内燃机发动机课程设计必看内燃机设计重点

第五章曲轴飞轮组设计

1 曲轴的工作条件和设计要求，曲轴的破坏主要发生在哪些部位

答：工作条件：曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩(扭矩和弯矩)共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。

设计要求：①要使曲轴具有足够的疲劳强度，设法强化应力集中部位，缓和应力集中现象，用局部强化的方法解决曲轴强度不足的矛盾②要使曲轴各摩擦表面耐磨，各轴颈具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件③应保证曲轴有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度④曲轴应有轻的结构质量，注重材料和加工工艺

哪些部位：①疲劳裂纹发生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处②弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到轴颈上，基本上成45°折断曲柄③扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45°剪断曲柄销④磨料磨损发生在轴颈表面

2 曲轴的主要结构尺寸及设计要求

答：⑴曲柄销的直径D2和长度l2：①一般趋向于采用较大的D2值，以降低曲柄销比压，提高连杆轴承工作可靠性和曲轴刚度，但D2过大使不平衡离心力增大，对曲轴工作不力。汽油机D2/D比柴油机小；V型发动机的D2/D较小②曲柄销的长度l2是在选定D2的基础上考虑的。在薄油膜的条件下，l2/D2=0.4左右有最大的承载能力，为提高曲轴的刚度，l2/D2也有下降的趋势，最后由F2=0.01D2l2和F=πD2/400之比来校核。⑵主轴颈的直径D1和长度l1：为了最大限度地加强曲轴的刚度，加粗主轴颈是有好处的，但不可过粗，建议取D1=(1.05~1.25)D2。主轴颈的长度一般比曲柄销的长度短，但不能过短，滑动轴承最小宽度不能小于0.3倍轴颈。⑶曲柄：曲柄应选择适当的厚度h、宽度b，以使曲轴有足够的刚度和强度，抗弯断面模数Wσ=bh2/6，为提高曲柄的抗弯能力，增加曲柄的厚度h 要比增加曲柄的宽度要好得多，增加h要以缩短轴颈长度为代价，可见h的增加受到限制。⑷平衡重：设计平衡重时，应尽可能使平衡重的重心远离曲轴旋转中心。⑸油孔的位置和尺寸：最大应力值还与油道倾斜角θ有关，当θ>30°时，最大应力增加很快，因此θ应小于30°；其次可把油孔从主轴颈钻至曲轴销中部，然后在以直孔接通。曲柄销油孔多数选择在曲轴平面运转前方φ=45°~90°的范围内，当油孔在φ=90°的水平位置时具有很多优点，切应力最小，加工方便。⑹曲轴两端的结构：曲轴上带动辅助系统的驱动齿轮和皮革轮一般装在曲轴的前端。减振器应装在曲轴前端，曲轴后端设有法兰或加粗的轴颈，飞轮与后端用螺栓和定位销连接。⑺曲轴的止推：在曲轴与机体之间设置治推轴承，止推轴承只能设置一个，曲轴轴向间隙应保持Δa=0.05~0.2毫米。⑻曲轴的油封装置：反油螺栓与机体的间隙为0.25~0.30毫米。

3 圆角形状系数定义及其对曲轴工作的影响

答：形状系数表示圆角半径上最大实测应力与根据曲轴结构尺寸和载荷计算的名义应力之比。(一)圆角弯曲形状系数：在曲轴平面内受纯弯矩时，其圆角弯曲形状系数ασ等于圆角表面最大主应力σmax与圆角名义应力之比，ασ=σmax/σn，ασ=ασ0f1f2f3f4f5

其对曲轴工作的影响：

①ασ0—标准曲轴的弯曲形状系数：增大圆角半径R可使圆角处局部应力峰值下降，较大的圆角半径使曲轴的强度提高；又由Wσ=bh2/6可知，当曲柄的厚度h增大时，其Wσ成平方关系增长，从而大大提高曲柄的抗弯能力，使圆角处应力分布趋于平均。

②f1—轴颈重叠度影响系数：A=(D1+D2)/2-r=0.5(D1+D2-S)毫米，当A>0时，由于曲柄实际厚度增加，使抗弯断面系数大于无重叠时的断面系数，曲柄刚度亦相应增加，截面变化比较缓和，改善了应力集中现象。

③f2—曲柄宽度影响系数：Wσ=bh2/6，随曲柄加宽，曲柄抗弯断面系数Wσ相应增加，曲柄越宽，增加强度效果越小。随着b、h的增大，可以不同程度地缓和应力集中现象，圆角最大应力有所下降。

④f3—曲柄销空心度影响系数：当主轴颈采用空心结构后，随空心度的增加，曲柄销圆角最大弯曲应力下降，但空心度过大对改善应力集中现象并无好处

⑤f4—轴颈减重孔偏心距e的影响系数：当轴颈的空心度d/D较大时，偏心距e的影响较大。

⑥f5—与圆角链接的曲柄销中减重孔至主轴颈的距离L的影响系数：对于一定重叠度的曲轴，存在

一最佳的边距L*，当L=L*时使σ2max有最小值。

(二)圆角扭转形状系数：曲轴圆角扭转形状系数ατ等于圆角表面最大切应力τmax与轴颈名义应力τn 之比，ατ=τmax/τn，ατ=ατ0φ1φ2φ3φ4φ5，

其对曲轴工作的影响：

ασ0—轴线对称之阶梯轴的扭转形状系数：该阶梯轴的R/d，d’/d与所求曲轴相同，相连轴段直径比D/d=2。以下各参数对ατ的影响大致与ασ相同，φ1—曲柄宽度影响系数，φ2—曲柄厚度影响系数，φ3—轴颈重叠度影响系数，φ4—轴颈空心偏心距e的影响系数，φ5—轴颈中鼓形减重孔影响系数。

影响：由于形状系数α是在静载荷作用下的应力测定实验中求得的，它只反映了曲轴结构参数对曲轴在静载作用下产生的圆角最大应力的影响。曲轴这种应力局部增高的现象，通常用形状系数来描述。形状系数表示圆角半径上最大实测应力与根据曲轴结构尺寸和载荷计算的名义应力之比。因此，求取形状系数的目的就是为了计算出曲轴的最大工作应力。

4 提高曲轴强度的结构措施及工艺措施

答：结构措施：①加大轴颈重叠度。采用短行程是增加重叠度的有效方法，它比通过加大主轴颈来增加重叠度的作用大。轴颈重叠系数φ=(D1+D2)/S。②加大过渡圆角。为了能增加半径R，同时保证轴颈的有效承压长度，可采用曲轴沉割圆角。一般R/D=0.05~0.07，当R>0.07D时，随R的增加，使应力集中减少已不明显。③采用空心轴颈。若以提高曲轴弯曲强度为主要目标，采用主轴颈为空心的半空心结构就行了。若要同时减轻曲轴的重量和减小曲柄销的离心力，从而降低主轴承负荷，则宜采用全空心结构。一般空心度d/D=0.4左右效果最好。④卸载槽。适当地选择槽的形状，边距L’、槽深δ1、圆角R及张角φ，在相同载荷条件下，可使曲柄销圆角最大应力σ2max值有所降低，如把空心和卸载结合起来就能得到较佳曲拐结构。

工艺措施：①圆角滚压强化。圆角滚压强化能提高疲劳强度，采用曲轴全部轴颈滚压的方法可减少曲轴变形，使曲轴主轴颈的摆差在滚压后保证在允许范围内。②轴颈和圆角表面同时进行淬火。为了提高曲轴颈表面的耐磨性，一般都用高周波电流感应加热的方法进行表面淬火。采用专门的工艺措施，把圆角部分也一起淬硬，不仅提高耐磨性，而且使曲轴疲劳强度提高30~50%。③喷丸强化。它与滚压强化方法一样，亦属于利用冷作变形，在金属表面上留下压应力，而且使表面硬度提高，从而提高曲轴疲劳强度的方法。④氮化处理。氮化处理是一种化学热处理强化金属表面的方法。氮化处理后，由于氮的扩散作用，在曲轴表面形成一层由氮化铁及碳化铁组成的化合层，它有极高的耐磨性并且抗咬合、耐腐蚀。

5 设置飞轮的必要性，扭转不均匀系数，发动机运转不均匀系数

①必要性：在气缸数目已定的情况下要减小曲轴回转不均匀性就必须加大转动惯量，这就是装置飞轮的主要目的。当输出扭矩大于阻力矩时，飞轮就将多余的功吸收而使转速略增；当阻力矩大于输出扭矩时，飞轮则将其储存的能量放出，此时飞轮的动能减小，而发动机转速略减。可见飞轮是一种动能储存器，它起着调节曲轴转速变化稳定转速的作用。

②用扭矩不均匀系数μ来判断发动机合成扭矩的均匀程度，μ=(M max-M min)/(ΣM)m，式中M max为输出扭矩曲线的最大值，M min为输出扭矩曲线的最小值，(ΣM)m为输出扭矩曲线的平均值。

③δ=(ωmax-ωmin)/ωm≈2(ωmax-ωmin)/ (ωmax+ωmin)，δ称为发动机的运转不均匀系数，或称变速率。ωm为平均角速度，ωmax与ωmin为最大和最小曲轴角速度。

第六章连杆组设计

1 连杆的工作条件和设计要求，大小头载荷的构成，分布及危险截面

答：①工作条件：连杆小头与活塞销一起作往复运动，连杆大头和曲轴一起作旋转运动。连杆体既有上下运动，还有左右摆动，作复杂的平面运动。连杆的基本载荷是拉伸和压缩。最大拉伸载荷出现在进气冲程开始的上止点附近，最大压缩载荷出现在膨胀冲程开始的上止点附近。由于细长杆件，附加有弯曲应力和弯矩。

②设计要求：连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此在设计中首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构刚度。对强化程度不高的发动机来说，刚度比强度更重要。为了在尽可

能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度，必须选用高强度的材料，合理的结构形状和尺寸，采取提高强度的工艺措施等。

③小头载荷构成分布：

(a)衬套过盈装配及温升产生的小头应力：外表面σao=2pd2/(D12-d2)，内表面σio=p(D12+d2)/(D12-d2)。

(b)由拉伸载荷所引起的小头应力：拉伸载荷P j在小头上半圆周产生的均布径向载荷p’=P j/2B1r m，B1、r m各为小头宽度及平均半径。应力分布与Φ角大小有关，但大致趋向不变。内表面应力σi最大值一般出现在φ=90°处，外表面应力σa的最大值一般出现在φ=Φ处，Φ增大的同时，最大应力值增长。

(c)由压缩载荷所引起的小头应力，压缩载荷中的大部分直接压在杆身上，并不在小头中引起应力，只有一小部分载荷使小头变形。

危险截面：固定角断面m-n是连杆小头强度最薄弱处，而且多数情况下，外侧纤维上的m点的应力变化幅值最大，因而也最危险。但有时是内侧纤维上的n点最危险。

④大头载荷构成与分布：

大头的重量产生的离心力使连杆轴承主轴承负荷增大、磨损加剧。有时为此而不得不增大平衡重。H3过小时，连杆螺栓头或螺帽的支撑面过渡圆角处易成为薄弱环节，会因应力集中而成为疲劳裂纹的发源地。斜切口连杆当承受惯性力拉伸时，沿连杆体与连杆盖结合面方向作用着很大的横向力P t=Psinφ，使连杆螺栓承受较大剪力。平切口和斜切口的危险截面都是取在过连杆轴线的截面上。

2 连杆各部分疲劳强度安全系数计算方法

答：①连杆小头的疲劳强度安全系数

固定角断面m-n是连杆小头强度最薄弱处，危险点的极限应力：m点：σmax=σao+σaj，σmin=σao+σac；n点：σmax=σio+σic，σmin=σio+σij(当σij<0)或σio(当σij>0)。应力幅σa=(σmax+σmin)/2，平均应力σm=(σmax-σmin)/2，安全系数n=σ-1z/(σa/εσ’’+ψσσm)，其中角系数ψσ=(2σ-1-σ0)/ σ0。

②连杆杆身的疲劳安全系数

两个平面内的安全系数n x、n y应分别求取，但计算公式仍为n=σ-1z/(σa/εσ’’+ψσσm)，ψσ=(2σ-1-σ0)/ σ0。3说明连杆螺栓和大头负荷变化的关系，以及确定预紧力的方法

答：设螺栓抗拉刚度为c1，大头抗压强度为c2，在预紧力P0作用下，螺栓拉伸变形λ01，大头相应压缩变形为λ02，关系：工作时，在惯性力p j’’作用下，螺栓被进一步拉长Δλ，而大头弹性压缩变形量减少Δλ，工作时螺栓承受的最大载荷仅为预紧力P0与部分工作载荷χp j’’之和，而不是预紧力P0与工作载荷p j’’的直接叠加。P max= P0’+ p j’’= P0+ χp j’’, χ为螺栓连接的基本载荷系数，χ= c1/(c1+c2)，χ取决于连杆螺栓和连杆大头刚度之比，其他条件不变，螺栓刚度增大导致螺栓动负荷加大。对应一定的预紧力，有一临界工作载荷，此时对应连杆大头接和面间压力为零。若最大工作载荷超过此值，接和面就会脱开，使螺栓应力幅增大，同时接和面互相冲击，最后导致螺栓疲劳破坏。所以应使P0’ = P0-(1-χ) p j’’= P0-(0.75~0.80) p j’’>0

确定预紧力的方法：①通过用扭力扳手控制预紧力矩M来间接控制P0②可靠的办法是在装配时用百分表等精确测量螺栓的与变形量λ01，直接控制预紧力P0③“塑性区域旋转角度拧紧法”。

4 连杆大头的部分形式，各种部分的特点

答：①平切口。连杆大头具有较大的刚度，轴承孔受力变形小，制造费用低。

②斜切口。增大两个螺栓之间的距离，连杆大头结构的刚度及紧凑性变差。连杆螺栓承受较大剪力，必须采用能承受较大剪力的定位元件，才能保证工作可靠。

5 提高连杆螺栓疲劳强度的措施

答：①首先致力于降低螺栓应力幅σa②努力减少螺栓各处的应力集中③为了提高螺栓强度，把螺纹的头几牙车成10°~15°的倒角④设计平切口连杆的螺栓头部形状时，应保证拧紧螺母使螺栓不会跟着转，使得拆装方便⑤采用合理的工艺方法对于提高连杆螺栓的疲劳强度也有很大作用。

第七章内燃机滑动轴承设计

1 轴承工作条件和轴瓦工作面减磨合金材料的主要要求有哪些？轴瓦工作条件对轴瓦有何要求？答：轴承工作条件：①轴承承受交变载荷会在合金层内形成疲劳应力状态，易使合金层产生微小裂

缝，合金层易产生疲劳剥落。②轴承与轴颈之间被一层边界油膜所隔开，一旦边界油膜破裂，金属材料可能直接接触，发生固体干摩擦造成强烈磨损，甚至表面熔化，互相咬粘在一起，这是轴承损坏的根源。③长时间工作，使发动机机油不断被氧化变质，形成有机酸，对轴承表面产生腐蚀作用。油中机械杂质积累，使轴承和轴颈表面遭受擦伤。④连杆和曲轴制造有误差，工作中还可能发生变形，使轴承与轴颈之间产生局部的负荷集中，影响轴承的正常工作。

轴瓦工作面减磨合金材料的主要要求：①有足够的机械强度，首先是指减磨材料的疲劳强度。减磨材料在交变负荷反复作用下，会出现细微的疲劳裂纹，并向纵深发展，至与钢背接和面附近便转向横向发展，最终导致减磨层剥落，所以要有足够的疲劳强度，另外，减磨材料还应有足够的耐热性，即较高的热硬度和热强度。②有足够的减摩性能，一般包括抗咬粘性、顺应性和嵌藏性等。抗咬粘性是指当轴承油膜由于某种原因遭到破坏时，轴承材料不擦伤和咬死轴颈的能力，这与减磨材料对润滑油的亲和力有关。抗咬粘性好的轴颈的磨损就小。顺应性指轴承副有几何形状偏差和变形时克服边缘负荷从而使负荷均匀化的性能，顺应性好的轴瓦磨合快。嵌藏性指以微量塑性变形吸收混在机油中的外来异物颗粒而不擦伤轴颈的性能。③良好的耐腐蚀性。采用耐腐蚀性好的轴承材料，可以降低对机油抗氧化性的要求，否则就要求采用加有防腐蚀碱性添加剂的优质润滑油，提高使用成本。④足够的结合强度。减磨合金层应与钢背结合牢固，不仅不会因沿结合面可能作用的剪切力而脱壳，而且不因由温度升高而产生的热应力而脱壳。

2 轴瓦表面的几何形状，何为自由弹势，如何标注过盈？

答：几何形状：①普通的是正确的圆柱形②回转双曲面轴承(轴向变厚度轴瓦)。高强化轻型柴油机由于对重量限制极严，曲轴不可能用加大直径的方法保证承压面积和弯曲刚度。这时，比压高用强化轴颈表面和采用高强度轴承来解决。而易于导致边缘负荷的弯曲变形问题，可用回转双曲面轴承来适应。③椭圆轴承(径向变厚度轴瓦)。把轴瓦做成中间厚，两端薄，工作时就可使得在负荷最大的方向仍有不大的间隙，而在负荷较小的方向则有较大的间隙，这有利于增大流经轴承的油量，改善散热，同时消除了在惯性力作用下，由于水平方向缩小而使轴承冲击轴颈的现象。

自由弹势：为了使轴瓦在装配时正确定位，并紧密地与轴承座孔贴合，轴瓦在自由状态下并非呈真正的半圆形，弹开的尺寸比直径稍大些，超出量称为自由弹势Δs。

标注过盈：轴瓦的工作图上是以公差的形式给出(d0/2)+u max-u min及试验力P0来标注轴瓦过盈量的。

过盈的测量：用淬火钢制成刚度很大的检验座，座内加工有直径等于轴承座孔内径上限值d0的半圆孔，瓦放入座内，一端用挡块顶死，另一端施以试验力P0，这时轴瓦产生压缩变形v，然后测量轴瓦比检验座对口面的高出量u，再求出轴瓦在试验力P0作用下的缩短量v，轴瓦的半圆周过盈量h 也就能求得，h=u+v。

3 轴承负荷能力是怎样构成的，ω*的物理意义是什么？

答：轴承负荷能力由旋转作用负荷能力和挤压作用负荷能力构成。ω*=ωw+ωs-2ω0，称为非定常轴承的有效角速度，表示轴颈、轴承相对于油楔运动的角速度之和。ω*越大，所产生的旋转油膜压力越大，ω*=0时相当于轴颈、轴承与油楔相对静止，不能产生旋转油膜压力。

4 轴心轨迹计算的意义何在？

答：①可作为判断轴承实现液体润滑情况的重要依据；由轨迹曲线图可找出一个工作循环中最小的最小油膜厚度值(h min)min及其延续时间(图中A区)。其中(h min)min应小于由发动机结构刚度、工艺水平(加工的几何精度及表面光洁度)等确定的许用值[h min]。至于(h min)min延续的时间允许多长，取决于(h min)min值的大小，如(h min)min很小，只有当持续时间极短时，才不会有多大危险。②帮助分析研究轴承损坏原因，改进设计。图中C区表示轴心因高速向心运动使油楔中出现局部真空，形成气泡，至轴心高速离心运动，气泡破裂，突然放出很高的爆破压力，击坏合金表面造成穴蚀。D区出现轴心多次高速离心运动，油膜压力峰值剧增，可至轴承平均比压的10倍以上，造成合金疲劳剥落，出现以上不利于轴承工作的情况，就应首先改进设计，取得新的轴承负荷图，力求得到对轴承工作有利的轨迹曲线。③合理布置油孔、油槽位置，使润滑油供应通畅。如图中B区负荷轻，轴承应在该处开油孔或油槽。同理，根据孔心轨迹图可以确定轴颈上的油孔、油槽位置。④实现轴承润滑的最佳设计。改变直接影响轴承工作能力的因素，如轴承间隙φ、粘度η、轴承宽径比β等，做出轴心轨

迹图进行比较，找出最佳的φ、η、β等。此外，还可改变影响轴承负荷图的各因素，能找到比较合理的轴心轨迹。

第八章

1 活塞的工作条件和设计要求有哪些？机构设计着重解决的问题是什么？

答：

2 如何提高头部及第一环的工作可靠性？

3 群部变形受哪些因素影响？销孔纵横位置的确定

4 销和销座的设计重点是什么？其破坏发生在什么地方？

5 环的密封吉利，环的弹力，应力与结构参数有什么关系？

6 活塞环存在哪些运动，如何提高环的颤动能力？

第九章

1 机体的结构形式有哪些？其特点如何？

答：①平底式。底面与曲轴轴线基本平齐，高度小，重量轻，但相对来说刚度都比较差，油底壳很深，冲压困难②龙门式。底面比曲轴轴线低(0.6~1.0)D，由于机体总高度增大，在纵向平面中的弯曲刚度和绕曲轴轴线的扭转刚度显著提高。同时，机体底面可以以一个完整的平面与油底壳相配，密封比较简单③隧道式。主轴承孔不可分割的机体，这种机体具有最好的刚度，但它的重量比龙门式机体重，因大直径滚动轴承圆周速度很大，提高柴油机转速受到了限制，这种机体的油底壳结合面的密封最为简单。

2 缸套的结构形式有哪些？其特点如何？

答：①干式气缸套。干式气缸套是在气缸内压入一个具有较高耐磨性的薄壁套筒，它的壁厚目前有减薄的趋势，已减薄至1.0~1.5mm，并且用钢管拉制而成，其工作面镀铬。气缸体的上壁和下壁之间不仅通过水套外壁，而且还通过水套内壁连成一个强有力的结构，所以干缸套的机体比湿缸套的机体大②湿式气缸套。湿缸套由于冷却好、更换方便、制造容易，虽然它要求机体有更大的刚度，但采用湿缸套以后，可以使机体的造型和清砂比较简便，通过合理的布置加强筋的办法可以提高机体的刚度。

3 气缸的磨损机理，磨损图，及提高耐磨性的措施

答：①磨料磨损。由于吸入的空气中混有尘埃，机油中有积碳、金属磨屑等外来坚硬杂质，形成磨料，附着于气缸镜面，引起了气缸的磨损，磨料粒子在气缸镜面造成了平行于气缸轴线的拉痕，个别粗大的磨料也会留下粗大的拉伤，俗称拉缸②腐蚀磨损。燃烧过程中产生许多酸性物，当冷却水温度较低及低温启动频繁时，燃烧生成物中的酸性物和水蒸气极易凝结在气缸表面上，如果气缸上的润滑油膜不足，酸性物与气缸镜面金属直接接触，就会对气缸进行腐蚀③熔着磨损。当气缸与活塞在润滑不良情况下滑动时，两者有极微小部分金属面直接接触，摩擦形成局部高热，使之熔触粘着、脱落，逐步扩大即产生熔着磨损。

提高耐磨性的措施：①合理选用材料。经常在低温启动，冷却水低于80°C，以及经常在低负荷、中低速运转的车用内燃机，气缸套以腐蚀性磨损为主，宜用奥氏体铸造，但奥氏体铸铁很贵，同时抗磨料磨损性能不好，为了节约贵重材料，可以只在汽缸上部1/3~1/4长度上镶半节缸套②缸套加工必须精确。为了保证气缸表面工作耐久，必须加工精确，气缸精度必须在2级以上，当气缸直径D=75~150mm时，其不圆柱度一般不应超过0.012~0.035mm，缸径小时取下限值，否则气缸与活塞接触不良，磨损加剧③缸套表面处理。缸套的表面处理主要有镀铬、高温淬火、磷化处理和氮化等，镀铬钢套硬度高，耐磨性好，熔着磨损少。磷化处理能改善磨合过程，防止拉缸，能提高耐磨性、抗腐蚀性能。氮化有气体氮化和软氮化④制定合理的磨合规范。磨合规范必须综合考虑磨合运转时间和负荷的合理分配，以便在磨合时期摩擦表面得到充分的磨合磨损，并较快的达到良好的贴合⑤使用条件。润滑油应选用热稳定性好，油膜强度高，不易胶结的；燃油应选用硫分和水分少的。要尽可能避免频繁的冷启动或低温运转⑥改善缸套的设计。活塞裙部要采用合理的椭圆形和桶形结构，缸套上部的凸肩形状要合理，尺寸要适当。

4 湿缸套的穴蚀发生在什么部位及防止措施

答：在以下三个区域内易产生穴蚀：①连杆摆动平面的两侧，缸套中上部及下部聚集如带状的深孔群，而且在活塞主推力面一侧穴蚀较为严重②在进水口处及水流转弯处孔洞聚集，使振动和水力共同作用下产生的穴蚀③在支撑及上下配合密封凸肩处产生细小穴蚀，呈蠕虫形、条沟状凹坑，或者不规则的环形凹坑，严重时会形成裂纹。

防止措施：

⑴减小缸套的振动。缸套振动的加速度愈大，穴蚀愈大。为了减小穴蚀，必须减小振动。主要措施有：①减小活塞和气缸间的配合间隙。间隙大时，活塞对缸套的冲击力也大，缸套的震动也大②采用偏置活塞销。为了改善活塞运转的平顺性，减小活塞在改变侧向力方向时对气缸的冲击力，将销座位置相对于活塞主推力面偏移1.5~4mm ③提高缸套的刚度。适当的增加缸套的壁厚，把缸套下支承适当的向上移动，增加缸套的支承刚度，可以减小缸套的振动④适当减小缸套与气缸体间的配合间隙。缸套上下定位带与气缸体的配合间隙，往往引起缸套的振动，产生严重的穴蚀。

⑵控制气泡的形成。应使水流沿气缸套壁切线方向进入水套，再绕气缸套外壁呈螺旋上升。进水口在水平方向的宽度不大于水套空间的径向宽度，冷却水套宽度不低于10mm 。

⑶提高缸套的抗穴蚀能力。①合理选择缸套材料。从穴蚀产生的原因出发，耐穴蚀性能要求缸套材料应具有较高的机械强度和尽可能少的表面裂纹及气孔。它的金相组织结构应当均匀，且应有热稳定性及抗腐蚀性，其表面硬度要高②合理选择热处理工艺。缸套的热处理温度对穴蚀也有影响，铸铁缸套在600°C 一下低温退火，只要不出现金相组织变化，就不会使耐穴蚀性能降低。高温退火可以导致铁素体形成，析出石墨，并使耐穴蚀性好的片状渗碳体变为耐穴蚀性差的球状渗碳体，而且淬硬状态比铸态更易受穴蚀③缸套外表面处理。对缸套外表面镀铬、镀镉和喷镀陶瓷可以对表面起保护作用④改善冷却水的性质。在冷却水中加入抗穴蚀物质可以改善缸套的抗穴蚀能力。当柴油机冷却系中发生显著的电化腐蚀作用时，可以在冷却水中加入重铬酸盐添加剂。

5 缸盖的破坏主要发生在什么部位，以及产生机理，热强度的意义何在？

答：大部分缸盖的损坏是缸盖底板表面发生裂纹。裂纹产生的机理如下：底板火力面温度高于其冷却面的温度，所以热胀冷缩受到限制，火力面发生强烈的压缩应力，冷却面受到了很大的拉伸作用。在高温条件下，材料的弹性极限下降，发生了塑性变形，压缩应力有所下降。当内燃机停车后，压缩应力已全部消失。当温度继续下降到环境温度时，表面出现残余拉伸应力。裂纹能否发生，取决于此拉伸应力的大小。如果局部地区温度超过允许值愈多，运行时间愈长，残余拉伸应力

第十章

1何为气门开度断面丰满系数，何为气门升程丰满系数？

答：对于同样大小的气门来说，可以用平均通过断面f m 对最大通过断面f max 之比来表征其通过能力，这个比值称为时间-断面丰满系数ψf ，ψf =f m /f max ，f max =πHcosγ(d h +0.5Hsin2γ)，H 为气门最大升程。 气门升程曲线丰满系数ψh =h m /H ，h m 为在进、排气门开启持续角φi 、φe 内的气门平均升程，即

?=)(0

)(1e i hd h e i m ??? 2 凸轮外形的设计应考虑哪些要求？

答：①所设计的凸轮外形应保证凸轮从动件具有良好的加速度变化规律②加工精度能保证所设计运动规律实现③根据给定的基本参数先制订出理想的气门运动规律，特点是加速度曲线的连续性，有尽可能大的气门通过能力，较好的配气机构动力性能等④在凸轮外形设计中，应进行配气凸轮机构运动学的计算⑤凸轮外形除了需要能保证气门开启时间断面足够，加速度大小及变化符合要求的所谓基本工作段以外，还应有缓冲段。

3 为何要设置缓冲段，两种缓冲段有何特点？

答：原因：①在不同的内燃机工作温度下，气门机构零件会有不同的伸缩，在气门机构传动链中必须留有一定间隙，由于这个间隙存在，挺柱与气门的运动便不能同步，挺柱总是以较大的加速度从零速开始运动的，落座也同样，当气门与运动件脱开自行落座时，也带有很大的末速度。这些都将在气门杆尾端面或气门座密封面产生强烈冲击，发出噪音，为避免上述缺点，凸轮外形除基本工作段外还应有缓冲段②缓冲段保证从动件从刚开始运动这一段升程内，至少在克服气门间隙以及压缩

驱动机构，并产生静变形至气门开始升起以前，一直保持较小的速度，使气门开始升起和落座的速度能低于所允许的数值③这样的凸轮外形既保证了原设计提出的气门最大升程、气门运动规律和最佳配气定时，还能由于挺柱的运动速度总是保持很小，而使气门在始升或落座时的速度得到了控制，防止了强烈冲击。

4 圆弧凸轮，高次方凸轮有何优缺点？

答：圆弧凸轮(等加速-等减速凸轮)能达到的时间断面最大，有利于改善充气性能，但加速度突变，配气机构工作平稳性会较差；高次多项式凸轮则正好相反，其加速度曲线光滑程度高，配气机构工作平稳性容易得到保证，但升程曲线丰满系数相对较低。显然，前者适用于转速较低的发动机，后者适用于转速较高的发动机、对配气机构工作平稳性要求较高的发动机中。

5 影响配气机构震动有哪些因素？

答：配气机构系统与所有振动系统一样，震动的激烈程度应取决于系统固有频率与激发力频率间的关系。如其余条件相同，则当机构的固有振动频率提高时，一般均能使气门落座平稳，运动链脱离次数减少，甚至完全消除脱离，而对配气机构固有频率影响最大的是气门质量，然后依次是推杆、摇臂、凸轮轴的刚度以及推杆上端的质量，而气门弹簧的刚度和挺柱的质量则几乎毫无影响。

6 润滑特性数有何意义？排气的温度如何分布？

答：意义：流体动力润滑有效速度v*=(ρ+h t’’)ωc，当ρ+h t’’=0，不能形成承载油膜，原有的油膜被挤压破裂，使得磨损剧增，这是最不利的情况。因此这里定义s=-(ρ+h t’’)作为评价润滑油膜承载能力的特性参数，称为润滑特性数，可见它完全取决于凸轮外形设计，尤其与挺柱加速度规律的关系更为密切。

排气温度分布：①汽油机由于燃烧热，气门头部中心的热点最高温度达到700°C，在气门顶部，位于气门密封锥面母线延长线的地方还有第二个热点，这是高速废气扫过气门杆时产生的，这个热点温度比第一个热点还高②柴油机排气门温度分布略有不同，颈部热点温度低于气门头部中心温度，其位置约在气门头背面圆弧中段，气门温度变化的激烈程度也低于汽油机。

7 气门的设计要求有哪些？采用镶圈式气门座的必然性

答：设计要求：①保证足够的流量是进气门设计的重点，排气门设计的重点应是努力降低其排气温度②气门杆部工作温度比头部低，主要要求他在润滑不良情况下耐磨③气门经调质热处理后，头部及杆部硬度应为HRC30~40，气门尾部承受摇臂头的高频冲击，要求硬度不低于HRC48，淬火层深度不小于3毫米，其硬度应逐渐降低到与杆部硬度相同，以免层薄④气门锁夹槽最小断面的硬度不得大于杆部的硬度，以免在此应力集中处发生裂纹⑤气门纵剖面的金属宏观组织应具有与外形相符的纤维方向，所以气门毛坯一般均由棒料顶锻镦粗而成⑥根据气门通过良好的要求，气门头部直径应尽可能大，锥面最小直径一般等于或略大于气喉口直径⑦在确定气门头部直径d时，还应注意到为了保证密封锥面磨损后仍能可靠的密封⑧气门的硬度一般大于气门座⑨气门头部厚度t对气门头部刚度影响较大，设计时希望在不太大的重量下得到较大的刚度⑩应尽可能缩小气门总长⑾应尽量保证排气门有适宜的工作温度，控制进入气门导管的机油量⑿导管孔口不应设计倒角，导管上部应设计成锥形凸台⒀气门杆尾端面受摇臂或挺柱的冲击，要求该处淬硬，提高耐磨能力。

必然性：镶圈式气门座可以采用较好的材料，并且磨损后还可以更换，因此使用耐久方便。在铝合金缸盖中，进排气门全部镶座圈，在汽油机中，目前多数是排气门镶座，因为汽油机常在部分负荷下工作，进气管内真空度有利于机油从气门导管漏入，去润滑进气门，因此工作条件比排气门好。而柴油机中，进气管真空度小，机油难以进入导管润滑进气门，同时因为工作过程不同，排气门与气门座反而常得到由于燃烧不完全而夹杂在废气中的机油和柴油，以及烟粒等的润滑，因此这时进气门更需要镶座。基于同样的理由，并且在气体压力作用下，因进气门挠曲变形引起的气门在密封锥面上的微量相对滑动也大，因此增压发动机的进气门的磨损更大，更应该镶座。

8 气门弹簧特性的确定及振动校核

答：