本書系統(tǒng)地闡述內燃機的設計過程和設計方法。全書共分12章，首先介紹內燃機的開發(fā)流程，然后從內燃機的工作情況、設計要求和設計指標入手，講述內燃機的總體設計方法；通過曲柄連桿機構的受力分析，獲取機構零部件運動狀態(tài)和載荷，并闡述曲柄連桿機構零部件及機體組零部件的設計；講述配氣機構的形式、動力學分析方法及零件設計；介紹包括渦輪增壓系統(tǒng)的進排氣系、冷卻系、潤滑系和啟動系統(tǒng)的選型設計。在系統(tǒng)和零部件的設計過程中，穿插介紹傳統(tǒng)分析校核方法和現代分析校核方法。
本書可作為高等學校能源與動力工程專業(yè)內燃機方向的本科教材，也可供相關學科的同學及從事內燃機設計、生產的工程技術人員參考。
第1章 內燃機的開發(fā)流程、設計要求與設計指標…………………………………… 1
1.1 內燃機的開發(fā)流程…………………………………………………………… 1
1.1.1 產品規(guī)劃階段………………………………………………………… 1
1.1.2 樣機方案設計和先期研究階段……………………………………… 2
1.1.3 樣機施工設計和試制階段…………………………………………… 3
1.1.4 投產階段……………………………………………………………… 3
1.2 內燃機的設計要求…………………………………………………………… 3
1.2.1 車用內燃機的設計要求……………………………………………… 4
1.2.2 船用內燃機的設計要求……………………………………………… 4
1.2.3 工程機械內燃機的設計要求………………………………………… 5
1.2.4 農用內燃機的設計要求……………………………………………… 5
1.3 內燃機的設計指標…………………………………………………………… 6
1.3.1 動力性指標…………………………………………………………… 6
1.3.2 經濟性指標…………………………………………………………… 8
1.3.3 結構緊湊性指標……………………………………………………… 10
1.3.4 運轉性指標…………………………………………………………… 11
1.3.5 適應性指標…………………………………………………………… 12
1.3.6 強化指標……………………………………………………………… 12
思考題……………………………………………………………………………… 13
第2章 內燃機的總體設計………………………………………………………… 14
2.1 總體設計的任務與方法……………………………………………………… 14
2.2 內燃機的選型………………………………………………………………… 16
2.2.1 汽油機、柴油機與多燃料內燃機…………………………………… 16
2.2.2 二沖程與四沖程內燃機……………………………………………… 17
2.2.3 增壓與非增壓內燃機………………………………………………… 18
2.2.4 風冷式與水冷式內燃機……………………………………………… 19
2.2.5 氣缸數及氣缸排列形式……………………………………………… 20
2.3 內燃機主要結構參數的選擇………………………………………………… 22
2.3.1 活塞行程S 與氣缸直徑D 的比值………………………………… 23
2.3.2 曲柄半徑R 與連桿長度L 的比值λ ……………………………… 23
2.3.3 氣缸中心距L0 與氣缸直徑D 的比值……………………………… 24
2.4 總體布置……………………………………………………………………… 24
思考題……………………………………………………………………………… 28
第3章 曲柄連桿機構受力分析…………………………………………………… 29
3.1 曲柄連桿機構運動學………………………………………………………… 29
3.1.1 中心式曲柄連桿機構運動學………………………………………… 29
3.1.2 主副連桿式曲柄連桿機構運動學…………………………………… 31
3.2 曲柄連桿機構中的作用力和力矩…………………………………………… 35
3.2.1 曲柄連桿機構運動件的質量換算…………………………………… 35
3.2.2 中心曲柄連桿機構中的作用力和力矩……………………………… 37
3.2.3 主副連桿式曲柄連桿機構中的作用力和力矩……………………… 41
思考題……………………………………………………………………………… 43
第4章 活塞組設計………………………………………………………………… 44
4.1 活塞設計……………………………………………………………………… 45
4.1.1 活塞的基本結構……………………………………………………… 45
4.1.2 活塞材料及制造工藝………………………………………………… 47
4.1.3 活塞各部位結構的確定……………………………………………… 49
4.1.4 活塞的計算…………………………………………………………… 60
4.2 活塞銷設計…………………………………………………………………… 68
4.2.1 結構設計……………………………………………………………… 68
4.2.2 材料與強化工藝……………………………………………………… 69
4.2.3 活塞銷的計算………………………………………………………… 70
4.3 活塞環(huán)設計…………………………………………………………………… 72
4.3.1 活塞環(huán)的工作情況與設計要求……………………………………… 72
4.3.2 活塞環(huán)的結構………………………………………………………… 73
4.3.3 活塞環(huán)的材料、表面處理及成形方法……………………………… 78
4.3.4 活塞環(huán)強度計算……………………………………………………… 80
思考題……………………………………………………………………………… 80
第5章 連桿組設計………………………………………………………………… 82
5.1 連桿的結構設計……………………………………………………………… 83
5.1.1 連桿小頭……………………………………………………………… 83
5.1.2 連桿桿身……………………………………………………………… 85
5.1.3 連桿大頭……………………………………………………………… 85
5.1.4 V 形內燃機的連桿大頭結構……………………………………… 87
5.1.5 連桿的毛坯成形與材料……………………………………………… 88
5.2 連桿強度計算………………………………………………………………… 88
5.2.1 采用公式計算………………………………………………………… 88
5.2.2 采用有限元法計算…………………………………………………… 92
5.3 連桿螺栓設計………………………………………………………………… 96
5.3.1 基本結構與材料……………………………………………………… 96
5.3.2 連桿螺栓的載荷……………………………………………………… 96
5.3.3 連桿螺栓的直徑和預緊……………………………………………… 98
5.3.4 提高連桿螺栓疲勞強度的措施……………………………………… 98
5.3.5 連桿螺栓的校核……………………………………………………… 98
思考題……………………………………………………………………………… 99
第6章 曲軸組與軸承……………………………………………………………… 100
6.1 曲軸的結構設計…………………………………………………………… 101
6.1.1 曲拐單元結構……………………………………………………… 102
6.1.2 曲拐單元的排列與發(fā)火次序……………………………………… 106
6.1.3 曲軸的前后端與密封……………………………………………… 109
6.1.4 曲軸的軸向止推…………………………………………………… 110
6.1.5 曲軸的平衡及平衡重……………………………………………… 111
6.1.6 飛 輪……………………………………………………………… 112
6.1.7 曲軸的材料………………………………………………………… 114
6.1.8 提高曲軸疲勞強度的工藝措施…………………………………… 115
6.2 曲軸的疲勞強度計算……………………………………………………… 116
6.2.1 采用公式計算……………………………………………………… 116
6.2.2 采用有限元法計算………………………………………………… 122
6.3 曲軸滑動軸承設計………………………………………………………… 125
6.3.1 曲軸軸承的工作情況與設計要求………………………………… 125
6.3.2 曲軸軸承的結構…………………………………………………… 125
6.3.3 曲軸軸承的材料…………………………………………………… 127
6.3.4 薄壁軸瓦過盈量的確定…………………………………………… 128
6.3.5 軸承的軸心軌跡…………………………………………………… 130
思考題……………………………………………………………………………… 134
第7章 機體組……………………………………………………………………… 135
7.1 機體設計…………………………………………………………………… 135
7.1.1 工作情況與設計要求……………………………………………… 135
7.1.2 機體的結構設計…………………………………………………… 136
7.1.3 主軸承蓋…………………………………………………………… 146
7.1.4 機體支座…………………………………………………………… 147
7.1.5 機體的材料………………………………………………………… 147
7.2 氣缸套設計………………………………………………………………… 148
7.2.1 工作情況與設計要求……………………………………………… 148
7.2.2 氣缸套的結構設計………………………………………………… 149
7.2.3 提高氣缸套使用壽命的措施……………………………………… 153
7.2.4 氣缸套的材料和表面處理………………………………………… 154
7.3 氣缸蓋設計………………………………………………………………… 155
7.3.1 工作情況與設計要求……………………………………………… 155
7.3.2 氣缸蓋的結構設計………………………………………………… 156
7.3.3 氣缸蓋的材料……………………………………………………… 168
7.4 氣缸墊設計………………………………………………………………… 168
7.4.1 工作情況與設計要求……………………………………………… 168
7.4.2 氣缸墊的結構和材料……………………………………………… 169
7.5 氣缸蓋罩和下曲軸箱設計………………………………………………… 170
7.5.1 工作條件和設計要求……………………………………………… 170
7.5.2 基本結構和材料…………………………………………………… 171
7.6 機體組的計算……………………………………………………………… 173
7.6.1 氣缸套的校核估算………………………………………………… 173
7.6.2 機體組的有限元計算……………………………………………… 174
7.6.3 計算結果…………………………………………………………… 178
思考題……………………………………………………………………………… 179
第8章 配氣機構與驅動機構……………………………………………………… 180
8.1 配氣機構的形式…………………………………………………………… 182
8.1.1 凸輪軸下置式配氣機構…………………………………………… 182
8.1.2 凸輪軸中置式配氣機構…………………………………………… 183
8.1.3 凸輪軸頂置式配氣機構…………………………………………… 183
8.2 凸輪型線設計……………………………………………………………… 185
8.2.1 凸輪過渡段………………………………………………………… 186
8.2.2 圓弧凸輪工作段…………………………………………………… 188
8.2.3 復合擺線凸輪工作段……………………………………………… 191
8.2.4 高次多項式凸輪工作段…………………………………………… 193
8.2.5 凸輪的校核………………………………………………………… 195
8.3 配氣機構動力學…………………………………………………………… 196
8.3.1 剛體假設理論升程與實際升程…………………………………… 196
8.3.2 單質量動力學計算模型…………………………………………… 197
8.3.3 原始數據的確定…………………………………………………… 198
8.3.4 計算及結果分析…………………………………………………… 201
8.3.5 多項動力凸輪……………………………………………………… 202
8.4 配氣機構零件結構設計…………………………………………………… 202
8.4.1 氣 門……………………………………………………………… 202
8.4.2 氣門座圈…………………………………………………………… 205
8.4.3 氣門導管…………………………………………………………… 205
8.4.4 氣門彈簧…………………………………………………………… 206
8.4.5 凸輪軸……………………………………………………………… 210
8.4.6 挺 柱……………………………………………………………… 212
8.4.7 推 桿……………………………………………………………… 215
8.4.8 搖 臂……………………………………………………………… 216
8.4.9 可變配氣機構……………………………………………………… 216
8.5 驅動機構…………………………………………………………………… 222
8.5.1 工作情況與設計要求……………………………………………… 222
8.5.2 驅動機構結構……………………………………………………… 223
思考題……………………………………………………………………………… 226
第9章 進、排氣系統(tǒng)與增壓……………………………………………………… 227
9.1 進、排氣系與增壓器的布置………………………………………………… 227
9.2 進、排氣系主要部件的選擇………………………………………………… 230
9.2.1 空氣濾清器………………………………………………………… 230
9.2.2 進氣管……………………………………………………………… 231
9.2.3 排氣管……………………………………………………………… 235
9.2.4 消聲器……………………………………………………………… 236
9.2.5 排氣凈化裝置……………………………………………………… 237
9.3 增壓系統(tǒng)…………………………………………………………………… 240
9.3.1 增壓系統(tǒng)的形式…………………………………………………… 240
9.3.2 渦輪增壓器………………………………………………………… 243
思考題……………………………………………………………………………… 253
第10章 冷卻系…………………………………………………………………… 254
10.1 冷卻系的形式與布置……………………………………………………… 254
10.1.1 水冷系統(tǒng)…………………………………………………………… 254
10.1.2 風冷系統(tǒng)…………………………………………………………… 256
10.2 冷卻系主要部件的選擇與設計…………………………………………… 258
10.2.1 水散熱器…………………………………………………………… 258
10.2.2 水 泵……………………………………………………………… 259
10.2.3 風 扇……………………………………………………………… 260
10.2.4 導流罩……………………………………………………………… 262
10.2.5 冷卻系溫度調節(jié)裝置……………………………………………… 263
思考題……………………………………………………………………………… 263
第11章 潤滑系…………………………………………………………………… 264
11.1 潤滑系的形式與布置……………………………………………………… 264
11.2 潤滑系主要機件的選擇與設計…………………………………………… 268
11.2.1 機油泵……………………………………………………………… 268
11.2.2 機油濾清器………………………………………………………… 269
11.2.3 機油散熱器與機油恒溫裝置……………………………………… 270
11.2.4 儲油量……………………………………………………………… 270
思考題……………………………………………………………………………… 271
第12章 啟動系統(tǒng)………………………………………………………………… 272
12.1 啟動系形式的選擇與設計參數…………………………………………… 272
12.1.1 啟動系的形式……………………………………………………… 272
12.1.2 啟動系的設計參數………………………………………………… 274
12.2 輔助啟動裝置……………………………………………………………… 276
12.2.1 減小啟動阻力矩的方法…………………………………………… 276
12.2.2 改善啟動工作條件的方法………………………………………… 277
思考題……………………………………………………………………………… 278
參考文獻……………………………………………………………………………… 279
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