發(fā)動機設(shè)計說明書.doc

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課 程 設(shè) 計課程名稱： 發(fā)動機設(shè)計 設(shè)計題目： 曲軸設(shè)計 學(xué) 院： 交通工程 專 業(yè)： 車輛工程 年 級： 2010級 學(xué)生姓名： 趙友 指導(dǎo)教師： 畢玉華（教授） 日 期： 2013年9月 教 務(wù) 處 制目 錄1 總體布局，結(jié)構(gòu)特點以及選用原則系統(tǒng)分析11.1 發(fā)動機設(shè)計總體一般要求11.2 立式直列水冷四沖程柴油機的特點12 標(biāo)定工況（最大功率）工作過程及熱力計算和示功圖繪制12.1熱力計算12.1.1熱力計算的目的12.1.2熱力計算方法22.2 重要參數(shù)選取22.1.1 壓縮比22.1.2 過量空氣系數(shù)22.1.3 殘余廢氣系數(shù)22.1.4 進氣溫升和殘余廢氣溫度22.1.5 熱量利用系數(shù)22.1.6 示功圖豐滿系數(shù)22.1.7 機械效率22.1.8 平均多變壓縮指數(shù)22.1.9 平均多變膨脹指數(shù)22.2 燃料燃燒化學(xué)計算22.2.1 理論空氣量的計算22.2.2理論分子變化系數(shù)22.2.3 實際分子變化系數(shù)32.3燃?xì)膺^程參數(shù)的確定與計算32.3.1 壓縮始點的氣體狀態(tài)32.3.2 壓縮終點的氣體狀態(tài)32.3.3 燃燒過程及燃燒終點氣體狀態(tài)42.3.4 膨脹終點氣體狀態(tài)52.3.5 示功圖的繪制52.4發(fā)動機性能參數(shù)62.4.1平均指示壓力62.4.2 平均有效壓力：62.4.3 有效功率：62.4.4 充量系數(shù)的計算72.4.5 指示熱效率72.4.6 燃油消耗率：72.4.7 發(fā)動機總進氣量73、活塞位移、活塞側(cè)擊力、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線73.1活塞隨曲軸轉(zhuǎn)角的位移圖73.2活塞速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線83.3活塞加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線94、氣缸壓力、活塞側(cè)擊力、連桿力、主軸頸負(fù)荷圖114.1氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線114.2 氣缸側(cè)擊力和連桿力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線124.3曲柄銷處收到離心力和連桿力的合力134.4 第一主軸頸直角坐標(biāo)及極坐標(biāo)負(fù)荷圖144.5第二主軸頸極坐標(biāo)負(fù)荷圖154.6 各缸轉(zhuǎn)矩圖165 曲軸設(shè)計及強度校核175.1 參數(shù)選取175.1.1 主軸頸175.1.2 曲柄銷175.1.3 曲柄臂175.2 強度計算175.2.1 圓角面195.2.2 油孔所在中心平面225.3 疲勞安全系數(shù)的計算245.3.1判斷危險點245.3.2材料選擇及其疲勞極限245.3.3 油孔邊緣處應(yīng)力255.3.4 循環(huán)特征255.3.5 安全系數(shù)255.3.6 綜合安全系數(shù)266曲軸平衡性分析266.1平衡性分析及平衡措施266.2平衡計算267 總結(jié)。278參考文獻(xiàn)。28課 程 設(shè) 計 說 明 書計 算 及 說 明結(jié) 果1 總體布局，結(jié)構(gòu)特點以及選用原則系統(tǒng)分析1.1 發(fā)動機設(shè)計總體一般要求根據(jù)發(fā)動機的使用，對發(fā)動機的提出各種要求，由于該發(fā)動機是用于農(nóng)用運輸車、工程、床用以及發(fā)電機用動力，所以要求有足夠的功率，能夠在較寬的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，燃料和機油消耗少，體積小，重量輕，工作可靠，壽命長，污染少，震動噪聲小，能適應(yīng)各種使用條件，制造成本低，維修方便等1.2 立式直列水冷四沖程柴油機的特點 機體的寬度小而高度和長度大，一般只適用于六缸以下的發(fā)動機，四沖程柴油機的燃油經(jīng)濟性好，可靠性和耐久性高，發(fā)生故障較少，燃油和潤滑油 消耗少，HC排放量較二沖程的小，怠速和低負(fù)荷工況運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，活塞和缸套的熱負(fù)荷較二沖程小，另外水冷，能夠保證發(fā)動機良好地冷卻效果，減少了零件的強度下降，同時可以改善燃燒室的冷卻而允許發(fā)動機有較高的壓縮比，從而可以提高發(fā)動機的熱效率和功率。2 標(biāo)定工況（最大功率）工作過程及熱力計算和示功圖繪制2.1熱力計算2.1.1熱力計算的目的在發(fā)動機設(shè)計前經(jīng)過熱力計算，算出混合加熱循環(huán)幾個特殊點的壓力、體積、溫度關(guān)系，進一步繪制出示功圖為后面計算動力學(xué)、零部件設(shè)計計算及校核做準(zhǔn)備。2.1.2熱力計算方法根據(jù)發(fā)動機設(shè)計手冊上的熱力計算部分進行熱力計算，算出各個狀態(tài)點的狀態(tài)參數(shù)。2.2 重要參數(shù)選取2.1.1 壓縮比 =17.52.1.2 過量空氣系數(shù) =1.452.1.3 殘余廢氣系數(shù) =0.032.1.4 進氣溫升和殘余廢氣溫度 =20 =950K2.1.5 熱量利用系數(shù) =0.82.1.6 示功圖豐滿系數(shù) =0.952.1.7 機械效率 =0.842.1.8 平均多變壓縮指數(shù) =1.362.1.9 平均多變膨脹指數(shù) =1.262.2 燃料燃燒化學(xué)計算2.2.1 理論空氣量的計算= + - )= + - )= + - )=0.494(kgkcal/kg)=0.494(kgkcal/kg)換算成重量：L=28.962.2.2理論分子變化系數(shù)=1 + =1 + =1.04=1.042.2.3 實際分子變化系數(shù) = = = 1.0431.0432.3燃?xì)膺^程參數(shù)的確定與計算2.3.1 壓縮始點的氣體狀態(tài)四沖程柴油機在進氣門關(guān)閉后，壓縮始點的溫度：當(dāng)為非增壓時=非增壓四沖程柴油機：取=15k，750k= 20k 750k殘余廢氣系數(shù)=0.030.06，取=0.03=0.03 = 325.7282K 325.7282K壓縮始點時的壓強：=(0.0900.098)Pa=0.998.39=88.551KPaPa=88.551KPa2.3.2 壓縮終點的氣體狀態(tài)壓縮終點的溫度：=912K 912K壓縮終點的壓力：=4342KPa4342KPa2.3.3 燃燒過程及燃燒終點氣體狀態(tài)柴油機的最大爆發(fā)壓力：Pz=8000KPaPz=8000KPa壓力升高比：=Pz/Pc=1.84,取=1.8=1.8燃燒終點的溫度：=1642.9KHu=42500kj/kg=10153kcal/kg假定所求溫度，由表3-3和3-4得： =2097K換算成攝氏溫度為1804度，與假設(shè)溫度符合。燃燒終點z的氣缸容積：V=初期膨脹比：2.3.4 膨脹終點氣體狀態(tài)對于柴油機取=1.26=335KPa=1089.8K=1089.8K2.3.5 示功圖的繪制示功圖繪制步驟：上面已經(jīng)算出a、c、y、z、b五個點的值，定熵燃燒部分的曲線用把V取等步長求出P,用matlab畫出出示功圖：2.4發(fā)動機性能參數(shù)2.4.1平均指示壓力理論平均指示壓力：=8.8018, 換算成880.18Kpa取豐滿系數(shù)為=0.95836.17Kpa=836.17Kpa2.4.2 平均有效壓力：=702.38Kpa=702.38Kpa其中，機械效率為=0.84。2.4.3 有效功率：=25.8372kwP=25.8372kw2.4.4 充量系數(shù)的計算=0.83360.83362.4.5 指示熱效率=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 發(fā)動機總進氣量四沖程發(fā)動機：空氣氣體常數(shù)R=29.27掃氣系數(shù)=0.0361 kg/s0.0361(kg/s)3、活塞位移、活塞側(cè)擊力、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線3.1活塞隨曲軸轉(zhuǎn)角的位移圖活塞的位移由上止點開始計量，得(式中r是曲柄半徑，是連桿大小頭中心距)3.2活塞速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線對活塞位移求一階導(dǎo)數(shù)就得到近似活塞的速度公式：3.3活塞加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線對速度公式求一階導(dǎo)數(shù)得近似活塞加速度公式：4、氣缸壓力、活塞側(cè)擊力、連桿力、主軸頸負(fù)荷圖4.1氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線曲線繪制的基本思想：將曲線分為三段處理，分別是曲軸轉(zhuǎn)角為0-180，180-540，540-720其中首段為Pa的壓力，尾端為第三段到大氣壓力的過渡段，線性處理即可。第二段根據(jù)p-v圖的畫法，根據(jù)不同轉(zhuǎn)角下的氣缸體積變化即可得到曲線。用到的公式：作用于活塞的力：4.2 氣缸側(cè)擊力和連桿力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線活塞側(cè)擊力：連桿力：4.3曲柄銷處收到離心力和連桿力的合力4.4 第一主軸頸直角坐標(biāo)及極坐標(biāo)負(fù)荷圖 4.5第二主軸頸極坐標(biāo)負(fù)荷圖默認(rèn)各缸均勻、沒有平衡重、且連桿大頭在曲柄銷正中間，第二曲拐相對第一曲拐360帶入下式：4.6 各缸轉(zhuǎn)矩圖5 曲軸設(shè)計及強度校核5.1 參數(shù)選取根據(jù)教材p197頁表12-1選取參數(shù)，已知缸徑則可以選取如下參數(shù)。5.1.1 主軸頸直徑d1=70mm，長度L1=41mm =42mmd1=70mm L1=41mm =42mm5.1.2 曲柄銷直徑d2=62mm，長度L2=36mm，d2=30mm，偏心距=4mmd2=62mm L2=36mm，d2=30mm =4mm5.1.3 曲柄臂寬度=114mm，厚度=25.5mmb=114mm=25.5mm其中油孔直徑為6mm，軸頸過渡圓角=5mm油孔直徑為6mm=5mm=13.5mm=13.5mm5.2 強度計算曲軸危險截面主要是主軸頸、曲柄銷的圓角處及油孔中心面，只要算出其中最大當(dāng)量應(yīng)力，即可知道最危險的截面，再校核即可。根據(jù)教材p204頁的內(nèi)容。油孔處3-32-2截面1-1截面圖中11、22截面，分別是主軸頸、曲柄銷與曲柄臂相連接的過渡圓角處截面，33截面是曲柄銷上油孔邊緣處截面。由教材204頁圖上所示，本人采用分兩次加平衡塊的方法，第一次加的平衡塊用來平衡曲軸的曲柄銷，相當(dāng)于此時曲軸自身動平衡。第二次加上平衡塊平衡連桿大頭，這樣就不用在校核之前計算曲軸曲柄臂質(zhì)量、曲柄銷質(zhì)量、平衡塊質(zhì)量。=20.5mm，=33.25mm；=64mm=13.5mm，=25.5mm，圓角半徑r=5mm，=0。油孔位置角度=65。2656N由于用matlab，中間很多變量都是隨轉(zhuǎn)角變化的量，所以不一一列出。5.2.1 圓角面1-1、2-2截面計算公式：彎矩：扭矩：拉壓力：剪力：1-1、2-2截面的內(nèi)力（內(nèi)力矩）圖：以下分別是彎矩、扭矩、拉壓力、剪力。1-1、2-2截面危險點應(yīng)力：主軸頸圓角處：，曲柄銷圓角處：主軸頸圓角處和曲柄銷圓角處當(dāng)量應(yīng)力變化曲線：5.2.2 油孔所在中心平面對于3-3截面彎矩：扭矩：抗彎截面系數(shù)：抗扭截面系數(shù)油孔邊緣危險點應(yīng)力：；彎矩扭矩隨曲軸轉(zhuǎn)角變化圖：油孔截面處當(dāng)量應(yīng)力變化曲線：5.3 疲勞安全系數(shù)的計算5.3.1判斷危險點主軸頸圓角處最大當(dāng)量應(yīng)力=55.14Mpa主軸頸圓角=55.14Mpa曲柄銷圓角處最大當(dāng)量應(yīng)力=35.19Mpa曲柄銷圓角=35.19Mpa油孔處的當(dāng)量應(yīng)力=74.16Mpa油孔截面=74.16Mpa根據(jù)以上計算的結(jié)果，對各個危險點的當(dāng)量應(yīng)力進行比較得，可得油孔處的當(dāng)量應(yīng)力最大，所以曲軸油孔處的截面是最危險截面，安全系數(shù)的計算則校3-3截面即可。=38.02Mpa，=-17.52Mpa； =38.02Mpa=-17.52Mpa=42.71MPa，=-18.95MPa=42.71MPa=-18.95MPa5.3.2材料選擇及其疲勞極限曲軸所選材料為球墨鑄鐵（QT800-2），其力學(xué)性能:=800MPa，=480MPa,488Mpa,=360Mpa=476Mpa,=180Mpa,=306Mpa.,5.3.3 油孔邊緣處應(yīng)力=10.25MPa； =27.76MPa10.25MPa27.76MPa=11.87MPa； =30.83MPa11.87MPa30.83MPa5.3.4 循環(huán)特征=-0.4607；=-0.4438-0.4607-0.4438根據(jù)教材p209頁表12-4，12-5，12-6，可取到如下數(shù)據(jù)：=2.1，=1.85，=0.702，=0.666，=1.30=0.3538=0.3538=0.7364=0.73645.3.5 安全系數(shù)=5.2349 （）5.2349=2.6482 （）2.64825.3.6 綜合安全系數(shù)發(fā)動機曲軸安全系數(shù)在1.8-2.5之間是符合安全要求的，本次設(shè)計的曲軸安全系數(shù)為2.363，滿足強度要求。所以曲軸合格。6曲軸平衡性分析6.1平衡性分析及平衡措施不平衡主要是由旋轉(zhuǎn)慣性力及往復(fù)慣性力引起的，進而產(chǎn)生力、主矩不為零，使得發(fā)動機振動等，旋轉(zhuǎn)慣性力是比較容易平衡的，往復(fù)慣性力有一階、二階，變化也比較所以只能平衡一部分。為了獲得更好的平衡性，在選擇曲軸及發(fā)火順序時應(yīng)均勻且平橫性好的。單列式發(fā)動機平衡方法有：利用平衡重達(dá)到外平衡；利用平衡重減輕主軸承載荷和內(nèi)力矩；加平衡機構(gòu)平衡往復(fù)慣性力。平衡性要求內(nèi)平衡與外平衡都好。6.2平衡計算此次曲軸采用兩缸曲柄銷間隔360的曲軸，在靜平衡上有一些缺點，但兩缸發(fā)火均勻有彌補了這項不足，此外，這種曲軸還有利于加裝廢氣渦輪增壓器、有利于運轉(zhuǎn)均勻性。平衡離心慣性力的質(zhì)量： m為連桿大頭質(zhì)量，R為曲柄銷半徑，為平衡重的質(zhì)心。平衡部分一階往復(fù)慣性力的質(zhì)量： 為活塞組質(zhì)量加連桿小頭的質(zhì)量，R為曲柄銷半徑，為平衡重的質(zhì)心。K取0.30.4是平衡系數(shù)以上兩式右邊均是可以算出的量，而左邊就是用UG建模，平衡重使得兩邊相等為止即為平衡重。7 總結(jié)。我最有成就感的是我在做曲軸設(shè)計過程中，這么多的計算我把它在matlab中寫成程序的形式，我想畢業(yè)設(shè)計時候應(yīng)該會用到。以前都是自學(xué)matlab只是覺得有時間就看一下，它以矩陣的形式存儲數(shù)據(jù)，在數(shù)學(xué)計算中應(yīng)用很大。 第二就是上課時學(xué)發(fā)動機設(shè)計課程只是學(xué)，而此次是做，我需要什么知識，再去自學(xué)，能體現(xiàn)自我學(xué)習(xí)能力。像用UG畫二維圖都是現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用。第三，其實做課程設(shè)計的過程中，我也遇到很多困難，我本來前面就做好的動力學(xué)計算機的程序，而此次不是知道壓力，而是算出示功圖，用程序不能通過位移反算出角度，我想一個下午才想通，這樣才能適應(yīng)前面寫的算法。另一個是在網(wǎng)上找QT800疲勞極限找不到，等了一天半又才開始算。課程設(shè)計的任務(wù)包括內(nèi)燃機的熱力計算和性能參數(shù)計算，強度校和及實體建模等部分組成。時間短任務(wù)重，但是大家都很積極努力，組內(nèi)各個成員之間配合默契。這次課程設(shè)計相當(dāng)于一次完整的發(fā)動機設(shè)計流程，讓我們了解了一個產(chǎn)品開發(fā)的流程，同時也熟悉了課本知識的實際運用能力。這對于我們以后在社會上的發(fā)展的是比較重要的，無論我們是否從事發(fā)動機行業(yè)?？傊?，我在這次實習(xí)中學(xué)到了很多的東西。 最后，深入系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了一遍發(fā)動機設(shè)計書本上的知識，知識重要，但更重要的是在設(shè)計過程中用到的思想，比如有的同學(xué)在校核前要計算平衡重，我用的就是先把曲軸看做自身動平衡，然后平衡重只要平衡連桿大頭離心力的方法，就不用在校核前計算平衡重質(zhì)量。8參考文獻(xiàn)。1 發(fā)動機設(shè)計.（教材）2柴油機設(shè)計手冊編輯委員會.柴油機設(shè)計手冊（上冊）.北京： 中國農(nóng)業(yè)機械出版社.19843 周龍保.內(nèi)燃機學(xué).第二版.北京：機械工業(yè)出版社.20054 陳家瑞等.汽車構(gòu)造.第五版.北京：人民交通出版社.20055工程熱力學(xué)/華自強等編.-4版-北京：高等教育出版社，2009.11