工程力学与内燃机

本科生毕业论文

摘要

工程力学涉及众多的力学学科分支与广泛的工程技术领域，是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的技术基础学科，工程力学的定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，是解决工程实际问题的重要基础。而内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。它有许多部件构成，如曲轴、活塞、气道等。由于燃料燃烧过程中产生的高温高压等条件，使得利用力学对这些零件的受力等情况进行分析尤为重要。

文章通过对力学分析在内燃机曲轴、活塞等主要零件的应用，说明工程力学在内燃机领域的重要性。

关键词：力学；内燃机；曲轴；活塞；气道；

ABSTRACT

Mechanical Engineering Mechanics involves many branches and a wide range of disciplines in engineering technology, is a highly theoretical, very close contact with the engineering technical foundation disciplines of engineering mechanics theorems, laws and conclusions are widely used in engineering industries technology is an important basis for solving practical engineering problems. The internal combustion engine is a power machine, which is obtained by combustion of the fuel inside the machine, and direct conversion of heat energy to power a heat engine. It has many member, such as a crankshaft, pistons, and other airway. Since the conditions of high temperature and pressure generated during combustion of the fuel, making use of mechanical force, etc. of these parts is particularly important for analysis.

Through the analysis of the mechanics in the crankshaft, piston and other major parts applications, the importance of the internal combustion engine in the field of engineering mechanics.

Key words：Mechanics; engine; crankshaft; piston; airway;

目录

第一章工程力学与内燃机 (1)

1.1 工程力学 (1)

1.2 内燃机 (1)

第二章曲轴 (2)

2.1 曲轴简介 (2)

2.2 分析方法 (2)

2.3 计算 (2)

2.4 实验 (3)

第三章活塞 (5)

1.1 活塞简介 (5)

1.2 实验样例 (5)

1.3 实验结论 (6)

第四章气道 (7)

4.1 气道简介 (7)

4.2 研究方法 (7)

4.2 实验举例 (7)

参考文献 (9)

第一章工程力学与内燃机

1.1 工程力学

工程力学涉及众多的力学学科分支与广泛的工程技术领域，是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的技术基础学科，工程力学的定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，是解决工程实际问题的重要基础。其最基础的部分包括“静力学”和“材料力学”。工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。分实验研究、理论分析和数值计算三个方面。实践中三种方法常常综合运用，互相促进。

1.2 内燃机

内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。它有许多部件构成，如曲轴、活塞、气道等。由于燃料燃烧过程中产生的高温高压等条件，使得利用力学对这些零件的受力等情况进行分析尤为重要。

第二章曲轴

2.1 曲轴简介

首先是力学在内燃机曲轴中的应用。曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复）运动变成循环（旋转）运动。是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈，（还有其他）。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与连杆大头轴瓦与曲轴连杆颈的润滑和两头固定点的润滑．曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个机械系统的源动力。作为内燃机的动力输出零件，对其进行强度分析十分重要。

曲轴是内燃机中最主要的运动部件之一它的尺寸参数在很大程度上决定并影响着内燃机的整体尺寸和重量，内燃机的可靠性和寿命也在很大程度上取决于曲轴的强度。因此，设计新型内燃机或对老产品进行改造时．都必须对曲轴的强度进行严格的安全考核。近年来随着对内燃机动力性和可靠性的要求不断提高．曲轴的工作条件愈加苛刻．曲轴强度的问题变得更加重要。为了使曲轴强度的预测更加接近于实际．从而获得合理的曲轴设计，国内外许多学者进行了大量的研究工作，发表了很多这个专题的研究成果。

2.2 分析方法

确定曲轴强度的方法有两种：一是试验研究．二是分析计算。由于试验研究需要花费很长时间和高昂费用，而且一根曲轴的试验，也不能说明整批曲轴的强度另外，试验研究只能在已制成的曲轴上进行，设计阶段则无法进行。因此，人们很早就致力于用分析计算的方法研究曲轴强度。然而，曲轴强度的计算甚为困难。一方面，曲轴工作应力的准确计算十分困难：内燃机曲轴承受弯曲、扭转和振动等多种载荷；曲轴形状十分复杂，应力集中相当严重；轴承的不同心度及工作状态下机体的变形、轴颈与轴承之间的间隙和油膜状况均显著影响曲轴的受力，并涉及到许多互相关联互相制约的因素。另一方面，曲轴的强度考核也比较困难，特别是采用工艺强化措施后，其效果的定量描述难以确定。

2.3 计算

已有的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步：一是应力计算，求出曲轴危险部位(如轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近)的应力幅和平均应力；二是在此基础上进行疲劳强度计算。常用的传统计算方法有两种：筒支粱法和连续梁法.简支梁法方法以通过主轴颈中心并垂直于血轴中心线的平面将曲轴分成若干个曲拐，每个曲拐视为一筒支梁. 连续粱法把曲轴简

化为多支承的静不定连续梁。应用三弯矩或五弯矩方程求解。由于假设的几何力学模型不同，连续粱法主要有以下种。(1)将曲轴简化为多支承圆柱形连续直梁，其直径与轴颈直径相同或相当；(2)曲轴作为支承在弹性支承上变截面的静不定直粱：(3)曲轴作为支承在弹性支承上的静不定曲梁连续梁法一般假设曲轴的支承以铰接形式作用于主轴颈的中点。郝志勇(1984年)认为：在内燃机曲轴上，主轴承宽度在曲拐长度上占有较大比例，计算中不考虑轴承约柬力矩的影响是不妥当的在该作者的计算模型中，曲拐表面与轴承接触部分受有面力，力的作用沿轴向均匀分布显然，这个计算模型更加接近于实际。

在曲轴中，轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近存在严重的应力集中现象，传统方法通常用直力集中系数修正由简支梁法或连续梁法计算所得的名义应力，以计算曲轴的最大工作应力。以往一般通过试验方法研究确定应力集中系数，提出的应力集中系数计算公式都是经验计算式，使用时必须注意其适用的参数范围、试验条件以及应用场台，否则可能产生很大的误差另外．它们没有考虑过渡圆角处三维形状的影响，因此不能用于精确计算有限元和边界元方法的应用，为准确地计算应力集中系数提供了可能由于曲轴几何形状复杂，三维有限元分析比较费时，因此Guagliano等人进行了试验测试和数值分析。结果表明，具有相同载荷和边界条件的二维和三维分析所得的应力集中系数数值相近。从节省计算时间考虑，可以使用曲轴的平面模型确定应力集中系数为了在较短时间内方便精确地预测应力集中系数，Shiomi等人应用人工神经网络技术研制丁一个预测应力集中系数的系统。该系统建立在由曲轴几何形状和有限元计算得到的应力集中系数组成的数据库的基础上，提出了一个适应传递函数运算法则作为神经网络的学习方法，可以利用有限的数据计算不同曲轴的应力集中系数。

传统方法根据名义应力和应力集中系数计算曲轴危险部位的应力。由于曲轴形状复杂，名义应力的准确计算比较困难．而应力集中系数通常由单拐平面模型计算或由有限数量的曲轴试验数据推算得到，再加上名义应力和应力集中系数很难结合一致地反映实际最大应力，因此传统方法有相当的不准确性。有限元理论的发展，为精确且全面地计算曲轴应力提供了条件。曲轴是空间构件，从对实际形状的逼近和整个应力分布规律的求解来说，二维有限元分析最为理想平面分析方法不能求出曲轴沿圆周方向的应力分布，因此，除在确定应力集中系数时还有应用外，目前已基本不采用二维有限元模型。

2.4 实验

试验是研究曲轴强度的有效方法，一直延续至今。通过静态模拟试验可较全面地研究曲轴应力的分布情况以及各种因素对曲轴强度的影响，而动态试验可真实地给出曲轴在实际受力情况以及支承和润滑条件下的强度。光测弹性力学法一般用于对曲轴的静强度研究，能对承受复杂载荷的复杂形状零件进行模型试验研

究，精确得到一点的应力峰值以及整体的应力分布．而且具有直观、容易实现和便于进行多种结构方案比较等优点。因此，一直是研究内燃机曲轴等复杂零件应力分布的有效方法。电阻应变测量法既可用于曲轴的静载荷强度研究．也可用于曲轴的动载荷强度研究该方法可以用来测量实际曲轴的应力，但只能测得若干点上的应力，很难得出应力分布。该方法主要用于验证理论分析的准确性。曲轴疲劳试验是评价曲轴强度最可靠最直观的一种方法它在试验台架上模拟曲轴在内燃机中的实际工作状态，能全面地考核在特定结构、材料与工艺条件下曲轴的承载能力，并能直接给出曲轴的实际安全系数与疲劳极限，因此得到广泛应用。常用的曲轴疲劳试验方法有三点弯曲法、机械激振法和电动谐振法等三点弯曲法由于起振难、造价与试验费用高而较少采用在很长一段时问里，国内许多单位普遍采用机械激振法．造价低廉和容易实现是它的优点，但其存在载荷及试件失效监测困难、载荷精度低、试验费用高和工作效率低等缺点。电动谐振法不仅可以直接读出载荷且精度高．自动化程度高，而且试验费用低、工作效率高，在国外得到广泛应用，在国内也已受到青睐。

第三章活塞

3.1 活塞简介

汽车活塞好比汽车发动机的中枢部位，在发动机启动时候占了极其重要的地位。汽车活塞是用来承受气体压力，并通过活塞销让连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。

活塞是柴油机中承受热载荷并将热能转换为机械能的主要部件，其工作条件十分严酷热载荷所产生的热变形与应力是引起活塞破坏的主要因素。正确分析活塞的非轴对称热变形，可以为合理设计与加工活塞外轮廓提供依据，改善在受热工况下活塞与汽缸壁之间的配合状况准确地分析热应力可以为改善活塞的换热条件，避免因热应力造成其破坏提供基本的分析依据，活塞与缸套之间的相互运动和润滑状态直接影响内燃机的摩擦损耗、润滑油和燃料消耗、噪声以及磨损寿命。由机械载荷和热载荷所引起的活塞裙部形状改变，对活塞润滑特性产生了较大影响。而活塞应力大小则直接影响到活塞的使用寿命。因此，进行活塞机械载荷与热载荷及热力耦合作用下的应力与变形研究有着重要意义。

3.2 实验样例

对活塞在热载荷和机械载荷下的应力与变形进行有限元分析，这些工作中，热载荷的分析居多，在机械载荷方面，当时主要考虑顶部燃气压力和销座支反力的影响。近些年，随着计算技术的进步，雷基林等人对活塞的热载荷与机械载荷进行了更加全面的分析，除了考虑顶部燃气压力、销座支反力的影响，还考虑了惯性力、侧推力的影响。但是，大部分文章对侧推力的计算没有考虑油膜的动压润滑作用，本文以一高速汽油机活塞为例，建立了三维有限元模型，对活塞在机械载荷与热载荷耦合作用下的应力与变形进行分析。考虑了流体动压润滑作用，更加符合实际情况。

在一项关于活塞的试验中，分析了高速汽油机活塞在机械载荷与热载荷耦合作用下的应力与变形，可以得出如下结论：(1)活塞变形呈非轴对称分布，耦合变形的最大值为0.22，位于活塞顶部边缘处，在设计活塞与缸套之间的间隙时，应考虑此处变形。(2)活塞裙部耦合变形的最大值为0．187，位于活塞裙部的最底端；最小变形为0．105，位于裙部的最上端。裙部变形不均匀，形状发生改变，影响裙部与缸套之间的油膜。此处变形应该在设计时考虑。(3)活塞耦合应力呈非轴对称分布。最大耦合拉应力为105 kPa，发生在销座下侧与裙部内侧过渡处和底部凸缘处。此处安全系数偏小，在超速、超负荷状态下工作一定时间后将可能出现裂纹。此处结构在设计时应重点考虑。

对活塞在热载荷和机械载荷下的应力与变形进行有限元分析，这些工作中，热载荷的分析居多，在机械载荷方面，当时主要考虑顶部燃气压力和销座支反力的影响。近些年，随着计算技术的进步，雷基林等人对活塞的热载荷与机械载荷进行了更加全面的分析，除了考虑顶部燃气压力、销座支反力的影响，还考虑了惯性力、侧推力的影响。但是，大部分文章对侧推力的计算没有考虑油膜的动压润滑作用，本文以一高速汽油机活塞为例，建立了三维有限元模型，对活塞在机械载荷与热载荷耦合作用下的应力与变形进行分析。考虑了流体动压润滑作用，更加符合实际情况。

3.3 实验结论

在一项关于活塞的试验中，分析了高速汽油机活塞在机械载荷与热载荷耦合作用下的应力与变形，可以得出如下结论：(1)活塞变形呈非轴对称分布，耦合变形的最大值为0.22，位于活塞顶部边缘处，在设计活塞与缸套之间的间隙时，应考虑此处变形。(2)活塞裙部耦合变形的最大值为0．187，位于活塞裙部的最底端；最小变形为0．105，位于裙部的最上端。裙部变形不均匀，形状发生改变，影响裙部与缸套之间的油膜。此处变形应该在设计时考虑。(3)活塞耦合应力呈非轴对称分布。最大耦合拉应力为105 kPa，发生在销座下侧与裙部内侧过渡处和底部凸缘处。此处安全系数偏小，在超速、超负荷状态下工作一定时间后将可能出现裂纹。此处结构在设计时应重点考虑。

第四章气道

4.1 进气道简介

内燃机进气道设计质量的高低关系到充量系数和混合气形成，是决定内燃机功率和效率的重要因素。由于内燃机进气道结构复杂，为了获得好的流动参数，以往设计气道都是利用试验的方法，通过改变进气道及相关部件的结构参数以获得高的流量系数、较低的流动阻力和适当强度的进气涡流。为了减少对进气道的试验调试工作，必须对进气道内气体流场进行数值模拟。以了解气道内流动的详细隋况，探求进气道几何形状、结构对气体流动的影响规律，进而对要设计的气道进行性能预测，从理论上提出改进方向．从数值模拟角度研究气道内气体流动可以给出整个流场的面貌，从而可以方便快速地进行气道内组织气流的研究。同时，内燃机缸内气体流动在很大程度上影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。而进气过程中由进气道进入气缸的空气量、气体的速度分布及其涡流和湍流状况等对缸内气体流动又有着直接影响。因此，进气道流动特性的研究，对于提高发动机性能具有重要意义。

4.2 研究方法

对于气道特性的研究，传统的方法是利用气道稳流试验台对气道进行稳态流动试验，得到气道的流量系数、涡流比、滚流比等流动特性参数，但这些参数都是从宏观上反映气道的性能，而不能揭示微观细节的流动状况。现在日渐成熟的CFD三维数值模拟技术成为深入研究气道及缸内气体流动特性的有效方法。利用CFD三维数值模拟可以得到局部微观的流场状况，展现内燃机缸内涡流、湍流、滚流等各种流动形式的形成和发展，为解释宏观气道特性参数成因提供有力依据。

4.3 实验举例

以国内某四气门双进气道柴油机为例，在某次试验中建立气道及缸内的三维计算模型，进行了稳态及瞬态的CFD数值模拟计算。稳态计算得到了流量系数、涡流比等气道参数，与气道稳流试验数据吻合良好；瞬态计算得到了平均涡流比、湍流强度、挤流强度随曲轴转角的变化历程及各曲轴转角时刻流场的速度矢量图，为深入分析该内燃机的气道及缸内气体流动特性提供了可靠依据。

气道及缸内气流运动的控制方程是由一组守恒的偏微分方程、状态方程和湍流模型方程构成的。其中守恒的偏微分方程包括连续性方程、动量方程以及能量方程。湍流模型采用RNG k—E湍流模型。它的基本思路是通过在空间尺度上的一系列连续变换，对原本十分复杂的系统和过程实现粗粒化的描述，从而使问题得到简化。近期的研究表明，经压缩性修正的RNG k—E模型对缸内流动的模拟

结果比k—E模型更接近于实际状况。所以对缸内流动的模拟采用RNG k—E模型。这次试验的结果如下：(1)气道稳态流动参数计算结果与实验结果吻合良好，Ricardo平均流量系数和Ricardo涡流比与气道稳流试验结果偏差在3％左右。

(2)瞬态模拟计算得到缸内进气终了涡流比与气道稳流试验结果相一致，都在1．0左右，缸内涡流在144。CA ATDC 时达到一峰值；湍流强度在108。CA ATDC 时(进气门最大升程后两度)到达最大值1．0627；压缩上止点前10。CA左右，挤流强度达到峰值，此时是压缩上止点前缸内气体流动最剧烈的时刻。(3)在气门叠开时，存在进气和排气回流现象，说明气门定时还有进一步优化的潜力。(4)进气行程中，进气门附近空气入口处是缸内气体最大速度出现位置，在气门最大升程时该处的最大速度为134．4 m／s；另外在切向气道的缩口处也出现较大的速度，最大速度高达134．7 m／s，此处存在一定的进气节流损失。

可见，在内燃机中力学的应用也是十分广泛的。

参考文献

[1] 孙军，桂长林，李震等内燃机曲轴强度研究的现状、讨论与展望[A] 合肥：合肥工业大学23000．

[2] 范荫，胨伟德，王菱泉等．CTS 900曲轴试验系统的研究一用计算机控制的电动谐振式曲轴疲劳试验机[Z]小型内燃机，1995，（2）：53～55．

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[4]李宁．煤高温燃烧过程中脱硫反应机理的研究及其工业性的应用[D]．杭州：浙江大学，2000．