内燃机设计课件

内燃机设计吉林大学汽车学院吉林大学汽车学院热能与动力专业热能与动力专业袁兆成袁兆成主讲主讲内燃机设计吉林大学汽车学院内燃机设计内燃机设计第一章第一章内燃机设计总论内燃机设计总论第二章第二章曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析第三章第三章内燃机的平衡内燃机的平衡第四章第四章曲轴系统的扭转振动曲轴系统的扭转振动第五章第五章配气机构设计配气机构设计第六章第六章曲轴飞轮组设计曲轴飞轮组设计第七章第七章连杆组设计连杆组设计第八章第八章活塞组设计活塞组设计第九章第九章内燃机滑动轴承设计内燃机滑动轴承设计第十章第十章机体与缸盖设计机体与缸盖设计第十一章第十一章内燃机冷却与润滑系设计内燃机冷却与润滑系设计内燃机设计第一章内燃机设计总论第二章曲柄连杆机构受力分第一章第一章内燃机设计总论内燃机设计总论第一节第一节 内燃机设计的一般流程内燃机设计的一般流程第二节第二节 内燃机的主要设计指标内燃机的主要设计指标第四节第四节 内燃机主要参数的选择内燃机主要参数的选择第五节第五节 发动机设计的发展发动机设计的发展第三节第三节 内燃机的选型内燃机的选型返回开始第一章内燃机设计总论第一节内燃机设计的一般流程第二节第一章第一章 内燃机设计总论内燃机设计总论 第一节第一节内燃机设计的一般流程内燃机设计的一般流程一、计划阶段一、计划阶段此阶段由下述环节组成：此阶段由下述环节组成：1.确确定定任任务务主主要要是是根根据据市市场场需需要要和和法法规规需需要要(进进行行必必要要性性、可可行行性性论论证证)，这这个个环环节节应应该该是是企企业业产产品品规规划划中中确确定定的的，有有长长期期规规划划，也也有有短期规划。短期规划。2.组织设计组组织设计组根据任务挑选合适人选根据任务挑选合适人选人员结构合理人员结构合理技术结构合理技术结构合理第一章内燃机设计总论第一节内燃机设计的一般流程3.调查研究调查研究 a访问市场和用户，征求对产品的要求访问市场和用户，征求对产品的要求b了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况c收集同类先进产品的资料，考察同类产品收集同类先进产品的资料，考察同类产品d确定参考样机确定参考样机4.确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。主要是通过主要是通过:同类型机型对比、同类型机型对比、热力学计算、热力学计算、动力学计算和整机一维模型仿真分析。动力学计算和整机一维模型仿真分析。内燃机设计课件5拟订设计任务书拟订设计任务书说明产品的原因、用途、适用范围等说明产品的原因、用途、适用范围等说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标如：如：a.型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式b.冲程数冲程数（4或或2）、缸径）、缸径D、冲程、冲程Sc.冷却方式（水冷却方式（水或或风）风）d.汽缸排列方式汽缸排列方式（直列、（直列、V型）型）e.功率功率Ne、转速、转速n、扭矩、扭矩Mf.燃油消耗率燃油消耗率ge(克克/千瓦千瓦.小时小时)g.机油消耗率机油消耗率gm(克克/千瓦千瓦.小时小时)h.大修期、保用期、一般大修期是保用期的大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍倍i.重量和外型尺寸重量和外型尺寸与用途有关（大车、小车、固定）与用途有关（大车、小车、固定）j.排污指标（噪声、废气）排污指标（噪声、废气）k.平均有效压力平均有效压力pmel.活塞平均速度活塞平均速度Cm.主主要要结结构构说说明明燃燃烧烧室室、零零部部件件（活活塞塞连连杆杆、曲曲轴轴飞飞轮轮、机机体体缸缸盖盖、配配气气机机构构、供供油油润润滑、冷却、起动滑、冷却、起动）.产品系列化和变型、强化的可能性产品系列化和变型、强化的可能性5拟订设计任务书二、设计实施阶段二、设计实施阶段1.内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺寸、内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案、结构方案、二、设计实施阶段1.内燃机总布置设计，确定主要零三维实体造型和虚拟装配、外形图。三维实体造型和虚拟装配、外形图。三维实体造型和虚拟装配、外形图。2.按照企业标准编制零部件图纸目录。按照企业标准编制零部件图纸目录。3.部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。2.按照企业标准编制零部件图纸目录。桑塔纳1.6升轿车汽油机桑塔纳1.6升轿车汽油机Audi轿车汽油机Audi轿车汽油机平分式铸铁机体整体气缸汽油机6110柴油机平分式铸铁机体整体气缸汽油机6110柴油机龙门式机体轻型柴油机龙门式机体轻型柴油机图18奔驰增压汽油机图18奔驰增压汽油机内燃机设计课件采用双轴平衡机构的1.8L奥迪FSI发动机横剖面采用双轴平衡机构的1.8L奥迪FSI发动机横剖面大众V10TDI柴油机横剖面大众V10TDI柴油机横剖面三、检验阶段三、检验阶段1.试制多缸机样机试制多缸机样机2.多多缸缸机机试试验验（磨磨合合、调调整整、性性能能试试验验、耐耐久久试试验验、可可靠靠性性试试验验、配配套套试试验和扩大用户试验）验和扩大用户试验）3.改进与处理阶段改进与处理阶段a.样机鉴定样机鉴定.b.小批量生产小批量生产4.内燃机设计的内燃机设计的“三化三化”a.产产品品系系列列化化：基基本本尺尺寸寸相相同同，不不同同的的排排列列、缸缸数数、增增压压度度，达达到到提提高高Peb.零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。c.零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计“三三化化”可可以以提提高高产产品品的的质质量量、减减少少设设计计成成本本、组组织织专专业业化化生生产产、提提高高劳劳动动生生产率、便于使用、维修和配件供应产率、便于使用、维修和配件供应三、检验阶段四、改进与处理阶段四、改进与处理阶段1样机鉴定与改进样机鉴定与改进.在总结了单缸机试验在总结了单缸机试验、多缸机试制、样机性能试验和用户配套实验的基础上，往、多缸机试制、样机性能试验和用户配套实验的基础上，往往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察，然后由企业或者地方主管部门往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察，然后由企业或者地方主管部门组织新厂品鉴定。鉴定时设计和试制单位要提供下列文件：组织新厂品鉴定。鉴定时设计和试制单位要提供下列文件：设计任务书设计任务书内燃机研发试制总结内燃机研发试制总结内燃机动力性、经济性、耐久性、排放特性、噪声水平等性能试验报告内燃机动力性、经济性、耐久性、排放特性、噪声水平等性能试验报告内燃机生产产量成本盈亏分析内燃机生产产量成本盈亏分析零部件标准审查报告零部件标准审查报告市场需求预测分析市场需求预测分析用户使用报告用户使用报告单缸机试验单缸机试验四、改进与处理阶段2小批量生产和扩大用户试验小批量生产和扩大用户试验内燃机是一个十分复杂的技术系统，涉及到水、内燃机是一个十分复杂的技术系统，涉及到水、油、气的流动与密封；油、气的流动与密封；工质燃烧、做功与传热；工质燃烧、做功与传热；机械传动等多个复杂的物理和化学过程，机械传动等多个复杂的物理和化学过程，用户的要求和使用工况变化非常大，因此必须用户的要求和使用工况变化非常大，因此必须经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验，经经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验，经过严密的设计完善和严格的生产工艺调整，才过严密的设计完善和严格的生产工艺调整，才能最终进行正式商业化生产。能最终进行正式商业化生产。本章开始2小批量生产和扩大用户试验内燃机是一个十分复杂的技术系统，第二节第二节内燃机的主要设计指标内燃机的主要设计指标一、动力性指标一、动力性指标1.功率功率Pe式式中中Pme平平均均有有效效压压力力（MPa），Vm活活塞塞平平均均速速度度（m/s），Vh气气缸缸排排量量(L)，Z气气缸缸数数，n转转速速（r/min），D气气缸缸直直径径（mm），），冲程数，四冲程冲程数，四冲程=4，二冲程，二冲程=2。可可见见，有有效效功功率率Pe受受到到上上面面各各参参数数的的影影响响。在在设设计计转转速速和和结结构构参参数数基基本本确确定定下下来来之之后后，影影响响有有效效功功率率的的主主要要参参数数就就是是平平均均有有效效压压力。力。第二节内燃机的主要设计指标2.转速转速nn增加增加对提高对提高Pe有利，但是转速增加后：有利，但是转速增加后：惯性力惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；.工作频率增加工作频率增加热负荷增加；热负荷增加；.摩擦损失增加，导致摩擦损失增加，导致m下降、下降、ge升高、磨损加剧，寿命缩短；升高、磨损加剧，寿命缩短；.进排气系统阻力增加进排气系统阻力增加，使，使v变小；变小；内内燃燃机机转转速速范范围围1000转转/分分以以上上为为高高速速、3001000转转/分分为为中中速速、300转转以以下下为低速。为低速。发电机组内燃机受电网频率和磁极对数的限制，转速应为发电机组内燃机受电网频率和磁极对数的限制，转速应为 f电网频率（电网频率（50Hz）,P发电机磁极对数。发电机磁极对数。2.转速n3.最大扭矩最大扭矩Memax及及nMe扭矩适应性系数扭矩适应性系数转速适应性系数转速适应性系数总适应系数总适应系数=m mn n 随用途而有不同的要求。随用途而有不同的要求。动力装置汽油机柴油机mnmn汽车1.11.251.521.652.51.051.21.11.251.11.25工程机械1.21.451.621.92.91.151.41.621.852.8拖拉机1.21.31.621.92.61.151.251.621.852.53.最大扭矩Memax及nMe动力装二、经济性指标二、经济性指标1.燃油消耗率燃油消耗率ge(克克/千瓦小时千瓦小时)降低降低ge的措施：的措施：提高提高i和和m车用汽油机车用汽油机260-400车用柴油机车用柴油机2002602.机油消耗率机油消耗率gm(克克/千瓦小时千瓦小时)1.32.6克克/千瓦小时千瓦小时三、耐久性、可靠性指标三、耐久性、可靠性指标可可靠靠性性在在规规定定的的运运转转条条件件下下，规规定定的的时时间间内内，具具有有持持续续工工作作，不会因为故障而影响正常运转的能力。不会因为故障而影响正常运转的能力。耐久性耐久性从开始使用起到大修期的时间。从开始使用起到大修期的时间。四、重量、尺寸、外形指标四、重量、尺寸、外形指标是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。比重量比重量gw=G/Pe(kg/kw)；体积功率体积功率 Pv=Pe/V(kw/mPv=Pe/V(kw/m3 3)二、经济性指标五、低公害指标五、低公害指标1.噪音噪音内燃机噪音分为：内燃机噪音分为：燃烧噪音、进排气噪音和燃烧噪音、进排气噪音和机械噪音机械噪音汽车分类噪声限值dB(A)第一阶段第二阶段2002.10.12004.12.30期间生产的汽车2005.1.1以后生产的汽车M17774M2(GVM3.5t)，或N1(GVM3.5t)：GVM2t2tGVM3.5t78797677M2(3.5t5t)：P150kWP150kW82858083N1(3.5t12t)：P75kW75kWP2t时：如果P150kW，P/GVM之比大于75kW/t，并且用第三档测试时其尾端出线的速度b)大于61km/h，其限值增加1dB(A)五、低公害指标汽车分类噪声限值dB(A2.排污排污CO破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官HC破坏呼吸系统破坏呼吸系统NOx与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。欧、欧总质量2.5t6人欧洲号 1995年底之前欧洲号 1995年2000年转毂试验台排放测试g/km汽油柴油IDI+DI汽油柴油IDIDICO2.72(3.16)2.72(3.16)CO2.21.01.0HC+NOx0.97(1.13)0.97(1.13)HC+NOx0.50.70.9Particulate0.14(0.18)Particulate0.080.10蒸发量2.0g/T蒸发量2.0g/T欧、欧总质量2.5t6人.欧洲号 2000年2005年欧洲号 2005年底起施行转毂试验台排放测试g/km汽油柴油汽油柴油CO2.30.64CO2.20.5HC+NOx0.56HC+NOx0.3HC0.2HC0.1NOx0.150.5NOx0.080.25PM0.05PM0.025蒸发量2.0g/T蒸发量2.0g/T2.排污欧、欧总质量2.5t欧洲号1995年底之欧、欧总质量2.5t6人.欧号2008年10月2012年欧洲号2012年底起施行转鼓试验台排放测试g/km汽油柴油汽油柴油CO1.00.5CO1.00.5HC+NOx0.23HC+NOx0.17HC0.1HC0.1NOx0.060.18NOx0.060.08PM0.0050.005PM0.0050.005蒸发量2.0g/T蒸发量2.0g/T欧、欧总质量2.5t欧号2008年10月2012六、制造、使用、维护指标六、制造、使用、维护指标1）高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机）高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机械的需要。械的需要。2)高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要。下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要。3)高的工作可靠性和足够的使用寿命。现代内燃机寿命指标较先进高的工作可靠性和足够的使用寿命。现代内燃机寿命指标较先进的大致为：的大致为：汽车内燃机汽车内燃机4080万公里；万公里；拖拉机及农用内燃机拖拉机及农用内燃机600010000小时；小时；工程机械用内燃机工程机械用内燃机1000028000小时。小时。4）对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声，也就是所说）对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声，也就是所说的的NVH（Noise、VibrationandHarshness）性能。）性能。本章开始六、制造、使用、维护指标1）高的动力性能。功率、扭矩、使用转第三节第三节内燃机的选型内燃机的选型一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机现现在在广广泛泛使使用用的的内内燃燃机机主主要要是是柴柴油油机机、汽汽油油机机和和气气体体燃燃料料发发动动机机。在在选选择择内内燃燃机机时时首首先先碰碰到到的的问问题题就就是是选选择什么内燃机。择什么内燃机。从两方面考虑从两方面考虑内燃机本身的技术经济特点和市场需求。内燃机本身的技术经济特点和市场需求。地区或国家对环境和能源应用分布的要求。地区或国家对环境和能源应用分布的要求。第三节内燃机的选型柴油机：柴油机：燃料经济性好；燃料经济性好；工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统；工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统；可以通过增压、扩缸来增加功率；可以通过增压、扩缸来增加功率；防火安全性好，柴油挥发性差；防火安全性好，柴油挥发性差；CO和和HC的排放比汽油机少。的排放比汽油机少。汽油机：汽油机：空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数较高，在较高，在1.1左右，电控喷射要求左右，电控喷射要求=1；因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低；因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低；低温起动性、加速性好，噪音低；低温起动性、加速性好，噪音低；由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般只由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般只有柴油机的一半重量）；有柴油机的一半重量）；不冒黑烟，颗粒排放少。不冒黑烟，颗粒排放少。目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。柴油机：燃气发动机：燃气发动机：气体燃料发动机主要使用压缩天然气（气体燃料发动机主要使用压缩天然气（CompressedNaturalGasCNG）、）、液化天然气（液化天然气（LiquifiedNaturalGasLNG）、液化石油气（）、液化石油气（LiquifiedPetrolGasLPG）。）。可以汽油可以汽油/LPG、汽油、汽油/天然气切换（天然气切换（Bi-fuel两用燃料）或天然气两用燃料）或天然气/柴油混柴油混合（合（DualFuel双燃料），也可以单独使用；双燃料），也可以单独使用；辛烷值超过辛烷值超过100，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失；，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失；排放指标比较低、不冒黑烟；排放指标比较低、不冒黑烟；一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜；一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜；可以节省石油资源；可以节省石油资源；燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。一般，一般，6吨以上用柴油机，吨以上用柴油机，3-6吨混用，吨混用，3吨以下汽油机居多，燃气则有吨以下汽油机居多，燃气则有较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里程短，大部分地区加气站不如汽、柴较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里程短，大部分地区加气站不如汽、柴油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。燃气发动机：二、冲程二、冲程四四冲冲程程：使使用用可可靠靠，工工作作柔柔和和，耐耐磨磨，经经济济性性好好，指指标标稳稳定定，生生产、使用经验丰富；产、使用经验丰富；二二冲冲程程：单单位位时时间间内内工工作作循循环环多多一一倍倍，实实际际功功率率输输出出大大5070%，体积小，重量轻，结构简单，但经济性差。，体积小，重量轻，结构简单，但经济性差。三、冷却形式三、冷却形式水冷：水冷：1.冷却均匀效果好；冷却均匀效果好；2.v大，大，pe大；大；3.受外界影响小受外界影响小;4.噪音低噪音低.风冷：风冷：1.散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大；散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大；2.可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂；可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂；3.噪音大，因为无水套吸音；噪音大，因为无水套吸音；4.铸造困难；铸造困难；5.冷却系结构简单，无漏水；冷却系结构简单，无漏水；6.单体结构，维修成本低。单体结构，维修成本低。二、冲程四、气缸的布置四、气缸的布置主要由发动机的使用环境决定。主要由发动机的使用环境决定。单列：结构简单，使用维修方便。单列：结构简单，使用维修方便。双双列列：在在增增加加功功率率，提提高高车车厢厢面面积积有有效效利利用用要要求求下下，趋趋向向采采用用双双列列，双双列列有有V型型、错错缸缸型型（缸缸心心线线平平行行和和缸缸心心线不平行两种）线不平行两种）卧卧式式：可可布布置置在在底底盘盘中中部部或或后后部部，大大幅幅度度降降低低高高度度，改改善面积利用率，开阔视野，提高了操纵性、机动性。善面积利用率，开阔视野，提高了操纵性、机动性。本章开始四、气缸的布置本章开始第四节第四节内燃机主要参数的选择内燃机主要参数的选择一、平均有效压力一、平均有效压力pmeHu燃料低热值，燃料低热值，s进口状态下空气密度，进口状态下空气密度，l0理论空气量理论空气量提高提高pme的途径：的途径：1.v,采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气门）采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气门）2.i,，传热损失（绝热活塞、绝热气缸），加强燃烧室密封传热损失（绝热活塞、绝热气缸），加强燃烧室密封3.m，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。柴油机还要注意燃油系统的调整，使柴油机还要注意燃油系统的调整，使1；采用增压提高空气密度。当然，增压会带来：；采用增压提高空气密度。当然，增压会带来：机械负荷增加机械负荷增加机械应力增加机械应力增加热负荷增加热负荷增加热应力增加热应力增加应从结构、冷却、加工、材料等方面加以保证。应从结构、冷却、加工、材料等方面加以保证。第四节内燃机主要参数的选择二、活塞平均速度二、活塞平均速度Vm是表征发动机强化程度的主要参数是表征发动机强化程度的主要参数Vm可以使平均有效压力可以使平均有效压力Pe增加，但是增加，但是Vm的副作用是：的副作用是：1摩摩擦擦损损失失增增加加，导导致致热热负负荷荷增增加加、机机油油承承载载能能力力下下降降、发发动动机机寿寿命命降降低。低。2惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。3进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率v下降。下降。一般一般汽油机汽油机柴油机柴油机二、活塞平均速度三、气缸直径和缸数三、气缸直径和缸数气气缸缸直直径径D加加大大，Pe以以平平方方的的速速度度增增加加。但但是是惯惯性性力力也也增增加加明明显显，导导致致振振动动和和机机械械负负荷荷加剧。加剧。缸缸数数Z增增加加，Pe线线性性提提高高，发发动动机机长长度度加加大大，平衡性改善。平衡性改善。三、气缸直径和缸数气缸直径改变之后，要做如下必要的工作：气缸直径改变之后，要做如下必要的工作：计算气缸工作容积。计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩计算标定功率和标定转速下的扭矩Me。利用表（。利用表（1-2）估算）估算最大扭矩最大扭矩Memax和对应转速。和对应转速。压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。工作过程计算。工作过程计算。重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。确定是够需要改变气门直径和气门最大升程，是够需要重新确定是够需要改变气门直径和气门最大升程，是够需要重新设计凸轮型线。设计凸轮型线。重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切向力、径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭矩。向力、径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭矩。连杆轴承表面压力校核。连杆轴承表面压力校核。曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。冷却水流动和散热能力计算分析。冷却水流动和散热能力计算分析。气缸直径改变之后，要做如下必要的工作：四四、行程、行程S行行程程S增增加加，可可以以提提高高Pe，但但活活塞塞平平均均速速度度Cm提提高高，有有磨磨损加速、寿命降低等问题。一般损加速、寿命降低等问题。一般S的变化主要用于：的变化主要用于：1调节整机排量调节整机排量2调节耐久性调节耐久性减小减小S,减小侧向力，减轻磨损减小侧向力，减轻磨损3调节扭矩值调节扭矩值四、行程S要改变行程要改变行程S，相应在结构上的必要改变和必要的计算，相应在结构上的必要改变和必要的计算包括：包括：要重新设计曲轴，使曲轴的曲柄半径要重新设计曲轴，使曲轴的曲柄半径r=S/2。要重新进行压缩比计算和调整。要重新进行压缩比计算和调整。重新设计缸套长度。重新设计缸套长度。计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩Me。利用表（。利用表（1-2）估算最大扭矩）估算最大扭矩Memax和对应转速。和对应转速。要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算。要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算。活塞平均速度和最大速度计算，确定活塞与缸套的摩擦情况。活塞平均速度和最大速度计算，确定活塞与缸套的摩擦情况。曲柄半径改变，连杆比曲柄半径改变，连杆比变化，要确定连杆长度是否合适，最大连杆摆角变化，要确定连杆长度是否合适，最大连杆摆角时杆身是否与缸套下沿相碰，活塞下止点时曲轴平衡块是否与活塞裙部时杆身是否与缸套下沿相碰，活塞下止点时曲轴平衡块是否与活塞裙部相干涉。一般情况下，如果活塞行程加大，连杆长度也要加大。相干涉。一般情况下，如果活塞行程加大，连杆长度也要加大。要改变机体高度或者将曲轴中心上下移动。要改变机体高度或者将曲轴中心上下移动。要进行工作过程计算等。要进行工作过程计算等。此时曲轴轴颈的重叠度肯定要发生改变，尤其在加大冲程情况下，一定此时曲轴轴颈的重叠度肯定要发生改变，尤其在加大冲程情况下，一定要利用有限元方法验算曲轴的强度。要利用有限元方法验算曲轴的强度。扭转振动计算分析，确定是否需要改变减震器结构。扭转振动计算分析，确定是否需要改变减震器结构。本章开始要改变行程S，相应在结构上的必要改变和必要的计算包括：本章开第五节第五节发动机设计的发展发动机设计的发展一、目前广泛采用一、目前广泛采用1新新结结构构：新新型型燃燃烧烧室室、多多气气门门、可可变变配配气气相相位位、可可变变进进气气管管长长度度、可变增压器。可变增压器。2新新技技术术：增增压压、汽汽油油喷喷射射、柴柴油油机机高高压压喷喷射射系系统统、预预喷喷射射技技术术、电控多点喷射、缸内直喷汽油（电控多点喷射、缸内直喷汽油（GDI）、均质混合压燃技术）、均质混合压燃技术3新工艺：以铸代锻、压力铸造、表面处理技术新工艺：以铸代锻、压力铸造、表面处理技术新新材材料料：活活塞塞环环（塑塑料料）、活活塞塞（复复合合材材料料）、缸缸套套、轴轴瓦瓦、油油底底壳壳、进进气气管管、齿齿轮轮，主主要要目目的的是是减减轻轻质质量量、减减少少磨磨损损、隔隔振振、隔音。隔音。第五节发动机设计的发展二、二、现代设计方法现代设计方法1计算机辅助设计计算机辅助设计制图制图提高速度和质量、便于提高速度和质量、便于保存和修改处理保存和修改处理工程分析计算工程分析计算缩短设计周期、缩短设计周期、降低设计成本、提高准确性降低设计成本、提高准确性2模拟计算与仿真设计：三维曲面设计、气体液体流动分析、模拟计算与仿真设计：三维曲面设计、气体液体流动分析、燃烧模拟、振动分析、噪声仿真燃烧模拟、振动分析、噪声仿真3优优化化设设计计：结结构构形形状状优优化化（以以质质量量最最轻轻或或应应力力最最小小或或变变形形最最小小或或阻阻力力最最小小等等等等为为优优化化目目标标），多多采采用用线线性性规规划划法法、复复合合形形法、惩罚函数法等等法、惩罚函数法等等4工程数据库工程数据库5可靠性设计方法可靠性设计方法二、现代设计方法xf(x)fy(xy)Fq(xq)Xy0Xq0本章开始xf(x)fy(xy)Fq(xq)Xy0Xq0本章开始第二章 曲柄连杆机构受力分析返回开始第一节第一节 曲柄连杆机构的运动学曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学）活塞的运动学）第二节第二节 曲柄连杆机构中的作用力曲柄连杆机构中的作用力第二章曲柄连杆机构受力分析返回开始第一节曲柄连杆机构第一节第一节曲柄连杆机构的运动学曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学活塞的运动学)一、一、简述简述机构的作用：机构的作用：活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动活塞上的力转化为曲轴上的扭矩活塞上的力转化为曲轴上的扭矩两个假设：两个假设：1.曲轴作匀速运转曲轴作匀速运转;2.角速度角速度为常数。为常数。二、二、中心曲柄连杆机构的运动规律中心曲柄连杆机构的运动规律活塞的位移表示为活塞的位移表示为第一节曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学)活活塞塞的的运运动动可可以以用用三三角角函函数数组组成成的的复复谐谐函函数数表表示示，既既活活塞塞的的运运动动是是复谐运动。复谐运动。对x求一阶导和二阶导，得活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，既活塞的运动是复四、活塞运动规律的分析与用途1简谐运动的规律一阶谐量与曲轴速度同步二阶谐量比曲轴速度快一倍活塞位移用于示功图转换气门干涉校验动力计算活塞速度用于计算平均速度Vm()，判断强化程度、计算功率计算最大速度Vmax（=1.625Vm）,评价气缸的磨损程度。活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行动力计算。本章开始四、活塞运动规律的分析与用途本章开始第二节第二节曲柄连杆机构中的作用力曲柄连杆机构中的作用力一、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系一、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系作用力分为：气压力Fg惯性力往(复惯性力Fj、旋转惯性力Fr）合成力 F=Fj+Fg一、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系第二节曲柄连杆机构中的作用力上式说明，永远存在一个与输出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩。二、气压力的作用效果二、气压力的作用效果气压力Fg和在机体内部平衡掉，对外没有自由力，只有扭矩输出和翻倒力矩上式说明，永远存在一个与输出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩曲柄连杆机构的所有零件，按照运动性质可分为三组。活塞组m,包括活塞、活塞环、活塞销和卡环。曲轴组mka.连杆轴颈及与连杆轴颈相重合的曲柄部分mk1b.曲柄上连杆轴颈与主轴颈中间的部分mk2其当量质量连杆组根据质量守恒和质心守恒原理所以关键是求出重心位置。现在利用制图软件可以方便求出。三、往复惯性力1机构运动件的质量换算换算原则：保持当量系统与原机构动力学等效。曲柄连杆机构的所有零件，按照运动性质可分为三组。三、往复惯性2曲柄连杆机构中的惯性力惯性力与运动质量有关，该机构中的运动质量有往复运动质量旋转运动质量往复惯性力2曲柄连杆机构中的惯性力旋转运动质量往复惯性力往复惯性力的性质：a.Fj与a的变化规律相同，两者相差一个常数mj，方向相反。b.可以用旋转矢量法确定Fj和Fj的大小、方向，用来判断往复惯性力作用性质。c.Fj和Fj 始终沿着气缸轴线作用。d.往复惯性力总是存在。所以由Fj产生的单缸扭矩、翻倒力矩和自由力总是存在。但是曲轴一转内，翻转力矩之和、自由力矩之和为零。旋转惯性力Fr往复惯性力的性质：四、往复惯性力和气压力作用的差别四、往复惯性力和气压力作用的差别气压力Fg是做功的动力，产生输出扭矩。气压力Fg在机体内部平衡，没有自由力。Fj没有平衡，有自由力产生，是发动机纵向振动的根源。FjmaxFgmaxFj所占区域长，总是存在，正负面积相等；Fg呈脉冲性。四、往复惯性力和气压力作用的差别气压力Fg是做功的动力，五、曲柄连杆机构中力的计算（动力计算）五、曲柄连杆机构中力的计算（动力计算）合成力F=Fj+Fg侧向力FNFtg连杆力切向力径向力单缸扭矩 翻倒力矩五、曲柄连杆机构中力的计算（动力计算）合成力F六、多缸机扭矩（动力计算）六、多缸机扭矩（动力计算）以六缸四行程发动机（153624）为例：如果第一缸的扭矩为M1()，则第二缸的扭矩为M2M1(+240)，M3M1（480），.第一主轴颈所受扭矩M0,1=0第二主轴颈所受扭矩M1,2=M1()第三主轴颈所受扭矩M2,3=M1,2+M1（240）第四主轴颈所受扭矩M3,4=M2,3+M1（480）第五主轴颈所受扭矩M4,5=M3,4+M1（120）第六主轴颈所受扭矩M5,6=M4,5+M1（600）第七主轴颈所受扭矩M6,7=M5,6+M1（360）=5，21，63，4六、多缸机扭矩（动力计算）以六缸四行程发动机（1532.连杆轴颈扭矩 根据扭矩向后传递的原则，Mgi应该是前一个主轴颈上的积累扭矩Mzi与作用在本曲柄销上的切向力所引起单缸扭矩的一半。3.平均扭矩据此可以计算指示功率、有效扭矩等动力指标。2.连杆轴颈扭矩3.平均扭矩据此可以计算指示功率、4.输出扭矩的均匀性输出扭矩的均匀性 一般以标定工况评价扭矩不均匀系数增加气缸数、点火均匀、组件分组、增加飞轮惯量等均可减小扭矩不均匀性。七、发动机对支承的作用力七、发动机对支承的作用力 bW Q2Q14.输出扭矩的均匀性增加气缸数、点火均匀、组件分八、曲轴轴颈和轴承的负荷八、曲轴轴颈和轴承的负荷1连杆轴颈的负荷Pq八、曲轴轴颈和轴承的负荷1连杆轴颈的负荷Pq取坐标系固定于连杆轴颈上，有合力大小和方向角为取坐标系固定于连杆轴颈上，有合力大小和方向角为2连杆轴承的负荷Fp取坐标系固定于连杆上，根据Fp与Fq互为反作用力的关系：Fp=Fq2连杆轴承的负荷Fp取坐标系固定于连杆上，3主轴颈的负荷多支承曲轴主轴颈负荷不能精确确定，因此假设：任何时刻主轴颈上的负荷只决定于此轴颈左右相邻曲轴上的作用力。将静不定多跨曲轴按单跨梁计算。4主轴承负荷Fc=-Fz本章开始3主轴颈的负荷4主轴承负荷Fc=-Fz本章开始第三章第三章内燃机的平衡内燃机的平衡第二节第二节 旋转惯性力的分析旋转惯性力的分析第三节第三节 单列式内燃机往复惯性力的平衡分析单列式内燃机往复惯性力的平衡分析第四节第四节 双列式内燃机往复惯性力的分析双列式内燃机往复惯性力的分析第一节第一节 平衡的基本概念平衡的基本概念返回开始第三章内燃机的平衡第二节旋转惯性力的分析第三节单列式第三章第三章内燃机的平衡内燃机的平衡第一节第一节平衡的基本概念平衡的基本概念一、平衡的定义一、平衡的定义当内燃机在稳定工况运转时如果传给支承的作用力的大小和方向均当内燃机在稳定工况运转时如果传给支承的作用力的大小和方向均不随时间而变化，则我们就称此内燃机是平衡的。实际上这种情况不存不随时间而变化，则我们就称此内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。在。二、内燃机振动的原因二、内燃机振动的原因工作过程的周期性：发动机扭矩是周期性变化的。工作过程的周期性：发动机扭矩是周期性变化的。机件运动的周期性：旋转惯性力、往复惯性力是周期性变化的。机件运动的周期性：旋转惯性力、往复惯性力是周期性变化的。三、不平衡的危害三、不平衡的危害引起车辆的振动，影响乘员的舒适性、驾驶的平顺性。引起车辆的振动，影响乘员的舒适性、驾驶的平顺性。固定式内燃机的振动，会缩短基础或建筑物的寿命。固定式内燃机的振动，会缩短基础或建筑物的寿命。产生振动噪音、消耗能量、降低机器的总效率。产生振动噪音、消耗能量、降低机器的总效率。引起紧固连接件的松动或过载、引起相关仪器和设备的异常损坏引起紧固连接件的松动或过载、引起相关仪器和设备的异常损坏。第三章内燃机的平衡第一节平衡的基本概念四、研究平衡的目的和采用的方法四、研究平衡的目的和采用的方法通过内燃机平衡性的分析，为分析和选型提供依据。通过内燃机平衡性的分析，为分析和选型提供依据。寻求改善平衡性的措施，这些措施一般包括：寻求改善平衡性的措施，这些措施一般包括：采用适当的气缸数、气缸排列和曲拐布置；采用适当的气缸数、气缸排列和曲拐布置；加适当的平衡重；加适当的平衡重；用适当的平衡机构。用适当的平衡机构。方法主要包括：方法主要包括：1解析法解析法任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。若任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。若F0，M0，则该力系是平衡的，反之不平衡。，则该力系是平衡的，反之不平衡。2图解法图解法作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。本章开始四、研究平衡的目的和采用的方法本章开始第二节第二节旋转惯性力的分析旋转惯性力的分析旋转质量旋转惯性力1、静平衡和动平衡质心在旋转轴上动平衡静平衡二、旋转惯性力平衡分析为使动平衡：1.单拐曲轴第二节旋转惯性力的分析旋转质量旋转惯性力、静平衡和动2.三拐曲轴（132，四冲程或二冲程)作曲柄侧视图及轴侧图 图解法对三个缸作离心力的矢量图是静平衡2.三拐曲轴（132，四冲程或二冲程)作曲柄侧视对O点（最后一拐中心）取矩，作力矩矢量图整体平衡方法对O点（最后一拐中心）取矩，作力矩矢量图整体平衡方法3.四拐曲轴四拐空间（二冲程发动机）曲轴离心力分析空间曲轴的离心力自然平衡，有不平衡的离心力矩3.四拐曲轴四拐空间（二冲程发动机）曲轴离心力分析空间四拐平面曲轴离心力分析四拐平面曲轴离心力分析离心惯性力的合力为零，离心惯性力矩也是零曲轴本身承受有最大达负荷的内弯矩，而且中间主轴承承受较大的离心常见的有如图所示的四块平衡重方案，以减轻内弯矩和轴承负荷FrFrFrFr四拐平面曲轴离心力分析离心惯性力的合力为零，离心惯性力矩也五缸机（曲轴）旋转惯性力分析五缸机（曲轴）旋转惯性力分析（1-2-4-5-3）四冲程5曲拐布置图四冲程5曲拐轴测图五缸机（曲轴）旋转惯性力分析（1-2-4-5-3）四冲程12435四冲程五缸机旋转惯性力分析四冲程五缸机旋转惯性力分析图解法图解法曲柄侧视图四冲程5拐曲轴旋转惯性力多边形12435四冲程五缸机旋转惯性力分析图解法曲柄侧视图四冲程四冲程五缸机旋转惯性力矩分析四冲程五缸机旋转惯性力矩分析四冲程5拐曲轴旋转惯性力矩多边形四冲程五缸机旋转惯性力矩分析四冲程5拐曲轴旋转惯性力矩多边形利用矢量投影求和的代数方法，求离心力矩的大小和方向假设缸心距为a，对第五缸中心取矩各矢量在x轴的投影和为各矢量在y轴的投影和为利用矢量投影求和的代数方法，求离心力矩的大小和方向假设缸心距合力矩为合力矩的方向与y轴的夹角为平衡块质径积为合力矩为合力矩的方向与y轴的夹角为平衡块质径积为4.六拐曲轴六拐曲轴六拐曲轴的平衡性很好，但是也存在内弯矩和轴承负荷问题。因此六拐曲轴也要合理布置平衡重。方案有如图所示几种。本章开始4.六拐曲轴六拐曲轴的平衡性很好，但是也存在内弯矩和轴第三节第三节单列式内燃机往复惯性力的平衡分析单列式内燃机往复惯性力的平衡分析几个基本概念2往复惯性力始终沿气缸轴线作用，大小和方向按简谐规律变化，力矩总是作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内。都是不平衡的自由力，如果不采取平衡措施，就会传到支承上，引起纵向振动。1.往复惯性力可以用旋转矢量表示为3第三节单列式内燃机往复惯性力的平衡分析几个基本概念2单缸机往复惯性力的平衡分析单缸机往复惯性力的平衡分析都没有平衡，需要采取平衡措施。1.双轴平衡法对于一阶惯性力，用两根平衡轴四个平衡重(或两个)对于二阶往复惯性力采用类似方法平衡关系为：单缸机往复惯性力的平衡分析都没有平衡，需要采取平衡措施。12.过量平衡法（01）从中消去得到当过量平衡率=0.5时，合力矢量变成一个常数的圆，方向与曲柄半径方向相反。现在高速小型发动机的过量平衡率有取较小值（=0.150.2）的趋势2.过量平衡法（01）从中消去得到当过量平衡率2.单轴平衡法要求e1、e2尽可能小，以保证附加力矩M尽可能小。当平衡轴与曲轴水平对齐时，仍然存在不平衡力矩。单轴平衡法2.单轴平衡法要求e1、e2尽可能小，以保证附加力矩M多缸机往复惯性力平衡分析多缸机往复惯性力平衡分析12121212a曲柄侧视图曲轴布置图一阶曲柄图二阶曲柄图单列式两缸机（发火顺序121，四冲程是不均匀发火）图解法C C整体平衡法多缸机往复惯性力平衡分析12121212a曲柄侧视图曲轴布置双轴平衡法更好的曲轴布置应该是更好的曲轴布置应该是360度度曲拐夹角。此时发火均匀，可曲拐夹角。此时发火均匀，可采用双轴机构平衡，也可以采采用双轴机构平衡，也可以采用平衡活塞的方法平衡。如右图所示用平衡活塞的方法平衡。如右图所示双轴平衡法更好的曲轴布置应该是360度单列式三缸机（单列式三缸机（132）作曲柄图和轴侧图作惯性力矢量图三拐曲轴一、二阶曲柄图和轴侧图一阶惯性力二阶惯性力得到FRj=0FRj=012312330O单列式三缸机（132）作曲柄图和轴侧图作惯性力矢量图作力矩图Mjmax=出现在一缸上止点后30。求整体平衡法平衡重质径积，平衡重布置如前图作力矩图Mjmax=出现在一缸上止点后30。求整体平30Obmprpmpmpmprp三缸机一阶往复惯性力矩单轴平衡机构三缸机一阶往复惯性力矩双轴平衡机构30Obmprpmpmpmprp三缸机一阶往复惯性力矩单轴单列四冲程四缸机（单列四冲程四缸机（1342）作曲柄图和轴侧图14123423一阶曲柄图二阶曲柄图惯性力分析2aC3aCaC单列四冲程四缸机（1342）作曲柄图和轴侧图14内燃机设计课件内燃机设计课件单列二冲程四缸机（单列二冲程四缸机（1342）作曲柄图和轴侧图出现在上止点前整体平衡方法：得到FRj=0FRj=0单列二冲程四缸机（1342）作曲柄图和轴侧图出现在单列四冲程五缸机（12453）发火间隔角作曲柄图和轴测图可以看出：可以看出：一阶惯性力和二阶惯一阶惯性力和二阶惯性力的合力都是零，性力的合力都是零，是平衡的。是平衡的。单列四冲程五缸机（12453）作曲柄图和轴测图可以看四冲程五缸机一阶往复惯性力矩分析四冲程五缸机一阶往复惯性力矩分析四冲程五缸机一阶往复惯性力矩分析一阶力矩各矢量在x轴的投影和为各矢量在y轴的投影和为一阶力矩各矢量在x轴的投影和为各矢量在y轴的投影和为合力矩为一阶合力矩的方向与y轴的夹角为与水平轴的夹角为54向水平轴投影得到此时的实际一阶往复惯性力矩为合力矩为一阶合力矩的方向与y轴的夹角为与水平轴的夹角为54二阶往复惯性力矩分析二阶往复惯性力矩分析二阶往复惯性力矩分析二阶往复惯性力矩的合力矩幅值为二阶往复惯性力矩的合力矩幅值为与水平轴的夹角为18向水平轴投影得到此时的实际一阶往复惯性力矩为即使考虑到连杆比即使考虑到连杆比（1/3），二阶往复惯性力矩的值也比较），二阶往复惯性力矩的值也比较大，大于一阶往复惯性力矩的幅值。设计中应该采用双轴机构大，大于一阶往复惯性力矩的幅值。设计中应该采用双轴机构进行平衡。进行平衡。与水平轴的夹角为18即使考虑到连杆比（1/3），二阶二阶往复惯性力矩分析与平衡措施二阶往复惯性力矩分析与平衡措施二阶往复惯性力矩分析与平衡措施平衡轴的质径积为平衡轴上的平衡块两两相反，对称布置平衡轴的质径积为平衡轴上的平衡块两两相反，对称布置单列四冲程六缸机（单列四冲程六缸机（153624）惯性力分析：惯性力矩分析：相当于两个三拐曲轴对称安置，在自身已经达到静平衡和动平衡性的曲轴上添加平衡重，目的是减轻轴承负荷和减小曲轴的内弯矩。5，21，63，4本章开始单列四冲程六缸机（153624）惯性力分析：惯性第四节第四节双列式内燃机往复惯性力的分析双列式内燃机往复惯性力的分析一、一、V型两缸机平衡分析型两缸机平衡分析1.离心惯性力的分析与单拐曲轴平衡方法一样2.一阶往复惯性力的平衡分析第四节双列式内燃机往复惯性力的分析一、V型两缸机平衡分合力为：合力的方向为：的端点轨迹是一个椭圆90o时C(1-cos)为长半轴90o时是一个圆变成方向始终与曲柄重合的旋转惯性力变成方向始终与曲柄重合的旋转惯性力合力为：合力的方向为：的端点轨迹是一个椭圆90o时C平衡措施，以90O为例取分力较小的分解方案旋转矢量直接用平衡块平衡旋转分量的平衡方法与单缸机一样OA=C(1-cos)AB=(OD-OA)cosC(1+cos)C(1-cos)cos2Ccoscos平衡措施，以90O为例取分力较小的分解方案旋转矢量平衡往复惯性力的质径积计算往复矢量用兰氏机构平衡当90o时，FRjICI=与单缸机旋转惯性力的平衡方法一样，总质径积为：平衡往复惯性力的质径积计算往复矢量用兰氏机构平衡当903.二阶惯性力平衡性分析在坐标轴上的投影为也是椭圆90O时变为水平方向的往复惯性力，可以用兰氏机构平衡3.二阶惯性力平衡性分析在坐标轴上的投影为也是椭圆9二、二、V型多缸机平衡性分析型多缸机平衡性分析例：V型八缸机（V-8）平衡性分析（90）V型八缸机用空间曲轴的较多，分析一阶往复惯性力和力矩先将其看成四台V2机，90O时，每台V2机的FjC=四台V-2机的Rj构成一个离心力系，按照与二行程四缸机一样的分析方法：二、V型多缸机平衡性分析例：V型八缸机（V-8）平衡性分析所以，在采用整体平衡法时有因为，各拐原离心力所构成的离心力矩为分析二阶往复惯性力和力矩先看成两台空间曲轴的四缸机直列空间曲轴四缸机的二阶往复惯性力和力矩都等于零两台四缸机的二阶往复惯性力和力矩也都为零，即V8机的二阶往复惯性力和力矩都为零。本章开始所以，在采用整体平衡法时有因为，各拐原离心力所构成的离心力第四章第四章曲轴系统的扭转振动曲轴系统的扭转振动第一节第一节 扭振的基本概念扭振的基本概念返回开始第二节第二节 扭振系统自由振动计算扭振系统自由振动计算第三节第三节 强迫振动与共振强迫振动与共振第四节第四节 曲轴系统的激发力矩曲轴系统的激发力矩第五节第五节 曲轴系统的强迫振动与共振曲轴系统的强迫振动与共振第六节第六节 扭振的消减措施扭振的消减措施第七节第七节 扭转振动的现代测试分析方法扭转振动的现代测试分析方法第四章曲轴系统的扭转振动第一节扭振的基本概念返回第四章第四章曲轴系统的扭转振动曲轴系统的扭转振动第一节扭振的基本概念扭振扭振：使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动。现象：现象：发动机在某一转速下发生剧烈抖动，噪音增加，磨损增加，油耗增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。动机偏离该转速时，上述现象消失。原因原因：曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成，本身具有一定的固有频率。系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，系统产生共振。研究目的研究目的：通过计算找出临界转速、振幅、扭振应力，决定是否采取减振措施，或避开临界转速。扭振当量系统的组成扭振当量系统的组成：根据动力学等效原则，将当量转动惯量布置在实际轴有集中质量的地方；当量轴段刚度与实际轴段刚度等效，但没有质量。本章开始第四章曲轴系统的扭转振动第一节扭振的基本概念第二节第二节扭振系统自由振动计算扭振系统自由振动计算一、单自由度系统弹性力矩惯性力矩此二阶线性齐次方程的解为：第二节扭振系统自由振动计算一、单自由度系统弹性力矩二、三质量扭振系统二、三质量扭振系统I1I2I3C2C1a3a2a1单节点振型 a3a2a1双节点振型 运动微分方程整理得到设通解此时应为同步运动。代入方程得二、三质量扭振系统I1I2I3C2C1a3a2a1单节点振若有非零解，必须系数行列式为零展开对于求出的两个正根若有非零解，必须系数行列式为零展开对于求出的两个正根设，可得到对应，有第一主振型a3a2a1单节点振型 a3a2a1双节点振型 对应，有第二主振型设，可得到对应，有第一主振型a3a2a1单节点振型a3三、多质量扭振系统三、多质量扭振系统I1I2I3C2C1Cn-1Cn-2In-2In-1In经过整理得到用矩阵形式表示的自由振动微分方程组：这是一个标准的二阶微分方程矩阵形式，可以很方便地用矩阵求解的方法解出固有频率和振型。本章开始三、多质量扭振系统I1I2I3C2C1Cn-1Cn-2In-第三节第三节强迫振动与共振强迫振动与共振一、一、单自由度系统的有阻尼振动单自由度系统的有阻尼振动阻尼力矩扭振方程令则扭振方程为其通解为为有阻尼振动的角频率。这是一个衰减振动。(D1)第三节强迫振动与共振一、单自由度系统的有阻尼振动二、单自由度系统有阻尼强迫振动二、单自由度系统有阻尼强迫振动设强迫力矩为则上式的特解为代入振动方程得：二、单自由度系统有阻尼强迫振动设强迫力矩为则上式的特解整理后特解又写为：受迫振动的频率与强迫力矩频率相同是衰减振动与等幅振动的叠加可以看出：当时，振幅等于，因为D1，所以振幅急剧增加共振时，振动按固有频率变化，初相角整理后特解又写为：受迫振动的频率与强迫力矩频率相同可以看本章开始本章开始第四节第四节曲轴系统的激发力矩曲轴系统的激发力矩一、作用在发动机上的单缸扭矩一、作用在发动机上的单缸扭矩是周期函数可以写成上述过程称为简谐分析，也叫做傅里叶变换第四节曲轴系统的激发力矩一、作用在发动机上的单缸扭矩其中：故对于四冲程发动机，扭矩的简谐分析表达式为其中：故对于四冲程发动机，扭矩的简谐分析表达式为内燃机设计课件二、多拐曲轴上第二、多拐曲轴上第k阶力矩谐量的相位关系阶力矩谐量的相位关系多拐曲轴其他拐上的力矩谐量与第一拐的相同，只是在相位上依工作顺序有所不同。设则第i拐上的第k阶力矩第i拐与第一拐上k阶力矩（幅值）间的相位差为二、多拐曲轴上第k阶力矩谐量的相位关系多拐曲轴其他拐上的力例：六缸四冲程发动机（153624），求各阶简谐力矩