汽车发动机设计-课程设计

武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-1-目录0序言1基本结构参数计算1.1发动机缸径和转速的计算2热计算2.1发动机压缩过程计算2.2发动机膨胀过程计算2.3压缩膨胀过程处理2.4有效功和有效压力的求解2.5P-V图向P-a图转换3活塞运动学计算3.1活塞位移（X）3.2活塞速度V3.3活塞加速度a4连杆活塞的动力计算4.1往复惯性力质量mj的求取4.2相关力的求解5曲轴的设计5.1曲轴主要尺寸的确定5.1.1曲轴销主要尺寸的确定5.1.2主轴颈尺寸的确定5.1.3曲柄臂尺寸的确定5.2校核计算5.2.1曲轴的弯曲弯曲校核5.2.2曲轴的扭转强度校核6活塞设计6.1活塞材料的选择6.2活塞主要尺寸的确定武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-2-6.2.1活塞总高H的确定6.2.2压缩高度H1的确定6.2.3火力岸高度H4的确定6.2.4环带高度H3的确定6.2.5活塞顶部厚度δ的确定6.3活塞裙部的设计6.3.1活塞横截面形状6.3.2活塞与气缸的配合间隙6.4活塞的质量7活塞销的设计7.1活塞销材料的选择7.2活塞销与销座尺寸的确定7.3活塞销与销座的配合7.4活塞销质量m38连杆的设计8.1连杆材料的选择8.2连杆主要尺寸的确定8.2.1连杆长度的确定8.2.2连杆小头尺寸的确定8.2.3连杆大头尺寸的确定8.2.4连杆杆身尺寸的确定9心得体会10参考文献武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-3-65mL四冲程汽油机曲轴设计0序言这学期学院为我们专业开设了《汽车发动机设计课程设计》为期三周，目的在于让我们通过亲自的设计实践，全面地复习和巩固我们以前所学习的理论知识，让我们对专业课知识有更深刻的理解和掌握。使我们在分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种资料以及计算机应运能力等各个方面得到进一步的提高。我们要充分利用这次课程设计的机会，了解国内外发动机的发展状况，并尽可能地发挥自己的能力，保质保量的完成此次课程设计。课程设计是一个设计的过程，也是我们一个学习知识的过程。我们要通过这次的课程设计，巩固自己所学的理论知识，多了解曲柄连杆机构的构造和设计要求，以及设计时需要注意的各个方面的问题。另一方面，了解国内外发动机的现状，了解先进发动机的设计特点，这样开阔自己的视野，丰富自己所学的知识。除此之外，此次课程设计还为我们下学期的毕业设计奠定了坚实的基础，为我们将来走上工作岗位奠定了基础。这次的课程设计是我们系统学习发动机设计的一个很好的机会，我们一定要好好珍惜，利用这次机会，巩固自己所学理论知识，开阔眼界，了解发动机设计知识，同时发挥自己的思维发散能力，按时保质地完成这次课程设计。我此次课程设计的任务是65ml四冲程汽油机曲轴设计，任务有点艰巨，不过我会认真努力完成这次设计。武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-4-42SD1基本结构参数计算一台发动机的基本结构参数包括：缸径（D）、行程(S)、缸数(i)、冲程数（τ）、发动机转速（n）、活塞平均有效转速（Vm）、各种参数之间是相互关联的，所以在一定的限制条件下，各基本参数是可以确定的。1.1发动机缸径和转速的计算所给的已知条件：①平均有效压力：0.8P1.2MPa②活塞平均速度：Vm18m/s③发动机排量：Vs=150ml由排量Vs=65ml，并不是很大，所以我决定设计为摩托车的单缸四冲程发动机，缸数i=1，参见《发动机现代设计》可知，现代汽车发动机的S/D的取值范围在0.8～1.2之间，而高速汽油机S/D在0.8～1.0之间，所以取S/D=0.9.根据公式：Vs=即160ml=49.03Dπ解得D=61mm，S=55mm：压缩比目前国内汽油机的压缩比在8～10之内，选取=9，Va=Vc+Vs则Va=180ml，Vc=20mln：因为Vm18m/s，取Vm=15m/s。由n=SVm30=310551430=8727r/min。：角速度根据公式30nπ，代入n=8727r/min解得=913rad/sr：曲柄半径r=2S=27.5mml：连杆长度由于lr0.25，取0.275，故lr=100mm武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-5-热计算汽油机的工作过程包括了进气、压缩、作功、排气四个过程。而热力学计算主要是针对于压缩行程和作功行程进行计算。2.1发动机压缩过程计算参阅《汽车拖拉机发动机》Page6，压缩始点的压缩（0.8～0.9）P0之间。选取压缩行程始点的压强为Pa=0.08MPa，把压缩过程简化为绝热过程，参阅《汽车拖拉机发动机》Page6，压缩绝热指数1.28～1.35之间，选取n1=1.35.由《工程热力学》知识可知：绝热过程中：P1V1n1=P2V2n1.已知初始状态Pa=0.08MPa，Va=180ml。在180ml～20ml之间取15个点，用excel计算数据，制作表格，将数据记录在附录1中，其中可得Pa=1.55MPa。可燃混合气在气缸中到达压缩终点后，将会进行等容加热。一般情况下压力升高比在7～9之间，选取～8.则终点压力：Pc=81.55=12.4MPa。2.2发动机膨胀过程计算在作功行程开始时，活塞正处于上止点，并开始向下止点运动。同理，作功行程也可简化为绝热过程，满足P1V1n2=P2V2n2其中n2在1.31～1.41之间，取n2=1.36根据《汽车拖拉机发动机》Page8.由上可知，作功过程始点的压力值Pc=12.4MPa，同样取15个点，根据上式求出每个点的压力值P，利用excel中得图表功能作出P-V图（如图1）。武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-6-2.3压缩，膨胀过程处理在现代发动机中，为了使其动力性、经济性达到最优，而采取点火提前角和排气提前角的办法，故而应该对图1中得P-V图进行圆整处理，从而符合实际情况，满足现代发动机要求。从《内燃机》中可知，点火提前角的范围是20°～30°，选取点火提前角为28°，此时V=31.8428ml，P=0.8028MPa。考虑实际过程与理论过程的差异，实际过程中得最大爆发压力达不到理论值，而最大爆发压力不发生在上止点，而应该在上止点之后12°～15°。取上止点后13°，此时实际的最大爆发压力P=32Pc=34.122=8.267MPa排气提前角常使用的范围是40°～80°，选取排气提前角为55°，此时V=61.69ml，P=0.081.0133=0.081MPa经过上述数据处理后，可将图1理论P-V图圆整处理为实际P-V图。如下图2所示武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-7-2.4有效功和有效压力的求解p-v图上曲线所包围的面积即表示工质完成一个工作循环所作的指示功，所以通过数出图2的p-v图所围的格子数就可以得出该示功图下指示功的大小。图2中p-v图所围得格子数共220个，而每个格子的面积表示0.4J的指示功，所以图2中所表示的发动机的指示功共为：Wi=2200.4=8.8J。所以发动机的平均指示压力为：Pi=VsWi=658.8=1.354MPa。又因为Pe=Pim，而机械效率m的取值范围在（0.7～0.9），由于摩托车发动机的运动速度高，机械损伤大，所以取m=0.8.则发动机的平均有效压力为：Pe=1.3540.8=1.08MPa，在设计范围（0.8～1.2MPa）范围内，能达到设计要求2.5p-v图向p-图转换由于已知了曲轴转角和活塞位移X的关系式，又由公式V=20+40002XDπ,则可在excel表格中，求取出相应转角时对应的汽缸容积v。每隔5°取点求（p，v）。将计算所得相关数据记录于附录2中，并用excel作出p-图。武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-8-3活塞运动学计算3.1活塞位移由位移和曲轴转角的关系式：即X=r[（1-cos）+（1-cos2）/4]=27.5[(1-cos)+0.275[1-cos2]/4]同理，在excel中获得所取点得相关数据记录在附录3中，利用图表功能作出活塞位移X随转角变化的曲线。曲线图线如下3.2活塞速度V由速度和曲轴转角的关系式：V=rw[sin+(1-cos2)/2]=25.108[sin+0.138(1-cos2)]同理，在excel中获得相关数据记录在附录4中，利用图表功能作出速度随转角变化的变化曲线图。曲线图如下：武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-9-3.3活塞加速度由活塞加速度和曲轴转角的关系即，a=rw2（cos+cos2）=22.923（cos+0.275cos2）同上，在excel中获得相关数据记录在附录5中，利用图表功能作出加速度随转角变化曲线图。曲线图型如下：4活塞连杆的动力计算4.1往复惯性质量mj的求取mj=m1+m2+m3（m1：活塞质量，m2连杆小头质量，m3：活塞销质量）因为是初步计算，所以把活塞看成是薄壁圆筒来计算，所以m1=469.2)5561(14.35522=0.081kg又因为精度不高的估算，所以mj=1.8m1=1.80.078kg=0.14kg（其中连杆小头质量为0.013kg。则由于活塞和连杆小头的往复运动而引起的压力Pj的大小：Pj=22jrm4Dπ=226114.38145.2714.04-=1.135MPa武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-10-即Pj(a)=-1.135(cos+0.27cos2)可应用excel求解相关数据，记录在附录6中，并作出压力虽转角的变化曲线图7.4.2相关分力的求解作用在活塞销中心的力，是Pj和Pg的合力，即P=Pj+Pg。把该力分解到连杆方向P1和垂直于汽缸中心线方向Pn，连杆方向的力P1沿连杆传递到连杆大头，该力以同样的方向和大小作用在曲柄销上，可把P1分解到曲柄销半径方向Pk和垂直于曲柄销半径方向Pt，其中各力在大小上满足：P=Pj+Pg侧压力Pn=Ptan连杆力P1=cosP切向力Pt=conP)sin(径向力Pk=cos)cos(P综合应用以上关系式，求解出各力随曲轴转角的变化曲线。用excel计算出数据收录在附录7～11中，并利用excel作出力随的变化曲线图，分别如图8至图11。【引入的角是连杆和汽缸中心线方向的夹角，满足Isin=rsin】武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-11-武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-12-5曲轴的设计摩托车发动机曲轴大多数采用组合式曲轴，它的曲轴销与主轴颈、曲柄臂分开制造，然后用液压压入的方法连接起来。曲轴是发动机中最重要的机件之一，它的尺寸参数在很大程度上影响发动机的整体尺寸，重量和发动机的可靠性与寿命。故在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数，并验证它能否达到工作条件要求。5.1曲轴主要尺寸的确定曲轴与活塞连杆组件和机件有密切联系，曲轴的设计不能孤立地进行。曲轴长度方向的尺寸基本上取决于缸心距。并列连杆式V型发动机的主要轴承负荷。所以，曲轴的基本尺寸大多根据发动机的总体布置来考虑。5.1.1曲柄销尺寸的确定由于是单缸高速的发动机，曲柄臂直径D2=（0.6～0.65D）,取D2=0.6D=0.661=36mm。由于曲柄销上需要安装滚针轴承，根据滚针轴承的标准，则D2=35mm。曲柄销长度l2=（0.5～0.7）D2，考虑到安装时连杆大头和曲柄销之间要留有运动间隙，取l2=28mm。5.1.2主轴颈尺寸的确定（参考标准为杨连生版《内燃机设计》page195）一般情况D1=（0.4～0.5）D，取D1=0.42D=0.4261=24.4mm。因为在主轴颈外需安装深沟球轴承，则取D1=25mm，根据《机械设计课程设计》的page117，选用型号6205的深沟球轴承。主轴颈的长度l1=（0.4～0.6）D1，取l1=112.2mm。武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书-13-5．1．3曲柄臂尺寸的确定曲