发动机设计说明书doc

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： 2010级
学生姓名：赵友
指导教师：毕玉华（教授）
日期： 2013年9月
教务处制
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
ε=17.5
2.1.2 过量空气系数α=1.45
2.1.3 残余废气系数rγ=0.03
2.1.4 进气温升和残余废气温度T
∆=20
r
T=950K
2.1.5 热量利用系数ξ=0.8
2.1.6 示功图丰满系数fϕ=0.95
2.1.7 机械效率m
η=0.84
2.1.8 平均多变压缩指数1n=1.36
2.1.9 平均多变膨胀指数2n=1.26
2.2 燃料燃烧化学计算
2.2.1 理论空气量的计算
= + - )
= + - )= + - )=0.494(kgkcal/kg)
=0.494(kgkca l/kg)
换算成重量：L=28.96
2.2.2理论分子变化系数
=1 +
=1 + =1.04
=1.04
2.2.3 实际分子变化系数
=
= = 1.043
1.043
2.3燃气过程参数的确定与计算
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：
当为非增压时=
非增压四冲程柴油机：取=15k，
750k
= 20k
750k
残余废气系数=0.03～0.06，取=0.03 =0.03
= 325.7282K
325.7282K 压缩始点时的压强：
=(0.090～0.098)
Pa=0.9×98.39=88.551KPa Pa=88.551KPa
2.3.2 压缩终点的气体状态
压缩终点的温度：
=912K 912K
压缩终点的压力：
=4342KPa4342KPa
2.3.3 燃烧过程及燃烧终点气体状态
柴油机的最大爆发压力：Pz=8000KPa Pz=8000KPa 压力升高比：
λ=Pz/Pc=1.84,取λ=1.8
λ=1.8
燃烧终点的温度：
T
y c
T
λ
==1642.9K 1642.9
y
T K
=
Hu=42500kj/kg=10153kcal/kg
假定所求温度，由表3-3和3-4得：
1
()7.532
p m
uc=
10
M0.717
L
α
==
=2097K
2097
z
t K
=
换算成摄氏温度为1804度，与假设温度符合。

燃烧终点z的气缸容积：
2
43
8.57910
4
h
D
V S m
π
-
==⨯
43
8.57910
h
V m-
=⨯
53
5.19910m
-
⨯
V=53
5.19910m
-
⨯
53
V 6.92210
z c
z d
c
T V
u m
Tλ
-
==⨯
53
6.92210
z
V m
-
=⨯
初期膨胀比：
1.3313
z
c
V
V
ρ== 1.3313
ρ=
7816
z c
P P Kpa
λ
==
z
P7816Kpa
=
2.3.4 膨胀终点气体状态
对于柴油机取=1.26
2
()n
b z
p p
ρ
ε
==335KPa335
b
p KPa
=
21
()n
b z
T T
ρ
ε
-
==1089.8K
b
T=1089.8K
2.3.5 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
n
pV=定值把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：
=
=8.8018, 换算成880.18Kpa '880.18
i
p Kpa
=
取丰满系数为=0.95
'
p
i f i
p
ϕ
==836.17Kpa
i
p=836.17Kpa
2.4.2 平均有效压力：
e i m
p pη
==702.38Kpa
e
p=702.38Kpa 其中，机械效率为=0.84。

2.4.3 有效功率：
120
e h
p V nZ
P==25.8372kw P=25.8372kw
2.4.4 充量系数的计算
1
(1)1
a s
c
s a
p T
p T
γ
ε
φ
εγ
=
-+
=0.8336 cφ=
0.8336
2.4.5 指示热效率
10
1.986i
i
c u
M p T
p H
η
φ
==0.4146 iη=
0.4146
2.4.6 燃油消耗率：
有效燃油消耗率：
36001000
H
e
u m
b
η
⨯
==243.21(g/kw.h) e b=
234.21(g/
kw.h)
2.4.7 发动机总进气量
四冲程发动机：
空气气体常数R=29.27
扫气系数
60
s h
s c s
s
p V Zn
G
RT
φφ
==0.0361 kg/s G s=
0.0361(k
g/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[(1cos)(1cos2)]
4
x r
λ
αα
=-+-
(式中r是曲柄半径，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：
(sin sin 2)2
v r λ
ωαα=+
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：
2(cos cos 2)dv
j r dt
ωαλα=
=+
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：
,Hx g jh
p p p =+
,,()tan Hy g j p N p p β==+ ,,2,2222()()()()tan H Hx Hy g jh g j p p p p p p p β=+=+++
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：,()tan g j N p p β=+
连杆力：cos()Lx rB P S p αβ=-+
4.3曲柄销处收到离心力和连杆力的合力
cos()Qx yB rB P p S p K αβ=-+=-
sin()QY P S T
αβ=+=
22Q Qx Qy P P p =+
4.4 第一主轴颈直角坐标及极坐标负荷图
1(2)zx Qx rq rp a P P P P c =-+- 1zy Qy
a p p c
=- 11212
()()z zx zy p p p =+
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：
1111
1
111
[()cos sin ]
[()cos sin ]
i i i i i
zx Qx rq i Qy i i
i i i i Qx rq i Qy i i b p p p p c a p p p c ϕϕϕϕ++++++++=-+--+-
1y
1111111
[()sin cos ]
[()sin cos ]
i i i i i
z Qx rq i Qy
i i
i i i i Qx
rq i Qy
i i b p
p
p p
c a p p
p c ϕϕϕϕ++++++++=-+--+-
4.6 各缸转矩图
1M=i
qy p R
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d
1=70mm，长度L
1
=41mm '
1
d=42mm
d
1
=70mm L
1
=41mm
'
1
d=42mm
5.1.2 曲柄销
直径d
2=62mm，长度L
2
=36mm，d
2
‘=30mm，偏心距
2
e=4mm d2=62mm L2=36mm，
d
2
‘=30mm
2
e=4mm
5.1.3 曲柄臂
宽度b=114mm，厚度h=25.5mm b=114mm h=25.5mm
其中油孔直径为6mm，轴颈过渡圆角ρ=5mm 油孔直径为6mm ρ=5mm
=
（
2
曲轴危险截面主要是主轴颈、
12
2
d d R +∆=
-=13.5mm ，12i i h h ==25.5mm ，圆角半径r=5mm ，ξ=0。

油孔位置角度θ=65°。

12C p p C ==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：()()()()
11111111111cos ()()i i i i b x i p i i i x i p i i M R e C f e R e C f e ξ=--=-- 扭矩：()()()1111111111[sin ()]cos cos i i i t y i p i i i y i M R e C f e R e ξθθ=--=
拉压力：()()()()11111cos i i i i x p i x p N R C R C ξ=+=+ 剪力：()()()1111sin i i i y p i y Q R C R ξ=+=
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。

11
11
11
2
()()()
cos cos
i i
v v
i i
h h
F b b b
δ
θθ
+
=+-
22
111 11
111
2
1
[()()()()]
6cos cos2
i i i
b v v
i i i
h h h
W b b b
h
δ
θθδ
+
=+-
+
2
1
11
1
()
cos
i
t
i
h
W b
β
θ
=
1-1、2-2截面危险点应力：
主轴颈圆角处：
，
曲柄销圆角处：
主轴颈圆角处和曲柄销圆角处当量22
d
3
σστ
=+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：
()()()()
30111111111111111 [cos()()]cos[sin()]sin
i i i i
b x i p i i i qb x i p i i i
M R a C a f C a e R a C a f
ξθξθ=+---++-
扭矩：()()()()()()
11
sin
i i i i i i
qx y p i y
M M R R C R M R R
ξ
=+⋅+=+⋅
抗弯截面系数：
4'4
22
2
[()]
W
32
bqx
d d
d
π-
=
抗扭截面系数
4'4
22
2
[()]
W
16
bqx
d d
d
π-
=
油孔边缘危险点应力：
30
b bqx
M W σ=
；()i qx tqx M W τ=
弯矩扭矩随曲轴转角变化图：
油孔截面处当量应力22d 3σστ=+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dmax σ=55.14Mpa
主轴颈圆角
dmax σ=55.14Mpa
曲柄销圆角处最大当量应力dmax σ=35.19Mpa
曲柄销圆角
dmax σ=35.19Mpa
油孔处的当量应力dmax σ=74.16Mpa
油
孔
截
面
dmax σ=74.16Mpa
根据以上计算的结果，对各个危险点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。

max σ=38.02Mpa ，min σ=-17.52Mpa ； max
σ=38.02Mpa
min σ=-17.52Mpa
2m
=
2Km
=
以上两式右边均是可以算出的量，而左边就是用。