1、1内燃机学课程设计设计计算说明书题 目 6200 柴油机曲轴设计学 院专 业班 级姓 名学 号指导教师年 月 日0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的确定 21.3 P- 示功图的求取 .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 .7)(p1.11 曲柄销负荷 RB（）计算 81.12 准确性校核 92 曲轴设计计算 102.1 曲轴各部尺寸比例 102.2 曲轴船
2、规验算 1111 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=270mmn=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 点利用系数 z=0.88，燃烧过量空气系数 =2.0 ，中冷器出水温度 t=250 ,原机配气定时： 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
3、.76kg，活塞组质量 m=35.76kg，连杆组质量分配比 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的确定将摆动的连杆用双质量系代替，一部分质量等价到做往复运动的活塞组中，另一部质量等价到做回转运动的曲柄组中，从而可以求出往复质量 和连杆组算到大端的质量 。jmBm由于连杆尺寸并未确定，先按照母型机的连杆质量分配比。 0.347*5.60347*.6.8217()j LmMkg693B上式中，M 表示活塞组质量，0.347/0.653 为连杆组质量分配比， 为连杆质量，质Lm量单位都用 kg。21.3 P- 示功图的求取将所给的 P-V 示
4、功图，用发动机运动学公式将其展开，即得 P- 示功图。将活塞的位移转换成对应的曲柄转角，以 代表曲柄转角，取 145 个点，对应 0 度到 720 度每隔 5 度取一次，由此可得各曲柄转角 下的气体力值 Pg（） ，单位为 MPa。用 matlab 画成曲线见图 1，其 matlab 程序参见附录。图中实线表示的是气缸压力 Pg 与曲柄转角 a 的关系。图 1 P,Pg,Pj 与曲柄转角 a 的关系1.4 往复惯性力 Pj（ ）计算(MPa) （1）23()(cos2)104jjmpaRaD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 的关系。式中：mj往复运动质量
5、，kg；R曲柄半径，mm；3D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）)()(apapjBg总作用力 P（a）按照公式 2 计算，式中 PB 表示活塞底部气体压力，取大气压力，即PB=0.1Mpa。图 1 中点划线表示总作用力与曲柄转角之间的关系。通过三者的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）tgapH)(活塞侧推力 按照公式 3 进行计算，式中 表示连杆摆角。连杆摆角与曲柄转()Hpa角纯在下列关系： ，活塞侧推力与曲柄转角的关系见图 2。rcsin*()4图 2
6、活塞侧推力与曲柄转角的关系1.7 连杆力 PC（）计算(MPa) （4）cos/)(apC连杆力 按照公式 4 进行计算，连杆力 与曲柄转角的关系见图 3。()cpa()c图 3 连杆力与曲柄转角的关系1.8 法向力 PN（）计算(MPa) （5）)cos()(apCN法向力 按照公式 5 计算，法向力 与曲柄转角的关系见图 4。()NpaN5图 4 法向力与曲柄转角的关系1.9 切向力 PT（）计算(MPa) （6）)sin()(apCT切向力 按照公式 6 计算，切向力 与曲柄转角的关系见图 5。()TpaT6图 5 曲柄转角与切向力的关系1.10 总切向力 计算)(Tp(MPa) （7）
7、1()(720/)zTTiapiz对于四冲程曲柄均匀排列情况的总切力按照公式 6 计算。气缸之间的间隔角为120deg，总切力 与曲柄转角的关系见图 6。7图 6 总切力与曲柄转角之间的关系1.11 曲柄销负荷 RB（）计算(MPa) （8）22()()()BBHBVaRa曲柄销合力按照公式 8 计算，式中: 曲柄销负荷水平分量， (MPa)；()BHR()BHTp曲柄销负荷垂直分量 , (MPa)；VaVNrRa22/()4BmRD连杆组算到大端的质量，kg。Bm曲柄销合力 与曲柄转角的关系见图 7。()Ra8图 7 曲柄销负荷与曲柄转角的关系1.12 准确性校核(KW) （9）610)(R
8、FpNcTi按照总切力曲线作准确性校核，根据总切曲线计算出平均切力，再按公式 9 进行计算，式中 表示活塞面积，单位是 ； 表示平均切力，单位是 Mpa。再将指示功pF2m()Tcp率与给定功率进行比较，计算出误差。=501.2382kw 610)(RNpcTi= -3.27%i计算出来的误差在 5%以内，符合要求。92 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 3
9、10过渡圆角半径 r 10在初步定出曲轴的尺寸后，应立即作曲柄销和主轴颈最大比压验算：曲轴销 MPaLdDpz56.342max主轴颈 70.182axqpjz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（考虑了过渡圆角的影响） ；q考虑相邻缸的影响系数。四冲程 q1.25；二冲程 q1.50，式中 q=1.2。2.2 曲轴船规验算我国船舶检验局“钢质海船入级与建造规范（2006） ”对船舶柴油机曲轴有10如下规定：对整锻、铸造、半组合或全组合曲轴的主轴颈及曲柄销，其最小直径 d 如下计算。曲轴材料选用铸钢。
10、对锻钢、铸钢、合金钢材料的曲轴：mSpCaLPzAaDbirB 2.149)59016(32 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的距离，L =320mm；LP曲柄销的有效长度，LP=90mm；Pz最高燃烧压力，Pz= 12.5MPa；Pi平均指示压力， MPaniV97.120PsNi由总切力得到的指示功率，Ni=501.2382kW；Vs每缸的工作容积， ；LSs 48.1042704D6-2 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
11、；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，对于原机型的曲轴，B=339；rp过渡圆角半径，rp=10mm；dp曲柄销直径，dp=130mm；b曲臂宽，b=200mm；e轴颈的重叠量，e= （ dp+dj） /2-S/2=0；11r扭转应力集中系数， )/(8570.)/(3482.5)/(64.10895.7()/(923.0 32)/105.2.(r pppdep dbdbdbdp =1.69；由计算结果可知，d=149.2mm150mm，故设计的曲轴可用。12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%
12、Pg1=3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25,3.3,3.35,3.35,3.4,3.45,3.45,3.5,3.75,4,4.25,4.5,4.75,5,5.5,6.5,7,8,9,10.5,13,15,18,21.5,26,32,40,49,59,65,80,105,119,124,125,115,101,87.5,72.5,60,50,43,36.5,32,28,25,22,19.5,18,16.5,15.5,14,13,12.5,1
13、2,11,10.5,10.25,10,9.75,9.5,9,8.5,8,7.75,7,6.5,6,5.5,5,4,3.5,3,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,3;%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 = 35.7
14、6 + 0.347 * 34.76; %活塞组等效质量，kg%mb = 0.653 * 34.76; %连杆组算到大端的质量， 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
15、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,-.);%蓝色的为气缸压力与曲轴转角的关系，黄色为往复惯性力与曲柄转角的关系,红色为总作用力与曲柄转角的关系%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 +
16、 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=1:721for j=1:5m=i+720*j/z;13if m721m=m-720;endSumPt(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 M
17、pa%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的关系%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的关系 %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
18、转角的关系%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的关系%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的关系%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的关系%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)%由总切力计算指示功率%d = ( Ni - Ne/0.85 ) / Ni %计算误差%14
