【JX17-15】大众EA888 1.8L发动机活塞连杆设计与分析（二维+论文）
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【JX17-15】大众EA888 1.8L发动机活塞连杆设计与分析二维+论文
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【JX17-15】大众EA888 1.8L发动机活塞连杆设计与分析（二维+论文）,JX17-15,【JX17-15】大众EA888 1.8L发动机活塞连杆设计与分析二维+论文
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上海工程技术大学毕业设计（开题报告） 上汽大众EA888 1.8L发动机活塞连杆设计与分析 上汽大众EA888 1.8L发动机活塞连杆设计与分析 开题报告何晓波 062113110 一 选题背景及意义1.1 发动机活塞连杆组：近年来，随着汽车行业的迅猛发展，汽车工业的发展与创新也进入了新的篇章，节能环保的汽车已经逐渐的成为了人们推崇的新式汽车理念，在不久的将来必将成为汽车发展的主流，随着人们环保意识的增强，人们需要的不仅仅是舒适、实用，汽车的节能减排也成为了现代汽车发展的主要趋势。活塞是汽车发动机汽缸体中作往复运动的机件，其往往被成为发动机的心脏，是发动机中最重要的零件之一，其功用是有效的承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使着曲轴旋转，在发动机工作时，活塞直接与分布不均匀的高温气体相接触，在做功行程的过程中，活塞顶部承受着很大的气体压力。故活塞的工作环境非常恶劣，需承受着高温，高压的热负荷和机械负荷，因此活塞作为汽车发动机上最重要的部件来传递着能量，对其材料也具有一定的要求：、要有足够的刚度和强度，传力可靠。 、导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损； 、质量小、重量轻、尽可能减小往复惯性力；、成本低廉。因此活塞在汽车发动机中是一个重要的构件，如果发动机活塞设计不合理，即很难使发动机达到所预期的工作性能。连杆是发动机中的另一重要零件，它连接着活塞和曲轴，它的功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传递给曲轴用来作为输出功率。连杆在工作中，除要承受燃烧室燃气产生的一定压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此连杆在一个复杂的工况中进行工作，连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨。发动机活塞连杆组，在发动机工作时承受的工况是最严峻和苛刻的。活塞连杆组各部件的材料的选用和结构的不同，会使发动机的工作状态发生不同的变化。所以，合理地选用各部件的材料以及合理的结构设计对减小热应力、改善工作条件等都有一定的帮助，对发动机的工作效率有显著的提高，在当今汽车节能的发展上也能作出巨大的贡献。1.2 发动机活塞连杆组的工作原理活塞连杆组是发动机的传动件，它把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力。活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销以及连杆等组成活塞连杆组把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力；活塞的顶部还与汽缸盖，汽缸壁共同组成燃烧室，活塞的顶部直接与高温燃气接触，活塞的温度也很高，高温使活塞的机械性能下降，热膨胀量增加；活塞在做功行程中，承受燃气的高压冲击，活塞在汽缸中高速运动，平均速度达到812m/s，要求活塞质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨。二 国内外发动机活塞连杆组研究现状2.1 国内外汽车发动机连杆发展现状 现在裂解连杆常用材料，主要分为锻钢和粉末冶金两种，粉末冶金材料在北美使用较多，国内现在采用的则主要为锻钢材料。两种材料在主要技术指标上，是各有优势的，而在制造成本分布上，则有较大差异，在毛坯制造成本上，锻钢为 41% 左右，粉末冶金为 51% 左右，而在机加工成本上，锻钢在 46% 左右，粉末冶金为 40% 左右。相对于 C70S6 材料，新开发的 36MnVS4 和 46MnVS6 的疲劳性能可提高近 30%，这就意味着现生产的 C70S6 连杆具有很大的降重潜力；与最强的粉末冶金材料 3Cu6C 连杆相比，46MnVS6 的疲劳强度大 20%，这就意味着现生产粉末冶金锻造连杆如采用高牌号的锻钢材料，连杆重量也会适当的降低；对于锻造及粉末冶金材料，两者的材料性能离散率没有大的区别，尽管在数值上锻钢的稍大。汽车技术的发展，对发动机的性能提出的要求越来越高，连杆是发动机的关键零件之一，对连杆的要求是高强度、轻量化、低成本。我国各大汽车集团的主机厂发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，不论从锻件的强度，表面强化技术，还是尺寸精度及产品的稳定性方面，都接近国外发达国家的水平。配件厂近年技术有所提升，但还存在一些问题，锻件成形及控冷技术落后，产品性能不稳定。在连杆轻量化方面，我国还相当落后。2.2 发动机连杆的发展趋势现阶段汽车发动机连杆材料主要的发展趋势为采用轻质的金属基复合型材料。金属基复合型材料在强度、质量及成本等方面相对于其他连杆材料有着较大的优势。现阶段应重点解决的为金属基复合型材料连杆装置的制造生产工艺的具体成本问题。在具体的生产过程中可以采用粉末烧结锻造制备连杆的方式进行，这在很大程度上能够降低金属基复合型材料的生产成本，与传统的生产工艺相比，粉末锻造烧结的发动机连杆，其总体材料的使用能够降低大约 40%，生产总体的成本能够降低约 10%，在能源消耗的方面也能够降低约 50%，并且能够最大程度上实现发动机连杆的总体轻量化。优化选择合理的热压烧结参数，以上述制备出的金属复合粉末为原料，经预成型压制，在保护气氛中进行加热烧结及做锻造毛坯，然后在压力机上实现一次锻造成型。从汽车发动机发展的现状可以了解到，相较于过去，汽车发动已经获得长远的发展。根据汽车发动机发展的现状，就可以了解到汽车发动机发展趋势。首先，节能、环保发动机随之研发。从全球发展的趋势来看，汽车发动机将朝着节能、环保的方向发展。绿色发动机连杆的出现不仅体现出人与自然的和谐相处，同时也是人们节能环保的重要措施。在绿色发动机连杆中，绿色柴油发动机将成为主要的绿色、环保发动机。无论是从发动机的动力方面来说，还是从节能环保的角度，色柴油机的节油率将高出许多。由此可见，在以后的发展趋势中，绿色发动机连杆将成为汽车发展的主流。从调查中了解到，西方发达国家的绿色柴油机销量持续增长。目前汽车石油逐渐替代生物燃料与燃料电池，并在汽车发展中发挥良好状态。此外，在具体的生产过程当中应当根据实际的生产情况科学选用高能磨球参数，提升基体金属内部的均质性，进一步提升金属连杆的强度。钛合金连杆比钢制连杆的质量可减轻 30，由此可使连杆的往复惯性力大幅度的降低。通过对发动机在各种不同转速下曲轴连杆间最小油膜厚度的测量结果，钛合金连杆和钢制连杆在保持油膜厚度相同的条件下，应用钛合金连杆的发动机转速比用钢制连杆的发动机提高700r/min，由此可使发动机的输出功率大幅度提高。钛合金连杆还可显著地降低发动机的噪声，有利于环保。由于钛合金的成本比较高，目前应用的范围有限，通常是用在一些高性能赛车上。锻钢连杆在降重潜力及成本上具有粉末冶金连杆不可比拟的优势，是未来连杆用材的主要方向。三 主要研究内容3.1发动机活塞整个活塞主要可以分为活塞顶、活塞头和活塞裙3个部分。 图3.1活塞的主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。此外，活塞还与汽缸盖、汽缸壁共同组成燃烧室。活塞顶是燃烧室的组成部分，因而常制成不同的形状，汽油机活塞顶多采用平顶或凹顶，以便使燃烧室结构紧凑，散热面积小，制造工艺简单。凸顶活塞常用于二行程汽油机。柴油机的活塞顶常制成各种凹坑。活塞头部是活塞销座以上的部分，活塞头部安装活塞环，以防止高温、高压燃气窜入曲轴箱，同时阻止机油窜入燃烧室；活塞顶部所吸收的热量大部分也要通过活塞头部传给汽缸，进而通过冷却介质传走。活塞头部加工有数道安装活塞环的环槽，活塞环数取决于密封的要求，它与发动机的转速和汽缸压力有关。高速发动机的环数比低速发动机的少，汽油机的环数比柴油机的少。一般汽油机采用2道气环、1道油环；柴油机为3道气环、1道油环；低速柴油机采用34道气环。为减少摩擦损失，应尽量降低环带部分高度，在保证密封的条件下应力争减少环数。活塞环槽以下的所有部分称为活塞裙。其作用是引导活塞在汽缸中作往复运动并承受侧压力。发动机工作时，因缸内气体压力的作用，活塞会产生弯曲变形，活塞受热后，由于活塞销处的金属多，因此其膨胀量大于其他各处。此外，活塞在侧压力作用下还会产生挤压变形。上述变形的综合结果，使得活塞裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆。此外，由于活塞沿轴线方向温度和质量的分布都不均匀，导致了各断面的热膨胀是上大下小。3.2发动机活塞销活塞销是装在活塞裙部的圆柱形销子。它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，其作用是把活塞承受的气体作用力传给连杆，或使连杆小头带动活塞一起运动。为了减轻重量，活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有两种方式：“全浮式”安装和“半浮式”安装。活塞销不会作轴向窜动，不需要锁片。当活塞越过上止点时，侧推力作用方向改变，活塞从紧贴次推力面转为紧贴主推力面，与气缸发生拍击，产生噪音，有损活塞耐久性。如果采用活塞销座偏心布置，则能使瞬时的过渡变成分布过渡，并采用活塞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。但是采用活塞销座偏心布置的方法之后活塞销座的尖角负荷增大，引起这些部位的过渡磨损或变形。活塞销座偏心布置主要用于高速汽油机，可以简化装配过程。活塞销的作用是连接活塞和连杆，并传递活塞的力给连杆，是用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体。有全浮式连接和半浮式连接两种。全浮式是在发动机正常工作温度下活塞销在连杆小头孔和活塞销座孔中都能转动,而半浮式是销与销座孔和连杆小头一处固定一处浮动的。图3.23.3发动机活塞环 活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，活塞环分为两种：压缩环和机油环。压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。 图3.33.4发动机连杆连杆组由连杆体、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓（或螺钉）等组成。连杆组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨。图3.4四 拟采用的主要研究方法 技术路线： 1. 检索文献资料，市场调研，了解发动机活塞连杆的开发与使用情况； 2. 进行发动机活塞连杆机构（活塞，连杆等）的结构方案分析，确定该汽车发动机活塞连杆机构的结构形式； 3. 根据功能要求，进行发动机活塞连杆机构总体布置设计：根据性能要求，分析确定活塞的型号规格、连杆的结构尺寸等性能结构参数，并进行相关的性能分析计算； 4. 根据活塞连杆机构总体布置设计的结果以及零件的功能与性能要求，进行活塞连杆机构零件的图纸设计；5. 根据活塞连杆机构零件图，绘制活塞连杆机构装配图；6. 编写设计计算说明书，完成毕业设计（论文）。五 课题研究内容1. 活塞连杆机构方案的确定；2. 传动结构、倒档、操纵结构等布置方案选取；3. 轴系、齿轮、同步器等零件的设计与选型；4. 轴尺寸的计算和齿轮强度的校核；5. 活塞环的设计计算；6. 绘制总成装配图、（活塞，连杆）零件图7. 建总成三维模型，并对齿轮啮合做仿真分析六 本论文（设计）预期取得的成果具体来说，为保证活塞连杆机构有良好的工作性能，需要满足下列要求：1. 要有足够的刚度和强度，传力可靠；2. 导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；3. 质量小、重量轻、尽可能减小往复惯性力；七 论文进度安排（1）、11月18日 2月11日：收集相关上汽大众EA888 1.8L发动机活塞连杆的技术资料，并对其整理分析；（2）、2月12日 2月31日：据设计参数完成活塞连杆组选型以及方案初步设计；（3）、3月1日 3月20日：完成参数的设计计算并校核；（4）、3月21日 4月1日：绘制总成装配图以及活塞连杆组零件图；（5）、4月2日 4月11日：编写设计计算说明书；（6）、4月12日 4月20日：完成论文初稿，并交系里老师中期检查；（7）、4月21日 5月15日：修改完善论文，完成二稿、终稿并交至系里检查；（8）、5月16日 5月17日：制作PPT，进行答辩准备。参考文献1 余志生主编.汽车理论第5版M.北京:机械工业出版.2009.2 史文库 姚为民.汽车构造M.人民交通出版社.2013.3 徐兆坤.汽车发动机原理M.清华大学出版社.2010.4 宋新萍.汽车制造工艺学M.北京：清华大学出版社20
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