内燃机设计

第1章 内燃机的开发流程、设计要求与设计指标…………………………………… 1
1.1 内燃机的开发流程…………………………………………………………… 1
1.1.1 产品规划阶段………………………………………………………… 1
1.1.2 样机方案设计和先期研究阶段……………………………………… 2
1.1.3 样机施工设计和试制阶段…………………………………………… 3
1.1.4 投产阶段……………………………………………………………… 3
1.2 内燃机的设计要求…………………………………………………………… 3
1.2.1 车用内燃机的设计要求……………………………………………… 4
1.2.2 船用内燃机的设计要求……………………………………………… 4
1.2.3 工程机械内燃机的设计要求………………………………………… 5
1.2.4 农用内燃机的设计要求……………………………………………… 5
1.3 内燃机的设计指标…………………………………………………………… 6
1.3.1 动力性指标…………………………………………………………… 6
1.3.2 经济性指标…………………………………………………………… 8
1.3.3 结构紧凑性指标……………………………………………………… 10
1.3.4 运转性指标…………………………………………………………… 11
1.3.5 适应性指标…………………………………………………………… 12
1.3.6 强化指标……………………………………………………………… 12
思考题……………………………………………………………………………… 13
第2章 内燃机的总体设计………………………………………………………… 14
2.1 总体设计的任务与方法……………………………………………………… 14
2.2 内燃机的选型………………………………………………………………… 16
2.2.1 汽油机、柴油机与多燃料内燃机…………………………………… 16
2.2.2 二冲程与四冲程内燃机……………………………………………… 17
2.2.3 增压与非增压内燃机………………………………………………… 18
2.2.4 风冷式与水冷式内燃机……………………………………………… 19
2.2.5 气缸数及气缸排列形式……………………………………………… 20
2.3 内燃机主要结构参数的选择………………………………………………… 22
2.3.1 活塞行程S 与气缸直径D 的比值………………………………… 23
2.3.2 曲柄半径R 与连杆长度L 的比值λ ……………………………… 23
2.3.3 气缸中心距L0 与气缸直径D 的比值……………………………… 24
2.4 总体布置……………………………………………………………………… 24
思考题……………………………………………………………………………… 28
第3章 曲柄连杆机构受力分析…………………………………………………… 29
3.1 曲柄连杆机构运动学………………………………………………………… 29
3.1.1 中心式曲柄连杆机构运动学………………………………………… 29
3.1.2 主副连杆式曲柄连杆机构运动学…………………………………… 31
3.2 曲柄连杆机构中的作用力和力矩…………………………………………… 35
3.2.1 曲柄连杆机构运动件的质量换算…………………………………… 35
3.2.2 中心曲柄连杆机构中的作用力和力矩……………………………… 37
3.2.3 主副连杆式曲柄连杆机构中的作用力和力矩……………………… 41
思考题……………………………………………………………………………… 43
第4章 活塞组设计………………………………………………………………… 44
4.1 活塞设计……………………………………………………………………… 45
4.1.1 活塞的基本结构……………………………………………………… 45
4.1.2 活塞材料及制造工艺………………………………………………… 47
4.1.3 活塞各部位结构的确定……………………………………………… 49
4.1.4 活塞的计算…………………………………………………………… 60
4.2 活塞销设计…………………………………………………………………… 68
4.2.1 结构设计……………………………………………………………… 68
4.2.2 材料与强化工艺……………………………………………………… 69
4.2.3 活塞销的计算………………………………………………………… 70
4.3 活塞环设计…………………………………………………………………… 72
4.3.1 活塞环的工作情况与设计要求……………………………………… 72
4.3.2 活塞环的结构………………………………………………………… 73
4.3.3 活塞环的材料、表面处理及成形方法……………………………… 78
4.3.4 活塞环强度计算……………………………………………………… 80
思考题……………………………………………………………………………… 80
第5章 连杆组设计………………………………………………………………… 82
5.1 连杆的结构设计……………………………………………………………… 83
5.1.1 连杆小头……………………………………………………………… 83
5.1.2 连杆杆身……………………………………………………………… 85
5.1.3 连杆大头……………………………………………………………… 85
5.1.4 V 形内燃机的连杆大头结构……………………………………… 87
5.1.5 连杆的毛坯成形与材料……………………………………………… 88
5.2 连杆强度计算………………………………………………………………… 88
5.2.1 采用公式计算………………………………………………………… 88
5.2.2 采用有限元法计算…………………………………………………… 92
5.3 连杆螺栓设计………………………………………………………………… 96
5.3.1 基本结构与材料……………………………………………………… 96
5.3.2 连杆螺栓的载荷……………………………………………………… 96
5.3.3 连杆螺栓的直径和预紧……………………………………………… 98
5.3.4 提高连杆螺栓疲劳强度的措施……………………………………… 98
5.3.5 连杆螺栓的校核……………………………………………………… 98
思考题……………………………………………………………………………… 99
第6章 曲轴组与轴承……………………………………………………………… 100
6.1 曲轴的结构设计…………………………………………………………… 101
6.1.1 曲拐单元结构……………………………………………………… 102
6.1.2 曲拐单元的排列与发火次序……………………………………… 106
6.1.3 曲轴的前后端与密封……………………………………………… 109
6.1.4 曲轴的轴向止推…………………………………………………… 110
6.1.5 曲轴的平衡及平衡重……………………………………………… 111
6.1.6 飞 轮……………………………………………………………… 112
6.1.7 曲轴的材料………………………………………………………… 114
6.1.8 提高曲轴疲劳强度的工艺措施…………………………………… 115
6.2 曲轴的疲劳强度计算……………………………………………………… 116
6.2.1 采用公式计算……………………………………………………… 116
6.2.2 采用有限元法计算………………………………………………… 122
6.3 曲轴滑动轴承设计………………………………………………………… 125
6.3.1 曲轴轴承的工作情况与设计要求………………………………… 125
6.3.2 曲轴轴承的结构…………………………………………………… 125
6.3.3 曲轴轴承的材料…………………………………………………… 127
6.3.4 薄壁轴瓦过盈量的确定…………………………………………… 128
6.3.5 轴承的轴心轨迹…………………………………………………… 130
思考题……………………………………………………………………………… 134
第7章 机体组……………………………………………………………………… 135
7.1 机体设计…………………………………………………………………… 135
7.1.1 工作情况与设计要求……………………………………………… 135
7.1.2 机体的结构设计…………………………………………………… 136
7.1.3 主轴承盖…………………………………………………………… 146
7.1.4 机体支座…………………………………………………………… 147
7.1.5 机体的材料………………………………………………………… 147
7.2 气缸套设计………………………………………………………………… 148
7.2.1 工作情况与设计要求……………………………………………… 148
7.2.2 气缸套的结构设计………………………………………………… 149
7.2.3 提高气缸套使用寿命的措施……………………………………… 153
7.2.4 气缸套的材料和表面处理………………………………………… 154
7.3 气缸盖设计………………………………………………………………… 155
7.3.1 工作情况与设计要求……………………………………………… 155
7.3.2 气缸盖的结构设计………………………………………………… 156
7.3.3 气缸盖的材料……………………………………………………… 168
7.4 气缸垫设计………………………………………………………………… 168
7.4.1 工作情况与设计要求……………………………………………… 168
7.4.2 气缸垫的结构和材料……………………………………………… 169
7.5 气缸盖罩和下曲轴箱设计………………………………………………… 170
7.5.1 工作条件和设计要求……………………………………………… 170
7.5.2 基本结构和材料…………………………………………………… 171
7.6 机体组的计算……………………………………………………………… 173
7.6.1 气缸套的校核估算………………………………………………… 173
7.6.2 机体组的有限元计算……………………………………………… 174
7.6.3 计算结果…………………………………………………………… 178
思考题……………………………………………………………………………… 179
第8章 配气机构与驱动机构……………………………………………………… 180
8.1 配气机构的形式…………………………………………………………… 182
8.1.1 凸轮轴下置式配气机构…………………………………………… 182
8.1.2 凸轮轴中置式配气机构…………………………………………… 183
8.1.3 凸轮轴顶置式配气机构…………………………………………… 183
8.2 凸轮型线设计……………………………………………………………… 185
8.2.1 凸轮过渡段………………………………………………………… 186
8.2.2 圆弧凸轮工作段…………………………………………………… 188
8.2.3 复合摆线凸轮工作段……………………………………………… 191
8.2.4 高次多项式凸轮工作段…………………………………………… 193
8.2.5 凸轮的校核………………………………………………………… 195
8.3 配气机构动力学…………………………………………………………… 196
8.3.1 刚体假设理论升程与实际升程…………………………………… 196
8.3.2 单质量动力学计算模型…………………………………………… 197
8.3.3 原始数据的确定…………………………………………………… 198
8.3.4 计算及结果分析…………………………………………………… 201
8.3.5 多项动力凸轮……………………………………………………… 202
8.4 配气机构零件结构设计…………………………………………………… 202
8.4.1 气 门……………………………………………………………… 202
8.4.2 气门座圈…………………………………………………………… 205
8.4.3 气门导管…………………………………………………………… 205
8.4.4 气门弹簧…………………………………………………………… 206
8.4.5 凸轮轴……………………………………………………………… 210
8.4.6 挺 柱……………………………………………………………… 212
8.4.7 推 杆……………………………………………………………… 215
8.4.8 摇 臂……………………………………………………………… 216
8.4.9 可变配气机构……………………………………………………… 216
8.5 驱动机构…………………………………………………………………… 222
8.5.1 工作情况与设计要求……………………………………………… 222
8.5.2 驱动机构结构……………………………………………………… 223
思考题……………………………………………………………………………… 226
第9章 进、排气系统与增压……………………………………………………… 227
9.1 进、排气系与增压器的布置………………………………………………… 227
9.2 进、排气系主要部件的选择………………………………………………… 230
9.2.1 空气滤清器………………………………………………………… 230
9.2.2 进气管……………………………………………………………… 231
9.2.3 排气管……………………………………………………………… 235
9.2.4 消声器……………………………………………………………… 236
9.2.5 排气净化装置……………………………………………………… 237
9.3 增压系统…………………………………………………………………… 240
9.3.1 增压系统的形式…………………………………………………… 240
9.3.2 涡轮增压器………………………………………………………… 243
思考题……………………………………………………………………………… 253
第10章 冷却系…………………………………………………………………… 254
10.1 冷却系的形式与布置……………………………………………………… 254
10.1.1 水冷系统…………………………………………………………… 254
10.1.2 风冷系统…………………………………………………………… 256
10.2 冷却系主要部件的选择与设计…………………………………………… 258
10.2.1 水散热器…………………………………………………………… 258
10.2.2 水 泵……………………………………………………………… 259
10.2.3 风 扇……………………………………………………………… 260
10.2.4 导流罩……………………………………………………………… 262
10.2.5 冷却系温度调节装置……………………………………………… 263
思考题……………………………………………………………………………… 263
第11章 润滑系…………………………………………………………………… 264
11.1 润滑系的形式与布置……………………………………………………… 264
11.2 润滑系主要机件的选择与设计…………………………………………… 268
11.2.1 机油泵……………………………………………………………… 268
11.2.2 机油滤清器………………………………………………………… 269
11.2.3 机油散热器与机油恒温装置……………………………………… 270
11.2.4 储油量……………………………………………………………… 270
思考题……………………………………………………………………………… 271
第12章 启动系统………………………………………………………………… 272
12.1 启动系形式的选择与设计参数…………………………………………… 272
12.1.1 启动系的形式……………………………………………………… 272
12.1.2 启动系的设计参数………………………………………………… 274
12.2 辅助启动装置……………………………………………………………… 276
12.2.1 减小启动阻力矩的方法…………………………………………… 276
12.2.2 改善启动工作条件的方法………………………………………… 277
思考题……………………………………………………………………………… 278
参考文献……………………………………………………………………………… 279