内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算.docx
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内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算
《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
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=200mmS=270mm
n=600r/minNe=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点利用系数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34.76kg，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
。
由于连杆尺寸并未确定，先按照母型机的连杆质量分配比。
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，质量单位都用kg。
1.3P-φ示功图的求取
将所给的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。
将活塞的位移转换成对应的曲柄转角，以α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α下的气体力值Pg（α），单位为MPa。
用matlab画成曲线见图1，其matlab程序参见附录。
图中实线表示的是气缸压力Pg与曲柄转角a的关系。
图1P,Pg,Pj与曲柄转角a的关系
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的关系。
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（α）计算
（MPa）（3）
活塞侧推力
按照公式3进行计算，式中
表示连杆摆角。
连杆摆角与曲柄转角纯在下列关系：
，活塞侧推力与曲柄转角的关系见图2。
图2活塞侧推力与曲柄转角的关系
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
与曲柄转角的关系见图3。
图3连杆力与曲柄转角的关系
1.8法向力PN（α）计算
（MPa）（5）
法向力
按照公式5计算，法向力
与曲柄转角的关系见图4。
图4法向力与曲柄转角的关系
1.9切向力PT（α）计算
（MPa）（6）
切向力
按照公式6计算，切向力
与曲柄转角的关系见图5。
图5曲柄转角与切向力的关系
1.10总切向力
计算
（MPa）（7）
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。
图6总切力与曲柄转角之间的关系
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）；
—连杆组算到大端的质量，kg。
曲柄销合力
与曲柄转角的关系见图7。
图7曲柄销负荷与曲柄转角的关系
1.12准确性校核
（KW）（9）
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。
再将指示功率与给定功率进行比较，计算出误差。
=501.2382kw
=-3.27%
计算出来的误差在5%以内，符合要求。
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
在初步定出曲轴的尺寸后，应立即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（考虑了过渡圆角的影响）；
q—考虑相邻缸的影响系数。
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
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。
对锻钢、铸钢、合金钢材料的曲轴：
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，
Ni—由总切力得到的指示功率，Ni=501.2382kW；
Vs—每缸的工作容积，
；
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，对于原机型的曲轴，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—轴颈的重叠量，e=（dp+dj）/2-S/2=0；
αr—扭转应力集中系数，
=1.69；
由计算结果可知，d=149.2mm＜150mm，故设计的曲轴可用。
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*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'）
gridon;%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;%
fori=1:
721
forj=1:
5
m=i+720*j/z;
ifm>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的关系%
xlabel（'曲柄转角a/deg'）;%加横坐标%
ylabel（'侧推力Ph/Mpa'）;%加纵坐标%
gridon;%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%
gridon;%添加网格%
figure（4）;%打开新图版%
plot（a,Pn）;%画法向力与曲柄转角的关系%
xlabel（'曲柄转角a/deg'）;%加横坐标%
ylabel（'法向力Pn/Mpa'）;%加纵坐标%
gridon;%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%
gridon;%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%
gridon;%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%
gridon;%添加网格%
Ni=avePt*pi*D^2*R*w/（4*10^6）%由总切力计算指示功率%
d=（Ni-Ne/0.85）/Ni%计算误差%
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