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汽油發動機設計開發手冊（簡體書）
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目次
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《汽油發動機設計開發手冊》是汽油機結構設計技術和整機零部件開發方法的有效結合。本書基於現代並行設計開發理念，從發動機整機策劃、佈局開始，闡述了曲柄連杆機構、缸體、缸蓋、配氣機構、進氣系統、排氣系統、冷卻和潤滑系統、燃油電控系統以及附件的設計開發流程，包括基本理論結構概述、系統設計案例(2D 設計和 3D 設計)、設計檢查、CAE 分析以及系統設計試驗驗證等內容，詳細定義了發動機設計基準，以及各個系統接口關鍵的配合尺寸等要求。本書將優化設計方法與豐富的實踐經驗結合起來，一步一步地闡述了汽油發動機設計開發過程中各個階段的細節工作過程和工作內容，明確說明了汽油機設計人員應該做什麼、怎麼做，以及各個階段的工作方法和評判依據，是現代高性能汽油發動機產品開發行之有效的工作指導手冊。
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發動機設計開發規範、標準和經驗
目次
前 言
第 1 章 發動機整機設計 …………………………………………………………… 1
1.1 發動機概念設計階段 ………………………………………………………………… 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………………………………………………………………………………… 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 發動機佈局設計階段 ……………………………………………………………… 10
1.2.1 類型及佈置方案……………………………………………………………………………… 10
1.2.2 佈局設計……………………………………………………………………………………… 13
1.2.3 佈局 CAE 模擬分析 ………………………………………………………………………… 14
1.3 發動機詳細設計階段 ……………………………………………………………… 18
1.4 發動機部件並行設計 ……………………………………………………………… 23
1.4.1 概述…………………………………………………………………………………………… 23
1.4.2 發動機總體設計條件的確定………………………………………………………………… 23
1.4.3 發動機分系統設計…………………………………………………………………………… 30
1.4.4 整機裝配檢查………………………………………………………………………………… 52
1.5 發動機產品設計基準 ……………………………………………………………… 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 發動機及系統設計關鍵尺寸 ……………………………………………………… 60
1.6.1 運動件系統接口尺寸校核…………………………………………………………………… 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 氣缸體系統接口尺寸校核…………………………………………………………………… 67
1.7 整機設計中的 CAE 分析…………………………………………………………… 69
1.7.1 發動機整車匹配計算模擬分析……………………………………………………………… 69
1.7.2 模擬計算……………………………………………………………………………………… 69
1.7.3 發動機熱力學計算模擬分析………………………………………………………………… 74
第 2 章 曲柄連杆機構設計 ……………………………………………………… 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 連杆設計 …………………………………………………………………………… 97
2.2.1 概述…………………………………………………………………………………………… 97
2.2.2 連杆的分類…………………………………………………………………………………… 98
2.2.3 連杆的設計原則……………………………………………………………………………… 99
2.2.4 連杆的加工工藝…………………………………………………………………………… 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 曲柄連杆機構的設計計算 ………………………………………………………… 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 曲柄連杆機構設計案例 …………………………………………………………… 150
2.7.1 活塞連杆總成 3D 佈局設計 ……………………………………………………………… 150
2.7.2 曲軸飛輪總成 3D 佈局設計 ……………………………………………………………… 154
2.7.3 平衡系統 3D 佈局設計 …………………………………………………………………… 156
2.7.4 運動系統 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 157
2.8 運動系統設計檢查 ………………………………………………………………… 165
2.9 曲柄連杆機構 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 連杆強度疲勞計算分析…………………………………………………………………… 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 曲柄連杆機構驗證試驗…………………………………………………………… 172
2.10.1 曲軸疲勞試驗 …………………………………………………………………………… 172
2.10.2 連杆疲勞試驗 …………………………………………………………………………… 174
第 3 章 缸體系統設計…………………………………………………………… 176
3.1 概述 ………………………………………………………………………………… 176
3.2 缸體設計原則 ……………………………………………………………………… 177
3.2.1 佈置情況…………………………………………………………………………………… 178
3.2.2 結構強度…………………………………………………………………………………… 178
3.2.3 通風要求…………………………………………………………………………………… 178
3.3 缸體系統設計步驟 ………………………………………………………………… 179
3.3.1 結構參數的確定…………………………………………………………………………… 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 缸體系統設計案例 ………………………………………………………………… 186
3.4.1 缸體系統 3D 設計………………………………………………………………………… 186
3.4.2 缸體系統 2D 設計 ………………………………………………………………………… 194
3.5 缸體系統設計檢查 ………………………………………………………………… 204
3.6 缸體系統 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 缸蓋系統先進技術 ………………………………………………………………… 218
4.4 缸蓋系統設計案例 ………………………………………………………………… 224
4.4.1 缸蓋系統 3D 佈局設計 …………………………………………………………………… 224
4.4.2 缸蓋系統 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 235
4.5 缸蓋系統設計檢查 ………………………………………………………………… 244
4.6 缸蓋系統 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 缸蓋系統設計驗證 ………………………………………………………………… 258
4.7.1 缸蓋氣道芯盒製造………………………………………………………………………… 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………………
第 1 章 發動機整機設計 …………………………………………………………… 1
1.1 發動機概念設計階段 ………………………………………………………………… 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………………………………………………………………………………… 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 發動機佈局設計階段 ……………………………………………………………… 10
1.2.1 類型及佈置方案……………………………………………………………………………… 10
1.2.2 佈局設計……………………………………………………………………………………… 13
1.2.3 佈局 CAE 模擬分析 ………………………………………………………………………… 14
1.3 發動機詳細設計階段 ……………………………………………………………… 18
1.4 發動機部件並行設計 ……………………………………………………………… 23
1.4.1 概述…………………………………………………………………………………………… 23
1.4.2 發動機總體設計條件的確定………………………………………………………………… 23
1.4.3 發動機分系統設計…………………………………………………………………………… 30
1.4.4 整機裝配檢查………………………………………………………………………………… 52
1.5 發動機產品設計基準 ……………………………………………………………… 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 發動機及系統設計關鍵尺寸 ……………………………………………………… 60
1.6.1 運動件系統接口尺寸校核…………………………………………………………………… 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 氣缸體系統接口尺寸校核…………………………………………………………………… 67
1.7 整機設計中的 CAE 分析…………………………………………………………… 69
1.7.1 發動機整車匹配計算模擬分析……………………………………………………………… 69
1.7.2 模擬計算……………………………………………………………………………………… 69
1.7.3 發動機熱力學計算模擬分析………………………………………………………………… 74
第 2 章 曲柄連杆機構設計 ……………………………………………………… 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 連杆設計 …………………………………………………………………………… 97
2.2.1 概述…………………………………………………………………………………………… 97
2.2.2 連杆的分類…………………………………………………………………………………… 98
2.2.3 連杆的設計原則……………………………………………………………………………… 99
2.2.4 連杆的加工工藝…………………………………………………………………………… 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 曲柄連杆機構的設計計算 ………………………………………………………… 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 曲柄連杆機構設計案例 …………………………………………………………… 150
2.7.1 活塞連杆總成 3D 佈局設計 ……………………………………………………………… 150
2.7.2 曲軸飛輪總成 3D 佈局設計 ……………………………………………………………… 154
2.7.3 平衡系統 3D 佈局設計 …………………………………………………………………… 156
2.7.4 運動系統 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 157
2.8 運動系統設計檢查 ………………………………………………………………… 165
2.9 曲柄連杆機構 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 連杆強度疲勞計算分析…………………………………………………………………… 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 曲柄連杆機構驗證試驗…………………………………………………………… 172
2.10.1 曲軸疲勞試驗 …………………………………………………………………………… 172
2.10.2 連杆疲勞試驗 …………………………………………………………………………… 174
第 3 章 缸體系統設計…………………………………………………………… 176
3.1 概述 ………………………………………………………………………………… 176
3.2 缸體設計原則 ……………………………………………………………………… 177
3.2.1 佈置情況…………………………………………………………………………………… 178
3.2.2 結構強度…………………………………………………………………………………… 178
3.2.3 通風要求…………………………………………………………………………………… 178
3.3 缸體系統設計步驟 ………………………………………………………………… 179
3.3.1 結構參數的確定…………………………………………………………………………… 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 缸體系統設計案例 ………………………………………………………………… 186
3.4.1 缸體系統 3D 設計………………………………………………………………………… 186
3.4.2 缸體系統 2D 設計 ………………………………………………………………………… 194
3.5 缸體系統設計檢查 ………………………………………………………………… 204
3.6 缸體系統 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 缸蓋系統先進技術 ………………………………………………………………… 218
4.4 缸蓋系統設計案例 ………………………………………………………………… 224
4.4.1 缸蓋系統 3D 佈局設計 …………………………………………………………………… 224
4.4.2 缸蓋系統 2D 詳細設計 …………………………………………………………………… 235
4.5 缸蓋系統設計檢查 ………………………………………………………………… 244
4.6 缸蓋系統 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 缸蓋系統設計驗證 ………………………………………………………………… 258
4.7.1 缸蓋氣道芯盒製造………………………………………………………………………… 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………………
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