内燃机设计

译者
序一
序二
第5版前言
第6版前言
译者的话
符号
第1章导言1
第2章导论2
2.1开发过程中的计算分析2
2.2力学与热力学3
2.3本书所选择的和深入探讨的
内容说明3
2.4发动机全新开发及升级
开发目标4
第3章发动机主参数设计6
3.1发动机参数的相关性6
3.2发动机主参数定义7
3.2.1工作容积（排量）7
3.2.2功率和转矩7
3.2.3比功率7
3.3缸体及曲柄连杆机构的
主参数选择8
3.3.1行程缸径比8
3.3.2连杆比及连杆中心距9
3.3.3缸体高度10
3.3.4活塞直径及质量11
3.3.5活塞压缩高度11
3.3.6行程、缸径和气缸数13
3.3.7缸筒长度、活塞裙部长度
与活塞突出量14
3.3.8曲轴回转轮廓及活塞
间隙14
3.3.9活塞结构尺寸19
3.4缸体主参数20
3.4.1缸心距与气缸间厚度20
3.4.2V形发动机的错缸距23
3.5最佳连杆比24
3.6燃烧室面容比27
3.7主性能指标定义29
3.8平均有效压力及比功率31
第4章主要零部件设计与计算34
4.1连杆34
4.1.1功能与设计要求34
4.1.2连杆受力分析36
4.1.2.1连杆受力方式与
位置36
4.1.2.2连杆承受的力及
力矩39
4.1.3常规连杆结构强度
计算40
4.1.3.1连杆大小头孔弯曲梁
简化计算模型40
4.1.3.2连杆盖以及连杆大头
孔当量截面负荷
分布40
4.1.3.3连杆大头孔以及连杆盖
当量截面的切向力及
力矩41
4.1.3.4连杆螺栓连接处的
受力情况43
4.1.3.5连杆疲劳强度计算45
4.1.3.6连杆有限元模拟
计算46
4.1.4连杆螺栓连接设计
常规计算47
4.1.4.1连杆螺栓连接47
4.1.4.2连杆螺栓连接计算
（按VDI2230
规定［C21］）47
4.1.4.2.1计算要求47
4.1.4.2.2螺栓连接的弹性
柔度49
4.1.4.2.3连杆螺栓连接的
应力曲线图51
4.1.4.2.4最小夹紧力、夹
紧力损失及预
紧力53
4.1.4.2.5螺栓尺寸55
4.1.4.2.6螺栓疲劳计算57
4.1.4.2.7连杆螺栓连接
设计小结58
目录●●●●●●●●●●内燃机设计4.2活塞58
4.2.1活塞计算分析58
4.2.2活塞功能及设计要求59
4.2.3活塞工作负荷61
4.2.3.1负荷及危险区域61
4.2.3.2曲柄连杆机构
受力分析63
4.2.3.3活塞行程、速度及
加速度66
4.2.4活塞常规计算70
4.2.4.1活塞类型及材料选用
原则70
4.2.4.1.1乘用车汽油发动机
用活塞70
4.2.4.1.2乘用车柴油发动
机用活塞73
4.2.4.1.3商用车柴油发动机
用活塞74
4.2.4.1.4工业用途大缸径
柴油机活塞76
4.2.4.2活塞销计算76
4.2.4.2.1活塞销安装
方式77
4.2.4.2.2计算简化
模型［C42］77
4.2.4.2.3活塞销表面
压力79
4.2.4.2.4活塞销椭圆
变形80
4.2.4.2.5活塞销弯曲
变形82
4.2.4.2.6活塞销材料82
4.2.4.2.7活塞销负荷及
强化措施85
4.2.4.3活塞销座计算85
4.2.4.3.1设计爆发压力85
4.2.4.3.2设计用标准
转速88
4.2.4.3.3活塞销卡簧90
4.2.4.3.4活塞销等效
应力92
4.2.4.4活塞质量计算94
4.2.4.5活塞型线确定95
4.2.4.5.1安装间隙、滑动
间隙、椭圆度及
表面承压图95
4.2.4.5.2活塞裙部柔性、椭圆
度、承压面宽及塑性
变形97
4.2.5活塞二次运动计算98
4.2.6活塞强度CAE计算100
4.2.6.1活塞FEM计算
模型100
4.2.6.2活塞热负荷103
4.2.6.3活塞应力场及
温度场105
4.2.6.4活塞有限元计算107
4.2.6.4.1活塞表面油膜
计算107
4.2.6.4.2活塞销变形
计算108
4.2.6.4.3活塞CAE计算
流程110
4.3活塞环111
4.3.1活塞环计算111
4.3.2功能及设计要求112
4.3.3活塞环受力分析114
4.3.4活塞环弹力117
4.3.4.1切向弹力及径向
压力117
4.3.4.2开口宽度、切向力及
活塞环参数kRi120
4.3.4.3活塞环的安装应力、
套紧应力、弹性模量及
塑性变形122
4.3.4.4开口间隙122
4.3.4.5活塞环扭曲122
4.3.5活塞环模拟计算
分析122
4.3.5.1计算模型122
4.3.5.2活塞环运动模拟
计算124
4.3.5.3密封性能模拟
计算126
4.3.5.4活塞环工作表面润滑
特性模拟计算129
4.4曲轴132
4.4.1功能及设计要求132
4.4.2曲轴工作负荷133
4.4.2.1曲轴工作力和
力矩133
4.2.2.2曲轴工作循环负荷
曲线135
4.4.2.3曲轴受力的静不
定性135
4.4.2.4曲柄单拐模型、弯曲
及扭转应力138
4.4.2.5曲轴受力情况143
4.4.2.5.1最大应力区域143
4.4.2.5.2弯曲及扭转应力
集中系数144
4.4.3曲轴结构强度147
4.4.3.1船用发动机曲轴设计
规范147
4.4.3.2危险截面抗弯扭
模量及应力集中
系数147
4.4.3.3曲轴材料疲劳强度与
安全系数147
4.4.3.4曲轴材料及制造
工艺149
4.4.4曲轴强度CAE模拟
计算150
4.4.4.1曲轴概念设计阶段的
计算分析150
4.4.4.2曲轴的多体动力学复
合模型计算分析151
4.4.4.3曲轴强度CAE计算
分析小结155
4.5气缸体157
4.5.1气缸体方案设计158
4.5.1.1气缸体结构形式159
4.5.1.1.1整体式与组合
式气缸体方案160
4.5.1.1.2开式及闭式气缸体
顶面设计163
4.5.1.1.3气缸冷却液流
方案设计166
4.5.1.1.4龙门式与整体式
框架结构169
4.5.1.2气缸体材料173
4.5.1.3气缸孔表面工艺175
4.5.1.3.1灰铸铁气缸孔
表面珩磨工艺175
4.5.1.3.2过共晶铝硅合金
气缸孔工艺177
4.5.1.3.3镍-碳化硅涂
层的气缸孔
工艺177
4.5.1.3.4铝基复合材料
工艺179
4.5.1.4气缸体铸造工艺180
4.5.1.5气缸体方案对比，
乘用车的开发
状态182
4.5.2气缸体受力情况、功能与
结构183
4.5.3气缸体轻量化188
4.5.3.1轻量化潜力188
4.5.3.2灰铸铁与铝合金材料
特性比较189
4.5.4气缸体CAE计算191
4.5.4.1气缸体有限元（FEM）
计算分析191
4.5.4.1.1温度场分析194
4.5.4.1.2变形分析195
4.5.4.1.3应力场196
4.5.4.2主轴承螺栓连接
设计196
4.5.4.3气缸盖螺栓连接
设计197
4.5.4.4气缸孔变形的傅里叶
分析203
4.5.5气缸套205
4.5.5.1湿式气缸套206
4.5.5.1.1湿式气缸套结构
形式206
4.5.5.1.2湿式气缸套受力
情况、尺寸与
结构设计209
4.5.5.2干式气缸套211
4.5.5.2.1装配应力212
4.5.5.2.2压应力213
4.5.5.2.3热应力215
4.5.5.2.4爆发压力下的
工作应力217
4.5.6气缸表面磨损219
4.6气缸盖220
4.6.1气缸盖功能与结构220
4.6.2气缸盖热负荷224
4.6.2.1燃气换热过程227
4.6.2.1.1传热途径227
4.6.2.1.2辐射换热230
4.6.2.1.3壁面传导换热231
4.6.2.2缸盖中的热应力232
4.6.2.3气缸盖的冷却
设计234
4.6.3气缸盖材料及铸造
工艺236
4.6.4进气道与排气道、气门
夹角、燃烧室形状及
气缸盖高度设计240
4.6.4.1进气道与排气道240
4.6.4.1.1进气道与排气道
结构设计240
4.6.4.1.2气道气体流动
性能试验245
4.6.4.2气门夹角、燃烧室
形状及气缸盖高度
设计250
4.6.5气缸盖CAE计算251
4.7气缸垫256
4.7.1功能及设计要求256
4.7.2气缸垫结构258
4.7.3气缸垫密封技术258
4.7.3.1工作条件258
4.7.3.2全金属气缸垫结构
设计259
第5章配气机构与曲柄连杆机构
设计与计算266
5.1配气机构266
5.1.1换气过程一维模拟
分析271
5.1.2配气机构换气工作
原理274
5.1.2.1气门布置276
5.1.2.2配气机构结构
形式278
5.1.2.3液压间隙调
节器281
5.1.2.4气门282
5.1.2.5凸轮284
5.1.2.5.1凸轮型线设计284
5.1.2.5.2凸轮型线设计
程序288
5.1.2.6气门弹簧290
5.1.2.6.1气门弹簧力
设计290
5.1.2.6.2气门弹簧计算291
5.1.2.7凸轮轴292
5.1.3可变气门正时换气工作
原理293
5.1.4可变气门执行机构结构
形式295
5.1.4.1分段式调节可变气门
执行机构295
5.1.4.2连续式调节可变气门
执行机构296
5.1.4.3连续可变气门正时
执行器（叶片式）297
5.1.5分段式可变气门升程
换气过程298
5.1.6连续可变气门升程
换气过程299
5.1.7气门机构动力学
计算309
5.1.7.1动力学计算
分析311
5.1.7.2多体动力学
模型312
5.1.8涡轮增压发动机的换气
技术312
5.1.8.1无可变气门机构的
换气工作原理313
5.1.8.2可变气门机构的换气
工作原理316
5.1.8.3连续可变进气及可变排气正时的换气工作
原理317
5.1.8.4全可变气门的换气工作
原理322
5.2曲柄连杆机构324
5.2.1活塞式发动机的质量
平衡324
5.2.1.1单缸驱动机构的质量
平衡324
5.2.1.1.11阶惯性力324
5.2.1.1.2单缸发动机曲柄
连杆机构中通过
平衡重进行平衡的
方法327
5.2.1.2借助平衡重来平衡多
缸驱动装置的质量333
5.2.1.2.1直列发动机的1阶
惯性力平衡333
5.2.1.2.2平衡V2发动机上的
自由惯性力335
5.2.1.2.3平衡自由惯性
力矩341
5.2.1.2.4质量转矩369
5.2.1.3借助平衡轴来平衡
质量371
5.2.1.3.1通过平衡轴来平衡
惯性力；方法和
应用373
5.2.1.3.2滚转力矩375
5.2.1.3.3通过平衡轴平衡
往复惯性力矩；
应用示例380
5.2.2发动机振动小结383
第6章发动机噪声384
6.1涉及发动机噪声和路面噪声的
法律法规384
6.2发动机噪声——部分声源和
噪声源386
6.3间接产生的发动机噪声——
产生、传递和辐射388
6.4气缸压力曲线及其所产生的
气缸压力频谱394
6.5发动机结构声学分析396
6.5.1发动机结构振动特性396
6.5.2发动机缸体结构对降噪
的影响398
6.5.3曲轴、轴承、润滑油膜
结构噪声传递路径
研究403
6.5.4发动机结构的空气噪声
计算407
6.5.4.1计算流程407
6.5.4.2辐射声功率的计算407
6.6发动机上其他噪声源410
第7章总结与展望411
附录414
附录A有限元法（FEM）基础
知识414
附录B关于矩阵位移法（静力学
理论）416
附录C用有限元法解微分
方程421
附录D关于有限差
分法（FDM）426
附录E关于边界
元法（BEM）426
附录F关于“模态模型”（模态
分析）427
参考文献429