内燃机设计,第一章 内燃机设计总论,第二章 曲柄连杆机构受力分析,第三章 内燃机的平衡,第四章 曲轴系统的扭转振动,第五章 配气机构设计,第六章 曲轴飞轮组设计,第七章 连杆组设计,第八章 活塞组设计,第九章 内燃机滑动轴承设计,第十章 机体与缸盖设计,第十一章 内燃机冷却与润滑系设计,第一章 内燃机设计总论,第一节 内燃机设计的一般流程,第二节 内燃机的主要设计指标,第四节 内燃机主要参数的选择,第五节 发动机设计的发展,第三节 内燃机的选型,返回开始,第一章 内燃机设计总论,第一节 内燃机设计的一般流程 一、计划阶段 此阶段由下述环节组成： 1. 确定任务 主要是根据市场需要和法规需要 (进行必要性、可行性论证)，这个环节应该是企业产品规划中确定的，有长期规划，也有短期规划。 2. 组织设计组根据任务挑选合适人选 人员结构合理 技术结构合理,3. 调查研究 a 访问市场和用户，征求对产品的要求 b 了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况 c 收集同类先进产品的资料，考察同类产品 d 确定参考样机 4. 确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。 主要是通过: 同类型机型对比、 热力学计算、 动力学计算和整机一维模型仿真分析。,5拟订设计任务书 说明产品的原因、用途、适用范围等 说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标 如：a. 型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式 b. 冲程数 （4 或 2）、缸径D、冲程S c. 冷却方式（水 或 风） d. 汽缸排列方式 （直列、V型） e. 功率Ne、转速n、扭矩M f. 燃油消耗率ge(克/千瓦.小时) g. 机油消耗率gm(克/千瓦.小时) h. 大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍 i. 重量和外型尺寸与用途有关（大车、小车、固定） j. 排污指标（噪声、废气） k. 平均有效压力 pme l. 活塞平均速度Cm . 主要结构说明 燃烧室、零部件（活塞连杆、曲轴飞轮、机体缸盖、配气机构、供油润滑、冷却、起动） . 产品系列化和变型、强化的可能性,二、设计实施阶段 1. 内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案。 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。,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） 3. 改进与处理阶段 a. 样机鉴定. b. 小批量生产 4. 内燃机设计的“三化” a. 产品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，达到提高Pe b. 零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。 c. 零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计 “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,四、改进与处理阶段 1样机鉴定与改进. 在总结了单缸机试验 、多缸机试制、样机性能试验和用户配套实验的基础上，往往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察，然后由企业或者地方主管部门组织新厂品鉴定。鉴定时设计和试制单位要提供下列文件： 设计任务书 内燃机研发试制总结 内燃机动力性、经济性、耐久性、排放特性、噪声水平等性能试验报告 内燃机生产产量成本盈亏分析 零部件标准审查报告 市场需求预测分析 用户使用报告 单缸机试验,2小批量生产和扩大用户试验,内燃机是一个十分复杂的技术系统，涉及到水、油、气的流动与密封； 工质燃烧、做功与传热； 机械传动等多个复杂的物理和化学过程， 用户的要求和使用工况变化非常大，因此必须经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验，经过严密的设计完善和严格的生产工艺调整，才能最终进行正式商业化生产。,本章开始,第三节 内燃机的选型 一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机,柴油机： 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。 汽油机： 空气利用率高，转速高，因而升功率高。 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。,二、冲程 四冲程：使用可靠，工作柔和，耐磨，经济性好，指标稳定，生 产、使用经验丰富； 二冲程：单位时间内工作循环多一倍，实际功率输出大5070%，体积小，重量轻，结构简单，但经济性差。 三、冷却形式 水冷： 1. 冷却均匀效果好； 2.v 大，pe大； 3.受外界影响小; 4.噪音低. 风冷： 1. 散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大； 2. 可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂； 3. 噪音大，因为无水套吸音； 4. 铸造困难； 5. 冷却系结构简单，无漏水； 6. 单体结构，维修成本低。,四、气缸的布置 主要由发动机的使用环境决定。 单列：结构简单，使用维修方便。 双列：在增加功率，提高车厢面积有效利用要求下，趋向采用双列，双列有V型、错缸型（缸心线平行和缸心线不平行两种） 卧式：可布置在底盘中部或后部，大幅度降低高度，改善面积利用率，开阔视野，提高了操纵性、机动性。,本章开始,第二章 曲柄连杆机构受力分析,返回开始,第一节 曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学）,第二节 曲柄连杆机构中的作用力,第一节 曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学) 一、 简述 机构的作用： 活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动 活塞上的力转化为曲轴上的扭矩 两个假设： 1.曲轴作匀速运转; 2.角速度为常数。 二、 中心曲柄连杆机构的运动规律 活塞的位移表示为,活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，既活塞的运动是复谐运动。,对x求一阶导和二阶导，得,第二节 曲柄连杆机构中的作用力 一、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系 作用力分为： 气压力Fg 惯性力往(复惯性力Fj、旋转惯性力Fr） 合成力 F=Fj+Fg 一、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系,上式说明，永远存在一个与输出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩。,二、气压力的作用效果 气压力Fg和 在机体内部平衡掉，对外没有自由力，只有扭矩输出和翻倒力矩,曲柄连杆机构的所有零件，按照运动性质可分为三组。 活塞组m, 包括活塞、活塞环、活塞销和卡环。 曲轴组 mk a. 连杆轴颈及与连杆轴颈相重合的曲柄部分 mk1 b. 曲柄上连杆轴颈与主轴颈中间的部分 mk2 其当量质量 连杆组 根据质量守恒和质心守恒原理 所以 关键是求出重心位置。现在利用制图软件可以方便求出。,三、往复惯性力 1 机构运动件的质量换算 换算原则：保持当量系统与原机构动力学等效。,四、往复惯性力和气压力作用的差别,气压力Fg 是做功的动力，产生输出扭矩。 气压力Fg 在机体内部平衡，没有自由力。Fj 没有平衡，有自由力产生，是发动机纵向振动的根源。 Fjmax Fgmax Fj 所占区域长，总是存在，正负面积相等；Fg 呈脉冲性。,六、多缸机扭矩（动力计算）,以六缸四行程发动机（153624）为例：,如果第一缸的扭矩为M1()，则第二缸的扭矩为M2M1(+240)，M3M1（480），.,第一主轴颈所受扭矩 M0,1=0 第二主轴颈所受扭矩 M1,2=M1() 第三主轴颈所受扭矩 M2,3= M1,2+M1（240） 第四主轴颈所受扭矩 M3,4= M2,3+ M1（480） 第五主轴颈所受扭矩 M4,5= M3,4+ M1（120） 第六主轴颈所受扭矩 M5,6= M4,5+ M1（600） 第七主轴颈所受扭矩 M6,7= M5,6+ M1（360） =,2. 连杆轴颈扭矩 根据扭矩向后传递的原则，Mgi应该是前一个主轴颈上的积累扭矩Mzi与作用在本曲柄销上的切向力所引起单缸扭矩的一半。,3.平均扭矩,据此可以计算指示功率、有效扭矩等动力指标。,第三章 内燃机的平衡,第二节 旋转惯性力的分析,第三节 单列式内燃机往复惯性力的平衡分析,第四节 双列式内燃机往复惯性力的分析,第一节 平衡的基本概念,返回开始,第三章 内燃机的平衡,第一节 平衡的基本概念 一、平衡的定义 当内燃机在稳定工况运转时如果传给支承的作用力的大小和方向均不随时间而变化，则我们就称此内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。 二、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。 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。 三、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。,第三节 单列式内燃机往复惯性力的平衡分析,几个基本概念,2往复惯性力始终沿气缸轴线作用，大小和方向按简谐规律变化，力矩总是作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内。,都是不平衡的自由力，如果不采取平衡措施，就会传到支承上，引起纵向振动。,1. 往复惯性力可以用旋转矢量表示为,3,单列四冲程六缸机（153624）,惯性力分析：,惯性力矩分析：,相当于两个三拐曲轴对称安置，,在自身已经达到静平衡和动平衡性的曲轴上添加平衡重，目的是减轻轴承负荷和减小曲轴的内弯矩。,本章开始,第四章 曲轴系统的扭转振动,第一节 扭振的基本概念,返回开始,第二节 扭振系统自由振动计算,第三节 强迫振动与共振,第四节 曲轴系统的激发力矩,第五节 曲轴系统的强迫振动与共振,第六节 扭振的消减措施,第七节 扭转振动的现代测试分析方法,第四章 曲轴系统的扭转振动,第一节 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： 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 增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。 发动机偏离该转速时，上述现象消失 。,原因： 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。 系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。 干扰力矩的变化频率与系统固有频率接近时，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。,本章开始,例：六缸四冲程发动机（153624），求各阶简谐力矩的相位差，并做出相位图。,解：对于四冲程，,第五拐上第k阶力矩相位差,第三拐上第k阶力矩相位差,第六拐上第k阶力矩相位差,第二拐上第k阶力矩相位差,第四拐上第k阶力矩相位差,取,得到相位图如下：,第六节 扭振的消减措施,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,提高曲轴刚度C。 增加主轴颈直径； 减小曲轴长度； 提高重叠度。 2. 减小转动惯量, 空心曲轴； 降低平衡重质量； 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,对次主谐量，可通过改变发火次序、气缸夹角来达到,第五章 配气机构设计,返回开始,第二节 配气机构运动学和凸轮型线设计,第三节 配气机构动力学,第四节 凸轮轴及气门驱动件设计,第一节 配气机构型式及评价,第五节 可变配气相位及其机构（VVT）,四、凸轮的工作段和缓冲段设计,1. 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(