内燃机设计 袁兆成 课后习题答案 第6章

内 燃 机 设 计 西南交通大学

6-1答：

结构措施：1）加大曲轴轴颈的重叠度A(A增大，曲轴抗弯和抗扭刚度增加)

2）加大轴颈附近的过渡圆角（可减小应力集中效应，提高抗弯疲劳强度） 3）采用空心曲轴（可提高曲轴抗弯强度，同时课减轻曲轴重量和曲轴离心力）

4）沉割圆角（可在增加圆角半径的同时保证轴颈的有效承载长度）

5）开卸载槽（在相同载荷条件下，可使曲柄销圆角的最大压力值有所降低） 工艺措施：1）圆角滚压强化（表面产生剩余压应力，抵消部分工作拉伸应力，提高曲轴的

疲劳强度，还可降低圆角的表面粗糙度值，消除表面缺陷）

2）圆角淬火强化（用热处理的方法是金属发生组织相变，发生体积膨胀而产生

残余压应力，提高疲劳强度，还能提高硬度和表面的耐磨性）

3）喷丸强化处理（属于冷作硬化变形，在金属表面留下压应力，是表面硬度提

高，从而提高疲劳强度）

4）氮化处理（利用辉光离子氮化或气体软氮化方法，使氮气渗入曲轴表面，由

于氮的扩散作用，使金属体积增大，产生挤压应力，提高疲劳强度）

6-2答：

1）中碳钢：绝大多数采用模锻制造

2）合金钢：在强化程度较高的发动机中采用，通常加入Cr、Ni、Mo、V、W等合金

元素以提高曲轴的综合力学性能；

3）球墨铸铁：球墨铸铁的力学性能和使用性能优于一般铸铁，在强度和刚度能够满足

的条件下，使用球墨铸铁材料能够减少制造成本。

6-3答： 优点：

（1） 错误！未找到引用源。增加，可以提高曲轴刚度，增加了曲柄刚度，不增加离心力。 （2） 错误！未找到引用源。增加，可增加扭转刚度，固有频率错误！未找到引用源。增

加，转动惯量Ｉ增加不多。 缺点：

错误！未找到引用源。增加，主轴承圆周速度增加，摩擦损失增加，油温提高。

６-4答：

对于每个曲拐而言，连杆轴颈是一个，主轴颈有两个。连杆轴颈承受着由连杆传来全部载荷，而每个主轴颈则只承担一半载荷，所以主轴颈载荷小于连杆轴颈载荷。

实际设计中主轴颈D1大于连杆轴颈D2，D1/D2≈1.05～1.25，因为增加主轴颈可以增加曲轴的重叠度，提高曲轴的抗弯刚度和抗疲劳强度，同时不增加曲轴的离心载荷。

6-5答：

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曲柄的主要参数是厚度（h）和宽度（b） 曲柄界面的抗弯截面系数Wσ=bh/6,

由此可知，h提高10%，Wσ理论上升20%，实际上升40%，因为h的增大，则磨圆处应力集中现象减轻，使应力分布趋于均匀；b上升10%，Wσ理论上升10%，实际上升5%，由于b上升，应力分布不均匀更加严重。

6-6答： 工作条件：

1） 受周期变化的力、力矩共同作用，曲轴既受弯曲又受扭转，承受交变疲劳载荷，重

点是弯曲载荷；

2）由于曲轴形状复杂，应力集中严重，特别是在曲柄与轴颈过度的圆角部分； 3）曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重。 设计要求：1）有足够的耐疲劳强度

2）有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨； 3）尽量减少应力集中；

4）刚度要好，变形小，否则使其他零件的工作条件恶化。

一般在制造工艺稳定的条件下，钢制曲轴的安全系数n≥1.5，对于高强度球墨铸铁曲 轴，由于材料质量不均匀，而且疲劳强度的 分散度比较大，应取n≥1.8。

6-7答：

想得到符合实际的计算结果，关键是如何处理曲轴的位移约束条件和加载方式。位移约束和加载方式的不同，会得到差别非常大的结果，这需要详细了解曲轴的工作情况和受力情况。另外，形状变化剧烈的圆角处，要进行网格细化，否则计算结果不准。

6-8答：

刚度和强度随着使用时间而降低，造成疲劳损坏，所以还是会发生少数曲轴破坏情况。 6-9答：

发动机的输出转矩M大于阻力矩MR时，吸收多余的功，使转速增加较少；发动机的 输出转矩M小于阻力矩MR时，释放储存的能量，使转速减少较少。总之，飞轮的作用就是调节曲轴转速变化，稳定转速。

6-10答： If = Ψ

2

≈ 10.8 x 106

随着气缸数的增加，ξ和δ都呈减小的趋势，而ξ减小的速度要快于δ，根据公式，可得：随着气缸数的增加，飞轮的转动惯量逐渐减小

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6-11答：

外径越大，在同样的转动惯量下飞轮就可以越轻。飞轮的外径除了要考虑空间条件外， 主要就是考虑外圆的圆周速度，尤其对于灰铸铁飞轮，建议圆周速度不超过35—50m/s.否则，容易造成由于离心惯性力过大，材料的抗拉强度不足而使飞轮损坏及飞轮材料碎裂飞出的事故。

6-12答：

微粒排放有所增加，燃油经济性降低，飞轮的转速降低，此时飞轮积聚的动能有助于 起步和克服短期超负荷。

2010-12-08

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