發(fā)動機設計說明書.doc
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課 程 設 計課程名稱: 發(fā)動機設計 設計題目: 曲軸設計 學 院: 交通工程 專 業(yè): 車輛工程 年 級: 2010級 學生姓名: 趙友 指導教師: 畢玉華(教授) 日 期: 2013年9月 教 務 處 制目 錄1 總體布局,結構特點以及選用原則系統(tǒng)分析11.1 發(fā)動機設計總體一般要求11.2 立式直列水冷四沖程柴油機的特點12 標定工況(最大功率)工作過程及熱力計算和示功圖繪制12.1熱力計算12.1.1熱力計算的目的12.1.2熱力計算方法22.2 重要參數選取22.1.1 壓縮比22.1.2 過量空氣系數22.1.3 殘余廢氣系數22.1.4 進氣溫升和殘余廢氣溫度22.1.5 熱量利用系數22.1.6 示功圖豐滿系數22.1.7 機械效率22.1.8 平均多變壓縮指數22.1.9 平均多變膨脹指數22.2 燃料燃燒化學計算22.2.1 理論空氣量的計算22.2.2理論分子變化系數22.2.3 實際分子變化系數32.3燃氣過程參數的確定與計算32.3.1 壓縮始點的氣體狀態(tài)32.3.2 壓縮終點的氣體狀態(tài)32.3.3 燃燒過程及燃燒終點氣體狀態(tài)42.3.4 膨脹終點氣體狀態(tài)52.3.5 示功圖的繪制52.4發(fā)動機性能參數62.4.1平均指示壓力62.4.2 平均有效壓力:62.4.3 有效功率:62.4.4 充量系數的計算72.4.5 指示熱效率72.4.6 燃油消耗率:72.4.7 發(fā)動機總進氣量73、活塞位移、活塞側擊力、加速度隨曲軸轉角變化曲線73.1活塞隨曲軸轉角的位移圖73.2活塞速度隨曲軸轉角的變化曲線83.3活塞加速度隨曲軸轉角的變化曲線94、氣缸壓力、活塞側擊力、連桿力、主軸頸負荷圖114.1氣缸壓力隨曲軸轉角變化曲線114.2 氣缸側擊力和連桿力隨曲軸轉角的變化曲線124.3曲柄銷處收到離心力和連桿力的合力134.4 第一主軸頸直角坐標及極坐標負荷圖144.5第二主軸頸極坐標負荷圖154.6 各缸轉矩圖165 曲軸設計及強度校核175.1 參數選取175.1.1 主軸頸175.1.2 曲柄銷175.1.3 曲柄臂175.2 強度計算175.2.1 圓角面195.2.2 油孔所在中心平面225.3 疲勞安全系數的計算245.3.1判斷危險點245.3.2材料選擇及其疲勞極限245.3.3 油孔邊緣處應力255.3.4 循環(huán)特征255.3.5 安全系數255.3.6 綜合安全系數266曲軸平衡性分析266.1平衡性分析及平衡措施266.2平衡計算267 總結。278參考文獻。28課 程 設 計 說 明 書計 算 及 說 明結 果1 總體布局,結構特點以及選用原則系統(tǒng)分析1.1 發(fā)動機設計總體一般要求根據發(fā)動機的使用,對發(fā)動機的提出各種要求,由于該發(fā)動機是用于農用運輸車、工程、床用以及發(fā)電機用動力,所以要求有足夠的功率,能夠在較寬的轉速與負荷范圍內穩(wěn)定運轉,燃料和機油消耗少,體積小,重量輕,工作可靠,壽命長,污染少,震動噪聲小,能適應各種使用條件,制造成本低,維修方便等1.2 立式直列水冷四沖程柴油機的特點 機體的寬度小而高度和長度大,一般只適用于六缸以下的發(fā)動機,四沖程柴油機的燃油經濟性好,可靠性和耐久性高,發(fā)生故障較少,燃油和潤滑油 消耗少,HC排放量較二沖程的小,怠速和低負荷工況運轉穩(wěn)定,活塞和缸套的熱負荷較二沖程小,另外水冷,能夠保證發(fā)動機良好地冷卻效果,減少了零件的強度下降,同時可以改善燃燒室的冷卻而允許發(fā)動機有較高的壓縮比,從而可以提高發(fā)動機的熱效率和功率。2 標定工況(最大功率)工作過程及熱力計算和示功圖繪制2.1熱力計算2.1.1熱力計算的目的在發(fā)動機設計前經過熱力計算,算出混合加熱循環(huán)幾個特殊點的壓力、體積、溫度關系,進一步繪制出示功圖為后面計算動力學、零部件設計計算及校核做準備。2.1.2熱力計算方法根據發(fā)動機設計手冊上的熱力計算部分進行熱力計算,算出各個狀態(tài)點的狀態(tài)參數。2.2 重要參數選取2.1.1 壓縮比 =17.52.1.2 過量空氣系數 =1.452.1.3 殘余廢氣系數 =0.032.1.4 進氣溫升和殘余廢氣溫度 =20 =950K2.1.5 熱量利用系數 =0.82.1.6 示功圖豐滿系數 =0.952.1.7 機械效率 =0.842.1.8 平均多變壓縮指數 =1.362.1.9 平均多變膨脹指數 =1.262.2 燃料燃燒化學計算2.2.1 理論空氣量的計算= + - )= + - )= + - )=0.494(kgkcal/kg)=0.494(kgkcal/kg)換算成重量:L=28.962.2.2理論分子變化系數=1 + =1 + =1.04=1.042.2.3 實際分子變化系數 = = = 1.0431.0432.3燃氣過程參數的確定與計算2.3.1 壓縮始點的氣體狀態(tài)四沖程柴油機在進氣門關閉后,壓縮始點的溫度:當為非增壓時=非增壓四沖程柴油機:取=15k,750k= 20k 750k殘余廢氣系數=0.030.06,取=0.03=0.03 = 325.7282K 325.7282K壓縮始點時的壓強:=(0.0900.098)Pa=0.998.39=88.551KPaPa=88.551KPa2.3.2 壓縮終點的氣體狀態(tài)壓縮終點的溫度:=912K 912K壓縮終點的壓力:=4342KPa4342KPa2.3.3 燃燒過程及燃燒終點氣體狀態(tài)柴油機的最大爆發(fā)壓力:Pz=8000KPaPz=8000KPa壓力升高比:=Pz/Pc=1.84,取=1.8=1.8燃燒終點的溫度:=1642.9KHu=42500kj/kg=10153kcal/kg假定所求溫度,由表3-3和3-4得: =2097K換算成攝氏溫度為1804度,與假設溫度符合。燃燒終點z的氣缸容積:V=初期膨脹比:2.3.4 膨脹終點氣體狀態(tài)對于柴油機取=1.26=335KPa=1089.8K=1089.8K2.3.5 示功圖的繪制示功圖繪制步驟:上面已經算出a、c、y、z、b五個點的值,定熵燃燒部分的曲線用把V取等步長求出P,用matlab畫出出示功圖:2.4發(fā)動機性能參數2.4.1平均指示壓力理論平均指示壓力:=8.8018, 換算成880.18Kpa取豐滿系數為=0.95836.17Kpa=836.17Kpa2.4.2 平均有效壓力:=702.38Kpa=702.38Kpa其中,機械效率為=0.84。2.4.3 有效功率:=25.8372kwP=25.8372kw2.4.4 充量系數的計算=0.83360.83362.4.5 指示熱效率=0.41460.41462.4.6 燃油消耗率:有效燃油消耗率:=243.21(g/kw.h)234.21(g/kw.h)2.4.7 發(fā)動機總進氣量四沖程發(fā)動機:空氣氣體常數R=29.27掃氣系數=0.0361 kg/s0.0361(kg/s)3、活塞位移、活塞側擊力、加速度隨曲軸轉角變化曲線3.1活塞隨曲軸轉角的位移圖活塞的位移由上止點開始計量,得(式中r是曲柄半徑,是連桿大小頭中心距)3.2活塞速度隨曲軸轉角的變化曲線對活塞位移求一階導數就得到近似活塞的速度公式:3.3活塞加速度隨曲軸轉角的變化曲線對速度公式求一階導數得近似活塞加速度公式:4、氣缸壓力、活塞側擊力、連桿力、主軸頸負荷圖4.1氣缸壓力隨曲軸轉角變化曲線曲線繪制的基本思想:將曲線分為三段處理,分別是曲軸轉角為0-180,180-540,540-720其中首段為Pa的壓力,尾端為第三段到大氣壓力的過渡段,線性處理即可。第二段根據p-v圖的畫法,根據不同轉角下的氣缸體積變化即可得到曲線。用到的公式:作用于活塞的力:4.2 氣缸側擊力和連桿力隨曲軸轉角的變化曲線活塞側擊力:連桿力:4.3曲柄銷處收到離心力和連桿力的合力4.4 第一主軸頸直角坐標及極坐標負荷圖 4.5第二主軸頸極坐標負荷圖默認各缸均勻、沒有平衡重、且連桿大頭在曲柄銷正中間,第二曲拐相對第一曲拐360帶入下式:4.6 各缸轉矩圖5 曲軸設計及強度校核5.1 參數選取根據教材p197頁表12-1選取參數,已知缸徑則可以選取如下參數。5.1.1 主軸頸直徑d1=70mm,長度L1=41mm =42mmd1=70mm L1=41mm =42mm5.1.2 曲柄銷直徑d2=62mm,長度L2=36mm,d2=30mm,偏心距=4mmd2=62mm L2=36mm,d2=30mm =4mm5.1.3 曲柄臂寬度=114mm,厚度=25.5mmb=114mm=25.5mm其中油孔直徑為6mm,軸頸過渡圓角=5mm油孔直徑為6mm=5mm=13.5mm=13.5mm5.2 強度計算曲軸危險截面主要是主軸頸、曲柄銷的圓角處及油孔中心面,只要算出其中最大當量應力,即可知道最危險的截面,再校核即可。根據教材p204頁的內容。油孔處3-32-2截面1-1截面圖中11、22截面,分別是主軸頸、曲柄銷與曲柄臂相連接的過渡圓角處截面,33截面是曲柄銷上油孔邊緣處截面。由教材204頁圖上所示,本人采用分兩次加平衡塊的方法,第一次加的平衡塊用來平衡曲軸的曲柄銷,相當于此時曲軸自身動平衡。第二次加上平衡塊平衡連桿大頭,這樣就不用在校核之前計算曲軸曲柄臂質量、曲柄銷質量、平衡塊質量。=20.5mm,=33.25mm;=64mm=13.5mm,=25.5mm,圓角半徑r=5mm,=0。油孔位置角度=65。2656N由于用matlab,中間很多變量都是隨轉角變化的量,所以不一一列出。5.2.1 圓角面1-1、2-2截面計算公式:彎矩:扭矩:拉壓力:剪力:1-1、2-2截面的內力(內力矩)圖:以下分別是彎矩、扭矩、拉壓力、剪力。1-1、2-2截面危險點應力:主軸頸圓角處:,曲柄銷圓角處:主軸頸圓角處和曲柄銷圓角處當量應力變化曲線:5.2.2 油孔所在中心平面對于3-3截面彎矩:扭矩:抗彎截面系數:抗扭截面系數油孔邊緣危險點應力:;彎矩扭矩隨曲軸轉角變化圖:油孔截面處當量應力變化曲線:5.3 疲勞安全系數的計算5.3.1判斷危險點主軸頸圓角處最大當量應力=55.14Mpa主軸頸圓角=55.14Mpa曲柄銷圓角處最大當量應力=35.19Mpa曲柄銷圓角=35.19Mpa油孔處的當量應力=74.16Mpa油孔截面=74.16Mpa根據以上計算的結果,對各個危險點的當量應力進行比較得,可得油孔處的當量應力最大,所以曲軸油孔處的截面是最危險截面,安全系數的計算則校3-3截面即可。=38.02Mpa,=-17.52Mpa; =38.02Mpa=-17.52Mpa=42.71MPa,=-18.95MPa=42.71MPa=-18.95MPa5.3.2材料選擇及其疲勞極限曲軸所選材料為球墨鑄鐵(QT800-2),其力學性能:=800MPa,=480MPa,488Mpa,=360Mpa=476Mpa,=180Mpa,=306Mpa.,5.3.3 油孔邊緣處應力=10.25MPa; =27.76MPa10.25MPa27.76MPa=11.87MPa; =30.83MPa11.87MPa30.83MPa5.3.4 循環(huán)特征=-0.4607;=-0.4438-0.4607-0.4438根據教材p209頁表12-4,12-5,12-6,可取到如下數據:=2.1,=1.85,=0.702,=0.666,=1.30=0.3538=0.3538=0.7364=0.73645.3.5 安全系數=5.2349 ()5.2349=2.6482 ()2.64825.3.6 綜合安全系數發(fā)動機曲軸安全系數在1.8-2.5之間是符合安全要求的,本次設計的曲軸安全系數為2.363,滿足強度要求。所以曲軸合格。6曲軸平衡性分析6.1平衡性分析及平衡措施不平衡主要是由旋轉慣性力及往復慣性力引起的,進而產生力、主矩不為零,使得發(fā)動機振動等,旋轉慣性力是比較容易平衡的,往復慣性力有一階、二階,變化也比較所以只能平衡一部分。為了獲得更好的平衡性,在選擇曲軸及發(fā)火順序時應均勻且平橫性好的。單列式發(fā)動機平衡方法有:利用平衡重達到外平衡;利用平衡重減輕主軸承載荷和內力矩;加平衡機構平衡往復慣性力。平衡性要求內平衡與外平衡都好。6.2平衡計算此次曲軸采用兩缸曲柄銷間隔360的曲軸,在靜平衡上有一些缺點,但兩缸發(fā)火均勻有彌補了這項不足,此外,這種曲軸還有利于加裝廢氣渦輪增壓器、有利于運轉均勻性。平衡離心慣性力的質量: m為連桿大頭質量,R為曲柄銷半徑,為平衡重的質心。平衡部分一階往復慣性力的質量: 為活塞組質量加連桿小頭的質量,R為曲柄銷半徑,為平衡重的質心。K取0.30.4是平衡系數以上兩式右邊均是可以算出的量,而左邊就是用UG建模,平衡重使得兩邊相等為止即為平衡重。7 總結。我最有成就感的是我在做曲軸設計過程中,這么多的計算我把它在matlab中寫成程序的形式,我想畢業(yè)設計時候應該會用到。以前都是自學matlab只是覺得有時間就看一下,它以矩陣的形式存儲數據,在數學計算中應用很大。 第二就是上課時學發(fā)動機設計課程只是學,而此次是做,我需要什么知識,再去自學,能體現自我學習能力。像用UG畫二維圖都是現學現用。第三,其實做課程設計的過程中,我也遇到很多困難,我本來前面就做好的動力學計算機的程序,而此次不是知道壓力,而是算出示功圖,用程序不能通過位移反算出角度,我想一個下午才想通,這樣才能適應前面寫的算法。另一個是在網上找QT800疲勞極限找不到,等了一天半又才開始算。課程設計的任務包括內燃機的熱力計算和性能參數計算,強度校和及實體建模等部分組成。時間短任務重,但是大家都很積極努力,組內各個成員之間配合默契。這次課程設計相當于一次完整的發(fā)動機設計流程,讓我們了解了一個產品開發(fā)的流程,同時也熟悉了課本知識的實際運用能力。這對于我們以后在社會上的發(fā)展的是比較重要的,無論我們是否從事發(fā)動機行業(yè)。總之,我在這次實習中學到了很多的東西。 最后,深入系統(tǒng)地學習了一遍發(fā)動機設計書本上的知識,知識重要,但更重要的是在設計過程中用到的思想,比如有的同學在校核前要計算平衡重,我用的就是先把曲軸看做自身動平衡,然后平衡重只要平衡連桿大頭離心力的方法,就不用在校核前計算平衡重質量。8參考文獻。1 發(fā)動機設計.(教材)2柴油機設計手冊編輯委員會.柴油機設計手冊(上冊).北京: 中國農業(yè)機械出版社.19843 周龍保.內燃機學.第二版.北京:機械工業(yè)出版社.20054 陳家瑞等.汽車構造.第五版.北京:人民交通出版社.20055工程熱力學/華自強等編.-4版-北京:高等教育出版社,2009.11- 配套講稿:
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