内燃机设计 ppt课件.ppt

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1、S1118柴油机曲柄连杆机构仿真模型SL4105Z柴油机连杆组件的动态应变能分析SL4105Z柴油机连杆组件的动应力分析SL4105Z柴油机曲柄连杆机构的仿真分析 1E39汽油机气缸体模型 第二章第二章 内燃机运动学和动力学内燃机运动学和动力学目的：目的：了解曲柄连杆机构的运动规律和受力分析，为零部件的了解曲柄连杆机构的运动规律和受力分析，为零部件的结构强度分析提供必要的理论数据。结构强度分析提供必要的理论数据。 第一节第一节 曲柄连杆机构的运动学曲柄连杆机构的运动学一一 曲柄连杆机构的分类曲柄连杆机构的分类（1）中心曲柄连杆机构（2）偏心曲柄连杆机构 曲轴中心与缸套中心偏心：减小侧压力。用于

2、中、大型低速柴油机。 活塞销偏心：减小活塞的拍击噪声。用于高速车用发动机。（3）关节曲柄连杆机构：用于V型发动机。二二 中心曲柄连杆机构中心曲柄连杆机构（1）机构特点：曲轴作旋转运动，活塞作往复运动，连杆作平面运动。（2）重要参数：曲轴旋转角速度； 连杆比= R/L。（3）活塞位移： 当0时，X=X1，由此可见越大，各曲轴转角下的活塞位移X越大，即活塞位移曲线饱满。 是曲柄连杆机构的一个重要参数，它表示了连杆的相对长度。越大，连杆越短，发动机总高度减小，重量减轻，金属利用率高，现代发动机的发展趋势是增大。（4）活塞的速度： 活塞速度的最大值Vmax：1/31/3.21/3.41/3.61/3.

3、81/41/4.21/4.473427428”751175517627771”77327811.6561.6461.6371.631.6241.6191.6151.611活塞的平均速度Vm：式中：S 活塞行程（m）； n 发动机转速（r/min）。（5）活塞的加速度：）活塞的加速度： 活塞加速度最大值Jmax： 第二种情况只有在1/4时出现。 第二节第二节 曲柄连杆机构的动力学曲柄连杆机构的动力学目的：目的：在曲柄连杆机构中力和力矩的作用情况，为后续的平衡在曲柄连杆机构中力和力矩的作用情况，为后续的平衡计算，输出扭矩、运转均匀程度及主要零部件强度、刚度计算计算，输出扭矩、运转均匀程度及主要零部

4、件强度、刚度计算提供必要的载荷数据。提供必要的载荷数据。一一 曲柄连杆机构运动零件的质量换算曲柄连杆机构运动零件的质量换算 为了确定曲柄连杆机构中各运动件产生的惯性力，不仅要知道各运动件的加速度，且需要知道各运动件的质量。 在以往的设计中，只有等零件制造出来后，才能通过测量或称重得到，或者根据经验或类似已有的零件估计其质量，其误差较大。 在现代设计中可以借助三维造型软件进行零部件设计，并精确确定各零件的质量和质心位置，如PRO/E、UG、I-DEAS等软件。1 活塞组活塞组（活塞、活塞环、活塞销、挡圈） 活塞组作往复运动。 可以近似认为活塞组质量mP集中在活塞销的轴线中心上，因为活塞销中心线是

5、活塞组的传力点。例如：S1118柴油机活塞： 用PRO/E进行三维造型。 设置单位：长度mm、质量kg、时间sec、温度K。 设置密度：铝2.7e-6kg/mm3。 模型分析：点击主菜单中的命令分析（A）模型分析（D），出现如右图所示的对话框，单击框中的按钮“计算”，和“信息”，出现信息窗口，从中可以得到所需数据，如活塞质量为1.3034kg。2 曲轴组曲轴组 曲轴作旋转运动，为了计算发动机的平衡性能，需要知道单个曲拐的质量m和质心到曲轴回转中心线的距离。然后由公式mK=m/R计算出单个曲拐的当量质量mK。 单个曲拐的质量m和质心可通过三维造型求出：注意模型中间的绿色坐标轴为Y轴，且向下为正。

6、 在信息窗口中可以看到m=11.65Kg。=Y=7.8448mm=Y=7.8448mm，即质心位置在曲轴平衡块上。 单个曲拐的当量质量mK为：（曲柄半径R=61mm）3 连杆组连杆组 连杆组包括连杆体、连杆盖、小头衬套、连杆瓦、连杆螺栓、连杆螺母等。在三维造型时，可以将连杆体、盖、螺栓等作为一体，因小头衬套材料为铜铅合金，可以分开造型，然后组装成一体进行分析。 一般认为连杆小头随活塞组作往复运动，连杆大头作随曲拐作旋转运动，连杆杆身作复杂的平面运动。 将连杆组件的质量转换成集中于活塞销中心的往复质量m1和集中于曲柄销的旋转质量m2。 根据力学原理：质量转换必须满足下列3个条件： 质量不变：简化

7、前后的质量不变； m1+m2=mc 质心位置不变：系统质心与连杆组质心重合。 系统对质心的转动惯量不变：简化的质量对质心的转动惯量之和应等于原来的转动惯量 ； 对简化的连杆： ，但相差不大，因此只考虑前两个条件。联立求解：式中：L 连杆长。 在连杆组模型的信息窗口可以查到 。 例如CA6110柴油机连杆模型。在信息窗口中可以查到 ， ，连杆大头的当量质量为: (L=195mm)4 曲柄连杆机构的当量质量曲柄连杆机构的当量质量 曲柄连杆机构可以用无质量的刚性杆件联系两个集中质量组成的当量系统来取代。（1）往复运动的质量 ，集中在活塞销中心处。（2）旋转运动质量 ，集中在连杆轴颈中心处。二二 曲柄

8、连杆机构中的惯性力曲柄连杆机构中的惯性力（1）往复惯性力 ： 因为略去了高次项，往复惯性力可以看作由一级往复惯性力 与二级往复惯性力 组成。 的变化频率是 的二倍。 当=0时往复惯性力的绝对值达最大值：（2）旋转惯性力 ：三三 气体作用力气体作用力 ：四四 作用在活塞上的作用力和力矩作用在活塞上的作用力和力矩（1） 作用在活塞上的力有燃气压力和往复质量的惯性力，即：（2）力的分解和传递 将 分解为连杆方向上的连杆力 和垂直于气缸壁的侧压力 。 力 使连杆受到压缩和拉伸，力 使气缸壁受到活塞的侧向推力。 将力沿连杆移到曲柄销中心，并分解为垂直于曲柄销的切力 和沿曲柄半径方向的径向力 。 再将 沿

9、曲柄半径移到曲轴中心处为 ，并在曲轴中心处加上一对与 平行相等，且互为相反的 和 ，则 和 构成一个力矩，即输出转矩，其值为： 同时 和 ，合成为 ，再分解为沿垂直与水平方向的两个分量 和 。 与 大小相等，方向相反，这样构成一个与 相反的力偶 ，其大小为： 与 大小相等，方向相反，它通过机体传递到支架上，力图使发动机倾倒，称为倾翻力矩，它是一个不平衡因素，但又不能把它平衡掉。 结论：当发动机输出扭矩时，产生的倾翻扭矩 、惯性力和 会引起发动机的振动。（3）输出转矩 发动机的输出转矩为： 因为 是活塞加速度J的函数，在牛顿二项式展开时若不略去高阶无穷小量，加速度J是一个简谐级数函数，故第一项

10、是一个简谐级数函数，在曲轴一转中所作的功为零，即：故第一项 对外不做功，只有第二项对外做功。五五 多缸发动机的转矩多缸发动机的转矩 多缸发动机的总转矩等于各缸转矩之和。（1）发火顺序）发火顺序 曲柄的排列方式和发火顺序对发动机的平衡性能、运转均匀性、轴承载荷和曲轴的扭转振动有很大的影响。 总的原则总的原则：使所有气缸的发火时刻在一个循环内保持均匀的间隔，相邻气缸发火的时间间隔尽可能大。 二冲程发动机 一转一个工作循环，所有气缸的发火时刻均匀分布在一转内 从曲柄端图来看，曲柄数 q = i ，曲柄无重叠现象。 例如对四缸机，曲柄端图见右图： 四冲程发动机 曲轴两转完成一个工作循环，所有气缸的发火

11、时刻应均匀分布在曲轴两转中，即： 当气缸数为偶数时，在曲柄端图中，q = i/2，因此同一种曲柄排列下有几种发火方案，如对于4缸发动机：为了统一起见，规定采用第一种方案。 当气缸数为奇数时，在曲柄端图中，q = i，与二冲程发动机相似。 对于不同的冲程、不同的气缸数，有不同的曲柄排列和发火顺序，在发动机设计手册或教材中都可以查到。3-2-4-1904/360发火顺序为：34212-4-3-122/42/1804/720或发火顺序为：iq（2）总转矩曲线）总转矩曲线 对于发火间隔角相同的发动机，并假定各缸的工作状态相同，当曲轴处于某一位置时，总转矩为在同一时刻内所有各缸转矩的代数和。 例如：CA

12、6110柴油机为四冲程，发火顺序为1-5-3-6-2-4-1。发火间隔角=720/6=120，总转矩为：六六 曲轴旋转的不均匀性和飞轮设计曲轴旋转的不均匀性和飞轮设计 由于发动机的输出转矩是一个脉动函数，而所驱动的工作机械的阻尼力矩近似为一常数。当输出转矩大于阻尼力矩发动机转速就会升高，并将部分能量储存在飞轮中；当输出转矩小于阻尼力矩，转速就会降低，并且飞轮中的能量会释放出来。这样就引起了转速的波动。 由此可见总转矩的波动越大，转速的波动越大。 通常用转矩不均匀性来表示： 转矩不均匀的危害：使被驱动的工作机械产生冲击载荷，甚至影响正常工作，尤其对交流发电机组，影响其频率。 减小转速波动的方法：

13、 增加气缸数。 装较大转动惯量的飞轮。 发动机的扭矩在任一瞬间，施加在曲轴上的阻尼矩以及所有运动质量的惯性矩相平衡，即： 其积分值为L，作正剩余功。在图中用F1表示。同时曲轴转速从min增大到max，即： 剩余功L越小，转动惯量越大，旋转不均匀度越小，且气缸数越多，剩余功越小。 飞轮的功用：飞轮的功用：（1）改善发动机的旋转不均匀度。（2）储存和释放能量，增加克服外界阻力的能力。（3）便于手摇起动发动机。（4）刻上止点、供油始点标记，用于调整发动机。 飞轮的设计：飞轮的设计： 飞轮通常安装在曲轴的功率输出端。飞轮的形状是根据发动机的整体设计考虑确定的。从减小旋转不均匀度考虑，可以增大飞轮，但还

14、须考虑其他性能。 场 合范围 场 合范围汽车、拖拉机1/401/50内燃机车1/501/100船用1/101/40直流发动机1/1001/200水泵、固定1/251/40交流发电机1/2001/300（1）单缸发动机采用较大的飞轮。（2）气缸数越多，飞轮越小。（3）车用发动机飞轮较小，拖拉机、工程机械发动机飞轮较大。（4）固定式、发电用发动机飞轮较大。（5）飞轮外圆直径上的线速度要小于50m/s（HT250），否则需改用RT300或QT450。 飞轮尺寸的估算：飞轮尺寸的估算： 一般轮系其他零件的转动惯量相对于飞轮来讲比较小，所以近似认为 ， 为飞轮的转动惯量。 对图中所示的微元： 轮缘部分的

15、转动惯量为： 七七 作用在曲轴轴颈和轴承上的载荷及载荷极坐标图作用在曲轴轴颈和轴承上的载荷及载荷极坐标图 在目前发动机设计中 ，很少用这种方法来设计发动机轴承，因为其误差较大，其结论一致，因此不再详细介绍。 研究轴承上的载荷的目的是确定轴承上的润滑油孔位置以及作用在轴瓦上的比压，确定轴瓦采用的材料。 对曲柄销，润滑油孔的位置开在45位置附近，如图所示。 对主轴颈，因燃气压力比惯性力大的多，因此在上主轴瓦上（机体）开润滑油孔。 连杆轴瓦上的比压比主轴瓦大，尤其是增压发动机，对非增压发动机连杆瓦可用20%高锡铝合金+08钢背，对强化发动机和增压发动机，可采用铜铅合金瓦。 第三章第三章 发动机的平衡

16、发动机的平衡 第一节第一节 基本概念基本概念一一 假设条件：假设条件：（1）发动机各零件视为刚体；（2）在稳定工况下工作（转速、负荷一定）；（3）略去个零件的尺寸公差和质量差别。二二 内燃机的平衡：内燃机的平衡：（1）外部平衡：将曲轴等零件视为刚体，分析各惯性力和惯性力矩对机座的作用规律。（2）内部平衡：考虑曲轴、机体等零件的弹性变形，各惯性力和力矩对曲轴变形的影响以及引起的附加振动和噪声。三三 静平衡与动平衡：静平衡与动平衡：（1）静平衡：（2）动平衡：四四 不平衡因素：不平衡因素： （1）单缸机）单缸机： 旋转惯性力： 方向：沿曲柄方向向外。 往复惯性力： 方向：沿气缸中心线方向上下运动。

17、 倾覆力矩： （2）多缸机：）多缸机： 旋转惯性力和力矩： 往复惯性力和力矩： 倾覆力矩：五五 不平衡的危害性不平衡的危害性 振动噪声磨损交变应力消耗能量可靠性因而使整个工作条件恶化。六六 改善内燃机平衡情况的基本途径：改善内燃机平衡情况的基本途径：（1）增加气缸数，选择合理的气缸布置和曲拐排列。（2）在曲轴上安装平衡重。（3）安装专门的平衡机构。 第二节第二节 单缸内燃机的平衡分析单缸内燃机的平衡分析1 旋转惯性力旋转惯性力 在曲柄的反向延长线上增加一对质量各为mb的平衡 块来进行平衡，并满足：二 往复惯性力往复惯性力（1）一级往复惯性力的平衡一级往复惯性力的平衡 双轴平衡机构双轴平衡机构

18、在机体上安装一对大小相同的平衡轴，由齿轮传动，两平衡轴旋转角速度与曲轴相同，且转向相反。每根平衡轴安装平衡重mX/2。 活塞位于上止点，所有平衡重位于最右端，两平衡重的质量中心与气缸中心线在同一平面内，且对称布置。 工作原理：当曲轴转过角度，两平衡重向气缸中心线转角度，在Y轴方向的分力为零： 在X轴上的投影互相相加：根据一级往复惯性力的平衡条件： 特点：特点：能完全平衡一级往复惯性力，但零件数量多，重量大，成本高。 过量平衡机构（部分平衡法） 在曲轴的平衡块上再增加一部分质量 ，当曲柄旋转时这部分质量所产生的离心力在X轴上的分量为： 该分量是按cos规律变化的，可用来平衡一部分一级往复惯性力。

19、式中：A被平衡部分的百分比，通常A=0.30.5. 沿气缸中心线残留的一级往复惯性力为： 同时在Y方向产生分力： ，即在垂直于气缸中心线方向产生附加惯性力。又 故其峰值为： 由此可见：过量平衡法的实质是将一部分沿气缸中心线的惯性力转移到垂直方向，其峰值有所下降，且不在同一时刻到达，从而改善了振动性能。 特点：结构简单，成本低，但平衡性能差，只适合于小缸径发动机。如F160、F170、R175柴油机及小型单缸汽油机。 单轴平衡机构 为了简化机构，去掉一根平衡轴。采用如图所示的单轴平衡机构，同时采用了过量平衡法，两种方法各平衡0.5Pj1，例如R185、R190柴油机。 这种方法虽然可以平衡一级往

20、复惯性力，但又产生了一个附加弯矩： 令: 2RmCj若要完全平衡一级往复惯性力，则： 后两种方法的平衡效果取决很多因素，最后通过试验的方法来确定。（2）二级往复惯性力的平衡（四轴平衡机构） 在双轴平衡机构中在增加一对平衡轴，每个平衡重的质量为0.5mx”，旋转速度为2?1，布置要求与双轴平衡法相同，在X、Y坐标轴的分量为： 由于 是按2的规律变化的，可用来平衡二级往复惯性力，其平衡条件为： 由于平衡二级往复惯性力的装置很复杂，除在单缸试验样机和大缸径单缸机上采用这种机构，一般不考虑二级往复惯性力的平衡。 第三节第三节 单列式多缸内燃机的平衡分析单列式多缸内燃机的平衡分析 多缸内燃机的平衡性，不

21、仅与曲柄连杆机构的往复、旋转惯性力有关，而且与冲程数、气缸数、点火顺序、曲拐布置有关。1 二缸内燃机的平衡分析二缸内燃机的平衡分析（1）点火顺序与曲拐排列 两缸内燃机的两个曲柄采用互为180。 发火间隔角 四冲程：1 180 2 540 1 二冲程：1 180 2 180 1 （2）平衡分析）平衡分析 一级往复惯性力的合力 及力矩 一级往复惯性力矩：一级往复惯性力矩： 二级往复惯性力的合力 及力矩 二级往复惯性力矩： 旋转惯性力的合力 及力矩 结论： 由此可见： 、 和 不能自身平衡，但在每一曲拐上加平衡重可以平衡旋转惯性力矩 ，再增加一些平衡重可以用转移部分一级往复惯性力矩 。 一级往复惯性力矩的平衡，在每个曲柄上加平衡重mb，根据平衡条件可得： 旋转惯性力矩的平衡，在各曲柄上再增加 ，利用过量平衡法改善平衡性能，一般转移50%，即： 2 三缸内燃机的平衡分析三缸内燃机的平衡分析（1）点火顺序与曲拐排列 三缸机的发火顺序：1 3 2 发火间隔角： 曲拐夹角： （2）平衡分析 旋转惯性力的合力 及合力矩 以第二缸中心0点位极点取矩，Mr1作用在第一拐平面内，Mr2作用在第三拐平面内，这两个平面的夹角为120：右手法则：