汽车曲柄连杆机构毕业设计

1目 录目 录 1第 1 章 曲柄连杆机构受力分析 11.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择 11.2 曲柄连杆机构运动学 11.1.1 活塞位移 21.1.2 活塞的速度 31.1.3 活塞的加速度 31.2 曲柄连杆机构中的作用力 41.2.1 气缸内工质的作用力 41.2.2 机构的惯性力 41.3 本章小结 11第 2 章 活塞组的设计 122.1 活塞的设计 122.1.1 活塞的工作条件和设计要求 122.1.2 活塞的材料 132.1.3 活塞头部的设计 132.1.4 活塞裙部的设计 182.2 活塞销的设计 202.2.1 活塞销的结构、材料 202.2.2 活塞销强度和刚度计算 202.3 活塞销座 2122.3.1 活塞销座结构设计 212.3.2 验算比压力 212.4 活塞环设计及计算 222.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计 222.4.2 活塞环强度校核 222.5 本章小结 23第 3 章 连杆组的设计 243.1 连杆的设计 243.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用 243.1.2 连杆长度的确定 243.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 243.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算 273.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算 303.2 连杆螺栓的设计 323.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力 323.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算 323.3 本章小结 33第 4 章 曲轴的设计 344.1 曲轴的结构型式和材料的选择 344.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 344.1.2 曲轴的结构型式 344.1.3 曲轴的材料 3434.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 354.2.1 曲柄销的直径和长度 354.2.2 主轴颈的直径和长度 354.2.3 曲柄 364.2.4 平衡重 364.2.5 油孔的位置和尺寸 374.2.6 曲轴两端的结构 374.2.7 曲轴的止推 374.3 曲轴的疲劳强度校核 384.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩 384.3.2 名义应力的计算 424.4 本章小结 44第 5 章 曲柄连杆机构的创建 455.1 对 Pro/E 软件基本功能的介绍 455.2 活塞的创建 455.2.1 活塞的特点分析 455.2.2 活塞的建模思路 455.2.3 活塞的建模步骤 465.3 连杆的创建 475.3.1 连杆的特点分析 475.3.2 连杆的建模思路 475.3.3 连杆体的建模步骤 4845.3.4 连杆盖的建模 495.4 曲轴的创建 495.4.1 曲轴的特点分析 495.4.2 曲轴的建模思路 495.4.3 曲轴的建模步骤 505.5 曲柄连杆机构其它零件的创建 525.5.1 活塞销的创建 525.5.2 活塞销卡环的创建 525.5.3 连杆小头衬套的创建 525.5.4 大头轴瓦的创建 525.5.5 连杆螺栓的创建 535.6 本章小结 53第 6 章 曲柄连杆机构装配 546.1 活塞及连杆的装配 546.1.1 组件装配的分析与思路 546.1.2 活塞组件装配步骤 546.1.3 连杆组件的装配步骤 556.2 定义曲轴连杆的连接 56参考文献 581第 1 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。1.1 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。1.2 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，图 2.1 中气缸中心线通过曲轴中心O，OB 为曲柄，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 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2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。1.1.1 活塞位移假设在某一时刻，曲柄转角为 ，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 ，如图 2.1 所示。当 = 时，活塞销中心 A 在最上面的位置 A1，此位置称为上止点。当 =1800 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= = =(r+ )1Ol)cos(lr= cos1()cos(r（2.1）式中： 连杆比。3式（2.1）可进一步简化，由图 2.1 可以看出： sinilr即 snl又由于 22sin1sin1cos（2.2）将式（2.2）带入式（2.1）得：x= )sin1(cos12r（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： 6422 sin1si8sin1sin1考虑到 13，其二次方以上的数值很小，可以忽略不计。只保留前两项，则22sisi（2.4）将式（2.4）带入式（2.3）得)sinco1(2rx（2.5）1.1.2 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 的精确值为v(2.6)v )cos2in(sirdtaxt将式（2.5）对时间 微分，便可求得活塞速度得近似公式为：21sin2si)2sin(i vrrrv （2.7）从式（2.7）可以看出，活塞速度可视为由 与 两部分si1rvsin)(2rv简谐运动所组成。当 或 时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当 时，018 904，此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。rv1.1.3 活塞的加速度将式（2.6）对时间 微分，可求得活塞加速度的精确值为：tcos2in4cs2o32 rdtavta（2.8）将式（2.7）对时间 为微分，可求得活塞加速度的近似值为：t21222 coscos)cos( arrra （2.9）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 与cos21r两部分组成。2cos2ra1.2 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。1.2.1 气缸内工质的作用力作用在活塞上的气体作用力 等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞gP顶面积的乘积，即)(42pDPg（2.10）式中： 活塞上的气体作用力， ；gPN缸内绝对压力， ；pMPa大气压力， ；活塞直径， 。Dm5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 ，对于四冲程发动机来说，一般取 =0.1 ， ,对于ppMPamD985.0缸内绝对压力 ，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 如表 2.2 所示。gP1.2.2 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 1.1 缸内绝对压力 计算结果p四个冲程终点压力 计算公式 计算结果/ MPa进气终点压力 dep)90.75.(ppde0.08压缩终点压力 co 1nedco1.46膨胀终点压力 exp2maxnexp0.45排气终点压力 r 15.r 0.115注： 平均压缩指数， =1.32 1.38； 压缩比， =9.3； 平均膨胀指数，1n1n2n=1.2 1.30； ； 最大爆发压力， =3 5 ，取 =4.5 ；此时压2maxpmaxpMPmaxpP力角 = ，取 = 。503表 1.2 气压力 计算结果g四 个 冲 程 /gPN进气终点 77.236压缩终点 -102.97膨胀终点 7001.933排气终点 1801.968（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 用两个换算质量 和 来代换，并假设是 集中作用在连杆小