汽车发动机设计(上).ppt

1汽车发动机设计汽车发动机设计2第一章第一章总总论论第一节第一节发动机总体设计发动机总体设计一、主要设计指标和设计要求一、主要设计指标和设计要求结构空间结构空间外形尺寸小，体积功率外形尺寸小，体积功率(PeV，KW)大，升体大，升体积积(VVh，L)小。小。总质量总质量总质量总质量G、比质量、比质量(GPe，kgkw)、升质量、升质量(GVh，kg/L)均小。均小。功率功率有效功率有效功率Pe满足所装汽车适宜的最高车速要求，升功率满足所装汽车适宜的最高车速要求，升功率(PeVh，kw/L)大。大。环境保护环境保护废气排放和噪声达到法规要求。废气排放和噪声达到法规要求。生产成本生产成本生产能耗小，材料费用降低，结构设计适于组织经生产能耗小，材料费用降低，结构设计适于组织经济批量生产。济批量生产。3使用成本使用成本可靠性、耐久性好，使用油耗低，保养费少，提高可靠性、耐久性好，使用油耗低，保养费少，提高汽车的有效利用程度。汽车的有效利用程度。二、发动机方案设计（概念设计）二、发动机方案设计（概念设计）发动机方案设计要抉择的内容有：发动机方案设计要抉择的内容有：机种机种汽油机和柴油机。汽油机和柴油机。冲程数冲程数四冲程四冲程二冲程二冲程冷却方式冷却方式水冷式发动机风冷式发动机水冷式发动机风冷式发动机气缸数及其排列气缸数及其排列4缸径、行程缸径、行程汽油机适宜于较小缸径，例如汽油机适宜于较小缸径，例如7090mm，超过，超过100mm时容易时容易发生爆震。发生爆震。柴油机适宜于较大缸径，例如柴油机适宜于较大缸径，例如100150mm，缸径过小难于组，缸径过小难于组织直喷式燃烧，如采用涡流室热效率将降低。织直喷式燃烧，如采用涡流室热效率将降低。汽车发动机采用短行程的优点是换气效率较好、曲轴主轴颈与汽车发动机采用短行程的优点是换气效率较好、曲轴主轴颈与连杆轴颈的重叠度较大，适宜于高转速。长行程燃烧较完全，连杆轴颈的重叠度较大，适宜于高转速。长行程燃烧较完全，因而向降低转速采用略大于因而向降低转速采用略大于1的行程缸径比的行程缸径比(S/D)变。变。系列化系列化主要指标主要指标功率、扭矩、油耗、重量和外形尺寸功率、扭矩、油耗、重量和外形尺寸.燃烧室燃烧室新技术的采用新技术的采用三、发动机布置设计三、发动机布置设计5第二节第二节发动机主要参数的选择发动机主要参数的选择6、平均有效压力、平均有效压力平均有效压力平均有效压力Pe是标志发动机工作循环过程的有效性和制造完是标志发动机工作循环过程的有效性和制造完善性的指标之一善性的指标之一对于自然吸气式四冲程发动机，有对于自然吸气式四冲程发动机，有对于增压四冲程发动机，有对于增压四冲程发动机，有7提高的充气系数方法有提高的充气系数方法有:(1)采用合理的进气系统，减少进气阻力。采用合理的进气系统，减少进气阻力。(2)采用合理的配气机构和配气定时采用合理的配气机构和配气定时(如气门顶置、大如气门顶置、大的进气门直径、多气门布置、完善的凸轮外形、最佳的进气门直径、多气门布置、完善的凸轮外形、最佳的气门重量角度等的气门重量角度等)。(3)汽油机用多腔化油器、多个化油器或汽油喷射，汽油机用多腔化油器、多个化油器或汽油喷射，后者是发展方向。后者是发展方向。(4)适当的进气预热。适当的进气预热。提高热效率的方法；提高热效率的方法；(1)汽油机提高压缩比。汽油机提高压缩比。(2)合理组织燃烧工作过程。合理组织燃烧工作过程。8提高机械效率的方法有：提高机械效率的方法有：(1)选择最佳的配合间隙、优质润滑油、摩擦副材料和选择最佳的配合间隙、优质润滑油、摩擦副材料和减磨涂层。减磨涂层。(2)发动机保持最佳的热状况。发动机保持最佳的热状况。(3)合理设计活塞结构，精心安排活塞裙部尺寸，适当合理设计活塞结构，精心安排活塞裙部尺寸，适当减小轴承尺寸，减少活塞环数。减小轴承尺寸，减少活塞环数。(4)从工艺上保证加工精度，改善表面质量。从工艺上保证加工精度，改善表面质量。(5)改善充量更换减小泵气损失，减小发动机运行必需改善充量更换减小泵气损失，减小发动机运行必需附件的功率损失。附件的功率损失。9对柴油机提高平均有效压力的最有效措施是采对柴油机提高平均有效压力的最有效措施是采用废气涡轮增压、增压一中冷，它还能兼收改善燃用废气涡轮增压、增压一中冷，它还能兼收改善燃料经济性和降低发动机噪声的效果。料经济性和降低发动机噪声的效果。平均有效压力的选择要有基础性试验研究依据平均有效压力的选择要有基础性试验研究依据,并并且应参考同类型发动机的实际数据。且应参考同类型发动机的实际数据。二、活塞平均速度二、活塞平均速度 SnVm=3010活塞平均速度活塞平均速度Vm对发动机的性能、工作可靠性和对发动机的性能、工作可靠性和使用寿命有很大影响。一般说来使用寿命有很大影响。一般说来Vm增大会使发动机的功增大会使发动机的功率增高，但活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增率增高，但活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大，运动件摩擦副的磨损加剧，寿命下降。同时，由于进大，运动件摩擦副的磨损加剧，寿命下降。同时，由于进排气流速增大，进排气阻力与气流速度的平方成正比例增排气流速增大，进排气阻力与气流速度的平方成正比例增加，会使充气系数下降。所以，随着加，会使充气系数下降。所以，随着Vm的提高，就有必的提高，就有必要增大气门通路断面、增加气门个数、选用较好的材料、要增大气门通路断面、增加气门个数、选用较好的材料、较高的加工精度、采用特殊的表面处理、设计高热负荷下较高的加工精度、采用特殊的表面处理、设计高热负荷下工作可靠且结构轻巧的活塞组。工作可靠且结构轻巧的活塞组。11现代汽车发动机的现代汽车发动机的SD值一般在值一般在0.81.2之间，之间，高速汽油机高速汽油机SD在在0.8l范围，高速柴油机考虑到有范围，高速柴油机考虑到有利于混合气形成和燃烧，一般用稍大于利于混合气形成和燃烧，一般用稍大于1的的SD值。值。平均有效压力和活塞平均速度都是表征活塞式平均有效压力和活塞平均速度都是表征活塞式发动机强化程度的重要参数。两者乘积通常称为发动发动机强化程度的重要参数。两者乘积通常称为发动机的强化指标。这两个主要参数应当慎重选择。机的强化指标。这两个主要参数应当慎重选择。12在在D,Cm确定后确定后,就可以合理选择就可以合理选择S/D：1）选择较小的）选择较小的S/D可以减小发动机的高度，宽度和重量。可以减小发动机的高度，宽度和重量。2）小小的的S/D可可以以减减小小S，加加大大曲曲轴轴的的连连杆杆轴轴颈颈和和主主轴轴颈颈的的重重叠度，提高曲轴的弯曲和扭转刚度，以及曲轴的疲劳强度。叠度，提高曲轴的弯曲和扭转刚度，以及曲轴的疲劳强度。3）当当S/D减减小小时时，发发动动机机的的转转速速可可以以增增加加，提提高高发发动动机机的的升升功率，但增加了运动件的惯性力和发动机的噪声。功率，但增加了运动件的惯性力和发动机的噪声。4）S/D小小，柴柴油油机机为为保保证证一一定定的的压压缩缩比比以以及及燃燃烧烧室室容容积积与与压压缩缩容容积积之之比比，必必须须将将活活塞塞与与气气缸缸之之间间的的间间隙隙设设计计得得更更小小，这这就就增增加加了了制制造造上上的的困困难难，如如果果间间隙隙不不能能保保证证，将将使使发发动动机机各各项性能指标难以达到。项性能指标难以达到。5）风风冷冷发发动动机机应应考考虑虑散散热热片片的的布布置置，保保证证足足够够的的散散热热面面积积，一般风冷机一般风冷机S/D较大。较大。13 扭矩扭矩Pe*Vh*iMe=318.31*_汽油机：汽油机：Me=K*v/*i*m柴油机：柴油机：Me=K*i*m*g扭矩储备系数：扭矩储备系数：m=Memax/Men转速适应系数：转速适应系数：n=nn/nMemax总弹性系数：总弹性系数：=m*n14燃油消耗率燃油消耗率g/kw.h柴油机：柴油机：215260(直喷式直喷式)240270(分隔式分隔式)汽油机汽油机:：30035015第三节第三节典型发动机的结构分析典型发动机的结构分析16171819202122232425262728293031323334第四节第四节活塞式发动机的发展活塞式发动机的发展一、废气涡轮增压一、废气涡轮增压柴油机用废气涡轮增压，一般可提高功率柴油机用废气涡轮增压，一般可提高功率30%40%，增压中冷可提高到，增压中冷可提高到50%70%，而成，而成本只增高本只增高8%10%,重量只增加重量只增加3%5%。353637相对自然吸气式发动机设计来说，增压发动机相对自然吸气式发动机设计来说，增压发动机的设计有其特殊性，下面分别就汽、柴油机增压和的设计有其特殊性，下面分别就汽、柴油机增压和中冷作一简述。中冷作一简述。1柴油机增压柴油机增压柴油机增压后，机械负荷和热负荷都增大。柴油机增压后，机械负荷和热负荷都增大。机械负荷一般以最高燃烧压力机械负荷一般以最高燃烧压力Pz的大小为标志。增的大小为标志。增压时进气压力压时进气压力Pa、压缩压力、压缩压力Pa(始点始点)、Pc(终点终点)和和Pmax都随之提高。都随之提高。热负荷一般以活塞温度和涡轮前废气温度为标热负荷一般以活塞温度和涡轮前废气温度为标志。增压后，柴油机的进气温度提高，工作循环温度志。增压后，柴油机的进气温度提高，工作循环温度升高，热负荷增大。热负荷过高，热应力加大可引起升高，热负荷增大。热负荷过高，热应力加大可引起燃烧室壁、气门座面和活塞表面产生裂纹；发生活塞燃烧室壁、气门座面和活塞表面产生裂纹；发生活塞环结碳、零件间隙变化、润滑油高温结焦、油耗增高环结碳、零件间隙变化、润滑油高温结焦、油耗增高等故障。等故障。38增压机热负荷的增加往往比机械负荷的影响更增压机热负荷的增加往往比机械负荷的影响更为严重，因而是提高增压度的主要障碍。增压器的为严重，因而是提高增压度的主要障碍。增压器的最高比压一般可达最高比压一般可达33.5。四冲程增压柴油机。四冲程增压柴油机Pe最高最高可达可达3.2MPa左右，在车用发动机上实际达到的较好左右，在车用发动机上实际达到的较好水平是水平是Pe1.41.8MPa。设计增压柴油机时应采取以下技术措施：设计增压柴油机时应采取以下技术措施：1)降低压缩比降低压缩比,加大过量空气系数加大过量空气系数2)调整供油系统调整供油系统3)调整配气相位调整配气相位4)匹配好涡轮增压器和进排气系统匹配好涡轮增压器和进排气系统5)提高主要承载件的强度提高主要承载件的强度392汽油机增压汽油机增压与柴油机增压相比，汽油机增压有许多不同点，与柴油机增压相比，汽油机增压有许多不同点，诸如：汽油机是点燃式，被压缩的是油气混合气，压缩诸如：汽油机是点燃式，被压缩的是油气混合气，压缩终点温度过高就会发生爆震，它使汽油机增压大受限制，终点温度过高就会发生爆震，它使汽油机增压大受限制，增压压力一般在增压压力一般在135155kPa范围；汽油机的压缩比小，范围；汽油机的压缩比小，过量空气系数范围窄过量空气系数范围窄(0.851.05)，增压时在变负荷变转，增压时在变负荷变转速工况下工作要求如此严格控制速工况下工作要求如此严格控制n的范围，燃料系统的供的范围，燃料系统的供油特性必须精心调整；汽油机吸入缸内的是油气混合气，油特性必须精心调整；汽油机吸入缸内的是油气混合气，因而不能用较大的进排气门重叠角组织完善的扫气，并因而不能用较大的进排气门重叠角组织完善的扫气，并利用进气降低热负荷；汽油机工作转速范围宽，对增压利用进气降低热负荷；汽油机工作转速范围宽，对增压器的性能及其与发动机的匹配要求更高。器的性能及其与发动机的匹配要求更高。40汽油机增压除引起机械负荷、热负荷和汽油机增压除引起机械负荷、热负荷和NOn排放排放增高之外，还有爆震点的工作转速下降、扭矩特性和增高之外，还有爆震点的工作转速下降、扭矩特性和动态性能变差问题。动态性能变差问题。汽油机增压的技术措施汽油机增压的技术措施:1)爆震控制爆震控制(1)降低压缩比降低压缩比(2)推迟点火推迟点火(3)进气中冷进气中冷2)增压器选用与匹配增压器选用与匹配41汽油机要求和其匹配的涡轮增压器在较宽的流量汽油机要求和其匹配的涡轮增压器在较宽的流量范围内具有较高效率，在低流量时仍可达到较高的压范围内具有较高效率，在低流量时仍可达到较高的压缩比。其基本匹配点在部分负荷工况，这就需要放气缩比。其基本匹配点在部分负荷工况，这就需要放气系统，使标定工况时增压压力得到限制，避免爆震。系统，使标定工况时增压压力得到限制，避免爆震。施放排气方案较好，它可用较小型增压器，由于其惯施放排气方案较好，它可用较小型增压器，由于其惯性较小，加速响应性较好。性较小，加速响应性较好。3增压中冷增压中冷中冷是一种很有效的措施，有试验例子表明，中冷是一种很有效的措施，有试验例子表明，增压空气每降低增压空气每降低10，油耗率大约下降，油耗率大约下降0.5%，而功率，而功率可提高可提高2%4%。42汽车发动机增压中冷普遍采用空对空中间冷却汽车发动机增压中冷普遍采用空对空中间冷却器，进气温度可冷却到器，进气温度可冷却到60左右。若将冷却器与散热左右。若将冷却器与散热器并列，用柴油机上的风扇抽吸冷却空气来冷却，则器并列，用柴油机上的风扇抽吸冷却空气来冷却，则有一个缺点有一个缺点,在低负荷运转冷却器也以高效工作，引在低负荷运转冷却器也以高效工作，引起充气过冷和不完全燃烧冒白烟问题。为此，发展出起充气过冷和不完全燃烧冒白烟问题。为此，发展出了紧凑的带空气涡轮风扇的中间冷却装置，其管道配了紧凑的带空气涡轮风扇的中间冷却装置，其管道配置也大为缩短置也大为缩短(图图125)。这种冷却系利用压气机出口。这种冷却系利用压气机出口空气推动空气涡轮，推动能量与压气机出口压力和温空气推动空气涡轮，推动能量与压气机出口压力和温度相关，从而与柴油机的负荷相关。在低负荷时压比度相关，从而与柴油机的负荷相关。在低负荷时压比上升是极小的，所以没有能量供给空气涡轮，因而风上升是极小的，所以没有能量供给空气涡轮，因而风扇不动，可以避免过冷冒白烟问题。扇不动，可以避免过冷冒白烟问题。43二、发动机的电子控制二、发动机的电子控制441汽油机电子控制汽油机电子控制1)汽油喷射汽油喷射A单点喷射单点喷射(SPl)45464748B多点喷射多点喷射(MPI)49505152535455562)电子点火电子点火57A.点火触发器点火触发器58B霍尔效应发生器霍尔效应发生器592柴油机电子控制柴油机电子控制高速柴油机应用电子技术有如下一些优点：高速柴油机应用电子技术有如下一些优点：a)提高燃料经济性提高燃料经济性由于电子喷油泵控制自由度大、由于电子喷油泵控制自由度大、柔性好、响应快，可在任何工况条件下选择最佳的喷油柔性好、响应快，可在任何工况条件下选择最佳的喷油量和喷油定时，从而可进一步提高燃料经济性量和喷油定时，从而可进一步提高燃料经济性(约约10)。b)提高动力性能提高动力性能电子调速器可显著改善柴油机的扭电子调速器可显著改善柴油机的扭矩特性矩特性(见固见固140)，可使常用转速范围的扭短有较大，可使常用转速范围的扭短有较大提高，汽车的加速性得到改善。提高，汽车的加速性得到改善。c)调速特性最佳化，可使汽车的加速反应性和行驶稳调速特性最佳化，可使汽车的加速反应性和行驶稳定性有所提高。定性有所提高。d)改善冷起动性能和排放。改善冷起动性能和排放。e)降低怠速噪声和振动。降低怠速噪声和振动。601)电子调速电子调速616263642)喷油定时执行器喷油定时执行器65第二章第二章曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析本章分析曲柄连杆机构的运动规律和作用在主要本章分析曲柄连杆机构的运动规律和作用在主要零件上的力，作为分析计算强度、刚度、振动和磨损零件上的力，作为分析计算强度、刚度、振动和磨损问题的依据。问题的依据。第一节第一节曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学一、中心曲柄连杆机构一、中心曲柄连杆机构1活塞位移活塞位移66672活塞速度、最大活塞速度和平均活塞速度活塞速度、最大活塞速度和平均活塞速度68Vmax和和Vm是影响活塞和气缸磨损的重要指标。是影响活塞和气缸磨损的重要指标。3.活塞加速度、最大加速度活塞加速度、最大加速度69704连杆的运动连杆的运动71二、偏心曲柄连杆机构二、偏心曲柄连杆机构72实用上的偏心曲柄连杆机构有图实用上的偏心曲柄连杆机构有图23所示三种。所示三种。图中图中a，活塞销中心向主推力边偏置是为了减轻活塞，活塞销中心向主推力边偏置是为了减轻活塞对气缸壁的敲击，多用于汽油机。图中对气缸壁的敲击，多用于汽油机。图中b，活塞销中，活塞销中心向次推力边偏置，多用于柴油机。柴油机用中心曲心向次推力边偏置，多用于柴油机。柴油机用中心曲柄连杆机构可能发生这详的情况：次推力边顶环隙不柄连杆机构可能发生这详的情况：次推力边顶环隙不结碳，而主推力边严重结碳，导致活塞环粘着。若将结碳，而主推力边严重结碳，导致活塞环粘着。若将活塞销向次推力边偏置一个小距离，运行中可使主推活塞销向次推力边偏置一个小距离，运行中可使主推力边边活塞顶岸与缸壁问的间隙比燃烧开始时的值变力边边活塞顶岸与缸壁问的间隙比燃烧开始时的值变小，从而改善导热，减轻了主推力边的热负荷，使顶小，从而改善导热，减轻了主推力边的热负荷，使顶环隙整个圆周上不结碳。图中环隙整个圆周上不结碳。图中c曲轴中心与气缸中心线曲轴中心与气缸中心线偏置的曲柄连杆偏置机构，上、下止点的曲柄转角分偏置的曲柄连杆偏置机构，上、下止点的曲柄转角分别为：别为：7374第二节第二节曲柄连杆机构上的作用力曲柄连杆机构上的作用力一、气体压力一、气体压力75二、惯性力二、惯性力761往复惯性力往复惯性力2旋转惯性力旋转惯性力777879三、作用在曲柄连杆机构上的力三、作用在曲柄连杆机构上的力8081四、发动机的扭矩四、发动机的扭矩1单缸扭矩单缸扭矩发动机的翻倒力矩发动机的翻倒力矩M822多缸机扭矩、各主轴颈和曲柄销扭矩多缸机扭矩、各主轴颈和曲柄销扭矩知道了单缸扭短在一个循环的变化规律知道了单缸扭短在一个循环的变化规律,考虑各考虑各缸的着火间隔角将各缸扭矩作移相叠加就得多缸扭缸的着火间隔角将各缸扭矩作移相叠加就得多缸扭矩。矩。833发动机指示功率和平均指示压力发动机指示功率和平均指示压力84五、曲轴轴颈和轴承的负荷五、曲轴轴颈和轴承的负荷1，曲柄销负荷矢量固，曲柄销负荷矢量固85862连杆轴承负荷矢量固连杆轴承负荷矢量固8788第三章第三章发动机的平衡发动机的平衡第一节第一节概概述述发动机在稳定工况运转时，如果传给支承的作用发动机在稳定工况运转时，如果传给支承的作用力的大小和方向都不随时间而变化，则称它是平衡的。力的大小和方向都不随时间而变化，则称它是平衡的。平衡性差的发动机会在支承上振动，传给车架、平衡性差的发动机会在支承上振动，传给车架、车身、有损于汽车的行驶乎顺性和乘座舒适性、加速车身、有损于汽车的行驶乎顺性和乘座舒适性、加速驾驶员疲劳，影响行车安全。此外，声频域驾驶员疲劳，影响行车安全。此外，声频域(20Hz一一20kHz)内的机械振动还会辐射噪声；振动消耗能量，内的机械振动还会辐射噪声；振动消耗能量，降低发动机的总效率；振动还可能引起紧固连接件的降低发动机的总效率；振动还可能引起紧固连接件的松动和过载，降低机件的耐久性。松动和过载，降低机件的耐久性。89研究发动机不平衡力和力矩体系对外界研究发动机不平衡力和力矩体系对外界(支承支承)的的影响，称为外平衡。一般取内燃机在最大不平衡力和影响，称为外平衡。一般取内燃机在最大不平衡力和力矩的作用下的最大位移与气缸直径之比作为内燃机力矩的作用下的最大位移与气缸直径之比作为内燃机外不平衡性的判据，当该比值超过外不平衡性的判据，当该比值超过0.01时，就应采取时，就应采取平衡措施，而轿车发动机则要求严格得多。平衡措施，而轿车发动机则要求严格得多。对外平衡了的发动机进行曲袖和机体内部所受对外平衡了的发动机进行曲袖和机体内部所受弯矩和剪力的分析与计算。如果这类负荷过大，也应弯矩和剪力的分析与计算。如果这类负荷过大，也应采取乎衡措施采取乎衡措施(例如加平衡块例如加平衡块)加以消减，以求减小机加以消减，以求减小机体的工作应力和轴承负荷。这种平衡分析称内平衡分体的工作应力和轴承负荷。这种平衡分析称内平衡分析，如果曲轴不承受内弯矩和剪力，则称它是内平衡。析，如果曲轴不承受内弯矩和剪力，则称它是内平衡。9091第二节第二节平衡分析方法平衡分析方法发动机的平衡分析，实质上就是对由各缸往复发动机的平衡分析，实质上就是对由各缸往复惯性力惯性力Pj和各曲拐旋转惯性力和各曲拐旋转惯性力Kr构成的空间力系进构成的空间力系进行合成，如果合成结果主矢量、主矩均为零，则发行合成，如果合成结果主矢量、主矩均为零，则发动机的运动质量是平衡的。反之就不平衡，这时要动机的运动质量是平衡的。反之就不平衡，这时要求出不平衡量随曲轴转角的变化规律，以便研究平求出不平衡量随曲轴转角的变化规律，以便研究平衡措施衡措施.92分析平衡时，均假定各缸的运动质量、运动件分析平衡时，均假定各缸的运动质量、运动件的主要有关尺寸都相同，所得结果表示发动机的理论的主要有关尺寸都相同，所得结果表示发动机的理论平衡情况。实际上不可避免有制造误差。为了保证高平衡情况。实际上不可避免有制造误差。为了保证高速发动机的实际平衡接近理想情况，必须对曲柄连杆速发动机的实际平衡接近理想情况，必须对曲柄连杆机构主要运动件的重量、尺寸规定严格的公差，必要机构主要运动件的重量、尺寸规定严格的公差，必要时分组装配。严格控制公差的主要项目有：活塞组重时分组装配。严格控制公差的主要项目有：活塞组重量相等、各连杆组重量相等和重心位置相同、曲拐夹量相等、各连杆组重量相等和重心位置相同、曲拐夹角均匀、曲柄半径和连杆长度相等、曲轴动平衡、飞角均匀、曲柄半径和连杆长度相等、曲轴动平衡、飞轮静平衡等等。轮静平衡等等。93一、一、单列式发动机的平衡分析单列式发动机的平衡分析1旋转惯性力平衡分折旋转惯性力平衡分折941)旋转惯性力合力计算旋转惯性力合力计算952)旋转惯性力合力矩计算旋转惯性力合力矩计算对对于于第第i拐拐，旋旋转转惯惯性性力力对对0点点的的力力矩矩为为MriKZi，其方向与惯性力相差其方向与惯性力相差2，用复数表示为，用复数表示为:则合力矩为：则合力矩为：96以三拐曲轴为例作解折。三拐曲轴的曲拐夹角为以三拐曲轴为例作解折。三拐曲轴的曲拐夹角为120度。度。取第三拐的中心取第三拐的中心0点为简化中心：点为简化中心：972往复惯性力平衡分析往复惯性力平衡分析9899100101102103104105106107这是一个椭圆方程这是一个椭圆方程,即即R矢端轨迹是一个椭圆。矢端轨迹是一个椭圆。108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152多质量系统微分方程式多质量系统微分方程式153154155156157158159160161162计算时需要判别相連两次计算的剩余扭矩之积的符计算时需要判别相連两次计算的剩余扭矩之积的符号，当符号为号，当符号为“十十”时按计算步长继续往前搜索，时按计算步长继续往前搜索，为为“一一”时用时用“二分法二分法”缩短步长计算。缩短步长计算。163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185第六章第六章噪声控制技术噪声控制技术第一节第一节噪声基础知识噪声基础知识1.噪声的定义噪声的定义一般说来，凡属对人听觉一般说来，凡属对人听觉“不需要的声音不需要的声音”就是噪就是噪声。声。2声压、声强和声功率声压、声强和声功率声压声压P在有声波传播的声场中某点的田时压强与大在有声波传播的声场中某点的田时压强与大气压之差值气压之差值(N)。声强声强I在垂直于声波传播方向的单位面积上，单位在垂直于声波传播方向的单位面积上，单位时间内通过的声能时间内通过的声能(w)声功率声功率W声源在单位时间内辐射出的总声能，它是声源在单位时间内辐射出的总声能，它是描述声源强弱的物理量描述声源强弱的物理量(w)。186187188189190第二节第二节内燃机噪声及其控制内燃机噪声及其控制内燃机噪声的发生机制见图内燃机噪声的发生机制见图62，噪声分数如下：，噪声分数如下：191192一、进气噪声一、进气噪声其主要成因有二：其主要成因有二：(1)空气在进气管中的压力脉动造成低频噪声，其频率空气在进气管中的压力脉动造成低频噪声，其频率成分成分(2)空气以高速流经进气门造成的高频涡流噪声。空气以高速流经进气门造成的高频涡流噪声。1931941、排气噪声、排气噪声1)废气在排气管中的压力脉动废气在排气管中的压力脉动2)排气门流通截面处的宽带涡流噪声排气门流通截面处的宽带涡流噪声195三、风扇噪声三、风扇噪声风扇本身的噪声由叶片旋转噪声和涡流噪声组成。风扇本身的噪声由叶片旋转噪声和涡流噪声组成。196钢板冲压风扇的一般设计原则是：钢板冲压风扇的一般设计原则是：(1)依据风扇定则，综合考虑风量依据风扇定则，综合考虑风量Q，消耗功率和，消耗功率和噪声合理选择风扇的参数噪声合理选择风扇的参数.从满足一定风量考虑，宜取较大的风扇直径；从满足一定风量考虑，宜取较大的风扇直径；从减少功率消耗考虑。宜取较低的转速。从减少功率消耗考虑。宜取较低的转速。(2)按降噪要求设计风扇叶片的要点；按降噪要求设计风扇叶片的要点；定定Q下选用较宽的风扇叶片。这样叮降低下选用较宽的风扇叶片。这样叮降低一定一定Q下选用较大的叶片安装角下选用较大的叶片安装角(40度度50度度)（3）叶片数不大于）叶片数不大于6，叶片数从，叶片数从2到到6，Q呈直线呈直线增加。超过增加。超过6时，时，Q的增加率不大而每增加的增加率不大而每增加一片，噪声约增高一片，噪声约增高1dB。197(3)合理布置冷却系统。合理布置冷却系统。(4)采用翼型断面风扇。采用翼型断面风扇。198199四、燃烧噪声四、燃烧噪声燃烧噪声的发生机理是；燃烧噪声的发生机理是；(1)气缸内压力剧变引起的动载荷，激发结构振气缸内压力剧变引起的动载荷，激发结构振动辐射噪声动辐射噪声。(2)气体的冲击波引起高频振动。气体的冲击波引起高频振动。200201202203204控制齿轮噪声的措施是尽可能用较小的齿轮控制齿轮噪声的措施是尽可能用较小的齿轮间隙间隙.装曲轴扭振减振器。对顶置凸轮轴式发动机，装曲轴扭振减振器。对顶置凸轮轴式发动机，采用齿形合成橡胶带驱动配气机构。采用齿形合成橡胶带驱动配气机构。七、配气机构噪声七、配气机构噪声发动机低速下的噪声主要是气门开闭时，以及挺住发动机低速下的噪声主要是气门开闭时，以及挺住在凸轮鼻部附近产生的配气机构声。在凸轮鼻部附近产生的配气机构声。发动机高速时的配气机构噪声是由于气门的不规发动机高速时的配气机构噪声是由于气门的不规运动运动(气门飞脱和落座反跳气门飞脱和落座反跳)造成的。气门弹簧的造成的。气门弹簧的颤振也会发生簧圈之间的碰击高频噪声。颤振也会发生簧圈之间的碰击高频噪声。205八、控制结构振动幅射噪声的措施八、控制结构振动幅射噪声的措施(1)提高结构刚度，减小外部声发射表面的振动。提高结构刚度，减小外部声发射表面的振动。206207208209210211212213214215216第七章第七章曲轴设计曲轴设计第一节第一节曲轴的工作条件和设计要求曲轴的工作条件和设计要求一、曲轴的功用一、曲轴的功用曲轴的组成：曲柄，功率输出端，自由端，主轴颈，曲柄臂。曲轴的组成：曲柄，功率输出端，自由端，主轴颈，曲柄臂。二、设计要求：二、设计要求：1、具有足够的疲劳强度。减少应力集中，加强薄弱环节。、具有足够的疲劳强度。减少应力集中，加强薄弱环节。2、具有足够的刚度。减少变形，以免恶化活塞连杆组及轴承、具有足够的刚度。减少变形，以免恶化活塞连杆组及轴承的工作条件。的工作条件。3、轴颈具有良好的耐磨性。、轴颈具有良好的耐磨性。4、曲柄排列合理。、曲柄排列合理。5、材料选择适当，充分发挥材料的强度潜力。、材料选择适当，充分发挥材料的强度潜力。217218第二节第二节曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计21922011、主轴颈和曲柄销、主轴颈和曲柄销轴颈应短而粗，以增加曲轴的刚度，提高曲轴轴颈应短而粗，以增加曲轴的刚度，提高曲轴自振频率，缩短缸心距，但轴颈长度不能过短，否自振频率，缩短缸心距，但轴颈长度不能过短，否则会使轴承的承载能力变差。则会使轴承的承载能力变差。柴油机：柴油机：直直列列V型型D1=（0.70.8）DD2=(0.630.7)DD1=(0.750.95)DD2=(0.630.70)DL1=(0.350.50)DL2=(380.48)DL1=(0.300.50)DL2=(0.450.65)DL1=(0.500.70)D1L1=(0.600.70)D2L1=(0.450.65)D1L2=(0.80.9)D2221直直列列V型型D1=(0.650.75)DD2=(0.600.65)DD1=(0.60.7)DD2=(0.550.62)DL1=(0.30.5)DL2=(0.350.45)DL1=(0.250.35)DL2=(0.450.65)DL1=(0.40.7)D1L2=(0.50.7)D2L1=(0.40.6)D1L2=(0.81)D2汽油机：汽油机：222L不小于不小于0.3D为宜。为宜。L/D的设计趋势是减少。的设计趋势是减少。1）、在缸心距一定时可相应地增加曲柄臂的宽度。）、在缸心距一定时可相应地增加曲柄臂的宽度。2）、主轴颈长度的适当减少，要减小轴颈变形所）、主轴颈长度的适当减少，要减小轴颈变形所造成轴承负荷的不均匀。造成轴承负荷的不均匀。曲柄销直径小宜过大，否则旋转惯性力过大，同曲柄销直径小宜过大，否则旋转惯性力过大，同时为保证拆装方便，连杆大头应能够从气缸中抽时为保证拆装方便，连杆大头应能够从气缸中抽出出22312、曲柄臂、曲柄臂交变弯曲应力造成曲柄臂断裂是曲轴的主要交变弯曲应力造成曲柄臂断裂是曲轴的主要破坏型式。破坏型式。直直列列V型型b=（1.051.30）Dh=(0.220.28)Db=（1.001.30）Dh=(0.200.25)D柴油机：柴油机：224直直列列V型型b=（0.751.20）Dh=(0.180.25)Db=（0.751.00）Dh=(0.180.22)D汽油机：汽油机：增加曲柄臂的增加曲柄臂的h和和b均增大曲柄臂的强度均增大曲柄臂的强度,但增加厚但增加厚度的效果更明显。度的效果更明显。多缸机具有等厚曲柄臂的曲轴各曲柄销圆角的应多缸机具有等厚曲柄臂的曲轴各曲柄销圆角的应力是不同的，因此，应设计成不等厚曲柄臂。力是不同的，因此，应设计成不等厚曲柄臂。曲柄臂形状，椭圆为好。曲柄臂形状，椭圆为好。22513、曲轴圆角、曲轴圆角主轴颈圆角，曲主轴颈圆角，曲柄销圆角。柄销圆角。图中图中r/d从从0.04增加到增加到0.06应力下应力下降降50%。沉割圆角，多圆沉割圆角，多圆弧圆角。弧圆角。226一些细节设计：一些细节设计：1平衡块平衡块2272油道布置油道布置2282293曲轴的止推曲轴的止推4、轻量化设计、轻量化设计230231232233234235提高曲轴疲劳强度的方法提高曲轴疲劳强度的方法11、采用合理结构，减少应力集中。、采用合理结构，减少应力集中。1）、增大主轴颈和曲柄销重叠度）、增大主轴颈和曲柄销重叠度A。A=（D1+D2）/2-r=0.5(D1+D2-S)增大增大A可显著提高曲轴的疲劳强度，曲柄臂越薄越可显著提高曲轴的疲劳强度，曲柄臂越薄越窄这种作用越明显。窄这种作用越明显。R/h=0.26b/d=1.6的曲柄，当的曲柄，当A/d从从-0.1增大至增大至0.1,弯弯曲疲劳强度提高曲疲劳强度提高10%。A/d从从0.1增大至增大至0.3,弯曲疲劳弯曲疲劳强度提高强度提高23%。2362)、加大过渡圆角。、加大过渡圆角。r=（0.050.08）D。r应大于应大于2mm。3）、轴颈减重孔。）、轴颈减重孔。曲轴轴颈具有适当尺寸和形状的减重孔，可以减曲轴轴颈具有适当尺寸和形状的减重孔，可以减轻曲轴重量，减小旋转质量的离心力，同时还可轻曲轴重量，减小旋转质量的离心力，同时还可以改善圆角的应力的分布，提高曲轴强度。以改善圆角的应力的分布，提高曲轴强度。4）、卸载槽：）、卸载槽：曲柄销圆角内侧或主轴颈圆角外侧曲柄臂上开的曲柄销圆角内侧或主轴颈圆角外侧曲柄臂上开的凹槽。曲柄销圆角卸载槽，主轴颈圆角卸载槽。凹槽。曲柄销圆角卸载槽，主轴颈圆角卸载槽。卸载槽尺寸由试验确定。卸载槽尺寸由试验确定。23712、采用表面强化处理方法，提高曲轴疲劳强度。、采用表面强化处理方法，提高曲轴疲劳强度。1）、圆角滚压。）、圆角滚压。圆角滚压是一种利用材料产生塑性变形的强化方法。圆角滚压是一种利用材料产生塑性变形的强化方法。当滚压产生的应力超过材料的屈服极限时，便会产当滚压产生的应力超过材料的屈服极限时，便会产生塑性变形，发生冷作硬化，这样将在表面层内形生塑性变形，发生冷作硬化，这样将在表面层内形成残余压应力，从而提高曲轴的疲劳强度。珠光体成残余压应力，从而提高曲轴的疲劳强度。珠光体球墨铸铁效果最明显。弯曲疲劳强度提高球墨铸铁效果最明显。弯曲疲劳强度提高5090%。钢曲轴可提高钢曲轴可提高2070%。曲轴滚压后曲轴会变形，主。曲轴滚压后曲轴会变形，主轴颈跳动会超差，如果冷校会降低疲劳强度。主轴轴颈跳动会超差，如果冷校会降低疲劳强度。主轴颈精磨，主轴颈沉割圆角，多圆角同时滚压。颈精磨，主轴颈沉割圆角，多圆角同时滚压。2382）、感应淬火：）、感应淬火：使表面产生残余应力，硬度增加。使表面产生残余应力，硬度增加。轴颈淬火，层深轴颈淬火，层深37mm，HRC5563，提高，提高耐磨性。耐磨性。轴颈圆角同时淬火，圆角产生轴颈圆角同时淬火，圆角产生3060kg/cm2的残余压应力，曲轴疲劳强度提高的残余压应力，曲轴疲劳强度提高30100%。圆。圆角淬火后曲轴产生变形。粗磨角淬火后曲轴产生变形。粗磨淬火淬火精磨。精磨。3）、喷丸处理：）、喷丸处理：圆角强化。圆角强化。2394）、氮化和软氮化：）、氮化和软氮化：提高曲轴耐磨性和疲劳强度的化学热处理方法。提高曲轴耐磨性和疲劳强度的化学热处理方法。氮化：指气体氮化。加热氮化：指气体氮化。加热通氨气通氨气保温保温活性氮原子渗入，得到含氮组织。活性氮原子渗入，得到含氮组织。软氮化：在软氮化：在FeN共析温度以下共析温度以下（530570）进行的碳氮共渗过程。）进行的碳氮共渗过程。碳饱和碳饱和Fe3N核心核心化合层化合层扩散层。扩散层。化合层：化合层：80%Fe3N+Fe4N。20%Fe3N。氮化层表面硬度高氮化层表面硬度高,提高耐磨性提高耐磨性,扩散层中氮的扩散层中氮的渗入阻止铁晶格的滑移渗入阻止铁晶格的滑移,产生残余应力产生残余应力,因而能显著因而能显著提高曲轴的疲劳强度。提高曲轴的疲劳强度。240调质处理的零件氮化后疲劳强度提高显著。调质处理的零件氮化后疲劳强度提高显著。盐浴氮化：碳钢提高盐浴氮化：碳钢提高6080%。低碳钢提高。低碳钢提高2030%。球墨铸铁提高。球墨铸铁提高5070%。气体氮化使钢曲轴提高气体氮化使钢曲轴提高3040%。氮化的变形。氮化后不能磨削，为减少变形，氮化的变形。氮化后不能磨削，为减少变形，通常需进行中间退火，先去掉切削应力。通常需进行中间退火，先去掉切削应力。241化合物层化合物层扩扩散散层层厚厚度度氮化时氮化时间间h温温度度厚厚度度硬度硬度HV气体氮化气体氮化0.00510000.1 40500气体软氮气体软氮化化0.070.0155507000.10.345570镀钛氮化镀钛氮化0.1010001500中间层中间