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第1章 导言 1

第2章 导论 2

2.1 开发过程中的计算分析 2

2.2 力学与热力学 3

2.3 本书所选择的和深入探讨的内容说明 3

2.4 发动机全新开发及升级开发目标 4

第3章 发动机主参数设计 6

3.1 发动机参数的相关性 6

3.2 发动机主参数定义 7

3.2.1 工作容积（排量） 7

3.2.2 功率和转矩 7

3.2.3 比功率 7

3.3 缸体及曲柄连杆机构的主参数选择 8

3.3.1 行程缸径比 8

3.3.2 连杆比及连杆中心距 9

3.3.3 缸体高度 10

3.3.4 活塞直径及质量 11

3.3.5 活塞压缩高度 11

3.3.6 行程、缸径和气缸数 13

3.3.7 缸筒长度、活塞裙部长度与活塞突出量 14

3.3.8 曲轴回转轮廓及活塞间隙 14

3.3.9 活塞结构尺寸 19

3.4 缸体主参数 20

3.4.1 缸心距与气缸间厚度 20

3.4.2 V形发动机的错缸距 23

3.5 最佳连杆比 24

3.6 燃烧室面容比 27

3.7 主性能指标定义 29

3.8 平均有效压力及比功率 31

第4章 主要零部件设计与计算 34

4.1 连杆 34

4.1.1 功能与设计要求 34

4.1.2 连杆受力分析 36

4.1.2.1 连杆受力方式与位置 36

4.1.2.2 连杆承受的力及力矩 39

4.1.3 常规连杆结构强度计算 40

4.1.3.1 连杆大小头孔弯曲梁简化计算模型 40

4.1.3.2 连杆盖以及连杆大头孔当量截面负荷分布 40

4.1.3.3 连杆大头孔以及连杆盖当量截面的切向力及力矩 41

4.1.3.4 连杆螺栓连接处的受力情况 43

4.1.3.5 连杆疲劳强度计算 45

4.1.3.6 连杆有限元模拟计算 46

4.1.4 连杆螺栓连接设计常规计算 47

4.1.4.1 连杆螺栓连接 47

4.1.4.2 连杆螺栓连接计算（按VDI2230规定［C21］） 47

4.1.4.2.1 计算要求 47

4.1.4.2.2 螺栓连接的弹性柔度 49

4.1.4.2.3 连杆螺栓连接的应力曲线图 51

4.1.4.2.4 最小夹紧力、夹紧力损失及预紧力 53

4.1.4.2.5 螺栓尺寸 55

4.1.4.2.6 螺栓疲劳计算 57

4.1.4.2.7 连杆螺栓连接设计小结 58

4.2 活塞 58

4.2.1 活塞计算分析 58

4.2.2 活塞功能及设计要求 59

4.2.3 活塞工作负荷 61

4.2.3.1 负荷及危险区域 61

4.2.3.2 曲柄连杆机构受力分析 63

4.2.3.3 活塞行程、速度及加速度 66

4.2.4 活塞常规计算 70

4.2.4.1 活塞类型及材料选用原则 70

4.2.4.1.1 乘用车汽油发动机用活塞 70

4.2.4.1.2 乘用车柴油发动机用活塞 73

4.2.4.1.3 商用车柴油发动机用活塞 74

4.2.4.1.4 工业用途大缸径柴油机活塞 76

4.2.4.2 活塞销计算 76

4.2.4.2.1 活塞销安装方式 77

4.2.4.2.2 计算简化模型［C42］ 77

4.2.4.2.3 活塞销表面压力 79

4.2.4.2.4 活塞销椭圆变形 80

4.2.4.2.5 活塞销弯曲变形 82

4.2.4.2.6 活塞销材料 82

4.2.4.2.7 活塞销负荷及强化措施 85

4.2.4.3 活塞销座计算 85

4.2.4.3.1 设计爆发压力 85

4.2.4.3.2 设计用标准转速 88

4.2.4.3.3 活塞销卡簧 90

4.2.4.3.4 活塞销等效应力 92

4.2.4.4 活塞质量计算 94

4.2.4.5 活塞型线确定 95

4.2.4.5.1 安装间隙、滑动间隙、椭圆度及表面承压图 95

4.2.4.5.2 活塞裙部柔性、椭圆度、承压面宽及塑性变形 97

4.2.5 活塞二次运动计算 98

4.2.6 活塞强度CAE计算 100

4.2.6.1 活塞FEM计算模型 100

4.2.6.2 活塞热负荷 103

4.2.6.3 活塞应力场及温度场 105

4.2.6.4 活塞有限元计算 107

4.2.6.4.1 活塞表面油膜计算 107

4.2.6.4.2 活塞销变形计算 108

4.2.6.4.3 活塞CAE计算流程 110

4.3 活塞环 111

4.3.1 活塞环计算 111

4.3.2 功能及设计要求 112

4.3.3 活塞环受力分析 114

4.3.4 活塞环弹力 117

4.3.4.1 切向弹力及径向压力 117

4.3.4.2 开口宽度、切向力及活塞环参数kRi 120

4.3.4.3 活塞环的安装应力、套紧应力、弹性模量及塑性变形 122

4.3.4.4 开口间隙 122

4.3.4.5 活塞环扭曲 122

4.3.5 活塞环模拟计算分析 122

4.3.5.1 计算模型 122

4.3.5.2 活塞环运动模拟计算 124

4.3.5.3 密封性能模拟计算 126

4.3.5.4 活塞环工作表面润滑特性模拟计算 129

4.4 曲轴 132

4.4.1 功能及设计要求 132

4.4.2 曲轴工作负荷 133

4.4.2.1 曲轴工作力和力矩 133

4.2.2.2 曲轴工作循环负荷曲线 135

4.4.2.3 曲轴受力的静不定性 135

4.4.2.4 曲柄单拐模型、弯曲及扭转应力 138

4.4.2.5 曲轴受力情况 143

4.4.2.5.1 最大应力区域 143

4.4.2.5.2 弯曲及扭转应力集中系数 144

4.4.3 曲轴结构强度 147

4.4.3.1 船用发动机曲轴设计规范 147

4.4.3.2 危险截面抗弯扭模量及应力集中系数 147

4.4.3.3 曲轴材料疲劳强度与安全系数 147

4.4.3.4 曲轴材料及制造工艺 149

4.4.4 曲轴强度CAE模拟计算 150

4.4.4.1 曲轴概念设计阶段的计算分析 150

4.4.4.2 曲轴的多体动力学复合模型计算分析 151

4.4.4.3 曲轴强度CAE计算分析小结 155

4.5 气缸体 157

4.5.1 气缸体方案设计 158

4.5.1.1 气缸体结构形式 159

4.5.1.1.1 整体式与组合式气缸体方案 160

4.5.1.1.2 开式及闭式气缸体顶面设计 163

4.5.1.1.3 气缸冷却液流方案设计 166

4.5.1.1.4 龙门式与整体式框架结构 169

4.5.1.2 气缸体材料 173

4.5.1.3 气缸孔表面工艺 175

4.5.1.3.1 灰铸铁气缸孔表面珩磨工艺 175

4.5.1.3.2 过共晶铝硅合金气缸孔工艺 177

4.5.1.3.3 镍-碳化硅涂层的气缸孔工艺 177

4.5.1.3.4 铝基复合材料工艺 179

4.5.1.4 气缸体铸造工艺 180

4.5.1.5 气缸体方案对比，乘用车的开发状态 182

4.5.2 气缸体受力情况、功能与结构 183

4.5.3 气缸体轻量化 188

4.5.3.1 轻量化潜力 188

4.5.3.2 灰铸铁与铝合金材料特性比较 189

4.5.4 气缸体CAE计算 191

4.5.4.1 气缸体有限元（FEM）计算分析 191

4.5.4.1.1 温度场分析 194

4.5.4.1.2 变形分析 195

4.5.4.1.3 应力场 196

4.5.4.2 主轴承螺栓连接设计 196

4.5.4.3 气缸盖螺栓连接设计 197

4.5.4.4 气缸孔变形的傅里叶分析 203

4.5.5 气缸套 205

4.5.5.1 湿式气缸套 206

4.5.5.1.1 湿式气缸套结构形式 206

4.5.5.1.2 湿式气缸套受力情况、尺寸与结构设计 209

4.5.5.2 干式气缸套 211

4.5.5.2.1 装配应力 212

4.5.5.2.2 压应力 213

4.5.5.2.3 热应力 215

4.5.5.2.4 爆发压力下的工作应力 217

4.5.6 气缸表面磨损 219

4.6 气缸盖 220

4.6.1 气缸盖功能与结构 220

4.6.2 气缸盖热负荷 224

4.6.2.1 燃气换热过程 227

4.6.2.1.1 传热途径 227

4.6.2.1.2 辐射换热 230

4.6.2.1.3 壁面传导换热 231

4.6.2.2 缸盖中的热应力 232

4.6.2.3 气缸盖的冷却设计 234

4.6.3 气缸盖材料及铸造工艺 236

4.6.4 进气道与排气道、气门夹角、燃烧室形状及气缸盖高度设计 240

4.6.4.1 进气道与排气道 240

4.6.4.1.1 进气道与排气道结构设计 240

4.6.4.1.2 气道气体流动性能试验 245

4.6.4.2 气门夹角、燃烧室形状及气缸盖高度设计 250

4.6.5 气缸盖CAE计算 251

4.7 气缸垫 256

4.7.1 功能及设计要求 256

4.7.2 气缸垫结构 258

4.7.3 气缸垫密封技术 258

4.7.3.1 工作条件 258

4.7.3.2 全金属气缸垫结构设计 259

第5章 配气机构与曲柄连杆机构设计与计算 266

5.1 配气机构 266

5.1.1 换气过程一维模拟分析 271

5.1.2 配气机构换气工作原理 274

5.1.2.1 气门布置 276

5.1.2.2 配气机构结构形式 278

5.1.2.3 液压间隙调节器 281

5.1.2.4 气门 282

5.1.2.5 凸轮 284

5.1.2.5.1 凸轮型线设计 284

5.1.2.5.2 凸轮型线设计程序 288

5.1.2.6 气门弹簧 290

5.1.2.6.1 气门弹簧力设计 290

5.1.2.6.2 气门弹簧计算 291

5.1.2.7 凸轮轴 292

5.1.3 可变气门正时换气工作原理 293

5.1.4 可变气门执行机构结构形式 295

5.1.4.1 分段式调节可变气门执行机构 295

5.1.4.2 连续式调节可变气门执行机构 296

5.1.4.3 连续可变气门正时执行器（叶片式） 297

5.1.5 分段式可变气门升程换气过程 298

5.1.6 连续可变气门升程换气过程 299

5.1.7 气门机构动力学计算 309

5.1.7.1 动力学计算分析 311

5.1.7.2 多体动力学模型 312

5.1.8 涡轮增压发动机的换气技术 312

5.1.8.1 无可变气门机构的换气工作原理 313

5.1.8.2 可变气门机构的换气工作原理 316

5.1.8.3 连续可变进气及可变排气正时的换气工作原理 317

5.1.8.4 全可变气门的换气工作原理 322

5.2 曲柄连杆机构 324

5.2.1 活塞式发动机的质量平衡 324

5.2.1.1 单缸驱动机构的质量平衡 324

5.2.1.1.1 1阶惯性力 324

5.2.1.1.2 单缸发动机曲柄连杆机构中通过平衡重进行平衡的方法 327

5.2.1.2 借助平衡重来平衡多缸驱动装置的质量 333

5.2.1.2.1 直列发动机的1阶惯性力平衡 333

5.2.1.2.2 平衡V2发动机上的自由惯性力 335

5.2.1.2.3 平衡自由惯性力矩 341

5.2.1.2.4 质量转矩 369

5.2.1.3 借助平衡轴来平衡质量 371

5.2.1.3.1 通过平衡轴来平衡惯性力；方法和应用 373

5.2.1.3.2 滚转力矩 375

5.2.1.3.3 通过平衡轴平衡往复惯性力矩；应用示例 380

5.2.2 发动机振动小结 383

第6章 发动机噪声 384

6.1 涉及发动机噪声和路面噪声的法律法规 384

6.2 发动机噪声——部分声源和噪声源 386

6.3 间接产生的发动机噪声——产生、传递和辐射 388

6.4 气缸压力曲线及其所产生的气缸压力频谱 394

6.5 发动机结构声学分析 396

6.5.1 发动机结构振动特性 396

6.5.2 发动机缸体结构对降噪的影响 398

6.5.3 曲轴、轴承、润滑油膜结构噪声传递路径研究 403

6.5.4 发动机结构的空气噪声计算 407

6.5.4.1 计算流程 407

6.5.4.2 辐射声功率的计算 407

6.6 发动机上其他噪声源 410

第7章 总结与展望 411

附录 414

附录A 有限元法（FEM）基础知识 414

附录B 关于矩阵位移法（静力学理论） 416

附录C 用有限元法解微分方程 421

附录D 关于有限差分法（FDM） 426

附录E 关于边界元法（BEM） 426

附录F 关于“模态模型”（模态分析） 427

参考文献 429