《內(nèi)燃機設(shè)計》課后習(xí)題答案(袁兆成主編)

1、第一章：內(nèi)燃機設(shè)計總論1-1根據(jù)公式 ，可以知道，當(dāng)設(shè)計的活塞平均速度vm增加時，可以增加有效功率，請敘述活塞平均速度增加帶來的副作用有哪些？具體原因是什么？答：摩擦損失增加，機械效率m下降，活塞組的熱負荷增加，機油溫度升高，機油承 載能力下降，發(fā)動機壽命降低。慣性力增加，導(dǎo)致機械負荷和機械振動加劇、機械效率降低、壽命低。進排氣流速增加，導(dǎo)致進氣阻力增加、充氣效率v下降。1-2汽油機的主要優(yōu)點是什么？柴油機主要優(yōu)點是什么？答：柴油機優(yōu)點：1）燃料經(jīng)濟性好。 2）因為沒有點火系統(tǒng)，所以工作可靠性和耐久性好。 3）可以通過增壓、擴缸來增加功率。 4）防火安全性好，因為柴油揮發(fā)性差。 5）co和hc

2、的排放比汽油機少。 汽油機優(yōu)點：1）空氣利用率高，轉(zhuǎn)速高，因而升功率高。 2）因為沒有柴油機噴油系統(tǒng)的精密偶件，所以制造成本低。 3）低溫啟動性好、加速性好，噪聲低。 4）由于升功率高，最高燃燒壓力低，所以結(jié)構(gòu)輕巧，比質(zhì)量小。 5）不冒黑煙，顆粒排放少。1-3假如柴油機與汽油機的排量一樣，都是非增壓或者都是增壓機型，哪一個升功率高？為什么？答：汽油機的升功率高，在相同進氣方式的條件下， 由pl=pme*n/30可知，汽油機與柴油機的平均有效壓力相差不多。但是由于柴油機后燃較多，在缸徑相同情況下，轉(zhuǎn)速明顯低于汽油機，因此柴油機的升功率小。 柴油機的過量空氣系數(shù)都大于1，進入氣缸的空氣不能全部與柴

3、油混合，空氣利用率低，在轉(zhuǎn)速相同、缸徑相同情況下，單位容積發(fā)出的功率小于汽油機，因此柴油機的升功率低，汽油機的升功率高。 1-4柴油機與汽油機的汽缸直徑、行程都一樣，假設(shè)d=90mm、s=90mm，是否都可以達到相同的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速（如n=6000r/min）？為什么？答：.對于汽油機能達到，但是柴油機不能。因為柴油機是擴散燃燒形式，混合氣的燃燒速度慢，達不到汽油混合氣的燃燒速度，所以達不到6000r/min的設(shè)計轉(zhuǎn)速。缸徑越大，柴油混合氣完成燃燒過程的時間越長，設(shè)計轉(zhuǎn)速越低。1-5活塞平均速度提高，可以強化發(fā)動機動力性，請分析帶來的副作用是什么？答：摩擦損失增加，機械效率m下降，活塞組的熱負荷

4、增加，機油溫度升高，機油承載能力下降，發(fā)動機壽命降低。 慣性力增加，導(dǎo)致機械負荷和機械振動加劇、機械效率降低、壽命低。進排氣流速增加，導(dǎo)致進氣阻力增加、充氣效率v下降。1-6目前使發(fā)動機產(chǎn)生性能大幅度提高的新型結(jié)構(gòu)措施有哪些？為什么？答：新型燃燒室，多氣門（提高v），可變配氣相位vvt（提高v），可變進氣管長度（提高v）,可變壓縮比，可變增壓器vgt、vnt（可根據(jù)需要控制進氣量），機械-渦輪復(fù)合增壓，頂置凸輪機構(gòu)dohc、sohc（結(jié)構(gòu)緊湊，往復(fù)慣性力?。?-8某發(fā)動機為了提高功率，采用了擴大汽缸直徑的途徑，如果汽缸直徑擴大比較多，比如擴大5mm，與之相匹配的還要改變那些機構(gòu)的設(shè)計？還要進

5、行哪些必要的計算？答：氣缸直徑改變之后，除估算功率、轉(zhuǎn)矩外，活塞直徑、氣門直徑、氣門最大升程要重新確定，活塞環(huán)要重新選配，曲軸平衡要重新計算，要進行曲軸連桿機構(gòu)動力計算和扭振計算，要進行壓縮比驗算、燃燒室設(shè)計、工作過程計算深知重新設(shè)計凸輪型線等。1-9某發(fā)動機由于某種原因，改變了活塞行程，與之相匹配的還要進行哪些結(jié)構(gòu)更改設(shè)計和計算？答：活塞行程s改變后，在結(jié)構(gòu)上要重新設(shè)計曲軸，要重新進行曲柄連桿機構(gòu)動力計算、平衡計算、機體高度改變或者曲軸中心移動、壓縮比驗算與修正、工作過程計算等。第二章：曲柄連桿機構(gòu)受力分析2-1寫出中心曲柄連桿機構(gòu)活塞的運動規(guī)律表達式，并說出位移、速度和加速度的用途。答：x

6、 = r(1-cos)+ /4(1-cos2) = x+x; v = r(sin+sin2*/2) = v+v; a = r2(cos+cos2) = a+a;用途：1）活塞位移用于p-示功圖與p-v示功圖的轉(zhuǎn)換，氣門干涉的校驗及動力計算； 2）活塞速度用于計算活塞平均速度vm= =18 m/s，用于判斷強化程度及計算功率，計算最大素的vmax，評價汽缸的磨損； 3）活塞加速度用于計算往復(fù)慣性力的大小和變化，進行平衡分析及動力計算。2-2氣壓力pg和往復(fù)慣性力pj的對外表現(xiàn)是什么？有什么不同？答：氣壓力fg的對外表現(xiàn)為輸出轉(zhuǎn)矩，而fj的對外表現(xiàn)為有自由力產(chǎn)生使發(fā)動機產(chǎn)生的縱向振動。 不同：除了

7、上述兩點，還有 · fjmax < fgmax · fj總是存在，但在一個周期內(nèi)其正負值相互抵消，做功為零；fg是脈沖性，一個周期內(nèi)只有一個峰值。 第三章：內(nèi)燃機的平衡3-1四沖程四缸機，點火順序1-3-4-2，試分析旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩，第一階、第二階往復(fù)慣性力和力矩，如不平衡，請采取平衡措施。答：解：點火間隔角為 a= =180° （1） 作曲柄圖和軸測圖，假設(shè)缸心距為a。 一階曲柄圖二階曲柄圖軸測圖 （2） 慣性力分析。根據(jù)一階曲柄圖和二階曲柄圖作力的矢量圖，做如圖所示的四拐平面曲軸往復(fù)慣性力矩圖。由于二階慣性力不平衡，所以不能分析二階力矩，因為此時隨著取

8、矩點的不同，合力矩的結(jié)果是不一樣的。 一階往復(fù)慣性力二階往復(fù)慣性力一階往復(fù)慣性力矩3-2二沖程四缸機，點火順序1-3-4-2，試分析旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩，第一階、第二階往復(fù)慣性力和力矩，如不平衡，請采取平衡措施。并指出mj1max及出現(xiàn)時刻。答：解：點火間隔角為a=90° （1）作曲柄圖和軸測圖。 （2）慣性力分析。顯然，一階和二階往復(fù)慣性力之和都等于零，即frji=0，frjii=0，靜平衡。 （3）慣性力分析。根據(jù)右手定則向第四拐中心取矩，得到在水平軸上的投影 mjix=accos18°26。 可以看出，在第一缸曲拐處于上止點前18°26時，該機有最大一階往復(fù)慣性

9、力，即旋轉(zhuǎn)慣性力矩（4）平衡措施。采用整體平衡方法，有 3-3四沖程三缸機，點火順序1-3-2，試分析旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩，第一階、第二階往復(fù)慣性力和力矩，如不平衡，請采取平衡措施。并指出mj1max及出現(xiàn)時刻。答：解：點火間隔角為a=240°（1） 作曲柄圖和軸測圖 三拐曲軸一、二階曲柄圖和軸測圖 （2）做慣性力矢量圖 一階慣性力 二階慣性力得到 ?（3）做力矩圖 往復(fù)慣性力矩圖旋轉(zhuǎn)慣性力圖旋轉(zhuǎn)慣性力矩（4） 采用用整體平衡法 3-4為了一個四沖程（1-3-4-2）設(shè)計一套用于平衡二階往復(fù)慣性力的雙軸平衡機構(gòu)。答：此時發(fā)動機支撐還承受發(fā)動機本身重量和由于曲柄變形而產(chǎn)生的彎矩作用。 （1

10、）一階往復(fù)慣性力的平衡分析： 如上圖所示，以氣缸夾角平分線為始點，左右兩列氣缸的一階往復(fù)慣性力分別為 =ccos(+)= ccos(-)向x軸和y軸投影，再求和，得 =+=ccos?(1+cos)=+=csin?(1-cos)合力=c 合力方向=arctan而+=1，所以的端點軌跡是一個橢圓。 當(dāng)<時，為長半軸； 當(dāng)>時，為長半軸； 當(dāng)=時，=c,其端點軌跡是一個圓。 （2）二階往復(fù)慣性力的平衡分析 同樣以氣缸夾角平分線為起始點，左右兩列氣缸的二階慣性力表示為 =ccos2=ccos2在坐標(biāo)軸上的投影為： =2ccoscoscos2=2csinsinsin2也是橢圓，合力為 =2c

11、合力方向為當(dāng)=時，有=，=，變?yōu)樗椒较虻耐鶑?fù)慣性力，可以用蘭氏機構(gòu)平衡。 結(jié)論：=時，為一個圓，相當(dāng)于離心力；為往復(fù)慣性力，方向垂直于氣缸夾角平分線。3-5四沖程六缸機的慣性力和慣性力矩都已經(jīng)平衡了，此發(fā)動機的支撐還承受什么力作用？答：解：點火間隔角為a=120° （1）作曲柄圖和軸測圖 三拐曲軸一、二階曲柄圖和軸測圖 （2）做慣性力矢量圖 一階慣性力二階慣性力得到 ，（3）做力矩圖 往復(fù)慣性力矩圖旋轉(zhuǎn)慣性力圖第四章：曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動4-1什么是扭振？扭振的現(xiàn)象和原因是什么？答：定義：扭轉(zhuǎn)振動是使曲軸各軸段間發(fā)生周期性相互扭轉(zhuǎn)的振動，簡稱扭振。 現(xiàn)象：1）發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)生劇

12、烈抖動，噪聲增加，磨損增加，油耗增加，功率下降，嚴重時發(fā)生曲軸扭斷。2）發(fā)動機偏離該轉(zhuǎn)速時，上述現(xiàn)象消失。原因：1）曲軸系統(tǒng)由具有一定彈性和慣性的材料組成。本身具有一定的固有頻率。2）系統(tǒng)上作用有大小和方向呈周期性變化的干擾力矩。3）干擾力矩的變化頻率與系統(tǒng)固有頻率合拍時，系統(tǒng)產(chǎn)生共振。4-2列出單自由度扭振系統(tǒng)的自由振動方程，求出微分方程的解和初相位。答：彈性力矩 ,慣性力矩根據(jù)理論力學(xué)，得+ =0 ，+ =0 此二階線性齊次微分方程的解為：其中，4-4什么是力矩簡諧分析的摩托階數(shù)？為什么四沖程發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩表達式中，簡諧階數(shù)不都是自然數(shù)，有半數(shù)的階數(shù)？答： = 其中為轉(zhuǎn)矩的第k階諧量，表示該

13、諧量在在周期內(nèi)變化k次，稱為摩托階數(shù)。對于四沖程發(fā)動機，曲軸兩轉(zhuǎn)即角為一個周期，因此相對于數(shù)學(xué)上的周期來講，曲軸一轉(zhuǎn)（）內(nèi)四沖程發(fā)動機第k階力矩僅變化了次，因此四沖程的摩托階數(shù)存在半階數(shù)。4-5對于多拐曲軸，可以畫出幾個相位圖？什么情況是主諧量？什么情況是次主諧量？答：1）當(dāng)諧量的階數(shù)為曲軸每一轉(zhuǎn)中點火次數(shù)的整數(shù)倍時（k=2im/），該階振幅矢量位于同一方向，可以用代數(shù)方法合成，該階諧量稱為主諧量。2）當(dāng)k=(2m-1)i/時，各曲拐該階力矩幅值作用在同一直線上，方向不同，稱為次主諧量。3）曲拐側(cè)視圖有q個不同方向的曲拐，則有q/2個相位圖。4-6什么是臨界轉(zhuǎn)速？如何求對應(yīng)第k階諧量引起的臨界

14、速度？計算和分析扭振的條件是什么？答：曲軸固有頻率與外界干擾力矩“合拍”，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)共振的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。共振時，kt =e ，則t =e /k ,其中t為曲軸轉(zhuǎn)動角頻率。 計算和分析扭轉(zhuǎn)共振的三個條件為：在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，方能稱為臨界轉(zhuǎn)速一般只考慮摩托階數(shù)k18的情況，因為k值太大時，對應(yīng)的諧量幅值很小一般只考慮前兩階或前三階固有頻率4-7計算曲軸系統(tǒng)扭振的假設(shè)條件是什么？答：1）強迫振動引起的共振振型與自由振動的振型相同 2）只有引起共振的那一階力矩對系統(tǒng)有能量輸入 3）共振時激發(fā)力矩所做的功，等于曲軸上的阻尼功4-8如果知道第一個集中質(zhì)量的絕對振幅，其他集中質(zhì)量的振幅如何求出？為什

15、么？答：因為共振時阻尼功等于激振功，激振頻率等于固有頻率，即= , ，= ,所以1sin= -kt,1 = ,則由，可以求出所有集中質(zhì)量的絕對振幅第五章：配氣機構(gòu)設(shè)計5-1配氣機構(gòu)中平底挺柱的幾何運動速度與凸輪接觸點偏心距的關(guān)系如何？設(shè)計平底挺柱時，挺柱底面半徑要滿足什么要求？答：數(shù)值相等。平底挺柱的底面半徑要大于最大偏心距，也就是在數(shù)值上要大于挺柱的最大幾何速度。5-2氣門通過時間斷面是如何求出的？答：，其中5-3配氣凸輪除工作段外，都要有緩沖段，為什么？答：1）由于氣門間隙的存在，使得氣門實際開啟時刻遲于挺柱動作時刻2）由于彈簧預(yù)緊力的存在，使得機構(gòu)在一開始要產(chǎn)生壓縮彈性變形，等到彈性變形

16、力克服了氣門彈簧預(yù)緊力之后，氣門才能開始運動3）由于缸內(nèi)氣壓力的存在，尤其是排氣門，氣缸壓力的作用與氣門彈簧預(yù)緊力的作用相同，都是阻止氣門開啟，使氣門遲開。上述原因的綜合作用使得氣門的實際開啟時刻遲于理論開啟時刻，若沒有緩沖段，氣門的初速度短時間內(nèi)由零變得很大，有很強的沖擊作用。同樣，當(dāng)氣門落座時末速度很大，會對氣門座產(chǎn)生強烈沖擊，氣門機構(gòu)的磨損和噪聲加劇。為了補償氣門間隙以及預(yù)緊力和氣缸壓力造成的彈性變形，要在實際工作段前后增設(shè)緩沖段，保證氣門開啟和落座時處于很小的速度。5-4凸輪緩沖段由等加速等速兩段組成，已知緩沖段高度h0、速度v0、緩沖段包角 ，等加速度包角 ，請寫出緩沖段各段的方程式

17、。答：等加速段：，等速段： ，5-5寫出高次多項式凸輪型線的表達式。答：5-7如何確定氣門的最大升程，為什么？答：氣門最大升程hmax與氣門直徑d的關(guān)系應(yīng)為hmax/d=0.25?？紤]到慣性載荷和活塞上止點時可能與氣門發(fā)生干涉的問題，一般進氣門的h/dvi=0.260.28。為保證有足夠的流通面積和減少活塞推出功，一般排氣門h/dve=0.30.355-8寫出凸輪型線豐滿系數(shù)表達式，并陳述其含義？答： ，式中，為挺柱或氣門的位移；為凸輪工作半包角；為挺柱或氣門的最大位移或者升程；是緩沖段的高度；為挺柱位移對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角。凸輪型線豐滿系數(shù)是一個相對量，表示的是位移曲線下的面積與最大升程和工作半包

18、角組成的矩形面積之比。在設(shè)計凸輪型線時，經(jīng)常用來評判型線設(shè)計的好壞。5-9通常的氣門錐角是多少？增壓發(fā)動機的氣門錐角有何變化？為什么？答：一般發(fā)動機的氣門錐角。而對于增壓柴油機，氣門錐角，這是因為增壓發(fā)動機缸內(nèi)壓力高，氣門盤受力變形大與氣門座的相對滑移量大，而且不同于非增壓發(fā)動機，完全排除了從氣門導(dǎo)管獲得機油的可能，因此，氣門與氣門座磨損的問題更加突出。增壓發(fā)動機采用較小的氣門錐角，就是為了減少與氣門座的相對滑移量，減輕磨損。5-10如何利用配氣相位圖計算出進、排氣凸輪的工作段包角及半包角、同缸異名凸輪相對夾角、同名異缸凸輪相對夾角以及確定凸輪軸與曲軸的相對位置。 壓縮上止點 膨脹下止點 排氣

19、桃尖 上止點 進氣桃尖 進氣下止點 e1- i1 e2 i2答：排氣凸輪工作段包角為 排氣凸輪工作段包角為 進氣凸輪工作段包角為 進氣凸輪工作段包角為同缸異名凸輪相對夾角為 異缸同名凸輪相對夾角為, 其中a為相應(yīng)氣缸點火間隔角當(dāng)活塞位于壓縮上止點時，排氣凸輪相對于挺柱軸線的夾角為5-11凸輪設(shè)計完成后，如何驗算氣門與活塞是否相碰？答： 缸墊按壓緊后的厚度計算，除主軸承及活塞銷孔以外，曲柄連桿機構(gòu)的間隙均偏向一側(cè)，使活塞處于最高處。確定活塞在上止點的最高位置。2) 畫出活塞位移曲線；3) 根據(jù)鍵槽，齒形及它們與曲拐所在平面、凸輪軸位置間的制造公差，進行正時齒輪傳動機構(gòu)的尺寸鏈計算，確定進、排氣門

20、的實際開閉時刻并按照同一比例畫出進排氣門 升程曲線，氣門升程對應(yīng)的角度要換算成曲軸轉(zhuǎn)角；4) 觀察氣門升程曲線與活塞位移曲線是否相交；如果相交，則需要在活塞上開避讓坑， 或者改變配氣相位。第六章：曲軸飛輪組設(shè)計6-1提高曲軸疲勞強度的結(jié)構(gòu)措施和工藝措施分別有哪些？為什么？答：結(jié)構(gòu)措施：1）加大曲軸軸頸的重疊度a(a增大，曲軸抗彎和抗扭剛度增加) 2）加大軸頸附近的過渡圓角（可減小應(yīng)力集中效應(yīng)，提高抗彎疲勞強度） 3）采用空心曲軸（可提高曲軸抗彎強度，同時課減輕曲軸重量和曲軸離心力） 4）沉割圓角（可在增加圓角半徑的同時保證軸頸的有效承載長度） 5）開卸載槽（在相同載荷條件下，可使曲柄銷圓角的最

21、大壓力值有所降低） 工藝措施：1）圓角滾壓強化（表面產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力，抵消部分工作拉伸應(yīng)力，提高曲軸的疲勞強度，還可降低圓角的表面粗糙度值，消除表面缺陷） 2）圓角淬火強化（用熱處理的方法是金屬發(fā)生組織相變，發(fā)生體積膨脹而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強度，還能提高硬度和表面的耐磨性） 3）噴丸強化處理（屬于冷作硬化變形，在金屬表面留下壓應(yīng)力，是表面硬度提高，從而提高疲勞強度） 4）氮化處理（利用輝光離子氮化或氣體軟氮化方法，使氮氣滲入曲軸表面，由于氮的擴散作用，使金屬體積增大，產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，提高疲勞強度）6-2曲軸的連桿軸頸不變，增大主軸頸直徑d1，有何優(yōu)點？缺點是什么？答：d2不變，d1增大 優(yōu)點

22、: 1. 可提高曲軸剛度，增加曲柄剛度而不增加離心力 2. 可增加扭轉(zhuǎn)剛度，固有頻率we增加，轉(zhuǎn)動慣量i增加不多 缺點：主軸承圓周速度增加，摩擦損失增加，油溫升高。6-3為什么說連桿軸頸負荷大于主軸頸負荷？實際中主軸頸直徑d1和連桿軸頸直徑d2哪一個尺寸大？答：對于每個曲拐而言，連桿軸頸是一個，主軸頸有兩個。連桿軸頸承受著由連桿傳來全部載荷，而每個主軸頸則只承擔(dān)一半載荷，所以主軸頸載荷小于連桿軸頸載荷。實際設(shè)計中主軸頸d1大于連桿軸頸d2，d1/d21.051.25，因為增加主軸頸可以增加曲軸的重疊度，提高曲軸的抗彎剛度和抗疲勞強度，同時不增加曲軸的離心載荷。6-4多拐曲軸強度最薄弱的環(huán)節(jié)是曲

23、柄，曲柄的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有哪兩個？他們各自的變化對其強度有何影響？答：曲柄的主要參數(shù)是厚度（h）和寬度（b） 曲柄界面的抗彎截面系數(shù)w=bh2/6,由此可知，h提高10%，w理論上升20%，實際上升40%，因為h的增大，則磨圓處應(yīng)力集中現(xiàn)象減輕，使應(yīng)力分布趨于均勻；b上升10%，w理論上升10%，實際上升5%，由于b上升，應(yīng)力分布不均勻更加嚴重。6-5曲軸的工作條件是什么？設(shè)計時有什么要求？答：工作條件：1）受周期變化的力、力矩共同作用，曲軸既受彎曲又受扭轉(zhuǎn)，承受交變疲勞載荷，重點是彎曲載荷； 2）由于曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴重，特別是在曲柄與軸頸過度的圓角部分； 3）曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴

24、重。 設(shè)計要求：1）有足夠的耐疲勞強度 2）有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨； 3）盡量減少應(yīng)力集中； 4）剛度要好，變形小，否則使其他零件的工作條件惡化。一般在制造工藝穩(wěn)定的條件下，鋼制曲軸的安全系數(shù)n1.5，對于高強度球墨鑄鐵曲 軸，由于材料質(zhì)量不均勻，而且疲勞強度的 分散度比較大，應(yīng)取n1.8。第七章：連桿組設(shè)計7-1連桿的拉伸載荷是由什么造成的？計算連桿不同截面的拉伸應(yīng)力時，如何考慮？答：連桿的拉伸載荷主要是由于往復(fù)慣性力所造成的； 在計算不同截面的拉伸應(yīng)力可用下式： fj =(m+m1)(1+)r2 其中，m、m1分別為活塞組和計算斷面以上那部分往復(fù)運動的連桿質(zhì)量。7-2計算連桿的最

25、大拉伸應(yīng)力選取什么工況？答：標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況（最大轉(zhuǎn)速）7-3計算連桿的壓縮載荷時選取什么工況？答：最大轉(zhuǎn)矩工況和全負荷情況下的標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況，而且要兼顧連桿側(cè)彎的情況是否發(fā)生。7-4影響連桿小頭應(yīng)力分布的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是什么？答：固定角受拉伸載荷時，增大，應(yīng)力不均勻增加，max增大；受壓縮載荷時，增大，應(yīng)力不均勻性及最大值急劇增長，而且比拉伸載荷的情況更加嚴重。第八章：活塞組設(shè)計8-1活塞的工作條件是什么，請分項論述。然后論述對活塞的設(shè)計要求。答：1）高溫導(dǎo)致熱負荷大 :活塞在氣缸內(nèi)工作時，活塞頂面承受瞬變高溫燃氣的作用，燃氣的最高溫度可達20002500，因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?。溫度分布不均勻，?/p>

26、很大的熱應(yīng)力； 2）高壓沖擊性的高機械負荷：高壓包括兩方面活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，氣壓力pz(mpa )一般在膨脹沖程開始的上止點后10°20°達到最大?；钊M在氣缸里作高速往復(fù)運動，產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力fjmax 3）高速滑動：內(nèi)燃機在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向力是較大的，特別是在短連桿內(nèi)燃機中； 4）交變的側(cè)壓力：活塞上下行程時活塞要改變壓力面，側(cè)向力方向不斷變化，造成了活塞在工作時承受交變的側(cè)向載荷。設(shè)計要求: 1）選用熱強度好，散熱性好，膨脹系數(shù)小，耐磨、有良好減磨性和工藝性的材料 2）形狀和壁厚合理，吸熱少，散熱好，強度和剛度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中

27、，與缸套有最佳的配合間隙 3）密封性好，摩擦損失小 4）重量輕。8-2活塞環(huán)的工作應(yīng)力與套裝應(yīng)力之間是什么關(guān)系？請用公式說明。實際上應(yīng)如何考慮？答：max + max = 3.4et2 / (d - t)2 = 常量 一般選擇max = （1.2 1.5）max ，因為套裝時間很短。8-3高轉(zhuǎn)速發(fā)動機與低轉(zhuǎn)速發(fā)動機對活塞初始彈力p0的要求有什么不同？為什么？缸徑對p0的要求如何，為什么？答：當(dāng)轉(zhuǎn)速n提高時，應(yīng)提高。因為活塞速度高，由于節(jié)流作用，活塞環(huán)背壓下降。當(dāng)活塞直徑增加時，活塞環(huán)的工作應(yīng)力增加，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少初彈力，方能減少活塞環(huán)的工作應(yīng)力。8-5高速內(nèi)燃機對活塞材料的要求是什么？答：要求（

28、1）熱強度好，散熱性好；（2）重量輕，慣性??；（3）膨脹系數(shù)??；（4）密度小 （5）熱導(dǎo)率大 （6）有良好減摩性和工藝性8-6活塞銷通常采用什么材料？為什么？如何保證活塞銷表面耐磨？答：活塞銷通常用低碳鋼和合金鋼制造。在負荷不高的發(fā)動機中常用15.、20、15cr、20cr、和20mn2鋼；在強化發(fā)動機上，采用高級合金鋼，如12crni3a/18crmnti2及20simnvb等，有時也可用45中碳鋼。 之所以選擇這樣的材料是因為根據(jù)活塞的工作條件和設(shè)計要求，活塞銷應(yīng)具有足夠高的機械強度和耐磨性、同時還要有較高的疲勞強度，活塞銷的摩擦表面應(yīng)具有高硬度。內(nèi)部應(yīng)富有韌性和較高的強度，但是硬的表層和

29、內(nèi)部必須緊密結(jié)合，保證活塞銷在沖擊載荷的作用下沒有金屬剝落和金屬層之間的分離現(xiàn)象。為保證活塞銷表面硬并且耐磨，對其表面進行熱處理。對于低碳鋼材料的活塞銷表面要進行滲碳和淬火。對于45鋼的活塞銷則是進行表面淬火，注意淬火時不能將活塞銷淬透，否則活塞銷變脆。8-7減輕活塞熱負荷的設(shè)計措施有哪些？答：1）盡量減小頂部受熱面積；強化頂面，采用不同的材料或?qū)⒈砻孢M行處理。2）保證熱流暢通。3）采用適當(dāng)?shù)幕鹆Π陡叨取?）頂部內(nèi)側(cè)噴油冷卻。5）頂部設(shè)油腔冷卻。8-8活塞銷座的工作條件如何？解決活塞銷和活塞銷座變形不協(xié)調(diào)的措施有哪些？答：工作條件：活塞銷座承受周期變化的氣體作用力和活塞銷座以上部分的往復(fù)慣性力

30、的作用，這些力都是帶有沖擊性的；從運動情況看，活塞銷在活塞銷座中由于連桿小頭的制約，其轉(zhuǎn)動角度很小，在這樣小的轉(zhuǎn)動角度下，很難在銷與銷孔之間形成一層良好的油膜，所以潤滑條件較差。采取措施：1） 在活塞銷座與頂部連接處設(shè)置加強肋，增加活塞銷座的剛度。 2） 將銷孔內(nèi)緣加工成圓角或者倒棱，或?qū)⒒钊N座內(nèi)側(cè)上部加工出一個彈性凹槽，可以減輕活塞銷座的棱緣負荷； 3) 將銷孔中心相對活塞銷座外圓向下偏心3 4 mm，將活塞銷座的厚度上面比下面大些，以加強活塞銷座承壓強度； 4）將活塞銷座間距縮小，以減小活塞銷的彎曲； 5）鑄鋁活塞的銷孔中壓入鍛鋁合金的襯套，可提高抗裂紋能力。8-9活塞群部在工作時銷軸方

31、向變形大，請問原因是什么？一般采用什么措施來進行限制？答：1) 活塞受到側(cè)向力fn 作用，承受側(cè)向力作用的裙部表面，就有被壓扁的傾向，使它在活塞銷方向上的尺寸增大；2）由于加在活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲，使整個活塞在活塞銷座方向上的尺寸變大；3）由于溫度升高引起熱膨脹，其中活塞銷座部分因壁厚比其他地方要厚，剛度大，所以發(fā)生熱膨脹時的變形比較嚴重。防止裙部變形的主要方法有：選擇膨脹系數(shù)小的材料，進行反橢圓設(shè)計，采用絕熱槽，銷座采用恒范鋼片，裙部加鋼筒等方法來達到。第九章：內(nèi)燃機滑動軸承設(shè)計9-1內(nèi)燃機滑動軸承的過盈量有幾種表示方法？各是什么？答：軸承的

32、過盈量主要通過3種表示方法：1) 自由彈勢軸瓦在自由狀態(tài)下的開口直徑為+，一般為=（0.252.5）mm。2) 半圓周過盈量h (mm) 式中，為軸瓦內(nèi)孔直徑（mm），=-;為應(yīng)力系數(shù)（n/）; 為最小預(yù)加壓縮應(yīng)力（n/）。3) 余面高度 u (mm) 在試驗壓力(n)作用下，試驗壓縮量v(mm)為 則= = 式中，為當(dāng)量壁厚(mm)，=（）+,為減摩層厚度，為減摩層折算系數(shù)；為寬度(mm)。9-2對內(nèi)燃機滑動軸承減摩層都要求有哪些性能？答：主要有三方面要求：1) 抗咬粘性。油膜遭破壞時，軸承材料不擦傷和咬死軸頸，即親油性好。2) 順應(yīng)性。軸承副有幾何形狀偏差和變形時具有克服邊緣負荷從而使負荷

33、均勻的能力。3) 嵌藏性。具有以微量塑性變形吸收混在機油中的外來異物顆粒(金屬磨屑，灰塵等)的能力。9-3計算軸心軌跡有什么用處？答：計算軸心軌跡的意義：1) 可作為判斷軸承實現(xiàn)液體潤滑情況的重要依據(jù)。由軌跡曲線可以找出一個工作循環(huán)中最小油膜厚度值（）及其延續(xù)時間（下圖a區(qū)）。應(yīng)小于由發(fā)動機結(jié)構(gòu)剛度、工藝水平等確定的許用值，這一區(qū)域的時間不宜過長。2) 幫助分析軸承損壞原因，改進設(shè)計。下圖中c區(qū)表示軸心因高速向心運動使油楔中出現(xiàn)局部真空，形成氣泡；待到軸心高速離心運動時氣泡破裂，突然放出很高的爆破壓力擊壞合金表面，形成穴蝕。d區(qū)出現(xiàn)多次高速離心運動，油膜壓力峰值劇增，可達軸承平均比壓的10倍以

34、上，造成合金疲勞剝落。3) 合理布置油孔、油槽的位置，使供油舒暢。4) 實現(xiàn)軸承潤滑的最佳設(shè)計?？梢愿淖冎苯佑绊戄S承工作能力的因素，如軸承的間隙、機油粘度、軸承寬徑比等，保證軸承處于液體潤滑下工作。9-4滑動軸承上一般要開設(shè)油槽，請問曲軸主軸頸的油槽開在哪里？連桿軸頸的油槽開在哪里？試從油膜承載能力的角度分析。答：試驗證明，在其他條件不變的情況下，油膜壓力與軸承寬度的三次方成正比，這里可以簡單的用來代表軸承的承載能力。所以當(dāng)軸承面積相同時，開油槽軸承的承載能力為,僅為無油槽軸承的。所以，主軸承要在上軸瓦開槽，連桿軸承應(yīng)在下軸瓦開槽，以避免軸承的承載能力下降。第十章：機體與氣缸蓋的設(shè)計10-1機

35、體的設(shè)計原則是什么？具體有哪些？答：機體的總設(shè)計原則是：在盡可能輕巧的前提下，盡量提高剛度(降低變形、振動噪聲)。提高剛度的途徑主要有以下幾個方面；1) 將汽缸體與上曲軸箱鑄造成一個整體，形成一個剛度很好的空間梁板組成結(jié)構(gòu)，除非是比較大型的內(nèi)燃機才采用汽缸體與曲軸箱分開的結(jié)構(gòu)。2) 汽缸之間加隔板，以提高機體橫向剛度。3) 降低上下曲軸箱的剖分面。4) 采用全支撐曲軸。5) 剖分面處采用梯形框架。6) 采用下主軸承蓋與下曲軸箱一體的整體式，缸蓋螺栓最好與主軸承蓋布置在同一平面內(nèi)。7) 機體表面布置加強肋。10-2汽缸蓋設(shè)計考慮的重點是什么？答：缸蓋設(shè)計主要考慮的是；1) 有足夠的剛度和強度，工

36、作變形小，保證密封。2) 合理布置燃燒室、氣門、氣道，保證發(fā)動機的工作性能。3) 工藝性良好，溫度場盡量均勻，減少熱應(yīng)力，避免熱裂現(xiàn)象。10-3設(shè)計氣缸蓋時，應(yīng)該先考慮哪些部件的布置？水套的設(shè)計原則是什么？答：氣缸蓋的內(nèi)部形狀和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，設(shè)計時主要優(yōu)先考慮內(nèi)部氣道、燃燒室（另有預(yù)燃室、渦流室）、噴油器或火花塞、氣門等功能部件的布置，然后在保證壁厚均勻、受力均勻、剛度足夠的條件下考慮內(nèi)部冷卻水套的布置。水套的厚度應(yīng)盡量各處均勻，不宜太厚，否則流速過低，造成與氣缸的熱交換能力下降，一般情況下，水套各截面的水流速盡量不要低于0.5m/s。一般車用發(fā)動機的水套厚度應(yīng)在410mm之間。具體厚度要根據(jù)

37、水套流場的仿真分析結(jié)果確定。機體水套的長度，應(yīng)能夠保證當(dāng)活塞在下止點時活塞環(huán)能得到很好的冷卻。10-4氣缸套產(chǎn)生穴蝕的原因是什么？如何避免？答：穴蝕形成的原因；1) 內(nèi)因 缸套本身存在微觀小孔、裂紋和溝槽等局部缺陷。2) 外因 缸套振動，引起局部缺陷內(nèi)氣泡爆炸，產(chǎn)生瞬時高溫高壓，使水腔壁承受很高的沖擊和擠壓應(yīng)力，逐步剝離金屬層，形成針孔和裂紋。減輕穴蝕的措施；(1) 減小缸套的振動1) 減小活塞配合間隙2) 減小活塞換向敲擊力3) 提高缸套剛度（含支撐）。(2) 抑制氣泡的形成(3) 提高缸套本身的抗穴蝕能力1) 合理的選擇材料：機械強度、表面硬度要好。2) 金相組織要合理。3) 合理選擇熱處理工藝，不改變金相組織。4) 適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚罕砻驽冦t、鎘；表面涂層（環(huán)氧樹脂）。5) 冷卻水中加添加劑，提高耐穴蝕能力。10-5增加氣缸套耐磨性的措施有哪些？答：提高氣缸套耐磨的措施：1) 提高缸套表明加工精度，降低表面粗糙度值。2) 合理選用