第五章：配气机构设计
5-1配气机构中平底挺柱的几何运动速度与凸轮接触点偏心距的关系如何？设计平底挺柱时，挺柱底面半径要满足什么要求？
答：数值相等。平底挺柱的底面半径要大于最大偏心距，也就是在数值上要大于挺柱的最大几何速度。
5-2气门通过时间断面是如何求出的？
答：
Af??Adtt1t2，其中
5-3配气凸轮除工作段外，都要有缓冲段，为什么？
答：1）由于气门间隙的存在，使得气门实际开启时刻迟于挺柱动作时刻
2）由于弹簧预紧力的存在，使得机构在一开始要产生压缩弹性变形，等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧力之后，气门才能开始运动
3）由于缸内气压力的存在，尤其是排气门，气缸压力的作用与气门弹簧预紧力的作用相同，都是阻止气门开启，使气门迟开。
上述原因的综合作用使得气门的实际开启时刻迟于理论开启时刻，若没有缓冲段，气门的初速度短时间内由零变得很大，有很强的冲击作用。同样，当气门落座时末速度很大，会对气门座产生强烈冲击，气门机构的磨损和噪声加剧。为了补偿气门间隙以及预紧力和气缸压力造成的弹性变形，要在实际工作段前后增设缓冲段，保证气门开启和落座时处于很小的速度。 5-4凸轮缓冲段由等加速—等速两段组成，已知缓冲段高度H0、速度v0、缓冲段包角 ，等加速度包角 ，请写出缓冲段各段的方程式。
2h?c?tc答：等加速段：，0??c??01
2h??(???)?c?t0c0101等速段： ，
5-5写出高次多项式凸轮型线的表达式。
答：
5-7如何确定气门的最大升程，为什么？
答：气门最大升程Hmax与气门直径d的关系应为Hmax/d=0.25。考虑到惯性载荷和活塞上止点时可能与气门发生干涉的问题，一般进气门的H/dvi=0.26~0.28。为保证有足够的流通面积和减少活塞推出功，一般排气门H/dve=0.3~0.35
5-8写出凸轮型线丰满系数表达式，并陈述其含义？
答：
?Fm(Hmax?H0)? ，式中，ht为挺柱或气门的位移；?为凸轮工作半包角；Hmax为挺柱或气门的最大位移或者升程；H0是缓冲段的高度；?c为挺柱位移对应的凸轮
???0(ht?H0)d?c转角。
凸轮型线丰满系数是一个相对量，表示的是位移曲线下的面积与最大升程和工作半包角组成的矩形面积之比。在设计凸轮型线时，经常用来评判型线设计的好坏。 5-9通常的气门锥角是多少？增压发动机的气门锥角有何变化？为什么？
答：一般发动机的气门锥角??45。而对于增压柴油机，气门锥角??30，这是因为增压发动机缸内压力高，气门盘受力变形大与气门座的相对滑移量大，而且不同于非增压发动机，完全排除了从气门导管获得机油的可能，因此，气门与气门座磨损的问题更加突出。增压发动机采用较小的气门锥角，就是为了减少与气门座的相对滑移量，减轻磨损。
??5-10如何利用配气相位图计算出进、排气凸轮的工作段包角及半包角、同缸异名凸轮相对夹角、同名异缸凸轮相对夹角以及确定凸轮轴与曲轴的相对位置。
10987654压缩上止点 膨胀下止点 排气桃尖 上止点 进气桃尖 进气下止点 321004080120160200240280320360400440480520560600640680720υ Ψ
—υe1—- υi1 υe2 —υi2——180???e1??e2?排?2答：排气凸轮工作段包角为
180???e1??e2?排半包?4排气凸轮工作段包角为 180???i1??i2?进?2进气凸轮工作段包角为 180???i1??i2?进半包?4进气凸轮工作段包角为
同缸异名凸轮相对夹角为
180???e1??e2180???i1??i21??T??[360??e1??i2?()?()]2222A?TG?1??A(?为相应气缸点火间隔角异缸同名凸轮相对夹角为 ?290, 其中 e1??e2??i2??i1)4当活塞位于压缩上止点时，排气凸轮相对于挺柱轴线的夹角为?T
?180???e1??e2?1??T??(180???e1)222
5-11凸轮设计完成后，如何验算气门与活塞是否相碰？
答：⑴ 缸垫按压紧后的厚度计算，除主轴承及活塞销孔以外，曲柄连杆机构的间隙均偏向
一侧，使活塞处于最高处。确定活塞在上止点的最高位置。 2) 画出活塞位移曲线；
3) 根据键槽，齿形及它们与曲拐所在平面、凸轮轴位置间的制造公差，进行正时齿轮
传动机构的尺寸链计算，确定进、排气门的实际开闭时刻并按照同一比例画出进排气门 升程曲线，气门升程对应的角度要换算成曲轴转角； 4) 观察气门升程曲线与活塞位移曲线是否相交；如果相交，则需要在活塞上开避让坑， 或者改变配气相位。
第六章：曲轴飞轮组设计
6-1提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施分别有哪些？为什么？
答：结构措施：1）加大曲轴轴颈的重叠度A(A增大，曲轴抗弯和抗扭刚度增加)
2）加大轴颈附近的过渡圆角（可减小应力集中效应，提高抗弯疲劳强度）
采用空心曲轴（可提高曲轴抗弯强度，同时课减轻曲轴重量和曲轴离心力） 3）
4）沉割圆角（可在增加圆角半径的同时保证轴颈的有效承载长度）
5）开卸载槽（在相同载荷条件下，可使曲柄销圆角的最大压力值有所降低）
工艺措施：1）圆角滚压强化（表面产生剩余压应力，抵消部分工作拉伸应力，提高曲
轴的疲劳强度，还可降低圆角的表面粗糙度值，消除表面缺陷）
2）圆角淬火强化（用热处理的方法是金属发生组织相变，发生体积膨胀而
产生残余压应力，提高疲劳强度，还能提高硬度和表面的耐磨性）
3）喷丸强化处理（属于冷作硬化变形，在金属表面留下压应力，是表面硬
度提高，从而提高疲劳强度）
4）氮化处理（利用辉光离子氮化或气体软氮化方法，使氮气渗入曲轴表面，
由于氮的扩散作用，使金属体积增大，产生挤压应力，提高疲劳强度）
6-2曲轴的连杆轴颈不变，增大主轴颈直径D1，有何优点？缺点是什么？
答：D2不变，D1增大
优点: 1. 可提高曲轴刚度，增加曲柄刚度而不增加离心力
2. 可增加扭转刚度，固有频率We增加，转动惯量I增加不多 缺点：主轴承圆周速度增加，摩擦损失增加，油温升高。
6-3为什么说连杆轴颈负荷大于主轴颈负荷？实际中主轴颈直径D1和连杆轴颈直径D2哪一个尺寸大？
答：对于每个曲拐而言，连杆轴颈是一个，主轴颈有两个。连杆轴颈承受着由连杆传来全部载荷，而每个主轴颈则只承担一半载荷，所以主轴颈载荷小于连杆轴颈载荷。
实际设计中主轴颈D1大于连杆轴颈D2，D1/D2≈1.05～1.25，因为增加主轴颈可以增加曲轴的重叠度，提高曲轴的抗弯刚度和抗疲劳强度，同时不增加曲轴的离心载荷。
6-4多拐曲轴强度最薄弱的环节是曲柄，曲柄的主要结构参数有哪两个？他们各自的变化对其强度有何影响？
答：曲柄的主要参数是厚度（h）和宽度（b） 曲柄界面的抗弯截面系数Wσ=bh2/6,
由此可知，h提高10%，Wσ理论上升20%，实际上升40%，因为h的增大，则磨圆处应力集中现象减轻，使应力分布趋于均匀；b上升10%，Wσ理论上升10%，实际上升5%，由于b上升，应力分布不均匀更加严重。 6-5曲轴的工作条件是什么？设计时有什么要求？
答：工作条件：1）受周期变化的力、力矩共同作用，曲轴既受弯曲又受扭转，承受交变疲
劳载荷，重点是弯曲载荷；
2）由于曲轴形状复杂，应力集中严重，特别是在曲柄与轴颈过度的圆角部
分；
3）曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重。 设计要求：1）有足够的耐疲劳强度
2）有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨； 3）尽量减少应力集中；
4）刚度要好，变形小，否则使其他零件的工作条件恶化。
一般在制造工艺稳定的条件下，钢制曲轴的安全系数n≥1.5，对于高强度球墨铸铁曲 轴，由于材料质量不均匀，而且疲劳强度的 分散度比较大，应取n≥1.8。
第七章：连杆组设计
7-1连杆的拉伸载荷是由什么造成的？计算连杆不同截面的拉伸应力时，如何考虑？ 答：连杆的拉伸载荷主要是由于往复惯性力所造成的；
在计算不同截面的拉伸应力可用下式： F′j =(m′+m′1)(1+λ)rω2
其中，m′、m′1分别为活塞组和计算断面以上那部分往复运动的连杆质量。 7-2计算连杆的最大拉伸应力选取什么工况？ 答：标定转速工况（最大转速）
7-3计算连杆的压缩载荷时选取什么工况？
答：最大转矩工况和全负荷情况下的标定转速工况，而且要兼顾连杆侧弯的情况是否发生。
7-4影响连杆小头应力分布的主要结构参数是什么？ 答：固定角Φ
受拉伸载荷时，Φ增大，应力不均匀增加，σmax增大；受压缩载荷时，Φ增大，应力不均匀性及最大值急剧增长，而且比拉伸载荷的情况更加严重。
第八章：活塞组设计
8-1活塞的工作条件是什么，请分项论述。然后论述对活塞的设计要求。
答：1）高温—导致热负荷大 :活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，
燃气的最高温度可达2000～2500℃，因而活塞顶的温度也很高。温度分布不均匀，有很大的热应力；
2）高压—冲击性的高机械负荷：高压包括两方面①活塞组在工作中受周期性变化的气
压力直接作用，气压力Pz(MPa )一般在膨胀冲程开始的上止点后10°～20°达到最大。②活塞组在气缸里作高速往复运动，产生很大的往复惯性力Fjmax
3）高速滑动：内燃机在工作中所产生的侧向力是较大的，特别是在短连杆内燃机中； 4）交变的侧压力：活塞上下行程时活塞要改变压力面，侧向力方向不断变化，造成了
活塞在工作时承受交变的侧向载荷。 设计要求:
1）选用热强度好，散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好减磨性和工艺性的材料 2）形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度和刚度符合要求，尽量避免应力集中，与
缸套有最佳的配合间隙
3）密封性好，摩擦损失小 4）重量轻。
8-2活塞环的工作应力与套装应力之间是什么关系？请用公式说明。实际上应如何考虑？ 答：σmax + σ′max = 3.4Et2 / (D - t)2 = 常量
一般选择σ′max = （1.2 ～ 1.5）σmax ，因为套装时间很短。
8-3高转速发动机与低转速发动机对活塞初始弹力P0的要求有什么不同？为什么？缸径对P0的要求如何，为什么？
答：当转速n提高时，应提高p0。因为活塞速度高，由于节流作用，活塞环背压下降。当活塞直径增加时，活塞环的工作应力增加，应当适当减少初弹力p0，方能减少活塞环的工作应力。
8-5高速内燃机对活塞材料的要求是什么？ 答：要求（1）热强度好，散热性好；（2）重量轻，惯性小；（3）膨胀系数小；（4）密度小 （5）热导率大 （6）有良好减摩性和工艺性
8-6活塞销通常采用什么材料？为什么？如何保证活塞销表面耐磨？
答：活塞销通常用低碳钢和合金钢制造。在负荷不高的发动机中常用15.、20、15Cr、20Cr、和20Mn2钢；在强化发动机上，采用高级合金钢，如12CrNi3A/18CrMnTi2及20SiMnVB等，有时也可用45中碳钢。
之所以选择这样的材料是因为根据活塞的工作条件和设计要求，活塞销应具有足够高的机械强度和耐磨性、同时还要有较高的疲劳强度，活塞销的摩擦表面应具有高硬度。内部应富有韧性和较高的强度，但是硬的表层和内部必须紧密结合，保证活塞销在冲击载荷的作用下没有金属剥落和金属层之间的分离现象。
为保证活塞销表面硬并且耐磨，对其表面进行热处理。对于低碳钢材料的活塞销表面要进行渗碳和淬火。对于45钢的活塞销则是进行表面淬火，注意淬火时不能将活塞销淬透，否则活塞销变脆。
8-7减轻活塞热负荷的设计措施有哪些？
答：1）尽量减小顶部受热面积；强化顶面，采用不同的材料或将表面进行处理。
2）保证热流畅通。
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