內(nèi)燃機設(shè)計教案.doc

青島工學院教 案20 15 20 16 學年第 2 學期所 在 學 院： 機電工程學院 教研室(實驗室)： 能源與動力工程 課 程 名 稱： 內(nèi)燃機設(shè)計 授 課 教 師： 董吉凱 授 課 班 級： 2013級能源與動力工程（1）班 使 用 教 材： 袁兆成編著內(nèi)燃機設(shè)計第2版 審 查 人(簽字)： 青島工學院教務(wù)處制 內(nèi)燃機設(shè)計 課程教案授課時間2016年3 月8日 第 1 周 周 二 第 7、8 節(jié)2016年3 月11日 第 1 周 周 五 第 5、6 節(jié)授課章節(jié)第一章 內(nèi)燃機設(shè)計總論教學目的、要求1、掌握內(nèi)燃機設(shè)計的一般思路2、熟悉研制內(nèi)燃機的一般流程教學重點及難點發(fā)動機的主要參數(shù)選擇。 教學方法及手段 多媒體教學教學內(nèi)容及過程一、 內(nèi)燃機設(shè)計的一般流程1、計劃階段 此階段由下述環(huán)節(jié)組成：1）確定任務(wù) 主要是根據(jù)市場需要和法規(guī)需要 (進行必要性、可行性論證)，這個環(huán)節(jié)應(yīng)該是企業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃中確定的，有長期規(guī)劃，也有短期規(guī)劃。 2）組織設(shè)計組根據(jù)任務(wù)挑選合適人選。3）調(diào)查研究a 訪問市場和用戶，征求對產(chǎn)品的要求；b 了解制造廠的工藝條件、設(shè)備能力以及配件供應(yīng)情況；c 收集同類先進產(chǎn)品的資料，考察同類產(chǎn)品；d 確定參考樣機。教學內(nèi)容及過程4）確定基本性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式（概念設(shè)計階段）。主要是通過: 同類型機型對比、熱力學計算、動力學計算和整機一維模型仿真分析。5)擬訂設(shè)計任務(wù)書2、設(shè)計實施階段 1)內(nèi)燃機總布置設(shè)計，確定主要零部件的允許運動尺寸、結(jié)構(gòu)方案、2)按照企業(yè)標準編制零部件圖紙目錄。3)部件三維圖細致設(shè)計、零部件工作圖、縱橫剖面圖。3、檢驗階段1) 試制多缸機樣機2) 多缸機試驗（磨合、調(diào)整、性能試驗、耐久試驗、可靠性試驗、配套試驗和擴大用戶試驗）3) 改進與處理階段4)內(nèi)燃機設(shè)計的“三化”4、改進與處理階段1)樣機鑒定與改進. 2)小批量生產(chǎn)和擴大用戶試驗二、內(nèi)燃機的主要設(shè)計指標 1、動力性指標 1） 功率Pe2）轉(zhuǎn)速 n n 增加 對提高 Pe有利，但是轉(zhuǎn)速增加后：慣性力 ，導(dǎo)致負荷增加，平衡、振動問題突出，噪音增加；工作頻率增加熱負荷增加；摩擦損失增加，導(dǎo)致 m 下降、ge 升高、磨損加劇，壽命縮短； 進排氣系統(tǒng)阻力增加 ，使v 變小； 3）最大扭矩教學內(nèi)容及過程2、經(jīng)濟性指標1）燃油消耗率 ge (克/千瓦小時)2）機油消耗率 gm (克/千瓦小時)3）耐久性、可靠性指標 可靠性在規(guī)定的運轉(zhuǎn)條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，具有持續(xù)工作，不會因為故障而影響正常運轉(zhuǎn)的能力。 耐久性從開始使用起到大修期的時間。4、重量、尺寸、外形指標是評價設(shè)計的緊湊性和金屬利用程度的指標。比重量 gw=G/Pe(kg/kw)；體積功率 Pv=Pe/V(kw/m3) 5、低公害指標6、制造、使用、維護指標三 、內(nèi)燃機的選型1、柴油機、汽油機或氣體燃料發(fā)動機現(xiàn)在廣泛使用的內(nèi)燃機主要是柴油機、汽油機和氣體燃料發(fā)動機。在選擇內(nèi)燃機時首先碰到的問題就是選擇什么內(nèi)燃機。 從兩方面考慮 內(nèi)燃機本身的技術(shù)經(jīng)濟特點和市場需求。 地區(qū)或國家對環(huán)境和能源應(yīng)用分布的要求。2、沖程四沖程：使用可靠，工作柔和，耐磨，經(jīng)濟性好，指標穩(wěn)定，生 產(chǎn)、使用經(jīng)驗豐富；二沖程：單位時間內(nèi)工作循環(huán)多一倍，實際功率輸出大5070%，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，但經(jīng)濟性差。教學內(nèi)容及過程3、冷卻形式 水冷： 1) 冷卻均勻效果好；2)v 大，pe大； 3)受外界影響小; 4)噪音低. 風冷： 1)散熱不好，熱負荷高，油嘴易堵，機油易變稀，磨損大；2)可在沙漠等缺水地帶使用，無凍裂； 3)噪音大，因為無水套吸音； 4)鑄造困難； 5)冷卻系結(jié)構(gòu)簡單，無漏水； 6)單體結(jié)構(gòu)，維修成本低。4、氣缸的布置主要由發(fā)動機的使用環(huán)境決定。單列：結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便。雙列：在增加功率，提高車廂面積有效利用要求下，趨向采用雙列，雙列有V型、錯缸型（缸心線平行和缸心線不平行兩種）臥式：可布置在底盤中部或后部，大幅度降低高度，改善面積利用率，開闊視野，提高了操縱性、機動性。 四、內(nèi)燃機主要參數(shù)的選擇1、平均有效壓力 pme 2、活塞平均速度3、氣缸直徑和缸數(shù)4、行程S五、節(jié)發(fā)動機設(shè)計的發(fā)展1、目前廣泛采用2、 現(xiàn)代設(shè)計方法作業(yè)布置教材P25 1-1、1-4課后小結(jié)參考資料 內(nèi)燃機設(shè)計 課程教案授課時間2016年3 月15日 第 2 周 周 二 第 7、8 節(jié)2016年3 月18日 第 2 周 周 五 第 5、6 節(jié)授課章節(jié)第二章 曲柄連桿機構(gòu)受力分析教學目的、要求1. 掌握掌握內(nèi)燃機承受機械力分析方法和思路。2. 熟悉內(nèi)燃機活塞的運動規(guī)律，曲柄連桿機構(gòu)受力分析。3. 了解軸承和軸頸載荷圖。教學重點及難點重點：內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)受力分析。 難點：內(nèi)燃機承受機械力分析方法和思路。教學方法及手段 多媒體教學教學內(nèi)容及過程一、 曲柄連桿機構(gòu)的運動學(活塞的運動學) 1、簡述 機構(gòu)的作用： 活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動活塞上的力轉(zhuǎn)化為曲軸上的扭矩。 2、中心曲柄連桿機構(gòu)的運動規(guī)律 活塞的位移表示為教學內(nèi)容及過程 活塞的運動可以用三角函數(shù)組成的復(fù)諧函數(shù)表示，既活塞的運動是復(fù)諧運動。2、 曲柄連桿機構(gòu)中的作用力 1、曲柄連桿機構(gòu)中力的傳遞和相互關(guān)系 作用力分為： 氣壓力Fg 慣性力往(復(fù)慣性力Fj、旋轉(zhuǎn)慣性力Fr） 合成力 F=Fj+Fg上式說明，永遠存在一個與輸出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩。 2、氣壓力的作用效果 氣壓力Fg在機體內(nèi)部平衡掉，對外沒有自由力，只有扭矩輸出和翻倒力矩 3、往復(fù)慣性力 1）機構(gòu)運動件的質(zhì)量換算換算原則：保持當量系統(tǒng)與原機構(gòu)動力學等效。2）曲柄連桿機構(gòu)中的慣性力 慣性力與運動質(zhì)量有關(guān)，該機構(gòu)中的運動質(zhì)量有往復(fù)運動質(zhì)量 教學內(nèi)容及過程 旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量 往復(fù)慣性力 4、往復(fù)慣性力和氣壓力作用的差別 1）氣壓力Fg 是做功的動力，產(chǎn)生輸出扭矩。2）氣壓力Fg 在機體內(nèi)部平衡，沒有自由力。Fj 沒有平衡，有自由力產(chǎn)生，是發(fā)動機縱向振動的根源。 3）Fj 所占區(qū)域長，總是存在，正負面積相等；Fg 呈脈沖性。 5、曲柄連桿機構(gòu)中力的計算（動力計算） 合成力 F=Fj+Fg 側(cè)向力 FNFtg 連桿力 切向力徑向力 單缸扭矩 翻倒力矩 6、多缸機扭矩（動力計算） 1.）連桿軸頸扭矩 第一主軸頸所受扭矩 M0,1=0，第二主軸頸所受扭矩 M1,2=M1()第三主軸頸所受扭矩 M2,3= M1,2+M1（240）第四主軸頸所受扭矩 M3,4= M2,3+ M1（480） 第五主軸頸所受扭矩 M4,5= M3,4+ M1（120） 第六主軸頸所受扭矩 M5,6= M4,5+ M1（600） 第七主軸頸所受扭矩 M6,7= M5,6+ M1（360） 教學內(nèi)容及過程2）連桿軸頸扭矩根據(jù)扭矩向后傳遞的原則，Mgi應(yīng)該是前一個主軸頸上的積累扭矩Mzi與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸扭矩的一半之和。 3）平均扭矩4）輸出扭矩的均勻性 一般以標定工況評價扭矩不均勻系數(shù) 增加氣缸數(shù)、點火均勻、組件分組、增加飛輪慣量等均可減小扭矩不均勻性。 7、發(fā)動機對支承的作用力 8、曲軸軸頸和軸承的負荷 作業(yè)布置教材P42 2-1、2-9課后小結(jié)參考資料 內(nèi)燃機設(shè)計 課程教案授課時間2016年3 月22日 第 3 周 周 二 第 7、8 節(jié)2016年3 月25日 第 3 周 周 五 第 5、6 節(jié)授課章節(jié)第三章 內(nèi)燃機的平衡 教學目的、要求1.掌握掌握平衡分析方法和平衡方法。 2.熟悉曲軸軸系平衡塊的布置。3.了解輔助平衡機構(gòu)的設(shè)計。 教學重點及難點重點：平衡分析方法難點：平衡分析方法和平衡方法。 教學方法及手段 多媒體教學教學內(nèi)容及過程一、 平衡的基本概念 1、平衡的定義 當內(nèi)燃機在穩(wěn)定工況運轉(zhuǎn)時如果傳給支承的作用力的大小和方向均不隨時間而變化，則我們就稱此內(nèi)燃機是平衡的。實際上這種情況不存在。 2、內(nèi)燃機振動的原因 工作過程的周期性：發(fā)動機扭矩是周期性變化的。 機件運動的周期性：旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力是周期性變化的。 3、不平衡的危害 引起車輛的振動，影響乘員的舒適性、駕駛的平順性。 固定式內(nèi)燃機的振動，會縮短基礎(chǔ)或建筑物的壽命。 產(chǎn)生振動噪音、消耗能量、降低機器的總效率。 引起緊固連接件的松動或過載、引起相關(guān)儀器和設(shè)備的異常損壞。 4、研究平衡的目的和采用的方法 通過內(nèi)燃機平衡性的分析，為分析和選型提供依據(jù)。 尋求改善平衡性的措施，這些措施一般包括： 采用適當?shù)臍飧讛?shù)、氣缸排列和曲拐布置；加適當?shù)钠胶庵?；用適當?shù)钠胶鈾C構(gòu)。 方法主要包括：1解析法2圖解法教學內(nèi)容及過程2、 旋轉(zhuǎn)慣性力的分析 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 旋轉(zhuǎn)慣性力 1、靜平衡和動平衡 靜平衡 質(zhì)心在旋轉(zhuǎn)軸上 動平衡 2、旋轉(zhuǎn)慣性力平衡分析 1）單拐曲軸 為使動平衡： 2）三拐曲軸（132，四沖程或二沖程) 作曲柄側(cè)視圖及軸側(cè)圖 圖解法 整體平衡方法 3. 四拐曲軸 四拐空間（二沖程發(fā)動機）曲軸離心力分析 教學內(nèi)容及過程 空間曲軸的離心力自然平衡，有不平衡的離心力矩 4. 六拐曲軸 六拐曲軸的平衡性很好，但是也存在內(nèi)彎矩和軸承負荷問題。因此六拐曲軸也要合理布置平衡重。方案有如圖所示幾種。 往復(fù)慣性力 三、單列式內(nèi)燃機往復(fù)慣性力的平衡分析 1、幾個基本概念 1）往復(fù)慣性力可以用旋轉(zhuǎn)矢量表示為 2）往復(fù)慣性力始終沿氣缸軸線作用，大小和方向按簡諧規(guī)律變化，力矩總是作用在氣缸中心線與曲軸中心線組成的平面內(nèi)。 2、單缸機往復(fù)慣性力的平衡分析 都沒有平衡，需要采取平衡措施。 教學內(nèi)容及過程 1）雙軸平衡法 對于一階慣性力，用兩根平衡軸四個平衡重(或兩個)，平衡關(guān)系為： 對于二階往復(fù)慣性力采用類似方法 2）過量平衡法（01） 從中消去得到12121212a曲柄側(cè)視圖曲軸布置圖一階曲柄圖二階曲柄圖當過量平衡率=0.5時，合力矢量變成一個常數(shù)。3、多缸機往復(fù)慣性力平衡分析單列式兩缸機（發(fā)火順序121，四沖程是不均勻發(fā)火） 圖解法 整體平衡法 雙軸平衡法 2）連桿軸頸扭矩根據(jù)扭矩向后傳遞的原則，Mgi應(yīng)該是前一個主軸頸上的積累扭矩Mzi與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸扭矩的一半之和。 3）平均扭矩4）輸出扭矩的均勻性 一般以標定工況評價扭矩不均勻系數(shù) 增加氣缸數(shù)、點火均勻、組件分組、增加飛輪慣量等均可減小扭矩不均勻性。 7、發(fā)動機對支承的作用力 8、曲軸軸頸和軸承的負荷 更好的曲軸布置應(yīng)該是360度曲拐夾角。此時發(fā)火均勻，可采用雙軸機構(gòu)平衡，也可以采用平衡活塞的方法平衡。四、雙列式內(nèi)燃機往復(fù)慣性力的分析 1、V型兩缸機平衡分析 1）離心慣性力的分析 2）一階往復(fù)慣性力的平衡分析 3）二階慣性力平衡性分析 2、V型多缸機平衡性分析 例：V型八缸機（V-8）平衡性分析 V型八缸機用空間曲軸的較多，分析一階往復(fù)慣性力和力矩，先將其看成四臺V2機，90時，每臺V2機的FjC = 四臺V-2機的Rj構(gòu)成一個離心力系，按照與二行程四缸機一樣的分析方法： 因為，各拐原離心力所構(gòu)成的離心力矩為 所以，在采用整體平衡法時有 分析二階往復(fù)慣性力和力矩，先看成兩臺空間曲軸的四缸機 直列空間曲軸四缸機的二階往復(fù)慣性力和力矩都等于零 兩臺四缸機的二階往復(fù)慣性力和力矩也都為零，即V8機的二階往復(fù)慣性力和力矩都為零。作業(yè)布置教材P81 3-1、3-9課后小結(jié)參考資料 機械設(shè)計基礎(chǔ) 課程教案授課時間2016年3 月 10 日 第 1 周 周 四 第 9、10 節(jié)授課章節(jié)第一章 平面機構(gòu)的自由度和速度分析1-1 運動副及其分類1-2 平面機構(gòu)運動簡圖教學目的、要求1.了解機構(gòu)組成原理2.理解自由度、運動副、約束的概念及三者的關(guān)系教學重點及難點1、重點平面機構(gòu)的運動簡圖的繪制。2、難點繪制簡圖時構(gòu)件及運動副的準確表示。教學方法及手段 多媒體教學教學內(nèi)容及過程一、機構(gòu)的組成1、運動副運動副：兩構(gòu)件直接接觸并能保持一定形式的相對運動的聯(lián)接稱為運動副。1、 高副2、低副 兩構(gòu)件通過面接觸組成的運動副稱為低副。平面低副可分為轉(zhuǎn)動副和移動副。教學內(nèi)容及過程2、自由度和運動副的約束1、構(gòu)件的自由度平面內(nèi)自由的構(gòu)件，有3個自由度，而空間內(nèi)自由的構(gòu)件，有6個自由度。 2、運動副的約束3、運動鏈和機構(gòu)兩個以上的構(gòu)件以運動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運動鏈。機構(gòu)是由主動件、從動件和機架三部分組成的。 二、平面機構(gòu)的運動簡圖1、構(gòu)件的表示方法1）構(gòu)件（1）參與形成兩個運動副的構(gòu)件 （2）參與形成多個運動副的構(gòu)件 2）轉(zhuǎn)動副構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動副時，其表示方法如圖。3、移動副兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。4、平面高副2、 機構(gòu)運動簡圖的繪制步驟3）移動副兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。4）平面高副2、 機構(gòu)運動簡圖的繪制步驟作業(yè)布置1、平面機構(gòu)中若引入一個高副將帶入( )個約束，而引入一個低副將帶入( )個約束。約束數(shù)與自由度數(shù)的關(guān)系是( )。2、兩個做平面平行運動的構(gòu)件之間為( )接觸的運動副稱為低副；而為( )或( )接觸的運動副稱為高副。課后小結(jié)1. 運動副及其分類2. 平面機構(gòu)的運動簡圖參考資料 機械設(shè)計基礎(chǔ) 課程教案授課時間2016年3 月 15 日 第 2 周 周 二 第 1、2 節(jié)2016年3 月 17 日 第 2 周 周 四 第 9、10 節(jié)授課章節(jié)1-3 平面機構(gòu)的自由度1-4 速度瞬心及其在機構(gòu)速度分析上的應(yīng)用第二章 平面連桿機構(gòu) 2-1 平面四桿機構(gòu)的基本類型及應(yīng)用教學目的、要求1. 能準確識別出機構(gòu)中存在的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束。2. 能準確判斷具體實例屬于哪種平面四桿機構(gòu)類型。教學重點及難點1、重點平面機構(gòu)的自由度的計算。2、難點平面四桿機構(gòu)類型的判斷。教學方法及手段 多媒體教學教學內(nèi)容及過程一、平面機構(gòu)的自由度1、平面機構(gòu)自由度計算公式機構(gòu)的自由度：機構(gòu)中各構(gòu)件相對于機架所具有的獨立運動的數(shù)目。若某機構(gòu)由N個構(gòu)件組成，除去機架，機構(gòu)中共有n=N1個活動件。構(gòu)件在連接之前，全部活動件共有3n個自由度。而聯(lián)接后，構(gòu)件的自由度由于運動副的約束而減少。設(shè)在機構(gòu)中有PL個低副，PH個高副，則該機構(gòu)全部運動副的約束教學內(nèi)容及過程數(shù)目共有2PL+PH個。則機構(gòu)自由度F3n2PLPH2、機構(gòu)具有確定相對運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件：原動件數(shù)目W應(yīng)等于機構(gòu)的自由度F。即WF3n2PLPH原動件數(shù)自由度數(shù)，機構(gòu)無確定運動 原動件數(shù)自由度數(shù)，機構(gòu)在薄弱處損壞 3、計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項1）復(fù)合鉸鏈 定義：若兩個以上的構(gòu)件在同一處組成幾個轉(zhuǎn)動副，且各轉(zhuǎn)動副軸線重合，則稱該處聯(lián)接為復(fù)合鉸鏈。計算自由度時，若復(fù)合鉸鏈由m個構(gòu)件組成，則聯(lián)接處有(m1)個轉(zhuǎn)動副。2）局部自由度 定義：機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的不影響其余構(gòu)件運動的自由度，稱為局部自由度。計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)將局部自由度除去不計。3、移動副兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。4、平面高副2、 機構(gòu)運動簡圖的繪