Конструирование и расчет поршневых двигателей

К 150-летию Научно-учебного комплекса 

«Энергомашиностроение»

Техническая физика  
и энергомашиностроение

А.А. Александров 
председатель, доктор технических наук

A.А. Жердев 
 
зам. председателя, доктор технических наук

B.Л. Бондаренко  
доктор технических наук

A.Ю. Вараксин  
доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН

К.Е. Демихов 
 
доктор технических наук

Ю.Г. Драгунов 
 
доктор технических наук, член-корреспондент РАН

B.И. Крылов 
 
кандидат технических наук

М.К. Марахтанов 
доктор технических наук

B.А. Марков 
 
доктор технических наук

C.Е. Семёнов 
 
кандидат технических наук

В.И. Хвесюк 
 
доктор технических наук

Д.А. Ягодников  
доктор технических наук

Редакционный совет

Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков

Конструирование  
и расчет поршневых 
двигателей

Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ,  

доктора технических наук Н. Д. Чайнова

УДК 621.43
ББК 31.365
 
Ч-15

Чайнов, Н. Д.

 
   Конструирование и расчет поршневых двигателей : учебник для вузов / 
Н. Д. Чайнов, А. Н. Краснокутский, Л. Л. Мягков ; под pед. Н. Д. Чайно- 
ва. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 536 с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4854-8
Учебник написан коллективом преподавателей кафедры «Поршневые 

двигате ли» МГТУ им. Н.Э. Баумана — ведущей кафедры страны, отметившей 
в 2007 г. 100-летие с начала подготовки специалистов по двигателям внутреннего сгорания.

Изложены основы конструирования и современные методы прочностного 

анализа поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания, 
дан анализ конструкций современных отечественных и зарубежных двигателей, рассмотрены перспективы их развития. Наряду с традиционными методами расчетов на прочность базовых деталей двигателей представлены численные методы анализа теплового и напряженно-деформированного состояний 
элементов двигателей с применением современных информационных технологий.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности 101200 «Двигатели 

внутреннего сгорания» направления подготовки 141100 «Энергомашиностроение».

 
УДК 621.43

 
ББК 31.365

Рецензент: 

д-р техн. наук, профессор Н.Н. Патрахальцев  
(Российский университет дружбы народов)

© Чайнов Н.Д., Краснокутский А.Н., 

Мягков Л.Л., 2018

© Оформление. Издательство МГТУ 

им. Н. Э. Баумана, 2018

Ч-15

ISBN 978-5-7038-4854-8

Учебное издание

Чайнов Николай Дмитриевич, Краснокутский Андрей Николаевич,

Мягков Леонид Львович

Конструирование и расчет поршневых двигателей

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н. Э. Баумана.

В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева.

Подписано в печать 06.06.2018. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 43,55. Тираж 300 экз. Заказ

Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.

e-mail: press@bmstu.ru. http: baumanpress.ru

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н. Э. Баумана.

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. e-mail: baumanprint@gmail.com

ПРЕДИСЛОВИЕ

Двигателестроение — одна из наиболее наукоемких и технологически сложных 
отраслей машиностроения. Применение двигателей внутреннего сгорания (ДВС) 
в автомобильном, железнодорожном, авиационном, речном и морском транспорте, а также в сельскохозяйственном и строительном машиностроении, добывающей промышленности, малой энергетике, в Вооруженных силах и т. д. выдвигает особые требования к конструкции. Эти требования связаны с возможно 
большими ограничениями вредного воздействия ДВС на человека и окружающую 
среду с учетом огромных затрат конструкционных материалов и топлива на создание и эксплуатацию многих миллионов двигателей различного типа и назначения. Уровень требований к технико-экономическим показателям двигателей 
непрерывно возрастает, что имеет объективный характер и диктуется общей 
экологической и экономической ситуацией в мире. Все это необходимо учитывать при разработке новых и модернизации существующих конструкций, реализуя в процессе создания двигателей новых поколений достижения в области 
расчетного анализа, технологий производства, испытаний, а также диагностики 
в ходе эксплуатации. В эпоху рыночных отношений указанное является необходимым условием создания конструкций двигателей с высокими технико-экономическими показателями, обладающих конкурентоспособностью.

В учебнике изложены основы конструирования и методы расчетов на проч
ность поршневых ДВС. Кроме того, на современном научном уровне с использованием практики отечественного и зарубежного машиностроения представлены 
основные принципы создания современных ДВС различного типа и назначения 
на стадии проектирования, а также проанализированы пути совершенствования 
основных узлов и деталей двигателей с применением современных компьютерных 
технологий.

Учебник рассчитан на подготовку специалистов в области энергомашино
строения по специальности 101200. При этом наряду с подготовкой бакалавров 
и инженеров в рамках специальности 101200 предусматривается и подготовка 
магистров. В последнем случае углубленное изучение методов математического 
моделирования теплового и напряженно-деформированного состояний, динамики и прочности элементов двигателя приобретает особое значение.

Настоящий учебник сохраняет традицию изложения материала, сложившую- 

ся на протяжении многих десятилетий на кафедре «Поршневые двигатели» МГТУ 
им. Н.Э. Баумана и нашедшую отражение в учебниках по конструкции и расчету 
ДВС, написанных профессорами кафедры А.С. Орлиным, Д.Н. Вырубовым, 
Н.А. Иващенко, М.Г. Кругловым, С.Г. Рогановым, Ф.Ф. Симаковым, М.М. Чурсиным и другими преподавателями. Вместе с тем, стремительное развитие двигателестроения, которое направлено на существенное повышение важных технико-экономических показателей поршневых двигателей и тесно связано с внедрением новейших технологических процессов, уточненных методов расчетного 

Предисловие

анализа, выходящего за рамки традиционных поверочных расчетов, с приме нением 
новых материалов и, наконец, с трансформацией самого процесса проектирования на базе систематического применения ЭВМ, потребовало существенного 
изменения содержания учебника. Предлагаемое издание является по существу 
новым учебником, в котором, следуя утвердившимся в МГТУ им. Н.Э. Баумана 
принципам подготовки двигателистов с использованием новейших научных достижений, авторы рассматривают методы конструирования и расчета применительно к основным классам поршневых двигателей.

Учебник состоит из 11 глав. Первые две главы посвящены общим вопросам 

конструирования и расчету на прочность современных ДВС.

В условиях высокой специализации, когда значительную часть базовых де
талей изготовляют на специализированных предприятиях, построение типоразмерного ряда, выбор компоновочной схемы и основных конструкционных соотношений, включая межцилиндровое расстояние, относятся к ключевым моментам 
создания нового двигателя. При этом процесс сквозного проектирования с 
применением компьютерных технологий, начиная с твердотельного моделирования с переходом к инженерному анализу конструкций и технологий изготовления 
двигателя (цепочки CAD, CAE и САМ), является общепринятым путем создания 
наукоемкой продукции, к которой относятся и современные поршневые двигатели.

В третьей главе достаточно полно изложен расчет перемещений, скорости, 

ускорения поршня и других элементов кривошипно-шатунного механизма, а 
также расчет сил и моментов в двигателях, выполненных по различным компоновочным схемам. Детально рассмотрено уравновешивание двигателей. В отличие 
от прежних учебников, данная глава включает материал, посвященный крутильным и изгибным колебаниям, виброактивности поршневых двигателей и путям 
ее снижения. 

Последующие шесть глав посвящены конструированию и расчету на проч
ность базовых деталей двигателей. Структурно все главы построены по возможности одинаково. После анализа современных конструкций детали или узла с 
учетом их многообразия в двигателях разного типа и назначения, указания наиболее распространенных и перспективных материалов, изложены методы повышения несущей способности рассматриваемого элемента. Затем предлагается 
многоуровневая структура математических моделей для расчета температурных 
полей, полей деформаций и напряжений с различной степенью глубины проведения расчетов на разных этапах создания нового или модернизации существующего двигателя.

С учетом важности компьютерных технологий в процессе создания новых 

двигателей десятая глава учебника посвящена основам автоматизированного 
проектирования поршневых двигателей.

Последняя, одиннадцатая, глава содержит анализ конструкций и перспектив 

развития основных классов поршневых двигателей наземного и водного транспорта, авиационных двигателей, а также двигателей общего назначения, в том 
числе для малой энергетики.

Материал между авторами распределен следующим образом: предисловие, 

гл. 1, 2, 4, 6–9, 11 — Н.Д. Чайнов; гл. 3, 6 — А.Н. Краснокутский, гл. 5, 10 — 
Л.Л. Мягков 

Предисловие

По мнению авторов, учебник будет полезен не только студентам вузов, но и 

инженерам-конструкторам, научным работникам, занимающимся созданием и 
исследованием поршневых двигателей.

Авторы глубоко благодарны г-же И.Ю. Кузнецовой и г-ну Е.А. Крылову 

за неоценимую помощь при подготовке рукописи учебника к изданию. 

Авторы также выражают глубокую благодарность ОАО «Коломенский завод» 

(г. Коломна), ПАО «Автодизель» (г. Ярославль), ЦИАМ им. П.И. Баранова и ОАО 
ГМЗ «Агат» за оказанную помощь в подготовке иллюстративного материала рукописи.

Гл а в а 1. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ 
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1.1. Общие предпосылки к разработке нового двигателя

Необходимость создания нового двигателя определяется условиями рынка, отражающими нужды различных потребителей в двигателях определенного типа с 
необходимыми технико-экономическими показателями, включая рыночную 
стоимость двигателя. При разработке новых конструкций широко используют 
принцип типоразмерного ряда, позволяющий при наличии минимального количества основных размеров двигателя (в частности, на базе одного диаметра цилиндров за счет изменения их числа, а также степени форсирования двигателя по 
параметрам рабочего процесса) обеспечить большой диапазон значений вырабатываемой мощности. При этом появляется возможность унификации отдельных 
узлов и деталей, а следовательно, организации их специализированного производства и повышения качества двигателей. Идея мощностного ряда нашла применение в практике ведущих отечественных и зарубежных фирм-производителей 
(Коломенский завод — двигатели ряда ЧН 26/26, Ярославский моторный завод (ЯМЗ) — двигатели Ч(Н) 13/14; Ч(Н) 14/14; Ч(Н) 10,5/12,8 и др.).

Жизненный цикл современного двигателя составляет около 25 лет, на про
тяжении которых конструкция двигателя подвергается модернизации в соответствии с появляющимися новыми требованиями к ее технико-экономическим и 
экологическим показателям.

Ускорение процесса создания и сокращение сроков модернизации двигателей 

возможны на базе широкого и систематического применения математического 
моделирования в двигателестроении. Разработка исходных вариантов конструкции, их расчетного анализа с выбором оптимального варианта, изготовление 
технической документации и производство отдельных деталей с помощью современных обрабатывающих центров осуществляют с использованием новейшей 
вычислительной техники, что стало нормой в практике передовых двигателестроительных фирм.

Каким бы совершенным ни был процесс создания детали, узла и двигателя 

в целом, успех в большой степени определяется выбором ряда основных параметров и соотношений, включая схемные решения, которые выполняются разработчиком.

1.2. Компоновочные схемы поршневых двигателей

Под компоновочной схемой поршневого двигателя (в рамках принятой кинематической схемы) понимается прежде всего взаиморасположение рабочих цилиндров и 
их количество. Наибольшее распространение в современных двигателях внутрен

1.2. Компоновочные схемы поршневых двигателей

него сгорания (ДВС) получил кривошипно-шатунный механизм (КШМ) передачи усилий со стороны поршня к валу отбора мощности. В этом случае компоновочная схема определяется взаиморасположением осей цилиндров и коленчатого 
вала (или валов в многовальных схемах). В табл. 1.1 приведены различные схемы 
расположения цилиндров относительно коленчатого вала, нашедшие применение 
в двигателях с КШМ.

Таблица 1.1
Схемы расположения цилиндров в ДВС с КШМ

Схема и ее наименование

Максимальное число 

цилиндров в ряду  

(вдоль коленчатого вала)

Область применения

Одновальные двигатели

    

Рядная

11
Все типы двигателей

  
V-образная

10
Все типы двигателей, кроме 
малооборотных судовых

Оппозитная

6
Быстроходные  
транспортные двигатели

W-образная

6 
То же

Глава 1. Основы конструирования двигателей внутреннего сгорания

Схема и ее наименование

Максимальное число 

цилиндров в ряду  

(вдоль коленчатого вала)

Область  
применения

Х-образная

4
Быстроходные четырехтактные двигатели специального 
назначения

Звездообразная  
(семилучевая звезда)

8 
То же

Звездообразная  
(девятилучевая звезда)

2
Авиационные четырехтактные двигатели воздушного 
охлаждения

Двухвальные двигатели

Двухрядная с параллельным 
располо жением ци лин дров

6
Тепловозные двигатели

Продолжение табл. 1.1