内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算

内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算(共15页)

--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可--

--内页可以根据需求调整合适字体及大小--

《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

目录

1 动力计算 (1)

初始条件 (1)

曲柄连杆机构运动质量的确定 (1)

P-φ示功图的求取 (2)

往复惯性力P j（α）计算 (2)

总作用力P（α）计算 (3)

活塞侧推力P H（α）计算 (3)

连杆力P C（α）计算 (4)

法向力P N（α）计算 (5)

切向力P T（α）计算 (6)

∑T p计算 (7)

总切向力)

(α

曲柄销负荷R B（α）计算 (8)

准确性校核 (9)

2 曲轴设计计算 (10)

曲轴各部尺寸比例 (10)

曲轴船规验算 (11)

1 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=270mm

n=600r/min Ne=440kW

增压压力P k =,压缩比ε=，机械效率ηm =,压缩复热指数n 1=,膨胀复热指数n 2=，Z 点利用系数ξz =，燃烧过量空气系数α=，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j m 和连杆组算到大端的质量B m 。由于连杆尺寸并未确定，先按照母型机的连杆质量分配比。

0.347*35.760.347*34.7647.8217()j L m M m kg =+=+=

0.653*0.653*34.7622.6983()B L m m kg ===

上式中，M 表示活塞组质量，为连杆组质量分配比，L m 为连杆质量，质量单位都用kg 。

P-φ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-φ示功图。将活塞的位移转换成对应的曲柄转角，以α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α下的气体力值Pg

（α），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P j （α）计算

232

()(cos cos 2)104j

j m p a R a a D ωλπ

-=-+ (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 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 ；

ω—曲轴旋转角速度，rad/s ；

β—连杆摆角，rad 。

总作用力P （α）计算

)()()(a p p a p a p j B g +-= (MPa) （2）

总作用力P （a ）按照公式2计算，式中P B 表示活塞底部气体压力，取大气压力，即P B =。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P H （α）计算

βtg a p a p H )()(= (MPa) （3）

活塞侧推力()H p a 按照公式3进行计算，式中β表示连杆摆角。连杆摆角与曲柄转角纯在下列关系：arcsin(*sin())a βλ=，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P C （α）计算

βcos /)()(a p a p C = (MPa) （4）

连杆力()c p a 按照公式4进行计算，连杆力()c p a 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P N （α）计算

)cos()()(βα+=a p a p C N (MPa) （5）

法向力()N p a 按照公式5计算，法向力()N p a 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P T （α）计算

)sin()()(βα+=a p a p C T (MPa) （6）

切向力()T p a 按照公式6计算，切向力()T p a 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)(α∑T p 计算

1

()(720/)z T T i p a p a i z ==+⋅∑∑ (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R B （α）计算

22()()()B BH BV R a R a R a =+ (MPa) （8）

曲柄销合力按照公式8计算，

式中:()BH R α—曲柄销负荷水平分量，()()BH T R p a α=(MPa)；

()BV R a —曲柄销负荷垂直分量

()()BV N r R a p a p β=-,22p /()4r B m R D βπ

ω=(MPa)；

B m —连杆组算到大端的质量，kg 。 曲柄销合力()B R a 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

6

10

)(ω

R F p N p cp T i ∑=

(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p F 表示活塞面积，单位是2mm ；()T cp p ∑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。

6

10)(ω

R F p N p cp T i ∑==

i

i i N N N '

-=

∆= % 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

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

MPa

L

d

D

p

p

p

p

z

56

.

33

4

2

max

=

=

π

主轴颈

a

70

.

18

2

4

2

max

MP

L

d

D

qp

p

j

j

z

=

=

π

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;

L P ,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： []mm S p Ca L L Pz Aa D d b i r P B 2.149)

590

160(65)(3

2=++-=σ

式中: 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 ； L P —曲柄销的有效长度，L P =90mm ； Pz —最高燃烧压力，Pz=；

Pi —平均指示压力，MPa ni

V ni

i 97.1120P s ==

Ni —由总切力得到的指示功率，Ni =； Vs —每缸的工作容积，L S

Vs 48.8104

270

2004

D 6-22=⨯⨯⨯=

=

ππ；

n —柴油机转速，n=600r/min ； i —气缸数，i=6；

σb —材料标定抗拉强度下限值，σb=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 =；

αB —弯曲应力集中系数，对于原机型的曲轴，αB =3..39；

r p —过渡圆角半径，r p =10mm ； d p —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； αr —扭转应力集中系数，

)

)/(8570.0)/(3482.5)/(654.108955.7()

/(923.032)

/1015.02205.0(r p p p d e p p d b d b d b d r p -+-⋅=--α=；

由计算结果可知，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/cm^2%

a = 0 : 1 : 720;

Pg = 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 * w^2 *(cos(a*pi/180) + x * cos(a*pi/90))/(pi * D^2/4 * 10^3);%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);%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 m>721

m=m-720;

end

SumPt(i)=SumPt(i)+Pt(m);

end

end

avePt = 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 * w^2/(pi * D^2/4 * 10^3);

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);%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 * D^2 * R * w / (4 * 10^6)%由总切力计算指示功率% d = ( Ni - Ne/ ) / Ni %计算误差%