内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算

《内燃机学》课程设计设计计算说明书

题目6200柴油机曲轴设计

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目录

1 动力计算 (1)

初始条件 (1)

曲柄连杆机构运动质量的确定 (1)

P-φ示功图的求取 (1)

往复惯性力P j（α）计算 (2)

总作用力P（α）计算 (2)

活塞侧推力P H（α）计算 (2)

连杆力P C（α）计算 (3)

法向力P N（α）计算 (3)

切向力P T（α）计算 (3)

∑T p计算 (3)

总切向力)

(α

曲柄销负荷R B（α）计算 (4)

准确性校核 (4)

2 曲轴设计计算 (5)

曲轴各部尺寸比例 (5)

曲轴船规验算 (6)

1 动力计算

初始条件

母型机参数：

四冲程六缸、废气涡轮增压、不可逆式、直接喷射、压缩空气启动。

D=200mm

S=270mm

n=600r/min Ne=440kW

增压压力P k =,压缩比ε=，机械效率ηm =,压缩复热指数n 1=,膨胀复热指数n 2=，Z 点利用系数ξz =，燃烧过量空气系数α=，中冷器出水温度t=250

,原机配气定时：

进气门开——上死点前60度 进气门关——下死点后40度 排气门开——下死点前40度 排气门关——上死点后60度

行程失效系数可取约。

连杆长L=540mm ，质量为，活塞组质量m=，连杆组质量分配比，单位曲柄不平衡质量m=。

曲柄连杆机构运动质量的确定

将摆动的连杆用双质量系代替，一部分质量等价到做往复运动的活塞组中，另一部质量等价到做回转运动的曲柄组中，从而可以求出往复质量j m 和连杆组算到大端的质量B m 。由于连杆尺寸并未确定，先按照母型机的连杆质量分配比。

0.347*35.760.347*34.7647.8217()j L m M m kg =+=+=

0.653*0.653*34.7622.6983()B L m m kg ===

上式中，M 表示活塞组质量，为连杆组质量分配比，L m 为连杆质量，质量单位都用kg 。

P-φ示功图的求取

将所给的P-V 示功图，用发动机运动学公式将其展开，即得P-φ示功图。将活塞的位

移转换成对应的曲柄转角，以α代表曲柄转角，取145个点，对应0度到720度每隔5度取一次，由此可得各曲柄转角α下的气体力值Pg （α），单位为MPa 。用matlab 画成曲线见图

1，其matlab 程序参见附录。图中实线表示的是气缸压力Pg 与曲柄转角a 的关系。

图1 P,Pg,Pj 与曲柄转角a 的关系

往复惯性力P j （α）计算

232

()(cos cos 2)104

j

j m p a R a a D ωλπ

-=-

+ (MPa) （1）

往复惯性力按照公式1计算，图1中虚线即为往复惯性力与曲柄转角a 的关系。 式中：mj —往复运动质量，kg ； R —曲柄半径，mm ； D —气缸直径，mm ；

ω—曲轴旋转角速度，rad/s ； β—连杆摆角，rad 。

总作用力P （α）计算

)()()(a p p a p a p j B g +-= (MPa) （2）

总作用力P （a ）按照公式2计算，式中P B 表示活塞底部气体压力，取大气压力，即P B =。图1中点划线表示总作用力与曲柄转角之间的关系。通过三者的比较可以看出气缸压力对总作用力影响较大。

活塞侧推力P H （α）计算

βtg a p a p H )()(= (MPa) （3）

活塞侧推力()H p a 按照公式3进行计算，式中β表示连杆摆角。连杆摆角与曲柄转角纯在下列关系：arcsin(*sin())a βλ=，活塞侧推力与曲柄转角的关系见图2。

图2 活塞侧推力与曲柄转角的关系

连杆力P C （α）计算

βcos /)()(a p a p C = (MPa) （4）

连杆力()c p a 按照公式4进行计算，连杆力()c p a 与曲柄转角的关系见图3。

图3 连杆力与曲柄转角的关系

法向力P N （α）计算

)cos()()(βα+=a p a p C N (MPa) （5）

法向力()N p a 按照公式5计算，法向力()N p a 与曲柄转角的关系见图4。

图4 法向力与曲柄转角的关系

切向力P T （α）计算

)sin()()(βα+=a p a p C T (MPa) （6）

切向力()T p a 按照公式6计算，切向力()T p a 与曲柄转角的关系见图5。

图5 曲柄转角与切向力的关系

总切向力)(α∑T p 计算

1

()(720/)z

T

T i p

a p a i z ==+⋅∑∑ (MPa) （7）

对于四冲程曲柄均匀排列情况的总切力按照公式6计算。气缸之间的间隔角为120deg ，

总切力与曲柄转角的关系见图6。

图6 总切力与曲柄转角之间的关系

曲柄销负荷R B （α）计算

()B R a = (MPa) （8）

曲柄销合力按照公式8计算，

式中:()BH R α—曲柄销负荷水平分量，()()BH T R p a α=(MPa)；

()BV R a —曲柄销负荷垂直分量

()()BV N r R a p a p β=-,22p /()4

r B m R D βπ

ω=(MPa)；

B m —连杆组算到大端的质量，kg 。 曲柄销合力()B R a 与曲柄转角的关系见图7。

图7 曲柄销负荷与曲柄转角的关系

准确性校核

6

10)(ω

R F p N p cp T i ∑=

(KW) （9）

按照总切力曲线作准确性校核，根据总切曲线计算出平均切力，再按公式9进行计算，式中p F 表示活塞面积，单位是2

mm ；()

T cp

p ∑表示平均切力，单位是Mpa 。再将指示功率

与给定功率进行比较，计算出误差。

6

10

)(ω

R F p N p cp T i ∑=

=

i

i i N N N '-=

∆= % 计算出来的误差在5%以内，符合要求。