内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算Word格式.docx
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下死点后
40度
排气门开一
下死点前
排气门关一
上死点后
行程失效系数可取约0.083。
连杆长L=540mm,质量为34.76kg,活塞组质量m=35.76kg,连杆组质量分配比0.347/0.653,单位曲柄不平衡质量m=48.67kg。
1.2曲柄连杆机构运动质量的确定
将摆动的连杆用双质量系代替，一部分质量等价到做往复运动的活塞组中，另一部质
量等价到做回转运动的曲柄组中，从而可以求出往复质量mj和连杆组算到大端的质量mB。
由于连杆尺寸并未确定，先按照母型机的连杆质量分配比。
mjM0.347*miL35.760.347*34.7647.8217（kg）
mB0.653*mL0.653*34.7622.6983（kg）
上式中，M表示活塞组质量，0.347/0.653为连杆组质量分配比，mL为连杆质量，质量
单位都用kg。
1.3P-©
示功图的求取
将所给的p-v示功图，用发动机运动学公式将其展开，即得P-©
示功图。
将活塞的位
移转换成对应的曲柄转角，以a代表曲柄转角，取145个点，对应0度到720度每隔5度取
一次，由此可得各曲柄转角a下的气体力值Pg（a）,单位为MPa。
用matlab画成曲线见
图1,其matlab程序参见附录。
图中实线表示的是气缸压力Pg与曲柄转角a的关系。
14
12
10
8
100
2C03004005006帕
曲柄转角3/比0
700£
00
图1P,Pg,Pj与曲柄转角a的关系
1.4往复惯性力Pj（a）计算
Pj（a）
mj23
R（cosacos2a）10（MPa）D2
4
（1）
往复惯性力按照公式1计算，图1中虚线即为往复惯性力与曲柄转角
a的关系。
式中：
mj—往复运动质量，kg;
R—曲柄半径，mm;
D—气缸直径，mm;
co
曲轴旋转角速度，rad/s;
B—连杆摆角，rad。
1.5总作用力P（a）计算
p（a）Pg（a）PbPj（a）（MPa）
（2）
总作用力P（a）按照公式2计算，式中Pb表示活塞底部气体压力，取大气压力，即
PB=0.1Mpa。
图1中点划线表示总作用力与曲柄转角之间的关系。
通过三者的比较可以看出
气缸压力对总作用力影响较大。
1.6活塞侧推力Ph（a）计算
Ph（a）p（a）tg（MPa）（3）
活塞侧推力Ph（a）按照公式3进行计算，式中表示连杆摆角。
连杆摆角与曲柄转角
纯在下列关系：
arcsin（*sin（a）），活塞侧推力与曲柄转角的关系见图2。
0.5
0.4
0.2
-0.2
010020030C4QI05006007D0£
曲柄转角a/deg
-0.4
图2活塞侧推力与曲柄转角的关系
1.7连杆力Pc（a）计算
1
Pc（a）p（a）/cos（MPa）
（4）
010D2003004006006C0700600
曲柄转角a/打旳
连杆力Pc（a）按照公式4进行计算，连杆力Pc（a）与曲柄转角的关系见图3。
&
42s.IAIud-R生地
图3连杆力与曲柄转角的关系
1.8法向力Pn（a）计算
Pn（a）
pc（a）cos（）（MPa）
（5）
法向力pN（a）按照公式5计算，
法向力PN（a）与曲柄转角的关系见图4。
os
642
aH/uCL-R叵畑
SOO
2ii]iii]
_0100200300400SOO&
00700
曲柄转甬aAkg
图4法向力与曲柄转角的关系
1.9切向力Pt（a）计算
Pt（a）Pc（a）sin（）
5。
切向力pT（a）按照公式6计算，切向力pT（a）与曲柄转角的关系见图
100200
3004W500曰柄转角a/dgq
GOO700900
32
1O
asd-R叵尽
图5曲柄转角与切向力的关系
1.10总切向力pT（）计算
z
（7）
pT（a）Pt（a720i/z）（MPa）
i1
对于四冲程曲柄均匀排列情况的总切力按照公式6计算。
气缸之间的间隔角为120deg,
总切力与曲柄转角的关系见图6。
D100200300400SOO&
OD700800
曲柄铐甬a/deg
□
-0.5
图6总切力与曲柄转角之间的关系
1.11曲柄销负荷Rb（a）计算
RB（a）/RBH（a）Rbv（a）（MPa）（8）
曲柄销合力按照公式8计算，
Rbh（）—曲柄销负荷水平分量，Rbh（）Pt（a）（MPa）；
22
Rbv（a）—曲柄销负荷垂直分量Rbv（a）Pn（a）Pr,PrmBR/（D）（MPa）；
mB—连杆组算到大端的质量，kg。
曲柄销合力RB（a）与曲柄转角的关系见图7。
86A.&
.芝/qcrleEs畀用
°
O
200300400£
00甜0
曲柄转角aAigg
70D
图7曲柄销负荷与曲柄转角的关系
1.12准确性校核
Pt）cpFpR
按照总切力曲线作准确性校核，根据总切曲线计算出平均切力，再按公式9进行计算,
式中Fp表示活塞面积，单位是mm2；
（pT）cp表示平均切力，单位是Mpa。
再将指示功率与给定功率进行比较，计算出误差。
Ni（——PtIc’FpR=50i.2382kw
'
106
N一=-3.27%
N'
计算出来的误差在5%以内，符合要求。
2曲轴设计计算
2.1曲轴各部尺寸比例
曲轴参数
单位：
mm
缸心距Lo（四冲程）
320
曲柄销直径dp
150
曲柄销空心孔径dpo
64
曲柄销有效长度Lcp
94
主轴颈直径dj
160
主轴颈空心孔径djo
主轴颈有效长度Lcj
90
曲臂厚h
68
曲臂宽b
310
过渡圆角半径r
在初步定出曲轴的尺寸后，应立即作曲柄销和主轴颈最大比压验算:
曲轴销
pmax
Pz—D2
33.56MPa
d丄p
qpzd2
18.70MPa
主轴颈
2djLj
Pz—最大燃烧压力，Mpa；
D—气径直径，mm;
dp,dj—曲柄销及主曲颈直径，mm;
mm（考虑了过渡圆角的影响）；
qw1.25;
二冲程qw1.50，式中q=1.2。
LP,Lj—曲柄销及主轴颈有效长度，
q—考虑相邻缸的影响系数。
四冲程
2.2曲轴船规验算
我国船舶检验局“钢质海船入级与建造规范（2006）”对船舶柴油机曲轴有如下规定：
对整锻、铸造、半组合或全组合曲轴的主轴颈及曲柄销，其最小直径d如下计算。
曲轴材料选用铸钢。
对锻钢、铸钢、合金钢材料的曲轴：
d
2
DAaBPz（LLP）CarpiS
65（
b160）
590）
149.2mm
D—气缸直径，D=200mm；
S—活塞行程，S=270mm；
L—相邻两主轴承中心线间的距离，L=320mm；
Lp—曲柄销的有效长度，LP=90mm；
Pz—最高燃烧压力，Pz=12.5MPa；
Ni—由总切力得到的指示功率，Ni=501.2382kW;
n—柴油机转速，n=600r/min；
i—气缸数，i=6；
（Tb—材料标定抗拉强度下限值，cb=500MPa；
A—系数，对直列式单作用柴油机，A=0.50；
C—系数，对直列式单作用四冲程柴油机，C=2.553；
aB—弯曲应力集中系数，对于原机型的曲轴，aB=3..39；
rp—过渡圆角半径，rp=10mm；
dp—曲柄销直径，dp=130mm；
b—曲臂宽，b=200mm；
e—轴颈的重叠量，e=（dp+dj）/2-S/2=0；
ar—扭转应力集中系数,
r0.923（匚/dp）（0.22050.1015e/dp）（7.895510.654（b/dp）5.3482（b/dp）20.8570（b/dp）3）
=1.69;
由计算结果可知，d=149.2mmv150mm,故设计的曲轴可用。
附录Matlab计算程序
>
%内燃机课程设计动力计算%
al=0:
5:
720;
%曲柄转角%
Pg1=[3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25,
3.3,3.35,3.35,3.4,3.45,3.45,3.5,3.75,4,4.25,4.5,4.75,5,5.5,6.5,7,8,9,10.5,13,15,18,21.5,26,32,40,49,
59,65,80,105,119,124,125,115,101,87.5,72.5,60,50,43,36.5,32,28,25,22,19.5,18,16.5,15.5,14,13,1
2.5,12,11,10.5,10.25,10,9.75,9.5,9,8.5,8,7.75,7,6.5,6,5.5,5,4,3.5,3,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.
5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,3];
%气缸压力，kg/cmA2%
a=0:
1:
Pg=interp1（a1,Pg1,a,'
spline'
）;
Pg=Pg/10.197;
%气缸压力单位转化，Mpa%
Ne=440;
%单位是kw%
mj=35.76+0.347*34.76;
%活塞组等效质量，kg%
mb=0.653*34.76;
%连杆组算到大端的质量，kg%
D=200;
%活塞直径，
mm%
L=
=540;
%连杆长度，
R:
=135;
%曲柄半径，
z=
:
6;
%气缸数；
x=
R/L;
%曲柄连杆比
%
B=asin（x*sin（a*pi/180））;
%连杆摆角%
w=600*pi/30;
%转速，rad/s%
Pj=-mj*R*wA2*（cos（a*pi/180）+x*cos（a*pi/90））/（pi*。
人2/4*10人3）;
%往复惯性力,
Mpa%
Pb=0.1;
%活塞底部气体压力，取为大气压力，Mpa%
P=Pj-Pb+Pg;
%总作用力，Mpa%
figure
（1）;
%打开新图版；
plot（a,Pg,a,Pj,'
--'
a,P,'
-.'
%蓝色的为气缸压力与曲轴转角的关系，黄色为往复惯性力与曲柄转
角的关系，红色为总作用力与曲柄转角的关系%
xlabel（'
曲柄转角a/deg'
%加横坐标%
ylabel（'
（P,Pg,Pj）/Mpa'
%加纵坐标%
legend（'
Pg'
'
Pj'
P'
）
gridon;
%添加网格%
Ph=P.*tan（B）;
%活塞侧推力，单位是Mpa%
Pc=P./cos（B）;
%连杆力，单位是Mpa%
Pn=Pc.*cos（a*pi/180+B）;
%法向力，单位是Mpa%
Pt=Pc.*sin（a*pi/180+B）;
%切向力，单位是Mpa%
SumPt=Pt;
%为总切力，单位是Mpa;
fori=1:
721
forj=1:
5
m=i+720*j/z;
ifm>
end
SumPt（i）=SumPt（i）+Pt（m）;
endavePt=mean（SumPt）;
%平均切向力，单位是Mpa%
Rbh=Pt;
%曲柄销负荷水平分量，单位是Mpa%
Prb=mb*R*wA2/（pi*DA2/4*10A3）;
Rbv=Pn-Prb;
%曲柄销负荷垂直分量，单位是Mpa%
Rb=（Rbh.*Rbh+Rbv.*Rbv）.A0.5;
%曲柄销总负荷%figure
（2）;
%打开新图版%
plot（a,Ph）;
%画侧推力与曲柄转角的关系%
侧推力Ph/Mpa'
%加纵坐标%
figure（3）;
plot（a,Pc）;
%画连杆力与曲柄转角的关系%
%加横坐标%ylabel（'
连杆力Pc/Mpa'
%加纵坐标%gridon;
figure（4）;
plot（a,Pn）;
%画法向力与曲柄转角的关系%
法向力Pn/Mpa'
figure（5）;
%打开新图版%plot（a,Pt）;
%画切向力与曲柄转角的关系%xlabel（'
切向力Pt/Mpa'
%添加网格%figure（6）;
A=0:
1:
plot（A,SumPt）;
%画总切向力与曲柄转角的关系%
总切向力SumPt/Mpa'
figure（7）;
plot（a,Rb）;
%画曲柄销负荷与曲柄转角的关系%
曲柄销负荷Rb/Mpa'
Ni=avePt*pi*。
人2*R*w/（4*10人6）%由总切力计算指示功率
d=（Ni-Ne/0.85）/Ni%计算误差%
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