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目录1 动力计算 (2)1.1初始条件 (2)1.2曲柄连杆机构运动质量的确定 (2)1.3 P-φ示功图的求取 (3)1.4往复惯性力P j（α）计算 (3)1.5总作用力P（α）计算 (4)1.6活塞侧推力P H（α）计算 (4)1.7连杆力P C（α）计算 (5)1.8法向力P N（α）计算 (5)1.9切向力P T（α）计算 (6)∑T p计算 (7)1.10总切向力)(α1.11曲柄销负荷R B（α）计算 (8)1.12准确性校核 (9)2 曲轴设计计算 (10)2.1曲轴各部尺寸比例 (10)2.2曲轴船规验算 (11)1 动力计算1.1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=270mmn=600r/min Ne=440kW增压压力P k =0.241Ma ,压缩比ε=12.5，机械效率ηm =0.85,压缩复热指数n 1=1.37,膨胀复热指数n 2=1.26，Z 点利用系数ξz =0.88，燃烧过量空气系数α=2.0，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，0.347/0.653为连杆组质量分配比，L m 为连杆质量，质量单位都用kg 。

1.3 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1.4往复惯性力P j （α）计算232()(cos cos 2)104jj 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 。

1.5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 =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1.7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1.8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1.9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1.10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1.11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 βπω=(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1.12准确性校核610)(ωR 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。

610)(ωR F p N p cp T i ∑==501.2382kw ii i N N N '-=∆= -3.27% 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MPaLdDppppz56.3342max==π主轴颈a70.18242maxMPLdDqppjjz==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≤1.25；二冲程q≤1.50，式中q=1.2。

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： []mm S p Ca L L Pz Aa D d b i r P B 2.149)590160(65)(32=++-=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=12.5MPa ；Pi —平均指示压力，MPa niV nii 97.1120P s ==Ni —由总切力得到的指示功率，Ni =501.2382kW ； Vs —每缸的工作容积，L SVs 48.81042702004D 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 =0.50； C —系数，对直列式单作用四冲程柴油机，C =2.553； 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=1.69；由计算结果可知，d=149.2mm ＜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=[3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25, 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/cm^2%a = 0 : 1 : 720;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，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 = 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')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=1:721for j=1:5m=i+720*j/z;if m>721m=m-720;endSumPt(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 * 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).^0.5; %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%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/0.85 ) / Ni %计算误差%。