应M max = 738.75761NmM min = 0 ；5.2.1主轴颈的计算maxM maxWk738.75761b*h2738.75761*662.067MPa0.135*0.023*0.023minM min"WT0-0MPa b*h262*280k(max min)(max min)-07 (62.0670) 0.3(62.0670.666.630)其中k = 0.7，=0.9*0.74=0.661 = 280N/mm 20.3(2)扭转疲劳强度maxM max Pt max* La帀 b*h2625557.36062*0.063*60.135*0.023