前 言
第 1 章 發(fā)動機整機設計 …………………………………………………………… 1
1.1 發(fā)動機概念設計階段 ………………………………………………………………… 1
1.1.1 策劃階段……………………………………………………………………………………… 1
1.1.2 主要設計指標………………………………………………………………………………… 2
1.1.3 設計邊界定義………………………………………………………………………………… 5
1.1.4 關鍵技術和新技術使用……………………………………………………………………… 6
1.1.5 主要設計參數(shù)………………………………………………………………………………… 6
1.1.6 零部件繼承性………………………………………………………………………………… 8
1.1.7 關鍵零部件供應商預選……………………………………………………………………… 9
1.1.8 概念設計階段介紹…………………………………………………………………………… 9
1.2 發(fā)動機布局設計階段 ……………………………………………………………… 10
1.2.1 類型及布置方案……………………………………………………………………………… 10
1.2.2 布局設計……………………………………………………………………………………… 13
1.2.3 布局 CAE 模擬分析 ………………………………………………………………………… 14
1.3 發(fā)動機詳細設計階段 ……………………………………………………………… 18
1.4 發(fā)動機部件并行設計 ……………………………………………………………… 23
1.4.1 概述…………………………………………………………………………………………… 23
1.4.2 發(fā)動機總體設計條件的確定………………………………………………………………… 23
1.4.3 發(fā)動機分系統(tǒng)設計…………………………………………………………………………… 30
1.4.4 整機裝配檢查………………………………………………………………………………… 52
1.5 發(fā)動機產品設計基準 ……………………………………………………………… 54
1.5.1 整機設計基準………………………………………………………………………………… 54
1.5.2 缸體的基準問題……………………………………………………………………………… 56
1.5.3 缸蓋的基準問題……………………………………………………………………………… 57
1.5.4 曲軸的基準問題……………………………………………………………………………… 58
1.5.5 其他零件的基準問題………………………………………………………………………… 60
1.5.6 檢驗基準……………………………………………………………………………………… 60
1.5.7 產品工程圖上的尺寸標注問題……………………………………………………………… 60
1.6 發(fā)動機及系統(tǒng)設計關鍵尺寸 ……………………………………………………… 60
1.6.1 運動件系統(tǒng)接口尺寸校核…………………………………………………………………… 60
1.6.2 配氣機構接口尺寸校核……………………………………………………………………… 62
1.6.3 進、排氣總成接口尺寸校核………………………………………………………………… 64
1.6.4 氣缸體系統(tǒng)接口尺寸校核…………………………………………………………………… 67
1.7 整機設計中的 CAE 分析…………………………………………………………… 69
1.7.1 發(fā)動機整車匹配計算模擬分析……………………………………………………………… 69
1.7.2 模擬計算……………………………………………………………………………………… 69
1.7.3 發(fā)動機熱力學計算模擬分析………………………………………………………………… 74
第 2 章 曲柄連桿機構設計 ……………………………………………………… 81
2.1 曲軸設計 …………………………………………………………………………… 81
2.1.1 概述…………………………………………………………………………………………… 81
2.1.2 曲軸的分類…………………………………………………………………………………… 82
2.1.3 曲軸的設計原則……………………………………………………………………………… 82
2.1.4 曲軸的加工工藝和加工設備………………………………………………………………… 87
2.2 連桿設計 …………………………………………………………………………… 97
2.2.1 概述…………………………………………………………………………………………… 97
2.2.2 連桿的分類…………………………………………………………………………………… 98
2.2.3 連桿的設計原則……………………………………………………………………………… 99
2.2.4 連桿的加工工藝…………………………………………………………………………… 104
2.3 活塞設計 …………………………………………………………………………… 107
2.3.1 概述………………………………………………………………………………………… 107
2.3.2 活塞的分類………………………………………………………………………………… 108
2.3.3 活塞的設計原則…………………………………………………………………………… 110
2.3.4 活塞的加工工藝…………………………………………………………………………… 118
2.4 飛輪設計 …………………………………………………………………………… 120
2.4.1 概述………………………………………………………………………………………… 120
2.4.2 飛輪的分類………………………………………………………………………………… 120
2.4.3 飛輪的設計原則…………………………………………………………………………… 122
2.4.4 飛輪的設計計算…………………………………………………………………………… 124
2.5 軸瓦設計 …………………………………………………………………………… 126
2.5.1 概述………………………………………………………………………………………… 126
2.5.2 軸瓦的材料………………………………………………………………………………… 126
2.5.3 軸瓦的設計原則…………………………………………………………………………… 128
2.5.4 軸瓦的失效形式…………………………………………………………………………… 131
2.6 曲柄連桿機構的設計計算 ………………………………………………………… 136
2.6.1 尺寸鏈計算………………………………………………………………………………… 136
2.6.2 配瓦設計…………………………………………………………………………………… 145
2.6.3 包絡校核…………………………………………………………………………………… 146
2.6.4 壓縮比計算………………………………………………………………………………… 147
2.6.5 平衡率計算………………………………………………………………………………… 148
2.7 曲柄連桿機構設計案例 …………………………………………………………… 150
2.7.1 活塞連桿總成 3D 布局設計 ……………………………………………………………… 150
2.7.2 曲軸飛輪總成 3D 布局設計 ……………………………………………………………… 154
2.7.3 平衡系統(tǒng) 3D 布局設計 …………………………………………………………………… 156
2.7.4 運動系統(tǒng) 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 157
2.8 運動系統(tǒng)設計檢查 ………………………………………………………………… 165
2.9 曲柄連桿機構 CAE 分析…………………………………………………………… 166
2.9.1 曲軸運動學計算分析……………………………………………………………………… 167
2.9.2 曲軸強度疲勞計算分析…………………………………………………………………… 169
2.9.3 連桿強度疲勞計算分析…………………………………………………………………… 169
2.9.4 活塞強度疲勞計算分析…………………………………………………………………… 170
2.9.5 軸承 EHD 計算分析 ……………………………………………………………………… 170
2.10 曲柄連桿機構驗證試驗…………………………………………………………… 172
2.10.1 曲軸疲勞試驗 …………………………………………………………………………… 172
2.10.2 連桿疲勞試驗 …………………………………………………………………………… 174
第 3 章 缸體系統(tǒng)設計…………………………………………………………… 176
3.1 概述 ………………………………………………………………………………… 176
3.2 缸體設計原則 ……………………………………………………………………… 177
3.2.1 布置情況…………………………………………………………………………………… 178
3.2.2 結構強度…………………………………………………………………………………… 178
3.2.3 通風要求…………………………………………………………………………………… 178
3.3 缸體系統(tǒng)設計步驟 ………………………………………………………………… 179
3.3.1 結構參數(shù)的確定…………………………………………………………………………… 179
3.3.2 缸體設計…………………………………………………………………………………… 179
3.3.3 氣缸套……………………………………………………………………………………… 182
3.3.4 框架………………………………………………………………………………………… 183
3.3.5 主軸承蓋…………………………………………………………………………………… 184
3.3.6 曲軸偏心設計……………………………………………………………………………… 185
3.4 缸體系統(tǒng)設計案例 ………………………………………………………………… 186
3.4.1 缸體系統(tǒng) 3D 設計………………………………………………………………………… 186
3.4.2 缸體系統(tǒng) 2D 設計 ………………………………………………………………………… 194
3.5 缸體系統(tǒng)設計檢查 ………………………………………………………………… 204
3.6 缸體系統(tǒng) CAE 分析………………………………………………………………… 205
3.6.1 缸體水套冷卻 CFD 計算分析 …………………………………………………………… 205
3.6.2 缸體模態(tài)分析……………………………………………………………………………… 206
3.6.3 缸體主軸承壁 / 蓋強度計算分析 ………………………………………………………… 206
3.6.4 主軸承蓋螺栓選配計算分析……………………………………………………………… 209
3.6.5 缸體強度疲勞計算分析…………………………………………………………………… 209
3.6.6 主軸瓦 EHD 計算分析 …………………………………………………………………… 210
3.7 缸體試驗驗證 ……………………………………………………………………… 211
3.7.1 缸壁珩磨檢測……………………………………………………………………………… 211
3.7.2 缸墊面壓試驗……………………………………………………………………………… 211
3.7.3 缸體主軸承壁疲勞試驗…………………………………………………………………… 212
第 4 章 缸蓋系統(tǒng)設計…………………………………………………………… 214
4.1 概述 ………………………………………………………………………………… 214
4.2 缸蓋設計 …………………………………………………………………………… 215
4.2.1 缸蓋的設計原則…………………………………………………………………………… 215
4.2.2 缸蓋的結構型式及特點…………………………………………………………………… 216
4.2.3 缸蓋的材料………………………………………………………………………………… 216
4.2.4 缸蓋壁厚設計……………………………………………………………………………… 217
4.2.5 缸蓋的結構工藝…………………………………………………………………………… 217
4.3 缸蓋系統(tǒng)先進技術 ………………………………………………………………… 218
4.4 缸蓋系統(tǒng)設計案例 ………………………………………………………………… 224
4.4.1 缸蓋系統(tǒng) 3D 布局設計 …………………………………………………………………… 224
4.4.2 缸蓋系統(tǒng) 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 235
4.5 缸蓋系統(tǒng)設計檢查 ………………………………………………………………… 244
4.6 缸蓋系統(tǒng) CAE 分析………………………………………………………………… 246
4.6.1 缸蓋氣道 CFD 分析 ……………………………………………………………………… 246
4.6.2 缸內流動分析……………………………………………………………………………… 248
4.6.3 噴霧分析…………………………………………………………………………………… 249
4.6.4 燃燒分析…………………………………………………………………………………… 252
4.6.5 缸蓋冷卻分析……………………………………………………………………………… 255
4.6.6 缸蓋疲勞分析……………………………………………………………………………… 256
4.6.7 缸蓋螺栓選配分析………………………………………………………………………… 258
4.7 缸蓋系統(tǒng)設計驗證 ………………………………………………………………… 258
4.7.1 缸蓋氣道芯盒制造………………………………………………………………………… 259
4.7.2 芯盒氣道試驗……………………………………………………………………………… 259
4.7.3 缸蓋氣道試驗……………………………………………………………………………… 261
4.7.4 光學發(fā)動機燃燒試驗 …………………………………………………………………… 262
4.7.5 缸蓋溫度場試驗…………………………………………………………………………… 262
第 5 章 配氣機構設計…………………………………………………………… 264
5.1 概述 ………………………………………………………………………………… 264
5.2 配氣機構的設計原則 ……………………………………………………………… 266
5.2.1 配氣機構的設計要求……………………………………………………………… 266
5.2.2 氣門機構的設計…………………………………………………………………………… 267
5.2.3 零件設計…………………………………………………………………………………… 268
5.2.4 凸輪軸的設計……………………………………………………………………………… 275
5.2.5 配氣機構的關鍵尺寸……………………………………………………………………… 279
5.2.6 齒輪傳動設計……………………………………………………………………………… 280
5.2.7 鏈傳動設計………………………………………………………………………………… 281
5.2.8 正時帶傳動設計…………………………………………………………………………… 282
5.3 配氣機構的先進技術 ……………………………………………………………… 282
5.3.1 中置 VVT 技術 …………………………………………………………………………… 282
5.3.2 VVL 技術 ………………………………………………………………………………… 284
5.4 配氣機構設計案例 ………………………………………………………………… 288
5.4.1 配氣機構布局設計………………………………………………………………………… 288
5.4.2 配氣機構詳細設計………………………………………………………………………… 293
5.4.3 配氣機構 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 294
5.5 配氣機構設計檢查 ………………………………………………………………… 308
5.5.1 設計檢查范圍……………………………………………………………………………… 308
5.5.2 氣門活塞間隙檢查………………………………………………………………………… 310
5.5.3 各尺寸鏈校核……………………………………………………………………………… 312
5.6 配氣機構 CAE 分析………………………………………………………………… 318
5.6.1 凸輪軸動力學計算分析…………………………………………………………………… 318
5.6.2 配氣機構計算分析………………………………………………………………………… 320
5.6.3 氣門活塞間隙計算分析…………………………………………………………………… 320
5.6.4 導鏈板計算分析…………………………………………………………………………… 321
5.6.5 鏈輪計算分析……………………………………………………………………………… 322
5.7 配氣機構設計驗證 ………………………………………………………………… 322
5.7.1 凸輪形線檢測……………………………………………………………………………… 322
5.7.2 配氣機構試驗驗證………………………………………………………………………… 323
5.7.3 配氣機構耐久試驗………………………………………………………………………… 325
第 6 章 進氣系統(tǒng)設計…………………………………………………………… 326
6.1 概述 ………………………………………………………………………………… 326
6.2 進氣歧管設計原則 ………………………………………………………………… 327
6.2.1 設計要求…………………………………………………………………………………… 327
6.2.2 關鍵尺寸確定……………………………………………………………………………… 328
6.2.3 數(shù)據庫現(xiàn)有機型進氣歧管的關鍵尺寸與材料統(tǒng)計……………………………………… 330
6.2.4 生產工藝…………………………………………………………………………………… 331
6.3 進氣歧管先進技術 ………………………………………………………………… 334
6.3.1 可變氣道長度……………………………………………………………………………… 334
6.3.2 可變氣道截面……………………………………………………………………………… 335
6.3.3 可變諧振效應……………………………………………………………………………… 336
6.4 進氣歧管故障分析案例 …………………………………………………………… 337
6.5 進氣歧管設計案例 ………………………………………………………………… 337
6.5.1 進氣歧管 3D 布局設計 …………………………………………………………………… 337
6.5.2 進氣歧管 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 341
6.6 進氣歧管設計檢查 ………………………………………………………………… 342
6.7 進氣歧管 CAE 分析………………………………………………………………… 343
6.7.1 進氣歧管結構選配分析…………………………………………………………………… 343
6.7.2 進氣歧管壓損分析………………………………………………………………………… 343
6.7.3 進氣歧管均勻性分析……………………………………………………………………… 344
6.7.4 進氣歧管強度分析………………………………………………………………………… 345
6.7.5 進氣歧管模態(tài)分析………………………………………………………………………… 345
6.8 進氣歧管試驗驗證 ………………………………………………………………… 346
第 7 章 排氣系統(tǒng)設計…………………………………………………………… 348
7.1 概述 ………………………………………………………………………………… 348
7.2 排氣歧管設計原則 ………………………………………………………………… 349
7.2.1 排氣歧管設計要求………………………………………………………………………… 349
7.2.2 排氣歧管的關鍵尺寸確定………………………………………………………………… 351
7.2.3 數(shù)據庫內現(xiàn)有機型排氣歧管的關鍵尺寸與材料統(tǒng)計…………………………………… 351
7.2.4 排氣歧管的生產工藝……………………………………………………………………… 352
7.3 排氣系統(tǒng)先進技術 ………………………………………………………………… 354
7.3.1 集成增壓器渦殼的排氣歧管……………………………………………………………… 354
7.3.2 不銹鋼雙層排氣歧管……………………………………………………………………… 355
7.3.3 耐熱鑄鋼排氣歧管………………………………………………………………………… 355
7.3.4 EGR 排氣再循環(huán)技術 …………………………………………………………………… 356
7.3.5 電控渦輪增壓器技術……………………………………………………………………… 356
7.3.6 可變截面渦輪增壓器技術………………………………………………………………… 357
7.4 排氣歧管故障分析案例 …………………………………………………………… 358
7.5 排氣歧管設計案例 ………………………………………………………………… 360
7.5.1 排氣歧管 3D 布局設計 …………………………………………………………………… 360
7.5.2 排氣歧管 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 363
7.6 排氣歧管設計檢查 ………………………………………………………………… 365
7.7 排氣歧管 CAE 分析………………………………………………………………… 366
7.8 排氣歧管試驗驗證 ………………………………………………………………… 371
第 8 章 冷卻和潤滑系統(tǒng)設計 …………………………………………………… 373
8.1 冷卻系統(tǒng)設計 ……………………………………………………………………… 373
8.1.1 概述………………………………………………………………………………………… 373
8.1.2 冷卻系統(tǒng)設計原則………………………………………………………………………… 374
8.1.3 冷卻系統(tǒng)先進技術………………………………………………………………………… 384
8.1.4 冷卻系統(tǒng)設計案例………………………………………………………………………… 387
8.1.5 冷卻系統(tǒng)設計檢查………………………………………………………………………… 401
8.1.6 冷卻系統(tǒng) CAE 分析 ……………………………………………………………………… 403
8.1.7 冷卻系統(tǒng)試驗驗證………………………………………………………………………… 406
8.2 潤滑系統(tǒng)設計 ……………………………………………………………………… 408
8.2.1 概述………………………………………………………………………………………… 408
8.2.2 潤滑系統(tǒng)設計原則………………………………………………………………………… 409
8.2.3 潤滑系統(tǒng)先進技術………………………………………………………………………… 415
8.2.4 潤滑系統(tǒng)設計案例………………………………………………………………………… 418
8.2.5 潤滑系統(tǒng)設計檢查………………………………………………………………………… 437
8.2.6 潤滑系統(tǒng) CAE 分析 ……………………………………………………………………… 439
8.2.7 潤滑系統(tǒng)試驗驗證………………………………………………………………………… 443
第 9 章 燃油電控系統(tǒng)設計 ……………………………………………………… 446
9.1 燃油系統(tǒng)設計 ……………………………………………………………………… 446
9.1.1 概述………………………………………………………………………………………… 446
9.1.2 燃油系統(tǒng)設計原則………………………………………………………………………… 447
9.1.3 燃油系統(tǒng)設計步驟………………………………………………………………………… 451
9.1.4 燃油系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢…………………………………………………………………… 453
9.2 點火系統(tǒng)設計 ……………………………………………………………………… 454
9.2.1 概述………………………………………………………………………………………… 454
9.2.2 點火系統(tǒng)設計原則 ……………………………………………………………………… 458
9.2.3 關鍵零部件參數(shù)…………………………………………………………………………… 462
9.2.4 點火系統(tǒng)設計檢查………………………………………………………………………… 463
9.2.5 點火系統(tǒng)設計驗證………………………………………………………………………… 464
9.2.6 點火系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢…………………………………………………………………… 465
9.3 燃油系統(tǒng)先進技術 ………………………………………………………………… 465
9.3.1 缸內直噴技術……………………………………………………………………………… 465
9.3.2 多噴孔噴油器技術………………………………………………………………………… 466
9.4 燃油電控系統(tǒng)設計案例 …………………………………………………………… 467
9.4.1 燃油系統(tǒng) 3D 布局設計 …………………………………………………………………… 467
9.4.2 燃油系統(tǒng) 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 472
9.4.3 電控系統(tǒng) 3D 布局設計 …………………………………………………………………… 475
9.4.4 電控系統(tǒng) 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 479
9.5 燃油電控系統(tǒng)設計檢查 …………………………………………………………… 484
9.6 燃油電控系統(tǒng) CAE 分析 …………………………………………………………………… 487
9.7 燃油電控系統(tǒng)試驗驗證 …………………………………………………………… 488
9.7.1 噴油器噴霧形態(tài)驗證……………………………………………………………………… 488
9.7.2 噴油器方向定義…………………………………………………………………………… 490
9.7.3 噴油器測試結果…………………………………………………………………………… 490
第 10 章 附件系統(tǒng)設計 ………………………………………………………… 492
10.1 概述………………………………………………………………………………… 492
10.2 附件系統(tǒng)分類……………………………………………………………………… 492
10.2.1 平帶傳動 ………………………………………………………………………………… 492
10.2.2 V 帶傳動 ………………………………………………………………………………… 493
10.2.3 圓形帶傳動 ……………………………………………………………………………… 493
10.2.4 多楔帶傳動 ……………………………………………………………………………… 493
10.2.5 同步帶傳動 ……………………………………………………………………………… 493
10.3 附件傳動系統(tǒng)零部件……………………………………………………………… 494
10.3.1 惰輪 ……………………………………………………………………………………… 494
10.3.2 超越帶輪 ………………………………………………………………………………… 495
10.3.3 傳動帶張緊器 …………………………………………………………………………… 496
10.4 附件傳動系統(tǒng)張緊裝置…………………………………………………………… 497
10.4.1 機械阻尼式張緊系統(tǒng) …………………………………………………………………… 497
10.4.2 液壓阻尼式張緊器 ……………………………………………………………………… 498
10.5 附件系統(tǒng)設計原則………………………………………………………………… 499
10.5.1 附件傳動系統(tǒng)設計要求 ………………………………………………………………… 499
10.5.2 附件傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析 …………………………………………………………… 500
10.5.3 附件傳動系統(tǒng)的設計步驟 ……………………………………………………………… 500
10.5.4 數(shù)據庫現(xiàn)有機型附件傳動系統(tǒng)的信息 ………………………………………………… 504
10.6 附件系統(tǒng)先進技術………………………………………………………………… 504
10.7 附件系統(tǒng)設計案例………………………………………………………………… 505
10.7.1 附件系統(tǒng)布局 3D 布局設計 …………………………………………………………… 505
10.7.2 附件系統(tǒng)詳細 2D 詳細設計 …………………………………………………………… 510
10.8 附件系統(tǒng)設計檢查………………………………………………………………… 514
10.9 附件系統(tǒng) CAE 分析 ……………………………………………………………… 516
10.10 附件系統(tǒng)試驗驗證 ……………………………………………………………… 518
參考文獻 …………………………………………………………………………… 520