内燃机设计袁兆成考试要点精编打印版.docx

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内燃机设计袁兆成考试要点精编打印版

1、

内燃机设计的一般流程：

一、计划阶段1.  确定任务2.  组织设计组3. 调查研究4.确定基本性能参数和结构形式。

5．拟订设计任务书。

二、设计实施阶段1.内燃机总布置设计，三维实体造型和虚拟装配、确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案、外形图。

2.按照企业标准编制零部件图纸目录。

3.部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。

三、检验阶段1. 试制多缸机样机2. 多缸机试验（磨合、调整、性能试验、耐久试验、可靠性试验、配套试验和扩大用户试验）四、改进与处理阶段a.样机鉴定.b.小批量生产c. 内燃机设计的“三化”，“三化”可以提高产品的质量、减少设计成本、组织专业化生产、提高劳动生产率、便于使用、维修和配件供应。

2、动力性指标：

功率式中pme—平均有效压力（MPa），Vm—活塞平均速度（m/s），Vh—气缸排量（L），Z—气缸数，n–转速（r/min），D—气缸直径（mm），τ—冲程数，四冲程τ=4，二冲程τ=2。

可见，有效功率Pe受到上面各参数的影响。

在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。

3、转速n：

n增加对提高Pe有利，但是转速增加后：

⑴惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；⑵.工作频率增加——热负荷增加；⑶.摩擦损失增加，导致ηm下降、ge升高、磨损加剧，寿命缩短；⑷.进排气系统阻力增加，使ηv变小；

4、经济性指标：

降低ge的措施：

提高ηi和ηm

5、耐久性、可靠性指标：

可靠性—在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。

耐久性—从开始使用起到大修期的时间。

6、柴油机优点：

燃料经济性好；工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统；可以通过增压、扩缸来增加功率；防火安全性好，柴油挥发性差；CO和HC的排放比汽油机少。

7、汽油机优点：

空气利用率高，转速高，因而升功率高。

化油器式的过量空气系数α较高，在1.1左右，电控喷射要求α=1；因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低；低温起动性、加速性好，噪音低；由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般只有柴油机的一半重量）；不冒黑烟，颗粒排放少。

目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。

8、提高平均有效压力pme的途径：

1.  ↑ηv,采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气门）2.  ↑ηi,↑ε，↓传热损失（绝热活塞、绝热气缸），加强燃烧室密封。

3.  ↑ηm，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。

9、

活塞平均速度Vm↑的副作用是：

1．摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降低。

2．惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。

3．进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv下降。

10、中心曲柄连杆机构的运动规律

活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，既活塞的运动是复谐运动。

11、活塞运动规律的分析与用途①活塞位移用于示功图转换，气门干涉校验，动力计算。

②活塞速度用于计算平均速度Vm（=），判断强化程度、计算功率计算最大速度Vmax,评价气缸的磨损程度。

③活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行动力计算。

12、曲柄连杆机构中的作用力分为：

①气压力Fg②惯性力往（复惯性力Fj、旋转惯性力Fr）③合成力

13、往复惯性力的性质：

a.  Fj与a的变化规律相同，两者相差一个常数mj，方向相反。

b. 可以用旋转矢量法确定FjⅠ和FjⅡ的大小、方向，用来判断往复惯性力作用性质。

c.FjⅠ和FjⅡ始终沿着气缸轴线作用。

d.   往复惯性力总是存在。

所以由Fj产生的单缸扭矩、翻倒力矩和自由力总是存在。

但是曲轴一转内，翻转力矩之和、自由力矩之

和为零。

14、旋转惯性力Fr是离心力，方向沿曲柄半径方向向外。

15、多缸机扭矩（动力计算），多缸机曲柄图。

合成扭矩计算。

第一主轴颈所受扭矩M0,1=0

第二主轴颈所受扭矩M1,2=M1（α）

第三主轴颈所受扭矩M2,3=M1,2+M1（α＋240）

第四主轴颈所受扭矩M3,4=M2,3+M1（α＋480）

第五主轴颈所受扭矩M4,5=M3,4+M1（α＋120）

第六主轴颈所受扭矩M5,6=M4,5+M1（α＋600）

第七主轴颈所受扭矩M6,7=M5,6+M1（α＋360）

16、平衡：

当内燃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均不随时间而变化，则我们就称比内燃机是平衡的。

实际上这种情况不存在。

17、内燃机振动的原因：

工作过程的周期性：

发动机扭矩是周期性变化的。

机件运动的周期性：

旋转惯性力、往复惯性力是周期性变化的。

18、不平衡的危害：

引起车辆的振动，影响乘员的舒适性、驾驶的平顺性。

固定式内燃机的振动，会缩短基础或建筑物的寿命。

产生振动噪音、消耗能量、降低机器的总效率。

引起紧固连接件的松动或过载、引起相关仪器和设备的异常损坏。

19、研究平衡方法主要包括1．解析法：

任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。

若∑P＝0，∑M＝0，则该力系是平衡的，反之不平衡2．图解法：

作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。

20、作图处理，平衡振源。

见38。

21、扭振的基本概念。

扭振：

使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动。

现象：

①发动机在某一转速下发生剧烈抖动，噪音增加，磨损增加，油耗增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。

②　动机偏离该转速时，上述现象消失。

原因：

①曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成，本身具有一定的固有频率。

②系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。

③干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，系统产生共振。

研究目的：

通过计算找出临界转速、振幅、扭振应力，决定是否采取减振措施，或避开临界转速。

扭振当量系统的组成：

根据动力学等效原则，将当量转动惯量布置在实际轴有集中质量的地方；当量轴段刚度与实际轴段刚度等效，但没有质量。

22、如何消除扭振：

一、使曲轴转速远离临界转速，更要避开标定转速二、改变曲轴的固有频率1.提高曲轴刚度C。

①增加主轴颈直径；②曲轴长度；③提高重叠度。

2.减小转动惯量①空心曲轴；②降低平衡重质量；③降低皮带轮、飞轮质量。

三、提高轴系的阻尼：

主要靠材料四、改变激振强度五、减振装置－减小振幅的辅助装置1.阻尼式减振器增大机械摩擦、分子摩擦阻尼，吸收振动能量，减少振幅。

但消耗一部分有效能量。

2.动力减振器3.复合式减振器。

23、计算和分析扭转共振的三个条件：

nk在发动机工作转速范围内；1/2≤k≤18，k值太大，很小；一般只考虑前几阶固有频率。

24、作用在发动机上的单缸扭矩：

是周期函数，

上述过程称为简谐分析，也叫做傅里叶变换。

故对于四冲程发动机，扭矩的简谐分析表达式为

25、配气机构：

气门的通过能力评价：

1.时间断面2.平均通过断面3.时间断面丰满系数4.比时间断面5．凸轮型线丰满系数

26、平底挺柱的运动规律速度三角形与△AOB相似又∵

∴偏心距e等于挺柱的几何速度设计时平底挺柱的底面半径要大于emax，即大于由得

27、缓冲段设计设置缓冲段的必要性a.由于气门间隙L0（mm）的存在，使得气门实际开启时刻晚于挺柱动作时刻。

b.由于弹簧预紧力P0（N）的存在，使得机构在一开始要产生压缩弹性变形，等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧力之后，气门才能开始运动。

c.由于缸内气压力的存在，尤其是排气门，气缸压力的作用与气门弹簧预紧力的作用相同，都是阻止气门开启，使气门晚开。

28、凸轮型线动力修正设计时先选定理想的气门升程曲线，然后再求当量挺柱升程。

气门升程y必须4阶导数以上连续。

如果气门升程曲线是高次多项式，称为多项动力凸轮。

当量挺柱升程

29、凸轮轴基本结构参数：

异缸同名凸轮夹角，同缸异名凸轮夹角，φ＝A/2A—发火间隔角

凸轮与曲轴位置的确定：

当活塞位于压缩上止点时，进排气凸轮相对于挺柱中心线的夹角这是确定凸轮轴与曲轴相对工作位置，即正时位置所必须掌握的

30、曲轴的工作情况、材料选择：

工作条件：

周期变化的力、力矩共同作用，即受弯曲又受扭转，承受交变疲劳载荷，重点是弯曲载荷。

曲轴的破坏80％是弯曲疲劳破坏。

形状复杂，应力集中严重。

轴径比压大，摩擦磨损严重。

设计要求：

有足够的耐疲劳强度，有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨，尽量减少应力集中，刚度要好，变形小，否则恶化其它零件的工作条件。

30、材料正确选用：

中碳钢（35＃，40＃，45＃），合金钢，球墨铸铁。

31、曲轴的损坏形式和强度计算方法。

主要是弯曲疲劳破坏（80％）和扭转疲劳破坏。

现在绝大部分采用有限元方法，极少采用简支梁法。

疲劳强度校核：

曲轴圆角处和油孔处的应力集中严重，是校核的重点。

32、提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施。

结构措施：

加大曲轴轴颈的重叠度A；2.加大轴颈附近的过渡圆角；3.采用空心曲轴；4.开卸载槽；工艺措施：

1.圆角滚压强化2.圆角淬火3.喷丸强化处理4.氮化处理

33、连杆组设计。

工作情况：

运动：

上下＋横向摆动的复合运动；受力：

基本上是周期性变化的拉压载荷。

设计要求：

足够的耐疲劳强度，能够承受很大的交变载荷；有足够的刚度，保证轴承润滑及其他磨损正常；尽量减轻重量。

总原则：

在尽可能轻巧的结构条件下，保证足够的刚度和强度。

主要参数的选择：

1.连杆长度l，l的校核：

①β角最大时，连杆是否碰气缸套②下止点时，平衡重是否碰活塞裙部。

连杆长度精度应该在

2.小头孔经由活塞销确定。

3.连杆大头孔由曲柄销直径和长度确定

34、连杆螺栓的设计。

刚度匹配问题：

1.预紧力F0作用后2.在工作载荷作用动载系数统计资料

从上式可以看出，螺栓抗拉刚度C1增加，基本动载系数χ增加；即动载荷变大，疲劳应力变大。

这从右图也可以明显看出来。

刚度C1增加，意味着α角变大，这样动载荷幅度增大。

连杆螺栓在设计时应首先满足有足够的抗拉强度，在预紧力和工作载荷下不产生塑性变形，而且要有足够的耐疲劳载荷能力，没有应力集中，采用细牙螺纹，螺栓刚度要小于被连接件刚度。

35、活塞的设计。

设计要求：

热强度好，导热性好，热膨胀系数小，减磨性好。

形状合理，吸热少，散热好，强度刚度好，应力集中小，与缸套有最佳的配合间隙。

密封性好，摩擦损失小。

36、活塞裙部设计：

作用：

引导活塞运动，并承受侧向力。

防止裙部变形的方法：

选择膨胀系数小的材料，进行反椭圆设计，采用绝热槽，销座采用恒范钢片，群部加钢桶等方法达到。

热负荷严重的活塞环带也设计成椭圆，但与群部椭圆不同。

37、活塞环设计。

分类：

气环、油环作用：

气环－密封、导热；油环－刮油、布油。

其中密封的作用最为重要

气环的作用原理

（一）密封原理：

靠活塞环的初弹力形成第一密封面（P0=0.1~0.2MPa）；在环上面气压力PA作用下形成第二密封面；环背气压力PR作用下加强第一密封面；

（二）导热作用：

活塞的70％热量由活塞环传出，环的散热作用是在环的密封作用实现后才能完成的

38、作图处理，平衡振源。

一.静平衡和动平衡：

静平衡质心在旋转轴上。

动平衡

二.旋转惯性力平衡分析：

1.单拐曲轴为使动平衡：

2.三拐曲轴（1－3－2，四冲程或二冲程）①作曲柄侧视图及轴侧图

②图解法。

对三个缸作离心力的矢量图

是静平衡

。

对O点（最后一拐中心）取矩，作力矩矢量图

整体平衡方法

2.

四拐曲轴：

四拐空间（二冲程发动机）曲轴离心力分析

空间曲轴的离心力自然平衡，有不平衡的离心力矩

四拐平面曲轴离心力分析离心惯性力的合力为零，离心惯性力矩也是零，曲轴本身承受有最大达

的内弯矩，而且中间主轴承承受较大的离心负荷。

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