武漢理工大學(xué)《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)-10kw曲軸設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué) 號(hào)： 題 目10KW四沖程汽油機(jī)曲軸設(shè)計(jì)學(xué) 院汽車(chē)工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)熱能與動(dòng)力工程班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師2014年11月21日目錄目錄10.前言41.1汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)41.1初始條件41.2發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型41.2.1沖程數(shù)的選擇41.2.2冷卻方式41.2.3氣缸數(shù)與氣缸布置方式51.3基本參數(shù)51.3.1行程缸徑比S/D的選擇51.3.2氣缸數(shù)i、氣缸工作容積Vs、缸徑D的選擇52熱力學(xué)計(jì)算72.1熱力循環(huán)基本參數(shù)的確定72.2各過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算72.2.1.絕熱壓縮起點(diǎn)72.2.2絕熱壓縮過(guò)程82.2.3定容燃燒過(guò)程82.2.4絕熱膨脹過(guò)程82.3 P-V

2、圖的繪制82.4 P-V圖的調(diào)整92.5 P-V圖的校核103運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算113.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型113.2連桿比的選擇113.3活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律113.3.1活塞位移113.3.2活塞速度123.3.3活塞加速度133.4連桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律133.5P-V圖向P-圖的轉(zhuǎn)化144動(dòng)力學(xué)計(jì)算154.1質(zhì)量轉(zhuǎn)換154.2作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力154.2.1氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力（氣體壓力）164.2.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力164.2.3作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力174.3發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩205曲軸組零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)215.1曲軸的工作條件、結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇215.1.1曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求215.1.2曲軸

3、的結(jié)構(gòu)形式215.1.3曲軸材料225.2曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)225.2.1曲柄銷(xiāo)的直徑D2和長(zhǎng)度L2225.2.2主軸頸的直徑D1和長(zhǎng)度L1225.2.3曲柄235.2.4一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)236曲軸強(qiáng)度的校核256.1靜強(qiáng)度校核256.1.1連桿軸頸的計(jì)算256.1.2曲柄計(jì)算266.2曲軸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算276.2.1主軸頸計(jì)算276.2.2曲柄臂計(jì)算28小 結(jié).29參考文獻(xiàn).30附 錄.31附表0. 計(jì)算涉及的參數(shù)31附表1. P-V圖及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算圖表31附表2. 動(dòng)力學(xué)計(jì)算圖表3510kW四沖程汽油機(jī)曲軸組設(shè)計(jì)0. 前言?xún)?nèi)燃機(jī)學(xué)課程設(shè)計(jì)，是熱能動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生在學(xué)完了內(nèi)燃機(jī)學(xué)等專(zhuān)

4、業(yè)課程后的一次綜合性設(shè)計(jì)實(shí)踐和基本訓(xùn)練，旨在對(duì)剛學(xué)習(xí)過(guò)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程以及發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程的知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，加深對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過(guò)總體性能計(jì)算（工作過(guò)程模擬計(jì)算與動(dòng)力學(xué)計(jì)算）將發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)結(jié)合起來(lái)，弄清結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系；通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)總體布置圖設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)有一個(gè)全面而具體的了解，并深化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各主要零件的作用和設(shè)計(jì)要求的理解。這是大學(xué)本科期間第四次課程設(shè)計(jì)，也是我們大學(xué)最后一次課程設(shè)計(jì)。在經(jīng)歷了三次課程設(shè)計(jì)后，我已經(jīng)取得了一定的基礎(chǔ)，這給我完成本次課程設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的幫助。我們要充分利用本次機(jī)會(huì)，了解當(dāng)今汽油機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，并結(jié)合到本次課程設(shè)

5、計(jì)，高質(zhì)量地完成任務(wù)。1. 1汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)1.1初始條件額定功率：P=10kW平均有效壓力：pme =0.81.2MPa活塞平均速度：Vm<15m/s1.2發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型1.2.1沖程數(shù)的選擇依據(jù)題意沖程數(shù)選擇為四沖程，即=4。1.2.2冷卻方式考慮到是單缸機(jī)，而且功率較低，風(fēng)冷即可滿(mǎn)足冷卻要求，所以采用風(fēng)冷方式。1.2.3氣缸數(shù)與氣缸布置方式直列式單缸機(jī)，i=1。1.3基本參數(shù)1.3.1行程缸徑比S/D的選擇根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】得相應(yīng)汽油機(jī)的行程缸徑比在0.71.0之間。初步選擇行程缸徑比為0.9，即S/D=0.9。1.3.2氣缸數(shù)i、氣缸工作容積Vs、缸徑D的選擇參考目前已有發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際

6、水平，初步選擇如下：平均有效壓力pme =1.1MPa升功率：kW/L結(jié)合已給的設(shè)計(jì)功率Pe=10kW和上一步確定的S/D計(jì)算單缸排量Vs，缸徑D，行程S。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)的基本公式： ，其中：Pe發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率，依題為10kW。pme發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力，依題為1.1MPa。Vs單個(gè)氣缸工作容積，對(duì)于單缸機(jī)即為氣缸工作容積。根據(jù)參考文獻(xiàn)【2】，參照我國(guó)近年生產(chǎn)的部分內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)表得非增壓?jiǎn)胃姿臎_程汽油機(jī)的升功率一般為5060Kw/L。同時(shí)為了便于設(shè)計(jì)過(guò)程的進(jìn)行，初步確定該單缸機(jī)氣缸工作容積為0.2L。i發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)目，依題為1。n發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。Vm活塞平均速度，依題意Vm<15m/s。

7、S活塞行程。D氣缸直徑。行程數(shù)，=4。代入上述公式得發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)：Vs =0.20L D=65mm S=59mm n=6000r/minVm =11.8m/s<15m/s符合要求，其介于914m/s之間，按Vm該汽油機(jī)屬于高速汽油機(jī)。由單位活塞面積功率：=0.39 kW/cm3>0.2 kW/cm3 ，所以需要向活塞內(nèi)壁噴油冷卻，一般通過(guò)固定在機(jī)體內(nèi)壁上的噴嘴噴油。 2熱力學(xué)計(jì)算 通過(guò)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)所使用的燃料，混合氣形成方式，缸內(nèi)燃燒過(guò)程（加熱方式）等特點(diǎn)，把汽油機(jī)的實(shí)際循環(huán)近似看成是等容加熱循環(huán)。汽油機(jī)的工作過(guò)程包括進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)過(guò)程。 在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，先確定熱力循

8、環(huán)基本參數(shù)然后重點(diǎn)針對(duì)壓縮和膨脹過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，繪制P-V圖并校核。 為建立這些內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)，需對(duì)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)中大量存在的湍流耗散、溫度壓力和成分的不均勻性以及摩擦、傳熱、燃燒、節(jié)流和工質(zhì)泄漏等一系列不可逆損失作必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：1）把壓縮和膨脹過(guò)程簡(jiǎn)化成理論的絕熱可逆的等熵過(guò)程，忽略工質(zhì)與外界的熱量交換及其泄漏等的影響；2）將燃燒過(guò)程簡(jiǎn)化為等容加熱過(guò)程，將排氣過(guò)程簡(jiǎn)化為等容加熱過(guò)程；3）忽略發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過(guò)程，從而將循環(huán)簡(jiǎn)化為一個(gè)閉口循環(huán)；4）以空氣為工質(zhì)，并視為理想氣體，在整個(gè)循環(huán)中工質(zhì)物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變，比熱容為常數(shù)。2.1熱力循環(huán)基本參數(shù)的確定據(jù)參考文獻(xiàn)【3

9、】：壓縮過(guò)程絕熱指數(shù)n1=1.321.35,初步取n1=1.34；膨脹過(guò)程絕熱指數(shù)n2=1.231.28,初步取n2=1.26。據(jù)參考文獻(xiàn)【2】：壓力升高比=69，初步取=6.8；汽油機(jī)壓縮比受爆燃限制，不能超過(guò)10，在710之間，初步取=8。 2.2各過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算2.2.1.絕熱壓縮起點(diǎn) 選取壓縮沖程的下止點(diǎn)（a點(diǎn)）時(shí)的氣體參數(shù)，其中為大氣壓力，=0.1013MPa，系數(shù)取0.89，得=0.09MPa。 燃燒室容積，氣缸總?cè)莘e。2.2.2絕熱壓縮過(guò)程 選取壓縮沖程終點(diǎn)（c點(diǎn)），從a點(diǎn)到c點(diǎn)的壓縮過(guò)程看作是絕熱過(guò)程，絕熱系數(shù)=1.34。 根據(jù)多變過(guò)程熱力學(xué)計(jì)算公式常數(shù)，以及a點(diǎn)氣體狀態(tài)，可

10、以計(jì)算出a點(diǎn)到c點(diǎn)壓縮過(guò)程中各個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。 已知=0.0286L，可求出=1.46MPa。2.2.3定容燃燒過(guò)程 選取定容燃燒終點(diǎn)（z點(diǎn)），從c點(diǎn)到z點(diǎn)的增壓過(guò)程看作是定容增壓過(guò)程，壓力升高比=6.8。 則z點(diǎn)狀態(tài)：，。2.2.4絕熱膨脹過(guò)程選取膨脹過(guò)程終點(diǎn)（b點(diǎn)），從z點(diǎn)到b點(diǎn)的膨脹過(guò)程看作絕熱膨脹過(guò)程，絕熱系數(shù)=1.26。根據(jù)多變過(guò)程熱力學(xué)計(jì)算公式常數(shù)，以及z點(diǎn)氣體狀態(tài)，可以計(jì)算出z點(diǎn)到b點(diǎn)壓縮過(guò)程中各個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。已知，可求出。2.3 P-V圖的繪制 根據(jù)2.2.過(guò)程中的計(jì)算結(jié)果及公式，可以在Excel中繪制出循環(huán)過(guò)程線(xiàn)，理論P(yáng)-V圖如圖【2-1】所示：圖【2-1】理論P(yáng)-V圖2.

11、4 P-V圖的調(diào)整實(shí)際的P-V圖和利用多變過(guò)程狀態(tài)方程繪制出的理論P(yáng)-V圖存在一些誤差，在發(fā)動(dòng)機(jī)中為了使其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)，采用了點(diǎn)火提前，氣門(mén)重疊角，而且存在換氣損失等等，對(duì)理論P(yáng)-V圖作出以下調(diào)整：1）最大爆發(fā)壓力取理論值得2/3，具體為6.6MPa。以此值作水平線(xiàn)與原圖形相交，水平線(xiàn)以上部分去掉，余下部分做些調(diào)整；2）考慮到實(shí)際過(guò)程與理論過(guò)程的差異，最大爆發(fā)壓力產(chǎn)生在上止點(diǎn)之后12°15°，選擇13°；3）點(diǎn)火提前角：常使用的范圍為20°30°，經(jīng)調(diào)整后選擇20°；4）排氣提前角：常使用的范圍為40°80

12、6;，經(jīng)調(diào)整后選擇40°。經(jīng)調(diào)整后所得的P-V圖如圖【2-2】所示：圖【2-2】實(shí)際P-V圖2.5 P-V圖的校核計(jì)算繪制出P-V圖后，利用積分求出圖中封閉曲線(xiàn)的面積，此面積就是發(fā)動(dòng)機(jī)理論指示功。然后計(jì)算出平均指示壓力，再乘上機(jī)械效率，即得到熱力循環(huán)的平均有效壓力。 發(fā)動(dòng)機(jī)理論指示功：平均有效壓力 ,這里為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率，根據(jù)參考文獻(xiàn)【2】，其中高速汽油機(jī)參考值為0.850.95，選0.85。有效功率，誤差在內(nèi)，滿(mǎn)足要求，故上面選取的參數(shù)以及后面相關(guān)計(jì)算在滿(mǎn)足制造需要的同時(shí)能夠前后一致。3運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為熱力學(xué)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及以后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連

13、桿、曲軸尺寸的確定都作了鋪墊。3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型在往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)中基本采用三種曲柄連桿機(jī)構(gòu)：中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。其中中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣泛。本次設(shè)計(jì)選擇中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)。3.2連桿比的選擇根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】知，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)多用小連桿，初選。3.3活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律3.3.1活塞位移根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其幾何關(guān)系，得活塞位移方程如下：其中：為曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度的比值，R為曲軸半徑， 在Excel表格中每隔5°曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表1，經(jīng)計(jì)算后 圖如圖【3-1】所示：在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2，經(jīng)計(jì)算后如圖所示：

14、圖【3-1】轉(zhuǎn)角-活塞位移圖3.3.2活塞速度將活塞位移函數(shù)求導(dǎo)后即可得到活塞速度函數(shù)，如下：其中：轉(zhuǎn)速， 曲軸半徑， 角速度。在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表1，經(jīng)計(jì)算后如圖【3-2】所示：圖【3-2】轉(zhuǎn)角-活塞速度圖3.3.3活塞加速度將活塞速度函數(shù)求導(dǎo)后即可得到活塞加速度函數(shù)，如下：數(shù)據(jù)同上，在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2，經(jīng)計(jì)算后如圖【3-3】所示：圖【3-3】轉(zhuǎn)角-活塞加速度圖由參考文獻(xiàn)【1】知實(shí)際高速發(fā)動(dòng)機(jī)的最大加速度：對(duì)汽油機(jī)而言 其中：g為重力加速度。由j-圖知活塞最大加速度符合要求。3.4連桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律連桿做復(fù)合平面運(yùn)動(dòng)，即其運(yùn)動(dòng)是由隨活

15、塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及繞活塞銷(xiāo)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)合成。連桿相對(duì)于氣缸中心的擺角為在Excel表格中每隔5°曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2，經(jīng)計(jì)算后如圖【3-4】所示：圖【3-4】轉(zhuǎn)角-擺角圖3.5P-V圖向P-圖的轉(zhuǎn)化已知壓力是體積的函數(shù)，體積是活塞行程的函數(shù)，活塞行程是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)；因此可將P-V圖向P-圖的轉(zhuǎn)化，如圖【3-5】所示：圖【3-5】轉(zhuǎn)角-缸內(nèi)壓力圖4動(dòng)力學(xué)計(jì)算4.1質(zhì)量轉(zhuǎn)換1）連桿是做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的零件，為了便于計(jì)算，將整個(gè)連桿的質(zhì)量用兩個(gè)換算質(zhì)量和來(lái)代換。假設(shè)是集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量；集中作用在連桿大頭中心處，并只做圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量。 令L為連桿長(zhǎng)

16、度，為由連桿之心G至小頭中心A的距離，則：，。 由同組同學(xué)確定的為0.0559kg。 2）活塞，包括裝在活塞上的活塞環(huán)和活塞銷(xiāo)等零件，是沿氣缸中心線(xiàn)作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，它們的質(zhì)量可以看作集中在活塞銷(xiāo)中心，并以表示，由同組同學(xué)算出為0.192kg。則往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)部分當(dāng)量質(zhì)量：。 3）曲柄換算質(zhì)量：（ 即設(shè)想曲拐沒(méi)有質(zhì)量，另有一個(gè)等于質(zhì)量全部集中在曲軸銷(xiāo)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。） 其中： 為曲柄銷(xiāo)部分質(zhì)量，為單個(gè)曲柄臂不平衡質(zhì)量，為曲柄臂不平衡質(zhì)量質(zhì)心到曲軸回轉(zhuǎn)中心的距離。 則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分當(dāng)量質(zhì)量，本次設(shè)計(jì)不過(guò)多考慮。4.2作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力、摩擦阻

17、力和作用在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。 一般因摩擦力數(shù)值較小，變化規(guī)律難以掌握而忽略不計(jì)，而負(fù)載阻力與主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)，無(wú)需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力與運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對(duì)機(jī)構(gòu)（尤其是曲軸和軸承）的作用。4.2.1氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力（氣體壓力） （為大氣壓力，即背壓），結(jié)合之前P-圖，可以得到Pg-圖，如圖【4-1】所示：圖【4-1】轉(zhuǎn)角-氣體壓力圖4.2.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力把曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件簡(jiǎn)化為、后，可從運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律歸納出兩個(gè)力：往復(fù)質(zhì)量的往復(fù)慣性力，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)慣性力。1）往復(fù)慣性力：在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表3，經(jīng)計(jì)算后如下圖【4-2】所示：圖【4-2

18、】轉(zhuǎn)角-慣性力圖2）旋轉(zhuǎn)慣性力: 分解為：；。這兩個(gè)分量隨簡(jiǎn)諧變化，如果不能在機(jī)構(gòu)內(nèi)部加以抵消，則需由發(fā)動(dòng)機(jī)支承來(lái)承受，使發(fā)動(dòng)機(jī)有上、下、左、右跳動(dòng)的傾向，本次設(shè)計(jì)中不過(guò)多考慮。4.2.3作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力1）氣壓力與往復(fù)慣性力的合成： ，由前面Pg-圖與Pj-圖可得到P-圖如圖【4-3】所示： 圖【4-3】 轉(zhuǎn)角-合成壓力圖2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)上作用力的分析與計(jì)算合成力P作用在活塞上，將分解為兩個(gè)力：垂直氣缸軸線(xiàn)的力（側(cè)向力）與沿連桿軸線(xiàn)的力。，。在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2，經(jīng)計(jì)算后如圖【4-4】、【4-5】所示：圖【4-4】 轉(zhuǎn)角-側(cè)壓力圖圖【4-5】 轉(zhuǎn)角-連

19、桿力圖連桿力在曲柄銷(xiāo)處又分解為垂直于曲柄半徑的切向力Pt和沿曲柄作用的徑向力Pk。其中各力在大小上滿(mǎn)足下列關(guān)系式：切向力: 徑向力: 在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2，經(jīng)計(jì)算后如圖【4-6】、【4-7】所示：圖【4-6】 轉(zhuǎn)角-切向力圖圖【4-7】轉(zhuǎn)角-徑向力圖規(guī)定Pt與w同向?yàn)檎琍k指向圓心為正，轉(zhuǎn)矩順時(shí)針為正。4.3發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩單缸轉(zhuǎn)矩：在Excel表格中每隔曲軸轉(zhuǎn)角取點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)附表2，經(jīng)計(jì)算后如圖【4-8】所示：圖【4-8】轉(zhuǎn)角-單缸轉(zhuǎn)矩圖5曲軸組零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)5.1曲軸的工作條件、結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇5.1.1曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求曲軸是在不斷周期變化的氣體

20、壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩（轉(zhuǎn)矩和彎矩）共同作用下工作的，使曲軸既彎曲又扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)踐表明，對(duì)于各種曲軸，彎曲疲勞載荷具有決定性作用，而扭轉(zhuǎn)載荷僅占次要地位（不包括因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞）。1）總結(jié)起來(lái)，曲軸的工作條件為：（1）受周期變化的力，力矩共同作用，曲軸既受彎曲又受扭轉(zhuǎn)，承受交變疲勞載荷，重點(diǎn)是彎曲載荷。曲軸的破壞80%是彎曲疲勞破壞；（2）由于曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，特別是在曲軸和曲頸過(guò)渡的圓角部分；（3）曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴(yán)重。2）因此設(shè)計(jì)曲軸時(shí)要求：（1）有足夠的耐疲勞強(qiáng)度。（2）有足夠承壓面積，曲頸表面要耐磨。（3）盡量減少應(yīng)

21、力集中。（4）剛度要好，變形小，否則使其它零件的工作條件惡化。5.1.2曲軸的結(jié)構(gòu)形式曲軸的結(jié)構(gòu)與其制造方法有直接聯(lián)系，在進(jìn)行曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮。曲軸結(jié)構(gòu)形式在整體結(jié)構(gòu)上分整體式和組合式兩大類(lèi)，隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄造和鍛造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)幾乎都采用整體式，因此本次設(shè)計(jì)選擇整體式曲軸。曲軸結(jié)構(gòu)形式在支承方式上分為全支承和浮動(dòng)支承，本次設(shè)計(jì)單缸機(jī)不分全支承與浮動(dòng)支承，采用全支承。5.1.3曲軸材料曲軸材料要根據(jù)用途和強(qiáng)化程度正確選用。根據(jù)平均有效壓力，選擇合適的活塞結(jié)構(gòu)，保證活塞能承受所規(guī)定的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。制造活塞的材料應(yīng)有小的密度 、足夠的高溫強(qiáng)度 、高的熱導(dǎo)率 、低的線(xiàn)漲系數(shù)a以及

22、良好的摩擦性能。經(jīng)綜合考慮，選用QT800（正火后，珠光體基體）。5.2曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)5.2.1曲柄銷(xiāo)的直徑D2和長(zhǎng)度L21）在考慮曲軸主軸頸粗細(xì)時(shí)，首先使確定曲柄銷(xiāo)的直徑。在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中。一般趨向于采用較大的值，以降低曲柄銷(xiāo)比壓，提高連桿軸承工作的可靠性，提高曲軸的剛度。高速車(chē)用汽油機(jī)較小，取 ，得。2）曲柄銷(xiāo)的長(zhǎng)度L2選定D2上考慮的。在薄油膜條件下，左右時(shí)有最大承載能力，球鐵曲軸應(yīng)取較小值，從而盡可能加強(qiáng)曲柄。但考慮到實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)取0.5，得。3）初步校核：在0.150.50范圍內(nèi)，符合要求。4）初步估計(jì)軸承最大條件比壓，結(jié)合參考文獻(xiàn)【1】，根據(jù)選取軸承材料高

23、錫鋁AlSnCu30-1（280巴）或AlSnCu20-1（300巴）。5.2.2主軸頸的直徑D1和長(zhǎng)度L1如果從曲軸沿全長(zhǎng)度具有等剛度要求出發(fā)，可以認(rèn)為主軸頸與曲柄銷(xiāo)一樣粗就行了。從軸承負(fù)荷出發(fā)，則主軸頸可以比曲軸銷(xiāo)更細(xì)些，因?yàn)橹鬏S承最大負(fù)荷小于連桿軸承。但是為了最大限度的加強(qiáng)曲軸的剛度，加粗主軸頸還是很有好處的。1）結(jié)合曲軸各部分尺寸協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)，建議取。由于單缸機(jī)曲軸較短取，得。2）結(jié)合參考文獻(xiàn)【1】，定，得。3）滑動(dòng)軸承最小寬度不能小于0.3倍軸頸。5.2.3曲柄曲柄應(yīng)選擇合適的厚度、寬度，使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。曲軸形狀應(yīng)合理以改善應(yīng)力分布。在確定曲柄的尺寸時(shí)，應(yīng)該考慮到曲柄往往是整

24、體式曲軸中最薄弱的環(huán)節(jié)。曲柄在曲拐平面內(nèi)的抗彎能力以其矩形斷面模數(shù)W來(lái)衡量。（mm3）其中：b為曲柄的寬度（mm）， h為曲柄的厚度（mm）可見(jiàn)提高曲柄的抗彎能力，增加曲柄的厚度h要比增加曲柄的寬度b要好得多。根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】 ， 。得b=65mm，h=12mm。5.2.4一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)5.2.4.1油道布置在確定主軸頸上油道入口和曲柄銷(xiāo)上油道出口位置時(shí)，既要考慮到有利于供油又要考慮到油孔對(duì)軸頸強(qiáng)度影響到最小。一般油孔只要安排在曲拐平面旋轉(zhuǎn)前45°90°的低負(fù)荷區(qū)都是合理的，油道不能離軸頸過(guò)渡圓角太近。油孔直徑一般不大于，但最小不得小于5mm?？卓诓粦?yīng)有尖角銳邊，而應(yīng)有不小

25、于的圓角以減緩應(yīng)力集中。5.2.4.2曲軸兩段的結(jié)構(gòu)曲軸前段一般有扭轉(zhuǎn)減震器，發(fā)動(dòng)機(jī)的各種輔助裝置如機(jī)油泵，冷卻水泵等，由安裝在前段的齒輪或皮帶輪驅(qū)動(dòng)，配齊正時(shí)齒輪也安裝在曲軸前端。曲軸末端有飛輪，用于輸出總轉(zhuǎn)矩，因此末端要做的粗一些。5.2.4.3曲軸的止推一般將止推軸承設(shè)置在中央軸承的兩側(cè)或后主軸承的兩側(cè)。止推軸承間隙多為0.050.2mm。5.2.4.4過(guò)渡圓角主軸頸到曲柄臂的過(guò)渡圓角半徑R對(duì)于曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度影響很大，增加圓角對(duì)于提高曲軸疲勞強(qiáng)度非常有利，但對(duì)于表面耐磨性有不利影響，在保證耐磨條件下取最大圓角。一般R不應(yīng)小于2mm，否則無(wú)法加工。5.2.4.5平衡分析1）單缸機(jī)的單拐曲

26、軸軸向?qū)ΨQ(chēng)，用兩塊平衡塊，每塊質(zhì)量為，其質(zhì)心位置均在曲柄銷(xiāo)對(duì)面處。動(dòng)平衡條件：（為旋轉(zhuǎn)部分當(dāng)量質(zhì)量）由于受曲軸箱尺寸限制，。初定=28mm。2）平衡分析：（1）旋轉(zhuǎn)離心慣性力 與平衡塊平衡相消。（2）一階往復(fù)慣性力 ，平衡其所需平衡塊質(zhì)量。（3）一階往復(fù)慣性力，平衡其所需平衡塊質(zhì)量。（4）由于單缸機(jī)不涉及合成慣性力矩。（5）由于缸徑不大，可采用單軸平衡機(jī)構(gòu)。6曲軸強(qiáng)度的校核6.1靜強(qiáng)度校核由前面動(dòng)力學(xué)計(jì)算得強(qiáng)度校核要用到的基本數(shù)據(jù)如下：1）徑向力，由上述圖及相關(guān)數(shù)據(jù)得：=19016.49N = 0N2）切向力，由上述圖及相關(guān)數(shù)據(jù)得：=6122.46N = 0N3）主軸頸中心到曲柄銷(xiāo)中心的距離L

27、a=（L1+L2）/2+h=（18+17）/2+12=29.5mm 4）主軸頸中心到曲柄臂中心的距離Lb=(L1+h)/2=（18+12）/2=15mm5）主軸頸的徑向反力=-1/2= -9508.25N = 0N6）主軸頸的切向反力,=-5017.02N = 0N6.1.1連桿軸頸的計(jì)算1）在曲拐平面內(nèi)的彎曲應(yīng)力= =150.31MPa2）在垂直于曲拐平面的彎曲應(yīng)力=48.39MPa3） 彎曲總應(yīng)力157.91MPa4）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力23.40 MPa5）彎曲總應(yīng)力MPa=164.70MPa小于該材料所許可的最大應(yīng)力，在允許范圍內(nèi)。6.1.2曲柄計(jì)算1）壓縮應(yīng)力：=11.25Mpa2）彎曲應(yīng)力：曲

28、拐平面：=63.36Mpa垂直曲拐平面：=80.84Mpa 3）扭矩Mk引起的彎曲應(yīng)力： =98.65Mpa4）扭矩Mk引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： =42.47Mpa5）彎扭總應(yīng)力： 小于該材料所許可的最大應(yīng)力，在允許范圍內(nèi)。6.2曲軸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算由于曲軸工作時(shí)承受交變載荷，它的破壞（斷裂）往往都由疲勞產(chǎn)生。因此，對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸均須進(jìn)行疲勞校驗(yàn)。曲柄的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算的目的是曲軸不但在運(yùn)轉(zhuǎn)中安全可靠，而且能充分利用材料的疲勞強(qiáng)度。為此，要求能夠較精確地確定曲軸的疲勞強(qiáng)度（或稱(chēng)許用應(yīng)力）和曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)際應(yīng)力（或稱(chēng)工作應(yīng)力）。由前面動(dòng)力學(xué)計(jì)算知=180.61Nm ; =06.2.1主軸頸計(jì)算1）彎曲疲勞強(qiáng)度=

29、98.65MPa0MPa 彎曲系數(shù)4.17其中=0.7，0.66，=0.32）扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度=101.99MPa0MPa扭轉(zhuǎn)系數(shù) 3）安全系數(shù)n：大于該材料的極限安全系數(shù)（n）=1.8（根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】知）6.2.2曲柄臂計(jì)算1）彎曲應(yīng)力：=80.50Mpa彎曲系數(shù)5.112）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：=10.37Mpa 扭轉(zhuǎn)系數(shù)39.69 3）安全系數(shù)n：5.07大于該材料的極限安全系數(shù)（n）=1.8（根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】知）。 小 結(jié).經(jīng)過(guò)此次為期三個(gè)星期的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，我不僅加緊鞏固了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)這門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)，而且又將大學(xué)中所學(xué)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)課課程的重要內(nèi)容重新復(fù)習(xí)了一遍。此外，我還

30、在分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、制圖、運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、查閱各種設(shè)計(jì)手冊(cè)與資料以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力等各個(gè)方面得到了進(jìn)一步的提高。與此同時(shí)，我也深刻體會(huì)到了設(shè)計(jì)一件批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的困難以及團(tuán)隊(duì)合作的重要性。我也在此次課程設(shè)計(jì)中發(fā)掘出了自己面對(duì)挫折沒(méi)有退卻而靜下心來(lái)反復(fù)演算求解的精神。其實(shí)，一件優(yōu)秀產(chǎn)品的誕生，其間必定含盡了艱辛。就拿此次我設(shè)計(jì)曲軸來(lái)說(shuō)吧，一開(kāi)始我什么都不懂，不知道如何著手，完全找不到突破口。后來(lái)在同學(xué)們的積極討論中以及指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下，我逐漸明白了我的方向，并開(kāi)始投入到其中，仔細(xì)演算，認(rèn)真推敲。然而，面對(duì)著自己所算出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法再繼續(xù)往下算時(shí)，我的心中猶如在大冬天被人當(dāng)頭潑了一盆

31、冷水?？晌覜](méi)有就此放棄，經(jīng)過(guò)和同學(xué)們的互相討論以及接受劉老師的耐心講解后，我又重新找到了方向。就這樣，在不斷的失敗和站起來(lái)的道路之后，我終于成功完成了此次課程設(shè)計(jì)。在此，非常感謝老師能在百忙之余擠出自己寶貴的時(shí)間來(lái)指導(dǎo)我們的課程設(shè)計(jì)，悉心仔細(xì)地為我們每個(gè)人講解問(wèn)題，從而使我們能更快更好地完成課程設(shè)計(jì)通過(guò)這次我們親身的設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓我們對(duì)這些專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論能有進(jìn)一步的理解和掌握。參考文獻(xiàn).【1】 楊連生. 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì). 北京.：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.【2】 周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005【3】 王中錚. 熱能與動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ). 北京：人民交通出版社，2000

32、.【4】 周增寶，何永然，劉安俊. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì). 武漢：華中科技大學(xué)出版社，1999【5】 董敬，莊志，常思勤. 汽車(chē)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001【6】 沈維道. 工程熱力學(xué). 北京：高等教育出版社，2002【7】 吳兆漢. 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì). 北京：北京理工大學(xué)出版社，1990【8】 陸際青. 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì). 北京：清華大學(xué)出版社，1990附 錄.附表0. 計(jì)算涉及的參數(shù)活塞行程s(mm)活塞直徑D(mm)轉(zhuǎn)速n(r/min)排量 （L）壓縮比 余隙容積Vc(L)596556000.20800286 曲柄半徑R(mm)多變指數(shù)n1多變指數(shù)n2曲柄角速度(rad/s)進(jìn)氣壓

33、力Pa（Mpa)壓力升高比29.5134126586.430096.8附表1. P-V圖及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算圖表曲軸轉(zhuǎn)角（°）缸內(nèi)體積V(L)缸內(nèi)壓強(qiáng)P(MPa)活塞位移X（m）活塞速度V（m/s）活塞加速度j（m/s²）擺角（°）00.02860.090010145.33050.0290650.090.0001402671.88327626110106.721.248512858100.0304560.090.0005593633.7436678819991.1842.48810886150.0327550.090.0012522045.5587242249799.60

34、73.709901524200.0359350.090.0022104237.3068514739533.4454.905067023250.0399570.090.0034225318.9677133629194.7226.064880175300.0447740.090.00487412610.522599628786.0197.180755781350.0503290.090.00654816511.954752788310.4458.244296645400.0565580.090.00842527513.249645367771.6239.247349233450.0633890.0

35、90.010484114.395200637173.65210.1820674500.0707480.090.01270167915.381952046521.08611.04098404550.0785530.090.01505384516.2031385818.89111.8170897600.0867220.090.01751562516.854730595072.41312.50391662650.0951710.090.02006165117.335398764287.33413.09562565700.1038150.090.0226665517.646408153469.6291

36、3.58709308750.1125710.090.02530532317.791461912625.52213.97399363800.1213590.090.02795368717.776488061761.43914.25287567850.1301020.090.03058839517.6093807883.955414.4212248900.1387260.090.033187517.29970355-0.2514.47751219950.1471650.090.03573058416.8583652-884.44814.42122481000.1553560.090.0381989

37、316.29727629-1761.9114.252875671050.1632420.090.04057564615.62899897-2625.9613.973993631100.1707750.090.04284573914.86639938-3470.0113.587093081150.1779110.090.04499612814.02231332-4287.6613.095625651200.1846120.090.04701562513.10923491-5072.6612.503916621250.1908480.090.04889485512.13903705-5819.06

38、11.81708971300.1965930.090.05062614811.1227315-6521.1711.040984041350.2018270.090.052203410.07027475-7173.65102065340.090.0536218978.990424818-7771.549.2473492331450.2107030.090.0548781367.890651839-8310.278.2442966451500.2143240.090.0559696246.777103929-8785.777.1807557811550.2173940.0

39、90.056894695.65462792-9194.46.0648801751600.2199080.090.0576522884.5268427-9533.064.9050670231650.2218640.090.0582418283.396261281-9799.173.7099015241700.2232620.090.058663022.264456109-9990.712.488108861750.2241010.090.0589157541.132260762-10106.21.2485128581800.224380.090.0591.5896E-15-10144.81.75

40、49E-151850.2241010.092430.058915754-1.132260762-10106.2-1.2485128581900.2232620.0928950.05866302-2.264456109-9990.71-2.488108861950.2218640.093680.058241828-3.396261281-9799.17-3.7099015242000.2199080.0947990.057652288-4.5268427-9533.06-4.9050670232050.2173940.096270.05689469-5.65462792-9194.4-6.064

41、8801752100.2143240.0981230.055969624-6.777103929-8785.77-7.1807557812150.2107030.1003890.054878136-7.890651839-8310.27-8.2442966452200.2065340.1031140.053621897-8.990424818-7771.54-9.2473492332250.2018270.1063490.0522034-10.07027475-7173.65-101965930.110160.050626148-11.1227315-6521.17-

42、11.040984042350.1908480.1146260.048894855-12.13903705-5819.06-11.81708972400.1846120.1198440.047015625-13.10923491-5072.66-12.503916622450.1779110.1259310.044996128-14.02231332-4287.66-13.095625652500.1707750.1330320.042845739-14.86639938-3470.01-13.587093082550.1632420.1413220.040575646-15.62899897

43、-2625.96-13.973993632600.1553560.1510170.03819893-16.29727629-1761.91-14.252875672650.1471650.1623850.035730584-16.8583652-884.448-14.42122482700.1387260.1757570.0331875-17.29970355-0.25-14.477512192750.1301020.1915430.030588395-17.6093807883.9554-14.42122482800.1213590.2102560.027953687-17.77648806

44、1761.439-14.252875672850.1125710.2325380.025305323-17.791461912625.522-13.973993632900.1038150.259190.02266655-17.646408153469.629-13.587093082950.0951710.2912130.020061651-17.335398764287.334-13.095625653000.0867220.3298450.017515625-16.854730595072.413-12.503916623050.0785530.3766040.015053845-16.

45、2031385818.891-11.81708973100.0707480.4332980.012701679-15.381952046521.086-11.040984043150.0633890.5019980.0104841-14.395200637173.652-100565580.5848790.008425275-13.249645367771.623-9.2473492333250.0503290.6838650.006548165-11.954752788310.445-8.2442966453300.0447740.7998930.004874126

46、-10.522599628786.019-7.1807557813350.0399570.9316870.003422531-8.9677133629194.722-6.0648801753400.0359351.0740220.002210423-7.3068514739533.445-4.9050670233450.0327552.1832180.001252204-5.5587242249799.607-3.7099015243500.0304563.2924130.000559363-3.7436678819991.184-2.488108863550.0290654.4016090.

47、000140267-1.88327626110106.72-1.2485128583600.02865.5108040-5.29868E-1510145.33-3.50979E-153650.0290656.620.0001402671.88327626110106.721.2485128583700.0304566.1157380.0005593633.7436678819991.1842.488108863750.0327555.5798960.0012522045.5587242249799.6073.7099015243800.0359354.9651120.0022104237.30

48、68514739533.4454.9050670233850.0399574.3438220.0034225318.9677133629194.7226.0648801753900.0447743.763470.00487412610.522599628786.0197.1807557813950.0503293.2478060.00654816511.954752788310.4458.2442966454000.0565582.8037550.00842527513.249645367771.6239.2473492334050.0633892.4284980.010484114.3952

49、00637173.652100707482.1146510.01270167915.381952046521.08611.040984044150.0785531.8534130.01505384516.2031385818.89111.81708974200.0867221.6361940.01751562516.854730595072.41312.503916624250.0951711.4553420.02006165117.335398764287.33413.095625654300.1038151.3043490.0226665517.646408153

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