内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算.docx

1、内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算内燃机学课程设计设计计算说明书题 目6200柴油机曲轴设计学 院专 业班 级姓 名学 号指导教师年月日1 动力计算 1初始条件 1曲柄连杆机构运动质量的确定 2 P-示功图的求取 2往复惯性力Pj（）计算 3总作用力P（）计算 3活塞侧推力PH（）计算 4连杆力PC（）计算 4法向力PN（）计算 5切向力PT（）计算 6总切向力计算 7曲柄销负荷RB（）计算 8准确性校核 92 曲轴设计计算 10曲轴各部尺寸比例 10曲轴船规验算 111 动力计算初始条件 母型机参数： 四冲程六缸、废气涡轮增压、不可逆式、直接喷射、压缩空气启动。 D=200mm S

2、=270mm n=600r/min Ne=440kW 增压压力Pk=,压缩比=，机械效率m=,压缩复热指数n1=,膨胀复热指数n2=，Z点利用系数z=，燃烧过量空气系数=，中冷器出水温度t=250 ,原机配气定时： 进气门开上死点前60度进气门关下死点后40度排气门开下死点前40度排气门关上死点后60度行程失效系数可取约。连杆长L=540mm，质量为，活塞组质量m=，连杆组质量分配比，单位曲柄不平衡质量m=。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和连杆组算到大端的质量。由于连杆尺寸并

3、未确定，先按照母型机的连杆质量分配比。 上式中，M表示活塞组质量，为连杆组质量分配比，为连杆质量，质量单位都用kg。 P-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下的气体力值Pg（），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。图1 P,Pg,Pj与曲柄转角a的关系往复惯性力Pj（）计算 (MPa) （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

4、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； 曲轴旋转角速度，rad/s； 连杆摆角，rad。总作用力P（）计算 (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=。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。活塞侧推力PH（）计算 (MPa) （3）活塞侧推力按照公式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：，活塞侧推力与曲柄转角的关系见图2。图2 活塞侧推力与曲柄转角的关系连杆力PC（）计算 (MPa) （4）连杆力按照公式4进行计算，

5、连杆力与曲柄转角的关系见图3。图3 连杆力与曲柄转角的关系法向力PN（）计算 (MPa) （5）法向力按照公式5计算，法向力与曲柄转角的关系见图4。图4 法向力与曲柄转角的关系切向力PT（）计算 (MPa) （6）切向力按照公式6计算，切向力与曲柄转角的关系见图5。图5 曲柄转角与切向力的关系总切向力计算 (MPa) （7）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。图6 总切力与曲柄转角之间的关系曲柄销负荷RB（）计算 (MPa) （8）曲柄销合力按照公式8计算，式中:曲柄销负荷水平分量，(MPa)；曲柄销负荷垂直分量,(M

6、Pa)； 连杆组算到大端的质量，kg。曲柄销合力与曲柄转角的关系见图7。图7 曲柄销负荷与曲柄转角的关系准确性校核 (KW) （9）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，式中表示活塞面积，单位是；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。= = %计算出来的误差在5%以内，符合要求。2 曲轴设计计算曲轴各部尺寸比例 曲轴参数单位：mm缸心距L0（四冲程）320曲柄销直径dP150曲柄销空心孔径dpo64曲柄销有效长度Lcp94主轴颈直径dj160主轴颈空心孔径djo64主轴颈有效长度Lcj90曲臂厚h68曲臂宽b310过渡圆角

7、半径r10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 主轴颈 式中：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; LP ,Lj曲柄销及主轴颈有效长度，mm（考虑了过渡圆角的影响）； q考虑相邻缸的影响系数。四冲程q；二冲程q，式中q=。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： 式中: D气缸直径，D=200mm；S活塞行程，S=270mm；L相邻两主轴承中

8、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=； Pi平均指示压力， Ni由总切力得到的指示功率，Ni=； Vs每缸的工作容积，； n柴油机转速，n=600r/min； i 气缸数，i=6； b材料标定抗拉强度下限值，b=500MPa；A系数，对直列式单作用柴油机，A=；C系数，对直列式单作用四冲程柴油机，C=；B弯曲应力集中系数，对于原机型的曲轴，B=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； r扭转应力集中系数，=；由计算结

9、果可知，d=150mm，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%a1 =0 : 5 : 720;%曲柄转角%Pg1=3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,4,5,7,8,9,13,15,18,26,32,40,49,59,65,80,105,119,124,125,115,101,60,50,43,32,28,25,22,18,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,3;%气缸压力，kg/cm2%a = 0 : 1 : 720;Pg =

10、 interp1(a1,Pg1,a,spline); Pg = Pg/;%气缸压力单位转化，Mpa%Ne = 440;%单位是kw%mj = + * ; %活塞组等效质量，kg%mb = * ; %连杆组算到大端的质量，kg%D = 200;%活塞直径，mm%L = 540;%连杆长度，mm%R = 135;%曲柄半径，mm%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 * w2 *(cos(a*pi/180) + x * cos(a*pi/90)/(

11、pi * D2/4 * 103);%往复惯性力，Mpa%Pb = ;%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)grid on ;%添加网格%Ph = P .* tan(B);%活塞侧推力，单位是Mpa%Pc = P./cos(B

12、);%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;%for i=1:721 for j=1:5 m=i+720*j/z; if m721 m=m-720; end SumPt(i)=SumPt(i)+Pt(m); endendavePt = 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 * w2/(pi * D2/4 *

13、 103);Rbv = Pn - Prb; %曲柄销负荷垂直分量，单位是Mpa%Rb = (Rbh .* Rbh + Rbv .* Rbv).; %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%xlabel(曲柄转角a/deg);%加横坐标%ylabel(侧推力Ph/Mpa);%加纵坐标%grid on ;%添加网格%figure(3);%打开新图版%plot(a,Pc);%画连杆力与曲柄转角的关系%xlabel(曲柄转角a/deg);%加横坐标%ylabel(连杆力Pc/Mpa);%加纵坐标%grid on ;%添加网格%figure(4)

14、;%打开新图版% plot(a,Pn);%画法向力与曲柄转角的关系%xlabel(曲柄转角a/deg);%加横坐标%ylabel(法向力Pn/Mpa);%加纵坐标%grid on ;%添加网格%figure(5);%打开新图版%plot(a,Pt);%画切向力与曲柄转角的关系%xlabel(曲柄转角a/deg);%加横坐标%ylabel(切向力Pt/Mpa);%加纵坐标%grid on ;%添加网格%figure(6);%打开新图版%A = 0 :1: 720;plot(A,SumPt);%画总切向力与曲柄转角的关系%xlabel(曲柄转角a/deg);%加横坐标%ylabel(总切向力SumPt/Mpa);%加纵坐标%grid on ;%添加网格%figure(7);%打开新图版%plot(a,Rb);%画曲柄销负荷与曲柄转角的关系%xlabel(曲柄转角a/deg);%加横坐标%ylabel(曲柄销负荷Rb/Mpa);%加纵坐标%grid on ;%添加网格%Ni = avePt * pi * D2 * R * w / (4 * 106)%由总切力计算指示功率%d = ( Ni - Ne/ ) / Ni %计算误差%