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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kRi120

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