内燃机专业课程设计柴油机曲轴设计动力计算.doc

《内燃机学》课程设计
设计计算阐明书

题 目
6200柴油机曲轴设计
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月

日

目录
1 动力计算 1
1.1初始条件 1
1.2曲柄连杆机构运动质量拟定 2
1.3 P-φ示功图求取 2
1.4往复惯性力Pj（α）计算 3
1.5总作用力P（α）计算 3
1.6活塞侧推力PH（α）计算 4
1.7连杆力PC（α）计算 4
1.8法向力PN（α）计算 5
1.9切向力PT（α）计算 6
1.10总切向力计算 7
1.11曲柄销负荷RB（α）计算 8
1.12精确性校核 9
2 曲轴设计计算 10
2.1曲轴各部尺寸比例 10
2.2曲轴船规验算 11

1 动力计算
1.1初始条件
母型机参数：
四冲程六缸、废气涡轮增压、不可逆式、直接喷射、压缩空气启动。
D=200mm S=270mm
n=600r/min Ne=440kW
增压压力Pk=0.241Ma,压缩比ε=12.5，机械效率ηm=0.85,压缩复热指数n1=1.37,膨胀复热指数n2=1.26，Z点运用系数ξz=0.88，燃烧过量空气系数α=2.0，中冷器出水温度t=250 ,原机配气定期：
进气门开——上死点前60度
进气门关——下死点后40度
排气门开——下死点前40度
排气门关——上死点后60度
行程失效系数可取约0.083。
连杆长L=540mm，质量为34.76kg，活塞组质量m=35.76kg，连杆组质量分派比0.347/0.653，单位曲柄不平衡质量m=48.67kg。
1.2曲柄连杆机构运动质量拟定
将摆动连杆用双质量系代替，一某些质量等价到做往复运动活塞组中，另一部质量等价到做回转运动曲柄组中，从而可以求出往复质量和连杆组算到大端质量。由于连杆尺寸并未拟定，先按照母型机连杆质量分派比。

上式中，M表达活塞组质量，0.347/0.653为连杆组质量分派比，为连杆质量，质量单位都用kg。
1.3 P-φ示功图求取
将所给P-V示功图，用发动机运动学公式将其展开，即得P-φ示功图。将活塞位移转换成相应曲柄转角，以α代表曲柄转角，取145个点，相应0度到720度每隔5度取一次，由此可得各曲柄转角α下气体力值Pg（α），单位为MPa。用matlab画成曲线见图1，其matlab程序参见附录。图中实线表达是气缸压力Pg与曲柄转角a关系。

图1 P,Pg,Pj与曲柄转角a关系
1.4往复惯性力Pj（α）计算
(MPa) （1）
往复惯性力按照公式1计算，图1中虚线即为往复惯性力与曲柄转角a关系。
式中：mj—往复运动质量，kg；
R—曲柄半径，mm；
D—气缸直径，mm；
ω—曲轴旋转角速度，rad/s；
β—连杆摆角，rad。
1.5总作用力P（α）计算
(MPa) （2）
总作用力P（a）按照公式2计算，式中PB表达活塞底部气体压力，取大气压力，即PB=0.1Mpa。图1中点划线表达总作用力与曲柄转角之间关系。通过三者比较可以看出气缸压力对总作用力影响较大。
1.6活塞侧推力PH（α）计算
(MPa) （3）
活塞侧推力按照公式3进行计算，式中表达连杆摆角。连杆摆角与曲柄转角纯在下列关系：，活塞侧推力与曲柄转角关系见图2。

图2 活塞侧推力与曲柄转角关系
1.7连杆力PC（α）计算
(MPa) （4）
连杆力按照公式4进行计算，连杆力与曲柄转角关系见图3。

图3 连杆力与曲柄转角关系
1.8法向力PN（α）计算
(MPa) （5）
法向力按照公式5计算，法向力与曲柄转角关系见图4。

图4 法向力与曲柄转角关系
1.9切向力PT（α）计算
(MPa) （6）
切向力按照公式6计算，切向力与曲柄转角关系见图5。

图5 曲柄转角与切向力关系
1.10总切向力计算
(MPa) （7）
对于四冲程曲柄均匀排列状况总切力按照公式6计算。气缸之间间隔角为120deg，总切力与曲柄转角关系见图6。

图6 总切力与曲柄转角之间关系
1.11曲柄销负荷RB（α）计算
(MPa) （8）
曲柄销合力按照公式8计算，
式中:—曲柄销负荷水平分量，(MPa)；
—曲柄销负荷垂直分量,(MPa)；
—连杆组算到大端质量，kg。
曲柄销合力与曲柄转角关系见图7。

图7 曲柄销负荷与曲柄转角关系
1.12精确性校核
(KW) （9）
按照总切力曲线作精确性校核，依照总切曲线计算出平均切力，再按公式9进行计算，式中表达活塞面积，单位是；表达平均切力，单位是Mpa。再将批示功率与给定功率进行比较，计算出误差。
=501.2382kw
= -3.27%
计算出来误差在5%以内，符合规定。
2 曲轴设计计算
2.1曲轴各部尺寸比例
曲轴参数
单位：mm
缸心距L0（四冲程）
320
曲柄销直径dP
150
曲柄销空心孔径dpo
64
曲柄销有效长度Lcp
94
主轴颈直径dj
160
主轴颈空心孔径djo
64
主轴颈有效长度Lcj
90
曲臂厚h
68
曲臂宽b
310
过渡圆角半径r
10

在初步定出曲轴尺寸后，应及时作曲柄销和主轴颈最大比压验算：
曲轴销
主轴颈
式中：Pz—最大燃烧压力，Mpa；
D—气径直径，mm；
dp,dj—曲柄销及主曲颈直径，mm;
LP ,Lj—曲柄销及主轴颈有效长度，mm（考虑了过渡圆角影响）；
q—考虑相邻缸影响系数。四冲程q≤1.25；二冲程q≤1.50，式中q=1.2。
2.2曲轴船规验算
国内船舶检查局“钢质海船入级与建造规范（）”对船舶柴油机曲轴有如下规定：对整锻、锻造、半组合或全组合曲轴主轴颈及曲柄销，其最小直径d 如下计算。曲轴材料选用铸钢。
对锻钢、铸钢、合金钢材料曲轴：

式中：D—气缸直径，D=200mm；
S—活塞行程，S=270mm；
L—相邻两主轴承中心线间距离，L=320mm；
LP—曲柄销有效长度，LP=90mm；
Pz—最高燃烧压力，Pz=12.5MPa；
Pi—平均批示压力，
Ni—由总切力得到批示功率，Ni=501.2382kW；
Vs—每缸工作容积，；
n—柴油机转速，n=600r/min；
i —气缸数，i=6；
σb—材料标定抗拉强度下限值，σb=500MPa；
A—系数，对直列式单作用柴油机，A=0.50；
C—系数，对直列式单作用四冲程柴油机，C=2.553；
αB—弯曲应力集中系数，对于原机型曲轴，αB=3..39；
rp—过渡圆角半径，rp=10mm；
dp—曲柄销直径，dp=130mm；
b—曲臂宽，b=200mm；
e—轴颈重叠量，e=（dp+dj）/2-S/2=0；
αr—扭转应力集中系数，
=1.69；
由计算成果可知，d=149.2mm＜150mm，故设计曲轴可用。

附录 Matlab计算程序
>> %内燃机课程设计动力计算%
a1 =0 ：5 ：720;%曲柄转角%
Pg1=[3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25,3.3,3.35,3.35,3.4,3.45,3.45,3.5,3.75,4,4.25,4.5,4.75,5,5.5,6.5,7,8,9,10.5,13,15,18,21.5,26,32,40,49,59,65,80,105,119,124,125,115,101,87.5,72.5,60,50,43,36.5,32,28,25,22,19.5,18,16.5,15.5,14,13,12.5,12,11,10.5,10.25,10,9.75,9.5,9,8.5,8,7.75,7,6.5,6,5.5,5,4,3.5,3,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,3];%气缸压力，kg/cm^2%
a = 0 ：1 ：720;
Pg = interp1(a1,Pg1,a,'spline');
>> Pg = Pg/10.197;%气缸压力单位转化，Mpa%
Ne = 440;%单位是kw%
mj = 35.76 + 0.347 * 34.76；%活塞组等效质量，kg%
mb = 0.653 * 34.76；%连杆组算到大端质量，kg%
D = 200;%活塞直径，mm%
L = 540;%连杆长度，mm%
R = 135;%曲柄半径，mm%
z = 6;%气缸数；
x = R/L;%曲柄连杆比%
B = asin(x*sin(a*pi/180));%连杆摆角%
w = 600*pi/30;%转速，rad/s%
Pj = - mj * R * w^2 *(cos(a*pi/180) + x * cos(a*pi/90))/(pi * D^2/4 * 10^3);%往复惯性力，Mpa%
Pb = 0.1;%活塞底部气体压力，取为大气压力，Mpa%
P = Pj - Pb + Pg;%总作用力，Mpa%
figure(1);%打开新图版;
plot(a,Pg,a,Pj,'--',a,P,'-.');%蓝色为气缸压力与曲轴转角关系，黄色为往复惯性力与曲柄转角关系,红色为总作用力与曲柄转角关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('(P,Pg,Pj)/Mpa');%加纵坐标%
legend('Pg','Pj','P')
grid on ;%添加网格%
Ph = P .* tan(B);%活塞侧推力，单位是Mpa%
Pc = P./cos(B);%连杆力，单位是Mpa%
Pn = Pc .* cos(a*pi/180 + B);%法向力，单位是Mpa%
Pt = Pc .* sin(a*pi/180 + B);%切向力，单位是Mpa%
SumPt = Pt ;%为总切力,单位是Mpa;%
for i=1:721
for j=1:5
m=i+720*j/z;
if m>721
m=m-720;
end
SumPt(i)=SumPt(i)+Pt(m);
end
end
avePt = mean(SumPt);%平均切向力,单位是Mpa%
Rbh = Pt;%曲柄销负荷水平分量，单位是Mpa%
Prb = mb * R * w^2/(pi * D^2/4 * 10^3);
Rbv = Pn - Prb；%曲柄销负荷垂直分量，单位是Mpa%
Rb = (Rbh .* Rbh + Rbv .* Rbv).^0.5；%曲柄销总负荷%
figure(2);%打开新图版%
plot(a,Ph);%画侧推力与曲柄转角关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('侧推力Ph/Mpa');%加纵坐标%
grid on ;%添加网格%
figure(3);%打开新图版%
plot(a,Pc);%画连杆力与曲柄转角关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('连杆力Pc/Mpa');%加纵坐标%
grid on ;%添加网格%
figure(4);%打开新图版%
plot(a,Pn);%画法向力与曲柄转角关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('法向力Pn/Mpa');%加纵坐标%
grid on ;%添加网格%
figure(5);%打开新图版%
plot(a,Pt);%画切向力与曲柄转角关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('切向力Pt/Mpa');%加纵坐标%
grid on ;%添加网格%
figure(6);%打开新图版%
A = 0 :1：720;
plot(A,SumPt);%画总切向力与曲柄转角关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('总切向力SumPt/Mpa');%加纵坐标%
grid on ;%添加网格%
figure(7);%打开新图版%
plot(a,Rb);%画曲柄销负荷与曲柄转角关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('曲柄销负荷Rb/Mpa');%加纵坐标%
grid on ;%添加网格%
Ni = avePt * pi * D^2 * R * w / (4 * 10^6)%由总切力计算批示功率%
d = ( Ni - Ne/0.85 ) / Ni %计算误差%