毕业设计（论文）-卡丁车发动机关键零部件及动力系统设计（全套图纸）.doc

本 科 毕 业 设 计题目： 卡丁车发动机关键零部件及动 力系统设计 学院： 汽车工程学院 班级： 车辆14-2班 姓名： 指导教师： 职称： 教授 完成日期： 2018 年 5 月 26 日卡丁车发动机关键零部件及动力系统的设计摘 要卡丁车对大家来说可能是一个新名词，其实在很早以前，在欧美等一些发达国家就已经对卡丁车进行了推广，它是人们根据其英文单词“KARTING”的意思汉译过来的。它的结构布局也是十分的简洁灵活，因此受到了广大青年朋友的青睐，在欧美国家，人们的思维方式十分的活跃，与我们国家的人们有着很大的区别，并且欧美国家的人们更愿意动手去实践，早期的卡丁车就是爱思考的人们根据一些儿童娱乐车进行改造的，动力部分基本是利用摩托车发动机进行改造的，随着慢慢的积累，人们对卡丁车的认识也越来越深刻，就出现了现在比较正规的卡丁车模型。在欧美国家，刚开始人们把卡丁车用来作娱乐活动，然后经过一些时间的发展，以竞速为主的卡丁车运动逐渐发展起来，随着卡丁车赛事的发展，就出现了一些问题，例如没有正式的组织形式，没有统一的规则，所以在1962年，在汽联主席巴莱斯特的提议下行成了“CIKFIA”组织，专门进行卡丁车比赛规则的研制。 在此次卡丁车发动机及变速器设计中，我们用到了：文献研究法，即通过任务书中参考文献进行相关资料的查找过程。这种方法的优点在于能通过文献来得到大量的资料，它的应用有助于了解卡丁车的起源、发展历史及现在的研究状况；定量分析法，这主要是用在卡丁车发动机关键零部件的应力应变分析中，经过参数的设定，就会出现不同载荷下的应力云图，然后就可以根据图中变形的部位进行分析，然后重新取值进行优化；经验总结法，在计算发动机关键零部件的时候就用到了总结方法，在计算出零件的初值后，根据各种手册查阅的标准值，进行选取，在有些计算中我们选用了经验公式。经过上面资料的积累，使我在卡丁车发动机设计中有了一定的目标，在刚开始部分，我先进行了卡丁车的总体方案布置，然后进行卡丁车变速器的选择，最后进行各零部件的有限元分析，在此次设计中最新的成果是利用CATIA软件进行校核。关键词：卡丁车；发动机；曲轴；变速器；齿轮- I -AbstractKarting may be a new term for everyone. In fact, long ago, in some developed countries such as Europe and the United States, karting has been promoted. It is translated in accordance with the meaning of the English word “KARTING”. Its structural layout is also very concise and flexible, so it has been favored by a large number of young friends. In European and American countries, peoples way of thinking is very active, and it is very different from people in our country, and people in Europe and the United States are more willing to start working. To practice, early karting is a way for people who think about love to be transformed according to some childrens entertainment vehicles. The power part is basically transformed with a motorcycle engine. With the gradual accumulation, people are becoming more aware of karting. There is now a more formal kart model. In Europe and the United States, people began to use karts for recreational activities. After some time development, racing-based karts gradually developed. With the development of kart events, there have been some problems, such as no formal The organizational form did not have a uniform rule, so in 1962, under the proposal of the President of the Auto Group, Baleste became the CIK-FIA organization, which specializes in the development of rules for karting.In this kart engine and transmission design, we used: 1 literature research method, that is, through the reference book in the task book to find the relevant information. The advantage of this method is that it can obtain a large amount of information through the literature. Its application is helpful to understand the origin, development history and current research status of karting; 2 Quantitative analysis method, which is mainly used in key parts of karting engines. In the stress-strain analysis, after the parameter is set, the stress cloud diagram under different loads will appear, and then it can be analyzed according to the deformed parts in the diagram, and then be re-valued for optimization; 3 The experience-summarizing method is used to calculate the critical zero of the engine. When the parts are used, a summary method is used. After the initial values of the parts are calculated, the selection is made according to the standard values referenced in various manuals. In some calculations, we use empirical formulae.After the accumulation of the above information, I have a certain goal in the kart engine design. In the beginning, I first carried out the overall layout of the kart, and then go kart selection, and finally perform the finite element analysis of all parts The latest result in this design is the use of CATIA software for verification.Key words: karting; engine; crankshaft; transmission; gear- V -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论21.1 研究背景21.2 研究意义31.3 国内外研究现状31.3.1国外研究现状31.3.2 国内研究现状41.4 研究内容5第2章 卡丁车总体设计方案62.1卡丁车设计思路62.2 卡丁车发动机关键参数62.3 卡丁车变速器的主要参数72.4 卡丁车设计的主要内容8第3章 发动机关键零部件的设计计算93.1曲轴的设计93.1.1 曲轴的功用及工作条件93.1.2 曲轴设计的要求93.1.3 曲轴材料的选择103.1.4 曲轴结构的选择103.1.5 曲轴重要参数的选择103.1.6 曲轴结构的确定113.2 连杆组的设计123.2.1 连杆组的功用及工作条件123.2.2 连杆组的设计要求133.2.3 连杆组的材料选择133.2.4 连杆组重要参数的选择133.3活塞组的设计153.3.1活塞组的功用及工作条件153.3.2 活塞设计的原则163.3.3 活塞材料的选择163.3.4 活塞组重要参数的选择173.4 曲柄连杆机构的受力分析193.4.1曲轴、连杆的受力分析193.4.2 活塞受力分析243.5 曲轴、活塞的应力应变分析263.5.1 曲轴的应力分析263.5.2活塞的应力分析27第4章 变速器的设计计算294.1 变速器的功用及要求294.2 变速器结构方案的确定304.2.1 主要的设计内容304.2.2 挡数的选择304.2.3 传动机构方案的选择304.3 主要参数的确定314.3.1 中心距参数确定324.3.2 齿轮参数的确定334.3.3 各档传动比的计算344.3.4 各挡齿轮齿数的确定364.4 齿轮的应力应变分析374.4.1 齿轮的接触应力校核414.5 变速器轴的确定414.5.1 变速器输入轴的确定414.5.2 输入轴的应力应变分析43结 论50参考文献51致 谢52卡丁车发动机关键零部件及动力系统的设计第1章 绪论1.1 研究背景自人类文明诞生以来，一项又一项的发明创作随之落地。随着欧洲“文艺复兴”的逐渐兴起，人们的思想有了解放的萌芽，相伴而来的是从文学、艺术、雕塑三方面的突破。欧洲人们一直注重动手能力的培养，所以在工业上得到了飞速的发展，相继出现了欧洲第一次工业革命。直到现在，欧美国家的工业发展水平已经4.0的水平，我国相比人家，已经落后了一大步，但是，随着国家对工业的大力支持和发展，以“工业强国”为口号的号角已经在中国的大地上吹响。这是一个全新的时代的到来，我们国家的工业水平也进入了3.0的行列。随着人们对新事物的探索，卡丁车出现在了人们的视野中，它是一运动小汽车，是人们依据英语单词“KARTING”汉译来的。卡丁车运动最早出现在欧洲，随着人们对卡丁车运动的了解和认识，它慢慢的被人们所接受，并且在欧美国家逐渐流行起来，“karting”因为它的独特魅力，吸引了广大青年朋友的追捧，它具有刺激的感觉、帅气的外观、独特的魅力。每件事都是相辅相成的，随着欧美工业的发展，作为机械动力源的“内燃机”诞生了，德国人Ni co laus A.Otto在大气式动力机的基础上研发了往复活塞式四冲程汽油机，后来运用到实际生产中。随着欧美国家工业水平的不断提升，汽油机的发展也有了进一步的进展，并且应用到了各个领域之中，卡丁车作为一种小型汽车，虽说“麻雀虽小，但是五脏俱全”，卡丁车用发动机不同于其它的汽车发动机，根据卡丁车的结构特点，卡丁车一般采用单缸发动机。它由钢管式车架、风冷式四冲程发动机、四个独立车轮、转向系统、制动系统、汽油油箱、刹车踏板、油门踏板、传动链、车手座椅和保险杠等组成。 随着卡丁车运动进入中国市场，人们才接触到了这项有意义的运动。1985年在深圳出现了第一个卡丁车运动场，随后，经过年的发展，真正意义上的第一个卡丁车场在北京建立。因为是新兴产业，所以很多人认为只要坚持下去，就能有所收获，但是事与愿违，由于中国赛车行业的低迷，卡丁车运动最后只能成为儿童娱乐活动。在我国，儿童游乐行卡丁大多采用型发动机，它是在原来的基础上改进了气缸、活塞等零部件，使得其性能更加的强劲。由于中国市场潜力巨大，卡丁车作为赛车的摇篮，在中国只要国家重视起来，人们真正认识到卡丁车运动的价值所在，中国的赛车行业也就迎来了“春天”。1.2 研究意义目前，人们的生活水平不断的提高，游乐型消费成为了主体，卡丁车运动作为游乐型消费之一。尤其是儿童卡丁车更加的受到了家长和孩子们的青睐，儿童卡丁车在娱乐场就可以见到，做为卡丁车的“心脏”，即发动机。它的性能的好坏直接影响到整车性能的优劣程度，因此，在本次研究中我们将对发动机的曲轴、活塞、连杆等关键零部件进行优化。自工业发展以来，除了少数的电动车辆以外，其它机械的动力源都是内燃机，自世界上第一台内燃机发明以来，人们对内燃机探索的脚步就没有停止过。以欧美、日本等工业发达国家为例，如丰田汽车发明了技术，即节气门可变正时技术；大众汽车发明了，即缸内直喷技术。虽然现代车辆在工艺方面有了很大的提高，但是内燃机的四个工作过程没有变。在此次卡丁车发动机设计中，我们将对其关键零部件进行优化，本次卡丁车的最高时速为100km/h，依据这个参数我们就可以确定出一些重要数据，如该汽油机的最大功率、扭矩，根据这些参数查阅内燃机设计手册的具体部分，进行连杆和活塞的参数确定，然后利用计算出来的数据进行卡丁车发动机关键零部件的外观设计。近些年来，随着国家对扶贫工作的重视，人们跟随着全面建设小康社会的脚步不断前进，人们的生活有了前所未有的改善，使得人们对游乐型活动的关注度也是有了明显的提高，中国作为一个人口大国，游乐型产业已经进入了快速的发展阶段。卡丁车运动的推广，为多个行业的发展带来了机遇，即是机遇也是挑战。内燃机发展至今，已经不再是单纯的机械产品，而是由很多传感器及电子元器件组成的机电结合品。随着国家节能减排的号召，科技创作者对内燃机的排放也将成为重点工作。1.3 国内外研究现状1.3.1国外研究现状跟随着内燃机产业的脚步，汽车产业也得到了迅速成长。汽车产量的日益增加，各种各样的问题也逐渐突出，如环境问题、石油资源的减少、交通拥堵等。因此，最新的发动机技术必然在未来汽车中起到决定性作用。1)就三菱汽车来说，三菱汽车公司在以前是专门从事军工产品的加工与制造，因此它在发动机这一块具有很深厚的底蕴。从1996年开始，它第一次向市场投入了第一台汽油机以后，三菱汽车相继推出各种各样型号的汽油机。这使得其节约燃油约，减小污染物排放约，增加发动机的功率和扭矩约。2）在目前的汽油机领域，科技在不断创新和发展，在国外汽油机的发展也是十分的迅猛，这也与国外的排放政策有关系，在欧美等发达国家，人们特别注重环境保护。因此国外的新技术也是层出不穷，下面是国外的一些最新发展方向：燃油电子喷射（EFI）：它是替代了传统的化油器，进而采用电脑控制喷油量，以减少燃油的用量，从而达到燃油经济性的目标；汽油直喷技术（GDI）：它是在气缸里面直接把燃油喷射进去，可以在气缸里形成均匀的混合气，确定点火时刻准确，从而增加发动机的动力性和热效率；全铝发动机：在国外汽车用发动机中，厂家十分注重整车轻量化的设计，作为主要部分的发动机就自然成为各个厂家所关注的问题，以减小燃油的用量；1.3.2 国内研究现状近些年，随着国产汽车的迅速发展，越来越多的国产汽车厂商更加的注重自主设计与研发，作为汽车的最核心部分发动机便是各个汽车厂商最关注的问题，在未来汽车竞争中，发动机便成为了最有竞争力的亮点，因此发动机的优化和自主研发便成为了必然趋势。随着国家节能减排的号召，中国的排放法规越来越严格，我国发动机从以前的国排放标准到年起实施的国排放标准，再到年的国排放标准，然后就是年可能实施的国排放标准。所以，发动机技术成为各个厂家大力发展的核心。1）我国汽车按照投入使用的发动机厂有三大类；年之前使用的汽油机，大多是年前的技术，以丰田汽油机为主，至今沿用。（）年中使用的汽油机，这是上一代发动机技术转移到国内后的成果，以三菱汽油机为平台的发动机技术。年之后建设投产的，它以国际先进技术为准则，并且与之保持一致，例如通用汽车公司的发动机技术、大众汽车公司的的技术。2）就目前来说国产汽车已经能够自主设计出小排量发动机，并且获得了国际的一致认可，例如下面的几家汽车厂商就开始处在在了行业的前面；长安汽车上安装的JL486Q32.0T发动机，这是长安汽车自主设计研发的发动机，它应用了时下最新的缸内直喷技术、涡轮增压技术、双技术，得到了车友的广泛认可，因此获得了“中国心”十佳发动机。长城汽车的1.5T发动机是由哈佛自主研发的，这台1.5T发动机应用了可变气门升程技术、缸盖集成排气歧管技术、高瞬态响应性电控增压器、二次改变排量的油泵、双、两个冷却系统等最新技术。因此获得了“中国心”十佳发动机。上汽荣威汽车安装的1.5T发动机，这台上汽自主研发的蓝芯1.5T发动机应用了时下最新的中置直喷技术、高压喷射等技术，使得其拥有非常不错的性能表现，而且油耗也表现不错。因此获得了“中国心”十佳发动机。吉利帝豪汽车上安装的1.4T发动机，这台发动机也是吉利汽车自主研发的，虽然是小排量发动机，但是它应用了多种新技术，使得它的动力强劲，特别是涡轮上的表现给驾驶员带来了非常舒适的感觉，总体表现平稳，因此荣获“中国心”十佳发动机。1.4 研究内容卡丁车设计的主要内容：发动机关键零部件的设计计算、变速器的设计计算、链传动的设计计算、关键零部件应力应变分析、动力传递结构简图。本次设计的主要内容有下列几个方面：1.依据卡丁车的最高车速计算出卡丁车发动机的最大功率，然后确定出卡丁车发动机在最大功率时对应的最大转矩，在根据内燃机设计手册确定出卡丁车发动机的气缸参数。2.依据卡丁车发动机的参数，确定出本次卡丁车变速器的形式和重要参数。3.依据卡丁车发动机和变速器选择本次的驱动方式，由于卡丁车结构简单，所以选择链传动形式，链传动中采用滚子链传动，然后根据设计方案计算出滚子链的具体参数。4.依据设计计算出的卡丁车发动机关键零部件参数、变速器参数，利用CATIA绘制出发动机关键零部件。5.依据卡丁车设计方案及各部件的参数用CATIA绘制卡丁车车架，完成卡丁车三维模型，然后利用CATIA进行应力应变分析，最后不断改进和优化。6.依据计算的卡丁车参数进行设计说明书的整理。第2章 卡丁车总体设计方案2.1卡丁车设计思路依据卡丁车的结构特点，本次卡丁车的设计思路是：根据要求选择此次卡丁车的为100km/h，然后利用车速我们就可以计算发动机功率，在计算其转矩。然后依据发动机数据进行曲柄连杆结构的参数计算，在利用内燃机设计手册查阅标准值进行选取，然后进行结构设计；接下来是变速器部分，根据卡丁车的结构特点，我们以摩托车的变速器的为模型，进行齿轮的选型和轴的设计计算；在传动部分，我们选择链传动形式。2.2 卡丁车发动机关键参数1）卡丁车发动机指发动机在单位时间内所做的功，是衡量发动机在整个工作循环中效能的重要参数。： ：选取：，=1.2，根据汽车理论表取得，。根据汽车理论表取得：档变速器，单级减速主减速器，链传动滚子链，则，则为： 因为要想到到卡丁车的最大值所对应的最大，所以，它的最大初值取。2）发动机本次设计的是单缸斜置式四冲程汽油机，因此发动机的初值取，汽油机排量取，把发动机的最大功率与它相对应的转速确定以后，通过下面式子计算。：，初值取，初值取则发动机为： 3）卡丁车的缸径与行程本次采用的是汽油发动机，由于汽油发动机的燃烧室形式不同，因此通过查阅资料可知气缸直径的取值范围介于。然后根据查的摩托车发动机的取值范围是，本次设计中初值取 联立 解得：2.3 卡丁车变速器的主要参数根据设计要求，在此次卡丁车的设计过程中，我们采用变速器进行动力传递，经过大量的资料对比，我们考虑到卡丁车发动机布置形式、经济成本等因素，决定采用两轴变速器，变速器的原始参数如表2.1：表2.1 2.4 卡丁车设计的主要内容卡丁车设计的主要内容：发动机关键零部件的设计计算、变速器的设计计算、链传动的设计计算、关键零部件应力应变分析、动力传递结构简图。本次设计的主要内容有下列几个方面：1.依据卡丁车的最高车速计算出卡丁车发动机的最大功率，然后确定出卡丁车发动机在最大功率时对应的最大转矩，在根据内燃机设计手册确定出卡丁车发动机的缸径和行程。2.依据卡丁车发动机的参数，确定出本次卡丁车变速器的形式和重要参数。3.依据卡丁车发动机和变速器选择本次的驱动方式，由于卡丁车结构简单，所以选择链传动形式，链传动中采用滚子链传动，然后根据设计方案计算出滚子链的具体参数。4.依据设计计算出的卡丁车发动机关键零部件参数、变速器参数，利用CATIA绘制出发动机关键零部件。5.依据卡丁车设计方案及各部件的参数用CATIA绘制卡丁车车架，完成卡丁车三维模型，然后利用CATIA进行应力应变分析，最后不断改进和优化。6.依据计算的卡丁车参数进行设计说明书的整理。第3章 发动机关键零部件的设计计算3.1曲轴的设计 图3.1 曲柄连杆机构组成3.1.1 曲轴的功用及工作条件曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体作用力转变为发动机转矩，然后输出以驱动发动机的配气机构、传动系统、其他辅助装置。由于曲轴在工作的过程中经常受到各种力的作用，比如周期性变化的气体力、惯性力；曲轴在工作中也常常受到交变载荷、扭矩的作用；所以曲轴在设计中应该有足够抗弯曲的疲劳强度与抗扭矩的刚度。因为曲轴在工作中，轴颈容易受到磨粒磨损、疲劳磨损的影响，所以在轴颈处应该留有足够的承受压力的表面与足够的承受磨损的耐磨性。由于曲轴的工作环境复杂，因此曲轴在设计中要尽可能的轻，并且要加强各轴端的润滑工作。3.1.2 曲轴设计的要求依据曲轴的作用和它的工作环境，下面列出了曲轴设计中的一些关键点：1）依据曲轴的工作条件，曲轴应该有足够的抗交变载荷的能力；2）依据曲轴的工作环境，曲轴轴颈处应该有足够的承受压力的承压表面和足够的耐磨性；3）依据曲轴载荷变化的情况，曲轴在设计中应该有足够的抗弯曲和扭转的能力，以减少轴颈处的应力集中现象；4）由于卡丁车发动机结构简单，所以发动机的设计应该轻量化，曲轴的质量也应该尽量减轻；3.1.3 曲轴材料的选择依据曲轴的工作条件、曲轴设计的要求，进行曲轴材料的选择：1）一般情况下，曲轴所用的材料是等中碳钢与中碳合金钢；2）随着科技的进步，发动机工艺和材料也在不断更新换代，由于球墨铸铁价格低廉，工艺简单，耐磨性好，所以当代的发动机大多采用球墨铸铁曲轴；3）依据卡丁车的用途，卡丁车属于高速度运行机器，所以在保证卡丁车整体轻量化的基础上尽可能的减轻曲轴的质量；4）综合上面的材料特点和经济成本，本次卡丁车发动机曲轴采用球墨铸铁。3.1.4 曲轴结构的选择1）按照曲轴单元曲拐的连接方法不同，曲轴可以分为下面两种：整体式曲轴整体式曲轴是把各单元曲拐锻制成为一个完整的曲轴，它的优点是质量轻巧、整体结构简单、工艺成本低，因此大多数中小型发动机都采用这种形式的曲轴。组合式曲轴组合式曲轴是把各个单元曲拐重新组合安装在一起的曲轴，它的特点是单元曲拐制造方便，就算是特别大型的曲轴也不需要专门的制造设备。由于是单个制造，所以就算是某一个曲拐的误差超过一定的范围，也可以通过更换的方式解决，但是因为组合式曲轴结构繁杂，组装和拆卸不方便，因此小车发动机应用不多。2）经过整体式曲轴、组合式曲轴的结构分析和对比，由于整体式曲轴符合本次设计要求，所以本次卡丁车发动机曲轴采用整体式曲轴。3.1.5 曲轴重要参数的选择1）曲轴长度的确定曲轴的长度取决于发动机的总体布置形式，根据内燃机设计手册取得曲轴初值为，然后在进行曲轴结构的校核和结构的优化。2）主轴颈、曲柄销参数的确定主轴颈一般为实心结构，每一个曲柄的结构都影响着轴的刚度、强度。所以，设计曲轴主轴颈时应该注意考虑主轴颈尺寸，让它满足设计所需要的强度、刚度问题。曲柄的刚度与主轴颈的直径大小成正比，但是如果主轴颈的直径太大，反而会导致其表面的圆周速度增大，引起曲轴摩擦损失增加。利用内燃机设计手册查得曲轴的各零件参数：主轴颈直径，主轴颈长度；曲柄销直径，曲柄销长度；一般情况下，曲柄销直径选取的较大，取；主轴颈直径；主轴颈长度；曲柄销直径；曲柄销长度；3）曲柄臂参数的确定主轴颈、曲柄销都是通过曲柄臂进行连接的，由于对曲柄臂的抗交变应力有要求，椭圆形曲柄臂的抗弯曲刚度、抗扭转刚度较好，因此，本次设计的曲柄臂选择椭圆形。根据内燃机设计手册取得曲柄臂的参数如下：曲柄臂厚度；曲柄臂宽度；曲轴主轴颈、曲柄销的中心距是；3.1.6 曲轴结构的确定依据曲轴的工作条件、设计要求、材料选择、曲轴结构形式、曲轴的参数进行设计出曲轴的简单结构。根据椭圆的公式：，利用曲柄臂厚度、曲柄臂宽度的参数。联立 解的初次选择曲轴为下图，然后在进行校核与优化： 图 曲轴机构 3.2 连杆组的设计 图 连杆组3.2.1 连杆组的功用及工作条件连杆组的作用是把活塞承受的力传递到曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。活塞销、连杆小头相连接，与活塞一同做旋转运动；曲柄销、连杆大头相连接，与曲轴一同做往复运动。由于连杆在发动机运行中复杂的往复运动，所以连杆组主要承受拉伸、弯曲等交变载荷。连杆组的工作条件是复杂多变的，它的质量应该尽可能的小，因此连杆组设计时要考虑抗疲劳强度、刚度。如果连杆组强度不够，就可能出现连杆螺栓、连杆体断裂的情况；如果连杆组刚度不足，就可能出现因为连杆大头的变形导致连杆螺栓变形；连杆大头变形导致连杆组的润滑遭受到损毁；连杆的变形导致活塞、气缸壁之间的磨损，漏气等情况。3.2.2 连杆组的设计要求1）依据连杆组的作用可知，连杆在发动机中做往复运动，并且要向外输出扭矩，所以连杆要有足够的抗弯曲能力；2）依据连杆组的工作条件可得，连杆的工作环境复杂多变，还要满足足够的抗疲劳强度、刚度；3）依据连杆组的特点，连杆在设计时应该考虑变形情况、润滑情况；4）综合上面几点，进行连杆组结构的设计，并且进行校核和优化。3.2.3 连杆组的材料选择1）连杆体、连杆盖的材料有中碳钢或者碳合金钢，例如45、40Cr、42CrMo。2）连杆螺栓一般采用优质的合金钢，例如。3）连杆组的材料一般要经过喷丸处理，使得它的强度增加。4）综合上面几点，本次连杆组的材料选择。3.2.4 连杆组重要参数的选择（1）连杆长度的确定本次是卡丁车发动机连杆组的设计，由于卡丁车结构简单，综合车架的形式和尺寸，进行合理的选择连杆长度。利用下面的公式可得： 式中：； ； ； ； ；选取：初值取，初值取，取，利用上面的公式可得： 求得（2）连杆小头的参数确定活塞销的尺寸决定了连杆小头的结构形状、连杆小头的连接形式。在汽油机中活塞销、连杆小头的连接方式有下面两种：全浮式连接：由于在全浮式连接中，活塞销在连杆小头孔、活塞销孔中转动，有利于活塞销在销孔中均匀磨损。半浮式连接：在半浮式连接连接中，把活塞销先放在连杆小头里面，然后用螺栓将其固定，这样使得活塞销只能在销孔里面转动而不能在连杆小头里面转动。综合上面两种连接方式，在结合本次设计的内容选择全浮式连接方式。1）下面为连杆小头的参数：连杆小头的孔径，连杆小头宽度；选取青铜衬套，的取值范围为；本次设计的是汽油发动机，所以连杆小头宽度的计算公式为；利用内燃机设计手册查的活塞销直径比值范围为，即的取值范围为；2）连杆小头参数的取值：在此次设计中，活塞销直径比值取值为根据前面的参数，连杆小头孔径取值为根据上面的汽油机连杆小头计算公式取值为（3）连杆大头的参数确定连杆大头和连杆盖用螺栓紧固连接，连杆盖、连杆体是配对使用的，他们要经过磨修后才能一起用。1）连杆大头的参数为：连杆大头的直径为,连杆大头的宽度为；曲柄销的直径决定了连杆大头的直径、宽度，即曲柄销直径为；，在此次设计中取；根据上面的参数，计算出，；（4）卡丁车发动机连杆的结构 利用前面已经确定的连杆的参数，画出连杆的结构如下图3.4： 图 连杆3.3活塞组的设计 图 活塞组3.3.1活塞组的功用及工作条件活塞首先是承受燃烧的气体压力，然后通过活塞销把作用力传递给连杆，在利用连杆带动曲轴旋转做往复运动，并且与气缸壁、汽缸盖一起组成燃烧室。由于活塞的工作环境复杂多样，所以在活塞的设计过程中主要要考虑活塞材料的耐热性、耐磨损性。活塞要承受燃烧的气体力与往复运动的作用力，如果作用在活塞上的载荷过大，就会导致活塞形状变形，从而引起活塞销座破裂，活塞环断开。 活塞除了承受往复旋转力外，还要受到下面两个方面的作用力：活塞工作中受到周期性变化的气体压力，当活塞运行到压缩冲程的上止点后时，的值达到最大，此时，在活塞头部的载荷如下： 式中： ； ； ；由于活塞工作环境发杂，并且活塞周期性的在气缸中循环运动，因此在就有很大的如下： 因为本次卡丁车是参照摩托车发动机进行设计的，摩托车发动机属于高速度运动的机器，所以活塞在上下运动的工程中会受到的作用。3.3.2 活塞设计的原则依据卡丁车发动机的结构要求，活塞在设计时应该注意下面几个事项：1）依据活塞的工作条件，活塞在设计时必须具备一定的强度、刚度。设计出结构合理的活塞形状。2）高转速发动机应该更加注重活塞的耐磨损性、散热能力的增加，而且还需对发动机进行冷却。3）应该具有良好的抗热性能，密封严密，热量损失较小；4）根据轻量化的设计理念，应该重量轻。3.3.3 活塞材料的选择目前，大多数汽车厂家都在优化以前发动机的结构，其中发动机中使用的材料也成为了各个汽车厂商的研发重点。从以前的铸铁到现在的铝合金，下面为发动机中活塞材料的几种类型：1）由于铝合金的质量较轻，工艺简单，所以铝合金材料的应用发展成为了趋势，它的优点有质量小，发动机运动中能减少惯性力的产生。由于能均匀的分布温度、改善油质，因此铝合金运用较广泛。2）发动机最早大多采用铸铁材料，由于铸铁制造方便，抗磨损性能好，经济成本合理。但是随着社会的发展，材料的更新换代步伐加快，新材料逐渐代替了铸铁。3）对比上面的两种材料的优缺点、现代汽车发展趋势及新材料的使用，在本次设计中采用密度较小、膨胀系数大的硅铝合金材料。3.3.4 活塞组重要参数的选择1）活塞长度的确定：依据内燃机设计手册查得，的取值范围为，根据要求取推荐值为，。2）活塞环参数的确定：活塞环由油环、气环组成，活塞、气缸壁的结构中大多是通过气环密封，进一步的作用是为了不让燃烧室中的混合气进入气缸里面。然后也通过活塞把活塞顶部的热量传导气缸壁，防止活塞的热量过高。目前，大多数中小型汽油机采用道油环、的组合：；：； ； ；一般情况，初值取，初值取； ，一般情况，初值取；由于活塞环直接与气缸壁接触，所承受的作用力较大，尤其是第一道气环更是要经过特殊处理，如第一个活塞环的外表面经常要经过镀铬处理。因为铬的性能是其硬度较高，使得它可以储存一些机油进行润滑，以减少零件的磨损。根据内燃机设计手册查得第一个气环高度比的取值范围为，在此处选择中的初值取，根据上面的数据得第一个活塞环的高度。同理，查的第二个气环的高度比的取值范围为，在此处选择的初值取，根据上面的数据得第二个活塞环的高度。同理查的第三个油环的高度比的取值范围为，在此处选择的初值取，根据上面的数据得第二个活塞环的高度。根据算出的数据画的活塞如： 3)活塞裙部参数的确定除了活塞头部的部分即为裙部，由于裙部工作环境复杂，并且活塞裙与气缸壁相互接触，一起和活塞做高速运动，因此还要承受气体的作用力。活塞裙部的设计要保证活塞有良好的承压表面，有一定的抗磨损性能，有充足的润滑油进行润滑，最重要的是要考虑活塞、气缸壁的间隙。根据内燃机设计手册查得活塞裙的高度比的取值范围为，依据此处选择的要求，其的初值取。然后根据上面的数据参数求得活塞裙，查的裙部厚度比的取值范围为，在这里取，依据上面的数据参数求得裙部厚度。4)活塞销、销座参数的确定活塞和连杆的纽带为，活塞销不但起到连接作用，而且还把来自活塞的气体作用力传递到连杆上。由于要承担来自活塞的冲击力，因此，一定要有良好的耐磨损性、强度与刚度。为了发动机整体的质量考虑，要尽可能的质量小。根据内燃机设计手册查得的直径比的取值范围为，在本次选择中取，然后依据上面的数据参数求得直径取。活塞销座与活塞销要经过研磨进行配合使用，要保证销、销孔要有良好的配合间隙，并且他们的表面质量也要坚硬，以保证其使用性能。由于销孔是受力零件，也是应力集中比较严重的地方，所以在设计时。为了使活塞的变形量减少，通常在加强筋。由于活塞销、销孔工作环境复杂，在其表面很难形成油膜，导致润滑油性能降低，所以润滑系统要重点考虑。同理查得活塞销座间隔比得取值范围为，在本次选择中选择为，然后，根据上面的参数数据可以求得。5)依据各参数，活塞初此设计的形状： 3.4 曲柄连杆机构的受力分析3.4.1曲轴、连杆的受力分析（1）各种曲柄连杆机构的选择分析 根据此次设计的卡丁车的要求，还有第二章中发动机的形式和它的特点的综合，我们选择了中的中心曲柄连杆机构。下面是图3.9为中心曲柄连杆的特性参数：rLe偏心率 （2）惯性力的，如公式：。的，如公式：。不变，如公式：1）在中心曲柄连杆机构中，由于其工作环境复杂多变，因此在气缸中存在多种力的集合，比如、等。在一般情况下，受力分析的时候会使其更加的完整。在连杆上的惯性力想要计算出来，一定要求得和、在加速后的上进行测量，所以目前的任务是求得，简单，应该进行对实体结构进行一定的简化。及共同构成曲轴的，由于往复运动的作用，所以在连杆上就会产生，但是的产生是通过连杆在曲轴中的而产生的。在实际计算过程中，想要计算惯性力，就一定要求得曲柄机构的、的参数，以下是在发动机中分离出来的的图，如。 经过上面的分析和要求，以后的质量计算公式为： 2）根据CATIA软件对连杆的质量进行测量，即为。 连杆质量参数如表3.1所示：名称参数3）质量连杆的、的和共同构成了。即利用下面的公式，经过测量得，然后通过计算得。4）质量即为曲柄连杆机构在工作时、的小部分通过产生的。利用下面的公式可以计算： ： ； ； 利用上面的公式求得，然后根据上面的数据计算、。（3）往复惯性力 是往复惯性力作用示意图，根据查阅的资料可得，往复惯性力的是： ：； ；然后根据上面的图知，的运动方向为顺着，并且和活塞的运动方向相反。为各个：（4）旋转惯性力根据查阅的资料的，它的计算公式是：，且它的方向是顺着曲轴中心线的反方向。根据数据求得。（5）气体作用力 内燃机的是指作用在顶部的气体力，根据查阅的资料得可以利用下面的公式计算：； ； ；然后根据上面的参数计算发动机四个冲程的：根据发动机的基本原理可知，在进气行程中，排气门关闭，节气门开始打开，由于是进气行程，所以气缸与大气相通，因此他们两个的气体压力是基本一样的，但是由于空气在的时候会损失一部分的。通过查阅资料可知，一个标准大气压是帕，即。在本次选择中取,因此可以求得进气终点压力是帕。同理可得，利用下面的公式可以求得的值。：，依据得，汽油机的压缩指数取值范围为，此次选择取；，此次选择中取；然后利用公式求得帕。在发动机做功冲程中，由于活塞将气缸内部的高温高压的混合气压缩到压缩终点的时候，混合气被点燃，因此在气缸里面加速燃烧，气缸里面的气体作用力也会随之变化，产生。利用下面的公式可以计算出来，已知帕，然后在燃烧过程中的计算公式为：； ，在计算过程中取帕；3.4.2 活塞受力分析（1）在发动机的工作过程中，活塞和曲柄连杆机构的受力差不多一样，会受到气体作用力、。下面为其参数：1）由于气缸里面的气体在高温高压的环境下燃烧，所以气体作用于活塞上的总体压力即为。公式是：，依据查得，的取值范围一般是，依据此次设计的要求取。利用上面的参数可以求得： 。2）在曲柄连杆机构中，活塞、共同构成了。在这些零部件的共同作用下使活塞。列出方程组为：的质量，利用卷尺测得的整个是，由于此次选择的是，它的为，利用公式计算出是。 ；取值：，利用，则得，则。然后根据公式可得，在将计算出来得数据带入公式得。3）连杆作用力利用下面的公式计算：根据上面已经计算出来得数据可以求得。（2）活塞的总（3）活塞上总作用力的分解经过上面的计算与分析，可以得到的各作用力的参数，然后根据力的平衡原理，在对力进行正交分解，然后就可以得到及顺着气缸，如所示。：3.5 曲轴、活塞的应力应变分析3.5.1 曲轴的应力分析（1）创建有限元模型先在CATIA软件上进行曲轴的模型绘制，这部分工作在毕业设计刚开始的时候就已经画出来了，然后直接应力分析即可。我们是在CATIA软件上基于平台进行分析工作的。把绘制好的曲轴的模型导入在平台上进行分析，在赋予模型材料属性中，在左面的模型树中用左键选中,然后在单击图标，就会出现对话框。在该框里面选择。在选择材料，单击即可。然后根据提示测得的=，为，是，在本次选择中，在进行把曲轴分为垂直方向上的，在进行。在指定载荷边界中单击的图标，在对话框中出现，在里面就可以填，然后单击，就完成了点力的设置，就可以得到。（2）查的的公式为：； ； ；1）根据查阅的资料可得，一般情况下的取值范围为，然后带入上面的公式可以得到的取值范围是。2）然后根据上面的曲轴建模过程在到生成曲轴的应力应变云图：根据上面的分析过程，做出曲轴的阶振图，然后根据云图得9阶的振动频率为，可知曲柄变形严重，即为它的变形量发生在其边缘处。然后改变参数，在进行分析。 在做出的曲轴阶振云图中，可以得到它的激振频率是，然后利用计算出的激振频率的取值范围的取值进行对比，可知，它在这个范围里面，因此它的取得初值是正确的。 综合上面的几种情况可以得到的结果是，它的激振超过它的阶