柴油机设计资料

©116数码工作室版权所有Frank©2003-200411_1内燃机设计有哪些指标？其意义如何？答：内燃机设计指标包括：工作性能指标和结构设计参数工作性能指标包括：动力性指标、经济性指标、可靠性指标、振动与噪声指标、及排放指标。动力性指标包括：功率、扭矩、转速等。它表征发动机动力性能的好坏。经济性指标以燃油消耗率和润滑油消耗率表示，反映内燃机经济性能的好坏。可靠性和寿命指标有：可靠度、故障度、重要度等。用来检验内燃机可靠性和查验是否需要对内燃机进行修理、维护。振动分为轴系振动和整机振动，噪声则主要来自机械噪声、燃烧噪声和气体动力噪声。其大小用指示噪声计来计量。排放标准是对内燃机排放的NOx、CO和HC化合物进行限制，以免污染环境。结构设计参数有：缸径D、活塞行程S、气缸数及缸心距Lo等。1-3提高功率的途径有哪些，各有什么优缺点？答：共有6种方法：1、提高转速n随着n的提高，内燃机零件的机械负荷、热负荷、磨损均将增加。同时内燃机的摩擦损失、噪声和振动也增加。2、提高Pe（平均有效压力）随着Pe值的提高，内燃机的机械负荷和热负荷也相应提高。3、提高气缸的工作容积Vh工作容积由D和S决定，增大缸径和行程均能增大功率。但是D增大，零件尺寸、质量、机械负荷和热负荷也增大；S增大，使活塞的平均速度Cm相应增大，导致机械负荷、热负荷、磨损增大，影响内燃机的寿命。4、增加气缸数缸数过多时，曲轴及机体的刚度差，多采用V型结构并施以增压技术来满足大功率的要求。5、使用在地转速时采用二冲程发动机可以获得较高的功率。6、提高发动机排量。1-4、提高Pe的途径有哪些，限制Pe提高的因素是什么？3-1活塞的位移和加速度公式是如何建立的，如何理解他们变化规律同“λ”的关系？答：规定“λ”为曲柄半径与连杆长度比（R/L），从气缸中心线起顺时针方向度量的曲柄转角α为正，从气缸中心线向右度量摆角β位正，活塞位移从上止点到下止点的度量，根据几何图形及几何关系可得到位移公式。位移公式对时间二次求导即可得到加速度公式。同“λ”的关系：对位移公式：当λ越大，即连杆越短，活塞到达行程长度中点以下越早；当λ=0，活塞位移规律变成简谐曲线。对加速度公式：当λ≤1/4，在2π间隔内加速度曲线只有一个正向最大值和一个负向最大值；当λ＞1/4，加速度曲线形状在一个循环出现四个极值。3-3试绘制曲柄—连杆机构上作用力简图，并从中说明内燃机工作时的力和力矩及它们所引起的作用及影响。答：往复作用力为Ｐ，可分解为活塞侧推力ＰH和连杆推力Ｐc。Ｐc由活塞销传给连杆，然后传给曲轴销，在曲柄销处又可分解为沿曲柄中心线方向作用的法向力ＰN和推动曲柄回转的切向力ＰT。连杆大端回转质量产生离心力ＰrB为，曲柄本身的离心力为ＰrK。作用：切向力ＰT是对外做功的主要作用力，能产生扭矩。主轴处垂直方向的往复惯性力使柴油机产生上下振动，离心力为Ｐr，Ｐr在机体内部不能平衡，使柴油机产生上下、左右©116数码工作室版权所有Frank©2003-20042的振动。作用在气缸壁上的侧推力ＰH和作用在主轴承处的水平分力ＰH组成使柴油机倾倒的翻倒力矩Ｍd，Ｍd大小和方向周期性的变化，使柴油机产生摇摆性振动。3-5连杆当量代替质量必须满足什么条件？代替系统结果如何？答：满足条件：1.)换算系统两质量之和等于原连杆的质量Cm，即CCBCAmmm2.)换算系统的质心与原连杆质心重合，即BCBACAlmlm3.)两个换算质量对连杆重心得转动惯量之和应等于原来实际连杆得转动惯量，CBCBACAIlmlm22结果：它们对连杆重心的转动惯量略大于原来实际连杆的转动惯量。若要较精确计算则需在换算系统中引入一个“连杆（修正）力偶矩”CM，用以抵消由于转动惯量增大，在连杆摆角加速度的作用下所多出的惯性力矩，..22CBCBACACIlmlmM。实际表明，其值很小，通常可忽略。4-1试以正、反转矢量力的概念，说明一次往复惯性力和二次往复惯性力的平衡方式。答：1.)正、反转矢量力的定义为，把往复惯性力看作两个质量1/2mj在半径R处以角速度ω朝相反方向转动时，所产生的离心力的向量和对于朝相相反方向的回转两质量所产生的离心力，称之为正、反转矢量力。2.)正、反转矢量平衡法定义为，把往复惯性力的平衡问题转化为两个正反转矢量的平衡，可利用平衡离心力的方法来平衡往复惯性力，即为正、反转矢量平衡法。3.)一次往复惯性力的平衡方法，设每块平衡重质量为m，其中心与回转中心间的距离为R，则两平衡重质量的离心力在水平方向的投影是等值反向的，自相平衡抵消，而在垂直方向的投影则是等值同向，合力为2m1Rω2cosα，且有如下关系2m1Rω2cosα=mjRω2cosα→m1=mjR/2R1。在正反转平衡机构中，除了必须保证平衡重同曲轴有相同回转角速度外，还应保证平衡重的安装方位与曲轴有一定的正时关系。4.)二次往复惯性力的平衡方法，基本与一次往复惯性力相同，差别在于平衡重的回转角速度必须是曲轴回转角速度的2倍，当曲柄转角为α时，平衡重应已转过2α的角度，且有m2=λmjR/8R14-2离心惯性力矩和一次往复惯性力矩在作用性质上有什么不同？答：由于多缸内燃机往复惯性力作用在各自气缸中心线内，形成纵向垂直平面力系，所以合成的力矩是各缸往复惯性力对发动机重心所形成的力矩和。力矩的数值大小随曲轴转角α而变化，其方向始终在气缸垂直平面内。当第一曲柄处在各个特定的相位角时，合成往复惯性力距出现最大值。离心惯性力矩在垂直面的分力矩的大小和方向都是变化的。在垂直平面方向上的合成离心惯性力矩同一次往复惯性力矩性质完全一样的。指示常数mr和mj不同，就合成离心惯性力矩本身而言，是大小不变的矢量，它的作用方向同第一曲柄构成一定的相位角关系，并随着曲柄的回转而回转。4-3使用查表法对一台发火顺序为1-4-3-2的二冲程四缸柴油机的平衡性进行分析，并提出改善平衡的措施。答：由表4-2可查的：当第一曲柄在上止点位置时，不平衡一次往复惯性力矢量出现在315°处，当曲柄在45°(315°)时，出现一次往复惯性力矩最大值，一、二次往复惯性力为0，存在一、二次惯性力矩且内部平衡性差，可用正反转平衡来消除，为了平衡内部平衡状态，可对曲轴采用分段平衡法布置平衡重来平衡。©116数码工作室版权所有Frank©2003-200435-2柴油机曲轴工作时受那些载荷的作用？单位曲柄在受弯和扭时，其最大应力通常出现在何处？应力集中的情况如何？答：1、曲轴受周期性变化的燃气压力、运动质量惯性力所造成的外力和外力矩的作用以及由这些力和力矩引起的振动产生的附加应力的应力。其中曲柄销和主轴颈均受到弯扭的联合作用；曲柄臂受到拉、压、弯、扭的复杂交变载荷。此外，主轴承支座还有支反力的存在。2、单位曲柄在受弯扭载荷时，最大应力出现在曲柄销或主轴颈与曲柄臂邻接的过渡圆角。3、受弯曲载荷时，应力集中最大的部位是曲柄销或主轴颈与曲柄臂的过渡圆角处；受扭转载荷时，在过渡圆角以及轴颈上的润滑油孔周围将产生比较严重的应力集中。5-3确定曲柄直径dp时要考虑那些因素？答：曲柄销直径dp与长度Lp的选定应考虑两方面：保证曲轴有较大刚度和曲柄销轴承有良好的工作性能。确定dp时应考虑：1、dp的加大将导致连杆大端的加大，必须采取相应的结构措施保证拆卸时连杆能随活塞一起通过气缸（如斜切口大端）。2、dp的加大将引起不平衡旋转质量离心力的增加，这对主轴承负荷和扭振均有不良影响。3、dp的加大会使摩擦功率增加，使轴承工作温度升高，加速润滑油老化变质。5-4为什么说曲柄臂是曲轴结构中的薄弱部位？常见的曲柄臂形状有那些？它们各有何特点？如何从结构上加强曲柄臂？答：1、曲柄上应力集中最大的部位是曲柄销或主轴颈与曲柄臂的过渡圆角处，从圆角处开始而横断曲柄臂的弯曲疲劳破坏最为常见。2、常见的曲柄臂形状有：矩形和圆。它们在工艺制造上简单、方便；椭圆形曲柄臂在强度、重量和应力分布均匀程度上更好，其结构形状最为合理。3、为了减轻应力集中，可以加厚曲柄臂、在曲柄臂端面的相应部位设卸载槽、增加重叠度，5-6为什么曲柄上油孔孔口必须加工成光滑的圆角？油孔和油道的开设有哪些型式？答：1、在曲轴上油孔孔口加工成光滑的圆角可以降低应力集中，提高疲劳强度，加强润滑效果，防止油孔堵塞及轴瓦被刮伤。2、油孔的开设形式有选择在曲柄平面向着曲拐旋转方向导前θ=30°-90°范围，θ=90°时即垂直于曲拐平面方向。3、油道有两种基本方案：倾斜单线油道、直角多线油道。5-9柴油机轴承的常见损坏形式有哪几种？柴油机轴承是如何分类的？应用场合如何？答：常见轴承破坏形式：擦伤、咬合、磨损；疲劳；蚀损柴油机轴承分类：1.)按轴瓦的厚度可分为厚壁轴瓦和薄壁轴瓦2.)按轴承的用途不同可分为向心轴承和止推轴承应用场合：厚壁：大型低速船用柴油机薄壁：广泛应用于中、高速柴油机上向心轴承：柴油机主轴承和连杆轴承采用的平轴瓦，连杆小端、副连杆销所采用©116数码工作室版权所有Frank©2003-20044的轴套与衬套。止推轴承：柴油机曲轴的止推挡主轴承。6-2连杆大端的结构型式及其尺寸的选择在连杆的设计过程中有何重要意义？答：连杆大端的结构对连杆的整体设计乃至柴油机的整体设计都有影响。它直接影响曲柄销直径、气缸中心距、柴油机的拆验方式等。常用的有平切口和斜切口两种。前者结构简单，广泛应用于高、中速内燃机，但由于曲柄销直径的增大受到结构型式的限制（ｄp≤（0.65~0.72）D），因此难以用于高参数的柴油机中。在连杆轴颈较大的情况下，采用斜切口式连杆大端能保证从气缸中方便的抽出活塞连杆组。它的连杆轴颈ｄp最大为0.85D。但斜切口剖分角使连杆力沿切口平面产生切向分力，使大端盖与杆身间发生滑动或使连杆螺栓受剪切作用。6-3试分析二冲程柴油机与四冲程柴油机连杆的设计分析中有何差异？答：在工作循环中二冲程柴油机的连杆始终受压，而四冲程柴油机既受拉也受压。这一差异使得设计连杆时对刚度、疲劳强度以及作用在主连杆上弯矩的分析有所不同：二冲程连杆大端可设计得轻薄些。小端总受压，为了提高其承载能力，将连杆与活塞销固定，使活塞销的整个上半面作为承压面的全支撑结构。由于小端受压面缺少润滑油，难以形成“挤压”油膜。为较强润滑，可添加设计一轴向油槽。6-6连杆螺栓的结构工艺设计、强度分析及其预紧力值的给定均需格外加以重视的原因是什么？请分析。答：连杆螺栓为柴油机中最重要的联接件，连杆螺栓的断裂会击毁柴油机或击伤工作人员。结构设计方面：1、设置连杆螺栓的地位极为有限，螺栓与连杆轴颈尺寸之间的关系相互制约，难以任意增加连杆螺栓的直径。2、长期承受交变载荷作用，此载荷的大小与发动机转速的平方成正比。3、螺栓应绝对可靠，在整个工作期内不允许有松动现象出现。4、在螺栓处易出现应力集中，螺牙损坏的状况。预紧力方面：螺栓的预紧力Ｐo应能克服由于大端轴瓦过盈配合在接合面产生的端面力和分界面处弯矩。强度方面：由于螺栓同时有拉伸及剪切应力存在，在设计时应使螺栓强度计算中的安全系数足够大才能保证螺栓强度。7-1活塞工作状态受哪些负荷作用？答：活塞工作状态受到机械负荷和热负荷的作用。机械负荷有气缸内燃烧气体压力，高速运动所产生的往复惯性力和侧推力。热负荷是由于活塞顶部与高温燃烧气接触，产生热变形、热应变和热疲劳，从而产生裂纹。7-2什么是活塞压缩高度？它对柴油机总体设计将带来什么影响？答：活塞销中心至活塞顶的尺寸称为压缩高度。它包括顶岸高度、环带高度和上裙高度。它直接影响发动机总体高度和重量。适当选择顶岸高度，以保证活塞环散热良好，又不会太大影响有效容积，减少环数可减少活塞与缸套间的摩擦力，还可减轻环对环槽的冲击负荷。上裙高度应使环槽位置尽量处于销座外径上方。避免因开有环槽而削弱销座的强度，引起变形。7-3如何合理布置第一环位置，如果第一活塞环温度过高，可采取哪些措施？答：当活塞位于上止点时，第一道环必须处于气缸套冷却水腔上沿位置以内。措施：1、设置隔热槽2、活塞顶采用阳极氧化表面处理3、通过润滑油进行冷却4、设