课程设计指导书

《内燃机学》 课程设计指导书

李煜辉 编

武汉理工大学

2004

目录

一、 概述 ................................................................................................................................... 1 1.1、内燃机学课程设计的目的 .............................................................................................. 1 1.2、内燃机学课程设计的内容 .............................................................................................. 1 二、设计任务书 ........................................................................................................................... 3 2.1课程设计内容 ..................................................................................................................... 3 2.2设计要求 ............................................................................................................................. 3 2.3课程设计步骤与方法 ......................................................................................................... 3 三、总体设计选型 ....................................................................................................................... 5 3.1．母型发动机的选择 .......................................................................................................... 5 3.2、选择确定发动机的主要参数 .......................................................................................... 5 3.3、选择确定所设计发动机的总体布置结构型式 .............................................................. 5 3.4、选择确定发动机主要零件的结构形式及尺寸 .............................................................. 6 3.5原机型有关参数 ................................................................................................................. 6 四、热计算 ................................................................................................................................... 7 4.1、计算格式 .......................................................................................................................... 7 4.2、参数选取 .......................................................................................................................... 7 4.3、示功图绘制 .................................................................................................................... 12 五、绘制柴油机横剖面图 ......................................................................................................... 13 六、动力计算 ............................................................................................................................. 14 七、曲轴设计计算 ..................................................................................................................... 16 6.1曲轴结构比例 ................................................................................................................... 16 6.2曲轴船规验算[3] ............................................................................................................... 17 八、连杆体强度计算 ................................................................................................................. 18 8.1给定条件 ........................................................................................................................... 18 8.2连杆体几何参数 ............................................................................................................... 18 8.3起动工况时连杆体强度校核 ........................................................................................... 19 8.4额定工况时的强度校核 ................................................................................................... 19 九、活塞销强度计算 ................................................................................................................. 21 9.1已知条件 ........................................................................................................................... 21 9.2弯曲应力计算 ................................................................................................................... 21 9.3最大剪应力计算 ............................................................................................................... 22 9.4活塞销的椭圆变形及应力分布 ....................................................................................... 22 十、零件工件图绘制 ................................................................................................................. 24 十一、编写设计计算说明书 ..................................................................................................... 25 十二、答辩 ................................................................................................................................. 26 附录............................................................................................................................................. 27 参考文献 ..................................................................................................................................... 29

一、 概述

内燃机学课程设计，是热能动力工程专业学生在学完了内燃机学等专业课程后的一次综合性设计实践和基本训练。

1.1、内燃机学课程设计的目的

巩固加深过去的有关课程的理论知识，学会联系实际来综合运用这些知识，培养正确的实践思路———辨证地分析问题、解决问题的思想方法。

通过设计实践，培养从事设计工作的独立工作能力。熟悉与内燃机设计有关的规范、标准。

接受有关柴油机设计的基本功训练，如设计计算训练，计算机应用的训练；用设计图纸表达设计思想的训练；机械制图的基本训练；编写设计计算说明书及技术文件的训练；进行选型论证、撰写论证文章以及进行答辩的基本训练等。

1.2、内燃机学课程设计的内容

1.2.1设计 a.总体设计：

总体设计选型论证：包括总体选型，主要参数的确定以及主要零件的选型。

工作过程计算：主要是热计算，即对所设计的内燃机的各热力参数、指示参数、有效参数进行计算，以便绘制出计算示功图，作为总体选型的依据。

绘制内燃机横剖面图：这是总体设计和布置以及主要零件的结构设计的体现。

b.主要零部件设计：

主要零部件的设计计算：在课程设计的范围内，主要部件是指曲轴、连杆、活塞、汽缸盖、机身、机座。由于课程设计时间的限制，可以选择其中几个典型部件作为设计计算的内容─即计算它们的工作能力和结构强度。

动力计算：目的是求得作用在发动机上的力以及其变化规律，为主要零件的设计提供依据。

零件工作图设计：绘零件图，完成施工图纸。通常只绘制一个零件的工作图，如活塞，连杆，或曲轴的零件（组件）图，以接受绘制施工图纸的训练。

1.2.2编写设计说明书：

这是课程设计的总结，以技术文件的形式，把设计的全部内容简练、清晰的写出，与横剖面总图或零件工作图一起，构成课程设计的全部成果。

1.2.3答辩：

是每一项设计的必经程序，也是评定课程设计成绩的最后一个环节。所完成的设计可行与否、质量如何、有何问题、有何优点，只有通过答辩才能确定。答辩与总图或零件图以及设计计算说明书一起构成确定课程设计成绩的依据。

二、设计任务书

2.1课程设计内容

在下述题目中选择一个作为设计课题。 6200柴油机总体设计 6200柴油机活塞设计 6200柴油机曲轴设计 6200柴油机连杆设计

2.2设计要求

2.2.1总体设计要求

主要用途：小型船舶主机或发电用辅机。 功率要求：Ne=440kW(n=600r/min) 有效耗油率要求：ge≤210g/kW.h 最大爆发压力要求：Pz≤13.5MPa

机构、工艺和材料应适合我国一般柴油机厂的制造水平和国家资源情况。 重量、尺度指标应在原机所达到的基础上有所改进。

2.2.2零件设计要求

主要用途：用于6200柴油机。

机械强度要求：满足动力计算的负荷条件

机构、工艺和材料应适合我国一般柴油机厂的制造水平和国家资源情况。 重量、尺度指标应在原件所达到的基础上有所改进。

2.3课程设计步骤与方法

2.3.1．6200柴油机整体设计

总体设计选型论证； 工作过程计算；

绘制内燃机横剖面装配图； 编写设计计算说明书。

2.3.2．6200柴油机活塞设计

动力计算；

绘制活塞零件图； 活塞销强度校核； 编写设计计算说明书。

2.3.3．6200柴油机曲轴设计

动力计算；

绘制柴油机曲轴零件图； 曲柄销圆角处的安全校核； 编写设计计算说明书。

2.3.4．6200柴油机连杆设计

动力计算；

绘制柴油机连杆组零件图； 连杆体强度校核； 编写设计计算说明书。

三、总体设计选型

总体设计是柴油机设计的重要环节，它决定新设计的柴油机的生命力和前途；关系到新设计的柴油机是否能很好地满足设计任务书的要求。

总体设计的任务是根据设计任务书的要求，选择确定一种各方面都较完善和柴油机结构型式；选择确定柴油机的主要性能参数和主要结构参数；对各主要零件和系统元件的结构型式和主要尺度进行选择和估算，然后进行总体布置和调整，最后绘出详细的总体布置图。

具体来说，总体设计包括以下几项工作。

3.1．母型发动机的选择

选择母型发动机是根据以下各方面来考虑的。

（1）发动机型式相同，如冲程数相同；都为十字头式或筒状活塞式发动机；都为直列式或V型发动机等等；且发动机几何相似（或接近相似）。

（2）转速比较近或发动机用途相近。 （3）单缸功率比较接近；强载程度相近。 （4）增压度相近。

（5）对二冲程发动机，还有换气型式相近等等。

根据上述几个方面，在已经大量投入使用，并有较好使用效果的发动机中选择一台或二台与设计任务相近的发动机作为母型。

有了母型发动机，在选择新设计发动机的主要参数和结构型式乃至总体布置等方面，都可有所借鉴和比较。应该仔细的分析和研究母型发动机的优缺点，在设计发动机中应该扬长避短，着眼于创新，而决不要被母型机牵着鼻子走，照搬照抄。

3.2、选择确定发动机的主要参数

发动机的主要参数，有的是设计任务书提出的要求，有的可参照型发动机来选择。 主要参数包括：主要性能参数、平均有效压力Pme、转速n、活塞平均速度Cm、增压压力Pk、压缩比ε、最大爆发压力PZ、气缸数i、气缸直径D、活塞行程S、行程缸径比S/D、气缸中心距LO、曲轴半径连杆长度比λ、燃油和滑油的耗油率、单位功率重量及大修期等。

发动机的主要参数表明了它的先进性。在选择主要参数时，既要追求先进，又要不脱离我国柴油机制造的实际。否则就会成为纸上谈兵。

3.3、选择确定所设计发动机的总体布置结构型式

这项工作实际上是与选择母型发动机同时进行的，在选择母型机时，对总体布置和总体结构必然是已进行了基本的构思。此时，只不过是进一步具体化而已。例如，要确定增压器布置在何处，喷油泵喷油器如何布置、凸轮轴如何布置、怎样传动，调整器如何布置，操纵台设置在何处等，总体布置既要紧凑、美观，又要便于拆装和操作管理以及满足设计任务书的要求。

3.4、选择确定发动机主要零件的结构形式及尺寸

这项工作主要是把发动机的主要零件的结构形式和大体尺度确定下来，例如曲轴采用何种结构形式、何种材料，是锻钢曲轴还是球墨铸铁造曲轴，主要结构尺寸应为多少，活塞是整体式还是组合式、冷却还是非冷却式、机体零件上采用机座的结构还是倒挂式主轴承结构，它们的主要尺度应定为多少等等。

完成了上述各项工作，发动机的总设计就基本就绪了。紧接着就是绘制总图，初步布置一下，看有无问题，详细绘制总图的要求见后。

在基本上完成了总体设计后，为了初步验证所选择的参数和指标是否合理。能否达到，各主要零部件的结构尺寸是否安全可靠，接下去应进行柴油机热的计算、动力计算和主要零部件的设计计算。

3.5原机型有关参数

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=270mm n=600r/min Ne=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=25 ,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。



四、热计算

热计算是用来校验设计中所选择的性能参数是否合适，所要求的主要性能指标能否达到。通过热计算，也可为合理地组织气缸内的工作过程指明方向和途径。

4.1、计算格式

热计算的内容和方法在《柴油机原理》一书中有较为详尽的论述，下面用列表的方式，提供一个计算格式（见表4.1）。

热计算是相应于发动机在标定功率的工况下进行的。通过热计算可以估计工作循环的指标，从而表明工作循环的有效性和经济性如何。

[1]

4.2、参数选取

热计算是否合理与正确，在很大程度上取决于所选择的参数是否符合实际情况，而选择热计算的各参数，又往往是根据经验在一定的范围内选取的，常常会碰到由于现有参数的选用未能反映出发动机的新发展水平，而使计算结果不满足要求或不符合当前实际。因而常常要进行多次试算和调整，才能使结果比较合理。表4.2给出热计算参数一般范围，供计算时参考。

表4.1 热计算表格

表4.2 热计算一般参数范围

点

pxpa(

van1v

)，膨胀线上各点pxpb(b)n2，式中a为压缩始点，b为膨胀终点，该两

vxvx

点的参数p及 v均已算得，故可用以求得线上其它点的参数。

4.3、示功图绘制

采取计算机编程绘图的方式绘制示功图。

五、绘制柴油机横剖面图

柴油机横剖面图的绘制，在总体设计选型时即已开始。即在确定柴油机的结构形式、主要性能和结构参数后，需进行初步的总体布置和调整、并确定各主要零部件的结构尺寸。当进行了各种设计计算后，再作必要的调整。各方面的要求均得到满足后，再绘出详细的柴油机总图，在课程设计范围内，绘制一个缸的横剖面图。要求能清楚地表达柴油机各组成部分的结构情况、相互关系和基本性能。

绘制总图时，必须按照《机械制图国家标准》及其他有关标准或规定绘制。

总图的绘制，应按机械制图国家标准定图幅及比例尺，然后在图纸上先定出曲轴中心线和气缸中心线位置（应参考母型机总图，合理定出），再依照先进行主要运动件的布置、再进行主要固定件及其它附件的布置的次序，由内向外逐步扩展，一步步绘制。

在布置和绘制总图时，应注意以下几点：

（1）活塞在上死点时，其顶面与缸盖底面间的压缩室容积Vc，应满足所选定的压缩比ε=（V+Vb）/Vc，对于四冲程发动机，还必须确保进排气门重叠开启时不与活塞顶相碰，对于筒状活塞二冲程柴油机，还应检验活塞在上死点时，活塞裙下缘的最后一道油环是否能封往扫气口（位于扫气口下方）。

（2）当活塞处于下死点时，必须确保：活塞最下面一道油环不越出气缸套下缘；活塞裙下部不与曲的上的平衡块相碰；对于二冲程柴油机，此时活塞顶相对于气缸套上的气口应处于适当位置。

（3）在曲柄连杆机械的运动过程中，不得与固定机件相碰，并留有适当的最小间隙。为此，应作运动干涉检查。

（4）绘图时还必须注意拆装条件和方法，即保证按照通常的检修条件能拆开能装上，且拆装方便（包括采用专用工具）。

（5）固定机件应有足够的强度和刚度，便于制造、便于安装、结构紧凑、重量轻。曲轴箱上开设的窗口既要便于检修、便于观察，而又不削弱机体。

（6）应尽力保持图面整洁、美观、线条清晰。

六、动力计算

动力计算是分析发动机各主要部件的受力情况，为强度计算提供数据。其内容如下： 1、曲柄连杆机构运动质量的确定

初步设计时常用经验数据来粗略估算。

连杆的质量还需要通过连杆重心的确定，再用双质量系统替代之。从而求出往复质量和迥转不平衡质量。

2、P-φ示功图的求取

将热计算得的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，由此可得各曲柄转角α下的气体力值Pg（α），单位为MPa。

3、往复惯性力Pj（α）计算

mj

pj(a)R2(cosacos2a)103 （MPa）

2

D4

2

或p(a)mjR2[cos()cos]103 （MPa）

j

2coscos3D4

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。 4、总作用力P（α）

p(a)pg(a)pBpj(a)

式中：Pβ—活塞底部气体压力，。 5、活塞侧推力PH（α）

pH(a)p(a)tg （MPa）

6、连杆力PC（α）

pC(a)p(a)/cos （MPa）

7、法向力PN（α）

pN(a)pC(a)cos() （MPa）

8、切向力PT（α）

pT(a)pC(a)sin() （MPa）

9、总切向力pT()

对四冲程曲柄均匀排列的情况：

p

T

()pT(720i/z) （MPa）

i1

z

式中：z—气缸数。

最后求出平均切力(Σpr)cp，其单位为：MPa。 10、曲柄销负荷RB（α）计算

水平分量RΒh(α)=PT(α) (MPa) 垂直分量RBv(α)=PN(α) -Prβ (MPa) 合力RB()

R2BH()R2BV() (MPa)

式中：PrmBR2/(



4

D2) (MPa)

mB—连杆组则算到大端的质量，kg。

在完成动力计算后，应绘出Pg(α)、Pj(α)、PH(α)、PN(α)、PT(α)、ΣPT(α)、 RB(α)各曲线图。

最后按总切力曲线作准确性校核： 由总切力得到的指示功率：

Ni

(pT)cpFpR

10

6

（kW）

式中，(

p

Tcp—平均切力，MPa；

2

)

Fp—活塞面积，mm； R—曲柄半径，mm；

ω—曲轴角速度，rad/s，

n

30

；

n—曲轴转速度，r/min。

将Ni与给定的标准值Ni'比较：

NNi误差：i(%) Ni

△应小于10%

七、曲轴设计计算

6.1曲轴结构比例

表6.1 曲轴各部尺寸比例

注：表中D—气缸直径

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pmax

pz



dpLp

D2

(MPa)

主轴颈pmax

qpz



2djLj

D2

(MPa)

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。 Pmax的许用值：

低速非增压[Pmax]=8~12，Mpa

高 速[Pmax]=10~20，Mpa V型及强载 [Pmax]=28~38，Mpa

6.2曲轴船规验算[3]

我国船舶检验局“钢质海船入级与建造规范（1989）”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 按下式计算：对锻钢、铸钢、合金钢材料的曲轴：

d

3

D2[AaBPz(LLP)CarpiS (mm)

65(l)

590

D2[AaBPz(LLp)CarpiS] （mm）

0.7b

590.3

490

对球墨铸材料的曲轴：

d

式中：D—气缸直径，mm ；

S—活塞行程，mm；LP—相邻两主轴承中心线间的距离，mm； PX—最高燃烧压力，Mpa； Pi—平均指示压力，Mpa；

b —材料标定抗拉强度下限值，Mpa 。一般在下列范围：碳钢和碳锰钢430~600

Mpa，合金钢600~1000 Mpa球墨铸铁490~780 Mpa 。

A—系数，对直列式单作用柴油机，A=0.50，对V型柴油机按附录A的图表选取； C—系数，选取值参见附录A。

aB—弯曲应力集中系数，对于原机型的曲轴，为3.39；具体设计可查阅资料[3]。 αr—扭转应力集中系数：

0.923(rp/dp)

(0.22050.1015e/dp)

(7.895510.654(b/dp)5.3482(b/dp)20.8570(b/dp)3)

八、连杆体强度计算

8.1给定条件

最大爆发压力：pz 活塞面积： Fp 最大气体作用力Pz

连杆长度： L=54 (cm) L1=L－(d1＋d2)/2 活塞组估算重量：Gp

机器最高转速：n=750(rpm) 连杆比：λ =0.25

连杆材料（推荐）：42CrMo,σb 981MPa,σs785MPa σ-1=0.25(σb+σs)＋50 σ-1p=(0.7~0.8)σ-1

2

8.2连杆体几何参数

连杆体总截面面积F，连杆油道截面f。

惯性矩（为计算方便并偏于安全， R20过渡部分忽略不计），（见图）

1

BH3(Bb)h3(d4a2f)1264 1

Iy[HB3h(Bb)3]d4

1264Ix



惯性半径ix

Ix

F

iy

IyF

柔度

L ix

L iy

柔度应小于50。

8.3起动工况时连杆体强度校核

单纯压缩 

Pz

(注) Fmin

压缩与弯曲的联合作用（应用朗肯公式）

1L2

xPz(0.)

FIx

yPZ(

L1

0.1) F4Iy

（注：根据西安交大编“内燃机设计”一书推荐，此强度校核的许用应力，只有当

采用模锻而成的合金钢连杆体，才大于216MPa。）

8.4额定工况时的强度校核

所受最大压力 Pcmaxpz.Fp

GpGcj

g

R2(1)

连杆体所受最大应力（压缩与弯曲的联合作用）

xmax

1L2

Pcmax(0.)

FIx

yman

2L11

Pcmax(0.)

F4Iy

连杆体所受最小应力（受拉） min

PjmaxF

平均应力 mx my

1

(xmaxmin) 21

(ymaxmin) 2

1

(xmaxmin) 21

(ymaxmin) 2

应力幅 ax ay

安全系数

n

1p

am , 取0.15

nx

1p

axmx

1p

ny

aymy

九、活塞销强度计算

9.1已知条件

气缸直径：D=200mm 曲柄半径与连杆长度比：

1 4

活塞顶面所受的总的最高气体压力pz： 最大惯性力：pj

活塞销强度验算 （见图）

9.2弯曲应力计算

活塞销中央截面的弯矩：

pzsl'pmMu()z()

23222

l'lS

2l''

m

2

活塞销抗弯截面模数：

Wu

d14d04

32(

d1

) ， 

d0

d1

活塞销的弯曲应力：

u

Mu

合金钢 []

9.3最大剪应力计算

max Jz

QS(z)maxJzbmax



64

(d14d04)

bmaxd1d0 S(z)max

3

d13d0

12

Q

pz

2

合金钢 []=118MPa

9.4活塞销的椭圆变形及应力分布

如图所示：

最大压应力一般发生在“3”处，其值为：

(3)

d0Pz(12)(1)1

式中 [0.19]K2

d1l1d11(1)

修正系数：

K1.515(0.4)3

许用应力 []=127~245MPa

最大拉应力发生在（2）处，其值为：

(2)

Pz(12)(1)0.636[0.174]K 2l1d11(1)

许用应力 []=127~245MPa

活塞销的椭圆变形量：

d

0.09pz13

()K l1E1

钢：E=200000MPa

连杆小端衬套与活塞销间隙以及活塞销与销座工作间隙值均应当大于活塞销的椭圆变形量d，才能保证工作可靠。

十、零件工件图绘制

零件图除了完整、清晰地表达零件的结构和形状外，还应包括制造和检验所需要的尺寸、公差、形位公差表面粗糙度代号、材料及各种性能、表面处理和技术要求。

绘制零件图也同样应遵照机械制图国家标准及有关标准进行，达到正确、完整、统一、清晰。

零件图绘制实际上是设计工作的进一步深入和细化，设计思想的进一步具体化，通过零件图的设计和绘制，可以与总图设计互为补充，相辅相成。

零件图的标题栏中，材料一栏应详细填入。

十一、编写设计计算说明书

编写设计计算说明书是整个设计工作的归纳和总结。是阐述设计思想，分析论证所设计的柴油机的优点，提供柴油机的性能、结构强度和工作可靠性的数据及生产制造方面的技术要求等的文件。

设计计算说明书应以技术文件的形式，简练、清晰地表达出设计的全部内容，设计计算说明书的内容应包括：

1. 设计任务书

2. 柴油机热计算或柴油机动力计算（零件校核计算）

a) 已知条件、设计参数 b) 计算公式、表格 c) 图表、计算检验结果 3. 结论

a) 在原型机（零件）上的改动说明 b) 改动后的性能分析

设计计算说明书与内燃机横剖面总图（或零件图）一起，构成课程设计的全部结果。 设计说明书由封面和内芯组成，均采用A4打印。

设计计算说明书必须撰写端正、清晰。按前述内容分类编目。最后将整个设计计算说明书从左侧装订成册。

十二、答辩

答辩是整个设计的最后环节。是评定设计质量，确定成绩的依据之一。

设计者首先必须独立完成课程设计的每一环节。提倡独立思考，反对照搬照抄；提倡理论联系实际，反对死套公式，不求甚解。

答辩前，设计者应概括一下本设计的特点和主要优点。对设计中的一些关键问题，准备好必须的数据资料。可扼要的写下答辩提纲。对自己独创性的设计或见解要作重点论述，最后再检查一下总图或零件图，看有否错误或遗漏。

将图纸按规定折叠好，与设计计算说明书连同各种曲线图表一起装入资料袋，送交指导教师评阅。由指导教师统一安排答辩。

答辩时，应大胆论述自己的见解，并提供必要的数据资料，要立论有据，避免无实际根据的空论。

附录

船规曲轴计算表

直列式单作用柴油机系数C

内燃机学课程设计指导书

参考文献

[1] 刘元诚、吴锦翔、崔可润，柴油机原理，大连海运学院出版社，1992

[2] 陈大荣，船舶柴油机设计，国防工业出版社，1985

[3] 中华人民共和国船舶检验局，钢质海船入级与建造规范，人民交通出版社，1989

[4] 船用柴油机设计手册（二），国防工业出版社，1979

[5] 船用柴油机设计手册（三），国防工业出版社，1979

[6] 船用柴油机设计手册（四），国防工业出版社，1979

[7] 施兴之、肖金生，内燃机课程设计指导书，武汉交通科技大学资料，1998

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《内燃机学》 课程设计指导书

李煜辉 编

武汉理工大学

2004

目录

一、 概述 ................................................................................................................................... 1 1.1、内燃机学课程设计的目的 .............................................................................................. 1 1.2、内燃机学课程设计的内容 .............................................................................................. 1 二、设计任务书 ........................................................................................................................... 3 2.1课程设计内容 ..................................................................................................................... 3 2.2设计要求 ............................................................................................................................. 3 2.3课程设计步骤与方法 ......................................................................................................... 3 三、总体设计选型 ....................................................................................................................... 5 3.1．母型发动机的选择 .......................................................................................................... 5 3.2、选择确定发动机的主要参数 .......................................................................................... 5 3.3、选择确定所设计发动机的总体布置结构型式 .............................................................. 5 3.4、选择确定发动机主要零件的结构形式及尺寸 .............................................................. 6 3.5原机型有关参数 ................................................................................................................. 6 四、热计算 ................................................................................................................................... 7 4.1、计算格式 .......................................................................................................................... 7 4.2、参数选取 .......................................................................................................................... 7 4.3、示功图绘制 .................................................................................................................... 12 五、绘制柴油机横剖面图 ......................................................................................................... 13 六、动力计算 ............................................................................................................................. 14 七、曲轴设计计算 ..................................................................................................................... 16 6.1曲轴结构比例 ................................................................................................................... 16 6.2曲轴船规验算[3] ............................................................................................................... 17 八、连杆体强度计算 ................................................................................................................. 18 8.1给定条件 ........................................................................................................................... 18 8.2连杆体几何参数 ............................................................................................................... 18 8.3起动工况时连杆体强度校核 ........................................................................................... 19 8.4额定工况时的强度校核 ................................................................................................... 19 九、活塞销强度计算 ................................................................................................................. 21 9.1已知条件 ........................................................................................................................... 21 9.2弯曲应力计算 ................................................................................................................... 21 9.3最大剪应力计算 ............................................................................................................... 22 9.4活塞销的椭圆变形及应力分布 ....................................................................................... 22 十、零件工件图绘制 ................................................................................................................. 24 十一、编写设计计算说明书 ..................................................................................................... 25 十二、答辩 ................................................................................................................................. 26 附录............................................................................................................................................. 27 参考文献 ..................................................................................................................................... 29

一、 概述

内燃机学课程设计，是热能动力工程专业学生在学完了内燃机学等专业课程后的一次综合性设计实践和基本训练。

1.1、内燃机学课程设计的目的

巩固加深过去的有关课程的理论知识，学会联系实际来综合运用这些知识，培养正确的实践思路———辨证地分析问题、解决问题的思想方法。

通过设计实践，培养从事设计工作的独立工作能力。熟悉与内燃机设计有关的规范、标准。

接受有关柴油机设计的基本功训练，如设计计算训练，计算机应用的训练；用设计图纸表达设计思想的训练；机械制图的基本训练；编写设计计算说明书及技术文件的训练；进行选型论证、撰写论证文章以及进行答辩的基本训练等。

1.2、内燃机学课程设计的内容

1.2.1设计 a.总体设计：

总体设计选型论证：包括总体选型，主要参数的确定以及主要零件的选型。

工作过程计算：主要是热计算，即对所设计的内燃机的各热力参数、指示参数、有效参数进行计算，以便绘制出计算示功图，作为总体选型的依据。

绘制内燃机横剖面图：这是总体设计和布置以及主要零件的结构设计的体现。

b.主要零部件设计：

主要零部件的设计计算：在课程设计的范围内，主要部件是指曲轴、连杆、活塞、汽缸盖、机身、机座。由于课程设计时间的限制，可以选择其中几个典型部件作为设计计算的内容─即计算它们的工作能力和结构强度。

动力计算：目的是求得作用在发动机上的力以及其变化规律，为主要零件的设计提供依据。

零件工作图设计：绘零件图，完成施工图纸。通常只绘制一个零件的工作图，如活塞，连杆，或曲轴的零件（组件）图，以接受绘制施工图纸的训练。

1.2.2编写设计说明书：

这是课程设计的总结，以技术文件的形式，把设计的全部内容简练、清晰的写出，与横剖面总图或零件工作图一起，构成课程设计的全部成果。

1.2.3答辩：

是每一项设计的必经程序，也是评定课程设计成绩的最后一个环节。所完成的设计可行与否、质量如何、有何问题、有何优点，只有通过答辩才能确定。答辩与总图或零件图以及设计计算说明书一起构成确定课程设计成绩的依据。

二、设计任务书

2.1课程设计内容

在下述题目中选择一个作为设计课题。 6200柴油机总体设计 6200柴油机活塞设计 6200柴油机曲轴设计 6200柴油机连杆设计

2.2设计要求

2.2.1总体设计要求

主要用途：小型船舶主机或发电用辅机。 功率要求：Ne=440kW(n=600r/min) 有效耗油率要求：ge≤210g/kW.h 最大爆发压力要求：Pz≤13.5MPa

机构、工艺和材料应适合我国一般柴油机厂的制造水平和国家资源情况。 重量、尺度指标应在原机所达到的基础上有所改进。

2.2.2零件设计要求

主要用途：用于6200柴油机。

机械强度要求：满足动力计算的负荷条件

机构、工艺和材料应适合我国一般柴油机厂的制造水平和国家资源情况。 重量、尺度指标应在原件所达到的基础上有所改进。

2.3课程设计步骤与方法

2.3.1．6200柴油机整体设计

总体设计选型论证； 工作过程计算；

绘制内燃机横剖面装配图； 编写设计计算说明书。

2.3.2．6200柴油机活塞设计

动力计算；

绘制活塞零件图； 活塞销强度校核； 编写设计计算说明书。

2.3.3．6200柴油机曲轴设计

动力计算；

绘制柴油机曲轴零件图； 曲柄销圆角处的安全校核； 编写设计计算说明书。

2.3.4．6200柴油机连杆设计

动力计算；

绘制柴油机连杆组零件图； 连杆体强度校核； 编写设计计算说明书。

三、总体设计选型

总体设计是柴油机设计的重要环节，它决定新设计的柴油机的生命力和前途；关系到新设计的柴油机是否能很好地满足设计任务书的要求。

总体设计的任务是根据设计任务书的要求，选择确定一种各方面都较完善和柴油机结构型式；选择确定柴油机的主要性能参数和主要结构参数；对各主要零件和系统元件的结构型式和主要尺度进行选择和估算，然后进行总体布置和调整，最后绘出详细的总体布置图。

具体来说，总体设计包括以下几项工作。

3.1．母型发动机的选择

选择母型发动机是根据以下各方面来考虑的。

（1）发动机型式相同，如冲程数相同；都为十字头式或筒状活塞式发动机；都为直列式或V型发动机等等；且发动机几何相似（或接近相似）。

（2）转速比较近或发动机用途相近。 （3）单缸功率比较接近；强载程度相近。 （4）增压度相近。

（5）对二冲程发动机，还有换气型式相近等等。

根据上述几个方面，在已经大量投入使用，并有较好使用效果的发动机中选择一台或二台与设计任务相近的发动机作为母型。

有了母型发动机，在选择新设计发动机的主要参数和结构型式乃至总体布置等方面，都可有所借鉴和比较。应该仔细的分析和研究母型发动机的优缺点，在设计发动机中应该扬长避短，着眼于创新，而决不要被母型机牵着鼻子走，照搬照抄。

3.2、选择确定发动机的主要参数

发动机的主要参数，有的是设计任务书提出的要求，有的可参照型发动机来选择。 主要参数包括：主要性能参数、平均有效压力Pme、转速n、活塞平均速度Cm、增压压力Pk、压缩比ε、最大爆发压力PZ、气缸数i、气缸直径D、活塞行程S、行程缸径比S/D、气缸中心距LO、曲轴半径连杆长度比λ、燃油和滑油的耗油率、单位功率重量及大修期等。

发动机的主要参数表明了它的先进性。在选择主要参数时，既要追求先进，又要不脱离我国柴油机制造的实际。否则就会成为纸上谈兵。

3.3、选择确定所设计发动机的总体布置结构型式

这项工作实际上是与选择母型发动机同时进行的，在选择母型机时，对总体布置和总体结构必然是已进行了基本的构思。此时，只不过是进一步具体化而已。例如，要确定增压器布置在何处，喷油泵喷油器如何布置、凸轮轴如何布置、怎样传动，调整器如何布置，操纵台设置在何处等，总体布置既要紧凑、美观，又要便于拆装和操作管理以及满足设计任务书的要求。

3.4、选择确定发动机主要零件的结构形式及尺寸

这项工作主要是把发动机的主要零件的结构形式和大体尺度确定下来，例如曲轴采用何种结构形式、何种材料，是锻钢曲轴还是球墨铸铁造曲轴，主要结构尺寸应为多少，活塞是整体式还是组合式、冷却还是非冷却式、机体零件上采用机座的结构还是倒挂式主轴承结构，它们的主要尺度应定为多少等等。

完成了上述各项工作，发动机的总设计就基本就绪了。紧接着就是绘制总图，初步布置一下，看有无问题，详细绘制总图的要求见后。

在基本上完成了总体设计后，为了初步验证所选择的参数和指标是否合理。能否达到，各主要零部件的结构尺寸是否安全可靠，接下去应进行柴油机热的计算、动力计算和主要零部件的设计计算。

3.5原机型有关参数

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=270mm n=600r/min Ne=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=25 ,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。



四、热计算

热计算是用来校验设计中所选择的性能参数是否合适，所要求的主要性能指标能否达到。通过热计算，也可为合理地组织气缸内的工作过程指明方向和途径。

4.1、计算格式

热计算的内容和方法在《柴油机原理》一书中有较为详尽的论述，下面用列表的方式，提供一个计算格式（见表4.1）。

热计算是相应于发动机在标定功率的工况下进行的。通过热计算可以估计工作循环的指标，从而表明工作循环的有效性和经济性如何。

[1]

4.2、参数选取

热计算是否合理与正确，在很大程度上取决于所选择的参数是否符合实际情况，而选择热计算的各参数，又往往是根据经验在一定的范围内选取的，常常会碰到由于现有参数的选用未能反映出发动机的新发展水平，而使计算结果不满足要求或不符合当前实际。因而常常要进行多次试算和调整，才能使结果比较合理。表4.2给出热计算参数一般范围，供计算时参考。

表4.1 热计算表格

表4.2 热计算一般参数范围

点

pxpa(

van1v

)，膨胀线上各点pxpb(b)n2，式中a为压缩始点，b为膨胀终点，该两

vxvx

点的参数p及 v均已算得，故可用以求得线上其它点的参数。

4.3、示功图绘制

采取计算机编程绘图的方式绘制示功图。

五、绘制柴油机横剖面图

柴油机横剖面图的绘制，在总体设计选型时即已开始。即在确定柴油机的结构形式、主要性能和结构参数后，需进行初步的总体布置和调整、并确定各主要零部件的结构尺寸。当进行了各种设计计算后，再作必要的调整。各方面的要求均得到满足后，再绘出详细的柴油机总图，在课程设计范围内，绘制一个缸的横剖面图。要求能清楚地表达柴油机各组成部分的结构情况、相互关系和基本性能。

绘制总图时，必须按照《机械制图国家标准》及其他有关标准或规定绘制。

总图的绘制，应按机械制图国家标准定图幅及比例尺，然后在图纸上先定出曲轴中心线和气缸中心线位置（应参考母型机总图，合理定出），再依照先进行主要运动件的布置、再进行主要固定件及其它附件的布置的次序，由内向外逐步扩展，一步步绘制。

在布置和绘制总图时，应注意以下几点：

（1）活塞在上死点时，其顶面与缸盖底面间的压缩室容积Vc，应满足所选定的压缩比ε=（V+Vb）/Vc，对于四冲程发动机，还必须确保进排气门重叠开启时不与活塞顶相碰，对于筒状活塞二冲程柴油机，还应检验活塞在上死点时，活塞裙下缘的最后一道油环是否能封往扫气口（位于扫气口下方）。

（2）当活塞处于下死点时，必须确保：活塞最下面一道油环不越出气缸套下缘；活塞裙下部不与曲的上的平衡块相碰；对于二冲程柴油机，此时活塞顶相对于气缸套上的气口应处于适当位置。

（3）在曲柄连杆机械的运动过程中，不得与固定机件相碰，并留有适当的最小间隙。为此，应作运动干涉检查。

（4）绘图时还必须注意拆装条件和方法，即保证按照通常的检修条件能拆开能装上，且拆装方便（包括采用专用工具）。

（5）固定机件应有足够的强度和刚度，便于制造、便于安装、结构紧凑、重量轻。曲轴箱上开设的窗口既要便于检修、便于观察，而又不削弱机体。

（6）应尽力保持图面整洁、美观、线条清晰。

六、动力计算

动力计算是分析发动机各主要部件的受力情况，为强度计算提供数据。其内容如下： 1、曲柄连杆机构运动质量的确定

初步设计时常用经验数据来粗略估算。

连杆的质量还需要通过连杆重心的确定，再用双质量系统替代之。从而求出往复质量和迥转不平衡质量。

2、P-φ示功图的求取

将热计算得的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，由此可得各曲柄转角α下的气体力值Pg（α），单位为MPa。

3、往复惯性力Pj（α）计算

mj

pj(a)R2(cosacos2a)103 （MPa）

2

D4

2

或p(a)mjR2[cos()cos]103 （MPa）

j

2coscos3D4

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。 4、总作用力P（α）

p(a)pg(a)pBpj(a)

式中：Pβ—活塞底部气体压力，。 5、活塞侧推力PH（α）

pH(a)p(a)tg （MPa）

6、连杆力PC（α）

pC(a)p(a)/cos （MPa）

7、法向力PN（α）

pN(a)pC(a)cos() （MPa）

8、切向力PT（α）

pT(a)pC(a)sin() （MPa）

9、总切向力pT()

对四冲程曲柄均匀排列的情况：

p

T

()pT(720i/z) （MPa）

i1

z

式中：z—气缸数。

最后求出平均切力(Σpr)cp，其单位为：MPa。 10、曲柄销负荷RB（α）计算

水平分量RΒh(α)=PT(α) (MPa) 垂直分量RBv(α)=PN(α) -Prβ (MPa) 合力RB()

R2BH()R2BV() (MPa)

式中：PrmBR2/(



4

D2) (MPa)

mB—连杆组则算到大端的质量，kg。

在完成动力计算后，应绘出Pg(α)、Pj(α)、PH(α)、PN(α)、PT(α)、ΣPT(α)、 RB(α)各曲线图。

最后按总切力曲线作准确性校核： 由总切力得到的指示功率：

Ni

(pT)cpFpR

10

6

（kW）

式中，(

p

Tcp—平均切力，MPa；

2

)

Fp—活塞面积，mm； R—曲柄半径，mm；

ω—曲轴角速度，rad/s，

n

30

；

n—曲轴转速度，r/min。

将Ni与给定的标准值Ni'比较：

NNi误差：i(%) Ni

△应小于10%

七、曲轴设计计算

6.1曲轴结构比例

表6.1 曲轴各部尺寸比例

注：表中D—气缸直径

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pmax

pz



dpLp

D2

(MPa)

主轴颈pmax

qpz



2djLj

D2

(MPa)

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。 Pmax的许用值：

低速非增压[Pmax]=8~12，Mpa

高 速[Pmax]=10~20，Mpa V型及强载 [Pmax]=28~38，Mpa

6.2曲轴船规验算[3]

我国船舶检验局“钢质海船入级与建造规范（1989）”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 按下式计算：对锻钢、铸钢、合金钢材料的曲轴：

d

3

D2[AaBPz(LLP)CarpiS (mm)

65(l)

590

D2[AaBPz(LLp)CarpiS] （mm）

0.7b

590.3

490

对球墨铸材料的曲轴：

d

式中：D—气缸直径，mm ；

S—活塞行程，mm；LP—相邻两主轴承中心线间的距离，mm； PX—最高燃烧压力，Mpa； Pi—平均指示压力，Mpa；

b —材料标定抗拉强度下限值，Mpa 。一般在下列范围：碳钢和碳锰钢430~600

Mpa，合金钢600~1000 Mpa球墨铸铁490~780 Mpa 。

A—系数，对直列式单作用柴油机，A=0.50，对V型柴油机按附录A的图表选取； C—系数，选取值参见附录A。

aB—弯曲应力集中系数，对于原机型的曲轴，为3.39；具体设计可查阅资料[3]。 αr—扭转应力集中系数：

0.923(rp/dp)

(0.22050.1015e/dp)

(7.895510.654(b/dp)5.3482(b/dp)20.8570(b/dp)3)

八、连杆体强度计算

8.1给定条件

最大爆发压力：pz 活塞面积： Fp 最大气体作用力Pz

连杆长度： L=54 (cm) L1=L－(d1＋d2)/2 活塞组估算重量：Gp

机器最高转速：n=750(rpm) 连杆比：λ =0.25

连杆材料（推荐）：42CrMo,σb 981MPa,σs785MPa σ-1=0.25(σb+σs)＋50 σ-1p=(0.7~0.8)σ-1

2

8.2连杆体几何参数

连杆体总截面面积F，连杆油道截面f。

惯性矩（为计算方便并偏于安全， R20过渡部分忽略不计），（见图）

1

BH3(Bb)h3(d4a2f)1264 1

Iy[HB3h(Bb)3]d4

1264Ix



惯性半径ix

Ix

F

iy

IyF

柔度

L ix

L iy

柔度应小于50。

8.3起动工况时连杆体强度校核

单纯压缩 

Pz

(注) Fmin

压缩与弯曲的联合作用（应用朗肯公式）

1L2

xPz(0.)

FIx

yPZ(

L1

0.1) F4Iy

（注：根据西安交大编“内燃机设计”一书推荐，此强度校核的许用应力，只有当

采用模锻而成的合金钢连杆体，才大于216MPa。）

8.4额定工况时的强度校核

所受最大压力 Pcmaxpz.Fp

GpGcj

g

R2(1)

连杆体所受最大应力（压缩与弯曲的联合作用）

xmax

1L2

Pcmax(0.)

FIx

yman

2L11

Pcmax(0.)

F4Iy

连杆体所受最小应力（受拉） min

PjmaxF

平均应力 mx my

1

(xmaxmin) 21

(ymaxmin) 2

1

(xmaxmin) 21

(ymaxmin) 2

应力幅 ax ay

安全系数

n

1p

am , 取0.15

nx

1p

axmx

1p

ny

aymy

九、活塞销强度计算

9.1已知条件

气缸直径：D=200mm 曲柄半径与连杆长度比：

1 4

活塞顶面所受的总的最高气体压力pz： 最大惯性力：pj

活塞销强度验算 （见图）

9.2弯曲应力计算

活塞销中央截面的弯矩：

pzsl'pmMu()z()

23222

l'lS

2l''

m

2

活塞销抗弯截面模数：

Wu

d14d04

32(

d1

) ， 

d0

d1

活塞销的弯曲应力：

u

Mu

合金钢 []

9.3最大剪应力计算

max Jz

QS(z)maxJzbmax



64

(d14d04)

bmaxd1d0 S(z)max

3

d13d0

12

Q

pz

2

合金钢 []=118MPa

9.4活塞销的椭圆变形及应力分布

如图所示：

最大压应力一般发生在“3”处，其值为：

(3)

d0Pz(12)(1)1

式中 [0.19]K2

d1l1d11(1)

修正系数：

K1.515(0.4)3

许用应力 []=127~245MPa

最大拉应力发生在（2）处，其值为：

(2)

Pz(12)(1)0.636[0.174]K 2l1d11(1)

许用应力 []=127~245MPa

活塞销的椭圆变形量：

d

0.09pz13

()K l1E1

钢：E=200000MPa

连杆小端衬套与活塞销间隙以及活塞销与销座工作间隙值均应当大于活塞销的椭圆变形量d，才能保证工作可靠。

十、零件工件图绘制

零件图除了完整、清晰地表达零件的结构和形状外，还应包括制造和检验所需要的尺寸、公差、形位公差表面粗糙度代号、材料及各种性能、表面处理和技术要求。

绘制零件图也同样应遵照机械制图国家标准及有关标准进行，达到正确、完整、统一、清晰。

零件图绘制实际上是设计工作的进一步深入和细化，设计思想的进一步具体化，通过零件图的设计和绘制，可以与总图设计互为补充，相辅相成。

零件图的标题栏中，材料一栏应详细填入。

十一、编写设计计算说明书

编写设计计算说明书是整个设计工作的归纳和总结。是阐述设计思想，分析论证所设计的柴油机的优点，提供柴油机的性能、结构强度和工作可靠性的数据及生产制造方面的技术要求等的文件。

设计计算说明书应以技术文件的形式，简练、清晰地表达出设计的全部内容，设计计算说明书的内容应包括：

1. 设计任务书

2. 柴油机热计算或柴油机动力计算（零件校核计算）

a) 已知条件、设计参数 b) 计算公式、表格 c) 图表、计算检验结果 3. 结论

a) 在原型机（零件）上的改动说明 b) 改动后的性能分析

设计计算说明书与内燃机横剖面总图（或零件图）一起，构成课程设计的全部结果。 设计说明书由封面和内芯组成，均采用A4打印。

设计计算说明书必须撰写端正、清晰。按前述内容分类编目。最后将整个设计计算说明书从左侧装订成册。

十二、答辩

答辩是整个设计的最后环节。是评定设计质量，确定成绩的依据之一。

设计者首先必须独立完成课程设计的每一环节。提倡独立思考，反对照搬照抄；提倡理论联系实际，反对死套公式，不求甚解。

答辩前，设计者应概括一下本设计的特点和主要优点。对设计中的一些关键问题，准备好必须的数据资料。可扼要的写下答辩提纲。对自己独创性的设计或见解要作重点论述，最后再检查一下总图或零件图，看有否错误或遗漏。

将图纸按规定折叠好，与设计计算说明书连同各种曲线图表一起装入资料袋，送交指导教师评阅。由指导教师统一安排答辩。

答辩时，应大胆论述自己的见解，并提供必要的数据资料，要立论有据，避免无实际根据的空论。

附录

船规曲轴计算表

直列式单作用柴油机系数C

内燃机学课程设计指导书

参考文献

[1] 刘元诚、吴锦翔、崔可润，柴油机原理，大连海运学院出版社，1992

[2] 陈大荣，船舶柴油机设计，国防工业出版社，1985

[3] 中华人民共和国船舶检验局，钢质海船入级与建造规范，人民交通出版社，1989

[4] 船用柴油机设计手册（二），国防工业出版社，1979

[5] 船用柴油机设计手册（三），国防工业出版社，1979

[6] 船用柴油机设计手册（四），国防工业出版社，1979

[7] 施兴之、肖金生，内燃机课程设计指导书，武汉交通科技大学资料，1998

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