发动机活塞设计课设说明书

学 号： 0120907210313

课程设计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

2012 年 11 月 28 日

25kW四冲程汽油机活塞组设计

汽车工程学院 热能与动力工程 热动0903班 曹倩伟 肖合林

课程设计任务书

学生姓名： 曹倩伟 专业班级： 热动0903班 指导教师： 肖合林 工作单位： 汽车工程学院 题 目: 25kW四冲程汽油机活塞组设计 初始条件：

1、平均有效压力：0.8~1.2MPa 2、活塞平均速度：<18m/s

要求完成的主要任务:

1、 2、 3、

装配图设计。 零件图设计。 说明书1份。

时间安排：

序号 1 项目 课题准备 1、 设计发动机的结构参数。 2、 进行运动学计算。 3、 形成文档。 应完成时间 2012.11.12 备注 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书

2 装配图设计与绘图 1、 热力学计算。 2、 动力学计算。 3、 形成文档。 装配图设计与绘图 1、 结构参数设计并形成文档。 2、 装配图设计绘图（草图）。 装配图设计与绘图（底图） 装配图设计与绘图（加粗与标注） 零件图设计 1、 零件计算。 2、 形成文档。 零件图设计绘图 2012.11.13 3 2012.11.14 4 2012.11.15 5 2012.11.16 6 2012.11.19 7 2012.11.20 1

8 零件图设计绘图 零件图设计绘图 零件图设计绘图 零件图设计绘图 撰写设计说明书 撰写设计说明书 答辩 答辩 2012.11.21 9 2012.11.22 10 2012.11.23 11 2012.11.26 12 2012.11.27 13 2012.11.28 14 2012.11.29 15 2012.11.30

注意事项：

1、 课程设计期间必须严格遵守学校的作息时间。 2、 指导教师每天点名。

3、 学生每天的任务必须完成，指导教师作好相应的进度记录。

指导教师签名：肖合林 2012年11月08日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录

前言 ...................................................................................................................................................................... 1 1汽油机结构形式的设计 ................................................................................................................................... 1

1.1汽缸数和气缸布置的选择 ................................................................................................................... 1 1.2冷却方式 ............................................................................................................................................... 1 2汽油机结构参数的选取 ................................................................................................................................... 2

2.1汽缸直径的确定 ................................................................................................................................... 2 2.2缸径行程比S/D .................................................................................................................................... 3 2.3转速n的确定 ....................................................................................................................................... 3 2.4汽缸工作容积与升功率 ....................................................................................................................... 3 2.5曲柄半径与连杆长度之比λ的选取 ................................................................................................... 3 2.6缸心距的确定 ....................................................................................................................................... 3 2.7压缩比与燃烧室容积Vc,总容积Va ................................................................................................... 3 3热力学计算 ....................................................................................................................................................... 4

3.1燃烧过程数学模型 ............................................................................................................................... 4

3.1.1绝热压缩起点 ........................................................................................................................... 4 3.1.2绝热压缩过程 ........................................................................................................................... 4 3.1.3定容增压过程 ........................................................................................................................... 5 3.1.4 绝热膨胀过程 .......................................................................................................................... 5 3.2 绘制P-V图 .......................................................................................................................................... 5

3.2.1绘制理论P-V图 ....................................................................................................................... 5 3.2.2 绘制调整P-V图 ...................................................................................................................... 6 3.3热力学平均有效压力校核 ................................................................................................................... 7 4运动学计算 ....................................................................................................................................................... 8

4.1活塞位移 ............................................................................................................................................... 8 4.2活塞瞬时速度 ....................................................................................................................................... 9 4.3活塞的加速度、最大加速度 ............................................................................................................. 10 5力学计算 ..........................................................................................................................................................11

5.1气体压力：由P～V图转化为P～α图 .............................................................................................11 5.2往复惯性力 ......................................................................................................................................... 12 5.3旋转往复惯性力 ................................................................................................................................. 12 5.4合力的计算 ......................................................................................................................................... 13 6活塞设计 ......................................................................................................................................................... 17

6.1活塞的材料 ......................................................................................................................................... 17 6.2活塞主要尺寸设计 ............................................................................................................................. 17

6.2.1活塞高度H .............................................................................................................................. 17 6.2.2压缩高度H1 ............................................................................................................................ 17 6.2.3火力岸高度h .......................................................................................................................... 17 6.2.4环带高度 ................................................................................................................................. 17 6.2.5活塞顶部厚度δ ..................................................................................................................... 18 6.2.6活塞侧壁厚度及内部过渡圆角 ............................................................................................. 18 6.2.7活塞销座间距 ......................................................................................................................... 18 6.3活塞裙部及其侧表面形状的设计 ..................................................................................................... 19

6.3.1裙部椭圆 ................................................................................................................................. 19 6.3.2配缸间隙 ................................................................................................................................. 19

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3.1.3定容增压过程

选取定容增压的终点（设为C点），从B点到C点看作为定容压缩过程。参考文献[2]，可知汽油机压力升高比?p=3.2?4.2，取??7，则C点的状态参数：Pc??*Pb?8.12MPa

3.1.4 绝热膨胀过程

选取膨胀过程的终点（设为D点），从C点到D点可以看作是多变的膨胀过程，参考文献[2]，汽油机膨胀过程绝热指数n2=1.20?1.30，取n2=1.30。

3.2 绘制P-V图

3.2.1绘制理论P-V图

根据步骤3.1可以绘制理论P-V图，理论P-V图如图1：

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图1

3.2.2 绘制调整P-V图

调整的P-V图: 因为实际过程比较复杂，所以在得到的P～V，P～φ图上要修正得到，最高压力不在上止点，还有点火提前角，排气提前角的修正，显然实际的边界条件是不可能得到的，所以只能做一些适当的修正。调整后的P-V图见图2：

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图2

3.3热力学平均有效压力校核

由热力学计算所绘制的示功图为理论循环的示功图，其围成的面积表示的是汽油机所做的指示功Wi数值由对示功图积分后求得的面积来表示

Wi??Pdv-?PdvVcVdVa3P,aVa=0.L2Vb=0M.0P9a8M.0P6a1 ;其中

3P,Vb?0.0LbL3Pc,?Vc=0.0LP,dVd?0.3=2.0P1a5M； =0.M40P4a 。

P2?P1?

Pc?(Pb?(Vz,)nVn22=1.35VVn1b),n1=1.30

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经过计算后得：Wi?311.3J 所以汽油机的平均有效压力： 其中

Pme??mWi*?mVs?311.3*0.87J?1.0Mpa?330.27?10m——为汽油机的机械效率，nm=0.87。

所给定的结果满足设计要求（Pme＝0.8～1.2，Pe＝45kw）， 所以校核合格。

4运动学计算

4.1活塞位移

根据活塞的运动规律，计算出活塞的位置随曲轴转角的变化规律： ???X?r*??1?Cos????1?Cos???

?4?其中?——为曲柄半径和连杆长度的比，根据设计书的要求，取?=0.29 r——为曲轴半径，r?70/2?35mm

根据运动规律绘制活塞位移随曲轴转角关系图见图-3：

图-3 活塞位移随曲轴转角关系

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4.2活塞瞬时速度

根据活塞的位移规律，对曲轴转角?求倒得到活塞的瞬时速度V随曲轴转角?的变化规律：

又因为w=

取n=3000r/min，计算数据见附录，绘制的图见图-4：

图-4 活塞速度随曲轴转角关系

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???V?r??Sin??Sin2??2????n30，所以 V???n?r?Sin???Sin2????30?2?，.，.\\wo

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4.3活塞的加速度、最大加速度

根据活塞的瞬时速度规律，对曲轴转角?求倒得到活塞的加速度V随曲轴转角?的变化规

律：j?r?2?Cos???Cos2??，w=??n30

取n=3000r/min，计算数据见附录，绘制的图见图5：

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图武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书

5力学计算

5.1气体压力：由P～V图转化为P～α图

随着曲轴转角的变化，缸内的气体压力也会随之发生变化。将热力学计算中的P??V图转化为P???图，即气缸内气体压力随曲轴转角的变化规律。0~180度为进气行程，汽缸内的气体压力在理论循环下基本可以认为是一恒定值且小于大气压力；180~360度为多边压缩行程，汽缸内的气体压力可由绝热方程求出；360~540度为多变的膨胀过程，汽缸内的气体压力可由绝热方程求出；540~720度为排气行程，可以认为汽缸内的气体压力是均匀下降至

?D2?X-5?0.8~1?P0。由于已知了曲轴转角α和活塞位移X的关系式，又因V?3?10+，则

4可以在EXCEL表格中，求取出相应转角α时对应气缸容积V。每隔5°求（p，V）。下面列出来了一部分转角α下压力p的数据：

利用上面求解出的数据，做出p～α图。如图6：

图6P??

5.2往复惯性力

分析机构的惯性力时，通常将连续分布质量的实际活塞曲柄连杆机构离散成用往复运动质量的动力学等效当量系统来分析，往复惯性力的产生是由于活塞和连杆小头的质量在

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活塞瞬时速度的不均匀条件下产生的。往复惯性力的大小不仅与活塞和连杆小头的往复惯性质量有关，还与活塞的瞬时加速度有关。其加速度已经在运动学中计算完毕，往复惯性质量 mj?m1?m2， 其中m1——为活塞组的质量

m2——计算断面以上那部分连杆往复运动质量。

活塞的质量在估算时，将活塞当作薄壁圆筒处理。 活塞 m ??*?*D2??D?t?2*H1其中D——为活塞的外径，D=70mm t——为活塞的厚度， t=5.25mm

H——为活塞的高度，H=(0.8~1.0)D，取H=70mm

?——为活塞的密度，在此处用共晶铝硅合金66-1，密度为2.7g/cm3

m2?L?lL*m4??其中L——为连杆的长度，L=125 l——为连杆质心到连杆大头的距离 m——为连杆的质量

经过估算得到 mj = m2+m1=320g。 用公式

Pj??mj*r?2Cos???Cos2??即可以计算出活塞连杆小头的往复惯性力随曲轴

转角的变化规律，具体的计算数据见后附表。

5.3旋转往复惯性力

分析机构的惯性力时，通常将连续分布质量的实际活塞曲柄连杆机构离散成用往复运动质量和旋转运动质量的动力学等效当量系统来分析，连杆质心以下的质量和曲柄销组质量离散为旋转惯性质量。

mr?mcr?m2。

mj＝mp?m1Pj??r?2(sin??2?sin2?) Kr?mrr?2 随曲轴转角的变化规律，具体的计算数据见后附录。

5.4合力的计算

忽略机构摩擦阻力，则作用在曲柄连杆机构上的力只要研究气体压力和机构运动质量的惯

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性力。

气缸内工质作用在活塞上的总气体压力为：

Pg＝PG?P0 PG――缸内绝对压力，Mpa； P0――大气压力，一般取0.1Mpa

Pg随着曲轴转角α的变化规律Pg＝f（α），依据发动机型式和工况而不同。对新设计得发动机可由热力计算或参考同类型发动机的示功图；对已有的发动机可用各种燃烧分析仪。

作用在曲柄连杆机构上的力：气体压力于往复惯性力两者作用在气缸中心线上，将往复惯性力也用单位活塞面积的压力来计算，则合成的单位面积的力为

P?Pg?Pj?PgFh?r?2(sin??2?sin2?) （8）

其中分解后得到其他的力侧压力Pn、连杆力Pl、切向力t、径向力k、单缸扭矩Mi。公式分别为：

侧压力 Pn=Ptanβ （9） 连杆力Pl=P/cosβ （10） sin(α+β)切向力 t=Pl sin(α+β)=P （11）

cosβ径向力k=Plcos(α+β)=P

图7 连杆受力图

用Excel表绘制侧压力、连杆力、切向力、径向力随曲轴转角的变化。 分别见图-8、9、10、11：

cos(α+β)

（12）

cosβ

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图-8Pn??

图-9P1??

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图-10 t??

图-11 k??

从发动机有效功率公式来看，当缸径Ｄ、缸数Ｚ和冲程数τ已选定时，在燃油经济性最佳的前提下，要尽可能提高输出功率，就只有依靠平均有效压力Pme和活塞平均速度Vm两个主

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要参数的合理选择了。

发动机的有效功率为：

Pe?0.07854?Pme?cm?i?D2τ（kw）

式中Pme――平均有效压力，MPa Vm――活塞平均速度，m/s； n―――标定转速，r/min； D―――气缸直径，cm；

τ―――行程数，四冲程τ＝4，二冲程τ＝2。 取整得到如下结果：

缸径、行程、转速参数表

Pme(mpa) 1 Vm（m/s） 11.69 /D 1.0 SD(mm) 70 S(mm) n(r/min) Vs(L) 0.27 Vc(L) 0.03 Va(L) 0.3 70 5011.29 所示的结果得到发动机的结构参数。查有关手册，所得到的发动机参数满足现代发动机的一般技术水平，而且现在的加工技术可以达到这个水平。

6活塞设计

6.1活塞的材料

共晶硅铝合金

制造活塞的材料应有小的密度?、足够的高温强度?、高的热导率?、低的线胀系数a以

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及良好的摩擦性能(减摩性和耐磨性)。常用材料为铝硅合金，。共晶铝硅合金具有满意的综合性能，工艺性良好，应用最为广泛。过共晶铝硅合金中的初生硅晶体使耐热性、耐磨性改善，膨胀系数减小，但加工工艺性恶化。过共晶铝硅合金广泛用于高热负荷活塞。

6.2活塞主要尺寸设计

6.2.1活塞高度H

参考文献[1]，H=1D； 选择H=70mm。

6.2.2压缩高度H1

参考文献[1]，H1=0.5D； 选择H1=35mm。

6.2.3火力岸高度h

参考文献[1]，h=0.07D=4.9mm。

6.2.4环带高度

现代四行程发动机一般采用二道气环和一道油环。参考文献[1]，气环的厚度一般为2.0～3.0mm，环岸要求有足够的强度，使其在最大气压下不致被损坏。第一道环的环岸高度b1 一般为1.5～2.5c（c指环槽高度），第二道环的环岸高度b2为1～2c。

第一环岸高 b1=0.03～0.04D=0.04×70=2.8mm 取3mm,则，c1=2.0mm。 第二环岸高 b2=0.03～0.04D=0.04×70=2.8mm 取3mm,则，c2=2.0mm。 油环高b3 为4.0～6.0mm取4.0mm；

6.2.5活塞顶部厚度δ

参考文献[1] ：

δ=0.08D=5.6mm；取??6mm

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6.2.6活塞侧壁厚度及内部过渡圆角

活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取（0.05~0.1）D，取0.1D，厚度则为7mm。 为改善散热状况，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过度圆角，一般取R=0.05~0.1D。 则圆角半径取为7mm。

6.2.7活塞销座间距

B=0.35-0.40D；

取0.4则活塞销座间距为28mm。 有关活塞的尺寸设计结果：

名称 压缩高度取H1 环带高度H3 火力岸高度H4 总高度 壁厚 内圆直径D’ 外圆直径D 数值 35 15 5 70 7 62 70 单位 mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 第一道环的环岸高度b1 3 第二道环的环岸高度b2 3 第一道环槽高度C1 第二道环槽高度C2 油环高度C3 环槽深度

2 2 3 4 6.3活塞裙部及其侧表面形状的设计

活塞裙部及其侧表面形状设计的关键，在于保证裙部有足够的贴切合面积和良好的润滑条件，以及保证发动机在不同工况下都具有最小的活塞间隙。

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6.3.1裙部椭圆

1、将裙部设计成椭圆。

2、将销座附近的裙部外侧部位设计成凹陷状。 裙部椭圆的规律：

为了使活塞在正常工作温度下于气缸壁之间保持右比较均匀的间隙，不至于在气缸内卡死或是引起局部磨损，必须在常温下预先把活塞裙部的横断面加工成椭圆形，其长轴垂直于活塞销轴线方向，其矩轴于长轴的差值视发动机的不同而不同，一般为0.08～0.025mm。

为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.05～0.1mm。

实际取Δ：对活塞下下部和头部取0.1mm；对活塞裙中部取0.08mm

6.3.2配缸间隙

为了视铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆柱形，害必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.05～0.1mm。

活塞顶部间隙：0.240mm（活塞销中心平面内）；0.210mm垂直于活塞销中心线平面内 活塞裙部间隙：0.09mm（活塞销中心平面内）；0.04mm垂直于活塞销中心线平面内

6.4活塞头的质量计算

对活塞进行简化变成可计算体积的几何体，从而计算出其体积和质量。简化如图11。

D V? V?? H ? H1 19 H4 活塞销孔轴线 H3 ?lmin

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D?

活塞的质量在估算时，将活塞当作薄壁圆筒处理。

?22活塞 ： m 1 ? ?**D??D?t?*H4

其中D——为活塞的外径，D=70mm t——为活塞的厚度， t=8mm

H——为活塞的高度，H=(0.8~1.0)D=70mm

?? ?——为活塞的密度，在此处用共晶铝硅合金66-1，密度为2.7g/cm3 故可知活塞的质量为m活塞=105g。

7活塞销的设计

活塞工作时顶部承受很大的大气压力，这些力通过销座传给活塞销，再传给连杆。因而活塞销座和活塞销的设计必须保证足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。

7.1活塞销的材料

活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢（如20Cr）制造，经表面参碳淬火处理，以提高表面硬度，使中心具有一定的冲击韧性。表面需进行精磨和抛光。

7.2活塞销与销座的结构设计

d=（0.25~0.3）D=0.3D=21m； d0=(0.6~0.79)d=0.6d=13mm； l=(0.8~0.9)D=0.9D=63mm；

活塞销外径d1=21,;活塞销内径d2=13。活塞销长度l=63mm。

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7.3活塞销与销座的配合

活塞顶所承受的气压力通过活塞销座和活塞销传给连杆。由于结构上的限制，活塞销的直径d不可能超过0.4D，活塞销的长度不可能超过0.85D，因此活塞销总的承压面积极为有限，还要在活塞销座与连杆小头衬套之间合理分配。所以，不论在销与销座之间，还是在销与连杆之间，承压面积都很小，表面比压很高。加上活塞销与销座或活塞销与连杆衬套之间相对运动速度很低，液体润滑油膜不易形成。在这种高压低速条件下，要保证可靠的液体润滑，配合副的工作间隙要尽可能小。经验表明，当活塞销与销座以及活塞销与连杆小头衬套之间的工作状态(热态)间隙在(1~3) 10-4d时，可以可靠工作。于是，在装配状态(冷态)，销与销座则有(1~3) 10-4d的过盈，以补偿铝合金活塞销孔在工作时较大的热膨胀。为了稳定地保持极小的间隙而又转动灵活，活塞销外圆、活塞销孔和连杆小头衬套孔都应有极高的加工精度。不但尺寸公差要严格，尤其要保证严格的圆柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圆柱度和表面粗糙度值足够小，则可以按尺寸分组选配的办法保证配合副的理想间隙。

7.4活塞销质量m3

m1??*?4*D2??D?t?*H2??m=134g

7.5活塞销刚度和强度的校核

为保证活塞销和销座的可靠工作，需校核活塞销的弯曲变形，失圆变形，销座上的表面压力和活塞销的应力。

Δ=d1/D=25/86=0.3 δ=d2/d1=0.6

活塞销的弯曲变形： 0.0

许用变形：

?f??0.0004D?0.0328mm满足要求。 失圆变形：

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f?4.5(1??2)3/261.7?81?823/2?10?4.5?(1?0.29)?0.0327mm4242?(1??)0.29(1?0.67)0.

pzD

许用失圆变形：

??d??0.012??1?0.01D??0.0218mm

满足要求。

作用在销孔上的表面压力：

q?1.58pz?0??2?61.70.29?1 ?0.292?342.6小于极限值560bar，满足要求。 活塞销的纵向弯曲应力：

?2?0.0685pz1????1???2?0.0685?61.71?0.670.29?1?0.67?2?216N/mm2

活塞销的横向弯曲应力：

?2?0.0685pz1????1???2?0.0685?61.71?0.670.29?1?0.67?2?216N/mm2

所以总弯曲应力：

???12??22 =354.4N/mm2

在许用应力200到400 N/mm2之间，满足要求。 经以上计算可知设计的活塞销满足刚度和强度要求。

8活塞环设计

活塞与活塞环一起防止气缸内的高压气体下窜到曲轴箱，同时把很大一部分活塞顶接收的热量传给气缸壁，起这种作用的活塞环称为气环。此外，还设置专门的油环，在活塞下行时把气缸壁上多余的机油刮回油底壳，以减少上窜机油量。一般要求通过环组的窜气量不超过总进气量的0.5%，机油消耗量不超过燃油消耗量的0.5%。

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8.1活塞环的密封机理

内燃机活塞组与气缸之间应用带开口的弹性金属环实现往复式密封。由于开口的存在，漏气通路不可能完全消除。为了防止大量漏气，一般采用多个活塞环形成随活塞运动的迷宫式密封。

为减小活塞组与气缸之间的漏气通路，活塞环的外周面必须以一定的弹力po与气缸壁紧密贴合，形成第一密封面。这样一来，缸内气体不能短路直接通过环周与气缸之间，而是进入环与环槽之间，一方面轴向不平衡力FA将环向环槽的侧面压紧，形成第二密封面，同时，作用在环背的气压力造成的径向不平衡力FR又大大加强了第一密封面。尽管环背气压力有时大大超过环本身弹力po，但po的作用仍是关键。如果po降到零，即环周与缸壁之间出现缝隙(一般称为活塞环“漏光”)，第一密封面被破坏，气体就直接从缝隙处短路外泄，任何环背压力和FR都建立不起来。只要在整个环周上还剩下一个哪怕是很小的弹力，被密封气体就会自行帮助密封，而且要密封的气体压力越高，附加的密封力也越大。可以认为，具有这种自适应特性的简单环式密封系统，是往复活塞式内燃机有强大生命力的结构保证之一。

必须指出，活塞组的密封作用不仅取决于活塞环，而且与活塞的设计有很大关系。活塞应保证活塞环工作温度不会过高。环带部分与气缸的间隙应尽可能小。环槽应加工精确，且在工作中不发生过大变形。环槽与环之间的间隙要合适。

8.2气环的设计

8.2.1气环的断面形状

根据活塞环的密封机理，形状简单、加工方便的矩形(断面)环完全可以满足要求。但这种环磨合性较差，作用在活塞环上的力及其密封面密封性不理想。

桶面环(图11-9b)的外周面是直径等于缸径的球面的中段，其特点是能适应活塞的摆动，并且活塞上行和下行时均能在环的外周面上形成润滑油膜，摩擦面不易烧伤。环与气缸接触面积小，比压大，密封性好。桶面环广泛用作高速、高负荷的强化内燃机的第一环。

锥面环(图11-9c)外周面具有很小的斜角(一般为30?~60?)，它新装入气缸时与气缸线接触，磨合快，下行时有良好的刮油作用。安装时不能上下装反，否则使窜机油加剧。这种环适用于第二、三气环。

梯形环(图11—9d)两侧面夹角多为150左右。装这种环的活塞在气缸中工作时的侧向位移使环与环槽侧面间的间隙不断变化，可防止环槽中机油结胶甚至碳化，适用于热负荷较高的柴油

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机作为第一环。

扭曲环(图11-9e)采用内切或倒角造成断面相对弯曲中性轴不对称，使环装入气缸发生弯曲变形后发生不超过10的盘状正扭曲。它有与锥面环类似的作用，但加工容易些，不过扭曲环的扭曲角沿环周是不均匀的。

反扭曲环(图11—9f)工作时扭曲成盖子状，配合外圆的锥面，具有很强的密封性和刮油能力，常用于紧挨油环的那道气环。

8.2.2气环的尺寸参数

在保证密封的前提下，活塞环的数目应尽可能少，因为减少环数可缩小活塞高度，减轻活塞质量，减小发动机总高度，降低发动机摩擦损失。现代高速内燃机大多采用2道气环(另有1油环)，重型强化柴油机则用3道气环。

气环的尺寸参数主要有环的径向厚度t、轴向高度b以及环的自由状态形状和自由开口端距S0。

减小环高b有利于缩短活塞高度，减小环的颤振倾向，目前bmin已达到1mm左右的极限。过小的b使环和环槽的加工困难。

径向厚度t较大的环弯曲刚度大，对气缸表面畸变的跟随性差，但耐磨性相对较好。刚性环在较小的端距S0下就可得出要求的平均径向壁压p0，但在套装到活塞头部上时易于折断。对合

St?3.5~3.7金铸铁的活塞环来说Dt?23~25，p0=0.1~0.2MPa，0。

环槽深度取0.9d=63mm

8.2.3活塞环的材料

活塞环是内燃机中磨损最快的零件，因此适当选择材料和表面处理工艺十分重要。 活塞环一般是由合金铸铁铸造，高强度环用球墨铸铁，经热处理以改善材料的热稳定性。少数活塞环用合金钢制造。

活塞环的工作表面通常用各种镀层或涂层，以提高其耐磨性、耐蚀性或改善磨合性。最常用的耐磨层为镀铬和喷钼。松孔镀铬不仅硬度高，耐磨耐蚀，而且储油，抗胶合，广泛用于汽油机和自然吸气柴油机。钼熔点高，喷钼层抗胶合、抗磨损性能好，能适应高温下工作。喷涂法能造成一定多孔性，也有一定储油能力。喷钼环主要用于增压强化柴油机的第一环。

所有活塞环都要进行磷化、镀锡或氧化处理，以改善磨合性和防锈。

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8.3油环的设计

气缸与活塞运动副用飞溅的机油润滑。油环的作用是把飞溅到气缸壁上的多余润滑油刮下来，回到油底壳，以减少发动机的机油消耗量。

为了能在高速运动中对抗机油的流体动压力刮下机油，只留下很薄的油膜，油环工作面的着壁压力应足够大。因为油环没有环背气压力帮助压向气缸壁，着壁压力完全靠本身的弹力产生。单体铸铁油环，由于材料强度所限，只能通过减小与气缸接触的工作面积来提高壁压，最高只能达到0.5MPa左右。如用高强度材料，用较大的径向厚度t，壁压可能进一步提高，但环刚性大，对气缸变形的追随性差，刮油能力不好。用具有切向弹力的螺旋衬簧的铸铁油环可使壁压达到0.8MPa以上，即使环的外圆磨损，壁压也比较稳定，因为壁压主要由衬簧产生。这种环厚度t小，柔性好，在气缸变形较大的条件下也能很好地刮油。这种油环目前应用很广，尤其在高速柴油机上。铸铁环表面要通体镀铬。

上述两种单体油环与环槽不可避免地有侧向间隙，在环正常轴向移动或颤振而悬浮在环槽中间时，机油可能通过侧隙上窜。这种影响在高转速时更大，所以现代高速汽油机常用无侧隙钢片组合式油环。

为了使油环刮油有效，除了油环结构外，还应注意活塞的配合。用单体油环时必须保持环槽侧隙尽可能小，这意味着环槽加工精度要高，变形要小。还应注意环槽须有面积足够的泄油通道，以免回油受节流造成过高动压，使油环浮起。一般希望在油环槽底和槽下都加工出很多泄油孔，使泄油通畅。

8.4活塞环强度校核

为了确定任意断面 BB中的弯矩，可把活塞环看成是开口对面的对称面AA固定的悬臂梁，因为活塞环从自由状态变到工作状态时AA断面不发生旋转。于是作用在单元环上rd?的单元力dp=p0br0d?对断面BB产生的弯矩可写成dM?dpr0sin(???)d? 环从?=?到???段上的压力对BB断面的总弯矩M为

M??dM??????0pbin?(??0sr?)?d1/4D(D?)t(1? cos0bp?) ??1D?t *21?k(?1c?os) 式中：k?3p0DD***(?1)2 2Ett材料确定后E为常数，P0也为常数，对结构参数D一定的均压环，自然状态的曲率半径ρ

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随α而变，故活塞环在自由状态下不是圆形。

小结

通过这次我们亲身的设计实践，让我们对这些专业课的基础知识和基本理论能有进一步的 理解和掌握。设计的整个过程都有老师在一旁指导，有问题可以及时解决，学到了很多发动机和曲轴的知识，这也是我觉得这次设计比以前简单的原因吧。我把这次课程所学到的东西总结为以下几点：

1．分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种设计手册与资料。 2.计算机计算，绘图的应用能力等方面得到进一步的提高。 3.初步建立了工程的观念处理问题。

4. 能够全面地检验并巩固我们以前所学的专业课知识，并通过结合实际，让我们能从一个全新的角度重新学习、认识以前学过的专业课知识。

5. 了解国内外发动机的发展现状，对当代先进的发动机技术有了一些了解。

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6. 此次课程设计还为我们下学期的毕业设计奠定了坚实的基础。

参考文献

[1] 徐兀．汽车发动机现代设计．北京：人民交通出版社，1981． [2] 朱仙鼎．中国内燃机工程师手册．上海：上海科学技术出版社，2000． [3] 杨连生．内燃机设计．北京：中国农业机械出版社，1981．

[4] 唐增宝，何永然，刘安俊．机械设计课程设计．武汉：华中科技大学出版社，1999． [5] 周龙保．内燃机学．北京：机械工业出版社，2005． [6] 吴兆汉．内燃机设计．北京：北京理工大学出版社，1990． [7] 沈维道．工程热力学．北京：高等教育出版社，2002．

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附录

附表一 一些需要的数据

活塞行程s (mm) 70 曲柄半径r(cm) 35 多变指数n1 1.33 活塞直径D (mm) 70 连杆长度ｌ(cm) 125 多变指数n2 1.3 转速n(r/min) 5011.29 半径/长度λ 0.28 活塞面积Fh（cm2) 154 往复惯性质量mj(kg) (kg) 压缩比ε 余隙容积vc(L) 0.03 压力升高比 4 旋转运动质量mr(kg) 0.4 0.32 曲柄角速度ω (rad/s) 586.1 气缸工作容积 +余隙容积（L） 0.3 10 进气压力pa （Mp) 0.09 排量 （L） 1.08

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绝热压缩行程30 2.01485 40 1.36639 50 1.01099 60 0.79041 70 0.64191 80 0.53602 90 0.45722 100 0.39660 110 0.34872 120 0.31007 130 0.27831 140 0.25182 150 0.22942 160 0.21028 170 0.19375 180 0.17937 190 0.16674 200 0.15558 210 0.14567 武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书

附表二 P-V图计算表

定容加热过程 绝热膨胀过程 定容换气过程 30 2.01485 30 8.06000 300 0.40396 30 30 2.23874 40 5.54517 300 0.39233 31 30 2.46264 50 4.14889 300 0.38070 32 30 2.68653 60 3.27338 300 0.36907 33 30 2.91043 70 2.67895 300 0.35744 34 30 3.13432 80 2.25204 300 0.34582 35 30 3.35822 90 1.93231 300 0.33419 36 30 3.58211 100 1.68497 300 0.32256 37 30 3.80600 110 1.48861 300 0.31093 38 30 4.02990 120 1.32940 300 0.29930 39 30 4.25379 130 1.19803 300 0.28768 40 30 4.47769 140 1.08799 300 0.27605 30 4.70158 150 0.99466 300 0.26442 30 4.92548 160 0.91461 300 0.25279 30 5.14937 170 0.84530 300 0.24116 30 5.37327 180 0.78476 300 0.22954 30 5.59716 190 0.73150 300 0.21791 30 5.82106 200 0.68431 300 0.20628 30 6.04495 210 0.64226

300 0.19465 29

修正曲线 5.59716 5.60100 5.62400 5.64800 5.67200 5.73200 5.68400 5.64200 5.58300 5.56200 5.54517

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220 230 240 250 260 270 280 290 0.13680 30 0.12883 30 0.12164 30 0.11512 30 0.10918 30 0.10376 30 0.09879 30 0.09421 30 6.26884 220 6.49274 230 6.71663 240 6.94053 250 7.16442 260 7.38832 270 7.61221 280 7.83611 290 0.60457 0.57062 0.53991 0.51200 0.48655 0.46325 0.44186 0.42216 300 300 300 300 300 300 300 300 0.18302 0.17140 0.15977 0.14814 0.13651 0.12488 0.11326 0.10163

轴转角rad） 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

附表三 运动学计算表

活塞位移（mm） 活塞速度活塞加速度(m/s(m/s) ×s) 0.000000 0.000000 1407.433509 0.223691 1.403553 1395.803278 0.891070 2.783946 1361.212135 1.991151 4.118614 1304.548427 3.505934 5.386162 1227.258789 5.410870 6.566903 1131.298581 7.675477 7.643331 1019.065192 10.264104 8.600525 893.316727 13.136804 9.426466 757.079203 16.250296 10.112251 613.545768 19.558979 10.652211 465.971757 23.015963 11.043920 317.569568 26.574093 11.288100 171.407274 30.186918 11.388428 30.314774 33.809595 11.351260 -103.199086 37.399680 11.185268 -227.015394 40.917805 10.901026 -339.457634 44.328213 10.510549 -439.325959 30

气缸容积(mL） 30.000000 30.860864 33.429241 37.662846 43.492414 50.823467 59.538697 69.500901 80.556347 92.538469 105.271772 118.575808 132.269096 146.172876 160.114569 173.930834 187.470169 200.594955 往复惯性力N

-1414.9065 -1403.2145 -1368.4397 -1311.4751 -1233.7751 -1137.3054 -1024.4761 -898.05992 -761.09903 -616.80348 -468.4459 -319.25575 -172.31739 -30.475735 103.747037 228.220766 341.260035 441.658625

曲（

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1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 47.599131 50.703006 53.616566 56.320753 58.800505 61.044434 63.044408 64.795054 66.293241 67.537527 68.527646 10.026807 9.463231 8.833240 8.149796 7.425005 6.669789 5.893629 5.104396 4.308261 3.509709 2.711628 -525.912217 -598.995483 -658.818581 -706.046865 -741.711215 -767.137829 -783.867894 -793.570612 -797.953318 -798.672485 -797.249392 213.182925 225.128033 236.340728 246.747657 256.290861 264.926515 272.623313 279.360591 285.126288 289.914865 293.725286 528.704626 602.175939 662.316677 709.795726 745.649441 771.211062 788.029957 797.784194 802.19017 802.913156 801.482506 2.9 69.264013 3 69.747320 3.1 69.978202 3.2 69.957014 3.3 69.683722 3.4 69.157913 3.5 68.378924 3.6 67.346084 3.7 66.059060 3.8 64.518283 3.9 62.725440 4 60.684002 4.1 58.399768 4.2 55.881386 4.3 53.140835 4.4 50.193828 4.5 47.060122 4.6 43.763705 4.7 40.332851 4.8 36.800021 4.9 33.201611 5 29.577549 5.1 25.970730 5.2 22.426328 5.3 18.990977 5.4 15.711858 5.5 12.635715 5.6 9.807832 5.7 7.271000 5.8 5.064507 5.9 3.223195 6 1.776598 6.1 0.748202 6.2 0.154855 6.3 0.006333 6.4

0.305088 1.915484 1.121569 0.329297 -0.462444 -1.254924 -2.049193 -2.845711 -3.644010 -4.442399 -5.237732 -6.025246 -6.798479 -7.549285 -8.267923 -8.943254 -9.563001 -10.114098 -10.583091 -10.956592 -11.221757 -11.366781 -11.381379 -11.257237 -10.988431 -10.571761 -10.007023 -9.297186 -8.448466 -7.470300 -6.375214 -5.178588 -3.898324 -2.554432 -1.168544 0.236637 1.637907

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-794.993986 -792.940140 -791.795002 -791.904557 -793.236831 -795.383443 -797.579436 -798.740560 -797.516458 -792.357528 -781.592674 -763.514679 -736.469610 -698.946483 -649.663375 -587.646278 -512.297301 -423.449177 -321.403622 -206.951680 -81.374932 53.572810 195.702926 342.447352 490.930008 638.051737 780.585681 915.279565 1038.961069 1148.642347 1241.619726 1315.564821 1368.603582 1399.380286 1407.103994 1391.575732 296.559160 298.419144 299.307682 299.226141 298.174390 296.150839 293.152937 289.178104 284.225056 278.295452 271.395782 263.539408 254.748644 245.056776 234.509900 223.168489 211.108574 198.422476 185.219001 171.623077 157.774775 143.827747 129.947081 116.306624 103.085844 90.466314 78.627930 67.744962 57.982087 49.490508 42.404309 36.837149 32.879420 30.595954 30.024372 31.174116 799.215125 797.150374 795.999156 796.109293 797.44864 799.60665 801.814303 802.981593 801.750991 796.564669 785.742657 767.568674 740.380005 702.657644 653.112859 590.766474 515.01742 425.697544 323.110162 208.050521 81.8070044 -53.857263 -196.74204 -344.26563 -493.53667 -641.43957 -784.73032 -920.13938 -1044.4776 -1154.7412 -1248.2123 -1322.55 -1375.8704 -1406.8105 -1414.5752 -1398.9645

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6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 1.046188 2.217444 3.799717 5.767413 8.089125 10.728415 13.644706 16.794257 20.131175 23.608457 27.178999 3.012165 4.337003 5.591278 6.755637 7.812984 8.748866 9.551776 10.213349 10.728463 11.095231 11.314889 1353.195337 1292.947699 1212.368955 1113.493888 998.786582 871.056943 733.366303 588.925658 440.990424 292.755662 147.255702 34.026205 38.533723 44.623024 52.195607 61.130601 71.287779 82.510984 94.631873 107.473840 120.855990 134.597047 -1360.3803 -1299.8128 -1218.8062 -1119.4062 -1004.0898 -875.68195 -737.26022 -592.05265 -443.33193 -294.31009 -148.03758 7.6 30.796561 7.7 34.416649 7.8 37.997295 7.9 41.499705 8 44.888767 8.1 48.133408 8.2 51.206793 8.3 54.086368 8.4 56.753765 8.5 59.194567 8.6 61.397963 8.7 63.356321 8.8 65.064683 8.9 66.520240 9 67.721783 9.1 68.669193 9.2 69.362958 9.3 69.803782 9.4 69.992264 9.5 69.928699 9.6 69.612985 9.7 69.044655 9.8 68.223024 9.9 67.147452 10 65.817702 64.234382 62.399438 60.316698 57.992403 55.435729 52.659258 49.679363 46.516503 43.195387 11 39.745005 36.198500 11.391585 11.332092 11.145431 10.842454 10.435369 9.937258 9.361584 8.721717 8.030502 7.299868 6.540509 5.761647 4.970868 4.174058 3.375424 2.577602 1.781841 0.988261 0.196166 -0.595612 -1.388331 -2.182967 -2.979847 -3.778317 -4.576455 -5.370852 -6.156463 -6.926540 -7.672658 -8.384829 -9.051698 -9.660832 -10.199068 -10.652932 -11.009092 -11.254846

32

7.271909 -124.748039 -246.756427 -357.155007 -454.826090 -539.144291 -609.968807 -667.616849 -712.819615 -746.662870 -770.514804 -785.944339 -794.633399 -798.286910 -798.544328 -796.896451 -794.610980 -792.669973 -791.721793 -792.049550 -793.557368 -795.775033 -797.880835 -798.741657 -796.968628 -790.986029 -779.110566 -759.637671 -730.931228 -691.512899 -640.147270 -575.919144 -498.299638 -407.198133 -302.997710 -186.572343 148.519056 162.450789 176.230730 189.709581 202.752220 215.239062 227.066832 238.148738 248.414085 257.807390 266.287053 273.823696 280.398246 285.999883 290.623964 294.270023 296.939946 298.636435 299.361799 299.117172 297.902162 295.714970 292.552963 288.413678 283.296203 277.202870 270.141181 262.125857 253.180920 243.341687 232.656573 221.188593 209.016481 196.235331 182.956703 169.308153 -7.3105204 125.410407 248.066617 359.051375 457.241057 542.006958 613.207527 671.16166 716.604437 750.627388 774.605968 790.117428 798.852624 802.525533 802.784319 801.127692 798.830085 796.878773 795.925558 796.255055 797.770879 800.000319 802.117303 802.982695 801.200251 795.185888 783.24737 763.671081 734.812216 695.18459 643.546227 578.977073 500.945435 409.360212 304.606522 187.562977

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11.1

武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书

11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 32.592896 28.968661 25.369128 21.839774 18.427393 15.179161 12.141651 9.359798 6.875873 4.728482 2.951631 1.573884 0.617651 0.098613 0.025329 -11.378611 -11.370401 -11.222279 -10.928755 -10.487117 -9.897686 -9.163972 -8.292740 -7.293957 -6.180648 -4.968643 -3.676231 -2.323729 -0.932987 0.473164 -59.284827 77.034790 220.129749 367.374796 515.850075 662.428053 803.870311 936.930622 1058.460459 1165.512973 1255.441511 1325.988929 1375.364308 1402.304147 1406.115690 155.432163 141.484474 127.631846 114.049301 100.916918 88.416258 76.726548 66.020723 56.461460 48.197331 41.359206 36.057016 32.376998 30.379509 30.097477 59.5996089 -77.443818 -221.29856 -369.32543 -518.58906 -665.94531 -808.13858 -941.9054 -1064.0805 -1171.7014 -1262.1075 -1333.0295 -1382.667 -1409.7499 -1413.5817

附表四 动力学计算表

曲轴转角 气缸绝对 压力Mpa

0 0.07973 5 0.07973 10 0.07973 15 0.07973 20 0.07973 25 0.07973 30 0.07973 35 0.07973 40 0.07973 45 0.07973 50 0.07973 55 0.07973 60 0.07973 65 0.07973 70 0.07973 75 0.07973 80 0.07973

侧压力 N 0

-375.226 95.94246 -80.013 642.2307 27.79621 -157.109 304.5478 22.46784 -118.444 2757.461 116.5589 7.835698 -73.2884 -204.331 -761.049 1078.038 连杆力 N

-125.298 -395.593 157.8114 148.666 -654.339 -128.344 -200.954 329.3158 127.296 172.4195 -2760.31 -171.13 -125.542 -145.157 -239.689 -771.295 1085.295

切向力 N 0

13.71352 -12.3381 -20.6945 147.693 44.13503 99.56367 -221.567 -108.346 -168.837 2693.731 127.846 30.72921 -62.3783 -226.373 -652.91 5.530158 径向力 N

-125.298 -395.355 157.3283 147.2186 -637.453 -120.516 -174.556 243.6325 66.82463 34.96296 602.5804 113.758 121.7234 131.0711 78.77663 -410.614 1085.281

33

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85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 0.07973 429.1707 353.8223 429.1694 1078.022 -761.061 -204.333 -73.2891 7.835095 116.5576 2757.088 -118.446 447.0872 375.3528 447.086 1085.28 -771.306 -239.69 -145.158 -125.542 -171.129 -2759.93 172.4206 -400.404 -270.554 227.7571 993.0455 304.9903 209.6761 -94.5824 -66.37 169.0025 -896.114 106.91 198.9065 -260.173 -384.724 437.8271 -708.445 116.1346 110.1133 -106.564 -26.8945 2610.404 135.2743

140 0.07973 145 0.07973 150 0.07973 155 0.07973 160 0.07973 165 0.07973 170 0.07973 175 0.07973 180 0.07973 185 0.07973 190 0.080136 195 0.08082 200 0.081796 205 0.083081 210 0.0847 215 0.086682 220 0.089068 225 0.091905 230 0.095252 235 0.099182 240 0.103785 245 0.10917 250 0.115471 255 0.122855 260 0.131531 265 0.141757 270 0.15386 275 0.168255 280 0.185471 285 0.206186 290 0.231277 295 0.261881 300 0.299479 305 0.345992 310

0.4039

22.4669 127.2959 304.5411 329.3095 -157.112 -200.957 27.79509 -128.343 642.2005 -654.31 -80.0146 148.6668 95.94062 157.8103 -375.237 -395.604 -0.00117 -125.298 375.2141 -395.582 -94.1387 154.8426 75.9659 141.1483 -580.729 -591.677 -23.4781 -108.401 120.9074 -154.651 -206.39 223.1745 -12.7416 72.18744 51.58974 75.0999 -773.26 -774.058 -11.4427 -16.7999 0.902859 14.46435 -26.7384 52.95924 -134.236 157.4648 -760.507 770.7457 1510.887 -1521.06 804.9417 -838.545 862.1523 -914.615 1332.156 -1387.77 4206.553 -4234.87 -3700.72 3750.537 -1231.26 1444.314 -545.61 1080.638 71.98017 1153.432 1322.21 1941.27 38672.71

38712.63 34

-127.266 210.5654 -20.2881 95.88317 -654.043 -119.714 46.55747 -124.193 100.3832 -395.384 -128.911 48.00724 -183.985 92.07304 -151.968 -124.055 -18.9729 69.71037 630.7373 2.175153 13.94272 -28.7333 -112.239 592.3827 -983.261 570.7476 794.9386 -239.458 -4066.96 2815.312 -68.2215 -803.947 -1152.49 -1648.85 -18821 2.762612 -253.194 -199.93 85.31391 -18.671 88.15025 -150.786 -375.604 74.98465 -12.5274 85.77977 -132.733 -562.344 57.2139 28.67965 185.5189 -69.6495 27.93669 -448.705 16.65847 3.849423 44.48681 -110.443 -493.084 -1160.52 -614.333 452.3203 1366.954 1180.674 2478.012 1442.702 722.1132 46.52533 -1024.61 -33829.6

武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书

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武汉理工大学《汽车发动机设计》课程设计说明书

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