内燃机设计答案

第一章：内燃机设计总论1-1根据公式 ，可以知道，当设计的活塞平均速度Vm 增加时，可以增加有效功率，请叙述活塞平均速度增加带来的副作用有哪些？具体原因是什么？答：①摩损增，机效ηm 下，活塞组的热负荷增，机油温度升，承载力下，发寿命降。

②惯增，导致机负和机振加剧、ηm 降低、寿命低。

③进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv 下降。

1-2汽油机的主要优点是什么？柴油机主要优点是什么？答：柴优：1）燃经好。

2）因为没有点火系统，所以工作可靠性和耐久性好。

3）可通过增压、扩缸来增加功率 4）防火安全性好，因为柴油挥发性差 5）CO 和HC 的排放比汽油机少。

汽优：1）空利率搞，n 高，因而PL 高。

2）因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，所以制造成本低。

3）低温启动性好、加速性好，噪声低。

4）由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小。

5）不冒黑烟，颗粒排放少。

1-3假如柴油机与汽油机的排量一样，都是非增压或者都是增压机型，哪一个升功率高？为什么？答：汽升功率高，在相同进气方式的条件下，①由PL=Pme*n/30τ可知，平均有效压力相差不多。

但由于柴后燃较多，在缸径相同时，转速明显低于汽，因此柴油机的升功率小。

②柴的过量空气系数都大于1，进入气缸的空气不能全部与柴油混合，空气利用率低，在转速相同、缸径相同时，单位容积发出的功率小于汽油机，因此柴油机的升功率低，汽升功率低。

1-4柴油机与汽油机的汽缸直径、行程都一样，假设D=90mm 、S=90mm ，是否都可以达到相同的最大设计转速（如n=6000r/min ）？为什么？ 答：.汽能，柴不能。

因为柴油机是扩散燃烧形式，混合气的燃烧速度慢，达不到汽油混合气的燃烧速度，所以达不到6000r/min 的设计转速。

缸径越大，柴油混合气完成燃烧过程的时间越长，设计转速越低。

1-6目前使发动机产生性能大幅度提高的新型结构措施有哪些？为什么？答：新型燃烧室，多气门（提高ηv ），可变配气相位VVT （提高ηv ），可变进气管长度（提高ηv ）,可变压缩比，可变增压器VGT 、VNT （可根据需要控制进气量），机械-涡轮复合增压，顶置凸轮机构DOHC 、SOHC （结构紧凑，往复惯性力小）。

1-8某发动机为了提高功率，采用了扩大汽缸直径的途径，如果汽缸直径扩大比较多，比如扩大5mm ，与之相匹配的还要改变那些机构的设计？还要进行哪些必要的计算？答：气缸直径改变之后，除估算功率、转矩外，活塞直径、气门直径、气门最大升程要重新确定，活塞环要重新选配，曲轴平衡要重新计算，要进行曲轴连杆机构动力计算和扭振计算，要进行压缩比验算、燃烧室设计、工作过程计算深知重新设计凸轮型线等。

1-9某发动机由于某种原因，改变了活塞行程，与之相匹配的还要进行哪些结构更改设计和计算？答：活塞行程S 改变后，在结构上要重新设计曲轴，要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算、机体高度改变或者曲轴中心移动、压缩比验算与修正、工作过程计算等。

第二章：曲柄连杆机构受力分析2-1写出中心曲柄连杆机构活塞的运动规律表达式，并说出位移、速度和加速度的用途。

用途1活塞位移用于P-φ示功图与P-V 示功图的转换，气门干涉的校验及动力计算2活塞速度用于计算活塞平均速度，用于判断强化程度及计算功率，计算最大素的Vmax ，评价汽缸的磨损3活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行平衡分析及动力计算。

2-2气压力Pg 和往复惯性力Pj 的对外表现是什么？有什么不同？答：气压力Fg 的对外表现为输出转矩，而Fj 的对外表现为有自由力产生使发动机产生的纵向振动。

不同：除了上述两点，还有1.Fjmax < Fgmax 2。

Fj 总是存在，但在一个周期内其正负值相互抵消，做功为零；Fg 是脉冲性，一个周期内只有一个峰值。

第四章：曲轴系统的扭转振动4-1什么是扭振？扭振的现象和原因是什么？答：定义：扭转振动是使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动，简称扭振。

现象：1）发动机在某一转速下发生剧烈抖动，噪声增加，磨损增加，油耗增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。

2）发动机偏离该转速时，上述现象消失。

原因：1）曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成。

本身具有一定的固有频率。

2）系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。

3）干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，系统产生共振。

4-2列出单自由度扭振系统的自由振动方程，求出微分方程的解和初相位。

其中sin()a k t k M k t ωδ+为转矩的第k 阶谐量，表示该谐量在在2π周期内变化k 次，称为摩托阶数。

对于四冲程发动机，曲轴两转即4π角为一个周期，因此相对于数学上的周期来讲，曲轴一转（2π）内四冲程发动机第k 阶力矩仅变化了K/2次，因此四冲程的摩托阶数存在半阶数。

4-5对于多拐曲轴，可以画出几个相位图？什么情况是主谐量？什么情况是次主谐量？答：1）当谐量的阶数为曲轴每一转中点火次数的整数倍时（k=2im/τ），该阶振幅矢量位于同一方向，可以用代数方法合成，该阶谐量称为主谐量。

2）当k=(2m-1)i/τ时，各曲拐该阶力矩幅值作用在同一直线上，方向不同，称为次主谐量。

3）曲拐侧视图有q 个不同方向的曲拐，则有q τ/2个相位图。

4-6什么是临界转速？如何求对应第k 阶谐量引起的临界速度？计算和分析扭振的条件是什么？答：曲轴固有频率与外界干扰力矩“合拍”，产生扭转共振的转速称为临界转速。

共振时，k ωt =ωe ，则ωt =ωe /k ,其中ωt 为曲轴转动角频率。

计算和分析扭转共振的三个条件为：①k n在发动机工作转速范围内，方能称为临界转速②一般只考虑摩托阶数k ≤18的情况，因为k 值太大时，对应的谐量幅值很小③一般只考虑前两阶或前三阶固有频率4-7计算曲轴系统扭振的假设条件是什么？答：1）强迫振动引起的共振振型与自由振动的振型相同 2）只有引起共振的那一阶力矩对系统有能量输入 3）共振时激发力矩所做的功，等于曲轴上的阻尼功第五章：配气机构设计5-1配气机构中平底挺柱的几何运动速度与凸轮接触点偏心距的关系如何？设计平底挺柱时，挺柱底面半径要满足什么要求？答：数值相等。

平底挺柱的底面半径要大于最大偏心距，也就是在数值上要大于挺柱的最大几何速度。

5-3配气凸轮除工作段外，都要有缓冲段，为什么？答：1）由于气门间隙的存在，使得气门实际开启时刻迟于挺柱动作时刻2）由于弹簧预紧力的存在，使得机构在一开始要产生压缩弹性变形，等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧力之后，气门才能开始运动3）由于缸内气压力的存在，尤其是排气门，气缸压力的作用与气门弹簧预紧力的作用相同，都是阻止气门开启，使气门迟开。

上述原因的综合作用使得气门的实际开启时刻迟于理论开启时刻，若没有缓冲段，气门的初速度短时间内由零变得很大，有很强的冲击作用。

同样，当气门落座时末速度很大，会对气门座产生强烈冲击，气门机构的磨损和噪声加剧。

为了补偿气门间隙以及预紧力和气缸压力造成的弹性变形，要在实际工作段前后增设缓冲段，保证气门开启和落座时处于很小的速度。

5-7如何确定气门的最大升程，为什么？答：气门最大升程Hmax 与气门直径d 的关系应为Hmax/d=0.25。

考虑到惯性载荷和活塞上止点时可能与气门发生干涉的问题，一般进气门的H/dvi=0.26~0.28。

为保证有足够的流通面积和减少活塞推出功，一般排气门H/dve=0.3~0.355-9通常的气门锥角是多少？增压发动机的气门锥角有何变化？为什么？答：一般45γ=o 。

增压柴， 30γ=o 因为增缸内压力高，气门盘受力变形大与气门座的相对滑移量大，而且不同于非增压发动机，完全排除了从气门导管获得机油的可能，因此，气门与气门座磨损的问题更加突出。

增压发动机采用较小的气门锥角，就是为了减少与气门座的相对滑移量，减轻磨损。

5-11凸轮设计完成后，如何验算气门与活塞是否相碰？答：⑴ 缸垫按压紧后的厚度计算，除主轴承及活塞销孔以外，曲柄连杆机构的间隙均偏向一侧，使活塞处于最高处。

确定活塞在上止点的最高位置。

2) 画出活塞位移曲线；3) 根据键槽，齿形及它们与曲拐所在平面、凸轮轴位置间的制造公差，进行正时齿轮传动机构的尺寸链计算，确定进、排气门的实际开闭时刻并按照同一比例画出进排气门 升程曲线，气门升程对应的角度要换算成曲轴转角；4) 观察气门升程曲线与活塞位移曲线是否相交；如果相交，则需要在活塞上开避让坑， 或者改变配气相位。

第六章：曲轴飞轮组设计6-1提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施分别有哪些？为什么？答：结构措施：1）加大曲轴轴颈的重叠度A(A 增大，曲轴抗弯和抗扭刚度增加)2）加大轴颈附近的过渡圆角（可减小应力集中效应，提高抗弯疲劳强度）3）采用空心曲轴（可提高曲轴抗弯强度，同时课减轻曲轴重量和曲轴离心力）4）沉割圆角（可在增加圆角半径的同时保证轴颈的有效承载长度）5）开卸载槽（在相同载荷条件下，可使曲柄销圆角的最大压力值有所降低）工艺措施：1）圆角滚压强化 2）圆角淬火强化3）喷丸强化处理 4）氮化处理6-2曲轴的连杆轴颈不变，增大主轴颈直径D1，有何优点？缺点是什么？答：D 2不变，D 1增大 优点: 1. 可提高曲轴刚度，增加曲柄刚度而不增加离心力 2. 可增加扭转刚度，固有频率We 增加，转动惯量I 增加不多 缺点：主轴承圆周速度增加，摩擦损失增加，油温升高。

6-3为什么说连杆轴颈负荷大于主轴颈负荷？实际中主轴颈直径D1和连杆轴颈直径D2哪一个尺寸大？答：对于每个曲拐而言，连杆轴颈是一个，主轴颈有两个。

连杆轴颈承受着由连杆传来全部载荷，而每个主轴颈则只承担一半载荷，所以主轴颈载荷小于连杆轴颈载荷。

实际设计中主轴颈D1大于连杆轴颈D2，D1/D2≈1.05～1.25，因为增加主轴颈可以增加曲轴的重叠度，提高曲轴的抗弯刚度和抗疲劳强度，同时不增加曲轴的离心载荷。

6-5曲轴的工作条件是什么？设计时有什么要求？答：工作条件：1）受周期变化的力、力矩共同作用，曲轴既受弯曲又受扭转，承受交变疲劳载荷，重点是弯曲载荷； 2）由于曲轴形状复杂，应力集中严重，特别是在曲柄与轴颈过度的圆角部分；3）曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重。

设计要求：1）有足够的耐疲劳强度2）有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨；3）尽量减少应力集中； 4）刚度要好，变形小，否则使其他零件的工作条件恶化。

一般在制造工艺稳定的条件下，钢制曲轴的安全系数n ≥1.5，对于高强度球墨铸铁曲 轴，由于材料质量不均匀，而且疲劳强度的 分散度比较大，应取n ≥1.8。

第七章：连杆组设计7-1连杆的拉伸载荷是由什么造成的？计算连杆不同截面的拉伸应力时，如何考虑？往复惯性力所造成的；7-2计算连杆的最大拉伸应力选取什么工况？答：标定转速工况（最大转速）7-3计算连杆的压缩载荷时选取什么工况？答：最大转矩工况和全负荷情况下的标定转速工况，而且要兼顾连杆侧弯的情况是否发生。