内燃机课程设计..
课程设计说明书
2011年12月
目录一．柴油机工作过程的热力学分析
1．原始参数及选取参数
2．热力分析计算参数
二．活塞组的设计
1．概述
2．活塞的选型
3．活塞的基本设计
3.1活塞的主要尺寸
3.2活塞头部设计
3.3活塞销座的设计
3.4活塞裙部及其侧表面形状设计
3.5活塞与缸套的配合间隙
3.6活塞重量
3.7活塞强度计算
4．活塞的冷却
5．活塞的材料及工艺
6．活塞销的设计
6.1活塞销的结构及尺寸
6.2轴向定位
6.3活塞销和销座的配合
6.4活塞销的强度校核
6.5活塞销材料及强化工艺
7．活塞环的设计
7.1活塞环的选择
7.2活塞环主要参数选择
7.3活塞环的材料选择及成型方法
7.4活塞环的间隙
7.5环槽尺寸
三．连杆组的设计
1．概述
2．连杆的结构类型
3．连杆的基本设计
3.1主要尺寸比例
3.2连杆长度
4．连杆小头设计
4.1连杆小头结构
4.2小头结构尺寸
4.3连杆衬套
5．连杆杆身
6．连杆大头
6.1连杆大头结构
6.2大头尺寸
6.3大头定位
7．连杆强度的计算校核
7.1连杆小头
7.2连杆杆身
7.3连杆大头
8．连杆螺栓的设计
四.曲轴组的设计
1. 曲轴的概述
1.1曲轴的工作条件和设计要求
1.2曲轴的结构型式
1.3曲轴的材料
2. 曲轴的主要尺寸确定
2.1主轴颈
2.2曲柄销
2.3曲柄臂
2.4曲轴圆角
2.5提高曲轴疲劳强度方法
3. 曲轴油孔位置
4. 曲轴端部结构
5. 曲轴平衡块
6. 曲轴的轴向定位
7. 曲轴疲劳强度计算
7.1强度计算已知条件
7.2强度计算已知曲轴载荷 7.3 圆角疲劳强度校核
7.4 油孔疲劳强度校核
8.飞轮的设计
五．参考文献
一．柴油机工作过程的热力学分析
1． 原始参数及选取参数
原始参数 1） 柴油机型号：4100； 2） 气缸数：Z: 4； 3）
气缸直径D ：100mm ；
热力分析选取参数
1） 燃烧室型式：直喷式浅盆形燃烧室 2） 增压方式：非增压 3） 冲程数τ：4； 4） 转速n ：2000 r/min ； 5） 行程S ：120mm ； 6） 压缩比ε：16；
7） 平均有效压力e p :7.16 2/cm kgf ； 8） 最高爆发压力z p ：73 2/cm kgf ； 9） 环境压力0p =1.01 2/cm kgf ； 10） 压缩始点压力a p =0.98 2/cm kgf ; 11） 压缩多变指数1n ：1.35； 12） 标定功率e N ：60 PS ； 13） 用途：中小型载重车；
2. 热力分析计算参数
热力分析计算参数 1） 汽缸工作容积：000942.012.01.04
4
22=??=
=
π
π
S D V h 3m ；
2） 压缩终点容积：00006283.01
16000942
.01=-=-=
εh c V V 3m ； 3） 进气系统温度：K T T s 2930==；
4） 压缩终点气缸压力：38.411698.035.11=?==n a c p p ε 2/cm kgf ； 5） 压力升高比：；76.138
.4173P P λc z ===
二．活塞组的设计
1．概述
活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封，否则活塞式发动机就不能正常的运转。
活塞组的作用归结为：
1） 传力、导向。承受燃烧室内气体的压力，将压力传递给连杆，并保证活塞在气缸内顺畅运动。
2） 密封：通过活塞环和活塞密封气体，保证缸内工质不泄露或者很少泄露。 3） 传热：在密封的基础上，通过活塞环和活塞裙部向缸壁传递热量； 4） 配气：完成进气、压缩和排气功能。
2．活塞的选型
综合各方面因素考虑，优先考虑采用铸造共晶铝活塞。根据平均有效压力：
e p =7.16 2/cm kg
f 大大低于铝活塞的平均有效压力上限铝。根据活塞比功率选择活塞
冷却方式，由比功率计算公式
174
.010
/12104
4
/60/4
22=?=
=
'
π
π
D
S D N N e
p 2/cm PS
其值小于无油冷方式的上限值0.3 2
PS，故无需对活塞进行油冷却。
/cm
3．活塞的基本设计
3.1活塞的主要尺寸
根据同类型发动机和统计数据进行选取，结果如下
H/D H1/D H2/D h/D h1/D δ/D d/D B/D gδ/D 1.20 0.73 0.71 0.20 0.04 0.15 0.35 0.42 0.04
3.2活塞头部设计
1）活塞顶形状
活塞顶的形状根据燃烧系统的要求进行设计——半开式浅盆型燃烧室。
2）活塞头部截面形状
头部截面形状影响活塞的热流及温度分布，铝活塞头部常设计成导热良好的“热流型”，采用大圆弧过渡，增加从顶部到裙部的传热截面，同时有利于提高活塞的承载能力。
3.3活塞销座的设计
1）销座结构
采用双筋弹性销座，具有较好的弹性，能在一定程度上
适应活塞销的变形，减少销孔在A点的应力集中。
2）提高活塞销座抗裂能力
a.销孔内缘加工成倒角，减小销孔内缘的应力集中。
b.提高活塞刚度，减小活塞销变形。
c.选用韧性较好的活塞材料。
d.在铸造铝活塞销孔中压入锻铝。
e.适当加大活塞销与销座的配合间隙。
3）销座轴承的润滑
由于采用浮式活塞销，其在销孔中有相对转动，故需要对销孔进行润滑。其结构如图所示。
4）销座与连杆小头的端面间隙
销座与连杆小头的两端面间隙与连杆的定位有关，其值如下：
连杆小头定位0.3~0.85mm
连杆大头定位2~5mm
3.4活塞裙部及其侧表面形状设计
1）下裙结构
为力求柴油机结构紧凑，避免活塞裙部与
曲轴块相碰，所以一般将裙部下端铣去两块，
这既避免干涉，又使活塞重量减轻，并不影响
活塞的导向长度。
选用不加工的裙部与不加工的曲轴平衡块最小间隙在3~4mm 。 2）裙部椭圆
活塞在气体压力和侧压力作用下的变形，以及活塞温度场的不均匀产生的热变形，均使活塞裙部沿活塞销轴线方向变长，为适应这种变形，须将裙部加工成椭圆。 其椭圆形状采用正矢曲线椭圆(如图)：
)2cos 1(4
2
1θ--=
D D e 此法可使活塞与气缸有较大的贴合面积，降低比压，减少磨损。
图中21D D -=?'为活塞椭圆度。现有铝活塞为
?'=0.25~1.45 mm 。 3）活塞侧表面形状
为了适应活塞工作时不同的热膨胀，活塞与缸套间相应留有较小而又安全的间隙，将活塞侧表面设计成腰鼓形，这种形状不仅适应活塞的温度分部，而且能保证裙部有良好的润滑条件及较高的承载能力。
3.5活塞与缸套的配合间隙
由于活塞侧表面形状及椭圆的要求，活塞间隙沿高度及圆周方向有不同的数值，其中重要的是活塞顶部间隙0?和垂直销孔方向的裙部间隙⊥?。 由表7-10可知，对于共晶铝硅合金，推荐值为
006.00=?D ，0014.0=?
⊥D
。 3.6活塞重量
由表7-11可知，铝合金活塞4冲程柴油机的活塞比重量
33/4.1~9.0cm g D
G
= 3.7活塞强度计算
项目
计算公式
许用值 [2/cm kgf ]
活塞顶 机械应力u σ 234
.205152617368.0)2(
68.02
2
1=???
?????==δ
σD p z u
铝合金
有筋顶 500][=u σ
第一环岸 弯曲应力w σ
剪切应力τ
总应力σ
2125
.8104100735.410)(5.43
3
21
=???
? ????=?=--h D p z w σ
305
.571041007314.310)(14.32
2
1
=???
? ????=?=--h D p z τ
594
.99305.5732125.8322
2
2=?+=+=τσσw
铝合金
400~300][=σ
裙部比压1q
075.871
10073
401002
2max 1=???∏==DH N q 高速柴油机
8~5][1=q
销座比压2q 014.19542
352473100221
2=????∏='-=l d P P q j z
600~400][2=q
经计算表明，活塞强度满足要求。
4．活塞的冷却
活塞比功率174.0='
p N 2/cm PS
其值小于 无油冷方式的上限值 0.3 2/cm PS ，故无需对活塞进行油冷却。
5．活塞的材料及工艺
采用共晶铝硅合金铸造。
6．活塞销的设计 6.1活塞销的结构及尺寸
1）结构的选用 采用如图典型结构 2）尺寸 外径：d = 35 mm
内径：d 0=15.75~22.75mm 取20mm ； 长度： l = 82~88mm 取82mm ；
6.2轴向定位
由于采用浮式活塞销，工作时在销座内有相对滑动，为防止活塞销轴向串动，擦伤气缸，用矩形弹性挡圈GB 893-67定位的方式。
6.3活塞销和销座的配合
查表可知
活塞销外径：d = 0.35D=35 mm ； 选择活塞销和销座的配合间隙为5m μ。
6.4活塞销的强度校核
项目 计算公式 许用值
弯曲变形
f
cm d d E b a a D p f o z 44
462
2
44221043.1)
25.3(102.2)
85.33.62(3.61073)()2(601-?=-??-????=
--?
=
cm
D
f 4105.11000
10
015.01000015
.0][-?=?==
椭圆变形
d ?
cm
d d El d d D p d z 53
63
23
03
02106.19)
25.3(2.8102.2)25.3(1073320)()(320-?=-???+?=-+?
=?π
π
cm
D 3105.21000
)
100100(5.0100025.01000
)
100(5.0100025
.0][-?=-?+?
=-+=δ
纵向弯曲
应力1σ 2
4424
42
1/1668)
25.3(5
.31073)85.33.62()2(cm kgf d d d
D p b a z =-???-?=--=σ
2/5000~3500][cm kgf =σ
横向弯曲应力
2σ
22
2
20022/1281)25.3(2.8)
25.3(1073163)()
(163cm kgf d d l d d D p z =-?+??=
-+=
ππσ
2/5000~3500][cm kgf =σ
总应力σ 2
2
2
2221/210312811668cm
kgf =+=+=σσσ
2/5000~3500][cm kgf =σ
经校核，活塞销强度满足。
6.5活塞销材料及强化工艺
1）材料：20Cr
2）强化工艺：冷挤压成型，双面渗碳或氰化，提高表面光洁度。
7．活塞环的设计
7.1活塞环的选择
推荐选用两道气环，一道油环，油环在销孔上方。 第一道气环 梯形桶面喷钼 第二道气环 直面正扭曲 油环
弹簧涨圈油环
7.2活塞环主要参数选择
缸径
D
mm 主要尺寸mm D/t s/t 弹力（kgf ） 气环
油环
气环 油环 气环 油环 气环
油环
h
t
s
h t s
切向Q 1
径向Q 2 切向Q 1 径向
Q 2 100
2.5
4.7
14
4.75 3.5
14
21.2 27.2 2.98
3.6
2
5
3
5
7.3活塞环的材料选择及成型方法
1）材料：采用铬钼合金铸铁，其力学性能：
弹性模量E 抗弯强度w σ
永久变形
硬度HRB
8540~90002/cm kgf 2/60~54cm kgf
%12~6
103~98
2）成型方法：椭圆环坯的靠模车削法。
7.4活塞环的间隙
柴油机型号 环与环槽侧隙1? mm 闭口间隙S 0 mm
4100
第一道环 其余气环 油环 第一道环 其余气环 油环 0.07~0.09
0.05~0.07
0.05~0.07
0.45~0.50
0.35~0.45
0.35~0.45
7.5环槽尺寸
项目 计算公式
结果
气环环槽直径 mm ]5.0)2([0
25.0+-++-='kD t D D mm 5.900
25.0+-
油环环槽直径
mm ]5.1)2([025.1+-++-='kD t D D
mm 9.93025.1+-
对于铝活塞k=0.006 环槽底部的过渡圆角R=0.2~0.6mm
三．连杆组的设计
1．概述
连杆组在工作时主要承受下列载荷； 1） 由连杆力引起的拉压疲劳载荷；
2） 在连杆摆动平面内，由连杆力矩引起的横向弯曲载荷；
3） 由于压入连杆衬套，拧紧连杆螺栓，压紧轴瓦等产生的装配静载荷。
2．连杆的结构类型
1）采用平切口连杆； 2）定位方式：螺栓； 3）连杆材料：45钢； 4） 成型方法：精锻；
5） 强化工艺：调质，表面喷丸。
3．连杆的基本设计
3.1主要尺寸比例
参考现有柴油机的尺寸比例，选定参数如下表：
3.2连杆长度
由上表参数λ=R/l=0.300 及S=2R 可知，l=200 mm 。
4．连杆小头设计
4.1连杆小头结构
选用圆环型小头， 该形式构型简单，制造方便，材料能充分利用，在小型高速柴油机上广泛应用。
4.2小头结构尺寸
由 1.1
/1=d b ，得小头宽度mm 38.51=b ，由此可知销座与连杆小头的间隙为mm 3.511=-=?b B 。（B=42mm ,d=35mm ）
λ=R/l d/D δ/d d 2/d 1
0.300 0.35 0.071 1.22 D 1/D b 1/d b 2/D 1 l 1/D 1 0.69 1.10 0.57 1.20 d M /D H/D B/H t/H 0.12
0.31
0.68
0.16
此处需校核小头轴承的比压，由公式
21/3.42585
.35.35.5730cm kgf db P q z =?==
，而高速柴油机的青铜衬套的许用比压为[6302/cm kgf ]，故强度满足。
4.3连杆衬套
1）衬套结构 如图所示
2）衬套与小头孔和活塞销的配合（单位：mm ） 活塞销 外径d
连杆衬套 内径
连杆衬套 外径
连杆小头 孔径
活塞销与 衬套间隙 衬套与小头孔过盈量 011.035-
063.0014.035++
068
.0043.040++
027
.0040+
0.014~0.052
0.016~0.068
3）衬套的润滑方式
在小头上方开集油槽，利用曲轴箱中飞溅的油雾进行润滑。
4）衬套材料
采用锡青铜ZQSn6-6-3。
5．连杆杆身
1）杆身结构
高速柴油机上广泛采用工字型截面。 结构如图：
6．连杆大头
6.1连杆大头结构
采用平切口大头：该形式连杆易于加工，大头刚性好， 连杆螺栓不受剪切作用。
6.2大头尺寸
1) 连杆大头尺寸主要取决于曲柄销直径2D 、长度2L 及连杆轴瓦厚度δ'和连杆螺栓
直径M d 。2D 、2L 、δ'等尺寸，由曲轴和轴承设计决定，M d 则根据强度要求设计。
2) 为使活塞连杆组能从气缸中装拆，要求大头的最大横向尺寸小于气缸直径。 3) 连杆螺栓孔中心线应尽量靠近轴瓦，连杆螺栓孔中心距一般为11)3.1~2.1(D t =。
螺孔外侧边厚不小于2~4mm 。
4) 连杆大头高度1H 、2H ，对于平切口连杆，取（0.41~0.58）1D 。
6.3大头定位
用连杆定位带定位，以防止连杆体和连杆盖安装时错位，多用于平切口连杆。
7．连杆强度的计算校核
7.1连杆小头
7.1.1由衬套过盈配合及受热膨胀产生的应力 由衬套过盈配合及受热膨胀产生的径向均布压力
??????
????????'--+++-+?+?=
E d d d
d E d d d d d p t
μμ2
212
2
121222
12
21
其中?—衬套压配过盈量。?=0.016~0.068mm ；取最大值。
t ?—衬套小头热膨胀不均产生的过盈量。
E —连杆的弹性模量。6102.2?=E 2/cm kgf E '—衬套的弹性模量。61015.1?='E 2/cm kgf
α —连杆材料线膨胀系数。
α' —衬套的线膨胀系数。
cm td t 3551102.34100)108.110()(---?-=???-=?'-=?αα （21d /d 1.22=取9.42=d ）代入上式，
?????
????????--++?+-+?=
-6
2
22
2622223
1015.13.05.345.34102.23.049.449.4401036p =104 2/cm kgf
由p 引起的小头应力 内表面 5.51910449.449.42
2222
1
22212
2=?-+=-+=
'
p d d d d i σ 2
/cm kgf 外表面 4161044
9.44222
22
2
1
2
22
1
=?-?=-=
'p d d d a σ 2/cm kgf
7.1.2由惯性力拉伸时引起的小头应力 各截面的弯矩与法向力按下列公式求得 1）在 0=?的截面上
弯矩 )0297.000033.0(max 0-'=c j r P M ? 法向力)0008.0572.0(max 0c j P N ?-'= 其中：
固定角231
18
2290cos 90cos 13024.518
c H ar ar r ρφρ++=+=+=++ 小头平均半径 124 4.9 2.22544
d d r cm ++=
== max j P '—活塞组最大惯性力。
kg R g G P j 04.3843.106.0)260
2000
(8.91.1)1(22max =?????=+'=
'πλω 计算得：
cm kgf M /2.11)0297.013000033.0(225.204.3840=????= kgf N 8.179)1300008.0572.0(04.3840=?-?= 2）当 900≤
98
.15cos 2.27)cos 1(225.204.3845.0)cos 1(225.28.17928.11)
cos 1(5.0)cos 1(max 001-=-???--??+=-'--+=?????r P r N M M j
?????cos 22.1202.192)cos 1(04.3845.0cos 9.178)cos 1(5.0cos max 01-=-??+?=-'+=j P N N 3）当
c ??≤<90
????????sin 3.427cos 3.2728.411)cos (sin 225.204.3845.0)cos 1(225.28.17928.11)
cos (sin 5.0)cos 1(max 02-+=-???--??+=-'--+=r P r N M M j o ????????cos 22.12sin 02.192)cos (sin 04.3845.0cos 8.179)cos (sin 5.0cos max 02-=-??+?=-'+=j P N N 4）当
c ??=
cm kgf M c .40.66)(=? kgf N c 96.154)(=?
6） 在任意截面上的应力为： 外表面
h b KN h r h h r M aj
1
1)2(62??????+++=σ
内表面
h
b KN h r h h r M ij 11
)2(62??????+---=σ 其中： 小头壁厚cm d d h 45.02
4
9.4212=-=-=
775.0='
'+=
F E EF EF
K
小头截面积2112465.385.39.0)(cm b d d F =?=-= 衬套截面积211925.185.3)5.34()(cm b d d F =?-=-='
6102.2?=E 2/cm kgf 61015.1?='E 2/cm kgf
故上式可化简为 外表面
N M aj 45.023.7+=σ （2/cm kgf ）