毕业设计（论文）90kw四行程柴油机曲轴设计

学号题目90KW四冲程柴油机曲轴设计学院专业班级姓名指导教师年月日目录0前言31柴油机的结构参数311初始条件312发动机类型3121冲程数的选择3122冷却方式3123汽缸数与气缸布置方式313基本参数3131缸径比的选择3132气缸工作容积V，缸径D的选择3S2热力学计算421热力循环基本参数的确定422发动机的压缩过程423发动机的膨胀过程524PV图的绘制525PV图的调整53运动学计算631活塞位移632活塞速度633活塞加速度734连杆运动规律74动力学计算841往复惯性质量的确定842相关力的计算843曲轴工作条件结构形式和材料的选择1144曲轴主要尺寸的确定1245曲柄1246总体参数的选择135曲轴强度的校核1351静强度校核13511连杆轴颈的计算13512曲柄计算1452曲轴疲劳强度的计算15521主轴颈的计算15522曲柄臂的计算156四冲程发动机平衡计算167曲轴零件的细节设计1771轴颈的过渡圆角1772油道布置1773曲轴的止推17小结18参考文献1890KW四行程柴油机曲轴设计0前言这学期学院为我们专业开始了汽车发动机设计，为期3周，我们要充分利用这次课程设计的机会，了解国内外发动机的发展现状，并尽可能发挥我们的能力，保质保量地完成此次课程设计。本设计主要工作任务是90KW四行程柴油机曲轴的设计。1柴油机的结构参数11初始条件额定功率P90KW平均有效压力0812MEPMPA活塞平均速度M18MSV12发动机类型121冲程数的选择依据题意冲程数选择为四冲程，即4122冷却方式水冷123气缸数与气缸布置方式直列式四缸机。13基本参数131行程缸径比SD的选择根据参考文献【内燃机学】得相应柴油机的行程缸径比在10至13之间。初步选择行程缸径比为12，即S/D12。132气缸工作容积V，缸径D的选择S根据内燃机学的基本计算公式2,30304MESEMSPINSNPVS其中发动机的有效功率，依题为90KWE发动机的平均有效压力，依题为10MPAMP汽缸的工作容积，10LSVSV发动机的汽缸数目，依题为4I发动机的转速N活塞的平均速度，依题为18M/SMV发动机活塞的行程S发动机汽缸直径D为发动机的行程数，依题为4由10MPA，90KW，4，4，10L得MEPEPISV1020MM，1224MM，11016M/S,将、取整得SMVDS102MM，122MM，0996L，90KW，12，DSEPDS/2700N/MIN，0996L，1004MPA，1102M/SNSEPM2热力学计算通常根据内燃机所用的燃料，混合气形成方式，缸内燃烧过程（加热方式）等特点，把活塞式内燃机的理想循环分为三类，即混合加热理想循环、定压加热理想循环、定容加热理想循环。柴油机实际循环近似看成混合加热理想循环。柴油机的工作过程包括进气、压缩、做功和排气四个过程。在本设计过程中，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PV图并校核。21热力循环基本参数的确定根据参考文献【内燃机原理】压缩多变指数135137，初步取135；1N1N膨胀过程绝热指数122128，初步取125；22压缩始点的压强（为当地大气压值，0101MPA）098AP0P根据参考文献【内燃机原理】非增压中速柴油机压缩比1415，初取几何压缩比14；压力升高比的选择P在1320之间。取18COPP22发动机的压缩过程通常情况下，压缩始点的压强在（为当地大气压值，0101098AP0PMPA），则0085MPA，将压缩过程近似看作可逆多变过程，由上一步N135，并利AP1用PVNCONST，压缩始点体积0104L，压缩终点压力2997MPA，压缩终点体积VZ0996L。压缩过程取多点数据进行计算。ZV23发动机的膨胀过程由N2125，PVNCONST同理可得膨胀始点压力5395MPA，膨胀始点体积ZP00157L，膨胀终点压力0511MPA，膨胀终点体积01034L。膨胀过程取多点ZV1ZPZ1V数据进行计算。24PV图的绘制绘图采用描点绘图法利用附录1、2中的数据绘制曲线，图形如下25PV图的调整实际的PV图和利用多变过程状态方程绘制的PV图还存在一些差别，在发动机中，为了使其动力性、经济性达到最优。采取了排气提前。从内燃机、汽车构造中可知主要是配气相位的原因。考虑到实际过程理论过程的差异，最大爆发压力生在上止点PV图0123456002040608112体积L压力（MPA）之后12。15。选择最高爆发出现在上止点后调整后的PV图如下3运动学计算在往复活塞式内燃机中基本上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。下面主要对活塞和连杆的运动进行分析。31活塞位移1COS1COS24XR025，为曲轴半径，122/261MM经计算后X图如下/R活塞位移曲线200204060801001201400100200300400500600700800曲轴转角/（）位移/MMPV图0123456002040608112体积（L）压力（MPA）32活塞速度4/2SINSIRWV025，曲轴半径，122/261MM经计算后X图如下/33活塞加速度2COS2RWJ025，曲轴半径，122/261MM/经计算后A图如下活塞速度曲线2010010200100200300400500600700800曲轴转角/）速度（M/S活塞加速度曲线600040002000020004000600080000100200300400500600700800曲轴转角/）加速度M/S）34连杆运动规律连杆式做复合平面运动，即其运动是由随活塞的往复运动以及绕活塞销的摆动合成。连杆相对于气缸中心的摆角为。SINARC经计算后图如下4动力学计算41往复惯性质量的确定往复惯性质量，在此进行初步估算，将活塞简化为薄壁活塞销连杆小头活塞MMJ圆筒，假设壁厚4MM，活塞高度80MM,可得027586KG4/22HTD活塞其中活塞外径，为102MM；D活塞的厚度，为4MM；T活塞的高度,取80MM；H2180活塞密度，在此用共晶铝硅合金，密度为27G/CM3估算往复惯性质量430GJM42相关力的计算曲柄连杆受力为气体作用力FG，往复惯性力FJ，旋转惯性力FR，合成力F。JGF摆角曲轴转角图60402002040600200400600800曲轴转角（）摆角（）则侧向力FN和连杆力FL为TANNCOS/FL往复惯性力FJ的大小为；经计算取多点函数值得22WRMJJ图如下J往复惯性力曲轴转角图40003000200010000100020000200400600800曲轴转角（）往复惯性力（N）系列1气体作用力,经计算取多点函数值得41031025963402PPDG图如下JP气体作用力曲轴转角图1000001000020000300004000050000600000100200300400500600700800曲轴转角（）气体作用力（N）连杆力在曲柄销处又分解为垂直于曲柄半径的切向力FT和沿曲柄作用的径向力FK。其中各力在大小上满足下列关系式切向力,经计算取多点函数值得图如下COS/SINFTTF曲轴转角切向力图200010000100020003000400050000200400600800曲轴转角（）切向力（MPA）系列1径向力,经计算取多点函数值得图如下COS/CSFKKF曲轴转角径向力图3000200010000100020003000400050000200400600800曲轴转角（）径向力（MPA）系列1规定FT与W同向为正，FK指向圆心为正，转矩顺时针为正。单缸转矩,经计算取多点函数值得图如下COS/SINMM单缸转矩图200010000100020003000400050000200400600800曲轴转角/）转矩/NM系列143曲轴的工作条件，结构形式和材料的选择431曲轴的工作条件和设计要求曲轴是在不断周期变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩（转矩和弯矩）共同作用下工作的，使曲轴既弯曲又扭转，产生疲劳应力状态。实践表明，对于各种曲轴，弯曲疲劳载荷具有决定性作用，而扭转载荷仅占次要地位（不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏）。总结起来，曲轴的工作条件为1受周期变化的力，力矩共同作用，曲轴既受弯曲又受扭转，承受交变疲劳载荷，重点是弯曲载荷。曲轴的破坏80是弯曲疲劳破坏。2由于曲轴形状复杂，应力集中严重，特别是在曲轴和曲颈过渡的圆角部分。3曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重。因此设计曲轴时要求1）有足够的耐疲劳强度。2）有足够承压面积，曲颈表面要耐磨。3）尽量减少应力集中。4）刚度要好，变形小，否则使其它零件的工作条件恶化。432曲轴的结构形式曲轴的结构与其制造方法有直接联系，在进行曲轴结构设计时必须同时考虑。曲轴分整体式和组合式两大类，此处选择整体式曲轴。433曲轴的材料曲轴材料要根据用途和强化程度正确选用。选用45钢（碳的质量分数为042047）。44曲轴主要尺寸的确定441主要尺寸曲柄销的直径D2和长度L2。在考虑曲轴主轴颈粗细时，首先使确定曲柄销的直径D2。在现代发动机设计中。一般趋向于采用较大的D2值，以降低曲柄销比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。D2（05507）D曲柄销的长度L2选定D2上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发应使I2控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调。L2（025040）D442主轴颈的直径D1和L1如果从曲轴沿全长度具有等刚度要求出发，可以认为主轴颈与曲柄销一样粗就行了。从轴承负荷出发，则主轴颈可以比曲轴销更细些，因为主轴承最大负荷小于连杆轴承。但是为了最大限度的加强曲轴的刚度，加粗主轴颈还是很有好处的。D1065080D主轴颈的长度L1一般比曲柄销长度短。因为主轴承的负荷比连杆轴承轻，取短的主轴承可满足增强刚度及保证良好的润滑要求。L1（04045）D45曲柄曲柄应选择合适的厚度、宽度，使曲轴有足够的刚度和强度。曲轴形状应合理以改善应力分布。在确定曲柄的尺寸时，应该考虑到曲柄往往是整体式曲轴中最薄弱的环节。曲柄在曲拐平面内的抗弯能力以其矩形断面模数W来衡量。（MM3）6/2BHW式中B曲柄的宽度（MM）H曲柄的厚度（MM）可见提高曲柄的抗弯能力，增加曲柄的厚度H要比增加曲柄的宽度B要好得多。DB3015DH270446总体参数选择主轴颈直径D1（065080）D76MM长度L1（04045）D41MM曲柄销直径D2（05507）D55MM长度L2（025040）D36MM曲柄臂厚度H（0203）D21MM宽度B（1013）D130MM根据主轴颈长度和曲柄销长度以及曲柄臂的厚度，确定缸心距L2HL1L2119MM2COSRM由于为常数，且在一个圆周上进行积分结果为0，故原式为；5曲轴强度的校核51静强度校核由前面动力学计算得强度校核要用到的基本数据如下径向力，由上述的图及相关数据得COSCOS1PPK3736071N22112NMAXKMINK切向力，由上述图及相关数据得COSSIN1T461546N12395NMAXTPMINTP主轴颈中心到曲柄销中心的距离LA（4136）/22160MM主轴颈中心到曲柄臂中心的距离LB4121/231MM主轴颈的径向反力1/2KK186804N11056NMAXKPMINP主轴颈的切向反力，1TRD370451N99486NAXTINT511连杆轴颈的计算（1）在曲拐平面内的弯曲应力X1372MPAWMX213DALK（2）在垂直于曲拐平面的弯曲应力X1695MPATY321（3）弯曲总应力2181MPA22YUXU（4）扭转应力848MPAADSTWRKK1623（5）弯曲总应力2340MPA24KUCY512曲柄计算（1）压缩应力0684MPAABHKC1（2）弯曲应力曲拐平面3789MPA621BHLKWMYKU垂直曲拐平面2326MPA6212BHASTRNYTU（3）扭矩MK引起的弯曲应力2947MPA62MAXBHASTWMYK（4）扭矩MK引起的扭转应力1202MPA6231MAXBHALTWMKK（5）2404MPA30，曲轴机构强度是安全的。2TTN6四冲程发动机平衡计算往复式内燃机运转时，由于工作过程的周期性和机件运动的周期性，运转中所产生的旋转惯性力和往复惯性力都是周期性变化的。这些力如果在机内不能互相抵消，传给支撑的力也会不断变化。再者，由于输出扭转的波动，也会造成支反力的变化，使内燃机处于不平衡状态。内燃机平衡差，就会引起支承的振动，产生噪声，消耗能量，降低机器的效率，振动还可能引起紧振固连接件的松动和过载，降低机件的耐久性。因此对发动机采取平衡措施很有必要。发动机的平衡分析，实质上就是对由各缸往复惯性力PJ和各曲拐旋转惯性力KR构成的空间力系进行合成，如果合成结果主矢量、主转矩均为零，则发动机的运动质量是平衡的。反之就不平衡，这时要求出不平衡随曲轴转角的变化规律，以便研究平衡措施。分析平衡时，均假定各缸的运动质量、运动件的主要有关尺寸都相同，所得结果表示发动机的理论平衡情况。实际上不可避免有制造误差。为了保证高速发动机的实际平衡接近理想情况，必须对曲柄连杆机构主要运动件的重量、尺寸规定严格的公差，必要时分组装配。严格控制公差的主要项目有活塞组重量相等、各连杆组重量相等和重心位置相等、曲拐夹角均匀、曲柄半径和连杆长度相等、曲轴动平衡、飞轮静平衡等等。四行程四缸机平衡分析采取直列式四缸发动机，其发火间隔角为点火顺序1）旋转惯性力的平衡计算KR0COS18COS180COS2WMRYINININSR0（2）一阶往复惯性力JIP0COS18COS180COS92RWMPJJI（3）J2COS42222RWMPJJJ（4）RM0S5180COS5018COS50CS12LLWMYINININILRR0（5）0（6）M7曲轴零件的细节设计71轴颈的过度圆角过渡圆角越大越有利于减小应力集中，本设计取过渡圆角为4MM。72油道布置油道的取向对扭转疲劳强度的影响很显著，设计油道在曲柄臂平面内与竖直方向夹角为30。油道在曲柄臂平面内与竖直方向夹角要求不高，此处不做进一步的要求。73曲轴的止推曲轴受热膨胀会伸长，或受斜齿轮和离合器轴向力而发生轴向位移，为防止曲轴的轴向位移，在曲轴与机体之间设置止推轴承。止推轴承只能设置一个，以使曲轴相对于机体能自由地沿轴向作热膨胀。从减小轴向位移对配气定时和供油定时的影响出发，希望把止推轴承设在前端；止推轴承设置在后端则可以避免各曲拐承受功率消耗者的轴向推力的作用；从降低曲轴和机体加工尺寸链精度要求出发，也可设在曲轴中央。从降低曲轴和机体加工尺寸链精度要求考虑，多设在曲轴中央。本设计为四缸，故曲轴的止推设计在第3主轴颈处。小结通过这次我们亲身的设计实践，让我们对这些专业课的基础知识和基本理论能有进一步的理解和掌握。我把这次课程所学到的东西总结为以下几点1分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种设计手册与资料。2计算机计算，绘图的应用能力等方面得到进一步的提高。3初步建立了工程的观念处理问题。4能够全面地检验并巩固我们以前所学的专业课知识，并通过结合实际，让我们能从一个全新的角度重新学习、认识以前学过的专业课知识。5了解国内外发动机的发展现状，对当代先进的发动机技术有了一些了解。6此次课程设计还为我们下学期的毕业设计奠定了坚实的基础。参考文献1周增宝，何永然，刘安俊机械设计课程设计华中科技大学出版社，19992董敬，庄志，常思勤汽车拖拉机发动机机械工业出版社，20013柴油机设计手册编辑委员会柴油机设计手册中国农业机械出版社，19844杨连生内燃机设计北京中国农业机械出版社，1981。5周龙保内燃机学北京机械工业出版社，20056沈维道工程热力学北京高等教育出版社，20027吴兆汉内燃机设计北京北京理工大学出版社，19908陆际青汽车发动机设计北京清华大学出版社，1990附录附表0计算涉及的参数活塞行程SMM活塞直径DMM转速NR/MIN排量（L）压缩比余隙容积VCL122102270041400766曲柄半径RMM多变指数N1多变指数N2曲柄角速度RAD/S进气压力PA（MPA压力升高比611351252826008514附表1PV及动力学计算图表曲轴转角（）总压力（MPA）侧压力（MPA）轴向作用力（MPA）径向力（MPA切向力（MPA）合成转矩（NM）0221120221119642211203108831021521112266242155051720999448427138271201979620419717199010861790388689511101983017072259013291726755213489910779112017440135626649244138196218674771075856553335095237224886497856114439898874112340555605252141304555438814714022952549180534770103193031878110754858680155107332294625802880818908827593015420237712991751198029062836819761272658709066197613628368395929100904438279694652946697976432499842129159364110111083263803511577557168661393218171244091201249523361799361293957189159029140291459191301329183138631513657308110948181646115119214013630226786674513890889212163167093312842815013667207351021382340131287275037791179111601355791398506413629863913218633229213502217013434170079170413452328613351716426615315618013382649187E141338259613382616E1315825719013446270142302134644472133637164411402392001360731403600513679510713266733358487572101378192090945139396332129815080161265222013844527207852141093013123544681483891775230136484322283581402371131124188383720140724013050935113031351501169566339546820569525011940835085063124455815738091100215631382601026513174443710744715549087395579106846927080539725328556844285212253286805413239572805443251683308569758569712525565291124492902695737920719728096846177689128041927878430022615560846116234196816038301226283784499310136713228222381404715631471254781281552320128032516141761304807281904510157258634513301396462118667214124448111034488171259996340707482729770767112356536398558310551152350140345732114821405360413694183158122417933601744271282E1317442706917442714E1324236463703828921997369373834130593736071861588712724838040014541275091140226764436189591756434234383904273836484108124322738753377041269846309326240046250390893262747134938229587253669192277933410502868118743994516697584232274246154676362364203726031002474663858526789948447372807705582430300333882454358313029438197965312403568432544026241181149844727467237334349827251611148844502435277658573242552857757658572435271514434602340957239307542450328511119432179673010924702283846710496523803870714117191661471592480223304600792267231245052163682163347233835849021757751377123422356023817921313364914918195002111284149186215166251188404103926993844510204601310413767206942511192717541825789752019895220521960820000733119397248761218462953019511510178212819537997119391823857751739154019375621364E1319375577219375671E13122285501909419960492119120062618977233479828965560188851947998718985224318412446285170759957018661228312056188747041757666878723910075801829143594711186412583163226900383034395590176241606802181046075145132108231642333600164906443672741707697161208761206329188361014770443399019153947572912994123952506851620123738382656471295198565917121152121787630928018291848197282700529184892802167807640554436171457785803426357257615757910949765012987438160285135364425856067135092092486603254487558055333701111868916325617446726707859185576728807510713630057213191125086801222824031966812462368782289701261148869690160732438592921625728612700610148622444127001913197328451192316617301683971869381471021188110529399212171152067454767815223197202211232509E13221119572211211E12310884附表2运动学计算图表曲轴转角（）活塞位移（MM）活塞速度（M/S活塞加速度（M/S）摆角（）00060895354501011566489537304450315942075684023091151420457070569372810432545510804180250093886301007870037104854331948279074630152668443401742175529132028468539433711810250045847502626448949153276221291993500202282663446036218751679519872182686063502516252927046869815717584080027332240714006287876380578025392817713700492985089183023984243906862517238612179070901179381561007898761695162397133819904076920108458526110885962731814813890425991659880148166659120972187513062932333044767725004246166130104684577911083445373342909696021359662914011087917748958670122352039648702007653841501157337996675316680936100003730121277061601192132054451085363236448622630041646170121303194822564579236531590730236891217180122158399E15365372127012500358319012130319482256457923653159073023689121720011921320544510853632364486226300416462101157337996675316680936100003730121277062201108791774895867012235203964870200765384230104684577911083445373342909696021359662924097218751306293233304476772500424616625088596273181481389042599165988014816665926078987616951623971338199040769201084585262706862517238612179070901179381562805780253928177137004929850891830239842432904686981571758408002733224071400628787633003621875167951987218268606350251625292310262644894915327622129199350020228266344320174217552913202846853943371181025004584733010078700371048543319482790746301526684433404570705693728104325455108041802500938863501156648953730445031594207568402309115143600527996E15608953545037011566489537304450315942075684023091151438045707056937281043254551080418025009388639010078700371048543319482790746301526684434001742175529132028468539433711810250