《内燃机设计》课后习题答案(袁兆成主编)

+
=1，所以 的端点轨迹是一个椭圆。
当 < 时， 为长半轴； 当 > 时， 为长半轴； 当 = 时， =C,其端点轨迹是一个圆。 （2）二阶往复惯性力的平衡分析 同样以气缸夹角平分线为起始点，左右两列气缸的二阶惯性力表示为 = Ccos2
= Ccos2
在坐标轴上的投影为：
=2 Ccos cos cos2
三拐曲轴一、二阶曲柄图和轴测图 （2）做惯性力矢量图
一阶惯性力 得到 ， （3）做力矩图
二阶惯性力
往复惯性力矩图
旋转惯性力图
第四章：曲轴系统的扭转振动
4-1什么是扭振？扭振的现象和原因是什么？ 答：定义：扭转振动是使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动，简 称扭振。 现象：1）发动机在某一转速下发生剧烈抖动，噪声增加，磨损增 加，油耗增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。 2）发动机偏离该转速时，上述现象消失。 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。 4-2列出单自由度扭振系统的自由振动方程，求出微分方程的解和初相 位。 答：弹性力矩 ,惯性力矩 根据理论力学，得
第三章：内燃机的平衡
3-1四冲程四缸机，点火顺序1-3-4-2，试分析旋转惯性力和力矩，第一 阶、第二阶往复惯性力和力矩，如不平衡，请采取平衡措施。 答：解：点火间隔角为 A= =180° （1） 作曲柄图和轴测图，假设缸心距为a。
一阶曲柄图 二阶曲柄图 轴测图 （2） 惯性力分析。根据一阶曲柄图和二阶曲柄图作力的矢量图，做如 图所示的四拐平面曲轴往复惯性力矩图。由于二阶惯性力不平衡，所以 不能分析二阶力矩，因为此时随着取矩点的不同，合力矩的结果是不一 样的。
三拐曲轴一、二阶曲柄图和轴测图 （2）做惯性力矢量图
一阶惯性力 二阶惯性力 得到 ???? （3）做力矩图
往复惯性力矩图 旋转惯性力矩
旋转惯性力图
（4） 采用用整体平衡法
3-4为了一个四冲程（1-3-4-2）设计一套用于平衡二阶往复惯性力的双
轴平衡机构。 答：此时发动机支撑还承受发动机本身重量和由于曲柄变形而产生的弯 矩作用。
力计算； 2）活塞速度用于计算活塞平均速度Vm= =18 m/s，用于判断强化程 度及计算功率，计算最大素的Vmax，评价汽缸的磨损； 3）活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行平衡分析及动 力计算。 2-2气压力Pg和往复惯性力Pj的对外表现是什么？有什么不同？ 答：气压力Fg的对外表现为输出转矩，而Fj的对外表现为有自由力产生 使发动机产生的纵向振动。 不同：除了上述两点，还有 Fjmax < Fgmax Fj总是存在，但在一个周期内其正负值相互抵消，做功为 零；Fg是脉冲性，一个周期内只有一个峰值。
一阶往复惯性 二阶往复惯性力 一阶往复惯性力矩 力 3-2二冲程四缸机，点火顺序1-3-4-2，试分析旋转惯性力和力矩，第一 阶、第二阶往复惯性力和力矩，如不平衡，请采取平衡措施。并指出 Mj1max及出现时刻。 答：解：点火间隔角为A= =90° （1）作曲柄图和轴测图。 （2）惯性力分析。显然，一阶和二阶往复惯性力之和都等于零，即 FRjI=0，FRjII=0，静平衡。 （3）惯性力分析。根据右手定则向第四拐中心取矩，得到在水平轴上 的投影 MjIx= aCcos18°26′。
+ =0 ， + =0 此二阶线性齐次微分方程的解为： 其中 ，
4-4什么是力矩简谐分析的摩托阶数？为什么四冲程发动机的转矩表达 式中，简谐阶数不都是自然数，有半数的阶数？ 答： = 其中 为转矩的第k阶谐量，表示该谐量在在 周期内变化k次，称为摩托阶数。对于四冲程发动机，曲轴两转即 角为一个周期，因此相对于数学上的周期来讲，曲轴一转（ ）内四冲程发动机第k阶力矩仅变化了 次，因此四冲程的摩托阶数存在半阶数。 4-5对于多拐曲轴，可以画出几个相位图？什么情况是主谐量？什么情 况是次主谐量？ 答：1）当谐量的阶数为曲轴每一转中点火次数的整数倍时（k=2im/ τ），该阶振幅矢量位于同一方向，可以用代数方法合成，该阶谐 量称为主谐量。 2）当k=(2m-1)i/τ时，各曲拐该阶力矩幅值作用在同一直线上，方
可以看出，在第一缸曲拐处于上止点前18°26′时，该机有最大一阶往 复惯性力，即
旋转惯性力矩 （4）平衡措施ห้องสมุดไป่ตู้采用整体平衡方法，有
3-3四冲程三缸机，点火顺序1-3-2，试分析旋转惯性力和力矩，第一 阶、第二阶往复惯性力和力矩，如不平衡，请采取平衡措施。并指出 Mj1max及出现时刻。 答：解：点火间隔角为A= =240° （1） 作曲柄图和轴测图
长，设计转速越低。 1-5活塞平均速度提高，可以强化发动机动力性，请分析带来的副作用 是什么？ 答：①摩擦损失增加，机械效率ηm下降，活塞组的热负荷增加，机油 温度升高，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、寿命 低。 ③进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv下降。 1-6目前使发动机产生性能大幅度提高的新型结构措施有哪些？为什 么？ 答：新型燃烧室，多气门（提高ηv），可变配气相位VVT（提高ηv）， 可变进气管长度（提高ηv）,可变压缩比，可变增压器VGT、VNT（可根 据需要控制进气量），机械-涡轮复合增压，顶置凸轮机构DOHC、 SOHC（结构紧凑，往复惯性力小）。 1-8某发动机为了提高功率，采用了扩大汽缸直径的途径，如果汽缸直 径扩大比较多，比如扩大5mm，与之相匹配的还要改变那些机构的设 计？还要进行哪些必要的计算？ 答：气缸直径改变之后，除估算功率、转矩外，活塞直径、气门直径、 气门最大升程要重新确定，活塞环要重新选配，曲轴平衡要重新计算， 要进行曲轴连杆机构动力计算和扭振计算，要进行压缩比验算、燃烧室 设计、工作过程计算深知重新设计凸轮型线等。 1-9某发动机由于某种原因，改变了活塞行程，与之相匹配的还要进行 哪些结构更改设计和计算？ 答：活塞行程S改变后，在结构上要重新设计曲轴，要重新进行曲柄连 杆机构动力计算、平衡计算、机体高度改变或者曲轴中心移动、压缩比 验算与修正、工作过程计算等。
第一章：内燃机设计总论
1-1根据公式 ，可以知道，当设计的活塞平均速度Vm增加时，可以增 加有效功率，请叙述活塞平均速度增加带来的副作用有哪些？具体原 因是什么？ 答：①摩擦损失增加，机械效率ηm下降，活塞组的热负荷增加，机油 温度升高，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、寿命低。③进排气流速增 加，导致进气阻力增加、充气效率ηv下降。 1-2汽油机的主要优点是什么？柴油机主要优点是什么？ 答：柴油机优点： 1）燃料经济性好。 2）因为没有点火系统，所以工作可靠性和耐久性好。 3）可以通过增压、扩缸来增加功率。 4）防火安全性好，因为柴油挥发性差。 5）CO和HC的排放比汽油机少。 汽油机优点： 1）空气利用率高，转速高，因而升功率高。 2）因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，所以制造成本低。 3）低温启动性好、加速性好，噪声低。 4）由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小。 5）不冒黑烟，颗粒排放少。 1-3假如柴油机与汽油机的排量一样，都是非增压或者都是增压机型， 哪一个升功率高？为什么？ 答：汽油机的升功率高，在相同进气方式的条件下， ①由PL=Pme*n/30τ可知，汽油机与柴油机的平均有效压力相差不多。 但是由于柴油机后燃较多，在缸径相同情况下，转速明显低于汽油机， 因此柴油机的升功率小。 ②柴油机的过量空气系数都大于1，进入气缸的空气不能全部与柴油混 合，空气利用率低，在转速相同、缸径相同情况下，单位容积发出的功 率小于汽油机，因此柴油机的升功率低，汽油机的升功率高。 1-4柴油机与汽油机的汽缸直径、行程都一样，假设D=90mm、 S=90mm，是否都可以达到相同的最大设计转速（如n=6000r/min）？ 为什么？ 答：.对于汽油机能达到，但是柴油机不能。因为柴油机是扩散燃烧形 式，混合气的燃烧速度慢，达不到汽油混合气的燃烧速度，所以达不到 6000r/min的设计转速。缸径越大，柴油混合气完成燃烧过程的时间越
=2 Csin sin sin2 也是椭圆，合力为 = =2 C
合力方向为
当
= 时，有 = ， = ， 变为水平方向的往复惯性力，可以用兰氏机构平衡。 结论： = 时， 为一个圆，相当于离心力； 为往复惯性力，方向垂直于气缸夹角平分线。 3-5四冲程六缸机的惯性力和惯性力矩都已经平衡了，此发动机的支撑 还承受什么力作用？ 答：解：点火间隔角为A= =120° （1）作曲柄图和轴测图
（1）一阶往复惯性力的平衡分析： 如上图所示，以气缸夹角平分线为始点，左右两列气缸的一阶往复惯性 力分别为 =Ccos( + ) = Ccos( ) 向x轴和y轴投影，再求和，得 = + =Ccos
?(1+cos ) = + =Csin ?(1-cos ) 合力 = =C
合力方向 =arctan
而
, Ф1 = ,则由 ，可以求出所有集中质量的绝对振幅
第五章：配气机构设计
5-1配气机构中平底挺柱的几何运动速度与凸轮接触点偏心距的关系如 何？设计平底挺柱时，挺柱底面半径要满足什么要求？ 答：数值相等。平底挺柱的底面半径要大于最大偏心距，也就是在数值 上要大于挺柱的最大几何速度。 5-2气门通过时间断面是如何求出的？ 答： ，其中 5-3配气凸轮除工作段外，都要有缓冲段，为什么？ 答：1）由于气门间隙的存在，使得气门实际开启时刻迟于挺柱动作时 刻 2）由于弹簧预紧力的存在，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 3）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，使气门迟开。 上述原因的综合作用使得气门的实际开启时刻迟于理论开启时刻，若没 有缓冲段，气门的初速度短时间内由零变得很大，有很强的冲击作用。 同样，当气门落座时末速度很大，会对气门座产生强烈冲击，气门机构 的磨损和噪声加剧。为了补偿气门间隙以及预紧力和气缸压力造成的弹 性变形，要在实际工作段前后增设缓冲段，保证气门开启和落座时处于 很小的速度。 5-4凸轮缓冲段由等加速—等速两段组成，已知缓冲段高度H0、速度 v0、缓冲段包角 ，等加速度包角 ，请写出缓冲段各段的方程式。 答：等加速段： ，
第二章：曲柄连杆机构受力分析
2-1写出中心曲柄连杆机构活塞的运动规律表达式，并说出位移、速度 和加速度的用途。 答：X = r[(1-cosα)+ λ/4(1-cos2α)] = XⅠ+XⅡ; V = rω(sinα+sin2α*λ/2) = vⅠ+vⅡ; a = rω2(cosα+λcos2α) = aⅠ+aⅡ; 用途： 1）活塞位移用于P-φ示功图与P-V示功图的转换，气门干涉的校验及动
向不同，称为次主谐量。3）曲拐侧视图有q个不同方向的曲拐，则有 qτ/2个相位图。 4-6什么是临界转速？如何求对应第k阶谐量引起的临界速度？计算和 分析扭振的条件是什么？ 答：曲轴固有频率与外界干扰力矩“合拍”，产生扭转共振的转速称为 临界转速。共振时，kωt =ωe ，则ωt =ωe /k ,其中ωt为曲轴转 动角频率。 计算和分析扭转共振的三个条件为： ① 在发动机工作转速范围内，方能称为临界转速 ②一般只考虑摩托阶数k≤18的情况，因为k值太大时，对应的谐量幅值 很小 ③一般只考虑前两阶或前三阶固有频率 4-7计算曲轴系统扭振的假设条件是什么？ 答：1）强迫振动引起的共振振型与自由振动的振型相同 2）只有引起共振的那一阶力矩对系统有能量输入 3）共振时激发力矩所做的功，等于曲轴上的阻尼功 4-8如果知道第一个集中质量的绝对振幅，其他集中质量的振幅如何求 出？为什么？ 答：因为共振时阻尼功等于激振功，激振频率等于固有频率，即 = , ，ψ= ,所以 Ф1sin = ξkωtФ