内燃机设计.doc
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1、内燃机设计 复习题第一章 内燃机设计总论1、内燃机主要设计指标有哪些? 动力性指标、经济性指标、紧凑性指标、可靠性与耐久性指标、适应性指标、运转性能指标、低公害指标。2、内燃机的动力性指标有哪些? 内燃机的动力性指标是指内燃机的标定功率,标定转速,活塞平均速度,平均有效压力及扭矩,这些指标是根据配套的使用要求而确定的。3、经济性指标有哪些? 内燃机的经济性指标是指生产成本,运转中的消耗,(燃油机油)以及维修费用等,这些通常都是以燃油消耗率和机油消耗率,特别是燃油消耗率作为内燃机经济性的主要指标。4、内燃机设计工作中的“三化”? 内燃机的产品系列化,零部件通用化,零件设计标准化统称为内燃机和设计
2、的“三化”。5、内燃机主要结构参数有哪些? 内燃机的主要结构参数,是指决定内燃机总体尺寸的参数,这些参数为:活塞行程S与气缸直径D的比值S/D;曲柄半径R与连杆长度L的比值,=R/L;气缸中心距L0与气径直径D的比值L0/D;对于V型内燃机还包括气缸夹角。6、活塞行程与气缸直径的比值 活塞行程S与气缸直径D的比值S/D,是决定内燃机设计的基本条件,由此即可确定气缸直径D及活塞行程S这两个主要参数。同一气缸容积的值,可以由不同的活塞行程与气缸直径组合而成。要正确确定出活塞行程和气缸直径值,必须正确确定活塞行程与气缸直径的比值。7、曲柄半径R与连杆长度L的比值 曲柄半径R与连杆L的比值=R/L是决
3、定内燃机连杆长度L的一个结构参数。因为在活塞行程S决定后,曲柄半径R=S/2即可求出。因此,在确定参数之后,即可决定连杆长度的大小。8、分析曲柄半径R与连杆长度L的比值对内燃机结构的影响 对于单列式内燃机,值越大,连杆长度越短,D、S相同的条件下,内燃机的高度或宽度也越小,可是内燃机的外形尺寸减小,重量减轻。同时,连杆缩短后,使连杆杆身具有较大的刚度和强度。虽然由于加大,使往复运动质量的加速度和连杆摆角也加大,但因连杆重量减轻,往复惯性力与侧压力并没有什么增加。所以在设计时,为了尽可能缩小内燃机的外形尺寸和减轻重量,一般尽可能选取较大的值,以使连杆的长度尽量短一些。9、连杆长度的缩短,受到什么
4、条件的限制: 受到以下条件的限制 (1)活塞在下止点时,裙部不应与平衡重相碰。 (2)活塞在上止点时,曲柄臂不应与气缸套下部相碰。 (3)连杆在气缸套内摆动时,连杆杆身不应与气缸套下部相碰。10、气缸中心距Lo与气缸直径D的比值Lo/D 气缸中心距Lo与气缸直径D的比值Lo/D是决定内燃机长度的主要参数第二章 内燃机曲柄连杆机构受力分析1、作用在曲柄连杆机构上的力 作用在曲柄连杆机构上的力主要是由运动质量产生的惯性力和作用在活塞上的气体力,这些里(或力矩)随着曲柄转角的不同而变化,在稳定情况下,曲柄每转二周为一个变化周期,实际上,内燃机的工况是不断变化的,特别是作为动力时,因此,作用在曲柄连杆
5、机构上的力和力矩也是在不断变化的。要计算在各种工况下的作用力和力矩的情况是相当复杂的,通常在动力学分析中,只计算标定工况下的作用力和力矩。并认为曲柄是作等速旋转运动。2、进行内燃机的动力学计算的步骤 在进行动力学计算之前,必须根据实测的示功图或对工作过程的循环模拟计算来确定气体作用力的变化情况再根据运动学求出的各运动件的加速度,由此求出惯性力的变化情况,从而得到总的作用力及力矩,在此基础上,进一步分析这些力和力矩对内燃机平衡与振动的影响。3、活塞、连杆的运动规律 当曲柄按等角速度旋转时,曲柄OB上任意一点都以O点为圆心作等角速旋转运动,A点(即活塞)沿气缸中心线作往复运动,而连杆AB则作复合的
6、平面运动,其大头与曲柄销(即B点)一样,作等速的旋转运动,而连杆的小头则与活塞一样作往复运动,所以连杆本身的运动是由旋转运动和往复运动合成的平面复合运动。在实际分析中,为使问题简化,一般将连杆为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量,认为它们分别作旋转与往复运动,这样就不需要对连杆的运动规律进行单独的研究。4、研究曲柄连杆机构运动学的主要任务 活塞在作往复运动时,其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值及变化规律对曲柄连杆机构以及内燃机整体的工作有很大的影响,因此,研究曲柄连杆机构运动学的主要任务实际上就是研究活塞的运动规律。5、连杆的角位移、角速度与角加速度的特殊值(最大或最小)及所在
7、位置 当=0或180时,连杆角位移有最小值,即 当=90或270时,连杆角位移有最大值(指绝对值),即 当=0或180时,连杆角速度有最大值(指绝对值),即 当=90或270时,连杆角速度为0,即 当=90或270时,有最大值(指绝对值),即 当=0或180时,有最小值,即6、活塞的位移的特点 即曲柄转角从0到90时活塞的位移值比曲柄转角从90到180时活塞的位移值大,而且是值越大,其差值也越大。7、活塞的位移曲线的作用 活塞的位移曲线可用来对p-v(压力-容积)示功图与p-(压力-曲柄转角)示功图两者之间进行转换;它与气门的运动曲线配合,还可用来检验活塞与气门之间发生干涉;在柴油机直接喷射燃
8、烧室的设计中,喷油柱的位置与活塞上燃烧室的配合,也要用到活塞的位移曲线;此外二冲程内燃机排气口与扫气口位置的确定,与活塞位移变化也是密切相关的。8、活塞速度组成的特点 活塞速度可以写成两个速度分量之和,即 因此,活塞速度可视为由与两部分简谐运动速度所组成。9、活塞速度在特殊位置时的值 当=0或180时(活塞位于上下止点),活塞速度等于零,这是由于活塞在这两点改变运动方向的缘故。 当=90或270时,此时活塞速度等于曲柄销中心的圆周速度。但是,这并不是活塞的最大速度。10、活塞的速度 根据图形和公式分析可知:=0180时,为正值(活塞向着曲轴中心线方向运动);=180360时,为负值(活塞背着曲
9、轴中心线方向运动);=0、180、360时,=0(活塞正在改变运动方向);=90、270时,但并不是。 活塞的速度在旋转一周中,时快时慢的变化着,它的平均速度可以表示为 (m/s) 活塞平均速度cm虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢,但它是表征内燃机性能指标的重要参数之一。11、活塞的最大速度 活塞速度最大时的曲柄转角: 可见,因此小于90或大于270,即活塞速度的最大值出现在偏向上止点一边,大体上在上止点前后75左右。不同值时,有不同活塞速度的位置不同。 值越大,活塞速度最大值也越大,相应的曲柄转角便越小。12、活塞的加速度 活塞加速度也可视为是两个简谐运动加速度之和,即由与两部分组成。 活塞
10、加速度的极值点(最大正加速度和最大负加速度)以及相应的曲柄转角, 或 第一种情况,加速度极值点出现在=0和=180处,相应的加速度为 =0时, =180时, 第二种情况,即加速度的极值点还出现在处,相应和加速度为 可以看出,第二种情况只会出现在1/4的机构中,对于1/4的机构无意义。 综上所述,在曲轴转角一周中,当1/4时,在0、360有最大的正加速度值;当在180时,有最大的负加速度值。当1/4时,在0、360有最大的正加速度值,其大小也为;而在、360-两处有最大的负加速度值,此值为,而此时在处的加速度值仍为。13、沿活塞销中心线作往复运动的零件活塞组的质量 活塞组的质量包括活塞、活塞环、
11、活塞销以及装在这些零件上的其它附件的质量。可以认为集中在活塞销的轴线中心上,因为活塞销中心线是活塞组的传力点,虽然当活塞中心偏离气缸中心时存在一些误差,但由于一般偏移量很小,故可作此假定。14、作旋转运动的零件曲柄组的质量 曲柄组包括装在曲柄上的所有附件。曲柄上不平衡部分产生旋转惯性力(离心力)的质量可以换算为集中于曲柄半径R处的质量。进行这种换算的条件是:简化后的集中质量所产生的旋转惯性力和原来实际系统不平衡质量所产生的旋转惯性力相等。 曲柄不平衡部分的质量包括两部分:一部分是曲柄销及其与曲柄臂相邻部分的质量,其质心位置离曲轴轴线的距离就是R,故简化后的质量不变,为;另一部分是曲柄臂的质量,
12、如果其质心位置与曲轴轴线的距离为,则此质量换算到曲柄半径R处的集中质量应满足以下条件,即 所以 曲轴主轴颈的质量,由于其质心就在曲轴轴线上,当曲轴旋转时不产生旋转惯性力,因此不用考虑。 这样换算到曲柄半径R处的整个曲柄组的旋转质量为 式中、和等数值,可根据曲轴的图纸资料借助于方格纸或求积仪计算出来。15、作复合平面运动的零件连杆组的质量 连杆组的质量包括连杆体、连杆小头衬套、连杆盖以及连杆螺栓等质量。为了计算简便,一般认为连杆小头随活塞作往复运动,连杆大头随曲柄作旋转运动,而连杆杆身则作复合的平面运动(既有平面移动又有平面摆动),因此将连杆质量换算成集中于活塞销中心处作往复运动的质量和集中于曲
13、柄销处作旋转运动的质量,由此来代替原来作复合运动的连杆的质量。16、连杆组质量系统动力学的简化原则 根据力学原理连杆组质量简化后的当量系统与原来实际的质量系统动力学相等,则必需满足下列三个条件: (1)质量不变所有简化后的质量总和应等于原连杆组总质量, (2)系统的质心位置不变所有简化后质量的质心应与连杆组原来的质心位置相重合。如果简化为两个质量,则 (3)系统对质心的转动惯量不变所有简化后的质量对于连杆组质心的转动惯量之和应等于连杆原来的转动惯量,即 实际上,把连杆质量换算成和两个质量,对上述三个条件是不能完全满足的,即第三个条件不能得到满足。因为换算后的质量,对于连杆组质心的转动惯量之和,
14、它不等于连杆组原来的转动惯量。这是由于的大小同质量分布有关,如果质量分布离质心越远,则越大,转换后双质量系统的转动惯量显然比原系统的转动惯量要大一些。17、作用于曲柄连杆机构的力 在曲柄连杆机构中,主要作用力有气体作用力,运动质量的惯性力及外界负荷对内燃机运动的反作用力。18、连杆机构中主要零件的主要受力 曲柄连杆机构中主要零件的主要受力有:往复惯性力、旋转惯性力、气体作用力。19、连杆机构的往复惯性力 连杆机构的往复惯性力在忽略了高次项之后,可以看作由一次往复惯性力Pj1和Pj2二次往复惯性力所组成。20、活塞上总作用力的分解与传递 叙述分解与传递过程并画出受力图。第三章 内燃机的平衡1、静
15、平衡和动平衡 曲柄旋转质量系统,不但要求静平衡,也要求动平衡。 静平衡:质量系统旋转时离心合力等于零,即系统的质心(重心)位于旋转轴线上。 动平衡:质量系统旋转是,旋转惯性力合力等于零,而且合力矩也等于零。2、旋转惯性力及其平衡 单缸内燃机的总旋转惯性力,包括曲柄不平衡质量和连杆换算到大头处的质量所产生离心力之和。 该离心力的作用线与曲柄重合,方向背离曲柄中心,因此,只需在曲柄的对方,装上平衡重,使其所产生的离心力与原有的总旋转惯性力大小相等、方向相反即可将其平衡。 为了减轻平衡重质量并充分利用曲轴箱空间,可尽量使平衡重的质心远离曲轴中心线。3、往复惯性力及其平衡 一次往复惯性力 二次往复惯性
16、力 令 从形式上看,与离心力一样,但这是的往复质量而不是旋转质量。 如果把C假想看成是一个作用在曲柄上的离心力,则一次往复惯性力,就相当于该离心力在气缸中心线上的投影。因为这个离心力是假想的,只是形式上相当于一个离心力,故把它作为一次往复惯性力的当量离心力。 一次往复惯性力采用平衡轴来平衡,二次往复惯性力一般比较小所以不进行平衡。 现把这个当量离心力的质量分成完全相等的两部分。即各等于,并使一部分内气缸中心线开始,半径R的圆上,以向速度顺时针方向旋转,另一部分以同样条件下反时针方向旋转,显然它们的离心力分为。正转部分离心力作为的正转矢量,A1表示。反转部分离心力作为的反转矢量,B1表示。 在活
17、塞位于止点时,此两当量重合于气缸中心线上。在任一曲轴转角时,正转矢量A1与反转矢量B1的合矢量都落在气缸中心线上,其方向及大小与一次往复惯性力的方向及大小一致。这是因为A1、B1在气缸中心上的投影为 在垂直于气缸中心线方向,A1与B1的投影正好大小相等,方向相反,其和为零。 一次惯性力可用两个质量所产生的离心力矢量来代替,所以要想将全部平衡,只要平衡掉这两个离心力即可。具体的做法是采用两根旋转方向相反的平衡轴。4、单列式多缸内燃机的平衡的项目 单列式多缸内燃机的平衡的项目:旋转惯性力的合力;一次往复惯性力的合力;二次往复惯性力的合力;旋转惯性力的合力矩;一次往复惯性力的合力矩;二次往复惯性力的
18、合力矩;5、单列式多缸内燃机的惯性力和力矩的特点 多缸机,各缸产生的一、二次往复惯性力却是沿各自气缸中心线,因此是互相平等,且作用在同一平面内(气缸轴线平面);只是一次惯性力与二次惯性力变化频率不相同。各气缸的旋转惯性力沿各自曲柄方向作用在不同平面内。由于各气缸中心线之间有一距离,因此各缸的往复惯性力,和旋转惯性力对于与曲轴轴线垂直的某一参考平面(一般取通过曲轴中央的平面为参考平面),还将产生力矩,如互相抵消,本身就平衡了,如不能抵消,则是不平衡的。 离心力产生的力矩和离心力矩,用表示。由于绝大多数多缸内燃机,曲柄排列从曲柄端视图看,都是均匀分布的,而各缸的离心力大小相等,方向又与曲柄一致,所
19、以离心力的合矢量在这种情况下就互相抵消了,即。但是由于各缸的离心力作用线不在同一平面内,即使,它们还可能产生合力矩。这个力矩所在平面通过曲轴中心线,以角速度旋转,所以,它在垂直平面和水平平面的两个分力矩与的大小和方向都是变化的。 至于一、二次往复惯性力,虽然始终作用在气缸轴线平面内,但各缸中该力的大小和方向都是随曲轴转角而变化的。所以,对多缸机而言,既使曲柄排列均匀,也只有一次惯性力的合力为零,即,其它各次惯性力(如)就不一定这零。此外,一、二次惯性力,象离心力一样,也要产生合力矩。并用、来表示,它们与所不同的是,始终作用在气缸中心线所在平面,而数值大小随曲轴转角变化。6、四冲程两缸机的平衡情
20、况 1旋转惯性力的合力 旋转惯性力的合力为零,说明它们已互相平衡了。 2、一次往复惯性力的合力 一次往复惯性力已经平衡了。 3、二次往复惯性力的合力 需附加两要有以曲轴二倍角速度旋转的平衡轴来平衡。但由于结构复杂,实际上往往就任其存在了。 4、旋转惯性力的合力矩 没有平衡 5、一次往复惯性合力矩 没有平衡 6、二次往复惯性合力矩 7、四冲程三缸机的平衡情况 1、旋转惯性力的合力 ,即冲程三缸的旋转惯性力已经平衡。 2、一次往复惯性力的合力 ,一次往复惯性力合力已平衡. 3、二次往复惯性力的合力 ,二次往复惯性力已经平衡。 4、旋转惯性力力矩 与垂直轴的夹角为 可见, ,其方向恒位于第一曲柄后3
21、0度,故可在曲轴上装平衡重将其平衡。 5、一次往复惯性力矩 由上式可知,简谐函数规律变化的,当时,有最大值,其作用平面位于气缸中心线平面内。 6、二次往复惯性力矩 由于式可知,当的绝对值=1时,即,在垂直位置并有极大值 和都可以由附加四轴平衡机构来平衡。8、四冲程四缸机的平衡情况 1、旋转惯性力的合力 旋转惯性力已得到平衡 2、一次往复惯性力合力 一次往复惯性力也已平衡。 3、二次往复惯性力的合力 4、旋转惯性力矩 旋转惯性力矩已平衡 5、一次往复惯性力矩 一次往复惯性力矩已平衡 6、二次往复惯性力矩 二次往复惯性力矩已平衡9、四冲程六缸机的平衡情况 、 、 、 、 、 第四章 活塞组的设计1
22、、活塞组的工作条件 活塞组是工作强度最大的组件之一。工作中承受的载荷:(1)承受很大的机械负荷;(2)承受很高的热负荷;(3)强烈的磨损。2、活塞的基本结构 活塞头部 包括活塞顶,顶岸(火力岸)及活塞环带。组成燃烧室,承受气体压力,接受高温气体的作用。 活塞裙部 环带以下的部分,起导向作用力。 活塞销座 位于裙部中央上方,销座中安装活塞销。活塞通过销座将气体作用力及惯性力经由活塞传递给连杆。3、活塞的主要尺寸 活塞高度H 活塞高度与顶岸高度、环带高度及裙部高度有关。 压缩高度H1 压缩高度决定了活塞销的位置,它与顶岸高度、环带设计及上裙高度有关。 顶岸高度h 顶岸高度确定了第一环的位置。 环带
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