课程设计活塞连杆设计.doc
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1、 课 程 设 计课程名称: 发动机设计 设计题目: 曲轴和连杆设计 学 院: 交通工程 专 业: 车辆工程 年 级: xxxx级 学生姓名: xxxxxxx 指导教师: xxxxxxxxxxxxxx 日 期: 2023年9月 教 务 处 制目 录1、总体布局、结构特点以及选用原则系统分析11.1机型11.2选用原则12、标定工况(最大功率)工作过程及热力计算和示功图绘制22.1实际循环热力计算22.1.1热力计算的目的22.1.2热力计算的方法32.2重要参数选取32.2.1压缩比32.2.2过量空气系数32.2.3残余废气系数32.2.4进气温升和残余废气温度32.2.5热量运用系数32.2
2、.6示功图丰满系数32.2.7机械效率42.2.8平均多变压缩指数42.2.9平均多变膨胀指数42.3燃料燃烧化学计算42.3.1理论空气量的计算42.3.2理论分子变化系数0的计算52.3.3实际分子变化系数52.4燃气过程参数的拟定与计算52.4.1压缩过程气体状态52.4.2燃烧过程及燃烧终点气体状态52.4.3最高燃烧爆发压力及压力升高比拟定72.4.4膨胀终点气体状态72.4.5绘制示功图82.5发动机性能参数92.5.1平均指示压力Pi92.5.2平均有效压力92.5.3有效功率92.5.4充量系数102.5.5指示热效率102.5.6燃油消耗率102.5.7发动机总进气流量103
3、、活塞位移、速度、加速度随曲轴转角变化曲线113.1活塞位移113.2活塞速度V113.3.活塞加速度124、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、曲柄销切向力,径向力134.1气缸压力随曲轴转角变化曲线134.2活塞销上的合力变化曲线144.3活塞所受侧压力144.3.1往复惯性力的求取144.4连杆作用力与活塞销受力相反164.5曲柄销受力164.6曲柄销极坐标图与连杆轴承受力174.6.1曲柄销载荷的极坐标图174.6.2连杆轴承的负荷矢量图174.6.3连杆轴承受力极坐标图195、连杆设计及强度计算、校核195.1连杆重要参数选取195.2材料和关于材料的参数215.3连杆小头强度215.4连
4、杆杆身强度245.5连杆大头强度255.6螺栓强度校核266、有限元分析286.1 连杆实体模型的建立286.2 网格的划分296.3 连杆受力分析306.2.1最大拉伸306.2.2最大压缩316.4有限元计算结果分析326.3.1载荷分布与加载326.3.2等效载荷模拟结果336.3.3计算结果分析347、总结388、参考文献38课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果1、总体布局、结构特点以及选用原则系统分析1.1机型该发动机机型为卧式,直列,水冷,四冲程两缸机。卧式,是指气缸中心线平行于水平面的发动机,也就是水平放置的发动机。它的特点是发动机的高度很低,便于安装到一般立式发动
5、机放不进去的地方。直列就是气缸呈直线排列,一般用于汽缸数小的发动机,优点在于动力输出强劲、结构简朴、维护简便。水冷,即采用水作冷却介质,冷却效果较好。四冲程发动机换气质量较二冲程好,发展比较成熟。该机型工作平稳,动力强劲,性能可靠,安能可靠,安装维修方便,多用在农用机械上。1.2选用原则(1)布置紧凑,外形尺寸小,外观整齐,外接管路尽量少。(2)经常需要保养的零部件,接近性要好,对经常检查调整的气门间隙和喷油提前角等有关零部件应考虑到调整和拆装方便。(3)应满足用户对柴油机配套所提出的各项合理规定。多种用途柴油机的总体布置,一方面满足重要用途的配套规定,还要考虑到变机型的有关问题。(4)具有良
6、好的加工和装配工艺性。(5)柴油机起吊、存放和安装方便。(6)总体布置要认真贯彻执行产品系列化、零部件通用化和零件标准化。课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果2、标定工况(最大功率)工作过程及热力计算和示功图绘制290型柴油机课程设计参数表型式卧式,直列,水冷,四冲程缸径行程(mm)9095气缸数2气缸套型式湿式燃烧室型式直喷式缩口型燃烧室吸气方式自然吸气压缩比17.5:1或(17:1)或(16.5:1)最高燃烧压力bar801h标定功率/转速,kw(Ps)/r/min16(21)/2600最低燃油消耗率,g/kW.h(g/Ps.h)245(180)曲柄半径mm/连杆长度mm47
7、.5/165燃料低热值KJ/kg42500单缸活塞组质量Kg0.948连杆组质量Kg1.300大气平均压力kpa98.392932.1实际循环热力计算2.1.1热力计算的目的在一台新内燃机的设计过程中,大体拟定气缸内的压力和温度变化情况,绘出示功图,可以对发动机方案设计中所拟定的指标起到一定的校核作用。课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果2.1.2热力计算的方法用闭口系统来模拟不稳定的开口系统,用定容定压加热代替实际的燃烧过程,用多变过程来代替实际的压缩和膨胀过程,用多变过程来代替实际的压缩和膨胀过程,用定容放热代替排气过程等,最后的结果用一个折扣系数近似接近实际循环。2.2重要
8、参数选取2.2.1压缩比压缩比选取:=17.5=17.52.2.2过量空气系数过量空气系数选取:=1.4(非增压柴油机一般推荐=1.21.5)=1.42.2.3残余废气系数残余废气系数选取:=0.05(非增压四冲程柴油机一般推荐=0.030.06)=0.052.2.4进气温升和残余废气温度进气温升选取:=15(非增压四冲程柴油机一般推荐=1020)=15残余废气温度选取:=760(非增压四冲程柴油机一般推荐=700800)=7602.2.5热量运用系数热量运用系数选取:=0.75(低中速柴油机:0.750.88,高速柴油机: =0.750.650.85)2.2.6示功图丰满系数示功图丰满系数选
9、取:=0.96(范围一般为0.920.97)=0.96课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果2.2.7机械效率机械效率选取:=0.85(四冲程高速柴油机0.750.88)=0.852.2.8平均多变压缩指数为压缩多变指数。在实际发动机压缩过程中由于存在与缸壁产生热互换及漏气损失现象,为变数。对于直接喷射式柴油机当=1215,=610m/s,经验值=1.351.38.预燃室式柴油机=1518,=812m/s,经验值=1.331.36.所以选取平均多变压缩指数=1.35=1.352.2.9平均多变膨胀指数实际膨胀多变指数亦为变数。膨胀始点值最小,膨胀终点 值最大。在计算值可取平均值。一
10、般经验值:对于柴油机=1.221.32.选取平均多变膨胀指数:=1.30=1.302.3燃料燃烧化学计算2.3.1理论空气量的计算(1)1kg燃料燃烧所需的理论空气量柴油:=0.87 =0.126 =0.004得到:=0.495kmol/kg=0.495kmol/kg(2)新鲜充量的分量=1.40.495=0.693kgmol/kg(燃料)=0.693课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果(3)1kg燃料燃烧时的燃烧产物量kgmol/kg(燃料)=0.7262.3.2理论分子变化系数0的计算=1.047=1.0472.3.3实际分子变化系数=1.045=1.0452.4燃气过程参数
11、的拟定与计算2.4.1压缩过程气体状态(1)压缩始点温度:(2)压缩始点压力:(3)压缩终点压力:(4)压缩终点温度2.4.2燃烧过程及燃烧终点气体状态(1)压缩终点的空气平均等容比热,在图3-2上查得,当时的=7.35 故:课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果(2)压缩终点的残余废气平均等容比热,在图3-2上查得,当=626=1.4时的=7.6 故: (3)压缩终点的混合气平均等容比热 (4)燃烧终点的温度,根据下列方程求解将已知数值带入化简后得: =15265再用t曲线,先估计下值,按此查出,并算出,试其数值 与 15265是否相符,然后按其差值再选值,如此逐步试算直至求得值
12、和其相应的乘积等于15265为止,按照此方法求得燃烧终点温度: t曲线如图一所示:课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果 图一: t曲线2.4.3最高燃烧爆发压力及压力升高比拟定(1)最高燃烧爆发压力:最高燃烧爆发压力给定为:(2)压力升高比2.4.4膨胀终点气体状态(1)初期膨胀比(2)后期膨胀比课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果(3)膨胀终点的压力和温度()=0.34MPa2.4.5绘制示功图(1)压缩行程:压缩行程起始点的压力值通常在(0.900.8)之间,选定压缩始点的压强为=0.095MPa。把压缩过程简化为绝热过程, =1.35。由热力学知识可知:,初始
13、状态下=0.095MPa 在0.636L 0.0364L之间取十五个点,求取这些点的压力值, 记录数据在execl表格中,由计算所得的数据可知压缩终了时的终点压力。可燃混合气在气缸中到达压缩终点后,将会进行等容加热。加热终点的压力(2)膨胀过程:与压缩过程相应,膨胀过程也可简化为绝热过程:。由上面的计算知道,在膨胀的始点压力为,V=0.0364L,同样在0.636L 0.0364L之间取15个点,求取压力值。选取=1.30。将数据记入附表1中,运用execl表格中的数据作出P-V图。如图二所示:课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果 图二:P-V图2.5发动机性能参数2.5.1平均
14、指示压力Pi2.5.2平均有效压力2.5.3有效功率课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果2.5.4充量系数2.5.5指示热效率2.5.6燃油消耗率(1)指示燃油消耗率(2)有效热效率(3)有效燃油消耗率2.5.7发动机总进气流量 其中 所以:课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果3、活塞位移、速度、加速度随曲轴转角变化曲线由所给参数计算得: 3.1活塞位移由位移和曲轴转角的关系式:即在excel中获得所取点得相关数据记录在附表一excel sheet1中,运用图表功能作出活塞位移X随转角变化的曲线。如图三所示: 图三:活塞位移X随转角变化的曲线3.2活塞速度V由速度和
15、曲轴转角的关系式:同理,在excel中获得相关数据记录在附表一excel sheet1中,利用图表功能作出速度随转角变化的变化曲线图。如图四所示:课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果 图四:速度随转角的变化曲线3.3.活塞加速度 由活塞加速度和曲轴转角的关系:同上,在excel中获得相关数据记录在附表一excel sheet1中,利用图表功能作出加速度随转角变化曲线图。曲线图型如图五所示: 图五:加速度随转角变化曲线图课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说 明结 果4、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、曲柄销切向力,径向力4.1气缸压力随曲轴转角变化曲线随着曲轴转角的变化,缸内的气
16、体压力也会随之发生变化。将热力学计算中的图转化为图,即气缸内气体压力随曲轴转角的变化规律。0180度为进气行程,汽缸内的气体压力在理论循环下基本可以认为是一恒定值且小于大气压力;180360度为多变压缩行程,汽缸内的气体压力可由绝热方程求出;360540度为多变的膨胀过程,汽缸内的气体压力可由绝热方程求出;540720度为排气行程,可以认为汽缸内的气体压力是均匀下降至。由于已知了曲轴转角和活塞位移X的关系式,又因 则可以在excel表格中,求取出相应转角时相应气缸容积V。每隔10求(p,V)。将数据记录于附表3中,并做出相应的图,如图六所示: 图六:图课 程 设 计 说 明 书计 算 及 说
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