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1、热力机械设计(Thermal Mechanical Design)课程代码：02410114学分：2学时：32 （其中：课堂教学学时：28,实验学时：4,上机学时：0,课程实践学时:0 ）先修课程：流体力学工程热力学传热学内燃机原理适用专业：能源与动力工程专业教材：内燃机设计，袁兆成主编，机械工业出版社，2012年3月第2版一、课程性质与课程目标（-）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）热力机械设计是能源与动力工程专业教学计划中的专业选修课，它是建立在流体力学、工 程热力学和传热学课程基础上的理论应用课程。该课题的开设有利于学生加深对热力机械工作原理 和结构的理解，有利于提高热力机械研发
2、能力。（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。应包括知识目标和能力 目标。）课程目标1:通过课堂教学、实验室试验和课程设计等环节，了解热力机械设计的基本理论 和设计思想课程目标2：掌握内燃机动力学、主要零部件的结构和计算方法以及辅助系统的配套与选择, 并基本上了解优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等现代设计方法在内燃机设计中的应用。课程目标3：掌握三角转子发动机和斯特林发动机的工作原理和设计方法。（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系（认证专业专业必修课程填写）本课程支撑专业培养计划中毕业要求指标点m-n1 .毕业要求1-1:2 .毕业要求2、三角转子发动机，卢法
3、等编著，国防工业出版社，1990年6月。3 .斯特林发动机技术，金东寒著，哈尔滨工程大学出版社，2009年9月七 大纲说明每次课后布置一些思考题供学生理解教学内容。课程目标毕业要求指标课程目标1课程目标2毕业要求1-1注：课程目标与毕业要求指标点对接的单元格中可输入“，也可标注“H、M、L-o二、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章、热力机械设计总论（一）课程内容（1）热力机械主要设计指标和设计要求。（2）主要参数的选择。（3）热力机械设计中的基本问题。（4）设计技术的新发展：有限元法应用；优化设计；电子计算机的辅助设计；有限寿命设计； 可靠性设计。（二）教学要求了解热力机械设计的基本程序、内
4、燃机选型的主要依据、主要设计参数选取及对整机性能的影 响趋势。了解热力机械现代设计方法的发展现状和发展趋势。（三）重点与难点.重点内燃机设计的一般流程。1 .难点内燃机主要参数的选择。第二章、曲柄连杆机构受力分析（一）课程内容（1）曲柄连杆机构运动学。（2）曲柄连杆机构中的作用力。A、机构的惯性力：往复惯性力和旋转惯性力。B、机构运动件的质量：活塞的质量，曲柄质量的换算，连杆组质量换算及近似处理，曲柄连杆机构的当量质量系统。C、发动机的扭矩：单缸扭矩、连杆轴颈扭矩、积累扭矩和多缸扭矩；输出扭矩及其均匀性。D、曲轴轴颈及轴承上的负荷。（二）教学要求了解往复式内燃机的分类和特性参数，理解活塞运动学
5、表达式的导出和简化依据，掌握活塞运 动学、活塞往复惯性力的性质，输出扭矩和翻倒力矩的关系、多缸扭矩的求法，动力学计算的基本 方法和内容。（三）重点与难点.重点中心曲柄连杆机构的动力学.难点内燃机动力计算与机构受力分析，用电子计算机编程进行内燃机动力计算。第三章、内燃机的平衡（一）课程内容（1）平衡的基本概念。（2）旋转惯性力平衡分析。A、静平衡和动平衡的概念。B、旋转惯性力平衡性的分析方法。C、曲轴平衡块的布置：外平衡和内平衡；平衡快对外平衡和内平衡以及主轴承负荷的影 响。（3）单列式内燃机往复惯性力平衡分析。（4）双列式内燃机往复惯性力平衡分析。（二）教学要求了解内燃机平衡的概念及平衡分析的
6、意义，理解不平衡力及力矩对内燃机工作和可靠性的危害, 产生不平衡的原因，掌握单缸机和直列多缸机的平衡分析方法，并学会用多种平衡措施解决不平衡 现象，如整体平衡法、分散平衡法、过量平衡法、平衡轴法等，要求能够准确分析，定量给出平衡 方案参数。（三）重点与难点.重点往复惯性力的平衡分析和平衡重的布置。1 .难点分析不同缸数，不同气缸排列和不同曲柄布置的内燃机的平衡性。第四章、曲轴系统的扭转振动(-)课程内容(1)扭转振动的基本概念。(2)内燃机曲轴扭振系统的计算模型。(3)扭振系统固有频率和固有振型。(4)强迫扭转振动与共振。(5)曲轴振动系统的激发力矩和共振。(6)扭转振动的测量。(二)教学要求
7、了解产生曲轴扭转共振的内部条件和外部条件以及临界转速的概念，理解曲轴扭转振动系统的 基本物理意义、扭转振动微分方程建立方法和求解方法、减震器减震原理、扭振测量原理，掌握单 自由度扭振基本概念、三自由度系统自有扭转振动分析过程、激发力矩简谐分析与共振的概念、多 缸机激发力矩谐量相位图、主临界转速和次主临街转速的确定。(三)重点与难点.重点自振频率和振型的分析，单缸扭矩简谐分析、各缸相同谐量相位差计算、主谐量和临界转 速的确定。2 .难点自振频率和振型的分析，主谐量和临界转速的确定。第五章、活塞组设计(-)课程内容(1)活塞的机械负荷和热负荷，对活塞的设计要求；活塞材料。(2)活塞头部和裙部的设计
8、。(3)活塞销和活塞销座。(4)活塞环断面形状的设计。(二)教学要求了解活塞组在内燃机中的重要作用，理解活塞裙部膨胀变形的原因和设计上采取反椭圆设计的 出发点，采用高点活塞环和低点活塞环的出发点，掌握活塞组的工作条件与设计要求、活塞结构参 数的基本要求和设计原则、均压活塞环的早期失效的根本原因、活塞环的密封原理、活塞环初弹力 的确定原则。（三）重点与难点.重点活塞头部和第一道环槽的设计；活塞销和销座的匹配；活塞裙部设计。3 .难点销和销座的刚度，强度匹配。第六章、活塞组设计（-）课程内容（1）连杆的设计。（2）连杆螺栓的设计。（3）提高连杆螺栓疲劳强度的措施。（4）连杆强度的计算方法。（二）教
9、学要求了解连杆的结构形式、特点和适用场合、连杆的最新加工工艺和材料， 理解连杆强度计算与 校核方法，计算工况和工作条件，掌握连杆的设计要求、基本尺寸确定原则。（三）重点与难点.重点连杆结构设计，受力分析，强度和刚度的核算方法以及提高疲劳强度的措施，连杆螺栓的 工作负荷与予紧力以及强度验算。4 .难点连杆受力分析、提高疲劳强度的措施。第七章、曲轴飞轮组设计（一）课程内容（1）曲轴的工作情况、设计要求和材料选择。（2）曲轴的结构设计。（3）曲轴疲劳强度校核。（4）提高曲轴强度的结构措施和工艺措施。（5）飞轮的设计。（二）教学要求了解曲轴的工作条件、材料和结构形式，理解曲轴结构参数的选择原则，各种强
10、度校核方法的 优缺点以及曲轴设计的技术发展趋势，掌握曲轴结构尺寸对曲轴综合性能的影响，飞轮参数的确定原理。(三)重点与难点1.重点曲轴结构设计，受力分析，强度和刚度的核算方法以及提高弯曲疲劳强度的措施，飞轮的 作用以及飞轮结构参数的确定。5 .难点曲轴结构受力分析，强度和刚度的核算方法。第八章、内燃机滑动轴承设计(-)课程内容(1)内燃机轴承的工作条件和轴承材料。(2)轴瓦的设计;壁厚，工作表面几何形状，宽度与油槽，定位与安装，安装过盈，轴承间隙。(3)变负荷滑动轴承轴心轨迹的基本概念。(二)教学要求了解轴瓦的工作条件和设计要求、轴瓦的基本材料、轴心轨迹的作用，理解滑动轴承工作压力 分布形式、
11、油膜承载能力与结构的关系、轴心轨迹计算的基本思想，掌握轴瓦过盈量的含义、表达 和测量方法。(三)重点与难点重点轴瓦工作表面几何形状和安装过盈，同时介绍一些轴心轨迹的基本概念，分析与计算。6 难点轴瓦定位与安装，安装过盈，轴承间隙。第九章、机体与缸盖设计(一)课程内容(1)机体设计。(2)气缸与气缸套。(3)气缸盖设计。(二)教学要求了解不同机体结构形式适应的工作场合、提高缸套耐磨性的结构工艺措施，气道的现代设计分 析手段，机体、缸盖材料变化趋势，机体分析计算内容。理解机体、缸盖及缸套的工作条件、设计 要求，缸套穴蚀原理及防止措施，掌握机体与缸盖的设计要点，进排气道布置原则，缸盖冷却重点及方法，
12、水套布置原则。(三)重点与难点重点从受力分析着手来讲清机体的结构设计；气缸盖设计时循环热应力作用下的热疲劳破坏， 以及合理的结构设计和布置。7 难点四冲程发动机缸套设计。第十章、配气机构设计(-)课程内容(1)机构形式及评价。(2)配气凸轮机构运动学与凸型线设计。(3)配气机构动力学。(4)凸轮轴与气门驱动件设计。(5)气门组件的设计。(二)教学要求了解配气机构形式的变革，凸轮型线的变化，理解气门通过能力评价的含义及应用，缓冲段的 必要性，零部件设计原则，掌握产生气门动态运动规律与静态运动规律差异的原因，高次方凸轮型 线的表达式及边界条件，凸轮工作关系计算，气门通过能力评价。(三)重点与难点重
13、点凸轮型线设计和弹簧设计。8 难点配气机构动力学，动力凸轮设计方法。第十一章、内燃机的润滑和冷却系统(-)课程内容(1)润滑系统。(2)冷却系统。(二)教学要求通过学习，使学生了解内燃机辅助系统的主要任务和设计要求；理解润滑系的工作条件和基本 要求。冷却系的工作条件和基本要求；掌握润滑系基本参数的确定。冷却系基本参数的确定，冷却系的调节，风扇的设计基本方法。（三）重点与难点.重点内燃机的性能要求与润滑系，冷却系基本设计参数的确定。1 .难点润滑系，冷却系基本设计参数的确定。三、本课程开设的实验项目（如课程不含实验，该项可不填）编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1三角转子发动机的结构原理
14、认知2综合性必做2航空发动机的燃烧特性实验2综合性必做注：1 ,“类型”填验证性、综合性、设计性等；.“要求”填必做、选做。实验1:三角转子发动机的结构原理认知汪克尔三角转子发动机（Wankel Engine）与往复式发动机相比其具有的最大特点是：结构简单、 功重比高和运转平稳、。基于这些与生俱来的先天性优势自其诞生以来已经引起广泛的关注和研究， 并在无人机和增程器上得到了广泛应用。但是它的一些缺陷限制了它的快速发展和进一步拓展应用, 尤其以排放和寿命问题最为突出。为此通过针对汪克尔三角转子发动机进行结构原理认知实验，充 分了解其构造特点、工作原理和工作过程，进而有利于为优化设计和性能改善提供
15、思路和可靠途径。 通过该实验了解汪克尔三角转子发动机的基本结构和工作原理，以及加深对汪克尔三角转子发动机 工作过程的理解及应用。实验2：航空发动机的燃烧特性实验燃烧是推进系统十分重要的过程，它通过化学反应将燃料的化学能转化为工质的热能，再转变 为动能，产生推力。自然界有两种类型的燃烧波：缓燃波和爆震波。其中爆震波是由强激波和紧随 其后的剧烈放热区组成，爆震波后压比高（爆震产物的压力/未燃混气的压力），对常温、常压的混 气，压比一般在67。由于爆震燃烧波后压比高，端增小，因此循环热效率和比冲在同样起始压比 （进气压力和环境压力之比）比传统涡喷和涡扇发动机高，且油耗小。由于没有压气机、涡轮等转 动
16、部件，因此可省略传统涡扇发动机高压供气部件，降低了结构的复杂性及系统的重量，使发动机推重比（大于10）增加。基于爆震燃烧的爆震发动机也因其高循环效率而得到广泛的关注，是未来 航空航天领域的重要研究对象。通过该实验了解航空发动机试验台的原理和运用，并加深对航空发 动机爆震燃烧过程、缓燃向爆震转摭的理解四、学时分配及教学方法章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标课堂 教学实 验上 机课程 实践小 计给 * 第一早22讲授法第二章44讲授法第二早44讲授法第四章22讲授法第五章426讲授法和演示法第八早224讲授法和演示法第七章22讲授法第八章22讲授法第九章22讲授法第十章22讲授法第十一章22讲授法合计28432五、课程考核考核形式考核要求考核权重备注课堂表现和平时作业上课次数和作业次数10%实验上课表现和实验报告10%期末考试开卷80%六、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）1.内燃机学，周龙保等编著，机械工业出版社，2011年1月。