内燃机设计
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1
1
2
x (r l ) [l (1 2 sin 2 ) 2 ]
1 1 1 1 2 sin 2 4 sin 4 6 sin 6 2 8 16 1 1 2 sin 2 2 1 x r[(1 cos ) sin 2 2 1 1 1 r[(1 cos ) ( cos 2 )] 2 2 2 1 r[(1 cos ) (1 cos 2 )] ＝X X 4 对x求两次导数得到活塞速 度和加速度 又 (1 2 sin 2 )
k k 1 n n k 1 k 1
M ka
a a a M M0 Mk sin( kt k ) M0 Mk sin( kt k ) M0 Mk sin( k tt k )
五、减振装置－减小振幅的辅助装 1. 阻尼式减振器 增大机械摩擦、分子摩擦阻尼，吸收振动能量，减少振幅。但消耗一部分有效能 量。 2. 3. 动力减振器 复合式减振器。
5、 耐久性、可靠性指标 ： 可靠性—在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的 能力。 耐久性—从开始使用起到大修期的时间。 6、 柴油机优点： 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。 7、 汽油机优点：
F Fj Fg
13、往复惯性力的性质： a. Fj 与 a 的变化规律相同，两者相差一个常数 mj，方向相反。 b. 可以用旋转矢量法确定 FjⅠ和 FjⅡ的大小、方向，用来判断往复惯性力作用性质。 c. FjⅠ和 FjⅡ 始终沿着气缸轴线作用。d. 往复惯性力总是存在。所以由 Fj 产生的单缸扭矩、翻倒 力矩和自由力总是存在。但是曲轴一转内，翻转力矩之和、自由力矩之和为零。 14、旋转惯性力 Fr 是离心力，方向沿曲柄半径 方向向外。 15、多缸机扭矩（动力计算） ，多缸机曲柄图。 合成扭矩计算。 第一主轴颈所受扭矩 第二主轴颈所受扭矩 第三主轴颈所受扭矩 第四主轴颈所受扭矩 第五主轴颈所受扭矩 第六主轴颈所受扭矩 第七主轴颈所受扭矩 M0,1=0 M1,2=M1(α) M2,3= M1,2+M1（α＋240） M3,4= M2,3+ M1（α＋480） M4,5= M3,4+ M1（α＋120） M5,6= M4,5+ M1（α＋600） M6,7= M5,6+ M1（α＋360）
23、计算和分析扭转共振的三个条件：
M Mg M j 1/2≤k≤18，k 值太大，很小；
nk 在发动机工作转速Fra Baidu bibliotek
范围内；
一般只考虑前几阶固有频率。 24、作用在发动机上的单缸扭矩： M M 0
k1
M
2
n
a k
sin( k t t k ) 是周期函数，
上述过程称为简谐分析，也叫做傅里叶变换。故对于四冲程发动机，扭矩的简谐分析表达式为 25、配气机构：气门的通过能力评价： 1. 2. 3. 4. 时间断面 平均通过断面 时间断面丰满系数 比时间断面
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 180 e1 e2 定凸轮轴与曲轴相对工作位置，即 正时位置 T 180 ( ) e1 2 所必须掌握的 2
∴偏心距 e 等于挺柱的几何速度 设计时平底挺柱的底面半径要大于 emax，即大于由得 vt r c vt r c vt (r0 ht ) c OB OA ht r0 r
27、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。 28、凸轮型线动力修正 设计时先选定理想的气门升程曲线，然后再求当量挺柱升程。气门升程 y 必须 4 阶导数以上连续。如果气门升程曲线是高次多项式，称为多项动力凸轮。 x t* i x t 当量挺柱升程
x AA AO AO (r l ) (l cos r cos ) 在AOB中， 利用正弦定理， 有 L r ＝ sin sin r sin sin sin －连杆比 L cos (1 sin 2 )
1
1 2
(1 2 sin 2 )
3. ↑ηm ，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。 9、 活塞平均速度 Vm↑的副作用是： 1．摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降低。 2．惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。 3．进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv 下降。 10、中心曲柄连杆机构的运动规律
内燃机设计第三版（袁兆成）
1、 内燃机设计的一般流程： 一、计划阶段 1. 确定任务 2. 组织设计组 3. 调查研究 4. 确定基本性能参数和结构形式。5．拟 订设计任务书。 二、设计实施阶段 1. 内燃机总布置设计，三维实体造型和虚拟装配、确定主要零部件的允许 运动尺寸、结构方案、外形图。 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。 p Vh z n p Vm z D 2 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） 四、改进与处理阶段 a. 样机鉴定. b. 小批量生产 c. 内燃机设计的“三化” ， “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。 2、 动力性指标： 功率 式中 pme— 平均有效压力（MPa） ，Vm—活塞平均速度（m/s） ，Vh—气缸排量(L)，Z—气缸数， n – 转速（r/min） ，D—气缸直径（mm） ，τ—冲程数，四冲程τ=4，二冲程τ=2。 可见，有效功率 Pe 受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有 效功率的主要参数就是平均有效压力。 3、 转速 n：n 增加 对提高 Pe 有利，但是转速增加后：
2
v r (sin
2
sin 2 )
＝v v
活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，
a r 2 (cos cos 2 )
＝ a a 既活塞的运动是复谐运动。
11、活塞运动规律的分析与用途 ①活塞位移用于示功图转换，气门干涉校验 ，动力计算。 ②活塞速度用于计算平均速度 Vm(=)，判断强化程度、计算功率计算最大速度 Vmax,评价气缸的磨损 程度。 ③ 活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行动力计算。 12、曲柄连杆机构中的作用力分为： ①气压力 Fg ②惯性力往(复惯性力 Fj、旋转惯性力 Fr） ③合成力
xt* L0 F0 C y M F C CS y M H 0 k1 y k 2 y y S L0 0 0 y y C0 C0 C0 C0 C0 C0
C0 C S C0
H 0 L0
F0 C0
k1
k 2 (6 n ) 2
480° 600° 720° M6
Fr m r r 2 (m k m 2 )r 2
1 5 3 6 2 4 120° 240° 360° 1
M6,7
1,6
M5,6 M4,5 M3,4 M1 M2,3 M
1,2
O
5,2 3,4
M5 M4
M3
16、平衡：当内燃机在稳定工况运转时如果传 M0,1 给支承的作用力的大小和方向均不随时间而变化， 则我们就称比内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。 17、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。
dht dht d c h h t t c dt d c dt
h r c t AB AO e h t c
5. 5．凸轮型线丰满系数 26、平底挺柱的运动规律
e c ht c
e ht
速度三角形与△AOB 相似又∵
dh ( t ) max d c
21、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： ① 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 曲轴扭断。 ② 动机偏离该转速时，上述现象消失 。 增加，功率下降，严重时发生
原因： ①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。 ②系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。 ③干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，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。 22、如何消除扭振： 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 1.提高曲轴刚度 C。① 增加主轴颈直径；② 曲轴长度；③ 提高重叠 度。2. 减小转动惯量 ① 空心曲轴；② 降低平衡重质量；③ 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
M2
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。 18、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。
19、研究平衡方法主要包括 1．解析法：任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。若∑P＝0，∑M＝0，则该力 系是平衡的，反之不平衡 2．图解法：作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。 20、作图处理，平衡振源。见 38。
空气利用率高，转速高，因而升功率高。 化油器式的过量空气系数α较高，在 1.1 左右，电控喷射要求α=1； 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。 8、 提高平均有效压力 pme 的途径： 1. ↑ηv , 采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气门） 2. ↑ηi , ↑ε， ↓传热损失（绝热活塞、绝热气缸） ，加强燃烧室密封。
M C0
xt* k1 y k 2 y ， xt* k1 y k 2 y ( 4 )
29、凸轮轴基本结构参数 ： 异缸同名凸轮夹角，同缸异名凸轮夹角，φ＝A/2 A—发火间隔角
T
2
180 e1 e 2 1 180 i1 i 2 1 [360 e1 i 2 ( )( )] 90 o ( e1 e 2 i 2 i1 ) 2 2 2 4
Pe
me
30
0.785
me
(千瓦)
⑴ 惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加； ⑵. 工作频率增加——热负荷增加； ⑶. 摩擦损失增加，导致 ηm 下降、ge 升高、磨损加剧，寿命缩短；
⑷. 进排气系统阻力增加 ，使ηv 变小； 4、 经济性指标： 降低 ge 的措施： 提高 ηi 和ηm
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1 1 1 1 2 sin 2 4 sin 4 6 sin 6 2 8 16 1 1 2 sin 2 2 1 x r[(1 cos ) sin 2 2 1 1 1 r[(1 cos ) ( cos 2 )] 2 2 2 1 r[(1 cos ) (1 cos 2 )] ＝X X 4 对x求两次导数得到活塞速 度和加速度 又 (1 2 sin 2 )
k k 1 n n k 1 k 1
M ka
a a a M M0 Mk sin( kt k ) M0 Mk sin( kt k ) M0 Mk sin( k tt k )
五、减振装置－减小振幅的辅助装 1. 阻尼式减振器 增大机械摩擦、分子摩擦阻尼，吸收振动能量，减少振幅。但消耗一部分有效能 量。 2. 3. 动力减振器 复合式减振器。
5、 耐久性、可靠性指标 ： 可靠性—在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的 能力。 耐久性—从开始使用起到大修期的时间。 6、 柴油机优点： 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。 7、 汽油机优点：
F Fj Fg
13、往复惯性力的性质： a. Fj 与 a 的变化规律相同，两者相差一个常数 mj，方向相反。 b. 可以用旋转矢量法确定 FjⅠ和 FjⅡ的大小、方向，用来判断往复惯性力作用性质。 c. FjⅠ和 FjⅡ 始终沿着气缸轴线作用。d. 往复惯性力总是存在。所以由 Fj 产生的单缸扭矩、翻倒 力矩和自由力总是存在。但是曲轴一转内，翻转力矩之和、自由力矩之和为零。 14、旋转惯性力 Fr 是离心力，方向沿曲柄半径 方向向外。 15、多缸机扭矩（动力计算） ，多缸机曲柄图。 合成扭矩计算。 第一主轴颈所受扭矩 第二主轴颈所受扭矩 第三主轴颈所受扭矩 第四主轴颈所受扭矩 第五主轴颈所受扭矩 第六主轴颈所受扭矩 第七主轴颈所受扭矩 M0,1=0 M1,2=M1(α) M2,3= M1,2+M1（α＋240） M3,4= M2,3+ M1（α＋480） M4,5= M3,4+ M1（α＋120） M5,6= M4,5+ M1（α＋600） M6,7= M5,6+ M1（α＋360）
23、计算和分析扭转共振的三个条件：
M Mg M j 1/2≤k≤18，k 值太大，很小；
nk 在发动机工作转速Fra Baidu bibliotek
范围内；
一般只考虑前几阶固有频率。 24、作用在发动机上的单缸扭矩： M M 0
k1
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上述过程称为简谐分析，也叫做傅里叶变换。故对于四冲程发动机，扭矩的简谐分析表达式为 25、配气机构：气门的通过能力评价： 1. 2. 3. 4. 时间断面 平均通过断面 时间断面丰满系数 比时间断面
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 180 e1 e2 定凸轮轴与曲轴相对工作位置，即 正时位置 T 180 ( ) e1 2 所必须掌握的 2
∴偏心距 e 等于挺柱的几何速度 设计时平底挺柱的底面半径要大于 emax，即大于由得 vt r c vt r c vt (r0 ht ) c OB OA ht r0 r
27、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。 28、凸轮型线动力修正 设计时先选定理想的气门升程曲线，然后再求当量挺柱升程。气门升程 y 必须 4 阶导数以上连续。如果气门升程曲线是高次多项式，称为多项动力凸轮。 x t* i x t 当量挺柱升程
x AA AO AO (r l ) (l cos r cos ) 在AOB中， 利用正弦定理， 有 L r ＝ sin sin r sin sin sin －连杆比 L cos (1 sin 2 )
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1 2
(1 2 sin 2 )
3. ↑ηm ，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。 9、 活塞平均速度 Vm↑的副作用是： 1．摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降低。 2．惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。 3．进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv 下降。 10、中心曲柄连杆机构的运动规律
内燃机设计第三版（袁兆成）
1、 内燃机设计的一般流程： 一、计划阶段 1. 确定任务 2. 组织设计组 3. 调查研究 4. 确定基本性能参数和结构形式。5．拟 订设计任务书。 二、设计实施阶段 1. 内燃机总布置设计，三维实体造型和虚拟装配、确定主要零部件的允许 运动尺寸、结构方案、外形图。 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。 p Vh z n p Vm z D 2 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） 四、改进与处理阶段 a. 样机鉴定. b. 小批量生产 c. 内燃机设计的“三化” ， “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。 2、 动力性指标： 功率 式中 pme— 平均有效压力（MPa） ，Vm—活塞平均速度（m/s） ，Vh—气缸排量(L)，Z—气缸数， n – 转速（r/min） ，D—气缸直径（mm） ，τ—冲程数，四冲程τ=4，二冲程τ=2。 可见，有效功率 Pe 受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有 效功率的主要参数就是平均有效压力。 3、 转速 n：n 增加 对提高 Pe 有利，但是转速增加后：
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v r (sin
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＝v v
活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，
a r 2 (cos cos 2 )
＝ a a 既活塞的运动是复谐运动。
11、活塞运动规律的分析与用途 ①活塞位移用于示功图转换，气门干涉校验 ，动力计算。 ②活塞速度用于计算平均速度 Vm(=)，判断强化程度、计算功率计算最大速度 Vmax,评价气缸的磨损 程度。 ③ 活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行动力计算。 12、曲柄连杆机构中的作用力分为： ①气压力 Fg ②惯性力往(复惯性力 Fj、旋转惯性力 Fr） ③合成力
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480° 600° 720° M6
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M5 M4
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16、平衡：当内燃机在稳定工况运转时如果传 M0,1 给支承的作用力的大小和方向均不随时间而变化， 则我们就称比内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。 17、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。
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5. 5．凸轮型线丰满系数 26、平底挺柱的运动规律
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速度三角形与△AOB 相似又∵
dh ( t ) max d c
21、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： ① 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 曲轴扭断。 ② 动机偏离该转速时，上述现象消失 。 增加，功率下降，严重时发生
原因： ①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。 ②系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。 ③干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，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。 22、如何消除扭振： 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 1.提高曲轴刚度 C。① 增加主轴颈直径；② 曲轴长度；③ 提高重叠 度。2. 减小转动惯量 ① 空心曲轴；② 降低平衡重质量；③ 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
M2
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。 18、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。
19、研究平衡方法主要包括 1．解析法：任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。若∑P＝0，∑M＝0，则该力 系是平衡的，反之不平衡 2．图解法：作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。 20、作图处理，平衡振源。见 38。
空气利用率高，转速高，因而升功率高。 化油器式的过量空气系数α较高，在 1.1 左右，电控喷射要求α=1； 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。 8、 提高平均有效压力 pme 的途径： 1. ↑ηv , 采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气门） 2. ↑ηi , ↑ε， ↓传热损失（绝热活塞、绝热气缸） ，加强燃烧室密封。
M C0
xt* k1 y k 2 y ， xt* k1 y k 2 y ( 4 )
29、凸轮轴基本结构参数 ： 异缸同名凸轮夹角，同缸异名凸轮夹角，φ＝A/2 A—发火间隔角
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(千瓦)
⑴ 惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加； ⑵. 工作频率增加——热负荷增加； ⑶. 摩擦损失增加，导致 ηm 下降、ge 升高、磨损加剧，寿命缩短；
⑷. 进排气系统阻力增加 ，使ηv 变小； 4、 经济性指标： 降低 ge 的措施： 提高 ηi 和ηm