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柴油机曲轴设计学 院专 业班 级姓 名学 号指引教师年月日目录1 动力计算11.1初始条件11.2曲柄连杆机构运动质量拟定21.3 P-示功图求取21.4往复惯性力Pj（）计算31.5总作用力P（）计算31.6活塞侧推力PH（）计算41.7连杆力PC（）计算41.8法向力PN（）计算51.9切向力PT（）计算61.10总切向力计算71.11曲柄销负荷RB（）计算81.12精确性校核92 曲轴设计计算102.1曲轴各部尺寸比例102.2曲轴船规验算111 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=12.5，机械效率m=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z=0.88，燃烧过量空气系数=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-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-示功图。将活塞位移转换成相应曲柄转角，以代表曲柄转角，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下气体力值Pg（），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（）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； 曲轴旋转角速度，rad/s； 连杆摆角，rad。1.5总作用力P（）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（）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（）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（）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（）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（）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dP150曲柄销空心孔径dpo64曲柄销有效长度Lcp94主轴颈直径dj160主轴颈空心孔径djo64主轴颈有效长度Lcj90曲臂厚h68曲臂宽b310过渡圆角半径r10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q1.25；二冲程q1.50，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； b材料标定抗拉强度下限值，b=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；B弯曲应力集中系数，对于原机型曲轴，B=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； r扭转应力集中系数，=1.69；由计算成果可知，d=149.2mm150mm，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/cm2%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 * w2 *(cos(a*pi/180) + x * cos(a*pi/90)/(pi * D2/4 * 103);%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 m721 m=m-720; end SumPt(i)=SumPt(i)+Pt(m); endendavePt = 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 * w2/(pi * D2/4 * 103);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 * D2 * R * w / (4 * 106)%由总切力计算批示功率%d = ( Ni - Ne/0.85 ) / Ni %计算误差%