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1、武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书学号：题目10KW四冲程汽油机曲轴设计学院汽车工程学院专业热能与动力工程班级姓名指导教师2014 年 11 月 21 日目录目录1.0. 前言4.1. 1 汽油机结构参数4.1.1 初始条件4.1.2. 发动机类型4.1.2.1. 冲程数的选择 4.1.22冷却方式4.1.2.3. 气缸数与气缸布置方式 .5.1.3. 基本参数5.1.3.1 .行程缸径比 S/D的选择5.1.3.2. 气缸数i、气缸工作容积 Vs、缸径D的选择 52. 热力学计算7.2.1. 热力循环基本参数的确定 7.2.2 .各过程的热力学计算7.2.2.1绝热压缩起点 7.2.2
2、.2. 绝热压缩过程 8.2.2.3. 定容燃烧过程8.2.2.4. 绝热膨胀过程8.2.3. P-V 图的绘希9 .8.2.4. P-V图的调整9.2.5. P-V图的校核 103. 运动学计算.1.13.1 .曲柄连杆机构的类型 113.2. 连杆比的选择113.3. 活塞运动规律 1.13.3.1 .活塞位移113.3.2.活塞速度123.33 活塞加速度 1.334 连杆运动规律 133.5. P-V图向P-a图的转化144 动力学计算154.1. 质量转换.154.2 .作用在曲柄连杆机构上的力 154.2.1. 气缸内工质的作用力（气体压力） 164.22 曲柄连杆机构的惯性力 1
3、64.2.3. 作用在曲柄连杆机构上的力 1.74.3. 发动机的转矩205. 曲轴组零件结构的设计215.1 .曲轴的工作条件、结构形式和材料的选择 215.1.1 .曲轴的工作条件和设计要求 215.1.2. 曲轴的结构形式215.1.3. 曲轴材料225.2 .曲轴主要尺寸的确定和结构设计细节 225.2.1 .曲柄销的直径 D2和长度L2225.2.2. 主轴颈的直径 D1和长度L1225.2.3曲柄235.2.4. 一些细节设计236. 曲轴强度的校核256.1 .静强度校核256.1.1 .连杆轴颈的计算 256.1.2. 曲柄计算266.2 .曲轴疲劳强度的计算276.2.1.
4、主轴颈计算 276.2.2. 曲柄臂计算28小 结29参考文献30附 录31.附表0.计算涉及的参数31附表1.P-V图及运动学计算图表31附表2.动力学计算图表35#武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书10kW四冲程汽油机曲轴组设计、八0.刖言内燃机学课程设计，是热能动力工程专业学生在学完了内燃机学等专业课程后的一次 综合性设计实践和基本训练，旨在对刚学习过的发动机设计课程以及发动机原理课程的知 识进行综合运用，加深对专业知识的理解。在课程设计环节，通过总体性能计算（工作过 程模拟计算与动力学计算）将发动机的结构参数与性能参数结合起来，弄清结构与性能之 间的内在联系；通过发动机总体布置图
5、设计，对发动机的总体结构有一个全面而具体的了 解，并深化对发动机各主要零件的作用和设计要求的理解。这是大学本科期间第四次课程设计，也是我们大学最后一次课程设计。在经历了三次 课程设计后，我已经取得了一定的基础，这给我完成本次课程设计带来很大的帮助。我们 要充分利用本次机会，了解当今汽油机国内外的发展状况，并结合到本次课程设计，高质 量地完成任务。1.1 汽油机结构参数1.1 .初始条件额定功率：P=10kW平均有效压力：pme =0.81.2MPa活塞平均速度：Vm15m/s1.2 .发动机类型1.2.1 .冲程数的选择依据题意冲程数选择为四冲程，即 T =4。1.2.2. 冷却方式考虑到是单
6、缸机，而且功率较低，风冷即可满足冷却要求，所以采用风冷方式。123.气缸数与气缸布置方式直列式单缸机，i=1。1.3 .基本参数1.3.1. 行程缸径比S/D的选择根据参考文献【1】得相应汽油机的行程缸径比在0.71.0之间。初步选择行程缸径比为 0.9，即 S/D=0.9。1.3.2. 气缸数i、气缸工作容积Vs、缸径D的选择参考目前已有发动机的实际水平，初步选择如下：平均有效压力Pme =1.1MPa升功率：PL = 50 kW/L结合已给的设计功率Pe=10kW和上一步确定的S/D计算单缸排量Vs,缸径D,行程S根据内燃机学的基本公式：iNe 二 P；5S Vm = Sn VsD2SiF
7、p225m 30 s4其中：Pe发动机有效功率，依题为 10kWPme发动机平均有效压力，依题为 1.1MP&Vs单个气缸工作容积，对于单缸机即为气缸工作容积。根据参考文献【2】，参照我国近年生产的部分内燃机产品的性能参数表得非增压单缸四冲程汽油 机的升功率一般为5060KW/L。同时为了便于设计过程的进行，初步确定 该单缸机气缸工作容积为0.2L。i发动机气缸数目，依题为1。n发动机转速。V-活塞平均速度，依题意 Vm15m/sS活塞行程。D气缸直径。T行程数，T =4。代入上述公式得发动机基本参数：VS =0.20L D=65mm S=59mm n=6000r/minVm=11.8m/s0
8、.2 kW/cm3 ,所以需要向活塞 iFp 225可内壁喷油冷却，一般通过固定在机体内壁上的喷嘴喷油。#武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书2 热力学计算通过根据内燃机所使用的燃料，混合气形成方式，缸内燃烧过程（加热方式）等特点, 把汽油机的实际循环近似看成是等容加热循环。汽油机的工作过程包括进气、压缩、作功 和排气四个过程。在本次设计过程中，先确定热力循环基本参数然后重点针对压缩和膨胀过程进行计 算，绘制p-v图并校核。为建立这些内燃机的理论循环，需对内燃机的实际循环中大量存在的湍流耗散、温度 压力和成分的不均匀性以及摩擦、传热、燃烧、节流和工质泄漏等一系列不可逆损失作必 要的简化和假
9、设，归纳起来有以下几点：1）把压缩和膨胀过程简化成理论的绝热可逆的等熵过程，忽略工质与外界的热量交 换及其泄漏等的影响；2）将燃烧过程简化为等容加热过程，将排气过程简化为等容加热过程；3）忽略发动机进排气过程，从而将循环简化为一个闭口循环；4）以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质物理及化学性质保持不变， 比热容为常数。2.1 .热力循环基本参数的确定据参考文献【3】：压缩过程绝热指数n 1=1.321.35,初步取ni=1.34 ;膨胀过程绝热指数n2=1.231.28,初步取n2=1.26。据参考文献【2：压力升高比 P=69,初步取 P=6.8 ;汽油机压缩比；受爆燃限制，不能超
10、过10,在710之间，初步取；=8。2.2 .各过程的热力学计算2.2.1. 绝热压缩起点选取压缩冲程的下止点（a点）时的气体参数Fa二（0.80.9 ） P0，其中P0为大气压力,P0=O.1O13MPa 系数取 0.89，得 巳=0.09MPa。燃烧室容积 乂 = VS /（名_ 1） = 0. 0286L，气缸总容积 乂 = VC + V = 0.2286L。222.绝热压缩过程选取压缩冲程终点（c点），从a点到c点的压缩过程看作是绝热过程，绝热系数n=1.34。根据多变过程热力学计算公式PV1二PM”二常数，以及a点气体状态，可以计算出a 点到c点压缩过程中各个点的状态参数。已知 V=
11、0.0286L，可求出 P=1.46MPa2.2.3. 定容燃烧过程选取定容燃烧终点（z点），从C点到z点的增压过程看作是定容增压过程，压力升高 比 =6.8。则 z 点状态：鸽 =乂 = 0.0286L 已=九PP = 9.93MPa。2.2.4. 绝热膨胀过程选取膨胀过程终点（b点），从z点到b点的膨胀过程看作绝热膨胀过程，绝热系数 n2=1.26。根据多变过程热力学计算公式PV2 = Pf2工常数，以及z点气体状态，可以计算出z 点到b点压缩过程中各个点的状态参数。已知 % 二 0.2286L，可求出 Pb 二 1.02MPa。2.3 . P-V图的绘制根据2.2.过程中的计算结果及公式
12、，可以在 Excel中绘制出循环过程线，理论 P-V图 如图【2-1】所示：理论PV图V/LT-绝热压缩 定容燃烧绝热膨胀定容膨胀图【2-1】理论P-V图2.4 . P-V图的调整实际的P-V图和利用多变过程状态方程绘制出的理论P-V图存在一些误差，在发动机中为了使其动力性、经济性达到最优，采用了点火提前，气门重叠角，而且存在换气损失 等等，对理论P-V图作出以下调整：1）最大爆发压力Pz取理论值得2/3，具体为6.6MP&以此值作水平线与原图形相交， 水平线以上部分去掉，余下部分做些调整；2） 考虑到实际过程与理论过程的差异，最大爆发压力产生在上止点之后1215 选择13;3） 点火提前角：
13、常使用的范围为 20。30,经调整后选择20;4） 排气提前角：常使用的范围为 40。80，经调整后选择40。经调整后所得的P-V图如图【2-2】所示：V/LT-绝热压缩 定容燃烧T-绝热膨胀排气图【2-2】实际P-V图2.5 . P-V图的校核计算绘制出P-V图后，利用积分求出图中封闭曲线的面积，此面积就是发动机理论指示功W。然后计算出平均指示压力，再乘上机械效率，即得到热力循环的平均有效压力。发动机理论指示功:W -183W一格124( 0 . 20. 01 ) kW =0. 247 kW平均有效压力Pne0.247085 MPa 二 1.05MPa0.20这里m为发动机机械#武汉理工大学
14、汽车发动机设计课程设计说明书#武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书效率，根据参考文献【2】，其中高速汽油机参考值为0.850.95，选0.85。有效功率Pe二PmVs ni30.1.050.26000 10.54 kW 误差在- 2%内，满足304#武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书#武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书要求，故上面选取的参数以及后面相关计算在满足制造需要的同时能够前后一致#武汉理工大学汽车发动机设计课程设计说明书3 运动学计算发动机的运动学计算是发动机设计的基础，为热力学计算、动力学计算以及以后对发 动机活塞、连杆、曲轴尺寸的确定都作了铺垫。3.1 .曲柄连杆机构的类型在往复式活塞内燃机中基本采用三种曲柄连杆机构：中心曲柄连杆机构，偏心曲柄连 杆机构和关节曲柄连杆机构。其中中心曲柄连杆机构应用最广泛。本次设计选择中心曲柄 连杆机构。3
