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

p0，方能减少活塞环的工

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

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。

3）采用适当的火力岸高度。 4）顶部内侧喷油冷却。 5）顶部设油腔冷却。

8-8活塞销座的工作条件如何？解决活塞销和活塞销座变形不协调的措施有哪些？ 答：工作条件：活塞销座承受周期变化的气体作用力和活塞销座以上部分的往复惯性力的作

用，这些力都是带有冲击性的；从运动情况看，活塞销在活塞销座中由于连杆小头的制约，其转动角度很小，在这样小的转动角度下，很难在销与销孔之间形成一层良好的油膜，所以润滑条件较差。

采取措施：1） 在活塞销座与顶部连接处设置加强肋，增加活塞销座的刚度。

2） 将销孔内缘加工成圆角或者倒棱，或将活塞销座内侧上部加工出一个弹性凹槽，

可以减轻活塞销座的棱缘负荷；

3) 将销孔中心相对活塞销座外圆向下偏心3 – 4 mm，将活塞销座的厚度上面比下面

大些，以加强活塞销座承压强度；

4）将活塞销座间距缩小，以减小活塞销的弯曲；

5）铸铝活塞的销孔中压入锻铝合金的衬套，可提高抗裂纹能力。

8-9活塞群部在工作时销轴方向变形大，请问原因是什么？一般采用什么措施来进行限制？ 答：1) 活塞受到侧向力FN 作用，承受侧向力作用的裙部表面，就有被压扁的倾向，使它在

活塞销方向上的尺寸增大；

2）由于加在活塞顶上的爆发压力和惯性力的联合作用，使活塞顶在活塞销的跨度内发生弯曲，使整个活塞在活塞销座方向上的尺寸变大；

3）由于温度升高引起热膨胀，其中活塞销座部分因壁厚比其他地方要厚，刚度大，所以发生热膨胀时的变形比较严重。防止裙部变形的主要方法有：选择膨胀系数小的材料，进行反椭圆设计，采用绝热槽，销座采用恒范钢片，裙部加钢筒等方法来达到。

第九章：内燃机滑动轴承设计

9-1内燃机滑动轴承的过盈量有几种表示方法？各是什么？ 答：轴承的过盈量主要通过3种表示方法：

1) 自由弹势?s

轴瓦在自由状态下的开口直径为d1+?s，一般为?s=（0.25~2.5）mm。 2) 半圆周过盈量h (mm)

?d0?min2?

2ddd? 式中，0为轴瓦内孔直径（mm），0=1-t;?为应力系数（N/mm）; min为最小

hmin?预加压缩应力（N/mm）。

3) 余面高度 u (mm) 在试验压力

2F0(N)作用下，试验压缩量v(mm)为

?6F0v?6?10d0*tB

?d0F0?6?min6?10d0*uhtB 则min= min ? v= 2? ?

**t?t0）+?t0,t0为减摩层厚度，?为减摩层折算系

式中，t为当量壁厚(mm)，t=（

数；B为宽度(mm)。

9-2对内燃机滑动轴承减摩层都要求有哪些性能？ 答：主要有三方面要求：

1) 抗咬粘性。油膜遭破坏时，轴承材料不擦伤和咬死轴颈，即亲油性好。

2) 顺应性。轴承副有几何形状偏差和变形时具有克服边缘负荷从而使负荷均匀的能力。 3) 嵌藏性。具有以微量塑性变形吸收混在机油中的外来异物颗粒(金属磨屑，灰尘等)的能

力。

9-3计算轴心轨迹有什么用处？ 答：计算轴心轨迹的意义：

1) 可作为判断轴承实现液体润滑情况的重要依据。由轨迹曲线可以找出一个工作循环

中最小油膜厚度值（hmin）及其延续时间（下图A区）。hmin应小于由发动机结构

刚度、工艺水平等确定的许用值，这一区域的时间不宜过长。

2) 帮助分析轴承损坏原因，改进设计。下图中C区表示轴心因高速向心运动使油楔

中出现局部真空，形成气泡；待到轴心高速离心运动时气泡破裂，突然放出很高的爆破压力击坏合金表面，形成穴蚀。D区出现多次高速离心运动，油膜压力峰值剧增，可达轴承平均比压的10倍以上，造成合金疲劳剥落。 3) 合理布置油孔、油槽的位置，使供油舒畅。 4) 实现轴承润滑的最佳设计。可以改变直接影响轴承工作能力的因素，如轴承的间隙、

机油粘度、轴承宽径比等，保证轴承处于液体润滑下工作。

9-4滑动轴承上一般要开设油槽，请问曲轴主轴颈的油槽开在哪里？连杆轴颈的油槽开在哪里？试从油膜承载能力的角度分析。

答：试验证明，在其他条件不变的情况下，油膜压力与轴承宽度的三次方成正比，这里可以简单的用B来代表轴承的承载能力。所以当轴承面积相同时，开油槽轴承的承载能力为

3

2(B/2)3?B3/4,仅为无油槽轴承的1/4。

所以，主轴承要在上轴瓦开槽，连杆轴承应在下轴瓦开槽，以避免轴承的承载能力下降。

第十章：机体与气缸盖的设计

10-1机体的设计原则是什么？具体有哪些？

答：机体的总设计原则是：在尽可能轻巧的前提下，尽量提高刚度(降低变形、振动噪声)。

提高刚度的途径主要有以下几个方面； 1) 将汽缸体与上曲轴箱铸造成一个整体，形成一个刚度很好的空间梁板组成结构，除非是比较大型的内燃机才采用汽缸体与曲轴箱分开的结构。 2) 汽缸之间加隔板，以提高机体横向刚度。 3) 降低上下曲轴箱的剖分面。 4) 采用全支撑曲轴。

5) 剖分面处采用梯形框架。

6) 采用下主轴承盖与下曲轴箱一体的整体式，缸盖螺栓最好与主轴承盖布置在同一平面内。

7) 机体表面布置加强肋。

10-2汽缸盖设计考虑的重点是什么？ 答：缸盖设计主要考虑的是；

1) 有足够的刚度和强度，工作变形小，保证密封。

2) 合理布置燃烧室、气门、气道，保证发动机的工作性能。 3) 工艺性良好，温度场尽量均匀，减少热应力，避免热裂现象。

10-3设计气缸盖时，应该先考虑哪些部件的布置？水套的设计原则是什么？

答：气缸盖的内部形状和结构十分复杂，设计时主要优先考虑内部气道、燃烧室（另有预燃室、涡流室）、喷油器或火花塞、气门等功能部件的布置，然后在保证壁厚均匀、受力均匀、刚度足够的条件下考虑内部冷却水套的布置。

水套的厚度应尽量各处均匀，不宜太厚，否则流速过低，造成与气缸的热交换能力下降，一般情况下，水套各截面的水流速尽量不要低于0.5m/s。一般车用发动机的水套厚度应在4~10mm之间。具体厚度要根据水套流场的仿真分析结果确定。机体水套的长度，应能够保证当活塞在下止点时活塞环能得到很好的冷却。 10-4气缸套产生穴蚀的原因是什么？如何避免？ 答：穴蚀形成的原因；

1) 内因 缸套本身存在微观小孔、裂纹和沟槽等局部缺陷。 2) 外因 缸套振动，引起局部缺陷内气泡爆炸，产生瞬时高温高压，使水腔壁承

受很高的冲击和挤压应力，逐步剥离金属层，形成针孔和裂纹。

减轻穴蚀的措施； (1) 减小缸套的振动

1) 减小活塞配合间隙 2) 减小活塞换向敲击力 3) 提高缸套刚度（含支撑）。 (2) 抑制气泡的形成

(3) 提高缸套本身的抗穴蚀能力

1) 合理的选择材料：机械强度、表面硬度要好。 2) 金相组织要合理。 3) 合理选择热处理工艺，不改变金相组织。 4) 适当的表面处理：表面镀铬、镉；表面涂层（环氧树脂）。 5) 冷却水中加添加剂，提高耐穴蚀能力。 10-5增加气缸套耐磨性的措施有哪些？ 答：提高气缸套耐磨的措施：

1) 提高缸套表明加工精度，降低表面粗糙度值。

2) 合理选用材料。经常低温启动，并经常低负荷、中低转速运转的车用内燃机，其缸套以腐蚀性磨损为主，采用奥氏体铸铁较好。如果考虑成本，节省贵重材料，可以缸套上部采用奥氏体材料。对于经常高负荷工作及经常在灰尘较多地区工作的内燃机，汽缸套以磨料磨损为主，宜采用高磷铸铁、加硼铸铁。对于车用强化柴油机，汽缸套以溶着磨损为主，可采用薄缸套（干缸套），内表面镀铬或氮化。

3) 进行合理的表面处理。主要有镀铬、高频感应加热淬火、磷化处理、软氮化处理等。目的是提高表面硬度和表明的耐蚀性。

4) 充分重视空气和机油的滤清，以减少磨料磨损。

2等）在缸壁上的凝结而造成的腐蚀性磨损。5) 避免频繁的冷启动，以减少酸性物质（

6) 活塞间隙要适当。缸套在安装和运转过程中要避免变形，以减少变形带来的不均匀磨损。

SO第十一章：内燃机的润滑和冷却系统

11-1润滑系统的设计要求是什么？为什么？

答：润滑系统的主要任务是供应一定数量的机油至摩擦表面，减小零部件之间的摩擦和磨损

并起冷却和清洁磨粒的作用，此外，润滑系在减少机械损失、提高机械效率、延长内燃机使用寿命方面也起着重要作用。润滑不良的内燃机不断工作的工程中，会被从空气中吸入的尘土以及内燃机本身的燃烧产物和磨损产物所污染，并在高温影响下逐步变质。因此，润滑系统中必须用专门的机油滤清器不断的对机油进行滤清，在必要时采用强冷装置使机油温度不超过允许的数值。现代内燃机的转速和功率不断提高，热负荷也越来越高，所以一个良好的润滑系统，应满足下列各项要求： 1) 保证以一定的油压、一定的油量供应摩擦表面。 2) 能够自动滤清机油，保持机油的清洁。 3) 能够自动冷却机油，保持油温。 4) 消耗功率小，机油损失量小。

5) 无赌油、漏油现象，工作可靠；维护、维修方便。

11-2冷却水泵的泵水量如何确定？

答：冷却水泵的泵水量通过下面三个式子来确定：

?WAgePeHu??wqq3600 VP= ?V, VW= ?tw?wcw，

3q 式中，VW（m/s）是冷却水循环量，?tw为冷却水在内燃机种循环时的容许温升(?)，

?tw=0~12?c；?w为水的密度(kg/m3)；cw为水的比定压热容[kJ/(kg.?c)]，

cw=4.187[kJ/(kg.?c)，?V为水泵的容积效率，主要考虑泄露情况，一般取0.6~0.85，

qVW?w为冷却系统散走的热量，A为比例系数，指传给冷却系统的热量占燃料热能的百分

P比；Hu为燃料低热值（KJ/kg）; ge为燃油消耗率[g/(kW?h)]; e为有效功率(Kw).

汽油机?0.23~0.3

A?? 柴油机?0.18~0.25 11-3根据什么确定润滑系统中润滑油的流量？

?答：润滑油流量一般由被机油带走的热流量c（kJ/h）计算。

?C

qVC=?C?t，

式中，?为机油密度，一般取?=0.85kg/L；c为机油比热容，一般c=1.7~2.1kJ/(kg.?c);?t为机油出口的温差，一般取8~15?c。

3600Pe???P?而c=（15%~20%）f，f为每小时加入内燃机的热量（KJ/h）。f=?e，e为

有效功率，有效效率柴油机为0.4，汽油机为0.33，所以范围和润滑油参数范围，可得

?c?（160~280）Pe，根据?cqVC的经验计算公式如下： qP不用机油冷却活塞时：VC=（0.12~0.28）e qP用机油冷却活塞时：VC=（0.42~0.57）e。

11-4为了保证润滑油工作性能，一般要求润滑油的每分钟循环次数不小于多少？ 答：一般希望润滑油的循环次数

ny?3次/min.

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