內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì) 課后習(xí)題答案

第一章

2

1.根據(jù)公式，^,=0.7854-^v/z,D,可以知道，當(dāng)設(shè)計(jì)的活塞平均速度匕°增加時(shí)，可

r

以增加有效功率，請(qǐng)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？

活塞平均速度增加帶來的副作用有：

1）摩擦損失增加，機(jī)械效率下降；因?yàn)榛钊c缸套之間的傳熱時(shí)間減少，加之活

塞摩擦生熱量增加，囚此活塞組的熱負(fù)荷也會(huì)增加；機(jī)油溫度升高粘度下降，承載能力下降，

會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)磨損壽命降低。

2）活塞連桿組慣性力增加，導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷和機(jī)械振動(dòng)加劇、機(jī)械效率降低、零部件承

受高強(qiáng)度疲勞載荷，導(dǎo)致壽命降低。

3）進(jìn)排氣流速增加，導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增加、充氣效率*下降。

2.汽油機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是什么？

柴油機(jī)優(yōu)點(diǎn)：

1）燃料經(jīng)濟(jì)性好。柴油機(jī)壓縮比高，熱效率高，一般熱效率可達(dá)40%以上，使用經(jīng)濟(jì)

性高。

2）因?yàn)闆]有點(diǎn)火系統(tǒng)，所以工作可靠性和酎久性好。

3）因?yàn)椴淮嬖谌紵饐栴}，可以通過增壓、擴(kuò)缸來增加功率。

4）防火安全性好，因?yàn)椴裼蛽]發(fā)性差。

5）C0和HC的排放比汽油機(jī)少。

汽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)：

1）空氣利用率高，因?yàn)閷?shí)際工作的過量空氣系數(shù)在1附近，因而升功率高。

2）因?yàn)闆]有柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的精密偶件，所以制造成本低。

3）低溫啟動(dòng)性好、加速性好，燃燒噪聲低。

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。

3.假如柴油機(jī)與汽油機(jī)的排量一樣，都是非增壓或者都是增壓機(jī)型，哪一個(gè)升功率高？為

什么？

汽油機(jī)的升功率高，在相同進(jìn)氣方式的條件下，

①柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)都大于1,進(jìn)入氣缸的空氣不能全部與柴油混合，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(jī)，因此

柴油機(jī)的升功率低，汽油機(jī)的升功率低。

②由R.二Pme*n/30T可知，汽油機(jī)與柴油機(jī)的平均有效壓力相差不多。但是由于柴

油機(jī)后燃較多，在缸徑相同情況下，轉(zhuǎn)速明顯低于汽油機(jī)，因此柴油機(jī)的升功率

小。

4.柴油機(jī)與汽油機(jī)的缸徑、行程都一樣，假設(shè)D=90mm、S=90mm,是否都可以達(dá)到相同的最

大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速（比如n=6000i7inin）?為什么？

對(duì)于汽油機(jī)能達(dá)到，但是柴油機(jī)不能。

因?yàn)椴裼蜋C(jī)是擴(kuò)散燃燒形式，混合氣的燃燒速度慢，達(dá)不到汽油混合氣的燃燒速度，所

以達(dá)不到6000r/min的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。缸徑越大，柴油混合氣完成燃燒過程的時(shí)間越長，設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速越低。

5.活塞平均速度提高，可以強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，請(qǐng)分析帶來的負(fù)作用是什么？（同第1題）

1）摩擦損失增加，機(jī)械效率IK下降，活塞組的扶負(fù)荷增加,機(jī)油溫度升高，機(jī)油承

我能力下降，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命降低。

2）慣性力增加，導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷和機(jī)械振動(dòng)加劇、機(jī)械效率降低、壽命低。

3）進(jìn)排氣流速增加，導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增加、充氣效率n、下降。

6.目前使發(fā)動(dòng)機(jī)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？

1）新型燃燒室：提高油氣混合質(zhì)量，增加燃燒效率，減少有害物生成；

2）多氣門技術(shù)：提高充氣效率n”

3）可變配氣技術(shù)（VVT和VVL）,提供各種工況下最佳的配氣能力：

4）可變進(jìn)氣管長度，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)高低速工況的需要，提供最佳的扭矩；

5）可變壓縮比，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)高中低負(fù)荷工況下的需要，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下的熱效

率，保證發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性；另外，變壓縮比技術(shù)也可以為燃料多樣化提供

必要的結(jié)構(gòu)保障：

6）可變?cè)鰤浩鱒GT、VNT,可根據(jù)需耍控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量；

7）機(jī)械-渦輪密合增壓，彌補(bǔ)渦輪增壓在低速范圍增壓不足、效果不佳的缺陷；

8）頂置凸輪機(jī)構(gòu)DOEC、SOHC,縮短配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈，使配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，不容易產(chǎn)

生運(yùn)動(dòng)件飛脫，更適合高速；

9）汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)

7.內(nèi)燃機(jī)仿真設(shè)計(jì)手段主要有那些？

1）二維實(shí)體造型設(shè)L;零部件強(qiáng)度與剛度分析；氣體、液體流動(dòng)分析（CFD）；冷卻水

溫度場分析；配氣相位性能優(yōu)化；噴霧模擬；燃油噴射模擬；燃燒模擬；傳動(dòng)系仿

真分析；振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模擬分析；噪聲仿真；整機(jī)性能一維仿真等。

8.某發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高功率，采用了擴(kuò)大氣缸直徑的途徑，如果氣缸直徑擴(kuò)大比較多，比如

擴(kuò)大5毫米，與之相配合的還要改變哪些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)？還要進(jìn)行哪些必要的計(jì)算？

氣缸直徑改變之后，除重新估算功率、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(jì)算，要進(jìn)行曲軸連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算和扭振

計(jì)算，要進(jìn)行壓縮比驗(yàn)算、燃燒室設(shè)計(jì)、工作過程計(jì)算深知重新設(shè)計(jì)凸輪型線等。

9.某發(fā)動(dòng)機(jī)由于某種原因，改變了活塞行程，與之相配合的還要進(jìn)行哪些結(jié)構(gòu)更改設(shè)計(jì)和

計(jì)算？

活塞行程S改變后，在結(jié)構(gòu)上要重新設(shè)計(jì)曲軸，要重新進(jìn)行曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算、平

衡計(jì)算、機(jī)體高度是否改變或者曲軸中心是否移動(dòng)、連桿是否重新設(shè)計(jì)、壓縮比驗(yàn)算與修

正、進(jìn)氣過程和燃燒過程計(jì)算等。

10.發(fā)動(dòng)機(jī)工程數(shù)據(jù)庫在內(nèi)燃機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中有何重要作月？

數(shù)據(jù)庫包括圖紙、設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計(jì)計(jì)算與說明等等，是積累和管理技術(shù)數(shù)據(jù),

擺脫對(duì)某個(gè)技術(shù)人員的依賴，提高設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承性的重要工具，良好的數(shù)據(jù)庫可以方便技

術(shù)咨詢，數(shù)據(jù)查詢，設(shè)計(jì)流程管理，為新產(chǎn)品開發(fā)提供重要技術(shù)支持。實(shí)際上工程數(shù)據(jù)庫對(duì)

于內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是非常重要的，一個(gè)企業(yè)能不能真正具有自主開發(fā)產(chǎn)品的能力，與它是否

擁有全面、細(xì)致、完整的技術(shù)數(shù)據(jù)有直接關(guān)系。這也是國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)中最缺乏的關(guān)鍵

技術(shù)。

11.首先計(jì)算活塞平均速度，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的類型和用途，利用表1-6選定平均有效壓力，

然后利用公式1-1計(jì)算標(biāo)定功率和標(biāo)定轉(zhuǎn)速扭矩。根據(jù)表1-2確定發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩適應(yīng)系

數(shù)和轉(zhuǎn)速適應(yīng)系數(shù)，進(jìn)而初步確定最大扭矩和最大扭矩轉(zhuǎn)速。

第一早

1.寫出中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律表達(dá)式，并說出位移、速度和加速度的用途。

X=r[(1-COSa)+X/4(l-cos2a)]=Xi+Xn；

V=r3(sina+sin2a*A./2)=vi+vn；

a=rw2(cosa+A，cos2a)=a?+an；

用途：1)活塞位移用于p-小示功圖與P-V示功圖的轉(zhuǎn)換，氣門干涉的校驗(yàn)及動(dòng)力計(jì)算；

2)活塞速度用于計(jì)算活塞平均速度Vm=S-n/30=18m/s,用于判斷強(qiáng)化程度及計(jì)算

旋轉(zhuǎn)半徑自然就是曲柄半徑?，F(xiàn)在的三維繪圖軟件都有這樣的功能，在繪制好三維實(shí)體曲軸

之后，以曲軸主軸頸中心為旋轉(zhuǎn)中心，以曲柄半徑為旋轉(zhuǎn)半徑，通過計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辦法將

曲柄當(dāng)量質(zhì)量計(jì)算出來。

5.曲軸主軸頸的積累轉(zhuǎn)矩如何計(jì)算，連桿軸頸轉(zhuǎn)矩如何計(jì)算？如果已知一個(gè)四沖程四缸

機(jī)，發(fā)火順序1-3—4-2,試求第四主軸頸轉(zhuǎn)矩和第四拐連桿軸頸轉(zhuǎn)矩。

求某一主軸頸的轉(zhuǎn)矩，只要把從第一拐起到該主軸頸前一拐的各單缸轉(zhuǎn)矩疊加起來即

可。疊加時(shí)第一要注意各位的工作相位，第二要遵循各翻轉(zhuǎn)矩向后傳遞的原則。

求連桿軸頸轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩向后傳遞的原則，Mqi應(yīng)該是前一個(gè)主軸頸上的積累轉(zhuǎn)矩Mzi

與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸轉(zhuǎn)矩的一半。

此四沖程四缸機(jī)的發(fā)火順序?yàn)?-3-4-2,由此可得

第一主軸頸所受轉(zhuǎn)矩M0-1=0

第二主軸頸所受轉(zhuǎn)矩MU2=M.(a)

第三主軸頸所受轉(zhuǎn)矩M2'3=Mh2+M,(a+180°)

3,4

第四主軸頸所受轉(zhuǎn)矩M=\產(chǎn)3+m(a+540°)

第五主軸頸所受轉(zhuǎn)矩M115=M31」+Mi(a+360°)=￡M

以上是以四缸機(jī)的曲軸主軸頸的積累轉(zhuǎn)矩。

Mqf=|F.r=1M)(<i)

12

Mq2=M+；Nh(a+180°)

Nkb=M2：,+jM>(a4-540°)

Mq<=Mx,+|M.(a4-360°)

這些是四缸機(jī)的連桿軸頸轉(zhuǎn)矩。

第三章

1.四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)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(qǐng)采取平衡措施。

解：點(diǎn)火間隔角為A=—720^°-=180°

4

1）作曲柄圖和軸測圖，假設(shè)缸心距為a.

141234

o

23

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，一階往復(fù)慣性力合力為

零，二階往復(fù)慣性力合力不為零。再做如圖所示的四拐平面曲軸一階件劃慣性力矩

圖，一階合力矩為零。由于二階慣性力不平衡，所以不能分析二階力矩，因?yàn)榇藭r(shí)

隨著取矩點(diǎn)的不同，合力矩的,,結(jié)n果是不一樣的.

IIM八—3aC-2aC—aC—0

RtI=0-=UCH0

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

2.四缸二沖程程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)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(qǐng)采取平衡措施。并指出Mjlmax及出現(xiàn)時(shí)刻。

解：點(diǎn)火間隔角為A=3*6=09°0°

4

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FRj『O,FRjkO,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

Mjlx=VioaCcosl8°26'。

一階也怪。二涉自情壬

M川=°

可以看出，在第一缸曲拐處于上止點(diǎn)前18°26'時(shí),該機(jī)有最大一階往復(fù)慣性力,

即知i=Me

旋轉(zhuǎn)慣性力矩叫

4）平衡措施。采用整體平衡方法，有

3.三缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)火順序1一3—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(qǐng)采取平衡措施。并指出町lmax及出現(xiàn)時(shí)刻。

720°

解：點(diǎn)火間隔角為A=--=240°

3

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F即=0FRJll=0

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Mr二gaG

水平投影后，

Mjlx=V3aCcos30,

乂小皿=6aC出現(xiàn)在第一缸上止點(diǎn)后30

4）采用用整體平衡法

2

va^r^arb=\[3aFr+6aC=\/3amrrco+6am產(chǎn)/

"X)

4.三缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性力矩不平衡，采取何種措施才能使用單軸平衡機(jī)構(gòu)？

在實(shí)際產(chǎn)品中，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重量過大，一般都是采用單平衡軸方式來平衡不平

衡的往復(fù)慣性力矩。這個(gè)單平衡軸上與具有相反平衡重的曲軸（例如飛輪上的偏心塊與曲軸

上的偏心塊）組成一個(gè)實(shí)際的雙平衡軸機(jī)構(gòu)。

5.為一個(gè)四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)（1-3-4-2）設(shè)計(jì)一套用于平衡二階往復(fù)慣性力的雙軸平衡機(jī)

構(gòu)

此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的二階往要慣性力不平衡，四個(gè)拐的二階慣性力合力為

彩J”—4&cos2a——4為114322a

需要設(shè)計(jì)一對(duì)轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)速2倍的平衡軸。如果每根平衡軸上只有一個(gè)平

衡塊，則兩根平衡軸的質(zhì)徑積應(yīng)滿足：

2

2mp7^（26y）cos2a=4/iCcos2tz=-4為2cos2a

=-2為'J

如果每根平衡軸上有2個(gè)平衡塊，則每個(gè)平衡塊的質(zhì)徑積為

叫金=犯J

6.四沖程六缸機(jī)的慣性力和慣性力矩都己經(jīng)平衡了，此發(fā)動(dòng)機(jī)的支承還承受什么力作

用？

此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)支承還承受發(fā)動(dòng)機(jī)本身重量發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的翻倒力矩對(duì)支承產(chǎn)生的載荷。

7.四沖程V型兩缸機(jī)，左右兩缸軸線夾角為Y，試分析一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性

力。并分析當(dāng)Y角為90度時(shí)，往復(fù)慣性力的特點(diǎn)。

(1)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(diǎn)，左右兩列氣缸的一階往復(fù)慣性力分別為

F=Ccos(a+—)

Ji'UL2

FHR=Ccos(a-f)

向x軸和y軸投影，再求和，得

F

j\x=尸小+“R「Ccosa(1+cos/)

Fjiy=號(hào)g+鳥叫=Csina(1-cos/)

合力Fji=個(gè)FjJ+FjJ=CJ(1+cosy)2cos2a+(l-cosy)?sit?a

」(1-cos/)sin(7

合力方向玖=arctan-------------------=arctantan2—tana

(1+cos/)coser(2

而+=1,所以冊(cè)的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓。

C(1+cosy)C(1+cos/)

當(dāng)y<90時(shí),C(1+cos/)為長半軸：

當(dāng)y>90’時(shí),C(l—cos/)為長半軸;

當(dāng)尸90°時(shí),FjjC,其端點(diǎn)軌跡是一個(gè)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(diǎn)，左右兩列氣缸的二階慣性力表示為

F=2Ccos2a+

JUI2J

F=2Ccos2a-

/IIJ?2

在坐標(biāo)軸上的投影為:

y

Fillx=22Ceos—cosycos2a

F/1Iv=22Csin-1-sin/sin2a

也是橢圓，合力為

2222

F*二小FjH；+02=2yC,cos?%cos?/cos2a+sin-^sin/sinla

合力方向?yàn)閲?arctantan—tan/tan2a

<2

當(dāng)度90°時(shí),有/=0%Csin2a,鼐=90°,即變?yōu)樗椒较虻耐皯T性力,

可以用蘭氏機(jī)構(gòu)平衡。

結(jié)論：7=90。時(shí)，如為一個(gè)圓，相當(dāng)于離心力；6n為往復(fù)慣性力，方向垂直于氣

缸夾角平分線。

8.試分析二沖程三缸機(jī)的離心和力矩的平衡性，往復(fù)慣性力和力矩的平衡性。如果一階

往復(fù)慣性力矩不平衡，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套雙軸機(jī)構(gòu)和一套單軸機(jī)構(gòu)平衡一階往復(fù)慣性力矩并

作圖表示。

360°

解：點(diǎn)火間隔角為A="=120°

3

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

23

一階慣性力二階慣性力

得到k=oFa=。

3）做力矩圖

往復(fù)慣性力矩圖旋轉(zhuǎn)慣性力圖

水平投影后，M=x/3aCcos30,M.”=GaC出現(xiàn)在第一缸上止點(diǎn)前30。

iIIlAxJ

平衡軸設(shè)計(jì)略。

9.四沖程V型六缸機(jī)，左右氣缸夾角為120。，試分析離心慣性力和往復(fù)慣性力。如有不

平衡，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)。

參見教材V型6缸機(jī)平衡分析。

10.為什么設(shè)計(jì)平衡塊時(shí)都是以計(jì)算質(zhì)徑積為設(shè)計(jì)參數(shù)？

因?yàn)榍S箱的布置空訶有限，只有在保證質(zhì)徑稅不變的條件下適當(dāng)調(diào)整平衡塊質(zhì)量與旋

轉(zhuǎn)半徑的比例分配，才能設(shè)計(jì)出滿足平衡設(shè)計(jì)要求的平衡機(jī)構(gòu)。

11.單缸機(jī)采用雙軸平衡機(jī)構(gòu)時(shí)，平衡機(jī)構(gòu)的布置有幾種型式？請(qǐng)畫出布置圖并分析其原

理。

參見教材中3-15.

12.四沖程四缸機(jī)的什么慣性力沒有得到平衡？這個(gè)慣性力在什么情況下比較大，必須在

設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮？

二階慣性力沒有平衡。一般在缸徑比較大（例如I）》9（）mm），或者公認(rèn)二階振動(dòng)比較嚴(yán)重

時(shí)需要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)。

13.多拐曲軸無論是否平衡，一般都要布置多塊平衡塊，這是為了什么？

主要是為了減輕軸承負(fù)荷，減小曲軸內(nèi)彎矩。

14.往復(fù)慣性力是沿著氣缸軸線變化的力，但是為什么往復(fù)慣性力用旋轉(zhuǎn)矢量表示？請(qǐng)用

矢量圓說明其幾何意義。

因?yàn)橥鶑?fù)慣性力是隨著曲軸轉(zhuǎn)角周期性變化的力?？梢杂煤喼C函數(shù)即旋轉(zhuǎn)矢顯表達(dá)其值

隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。其簡諧表達(dá)式或矢量表達(dá)式為：

=Ceosa和FJV[=XCcos2a

其中。和AC是一階和二階往復(fù)慣性力旋轉(zhuǎn)矢量的模，cos2a表示了旋轉(zhuǎn)矢量的方向。

（圖略）

15.錯(cuò)拐曲軸結(jié)構(gòu)的目的是什么？還有哪些V型多缸機(jī)可以采用錯(cuò)拐曲軸達(dá)到均勻發(fā)火？

曲柄銷的錯(cuò)開角度對(duì)曲軸強(qiáng)度有什么影響？

曲軸采用錯(cuò)拐方式的原因是V型發(fā)動(dòng)機(jī)在某些氣缸軸線夾角情況下不能做到各缸均勻

發(fā)火，通過錯(cuò)拐方式達(dá)到各缸均與發(fā)火的目的。只要V型多缸機(jī)是由于卜.述愿意造成的不均

勻發(fā)火，都可以采用錯(cuò)拐曲軸達(dá)到均勻發(fā)火的目的。錯(cuò)拐角度對(duì)曲軸的強(qiáng)度有一定影響，需

要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行強(qiáng)度校核。

第四章

1.什么是曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，扭振的現(xiàn)象和原因？

定義：扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是使曲軸與軸段間發(fā)生周期性相互扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)，簡稱扭振。是一種工作共振

現(xiàn)象。

現(xiàn)象：1）發(fā)動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)生劇烈抖動(dòng)，噪聲增加，磨損增加，油耗增加，功率下降,

嚴(yán)重時(shí)發(fā)生曲軸扭斷。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)偏離該轉(zhuǎn)速時(shí)，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尸擾力矩。

3）干擾力矩的變化頻率與系統(tǒng)固有頻率合拍時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生共振。

2.列出單自由度扭轉(zhuǎn)自由振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)方程，求出微分方程的解和初相位。

彈性力矩M「C（p，慣性力矩二-/茬，因?yàn)槭亲杂膳まD(zhuǎn)振動(dòng)，干擾力矩為零，所

以根據(jù)理論力學(xué)，得%+必=0,f（p+C（p=O

此二階線性齊次微分方程的解為：（p=gn3t+￡）

其中振幅°=生）2,初相位￡=arctan修*

VCO2

3.列出三質(zhì)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程。

第一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)平衡方程為

??

1\中\(zhòng)二一6（例一。2）

第二個(gè)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)平衡方程

人仍二C（°I—g）—G（02—03）

第三個(gè)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)平衡方程

73①3=G（02-。3）

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(dòng)機(jī)的扭矩簡諧表達(dá)式中，簡諧階

數(shù)不都是自然數(shù)，有半數(shù)的階數(shù)？

因?yàn)閱胃讬C(jī)扭矩是一個(gè)周期函數(shù)，按照數(shù)學(xué)理論，周期函數(shù)都可以用有限項(xiàng)傅里四級(jí)數(shù)

表達(dá)近似表達(dá)，因此單缸扭矩可以表示成

k=g/!

M=M）+Zsin（4f+心）=A/。+Zsin（。/+心）

k=l氏=1

=/)+2朋：sin(A卯+用)

k=\

其中Mfsin（也卯+也）為轉(zhuǎn)矩的第k階諧量，表示亥諧量在在2〃周期內(nèi)變化k次，稱

為摩托階數(shù)。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸兩轉(zhuǎn)即4萬角為一個(gè)周期，因此相對(duì)于數(shù)學(xué)上的周期

來講，曲軸一轉(zhuǎn)（24）內(nèi)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)第k階力矩僅變化了與次，因此四沖程的摩托階數(shù)

存在半階數(shù)。

5.對(duì)于多拐曲軸，可以畫出幾個(gè)相位圖？什么情況是主諧量？什么情況是次主諧量？

1）當(dāng)諧量的階數(shù)為曲軸每一轉(zhuǎn)中點(diǎn)火次數(shù)的整數(shù)倍時(shí)（k=2im/T）,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=（2mT）i/i時(shí)，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(gè)不同方向的曲拐，則有q1/2個(gè)相位圖。

6.什么是臨界轉(zhuǎn)速？如何求對(duì)應(yīng)第K階諧量引起的臨界轉(zhuǎn)速？計(jì)算和分析扭轉(zhuǎn)共振的條

件是什么？

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(shí)，,則3=3%，其中3t為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率。因?yàn)檗D(zhuǎn)速與角撅率的

關(guān)系為

nnji

co,=—x=——

30=22x”

所以n=—(o(

n7ik

7.計(jì)算曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振的假設(shè)條件是什么？

1）強(qiáng)迫振動(dòng)引起的關(guān)振振型與自由振動(dòng)的振型相同

2)只有引起共振的那一階力矩對(duì)系統(tǒng)有能量輸入

3)共振時(shí)激發(fā)力矩所做的功，等于曲軸上的阻尼功

8.如果知道第一個(gè)集中質(zhì)量的絕對(duì)振幅，其它集中質(zhì)量的振幅如何求出？為什么？

因?yàn)楣舱駮r(shí)阻尼功等于激振功，激振頻率等于固有頻率，BPIV,=1匕，

kcot=coe,W=一、所以萬cDisine=一乃&k3@，

2f=iJ=I

KI

中尸——J，則由①,二①⑼.，可以求出所有集中質(zhì)量的絕對(duì)振幅

i=i

9.在低速時(shí)影響扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量精度的主要原因是什么？

主要是轉(zhuǎn)速的波動(dòng)v發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)曲柚轉(zhuǎn)速的波動(dòng)比較大，隨著轉(zhuǎn)速的提高，林速波

動(dòng)逐漸減小，測最的精度逐步提高。

10.通常解決曲軸系統(tǒng)扭振的措施都有哪些？

(1)使曲軸轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速

(2)改變曲軸的固有頻率

這是結(jié)構(gòu)措施，通常在設(shè)計(jì)階段考慮。通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到使固有頻率遠(yuǎn)離外界強(qiáng)

迫力矩頻率的目的。具體措施有：

(3)提高曲軸剛度C

1)增加主軸頸直徑

2)減小曲軸長度

3)提高重疊度

(4)減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

曲軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的降低，也會(huì)提高臨界轉(zhuǎn)速。降低曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣最可以通過以下途徑

來達(dá)到。

1)采用空心曲軸

2)降低平衡重質(zhì)量

3)降低皮帶輪、飛輪質(zhì)量

(5)提高軸系的阻尼

提高軸系的阻尼主要靠材料特性來達(dá)到。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，鋼軸每循環(huán)的遲滯能量損失

%=(0.2~0.25”1()7%-23(牛頓?厘米/厘米2)

式中。一軸表面的應(yīng)力幅值(牛頓/厘米2)。鑄鐵的材料阻尼比鋼要高出80100$,所

以如果強(qiáng)度允許，可以把該鋼曲軸改成鑄鐵曲軸，達(dá)到減弱扭振的目的。

(6)改變激振強(qiáng)度

AI

因?yàn)榈谝粋€(gè)角振幅必=1=1，即次8序J

MEE

所以通過控制相對(duì)振幅矢量和可以達(dá)到控制激振強(qiáng)度的目的。對(duì)次主諧量，可通過改變

發(fā)火次序、氣缸夾角來達(dá)到。此方法對(duì)于由主諧量引起的扭轉(zhuǎn)共振無效。

(7)采用減振裝置，加裝扭轉(zhuǎn)減振器。

11.減震器分為幾種？

分為彈性減振器、阻尼式是減振器、彈性-阻尼復(fù)合減振器、動(dòng)力減振器等。

第五章

1.配氣機(jī)構(gòu)中平底挺柱的幾何運(yùn)動(dòng)速度與凸輪接觸點(diǎn)編心距的關(guān)系如何？設(shè)計(jì)平底挺柱

時(shí)，挺柱底面半徑要滿足什么要求？

平底挺柱的幾何速度〃(弧，%)與接觸點(diǎn)偏心距在數(shù)值上相等，即〃=e。所

以，設(shè)計(jì)平底挺柱時(shí)，挺住的底面半徑要大于挺柱的最大幾何速度即大于最大的接觸點(diǎn)

偏心距。

2.氣門通過時(shí)間斷面是如何求出的？

先計(jì)算每時(shí)刻或者每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下氣門圓周與氣門口之間的開啟面積

h

A=)力cos/(4+—sin2/)

t2

然后對(duì)其區(qū)間tl和t2之間進(jìn)行積分，求出時(shí)間斷面

rr2

A/=LAdt,其中tl和t2對(duì)應(yīng)的是活塞上下止點(diǎn)的時(shí)刻。

3.配氣凸輪除工作段外，都要有緩沖段，為什么？

1)由于氣門間隙的存在，使得氣門實(shí)際開啟時(shí)刻遲于挺柱動(dòng)作時(shí)刻

2)由于彈簧預(yù)緊力的存在，使得機(jī)構(gòu)在一開始要產(chǎn)生壓縮彈性變形，等到彈性變形力

克服了氣門彈簧預(yù)緊力之后，氣門才能開始運(yùn)動(dòng)

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(shí)際開啟時(shí)刻遲丁理論開啟時(shí)刻，若沒有緩沖段，氣門

的初速度短時(shí)間內(nèi)由零變得很大，有很強(qiáng)的沖擊作用。同樣，上述原因還會(huì)使氣門落座時(shí)末

速度很大，會(huì)對(duì)氣門座產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，氣門機(jī)構(gòu)的磨損和噪聲加劇。為了補(bǔ)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(shí)際工作段前后增設(shè)緩沖段，保證氣門開啟和落座

時(shí)處于很小的速度。

4.采用液壓挺柱后，是否還要設(shè)計(jì)緩沖段？為什么？

采用液壓挺住似乎是消除了氣門間隙，但是上一題所列出的設(shè)置緩沖段原因至少還存在

兩條，因此采用液壓挺住之后還是要設(shè)置緩沖段。

5.凸輪緩沖段由等加速一等速兩段組成，已知緩沖段高度H。、速度V。、緩沖段包角

等加速度包角001,請(qǐng)寫出緩沖段各段的方程式。

等加速段：ht=c(p；,0<^(.</9()1

等速段：九二匕)3.-%)+用：，9。\三0￡0。

6.寫出高次多項(xiàng)式凸輪型線的表達(dá)式，并說明哪些是設(shè)計(jì)變量，根據(jù)什么邊界條件和方

法來得到高次多項(xiàng)式凸輪型線表達(dá)式？

)，=+G(*2+1(》，+Cq(》+嗚「+G(*'

多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)可以按照需要增減。多項(xiàng)式的各個(gè)指數(shù)、工作半包角、緩沖段終了時(shí)緩沖

段的高度和速度是設(shè)計(jì)變量。X=o°時(shí)的挺柱或者氣門最大升程、x=o時(shí)挺柱的速度、位移

以及各階導(dǎo)數(shù)值是邊界條件。一般要通過矩陣方法來求解各項(xiàng)系數(shù)，最后得到凸輪型線表達(dá)

式。

7.寫出動(dòng)力修正凸輪的表達(dá)式，并逐項(xiàng)說明其含義。

5%c0

其中,“0=4+5?溫=G；G,卜=(6〃)2言

y為氣門升程，。為氣門間隙，條為彈簧預(yù)緊力引起的機(jī)構(gòu)靜變形，泉為氣門彈

??

簧力引起的機(jī)構(gòu)靜變形，子為慣性力引起的動(dòng)變形

8.如何確定氣門的最大升程，為什么？

按照最大氣體流量關(guān)系確定。試驗(yàn)測得，氣門最大升程ILx與氣門直徑d的關(guān)系應(yīng)為

H.nax/d=O.25時(shí)達(dá)到最大氣體流量。考慮到流動(dòng)慣性和氣體流動(dòng)阻力造成的損失，一般進(jìn)氣

門的H/dvi=0.26、0.28。為保證有足夠的流通面枳和減少活塞推出功，一般排氣門

H/dve=O.3'0.35<,

9.寫出凸輪型線豐滿系數(shù)表達(dá)式，并陳述其含義。

rO

中碗=為------------，式中，4為挺柱或氣門的位移；。為凸輪工作半包角；Hnux

為挺柱或氣門的最大位移或者升程；“。是緩沖段的高度；外為挺柱位移對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角。

凸輪型線豐滿系數(shù)是一個(gè)相對(duì)量，表示的是位移曲線下的面積與最大升程和工作半包角

組成的矩形面積之比。在設(shè)計(jì)凸輪型線時(shí)，經(jīng)常用來評(píng)判型線設(shè)計(jì)的好壞。

10.通常的氣門錐角是多少？增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門錐角有何變化？為什么？

一般發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門錐角/二45。而對(duì)于增壓柴油機(jī)，氣門錐角7二30,這是因?yàn)樵鰤?/p>

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力高,氣門盤受力變形大與氣門座的相對(duì)滑移量大,而且不同于非增壓發(fā)動(dòng)機(jī),

完全排除了從氣門導(dǎo)管獲得機(jī)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(dòng)機(jī)采用較小的氣門錐角，就是為了減少與氣門座的相對(duì)滑移量，減輕磨損。

11.如何利用配氣相位圖計(jì)算出進(jìn)、排氣凸輪的工作包角、半包角、同缸異名凸輪相對(duì)夾角、

同名異缸凸輪相對(duì)夾角以及凸輪軸與曲軸的相對(duì)位置。

180+%+%

排氣凸輪工作段包角為。排二

2

排氣凸輪工作段包角為e排半包=.。+?、+仁

進(jìn)氣凸輪工作段包角為0進(jìn)J80+；.+%

進(jìn)氣凸輪工作段包角為q畔包=18。+?+?2

八U/1,,180+01+0,180+01+0）

同缸異名凸輪相對(duì)夾角為=y=-[360+。“+外一（-------2?（-------2'）]

=9004（<pel-<pelI。,2-<Pi\）

異缸同名凸輪相對(duì)夾角為4G='，其中A為相應(yīng)氣缸點(diǎn)火間隔角

當(dāng)活塞位于壓縮上止點(diǎn)時(shí)，排氣凸輪相對(duì)于挺柱軸線的夾角為①7

（,8

O,44°+四亨紇-%）

12.凸輪設(shè)計(jì)完成后，如何驗(yàn)算氣門與活塞是否相碰？確定活塞在上止點(diǎn)與缸蓋底平面最

小間隙時(shí)，要考慮那些因素？

1）缸墊按壓緊后的厚度計(jì)算，除主軸承及活塞銷孔以外，曲柄連桿機(jī)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(diǎn)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(jìn)行正時(shí)齒輪

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸旌計(jì)算，確定進(jìn)、排氣門的實(shí)際開閉時(shí)刻并按照同一比例畫出進(jìn)排

氣門升程曲線，氣門升程對(duì)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。

13.配氣相位指的是什么？

指在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)確定的進(jìn)排氣門提前開啟和和遲后關(guān)閉的角度。

進(jìn)氣提前開角度是指在排氣行程接近結(jié)束活塞到達(dá)上止點(diǎn)前進(jìn)氣門相對(duì)于排氣上止點(diǎn)

的提前開角度，正數(shù)為上止點(diǎn)前開啟，負(fù)數(shù)表示上止點(diǎn)后開啟。

進(jìn)氣遲后關(guān)角度是指吸氣行程活塞到達(dá)下止點(diǎn)后進(jìn)氣門關(guān)閉的角度，正數(shù)表示下止點(diǎn)

后關(guān)閉，負(fù)數(shù)表示下止點(diǎn)前關(guān)閉。

排氣提前開角度是指在膨脹行程活塞到達(dá)下止點(diǎn)前排氣門開啟的角度，正數(shù)表示在下

止點(diǎn)前開啟，負(fù)數(shù)表示在下止點(diǎn)后開啟。

排氣遲后關(guān)角度是指排氣行程活塞到達(dá)上止點(diǎn)后排氣門關(guān)閉的角度。正數(shù)表示上止點(diǎn)

后關(guān)，負(fù)數(shù)表示上止點(diǎn)前關(guān)。

配氣相位確定之后，凸輪的工作包角隨之確定。

14.設(shè)計(jì)氣門彈簧時(shí)，根據(jù)什么確定彈簧預(yù)緊力和最大彈簧力？增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門彈簧與

自然吸氣氣門彈簧在設(shè)計(jì)上有哪些不同考慮？

彈簧預(yù)緊力是保證氣門關(guān)閉嚴(yán)實(shí)，氣門不會(huì)因?yàn)闅飧着c氣道的內(nèi)外壓差而自動(dòng)打開所需

要的彈簧安裝初始彈力。確定時(shí)要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸內(nèi)的壓力來確定并且考慮一定

的安全系數(shù)。最大彈簧力是保證氣門開啟過程中氣門機(jī)構(gòu)中零附件一直保持接觸狀態(tài)沒

有飛脫現(xiàn)象。一般是彈簧預(yù)緊力的（1.6-2.0）倍。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門彈簧預(yù)緊力一般比自然吸氣的大。因?yàn)樵鰤喊l(fā)動(dòng)機(jī)的氣道壓力高。

第六章

1.提高曲軸疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施有哪些，為什么？工藝措施有哪些，為什么？

結(jié)構(gòu)措施：I）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(qiáng)度）

3）采用空心曲軸（可提高曲軸抗彎強(qiáng)度，同時(shí)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(shí)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大壓力值有所降低）

工藝措施：圓角滾壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，還能提高硬度和表面的耐磨性）

3）噴丸強(qiáng)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(qiáng)度）

4）氮化處理（利用輝光離子氮化或氣體軟氮化方法，使氮?dú)鉂B入曲軸表面,

由于氮的擴(kuò)散作用，使金屬體積增大，產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度）

2.曲軸的連桿軸頸不變，增大主軸頸D1,有何優(yōu)點(diǎn)？缺點(diǎn)是什么？

1）2不變，D1增大

優(yōu)點(diǎn)：

2）可提高曲軸剛度，增加曲柄剛度而不增加離心力

3）可增加扭轉(zhuǎn)剛度，固有頻率We增加，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I增加不多

缺點(diǎn)：主軸承圓周速度增加，摩擦損失增加，油溫升高。

3.為什么說連桿軸頸負(fù)荷大于主軸頸負(fù)荷？實(shí)際中主軸頸D1和連桿軸頸D2哪一個(gè)尺寸

大？

對(duì)于每個(gè)曲拐而言，連桿軸頸是一個(gè)，主軸頸有兩個(gè)。連桿軸頸承受著由連桿傳來全部

載荷，而每個(gè)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(shí)際設(shè)計(jì)中主軸頸【）1大于連桿軸頸【）2,Dl/D2=1.05?1.25,因?yàn)樵黾又鬏S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(qiáng)度，同時(shí)不增加曲軸的離心載荷。

4.多拐曲軸強(qiáng)度最薄弱的環(huán)節(jié)是曲柄，曲柄的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是哪兩個(gè)？它們各自的變化

對(duì)其強(qiáng)度有何影響？

曲柄的主要參數(shù)是厚發(fā)（h）和寬度（b）o曲柄橫截面的抗彎截面系數(shù)隊(duì)二帥2/6。

由此可知,h提高10%,W。理論上升20樂實(shí)際上升40%,因?yàn)閔的增大,則磨圓處應(yīng)力

集中現(xiàn)象減輕，使應(yīng)力分布更趨于均勻：b上升10樂此理論上升10用,實(shí)際上升5舟，由于

b上升，應(yīng)力分布不均勻更加嚴(yán)重。

5.主軸頸與連桿軸頸的重疊度對(duì)曲軸強(qiáng)度有什么影響？對(duì)錯(cuò)拐曲軸，連桿軸頸的重疊度

是否同樣重要？

主軸頸與連桿軸頸的重疊度對(duì)曲軸的抗雪疲勞強(qiáng)度有很大影響，重疊度大有利于分散曲

軸圓角的應(yīng)力集中。錯(cuò)拐曲軸的連桿軸頸重疊度也很重要，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮。

6.曲軸的工作條件是什么？設(shè)計(jì)時(shí)有什么要求？一般情況下，曲軸的設(shè)計(jì)其安全系數(shù)是

多少？

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(diǎn)是彎曲載荷；

2）由于曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)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(yán)重。

設(shè)計(jì)要求：

1）有足夠的耐疲勞強(qiáng)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)n^l.5,對(duì)于高強(qiáng)度球墨鑄鐵曲

軸，由于材料質(zhì)量不均勻，而且疲勞強(qiáng)度的分散度比較大，應(yīng)取n21.8。

7.在利用有限元方法進(jìn)行曲軸強(qiáng)度分析時(shí)，一般模型與實(shí)際曲軸存在那些差異？

想得到符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果，關(guān)鍵是如何處理曲軸的位移約束條件和加載方式。位移約

束和加載方式的不同，會(huì)得到差別非常大的結(jié)果，這需要詳細(xì)了解曲軸的工作情況和受力情

況。另外，形狀變化劇烈的圓角處，要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，否則計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)。

8.為什么曲軸的安全系數(shù)比較大時(shí)，但是還會(huì)發(fā)生少數(shù)曲軸破壞情況？

曲軸的安全系數(shù)是指設(shè)計(jì)強(qiáng)度與工作強(qiáng)度的比，都是設(shè)計(jì)時(shí)按照曲軸實(shí)際工作情況考慮

而設(shè)置的。但是如果材料特性的離散度、加工工藝一致性的離散度比較大，會(huì)導(dǎo)致個(gè)別批次

的曲軸產(chǎn)品實(shí)際強(qiáng)度比設(shè)計(jì)強(qiáng)度小很多；再加上曲軸的工作強(qiáng)度也是離散度比較大，某些工

況會(huì)出現(xiàn)高工作強(qiáng)度。兩者如果碰巧同時(shí)發(fā)生，就會(huì)出現(xiàn)曲軸的破壞。

9.飛輪的主要作用是?什么？

飛輪是一個(gè)儲(chǔ)能和放能部件，主要作用就是：

發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩“大于阻力矩位時(shí)，吸收多余的功，使轉(zhuǎn)速增加較少；發(fā)動(dòng)機(jī)的輸

出轉(zhuǎn)矩M小于阻力矩MR時(shí)，釋放儲(chǔ)存的能量，使轉(zhuǎn)速減少較少?？傊?，飛輪的作用就

是調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)速變化，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

10.飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)什么來確定？飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與氣缸數(shù)是什么關(guān)系？

匕輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的盈虧功4E來確定的。計(jì)算公式：

If=中總?10.8x10*S5

，和8分別為發(fā)動(dòng)機(jī)的盈虧功系數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)。隨著氣缸數(shù)的增加，，和6都呈

減小的趨勢(shì)，而，減小的速度要快于6,根據(jù)公式，可得：隨著氣缸數(shù)的增加，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)

慣量逐漸減小。

11.飛輪外徑受到哪些因素限制不能很大？

外徑越大，在同樣的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下飛輪就可以越輕。飛輪的外徑除了要考慮空間條件外，

主要就是考慮外圓的圓周速度，尤其對(duì)于灰鑄鐵飛輪，建議圓周速度不超過35—50m/s.否

則，容易造成由于離心慣性力過大，材料的抗拉強(qiáng)度不足而使飛輪損壞及飛輪材料碎裂飛出

的事故。

12.發(fā)動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)波動(dòng)，有哪些外在表現(xiàn)？

發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)明顯，很多情況下會(huì)導(dǎo)致方向盤、儀表盤的抖動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲比較明顯，

第七章

1.連桿的拉伸載荷是由什么造成的？計(jì)算連桿不同截面拉伸應(yīng)力時(shí)，如何考慮？

連桿的拉伸載荷主要是由于往復(fù)慣性力所造成的：活塞組與缸套的摩擦力占其中次要部

分。

在計(jì)算不同截面的拉伸應(yīng)力可用下式：

F；=(W+/??；)(1+㈤ri

式中m'是活塞組質(zhì)量，加;是計(jì)算斷面以上那部分連桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量?？梢婋S著截面

向大頭靠近，勿;變大。要想保持截面拉應(yīng)力不增加，連桿橫斷面積應(yīng)該逐步增加。

2.計(jì)算連桿的最大拉伸應(yīng)力選取什么工況？

應(yīng)詵取標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況(最人?轉(zhuǎn)速)，因?yàn)榇藭r(shí)往知慣性力最大，折仲載荷最大。

3.計(jì)算連桿的壓縮載荷時(shí)選取什么工況？

最大轉(zhuǎn)矩工況和全負(fù)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。

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？

連桿小頭的固定角中，

中增大，受拉伸載荷時(shí)應(yīng)力不均勻性增加，。max增大；受壓縮教荷時(shí)，中增大也會(huì)導(dǎo)

致應(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(yán)重。

5.連桿大頭蓋的固定方式有幾種？

平切口連桿一般是利用螺栓中部加工的凸出圓柱體來定位;斜切口連桿考慮到除定位作

用外還要承受較大剪切力,往往在分界面上做成止口定位或鋸齒定位，也有采用套筒定位的；

近年來越來越多采用連桿大頭裂解工藝，即整體加工出連桿大頭，然后利用脹裂的方式裂解

開連桿大頭。

6.為什么有的連桿采用斜切口？斜切口的角度對(duì)安裝、結(jié)構(gòu)尺寸有什么影響？

連桿采用斜切口是為了既能增大曲柄銷的直徑，乂能使連桿通過氣缸.

斜切口的連桿大頭，其所連接的曲柄銷的直徑也可以增大到0.67?().681)。斜切口相對(duì)

于連桿軸線的斜角越小，大頭上半部的橫向?qū)挾扔。谶B桿體能通過氣缸的條件下，容許

加大曲軸銷直徑的可能性愈大。但斜角愈小，螺釘或螺柱穿進(jìn)桿身的深度也愈大，使桿身削

弱過多。因此斜角一般在30°?60°之間。

7.脹斷式連桿有什么優(yōu)點(diǎn)？

脹斷式連桿是先整體加工出連桿毛壞，然后在連桿大頭采用膨脹的方式裂解開連桿大

頭，這樣產(chǎn)生的剖分面是凸凹不平的斷裂茬口。可同時(shí)起到兩個(gè)方向的定位作用；抗剪能力

強(qiáng)；由于不用定位俏套等結(jié)構(gòu)，兩個(gè)連桿螺栓的距離最短，使得連桿大頭寬度最小，給連桿

軸頸直徑留出了增加空間，而且節(jié)省了加工工藝過程，使得制造成本降低30$左右。

8.連桿螺栓預(yù)緊力與氣壓力是什么關(guān)系？與往復(fù)慣性力是什么關(guān)系？

連桿螺栓預(yù)緊力的主要目的，一是防止在工作中連桿大頭蓋與桿身分離，導(dǎo)致這兩個(gè)零

件的接觸面碰撞損壞，二是導(dǎo)致軸瓦不能貼緊軸承，導(dǎo)致軸瓦不能承載、不能導(dǎo)熱、脫

落和損壞。卜.述的故障都是拉伸載荷造成的。因此設(shè)計(jì)連桿螺栓預(yù)緊力時(shí)基本不用考慮

活塞上面的氣壓力造成的壓縮載荷，主要考慮慣性力造成的拉伸載荷，再加上壓緊軸瓦

所需的安裝載荷。

K=（2—2.5）巴+F2

9.提高連桿螺栓疲勞強(qiáng)度的措施有哪些？

1）降低螺桿剛度C1,主要是通過光桿直徑d。,一般d產(chǎn)（0.8?0.85）di.

2）提面被連接件的剛度C2；

3）增加過渡圓角半徑，降低應(yīng)力集中：

4）采用細(xì)牙滾壓螺紋；

5）嚴(yán)格控制螺栓和被連接件的形位公差，減少附加彎矩。

10.連桿螺栓通常采用什么方法防止松動(dòng)？

1）使用自鎖螺母；

2）槽型螺母加開口銷；

3）圓螺母止動(dòng)墊圈，單耳止動(dòng)圈；

4）鎖片。

11.請(qǐng)思考采用有限元方法進(jìn)行連桿拉伸強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，連桿接合面應(yīng)該如何考慮？

計(jì)算拉伸載荷時(shí)，桿身與大頭蓋要按照實(shí)際情況處理成兩個(gè)零件，接合面要用接觸單元

連接。

第八章

1.活塞的工作條件是什么，請(qǐng)分項(xiàng)論述。然后論述對(duì)活塞的設(shè)計(jì)要求。

工作條件：

1）高溫一導(dǎo)致熱負(fù)荷大：活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖鞔?，?/p>

氣的最高溫度可達(dá)2000?2500C,因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨摺囟确植疾痪鶆?，有很大?/p>

熱應(yīng)力；

2)高壓一沖擊性的高機(jī)械負(fù)荷：高壓包括兩方面①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(diǎn)后10°?20°達(dá)到最大。②活

塞組在氣缸里作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的往更慣性力F.jmax

3)高速滑動(dòng)：內(nèi)燃機(jī)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(jī)中；

4)交變的側(cè)壓力：活塞上下行程時(shí)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(shí)承受交變的側(cè)向載荷。

設(shè)計(jì)要求：

1)選用熱強(qiáng)度好，散然性好，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(qiáng)度和剛度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中，與缸

套有最佳的配合間隙

3)密封性好，摩擦損失小

4)選擇密度小質(zhì)量輕的材料

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(qǐng)用公式說明。實(shí)際上如何考慮？

工作應(yīng)力與套裝應(yīng)力之和是常量，即

omax+。'max=3.4Et2/(D-t)2=常量

設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇?"max=(1.2?1.5)。max,因?yàn)樘籽b時(shí)間很短，瞬時(shí)應(yīng)力大

一些，沒有造成材料破壞即可。

3.高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)與低轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)活塞環(huán)初始彈力p。的要求有什么不同？為什么？缸徑

對(duì)PO的要求如何，為什么？

當(dāng)轉(zhuǎn)速n提高時(shí)，應(yīng)提高因?yàn)榛钊俣雀?，由于?jié)流作用，活塞環(huán)背壓下降，氣

壓力對(duì)第一密封面的加強(qiáng)作用減弱，因此必須適當(dāng)增加活塞環(huán)初彈力。當(dāng)活塞直徑增加時(shí),

活塞環(huán)的工作應(yīng)力增加，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少初彈力〃0，方能減少活塞環(huán)的工作應(yīng)力。

4.試結(jié)合公式說明活塞環(huán)的套裝應(yīng)力與工作應(yīng)力的關(guān)系。

工作應(yīng)力＜Tmx=0.425E——J

max(D-t)2

活塞環(huán)套裝時(shí)必須使其內(nèi)徑大于活塞頭部直徑，此時(shí)端距應(yīng)該為8t左右。即套裝時(shí)端

距的變形量為8t-50,則最大套裝應(yīng)力:

<.=0.425^=0.425^-0.425EtS。

（。7）2

=3.4后廣0

（O-）2-nax

o-+a'=3.4——―=常量

IIIdXIII*1Az（0r^v一/）7

式中，Cmax為最大工作應(yīng)力：工為活塞環(huán)材料的彈性模量。

套裝應(yīng)力與工作應(yīng)力的關(guān)系為。'max=（1.2?1.5）omax

5.高速內(nèi)燃機(jī)對(duì)活塞材料的要求是什么？

（1）熱強(qiáng)度好，散熱性好；（2）重量輕，慣性??；（3）膨張系數(shù)??；（4）密度小

（5）熱導(dǎo)率大（6）有良好減摩性和工藝性

6.活塞銷通常采用什么材料，為什么？如何保證表面耐磨？

活塞銷通常用低碳鋼和合金鋼制造。在負(fù)荷不高的發(fā)動(dòng)機(jī)中常用15.、20、15Cr、20Cr.

和20Mn2鋼;在強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)上,采用高級(jí)合金鋼，jn12CrNi3A/18CrMnTi2R20SiMnVB

有時(shí)也可用45中碳鋼。

之所以選擇這樣的材料是因?yàn)楦鶕?jù)活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求，活塞銷應(yīng)具有足夠高的

機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性、同時(shí)還要有較高的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度，但是硬的表層和內(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。

為保證活塞箱表面硬并且耐磨，對(duì)其表面進(jìn)行熱處理。對(duì)于低碳鋼材料的活塞銷表面要

進(jìn)行滲碳和淬火。對(duì)于45鋼的活塞銷則是進(jìn)行表面淬火，注意淬火時(shí)不能將活塞銷淬透，

否則活塞銷變脆。

7.減輕活塞熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)措施有哪些？

1）盡量減小頂部受熱面積；強(qiáng)化頂面，采用不同的材料或?qū)⒈砻孢M(jìn)行處理

2）保證熱流通道暢通

3）采用適當(dāng)?shù)幕鹆Π陡叨?/p>

4）頂部內(nèi)側(cè)噴油冷去］

5）頂部設(shè)油腔冷卻

8.活塞銷座的工作條件如何？解決銷和銷座變形不協(xié)調(diào)的措施有哪些？

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)慣性力的作用，這些力

都是帶有沖擊性的；從運(yùn)動(dòng)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(dòng)角度

很小，在這樣小的轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)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(gè)彈性凹槽，可

以減輕活塞銷座的棱緣負(fù)荷；

3）將銷孔中心相對(duì)活塞銷座外圓向下偏心3-4mm,將活塞銷座的厚度上面比下面大些,

以加強(qiáng)活塞銷座承壓強(qiáng)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。

9.活塞裙部在工作時(shí)銷軸方向的變形大，請(qǐng)問原因是什么？一般采用什么措施來進(jìn)行限

制？

1）活塞受到側(cè)向力F、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(gè)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(shí)的變形比較嚴(yán)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(jìn)行反橢圓設(shè)計(jì)，采用絕熱槽，

銷座采用恒范鋼片，裙部加鋼筒等方法來達(dá)到。

10.確定活塞環(huán)裝配端距Ad的依據(jù)是什么？

裝配端口距離45Ad小，密封性好，但不能為零。從熱膨脹考慮，要大于活塞環(huán)的

周向線膨脹量\d>7V-D\tp

第九章

1.內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承的過盈量有幾種表示方法，各是什么？

軸承的過盈量主要通過3種表示方法：

1）自由彈勢(shì)加

軸瓦在自由狀態(tài)下的開口直徑為4+加，一般為小二（0.25~2.5）mmo

2）半圓周過盈量h（mni）

鼠in5nin

式中，4）為軸瓦內(nèi)孔直徑（mm）,。為應(yīng)力系數(shù)（N/w?）;巴曲為最小

預(yù)加壓縮應(yīng)力小/""7「）。

3）余面高度u（mm）

在試驗(yàn)壓力外（N）作用下，試驗(yàn)壓縮量v（mm）為

/7°

U=6XIO-64

°IB

則〃3=-V=必b*-6x1（）/］旦

m,n

nunnun2。0「5

式中，「為當(dāng)量壁厚（mm）,/=（，-4）+a%,八為減摩層厚度，a為減摩層折算系

數(shù)；B為寬度（mm）。

2.對(duì)內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承減磨層都要求有哪些性能？

主要有三方面要求：

1）抗咬粘性。油膜遭破壞時(shí)，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(shí)具有克服邊緣負(fù)荷從而使負(fù)荷均勻的能

力。

3）嵌藏性。具有以微量塑性變形吸收混在機(jī)油中的外來異物顆粒（金屬磨屑，灰塵等）