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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 1 1.1 發(fā)動機設(shè)計總體一般要求 1 1.2 立式直列水冷四沖程柴油機的特點 1 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 1 2.1熱力計算 1 2.1.1熱力計算的目的 1 2.1.2熱力計算方法 2 2.2 重要參數(shù)選取 2 2.1.1 壓縮比 2 2.1.2 過量空氣系數(shù) 2 2.1.3 殘余廢氣系數(shù) 2 2.1.4 進氣溫升和殘余廢氣溫度 2 2.1.5 熱量利用系數(shù) 2 2.1.6 示功圖豐滿系數(shù) 2 2.1.7 機械效率 2 2.1.8 平均多變壓縮指數(shù) 2 2.1.9 平均多變膨脹指數(shù) 2 2.2 燃料燃燒化學(xué)計算 2 2.2.1 理論空氣量的計算 2 2.2.2理論分子變化系數(shù) 2 2.2.3 實際分子變化系數(shù) 3 2.3燃氣過程參數(shù)的確定與計算 3 2.3.1 壓縮始點的氣體狀態(tài) 3 2.3.2 壓縮終點的氣體狀態(tài) 3 2.3.3 燃燒過程及燃燒終點氣體狀態(tài) 4 2.3.4 膨脹終點氣體狀態(tài) 5 2.3.5 示功圖的繪制 5 2.4發(fā)動機性能參數(shù) 6 2.4.1平均指示壓力 6 2.4.2 平均有效壓力： 6 2.4.3 有效功率： 6 2.4.4 充量系數(shù)的計算 7 2.4.5 指示熱效率 7 2.4.6 燃油消耗率： 7 2.4.7 發(fā)動機總進氣量 7 3、活塞位移、活塞側(cè)擊力、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線 7 3.1活塞隨曲軸轉(zhuǎn)角的位移圖 7 3.2活塞速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線 8 3.3活塞加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線 9 4、氣缸壓力、活塞側(cè)擊力、連桿力、主軸頸負荷圖 11 4.1氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線 11 4.2 氣缸側(cè)擊力和連桿力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線 12 4.3曲柄銷處收到離心力和連桿力的合力 13 4.4 第一主軸頸直角坐標(biāo)及極坐標(biāo)負荷圖 14 4.5第二主軸頸極坐標(biāo)負荷圖 15 4.6 各缸轉(zhuǎn)矩圖 16 5 曲軸設(shè)計及強度校核 17 5.1 參數(shù)選取 17 5.1.1 主軸頸 17 5.1.2 曲柄銷 17 5.1.3 曲柄臂 17 5.2 強度計算 17 5.2.1 圓角面 19 5.2.2 油孔所在中心平面 22 5.3 疲勞安全系數(shù)的計算 24 5.3.1判斷危險點 24 5.3.2材料選擇及其疲勞極限 24 5.3.3 油孔邊緣處應(yīng)力 25 5.3.4 循環(huán)特征 25 5.3.5 安全系數(shù) 25 5.3.6 綜合安全系數(shù) 26 6曲軸平衡性分析 26 6.1平衡性分析及平衡措施 26 6.2平衡計算 26 7 總結(jié)。 27 8參考文獻。 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，怠速和低負荷工況運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，活塞和缸 套的熱負荷較二沖程小，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 =17.5 2.1.2 過量空氣系數(shù) =1.45 2.1.3 殘余廢氣系數(shù) =0.03 2.1.4 進氣溫升和殘余廢氣溫度 =20 =950K 2.1.5 熱量利用系數(shù) =0.8 2.1.6 示功圖豐滿系數(shù) =0.95 2.1.7 機械效率 =0.84 2.1.8 平均多變壓縮指數(shù) =1.36 2.1.9 平均多變膨脹指數(shù) =1.26 2.2 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=28.96 2.2.2理論分子變化系數(shù) =1 + =1 + =1.04 =1.04 2.2.3 實際分子變化系數(shù) = = = 1.043 1.043 2.3燃氣過程參數(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)=0.03～0.06，取=0.03 =0.03 = 325.7282K 325.7282K 壓縮始點時的壓強： =(0.090～0.098) Pa=0.998.39=88.551KPa Pa=88.551KPa 2.3.2 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： =4342KPa 4342KPa 2.3.3 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=8000KPa Pz=8000KPa 壓力升高比： λ=Pz/Pc=1.84,取λ=1.8 λ=1.8 燃燒終點的溫度： =1642.9K Hu=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 =1089.8K 2.3.5 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=0.95 836.17Kpa =836.17Kpa 2.4.2 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： =25.8372kw P=25.8372kw 2.4.4 充量系數(shù)的計算 =0.8336 0.8336 2.4.5 指示熱效率 =0.4146 0.4146 2.4.6 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/s 0.0361(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)負荷圖 4.5第二主軸頸極坐標(biāo)負荷圖 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 =42mm d1=70mm L1=41mm =42mm 5.1.2 曲柄銷 直徑d2=62mm，長度L2=36mm，d2‘=30mm，偏心距=4mm d2=62mm L2=36mm，d2‘=30mm =4mm 5.1.3 曲柄臂 寬度=114mm，厚度=25.5mm b=114mm =25.5mm 其中油孔直徑為6mm，軸頸過渡圓角ρ=5mm 油孔直徑為6mmρ=5mm =13.5mm =13.5mm 5.2 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3-3 2-2截面 1-1截面 圖中1—1、2—2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，3—3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=-18.95MPa 5.3.2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； =27.76MPa 10.25MPa 27.76MPa =11.87MPa； =30.83MPa 11.87MPa 30.83MPa 5.3.4 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 =0.7364 5.3.5 安全系數(shù) =5.2349 （） 5.2349 =2.6482 （） 2.6482 5.3.6 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0.3~0.4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)。 總之，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。 [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.1984 [3] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué).第二版.北京：機械工業(yè)出版社.2005 [4] 陳家瑞等.汽車構(gòu)造.第五版.北京：人民交通出版社.2005 [5]工程熱力學(xué)/華自強等編.-4版-北京：高等教育出版社，2009.11