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汽车曲柄连杆机构毕业设计
四川交通职业技术学院毕业设计目第1章 绪录论 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11.1 选题的目的和意义 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.2 国内外的研究现状 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.3 设计研究的主要内容 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 第 2 章 曲柄连杆机构受力分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.2 曲柄连杆机构运动学 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 2.1.1 活塞位移 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 2.1.2 活塞的速度 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.1.3 活塞的加速度 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.2 曲柄连杆机构中的作用力 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.2.1 气缸内工质的作用力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.2.2 机构的惯性力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.3 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 14 第 3 章 活塞组的设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15 3.1 活塞的设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15 3.1.1 活塞的工作条件和设计要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15 3.1.2 活塞的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 16 3.1.3 活塞头部的设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 16 3.1.4 活塞裙部的设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 3.2 活塞销的设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 3.2.1 活塞销的结构、材料 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 3.2.2 活塞销强度和刚度计算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 3.3 活塞销座 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24 3.3.1 活塞销座结构设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24 3.3.2 验算比压力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24 3.4 活塞环设计及计算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 3.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 3.4.2 活塞环强度校核 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 3.5 本章小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 26 第４章 连杆组的设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 4.1 连杆的设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 4.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用 ??????????????????????????????????????????????? 27 4.1.2 连杆长度的确定 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 4.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 ??????????????????????????????????????????????? 27 4.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算 ??????????????????????????????????????????????????????????? 30 4.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算 ??????????????????????????????????????????????? 33I四川交通职业技术学院毕业设计4.2 连杆螺栓的设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35 4.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力 ????????????????????????????????????????????????????????????????? 35 4.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算 ????????????????????????????????????????????????????? 35 4.3 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 36 第 5 章 曲轴的设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37 5.1 曲轴的结构型式和材料的选择 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37 5.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37 5.1.2 曲轴的结构型式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37 5.1.3 曲轴的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37 5.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 ???????????????????????????????????????????????????????????? 38 5.2.1 曲柄销的直径和长度 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38 5.2.2 主轴颈的直径和长度 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38 5.2.3 曲柄 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 5.2.4 平衡重 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 5.2.5 油孔的位置和尺寸 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 40 5.2.6 曲轴两端的结构 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 40 5.2.7 曲轴的止推 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 40 5.3 曲轴的疲劳强度校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 41 5.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩 ????????????????????????????????????????????????????????????????? 41 5.3.2 名义应力的计算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 45 5.4 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 47 第 6 章 曲柄连杆机构的创建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48 6.1 对 Pro/E 软件基本功能的介绍 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48 6.2 活塞的创建 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48 6.2.1 活塞的特点分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48 6.2.2 活塞的建模思路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48 6.2.3 活塞的建模步骤 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48 6.3 连杆的创建 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 6.3.1 连杆的特点分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 6.3.2 连杆的建模思路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 6.3.3 连杆体的建模步骤 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 6.3.4 连杆盖的建模 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 52 6.4 曲轴的创建 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 52 6.4.1 曲轴的特点分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 52 6.4.2 曲轴的建模思路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 52 6.4.3 曲轴的建模步骤 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 52 6.5 曲柄连杆机构其它零件的创建 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 54 6.5.1 活塞销的创建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 54 6.5.2 活塞销卡环的创建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55 6.5.3 连杆小头衬套的创建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55 6.5.4 大头轴瓦的创建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55 6.5.5 连杆螺栓的创建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55 6.6 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 56II四川交通职业技术学院毕业设计第 7 章 曲柄连杆机构运动分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 57 7.1 活塞及连杆的装配 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 57 7.1.1 组件装配的分析与思路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 57 7.1.2 活塞组件装配步骤 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 57 7.1.3 连杆组件的装配步骤 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 58 7.2 定义曲轴连杆的连接 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 59 7.3 定义伺服电动机 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 60 7.4 建立运动分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 60 7.5 进行干涉检验与视频制作 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 61 7.6 获取分析结果 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 62 7.7 对结果的分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 64 7.8 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 64 结 论 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 65 谢 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 67 录 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68 参考文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 66 致 附III四川交通职业技术学院毕业设计摘要本文以捷达 EA113 汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件 进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分 析。 首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受 力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行 详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。再次，应用三维 CAD 软件：Pro/Engineer 建 立了曲柄连杆机构各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用 Pro/E 软件的装配功能，将曲柄 连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件， 然后利用 Pro/E 软件的机构分析模 块(Pro/Mechanism)，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟， 研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆 机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基本一致，文章介绍 的仿真方法为曲柄连杆机构的选型、优化设计提供了一种新思路。关键词：发动机；曲柄连杆机构；受力分析；仿真建模；运动分析；Pro/EIV四川交通职业技术学院毕业设计第1章 绪1.1 选题的目的和意义论曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴 的旋转运动而输出动力。因此，曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定 了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周 期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态 力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题[1]。 通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、 运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。 在传统的设计模式中，为了满足设计的需要须进行大量的数值计算，同时为了满足产品的使 用性能，须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算，同时要满足校核计算， 还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。 为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术， 针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析 技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在 运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的 改造等均有较为实用的应用价值。1.2 国内外的研究现状多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，提供了在设计过程中对设计方 案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的 模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基本物理原理，采 用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件 主要有 Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS 等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分 析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产 品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动 力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化， 可最大限度地满足性能要求， 对设计提供指导和修正[2]。目前国内大学和企业已经已进行了机构运 动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构干涉，校核 配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据[3-4]。 目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多，而且已经完善和成熟。其中机1四川交通职业技术学院毕业设计 构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动，即位移、速度和加速度的变化关系：动 力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯性力、轴承 力和曲轴转矩等的分析， 传统的内燃机工作机构动力学、 运动学分析方法主要有图解法和解析法[5]。 1、解析法 解析法是对构件逐个列出方程，通过各个构件之间的联立线性方程组来求解运动副约束反力 和平衡力矩，解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。 2、图解法 图解法形象比较直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改变趋势 均能通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算机结果的判断和选择。解 析法取点数值较少，绘制曲线精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解其速度和加速 度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂[6]。 3、复数向量法 复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包 括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能。该方法是机构运动分 析的较好方法。 通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规 律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂 的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似 的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动 过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。 通过对机构运动学和动力学分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律 等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的 机构运动尽管能够给出解析式，却难以计算出供工程使用的计算结果，不得不用粗糙的图解法求 得数据。随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程， 从而形成机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。 机械系统动态仿真技术的核心是利用计算机辅助技术进行机械系统的运动学和动力学分析， 以确定系统各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，进而确定系统及其及其各构件运动所需的 作用力[5]。目前，在对内燃机曲柄连杆机构进行动力学分析时，大多采用的是专业的虚拟样机商业 软件，如 ADAMS 等。这些软件的功能重点是在力学分析上，在建模方面还是有很多不足，尤其 是对这些复杂的曲柄连杆机构零部件的三维建模很难实现。因而在其仿真分析过程中对于结构复 杂的模型就要借助 CAD 软件来完成，如 Pro/E、UG、Solidworks 等[4]。当考虑到对多柔体系统进 行动力学分析时，有时还需要结合 Ansys 等专业的有限元分析软件来进行[7]。这一过程十分复杂，2四川交通职业技术学院毕业设计 不仅需要对这些软件有一定了解，还需要处理好软件接口之间的数据传输问题，而且软件使用成 本也很高。1.3 设计研究的主要内容对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析进行深入研究，其主要的研究内容有： （1）对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析，分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并 根据这些力对曲柄连杆机构的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核，以便达到设计要 求； （2）分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞，曲轴，连杆等的工作条件和设计要求，进行合 理选材，确定出主要的结构尺寸，并进行相应的尺寸检验校核，以符合零件实际加工的要求； （3）应用 Pro/E 软件对曲柄连杆机构的零件分别建立实体模型， 并将其分别组装成活塞组件， 连杆组件，然后定义相应的连接关系，最后装配成完整的机构，并进行运动仿真分析，检测其运 动干涉，获取分析结果； （4）应用 Pro/E 软件将零件模型图转化为相应的工程图，并结合使用 AutoCAD 软件，系统 地反应工程图上的各类信息，以便实现对机构的进一步精确设计和检验。3四川交通职业技术学院毕业设计第 2 章 曲柄连杆机构受力分析研究曲柄连杆机构的受力，关键在于分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力 对曲柄连杆机构的主要零件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计，以便达到发动机 输出转矩及转速的要求。2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多，按运动学观点可分为三类，即:中心曲柄连杆机构、 偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。 1、中心曲柄连杆机构 其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆 机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的 V 形内燃机， 以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。 2、偏心曲柄连杆机构 其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线距离 曲轴的回转轴线具有一偏移量 e。 这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧 压力，使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。 3、主副连杆式曲柄连杆机构 其特点是内燃机的一列气缸用主连杆，其它各列气缸则用副连杆，这些连杆的下端不是直接 接在曲柄销上，而是通过副连杆销装在主连杆的大头上，形成了“关节式”运动，所以这种机构 有时也称为“关节曲柄连杆机构” 。在关节曲柄连杆机构中，一个曲柄可以同时带动几套副连杆和 活塞，这种结构可使内燃机长度缩短，结构紧凑，广泛的应用于大功率的坦克和机车用 V 形内燃 机[8]。 经过比较，本设计的型式选择为中心曲柄连杆机构。2.2 曲柄连杆机构运动学中心曲柄连杆机构简图如图 2.1 所示， 2.1 中气缸中心线通过曲轴中心 O， 为曲柄， 图 OB AB 为连杆，B 为曲柄销中心，A 为连杆小头孔中心或活塞销中心。 当曲柄按等角速度 ω 旋转时，曲柄 OB 上任意点都以 O 点为圆心做等速旋转运动，活塞 A 点 沿气缸中心线做往复运动，连杆 AB 则做复合的平面运动，其大头 B 点与曲柄一端相连，做等速 的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。在实际分析中，为使问题简单化，一般将连 杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就4四川交通职业技术学院毕业设计 不需要对连杆的运动规律进行单独研究[9]。图 2.1 曲柄连杆机构运动简图 活塞做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲 柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是 研究活塞的运动规律。2.1.1 活塞位移假设在某一时刻，曲柄转角为 α ，并按顺时针方向旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸 轴线的角度为 β ，如图 2.1 所示。 当 α = 0 时，活塞销中心 A 在最上面的位置 A1，此位置称为上止点。当 α =180 ° 时，A 点在°最下面的位置 A2，此位置称为下止点。 此时活塞的位移 x 为: x= A1 A = A1O ? AO =(r+ l ) ? ( r cos α + l cos β ) = r[(1 ? cos α ) + 式中： λ ―连杆比。 式（2.1）可进一步简化，由图 2.1 可以看出：1λ(1 ? cos β )]（2.1）r sin α = l sin β5四川交通职业技术学院毕业设计 即 又由于r sin β = sin α = λ sin α lcos β = 1 ? sin 2 β = 1 ? λ2 sin 2 α（2.2）将式（2.2）带入式（2.1）得： x= r[1 ? cos α +1λ(1 ? λ2 sin 2 α )]（2.3）式（2.3）是计算活塞位移 x 的精确公式,为便于计算，可将式（2.3）中的根号按牛顿二项式定理 展开，得：1 1 1 ? λ2 sin 2 α = 1 ? λ2 sin 2 α ? λ4 sin α ? λ6 sin 6 α ? … 8 16考虑到 λ ≤ 1?3，其二次方以上的数值很小，可以忽略不计。只保留前两项，则1 1 ? λ2 sin 2 α ≈ 1 ? λ2 sin 2 α 2将式（2.4）带入式（2.3）得（2.4）x = r (1 ? cos α +λ2sin 2 α )（2.5）2.1.2 活塞的速度将活塞位移公式（2.1）对时间 t 进行微分，即可求得活塞速度 v 的精确值为v=dx dx da λ sin 2α = × = rω (sin α + ) dt da dt 2 cos β(2.6)将式（2.5）对时间 t 微分，便可求得活塞速度得近似公式为：v ≈ rω (sin α +λ2sin 2α ) = rω sin α + rωλ2sin 2α = v1 + v 2（2.7）从式（2.7）可以看出，活塞速度可视为由 v1 = rω sin α 与 v 2 = (λ 2) rω sin 2α 两部分简谐运动 所组成。 当 α = 0 或 180 时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当 α = 90 时， v = rω ，° ° °此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。2.1.3 活塞的加速度将式（2.6）对时间 t 微分，可求得活塞加速度的精确值为：dv dv da cos 2α λ3 sin 2 2α 2 a= = × = rω [cos α + λ + ] dt da dt cos β 4 cos 3 β将式（2.7）对时间 t 为微分，可求得活塞加速度的近似值为：（2.8）6四川交通职业技术学院毕业设计a ≈ rω 2 (cos α + λ cos 2α ) = rω 2 cos α + rω 2 λ cos 2α = a1 + a 2（2.9）2因 此 ， 活 塞 加 速 度 也 可 以 视 为 两 个 简 谐 运 动 加 速 度 之 和 ， 即 由 a1 = rω cos α 与a 2 = rω 2 λ cos 2α 两部分组成。2.2 曲柄连杆机构中的作用力作用于曲柄连杆机构的力分为：缸内气压力、运动质量的惯性力、摩擦阻力和作用在发动机 曲轴上的负载阻力。由于摩擦力的数值较小且变化规律很难掌握，受力分析时把摩擦阻力忽略不 计。而负载阻力与主动力处于平衡状态，无需另外计算，因此主要研究气压力和运动质量惯性力 变化规律对机构构件的作用。计算过程中所需的相关数据参照 EA1113 汽油机，如附表 1 所示。2.2.1 气缸内工质的作用力作用在活塞上的气体作用力 Pg 等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞顶面积的乘 积，即Pg =式中： Pg ―活塞上的气体作用力， N ；πD 24( p ? p' )（2.10）p ―缸内绝对压力， MPa ；p ′ ―大气压力， MPa ； D ―活塞直径， mm 。由于活塞直径是一定的，活塞上的气体作用力取决于活塞上、下两面的空间内气体压力差p ? p ′ ，对于四冲程发动机来说，一般取 p ′ =0.1 MPa ， D = 80.985mm ,对于缸内绝对压力 p ，在发动机的四个冲程中，计算结果如表 2.1 所示： 则由式（2.10）计算气压力 Pg 如表 2.2 所示。2.2.2 机构的惯性力惯性力是由于运动不均匀而产生的，为了确定机构的惯性力，必须先知道其加速度和质量的 分布。加速度从运动学中已经知道，现在需要知道质量分布。实际机构质量分布很复杂，必须加 以简化。为此进行质量换算。 1、机构运动件的质量换算7四川交通职业技术学院毕业设计 质量换算的原则是保持系统的动力学等效性。质量换算的目的是计算零件的运动质量，以便 进一步计算它们在运动中所产生的惯性力[9]。 表 2.1 缸内绝对压力 p 计算结果 四个冲程终点压力 计算公式 计算结果/ MPa进气终点压力 p dep de = (0.75 ~ 0.90) p '0.08压缩终点压力 pcopco = pdeε ep ex = p maxn11.46膨胀终点压力 p exδ0.45n2排气终点压力 p rp r = 1.15 p '0.115ε ； p max ―最大爆发压力， p max =3 ~ 5 MPa ，取 p max =4.5 MPa ；此时压力 ρ ° ° ° 角 α = 10 ~ 15 ，取 α = 13 。n2 =1.2 ~ 1.30；δ =表 2.2 气压力 Pg 计算结果 四 个 冲 程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点注： n1 ―平均压缩指数， n1 =1.32 ~ 1.38； ε ―压缩比， ε =9.3； n2 ―平均膨胀指数，Pg / N77.23 -102.97 1.968（1）连杆质量的换算 连杆是做复杂平面运动的零件。为了方便计算，将整个连杆（包括有关附属零件）的质量 m L 用两个换算质量 m1 和 m 2 来代换，并假设是 m1 集中作用在连杆小头中心处，并只做往复运动的质 量； m 2 是集中作用在连杆大头中心处，并只沿着圆周做旋转运动的质量，如图 2.2 所示：8四川交通职业技术学院毕业设计图 2.2 连杆质量的换算简图 为了保证代换后的质量系统与原来的质量系统在力学上等效，必须满足下列三个条件： ① 连杆总质量不变，即 m L = m1 + m 2 。 ② 连杆重心 G 的位置不变，即 m1l1 = m 2 (l ? l1 ) 。 ③ 连杆相对重心 G 的转动惯量 I G 不变，即 m1l1 + m 2 (l ? l 2 ) = I G 。2 2其中， l 连杆长度， l1 为连杆重心 G 至小头中心的距离。由条件可得下列换算公式：m1 = m L ×l ? l1 lm2 = m L ×l1 l用平衡力系求合力的索多边形法求出重心位置 G 。将连杆分成若干简单的几何图形，分别计 算出各段连杆重量和它的重心位置，再按照索多边形作图法，求出整个连杆的重心位置以及折算 到连杆大小头中心的重量 G1 和 G 2 ，如图 2.3 所示：图 2.3 索多边形法[4]（2）往复直线运动部分的质量 m j9四川交通职业技术学院毕业设计 活塞（包括活塞上的零件）是沿气缸中心做往复直线运动的。它们的质量可以看作是集中在 活塞销中心上，并以 m h 表示。质量 m h 与换算到连杆小头中心的质量 m1 之和，称为往复运动质量m j ，即 m j = m h + m1 。（3）不平衡回转质量 m r 曲拐的不平衡质量及其代换质量如图 2.4 所示：图 2.4 曲拐的不平衡质量及其代换质量 曲拐在绕轴线旋转时，曲柄销和一部分曲柄臂的质量将产生不平衡离心惯性力，称为曲拐的 不平衡质量。为了便于计算，所有这些质量都按离心力相等的条件，换算到回转半径为 r 的连杆轴 颈中心处，以 m k 表示，换算质量 m k 为：m k = m g + 2mb式中： m k ―曲拐换算质量， kg ；e rm g ―连杆轴颈的质量， kg ； mb ―一个曲柄臂的质量， kg ；e ―曲柄臂质心位置与曲拐中心的距离， m 。质量 m k 与换算到大头中心的连杆质量 m2 之和称为不平衡回转质量 mr ，即mr = mk + m2由上述换算方法计算得： 往复直线运动部分的质量 m j =0.583 kg ，不平衡回转质量 mr =0.467 kg 。2、曲柄连杆机构的惯性力10四川交通职业技术学院毕业设计 把曲柄连杆机构运动件的质量简化为二质量 m j 和 m r 后，这些质量的惯性力可以从运动条件 求出，归结为两个力。往复质量 m j 的往复惯性力 Pj 和旋转质量 m r 的旋转惯性力 Pr 。 （1）往复惯性力Pj = ? m j a = ?m(rω 2 cos α + rω 2 cos 2α ) = ? m j rω 2 cos α ? λm j rω 2 cos 2α式中： m j ―往复运动质量， kg ；（2.11）λ ―连杆比；r ―曲柄半径， m ；ω ―曲柄旋转角速度， rad / s ； α ―曲轴转角。Pj 是沿气缸中心线方向作用的，公式（2.11）前的负号表示 Pj 方向与活塞加速度 a 的方向相反。其中曲柄的角速度 ω 为：ω=式中： n ―曲轴转数， r / min ； 已知额定转数 n =5800 r / min ，则 ω =2πn πn = 60 30（2.12）π × 580030= 607.07 rad / s ；曲柄半径 r =40.23 mm ，连杆比 λ =0.25~0.315，取 λ =0.27，参照附录表 2：四缸机工作循环 表，将每一工况的曲轴转角 α 代入式（2.11） ，计算得往复惯性力 Pj ，结果如表 2.3 所示： 表 2.3 往复惯性力 Pj 计算结果 四 个 冲 程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点Pj / N-4.5 -4.51（2）旋转惯性力Pr = ? mr rω 2= ?0.467 × 0.04023 × 607.07 2 = ? N3、作用在活塞上的总作用力11（2.13）四川交通职业技术学院毕业设计 由前述可知，在活塞销中心处，同时作用着气体作用力 Pg 和往复惯性力 Pj ，由于作用力的 方向都沿着中心线，故只需代数相加，即可求得合力P∑ = Pg + Pj计算结果如表 2.4 所示。 4、活塞上的总作用力 P∑ 分解与传递（2.14）如图 2.5 所示，首先，将 P∑ 分解成两个分力：沿连杆轴线作用的力 K ，和把活塞压向气缸壁 的侧向力 N ， 其中沿连杆的作用力 K 为：K = P∑而侧向力 N 为：1 cos β（2.15）N = P∑ tan β（2.16）表 2.4 作用在活塞上的总作用力 P∑ 四个冲程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点 气压力 Pg / N 77.23 -102.97 1.968 往复惯性力 Pj / N 总作用力 P∑ / N? 6324.5? 1.54 ? 6.478? 6324.512四川交通职业技术学院毕业设计图 2.5 作用在机构上的力和力矩 连杆作用力 K 的方向规定如下：使连杆受压时为正号，使连杆受拉时为负号，缸 壁的侧向力 N 的符号规定为：当侧向力所形成的反扭矩与曲轴旋转方向相反时，侧向力为正值， 反之为负值。 当 α = 13 时，根据正弦定理，可得：°l r = sin α sin β求得β = arcsinr sin α 40.23 × sin 13° = arcsin = 3.48° l 149将 β 分别代入式（2.15） 、式（2.16） ，计算结果如表 2.5 所示： 表 2.5 连杆力 K 、侧向力 N 的计算结果 四个冲程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点 连杆力 K / N 侧向力 N / N? 6385.19? 2410.83? ? 812.136力 K 通过连杆作用在曲轴的曲柄臂上，此力也分解成两个力，即推动曲轴旋转的切向力 T ，13四川交通职业技术学院毕业设计即T = K sin(α + β ) = P∑sin(α + β ) cos β（2.17）和压缩曲柄臂的径向力 Z ，即Z = K cos(α + β ) = P∑cos(α + β ) cos β（2.18）规定力 T 和曲轴旋转方向一致为正，力 Z 指向曲轴为正。 求得切向力 T 、径向力 Z 见如表 2.6 所示: 表 2.6 切向力 T 、径向力 Z 的计算结果 四个冲程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点 切向力 T / N 径向力 Z / N? ? ? 1024.172365.96? 346.9647997.612.3 本章小结本章首先分析了曲柄连杆机构的运动情况，重点分析了活塞的运动，在此基础上分析了每个 工作过程的气体压力变化情况，进一步推导出各过程气体力的理论计算公式，进行了机构中运动 质量的换算，并根据 EA113 型汽油机的具体结构参数计算出了各过程的气体力，为后面章节的动 力仿真提供了理论数据的依据。14四川交通职业技术学院毕业设计第 3 章 活塞组的设计3.1 活塞的设计活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是发动机中工作条件 最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。3.1.1 活塞的工作条件和设计要求1、活塞的机械负荷 在发动机工作中,活塞承受的机械载荷包括周期变化的气体压力、往复惯性力以及由此产生的 侧向作用力。在机械载荷的作用下，活塞各部位了各种不同的应力：活塞顶部动态弯曲应力；活 塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。 为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、 刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。 2、活塞的热负荷 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°C ~ 2500°C 。因而活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，而且温度分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正是这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重 要作用[9]。 3、磨损强烈 发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，同时，活塞在气缸中的高速往复运动，活塞 组与气缸表面之间会产生强烈磨损，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。 4、活塞组的设计要求 （1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性 的材料； （2）有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集 中； （3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失； （4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合； （5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走； （6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。15四川交通职业技术学院毕业设计3.1.2 活塞的材料根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求： （1）热强度高。即在 300 ~ 400°C 高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏； （2）导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力； （3）膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙； （4）比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重； （5）有良好的减磨性能（即与缸套材料间的摩擦系数较小） ，耐磨、耐蚀； （6）工艺性好，低廉。 在发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等 原因，曾广泛地被作为活塞材料。但近几十年来，由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化， 灰铸铁活塞因此比重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。 铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金比重小，约占有灰铸铁的 1/3，结构重量仅占铸铁活 塞的 50 ~ 70% 。因此其惯性小，这对高速发动机具有重大意义。铝合金另一突出优点是导热性好， 其热传导系数约为铸铁的 3 ~ 4 倍，使活塞温度显著下降。对汽油机来说，采用铝活塞还为提高压 缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。 共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，既可铸造，也可锻造。含硅 9%左右的亚 共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用也很 广。 综合分析，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。3.1.3 活塞头部的设计1、设计要点 活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同 时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此，活塞头部的设计要点是： （1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势 必影响活塞环的正常工作； （2）保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造 良好条件，并避免顶部热疲劳开裂； （3） 尺寸尽可能紧凑， 因为一般压缩高度 H 1 缩短 1 单位， 整个发动机高度就可以缩短1.5 ~ 2 单位，并显著减轻活塞重量。而 H 1 则直接受头部尺寸的影响。 2、压缩高度的确定16四川交通职业技术学院毕业设计 活塞压缩高度的选取将直接影响发动机的总高度，以及气缸套、机体的尺寸和质量。尽量降 低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原则，压缩高度 H 1 是由火力岸高度 h1 、环带高 度 h2 和上裙尺寸 h3 构成的，即H 1 = h1 + h2 + h3为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。 （1）第一环位置 根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度 h1 。 为缩小 H 1 ，当然希望 h1 尽可能小，但 h1 过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘结等 故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一 般汽油机 h1 = (0.06 ~ 0.12) D ， D 为活塞直径，该发动机的活塞标准直径 D = 80.985mm ，确 定火力岸高度为：h1 = 0.09 D = 0.09 × 80.985 = 7.289mm（2）环带高度 为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度 b 应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧 面冲击，有助于提高环槽耐久性。但 b 太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环 高 b = 1.5 ~ 2.5mm ，油环高 b = 2 ~ 5mm 。 该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环） ，第三环称之为油环。取b1 = 1.5mm ， b 2 = 1.75mm ， b3 = 3mm 。环岸的高度 c ，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸 小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第 一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明， c1 = (0.04 ~ 0.05) D ， c 2 = (1 ~ 2)b1 ，汽油机接 近下限。 则c1 = 0.045D = 3.64mm ，c 2 = 1.5b1 = 1.5 × 2 = 3mm 。因此，环带高度 h2 = b1 + c1 + b2 + c 2 + b3 = 1.5 + 3.64 + 1.75 + 3 + 3 = 12.89mm 。 （3）上裙尺寸17四川交通职业技术学院毕业设计 确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度 H1 最后决定于活塞销轴线到最低环槽（油环槽）的 距离 h1。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环 卡住而失效。所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外 径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也不致因销座处材料分布不均引起变形， 影响油环工作。 综上所述，可以决定活塞的压缩高度 H 1 。对于汽油机 H 1 = (0.35 ~ 0.6) D ，所以H 1 = 0.4 × D = 0.4 × 80.985 = 32.394mm 。则h3 = H 1 ? h1 ? h2 = 32.394 ? 7.289 ? 12.89 = 12.761mm 。3、活塞顶和环带断面 （1）活塞顶 活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负 荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的活塞顶形状，即平顶。大多数汽油机正是 采用平顶活塞，由于 EA113 5V 1.6L 发动机为高压缩比 ε = 9.3 ，因而采用近似于平顶的活塞。实 际 统 计 数 据 表 明 ， 活 塞 顶 部 最 小 厚 度 ， 汽 油 机 为 δ = (0.06 ~ 0.1) D ， 即δ = (0.074 × 80.985) = 5.993mm 。活塞顶接受的热量，主要通过活塞环传出。专门的实验表明，对无强制冷却的活塞来说，经活塞环传到气缸壁的热量占 70～80%，经活塞本身传到气缸壁的占 10～20%，而传给曲轴箱空气和机油的仅占 10%左右。所以活塞顶厚度 δ 应从中央到四周逐渐加 大，而且过渡圆角 r 应足够大，使活塞顶吸收的热量能顺利地被导至第二、三环，以减轻第一环的 热负荷，并降低了最高温度[9]。 活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取 (0.05 ~ 0.1) D ，取 0.076 D 为 6.16mm，活 塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取 r = (0.05 ~ 0.1) D ，取 0.074 D 为 5.993mm.为 了减少积炭和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意 避免尖角，所有尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。 （2）环带断面 不让热量过多地集中在最高一环， 为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚 δ 使导热良好，'其平均值为 δ ' = (1.5 ~ 2.0)t ' 。正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙，对于环和环槽工作 的可靠性与耐久性十分重要。槽底圆角一般为 0.2~0.5mm。活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否则 当岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因，但倒角过大18四川交通职业技术学院毕业设计 又使活塞环漏气增加。一般该倒角为 (0.2 ~ 0.5) × 45 。 （3）环岸和环槽 环岸和环槽的设计应保持活塞、活塞环正常工作，降低机油消耗量，防止活塞环粘着卡死和 异常磨损，气环槽下平面应与活塞轴线垂直，以保证环工作时下边与缸桶接触，减小向上窜机油 的可能性。活塞环侧隙在不产生上述损伤的情况下愈小愈好，目前，第一环与环槽侧隙一般为 0.05~0.1mm，二、三环适当小些，为 0.03~0.07mm，油环则更小些，这有利于活塞环工作稳定和 降低机油消耗量，侧隙确定油环槽中必须设有回油孔，并均匀地布置再主次推力面侧，回油孔对 降低机油消耗量有重要意义，三道活塞环的开口间隙及侧隙如表 3.1 所示: 表 3.1 活塞环的开口间隙及侧隙 活塞环 第一道环 第二道环 第三道环 开口间隙/ mm 侧隙/ mm0.20 ~ 0.40 0.20 ~ 0.40 0.25 ~ 0.450.05 ~ 0.09 0.03 ~ 0.06 0.03 ~ 0.06活塞环的背隙 ? ′′ 比较大，以免环与槽底圆角干涉。一般气环 ? ′′ = 0 . 5 毫 米 ，油 环 的 ? ′′ 则 更 大 些 ， 如 图 3 .1 所 示 。 （4）环岸的强度校核 在膨胀冲程开始时，在爆发压力作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。由于节流作用， 第一环岸上面的压力 p1 比下面压力 p 2 大得多，不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪切应力，当 应力值超过铝合金在其工作温度下的强度极限或疲劳极限时，岸根有可能断裂，专门的试验表明， 当活塞顶上作用着最高爆发压力 p max 时， p1 ≈ 0.9 p max ， p 2 ≈ 0.2 p max ，如图 3.2 所示。 已知 p max =4.5 MPa ，则 p1 ≈ 0.9 × 4.5 = 4.05MPa ， p 2 ≈ 0.2 × 4.5 = 0.9 MPa ，19四川交通职业技术学院毕业设计图 3.1 环与环槽的配合间隙及环槽结构图 3.2 第 一 环 岸 的 受 力 情 况 [10]环岸是一个厚 c1 、内外圆直径为 D ' 、 D 的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计算固定面的 应力比较复杂，可以将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致的计算。在通常的尺寸比例下，可假 定槽底（岸根）直径 D ′ = 0.9 D = 0.9 × 80.985 = 72.89mm ，环槽深 t ′ 为：t ′ = 0.05 D = 0.05 × 80.985 = 4.05mm于是作用在岸根的弯矩为( p1 ? p 2 )π4(D 2 ? D′2 )t′ = 0.0026 p max D 3 2（3.1）而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于1 2 c1 π × 0.9 D = 0.47c13 D 6所以环岸根部危险断面上的弯曲应力σ=0.0026 p max D 3 D = 0.055 p max ( ) 2 2 c1 0.47c1 D 80.985 2 ) = 1.23 N / cm 2 3.64（3.2）= 0.055 × 4.5 × (同理得剪切应力为：τ = 0.37 p max接合成应力公式为：D 80.985 = 0.37 × 4.5 × = 37.04 N / cm 2 c1 3.64（3.3）σ ∑ = σ 2 + 3τ 2 = 1.232 + 3 × 37.04 2 = 38.64 N / mm 2（3.4）20四川交通职业技术学院毕业设计 考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力[σ ] = 30 ~ 40 N / mm 2 ， σ ∑ & [σ ] ，校核合格。3.1.4 活塞裙部的设计活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。活塞沿气缸往复运动时，依靠裙部 起导向作用，并承受由于连杆摆动所产生的侧压力 N 。所以裙部的设计要求，是保证活塞得到良 好的导向，具有足够的实际承压面积，能形成足够厚的润滑油膜，既不因间隙过大发生敲缸，引 起噪音和加速损伤，也不因间隙过小而导致活塞拉伤。 分析活塞在发动机中工作时裙部的变形情况。首先，活塞受到侧向力的作用。承受侧向力作 用的裙部表面，一般只是在两个销孔之间的弧形表面。这样，裙部就有被压偏的倾向，使它在活 塞销座方向上的尺寸增大；其次，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 在活塞销座的跨度内发生弯曲变形，使整个活塞在销座方向上的尺寸变大；再次，由于温度升高 引起热膨胀，其中销座部分因壁厚较其它部分要厚，所以热膨胀比较严重。三种情况共同作用的 结果都使活塞在工作时沿销座方向涨大，使裙部截面的形状变成为“椭圆”形，使得在椭圆形长 轴方向上的两个端面与气缸间的间隙消失，以致造成拉毛现象。在这些因素中，机械变形影响一 般来说并不严重，主要还是受热膨胀产生变形的影响比较大[11]。 因此，为了避免拉毛现象，在活塞裙部与气缸之间必须预先流出较大的间隙。当然间隙也不 能留得过大，否则又会产生敲缸现象。解决这个问题的比较合理的方法应该使尽量减少从活塞头 部流向裙部的热量，使裙部的膨胀减低至最小；活塞裙部形状应与活塞的温度分布、裙部壁厚的 大小等相适应[12]。 本文采用托板式裙部，这样不仅可以减小活塞质量，而且裙部具有较大的弹性，可使裙部与 气缸套装配间隙减小很多，也不会卡死。 把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。在设计时把裙部横断截面制成长轴是 在垂直与活塞销中心线方向上，短轴平行于销轴方向的椭圆形。常用的椭圆形状是按下列公式设 计的：?θ =D?d (1 ? cos 2θ ) 4（3.4）式中 D 、 d 分别为椭圆的长短轴，如图 3.3 所示。 缸径小于 100mm 的裙部开槽的活塞，椭圆度（ ? ）的大小，一般为 ? = 0.1 ~ 0.25mm 。21四川交通职业技术学院毕业设计图 3.3 活塞销裙部的椭圆形状[9] 1、裙部的尺寸 活塞裙部是侧压力 N 的主要承担者。为保证活塞裙表面能保持住必要厚度的润滑油膜，其表 面比压 q 不应超过一定的数值。因此，在决定活塞裙部长度是应保持足够的承压面积，以减少比 压和磨损。 在确定裙部长度时，首先根据裙部比压最大的允许值，决定需要的最小长度，然后按照结构 上的要求加以适当修改。 裙部单位面积压力（裙部比压）按下式计算：q=N max DH 2（3.5）式中： N max ―最大侧作用力，由动力计算求得， N max =2410.83 ND ―活塞直径， mm ；H 2 ―裙部高度， mm 。取 H 2 = 0.46 D = 0.46 × 84.985 = 37.253mm 。 则 q=2410.83 = 0.799 MPa 80.985 × 37.253 一般发动机活塞裙部比压值约为 0.5 ~ 1.5MPa ，所以设计合适。2、销孔的位置 活塞销与活塞裙轴线不相交，而是向承受膨胀侧压力的一面（称为主推力面，相对的一面称22四川交通职业技术学院毕业设计 为次推力面）偏移了 1 ~ 2mm ，这是因为，如果活塞销中心布置，即销轴线与活塞轴线相交，则 在活塞越过上止点，侧压力作用方向改变时，活塞从次推力面贴紧气缸壁的一面突然整个地横扫 过来变到主推力面贴紧气缸壁的另一面，与气缸发生“拍击” ，产生噪音，有损活塞耐久性。如果 把活塞销偏心布置，则能使瞬时的过渡变成分布的过渡，并使过渡时刻先于达到最高燃烧压力的 时刻，因此改善了发动机的工作平顺性[13]。3.2 活塞销的设计3.2.1 活塞销的结构、材料1、活塞销的结构和尺寸 活塞销的结构为一圆柱体，中空形式，可减少往复惯性质量，有效利用材料。活塞销与活塞 销座和连杆小头衬套孔的连接配合，采用“全浮式” 。活塞销的外直径 d 1 = (0.25 ~ 0.3) D ，取d1 = 0.271D = 22mm ，活塞销的内直径 d 2 = (0.65 ~ 0.75)d1 ，取 d 2 = 0.7 d1 = 15.393mm 活塞销长度 l = (0.8 ~ 0.9) D ，取 l = 0.8 D = 64.788mm 2、活塞销的材料 活塞销材料为低碳合金钢，表面渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。表面加工精度 及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。3.2.2 活塞销强度和刚度计算由 运 动学 知， 活 塞销 表面 受 到气 体压 力 Pg 和 往 复惯 性 力 Pj 的 共同 作 用， 总的 作 用力P∑ =
N ，活塞销长度 l = 64.788mm ，连杆小头高度 l1 = 26.388mm ，活塞销跨度l P = 29.4mm 。1、最大弯曲应力计算 活塞销中央截面的弯矩为M =P∑ (l + 2l P ? 1.5l1 ) 12（3.6）空心销的抗弯断面系数为 W = 0.1(1 ? α 4 ) d13 ， 其中α=d 2 15.393 = = 0.所以弯曲应力为σ =M W23四川交通职业技术学院毕业设计即σ=P∑ (l + 2l P ? 1.5l1 ) 1.2d13 (1 ? α 4 )=（3.7） × (64.788 + 2 × 29.4 ? 1.5 × 26.388) = 71.55MPa 1.2 × 22 3 × (1 ? 0.6997 4 )2、最大剪切应力计算 最大剪切应力出现在销座和连杆小头之间的截面上。横断截面的最大剪切应力发生在中性层 上[14]，其值按下式计算：τ max ==0.85 P∑ (1 + α + α 2 ) d 12 (1 ? α 4 )（3.8）0.85 ×
+ 0.6997 + 0.6997 2 ) = 41.09 MPa 22 2 (1 ? 0.6997 4 )已知许用弯曲应力 [σ ] = 230 ~ 500 MPa ；许用剪切应力 [τ ] = 120 ~ 220 MPa ，那么校核合 格。3.3 活塞销座3.3.1 活塞销座结构设计活塞销座用以支承活塞，并由此传递功率。销座应当有足够的强度和适当的刚度，使销座能 够适应活塞销的变形，避免销座产生应力集中而导致疲劳断裂；同时要有足够的承压表面和较高 的耐磨性。 活 塞 销 座 的 内 径 d 0 = 22mm ， 活 塞 销 座 外 径 d 一 般 等 于 内 径 的 1.4 ~ 1.6 倍 ， 取d = 1.5d 0 = 33mm ，活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销―销座系统的工作越可靠，所以，一般设 计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为 4 ~ 5mm ，但当制造精度有保证时， 两边共 2 ~ 3mm 就足够了，取间隙为 3mm 。3.3.2 验算比压力销座比压力为：q=P∑
= = 23.3MPa ≤ [q ] 2d 0 (l ? l P ) 2 × 22 × (64.788 ? 29.4)（3.9）一般 [ q ] ≤ 40 ~ 60 MPa 。24四川交通职业技术学院毕业设计3.4 活塞环设计及计算3.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计该发动机采用三道活塞环，第一和第二环为气环，第三环为油环。 第一道活塞环为桶形扭曲环，材料为球墨铸铁，表面镀铬。桶形环与缸筒为圆弧接触，对活 塞摆动适应性好，并容易形成楔形润滑油膜。 第二道活塞环为鼻形环，材料为铸铁，鼻形环可防止泵油现象，活塞向上运动时润滑效果好。 第三道是油环，是钢带组成环，重量轻，比压高，刮油能力强。 活塞环的主要尺寸为环的高度 b 、 环的径向厚度 t 。 气环 b = 1.5 ~ 3mm ， 油环 b = 3 ~ 5mm ， 取 b1 = 1.5mm ， b2 = 1.75mm ， b3 = 3mm 。活塞环的径向厚度 t ，一般推荐值为：当缸径 D 为50 ~ 100mm 时， t / D = 0.45 ~ 0.6 ，取 t = 0.5 D = 4.05mm 。3.4.2 活塞环强度校核活塞环在工作时，因剪应力和轴向力影响较小，所以只计算弯矩。活塞环的平均半径与径向 厚度之比 r0 / t 一般都大于 5，所以可按直杆弯曲正应力公式计算[9]。 1、工作状态下的弯曲应力 活塞断面的最大弯矩为：M max =由此可得最大弯曲应力 σ max 为：p0 bD ( D ? t ) 4（3.10）σ maxp0 bD ( D ? t ) M max = = 2 W bt 2 6（3.11）对于断面均压环其开口间隙 S 0 与活塞环平均接触压力 p 0 之间有如下关系：p0 = 0.1414 E将式（3.12）带入（3.11）并整理得：S0 t D D ( ? 1) 3 t t（3.12）25四川交通职业技术学院毕业设计σ max = 0.424 ES0 t D ( ? 1) 2 tMPa（3.13）式中： E ―材料的弹性模量，对合金铸铁 E = 1.2 × 10 MPa ；5S 0 ―活塞环的开口间隙， S 0 = 0.2 ~ 0.5mm ，取为 S 0 = 0.3mm ； D ―气缸直径， mm ； t ―活塞环径向厚度， mm0.3 4.05 则 σ max = 0.424 × 1.2 × 10 5 = 10.44MPa 80.985 2 ( ? 1) 4.05 活塞环工作时的许用弯曲应力为 200 ~ 450 MPa ，则校核合格。2、套装应力 活塞环往活塞上套装时，要把切口扳得比自由状态的间隙还大，对于均压环，此时的正对切 口处的最大套装弯曲应力为：′ σ max1 S0 × 3.9 3π t = E D m ( ? 1) 2 t 1? (1 ?（3.14）式中： m ―与套装方法有关的系数，根据套装方法的不同，其值为 1 ~ 2 ，一般取 m = 1.57 ，则′ σ max1 0.3 )× 3.9 3π 4.05 = 49.22MPa = × 1.2 × 10 5 80.985 1.57 ( ? 1) 2 4.05因环的套装时在常温下进行的，承受的应力时间甚短，所以套装应力的许用值大于工作应力 的许用值 10 ~ 30% ，所以校核合格。3.5 本章小结在活塞的设计过程中，分别确定了活塞、活塞销、活塞销座和活塞环的主要的结构参数，分 析了其工作条件，总结了设计要求，选择合适的材料，并分别进行了相关的强度和刚度校核，使 其符合实际要求。26四川交通职业技术学院毕业设计第４章 连杆组的设计4.1 连杆的设计4.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用1、工作情况 连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋 转运动。因此，连杆体除有上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动。 2、设计要求 连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此，在设计时应首先保证连杆具 有在足够的疲劳强度和结构钢度。如果强度不足，就会发生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂，造 成严重事故，同样，如果连杆组刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响。 所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。为此，必须 选用高强度的材料；合理的结构形状和尺寸。 3、材料的选择 为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，采用精选含碳量的优质中碳结构钢 45 模锻，表面喷丸强化处理，提高强度。4.1.2 连杆长度的确定设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度 l 它通常是用连杆比 λ = r / l 来说 明的，通常 λ = 0.25 ~ 0.3125，取 λ = 0.27 ， r = 40.23mm ，则 l = 0.27 × 40.23 = 149mm 。4.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算1、连杆小头的结构设计 连杆小头主要结构尺寸如图 4.1 所示，小头衬套内径 d 1 和小头宽度 B1 已在活塞组设计中确 定， d 1 = 22mm ， B1 = 26.388mm 。 为了改善磨损，小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套，衬套大多用耐磨锡青铜铸造，这种衬 套 的 厚 度 一 般 为 δ = 2 ~ 3mm ， 取 δ = 2.2mm ， 则 小 头 孔 直 径 d = 24.2mm ， 小 头 外 径D1 = (1.2 ~ 1.35)d ，取 D1 = 1.27 × 24.2 = 30.734mm 。2、连杆小头的强度校核 以过盈压入连杆小头的衬套，使小头断面承受拉伸压力。若衬套材料的膨胀系数比连杆材料27四川交通职业技术学院毕业设计 的大，则随工作时温度升高，过盈增大，小头断面中的应力也增大。此外，连杆小头在工作中还 承受活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩，可见工作载荷具有交变性。上述载荷的 联合作用可能使连杆小头及其杆身过渡处产生疲劳破坏，故必须进行疲劳强度计算[9]。图 4.1 连杆小头主要结果尺寸 （1）衬套过盈配合的预紧力及温度升高引起的应力 计算时把连杆小头和衬套当作两个过盈配合的圆筒，则在两零件的配合表面，由于压入过盈 及受热膨胀，小头所受的径向压力为：? + d? t (α ′ ? α ) d p= MPa 2 2 1 D1 + d 1 D12 + d 12 [ + ?] + [ 2 ? ? ′] E D12 ? d 2 E ′ D1 ? d 12式中： ? ―衬套压入时的过盈， mm ； 一般青铜衬套 ? d 1 = 0.0002 ~ 0.0015 ，取 ? = 0.0008 × 22 = 0.0176mm ， 其中： ? t ―工作后小头温升,约 100 ~ 150 °C ；（4.1）α ―连杆材料的线膨胀系数，对于钢 α = 1.0 × 10 ?5 (1 / °C ) ；α ′ ―衬套材料的线膨胀系数，对于青铜 α ′ = 1.8 × 10 ?5 (1 / °C ) ；? 、 ? ′ ―连杆材料与衬套材料的伯桑系数，可取 ? = ? ′ = 0.3 ；E ―连杆材料的弹性模数，钢 E = 4..2 × 10 5 MPa [10]； E ′ ―衬套材料的弹性模数，青铜 E ' = 2.2 × 10 5 MPa ；计算小头承受的径向压力为：28四川交通职业技术学院毕业设计（ × 0.0176 + 24.2 × 120 × 1.8 ? 1.0） 10 ?5 24.2 = 16.74 N p= 2 2 1 30.734 + 24.2 1 24.2 2 + 22 2 [ + 0.3] + [ ? 0.3] 4.2 × 10 5 30.734 2 ? 24.2 2 2.2 × 10 5 24.2 2 ? 22 2由径向均布力 p 引起小头外侧及内侧纤维上的应力，可按厚壁筒公式计算， 外表面应力σa = p σi = p2d 2 2 × 24.2 2 = 16.74 × = 54.63 N / mm 2 2 2 2 2 D1 ? d 30.734 ? 24.22 D1 + d 2 30.734 2 + 24.2 2 = 31.865 × = 71.37 N / mm 2 2 2 2 2 D1 ? d 30.734 ? 24.2（4.2）内表面应力（4.3）σ a 和σ i 的允许值一般为100 ~ 150 N / mm 2 ，校核合格。（2）连杆小头的疲劳安全系数 连杆小头的应力变化为非对称循环，最小安全系数在杆身到连杆小头的过渡处的外表面上为：n=σa + φσ σ m εσσ -1（4.4）式中：σ -1 ―材料在对称循环下的拉压疲劳极限，σ -1 = 2.5 ~ 3.5 × 10 2 N/mm 2 （合金钢），取 σ -1 = 3 × 10 2 N / mm 2 ； φσ ―材料对应力循环不对称的敏感系数，取 φσ =0.2；71.37 + 54.63 = 63 N / mm 2 ； 2 71.37 ? 54.63 σ m ―平均应力， σ m = = 9.87 N / mm 2 ； 2σ a ―应力幅， σ a =ε σ ―工艺系数， ε σ = 0.4 ~ 0.6 ，取 0.5；则n=3 × 10 2 63 + 0.2 × 9.87 0 .5= 2.344连杆小头的疲劳强度的安全系数，一般约在 2.0 ~ 5.0 范围之内[4]。 3、连杆小头的刚度计算 当采用浮动式活塞销时，必须计算连杆小头在水平方向由于往复惯性力而引起的直径变形， 其经验公式为:29四川交通职业技术学院毕业设计3 Pjmax d m (? 3 ? 90 ° ) 2δ=EI × 10 6（4.5）式中： δ ―连杆小头直径变形量， mm ；d m ―连杆小头的平均直径， mm ；I ―连杆小头断面积的惯性矩，B1 h 3 26.388 × 6.534 3 I= = = 613.43mm 4 12 12则δ= ×30.734 + 24.2 2 （ ° ? 90 °） 105 2 = 0.0053mm 4.2 × 10 5 × 613.43 × 10 6对于一般发动机，此变形量的许可值应小于直径方向间隙的一半，标准间隙一般为0.012 ~ 0.031mm ，则校核合格。4.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算1、连杆杆身结构的设计 连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身截面宽度 B 约等于(0.26 ~ 0.3) D ( D 为气缸直径)，取 B = 0.27 D = 21.87 mm ，截面高度 H = (1.5 ~ 1.8) B ，取H = 1.65 B = 36.08mm 。为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。 2、连杆杆身的强度校核 连杆杆身在不对称的交变循环载荷下工作，它受到位于计算断面以上做往复运动的质量的惯 性力的拉伸，在爆发行程，则受燃气压力和惯性力差值的压缩，为了计算疲劳强度安全系数，必 须现求出计算断面的最大拉伸、压缩应力。 （1）最大拉伸应力 由最大拉伸力引起的拉伸应力为：σ 1 = Pj max f m（4.6）式中： f m ―连杆杆身的断面面积，汽油机 f m = (0.02 ~ 0.035) A ， A 为活塞投影面积，取f m = 0.03 ×πD 24= 154.45mm 。则最大拉伸应力为：σ 1 = 4.45 = 68.11 MPa30四川交通职业技术学院毕业设计 （2）杆身的压缩与纵向弯曲应力 杆身承受的压缩力最大值发生在做功行程中最大燃气作用力 p g max 时，并可认为是在上止点， 最大压缩力为：Pc = p g max ? Pj=
N（4.7）连杆承受最大压缩力时，杆身中间断面产生纵向弯曲。此时连杆在摆动平面内的弯曲，可认 为连杆两端为铰支，长度为 l = 149mm ；在垂直摆动平面内的弯曲可认为杆身两端为固定支点， 长度为 l ' = l ? 24.2 2 ? 47.8 2 = 113mm ，因此在摆动平面内的合成应力为：P l2 σ x = (1 + c f m ) c Ix fm式中： c ―系数，对于常用钢材， c = 0.0003 ~ 0.004 ，取 c = 0.002 ；（4.8）I x ―计算断面对垂直于摆动平面的轴线的惯性矩， mm 4 。Ix = 1 1 30.734 ? 24.2 3 [ BH 3 ? ( B ? t )h 3 ] = [21.87 × 30.08 3 ? (21.87 ? 4.374) × ( ) ] 12 12 2=
mm 4 ；将式（4.8）改为：σ x = k1式中 k1 ―连杆系数， k1 = 1 + c 则摆动平面内的合成应力为：Pc fm（4.9）l2 149 2 f m = 1 + 0.002 × × 154.45 = 1.14 ； Ix σ x = 1.14 × = 129.33 MPa 154.45同理，在垂直于摆动平面内的合成应力为：σ y = (1 + cIy =P l2 fm ) c 4I y fm（4.10）1 1 30.734 ? 24.2 30.734 ? 24.2 [( H ? h) B 3 + ht 3 ] = [(30.08 ? ) × 21.87 3 + × 4.374 3 ] 12 12 2 2= 23395.57 mm 4将式（4.10）改成31四川交通职业技术学院毕业设计σ y = k2式中： k 2 ―连杆系数， k 2 = 1 + cPc fm（4.11）l2 149 2 f m = 1 + 0.002 × × 154.45 = 1.1 。 4I y 4 × 23395.57则在垂直于摆动平面内的合成应力为：σ y = 1 .1 × = 124.79 MPa 154.45σ x 和 σ y 的许用值为 250 ~ 400 MPa ，所以校核合格。（3）连杆杆身的安全系数 连杆杆身所受的是非对称的交变循环载荷，把 σ x 或 σ y 看作循环中的最大应力，看作是循环 中的最小应力，即可求得杆身的疲劳安全系数。 循环的应力幅 σ a 和平均应力 σ m ，在连杆摆动平面为：σa = σm =在垂直摆动平面内为：σ x ? σ12=129.33 ? 68.11 = 30.61 MPa 2 129.33 + 68.11 = 98.72 MPa 2（4.12）σ x + σ12=（4.13）σa = σm =连杆杆身的安全系数为：σ y ?σ12=124.79 ? 68.11 = 28.34 MPa 2 124.79 + 68.11 = 96.45 MPa 2（4.13）σ y + σ12=（4.14）n=σa + φσ σ m εσ2σ -1（4.15）式中： σ -1 ―材料在对称循环下的拉压疲劳极限， σ -1 = 2.5 ~ 3.5 × 10 2 N/mm （合金钢），取σ -1 = 2.5 × 10 2 N/mm 2 ； φσ ―材料对应力循环不对称的敏感系数，取 φσ =0.2；32四川交通职业技术学院毕业设计ε σ ―工艺系数， ε σ = 0.4 ~ 0.6 ，取 0.45。则在连杆摆动平面内连杆杆身的安全系数为：n=2.5 × 10 2 = 2 .8 30.61 + 0.2 × 98.72 0.45在垂直摆动平面内连杆杆身的安全系数为：2.5 × 10 2 n= = 3 .0 28.34 + 0.2 × 96.45 0.45杆身安全系数许用值在 1.5 ~ 3 的范围内，则校核合格。4.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算1、连杆大头的结构设计与主要尺寸 连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径 D2 、长度 B2 、连杆轴瓦厚度 δ 2 和连杆螺栓 直径 d m 。其中在 D2 、 B2 在曲轴设计中确定， D2 = 47.8mm ， B2 = 26.73mm ，则大头宽度b2 = 26.73mm ，轴瓦厚度 δ 2 = 1.5 ~ 3）mm ，取 δ 2 = 2.5mm ，大头孔直径 d 2 = 50.3mm 。 （连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度 H 1 ≈ H 2 ≈ (0.35 ~ 0.5) d 2 ，取H 1 = 0.45d 2 = 22.64mm ，取 H 2 = 0.43d 2 = 21.63mm ，为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离 C = (1.24 ~ 1.31) d 2 ，取 C = 1.27 d 2 = 63.881mm ，一般螺栓孔外侧壁厚不小 于 2 毫米，取 3 毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。 2、连杆大头的强度校核 假设通过螺栓的紧固连接，把大头与大头盖近似视为一个整体，弹性的大头盖支承在刚性的 连杆体上，固定角为 α 0 ，α 0 通常取 40° ，作用力通过曲柄销作用在大头盖上按余弦规律分布，大 头盖的断面假定是不变的，且其大小与中间断面一致，大头的曲率半径为 C 2 。 连杆盖的最大载荷是在进气冲程开始的，计算得：P2 = Pj max + Pr =
= 17443.48 N作用在危险断面上的弯矩 M 1 和法向力 N 1 由经验公式求得：33四川交通职业技术学院毕业设计M 1 = P2 ×C 63.881 (0.0127 + 0.00083α 0 ) = 17443.48 × × 0.0127 + 0.00083 × 40） 25545.2 （ = 2 2（4.16）N 1 = P2 (0.522 + 0.003α 0 ) = 17443.48 × (0.522 + 0.003 × 40) = 11198.71N由此求得作用于大头盖中间断面的弯矩为：M=M1 I′ 1+ I（4.17）作用于大头盖中间断面的法向力为：N=N1 A′ 1+ A（4.18）式中： I ， I ′ ―大头盖及轴瓦的惯性矩， mm 4 ，B h3 I= 2 = 12B2 (C?d 3 63.881 ? 50.3 3 ) 26.73 × ( ） 2 2 = = mm 4 12 12I‘ =B 2 h 3 B 2 δ 3 26.73 × 2.5 3 = = = 34.81mm 4 ， 12 12 12A ， A′ ―大头盖及轴瓦的断面面积， mm 2 ，A = B 2 h = 26.73 × 63.881 ? 50.3 = 181.51mm 2 ， 2A′ = B 2 × δ = 26.73 × 2.5 = 66.825mm 2 ，在中间断面的应力为：σ=M N + W A（4.18）式中： W ―大头盖断面的抗弯断面系数，B h2 W= 2 = 6计算连杆大头盖的应力为：26.73 × (63.881 ? 50.3 ) 2 = 1394.93mm 3 6M1 N1 98.71 34.81 66.825 I′ A′ 1+ 1+ 1+ 1+
+ 181.51 = 63.29 MPa I + A = σ= W A .51一般发动机连杆大头盖的应力许用值为 150 ~ 200 MPa ，则校核合格。34四川交通职业技术学院毕业设计4.2 连杆螺栓的设计4.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力根 据 气 缸 直 径 D 初 选 连 杆 螺 纹 直 径 d M ， 根 据 统 计 d M = (0.1 ~ 0.12) D ， 取d M = 0.1D = 8.09mm 。发动机工作时连杆螺栓受到两种力的作用：预紧力 P 和最大拉伸载荷 Pj ，预紧力由两部分组 成：一是保证连杆轴瓦过盈度所必须具有的预紧力 P1 ；二是保证发动机工作时，连杆大头与大头 盖之间的结合面不致因惯性力而分开所必须具有的预紧力 P2 [15]。 连杆上的螺栓数目为 2，则每个螺栓承受的最大拉伸载荷 Pj 为往复惯性力 Pj 和旋转惯性力′Pr 在气缸中心线上的分力之和，即° ′ Pj + Pr × cos α
× cos 13 = = 18633.01N Pj = 2 2（4.19）由实测统计可得 轴瓦过盈量所必须具有的预紧力 P1 由轴瓦最小应力 σ min = 200 ~ 300 MPa ，P1 一般为 10 ~ 65 N ，取 30 N ，由于发动机可能超速，也可能发生活塞拉缸， P2 应较理论计算值′ 大些，一般取 P2 = 0.75 ~ 0.8）Pj′max ，取 P2 = 0.75 Pmax = 13043.11N 。 （4.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算连杆螺栓预紧力不足不能保证连接的可靠性，但预紧力过大则可能引起材料超出屈服极限， 则应校核屈服强度，满足σ=σ P & s Fmin nπd M 24 =（4.20）式中： Fmin ―螺栓最小截面积， Fmin =π × 8.09 24= 51.38mm 2 ；P ―螺栓的总预紧力， P = P1 + P2 = 30 + 13043.11 = 13073.11N ；n ―安全系数， n = 1.5 ~ 2.0 ，取 1.7；σ s ―材料的屈服极限，一般在 800 MPa 以上[16]。35四川交通职业技术学院毕业设计 那么连杆螺栓的屈服强度为：σ=σ& σsn =13073.11 = 254.43MPa 51.38800 = 470.59 MPa 则校核合格。 1 .74.3 本章小结本章在设计连杆的过程中，首先分析了连杆的工作情况，设计要求，并选择了适当的材料， 然后分别确定了连杆小头、连杆杆身、连杆大头的主要结构参数，并进行了强度了刚度的校核， 使其满足实际加工的要求，最后根据工作负荷和预紧力选择了连杆螺栓，并行检验校核。36四川交通职业技术学院毕业设计第 5 章 曲轴的设计5.1 曲轴的结构型式和材料的选择5.1.1 曲轴的工作条件和设计要求曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩作用下 工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。 由于曲轴弯曲与扭转振动而产生附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生的严 重的应力集中。特别在曲柄至轴颈的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现 象尤为突出。所以在设计曲轴时，要使它具有足够的疲劳强度，尽量减小应力集中现象，克服薄 弱环节，保证曲轴可靠工作。 如果曲轴弯曲刚度不足，就会大大恶化活塞、连杆的工作条件，影响它们的工作可靠性和耐 磨性，曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动，所以设计曲轴时，应保 证它有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度。 此外，曲轴主轴颈与曲柄销时再高比压下进行高速转动的，因而还会产生强烈的磨损。所以 设计曲轴时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条 件。5.1.2 曲轴的结构型式曲轴的设计从总体结构上选择整体式，它具有工作可靠、质量轻的特点，而且刚度和强度较 高，加工表面也比较少。为了提高曲轴的弯曲刚度和强度，采用全支撑半平衡结构[11]，即四个曲 拐，每个曲拐的两端都有一个主轴颈，如图 5.1 所示：图 5.1 曲轴的结构型式5.1.3 曲轴的材料在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命，37四川交通职业技术学院毕业设计 作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求高度的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。 同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。 以铸代锻，以铁代钢。高强度球墨铸铁的出现为铸造曲轴的广泛采用提供了前提。 球墨铸铁就其机械性能和使用性能而言，比其它多种铸铁都要好。球墨铸铁曲轴可以铸成复 杂的合理的结构形状，使其应力分布均匀，金属材料更有效地利用，加上球铁材料对断面缺口的 敏感性小，使得球铁曲轴的实际弯曲疲劳强度与正火中碳钢相近。 该发动机曲轴采用球墨铸铁铸造而成。5.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计5.2.1 曲柄销的直径和长度在考虑曲轴轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径 D2 。在现代发动机设计中，一般趋向于 采用较大的 D2 值，以降低曲柄销比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。但是，曲 柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，随曲轴及轴承的工作带来不利， 对于汽油机， D2 / D = 0.60 ~ 0.65 ， D 为气缸直径，已知 D =80.985 mm ，则，曲柄销直径取为D2 =0.60 D =47.80 mm 。曲柄销的长度 l 2 是在选定的基础上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发， 应使 l 2 控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调，根据统计 l 2 / D2 = 0.50 ~ 0.70 ，取l 2 =0.59 D2 =28 mm 。轴颈的尺寸，最后可以根据承压面的投影面积 F2 = 0.01D2 l 2 与活塞投影面积 F = 来校核，此比值据统计在范围内，而且汽油机偏下限。 那么由π4D 2 之比F2 0.01D2 l 2 0.01 × 47.8 × 28 = = = 0.26 ，则长度取值合适。 π 2 π F D × 80.985 4 45.2.2 主轴颈的直径和长度为了最大限度地增加曲轴的刚度，适当地加粗主轴颈，这样可以增加曲轴轴颈的重叠度，从 而提高曲轴刚度，其次，加粗主轴颈后可以相对缩短其长度，从而给加厚曲柄提高其强度提供可 能。从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取 D1 = (1.05 ~ 1.25) D2 ，取 D1 =1.13 D2 =54 mm 。38四川交通职业技术学院毕业设计 由于主轴承的负荷比连杆轴承轻，主轴颈的长度 l1 一般比曲柄销的长度短，这样可满足增强 刚性及保证良好润滑的要求。 据统计 l1 / D = 0.3 ~ 0.4 ，取 l1 =0.31 D =25.11 mm 。5.2.3 曲柄曲柄应选择适当的厚度、宽度，以使曲轴有足够的刚度和强度。为提高曲柄的抗弯能力，适 当增加曲柄的厚度，曲柄的形状采用椭圆形，为了能最大限度地减轻曲轴的重量，并减小曲柄相 对于主轴颈中心的不平衡旋转质量，将曲柄上肩部多余的金属削去。根据统计，曲柄的宽度b / D = 0.75 ~ 1.2，取b = 1.1D = 89.3mm，厚度h / D = 0.18 ~ 0.25，取h = 0.22 D = 18.08mm 。曲柄臂以凸肩接主轴颈和曲柄销。凸肩的厚度 δ 根据曲轴加工工艺决定。全加工曲轴 δ 的只 有 0.5~1 mm ，取 δ =1 mm 。 曲柄销和主轴颈至曲柄臂凸肩的过渡圆角对应力集中程度影响最大，加大圆角半径 ρ 可使圆 角应力峰值降低，故 ρ 宜取大，至少不能小于 0.05 D2 或 2.5 mm ，取 ρ =3 mm 。5.2.4 平衡重对四拐曲轴来说，作用在第 1、2 拐和第 3、4 拐上的离心惯性力互成力偶。这两个力偶大小 相等、方向相反，所以从整体上讲是平衡的，但是这两个力偶却还是作用在曲袖上了，曲轴这两 个对称力偶的作用下可能发生弯曲变形。由于曲轴是安装在机体的主轴承中的，所以曲轴发生弯 曲变形时上述力偶就将也部分地作用在机体上，使机体承受附加弯曲力偶的作用，尤其是在此情 况下主轴承的工作条件也要变坏。安装平衡重，改善曲轴本身和机体的受力情况，尤其改善了主 轴承的工作条件。 设计时，平衡重对主轴承工作情况的影响是利用主轴颈载荷图来进行估算的。没有平衡重时， 由于离心惯性力的影响，主轴颈表面所受载荷的分布可能很不均匀，一部分轴颈表面所受载荷很 大，但另一部分轴颈表面却完全不承受载荷。通过安装平衡重可以抵消一部分离心惯性力，从而 使轴颈表面的载荷分布比较均匀些，与此同时轴颈和轴承表面的平均载荷也可以相应下降。它意 味着轴颈的磨损也可以比较均匀，而不是集中磨一处，防止因偏磨而很决失圆损坏[10]。 设计平衡重时，应尽可能使平衡重的重心远离曲轴旋转中心，即用较轻的重量达到较好的效 果，以便尽可能减轻曲轴重量。平衡重的径向尺寸和厚度以不碰活塞裙底和连杆大头能通过为限 度。将平衡重与曲轴铸成一体，时加工较简单，并且工作可靠。39四川交通职业技术学院毕业设计5.2.5 油孔的位置和尺寸为保证曲轴轴承工作可靠，对它们必需有充分的润滑。曲轴中油道的尺寸和布置直接影响它 的强度和刚度，同时也影响轴承工作的可靠性。 润滑油一般从机体上的主油道通过主轴承的上轴瓦引入。从主轴颈向曲柄销供油采用斜油道， 主轴颈上的油孔入口应保证向曲柄销供油足够充分，曲柄销上油孔的出口应设在负荷较低区，用 以提高向曲柄销的供油能力。曲柄销油孔选择在曲拐平面运转前方 ? = 45° ~ 90° 的范围内。由于 油道位于曲拐平面内， 油道出口处应力集中现象严重， 当油道中心线与轴颈中心线的夹角 θ & 30° 时，最大应力增加很快，因此油孔设在 θ 小于 30° 处[10]。 油道的孔径一般在1 D2 左右，取为 4 mm 。 105.2.6 曲轴两端的结构曲轴上带动辅助系统的正时齿轮和皮带轮一般装在曲轴的前端，因为结构简单，维修方便。 发动机的配气机构也是由曲轴自由端驱动。这是应为曲轴自由端的轴颈允许较细，可以采用节圆 直径小的齿轮，消除扭转振动的减振器装在曲轴前端，因为这里的振幅最大。 在曲轴自由端从曲轴箱伸出去额地方必须考虑密封。一方面防止曲轴箱中的机油由这里漏出 去，另一方面也防止外面的尘土等进入。密封是用甩油环和密封装置所组成，密封装置可以是密 封圈，也可以是螺纹迷宫槽。所谓迷宫槽是在轴上或在曲轴箱的对应孔壁上制出螺纹，螺纹的螺 旋方向与轴的螺旋方向相反。当机油漏入轴与孔之间的间隙中时，依靠机油的粘性和螺纹，把机 油像个螺母一样地退了回去，不使它漏出机体外[17]。 曲轴后端（功率输出端）设有法兰，飞轮与后端用螺栓和定位销连接。螺栓应拧得足够紧， 以便能够依靠飞轮与法兰之间的摩擦力矩传输出曲轴的最大转矩。定位销用来保证重装飞轮时保 持飞轮与曲轴的装配位置。故定位销的布置是不对称的或只有一个。这种连接方式结构简单，工 作可靠。为了提高曲轴的扭转刚度，从最后一道主轴承到飞轮法兰这一轴段应该尽量粗短[13]。5.2.7 曲轴的止推曲轴由于受热膨胀而伸长或受斜齿轮即离合器等的轴向力会产生轴向移动，为了控制发动机 在工作时曲轴的轴向窜动，在曲轴上设置有轴向定位装置，同时为了保证曲轴在受热膨胀时有一 定的自由伸长量，所以曲轴上只能有一处轴向定位。 从降低曲轴和机体加工尺寸链精度要求出发，止推轴承设在中间主轴承的两边。在第三主轴 颈处设置轴向止推片，止推片为四片。 曲轴轴向间隙应保持 ? = 0.05 ~ 0.2mm ，其它各主轴承端面间隙应保证曲轴受热伸长时能自 由延伸。40四川交通职业技术学院毕业设计5.3 曲轴的疲劳强度校核由于曲轴工作时承受交变载荷，它的破坏往往都由疲劳产生，因此，需要进行疲劳验算。由 于实际的曲轴是一个多支承的静不定系统，理论上应按照连续梁的概念来求解支承弯矩和支反力， 因为它考虑了支承的弹性安装不同心度以及支座弯矩等因素对曲轴应力的影响。 连续梁计算方法为： 把曲轴简化为支承在刚性支承上的圆柱形连续直梁， 根据连续梁支承处偏 转角相等的变形协调条件，推导出各支承偏转角变化总和为零的连续方程，这种方法在各单位曲 拐长度相等的情况下认为它们的刚度相等，免去繁杂的曲拐刚度计算，同时又由于不考虑支座弹 性等，得到三弯矩方程，借助三弯矩方程进行计算，得各支承处在曲拐平面和曲拐平面的垂直面 、 内的弯矩，然后把第 i 支承和第 i + 1 支承点处的主轴颈截面的弯矩 M y i （曲拐平面内） My y + 1 （曲拐平面的垂直面内）和 Mxi +1 、 My i +1 作为载荷加到图 5.2 中的曲拐受力模型上，再根据此新 模型确定各支反力、各危险截面的内力矩，进而计算各名义应力[17]。5.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩1、计算公式及其推导 如图 5.2 所示，把曲轴简化为等圆截面梁，且由于假设各轴颈按等高度刚性点支承，即不考 虑支座弹性及加工形成的不同轴度，以集中方式加载，且各拐集中力作用在各曲柄销中央，平衡 重离心力作用在平衡块宽度中，为了保持转换前后的一致，需在铰链处作用弯矩，再根据支承二 端转角相等的变形协调条件，保证各中间支承的连续性。 由材料力学知：在 i 支承处左端梁转角 φ i 和右端梁转角 φ i 为（若 a = b ） ：L RφiL = φiR =LM iL × L0 M iR1 × L0 Z i ?1 × L2 0 ? ? ? 3EI 6 EI 16 EI M iR × L0 M iL 1 × L0 Z i × L2 0 ? + + 3EI 6 EI 16 EI（5.1）（5.2）由变形协调条件 φ i = φ i ，R41四川交通职业技术学院毕业设计图 5.2 连续梁受力图M iL × L0 M iR1 × L0 Z i ?1 × L2 M iR × L0 M iL 1 × L0 Z i × L2 0 0 ? + + ? ? ? = 3EI 6 EI 16 EI 3EI 6 EI 16 EI又因为 M i = ? M i ，所以 8M i ?1 + 32 M i + 8M i +1 = 3( Z i + Z i ?1 ) L0L R L L L（5.3）设第一支承和最后一个支承处的弯矩为零，即 M 1 = M 5 = 0 。 上式中包含 i ? 1 ，i ，i + 1 三个支承处的内弯矩，故称三弯矩方程。连续梁有多少个内支承就 可以建立多少各这样的三弯矩方程，以此可求出支承处的内弯矩[18]。 2、曲拐平面内支承弯矩计算 已知 L0 =28+25.11+18.08 × 2=89.27 mm ，当 i =2， i =3， i =4 时，由式（5.3）得三弯矩方程组 （5.4） ：?32M 2L + 8M 3L = 3( Z 2 + Z 1 ) L0 ? L L L ?32M 3 + 8M 2 + 8M 4 = 3( Z