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汽车曲柄连杆机构设计毕业论文1 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 曲柄连杆机构运动学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。本设计的型式选择为中心曲柄连杆机构。中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示，在图2.1里面机构气缸中心线所在的位置经过曲轴的中心点O，线段OB作为机构的曲柄，线段AB是机构的连杆，点B是机构曲柄销的中心，点A是机构活塞销的中心。如果机构曲柄按照相等的角速度旋转运动时，机构曲柄OB线段任意的点都会以点O作为圆心位置绕着点O做相等转速的旋转运动，机构活塞点A沿着机构气缸的中心线位置往复运动着，机构连杆AB线段做平面运动，连杆大头点B和机构曲柄的一端相互连接，按照相等的速度旋转运动，机构连杆的小头和活塞相互连接做往复的运动。为了使问题更加简单容易处理，普遍的将机构连杆简化成集中在机构连杆小头与机构连杆大头的二个集中的质量，把它当做旋转与往复的运动，如此便不用对机构连杆运动的规律做单独的研究。图2.1 曲柄连杆机构运动简图当机构活塞做来回往复运动的时候，活塞的加速度与速度是变化的，活塞的加速度与速度的数值并且变化的规律对机构和发动机的整个的工作都有非常大的影响，所以研究机构运动规律的重要任务是研究机构活塞运动的规律。1.1.1 活塞位移假设在某一个时刻，机构曲柄的转角为，并按照顺时针的方向进行旋转，机构连杆的轴线在所在运动的平面内偏离机构气缸的轴线角度是，如图2.1 所示。当=时，机构活塞销的中心点A在最上面A1位置，这个位置称作上止点。=180时，点A在最下面的A2位置，这个位置称作下止点。这时机构活塞位移x:x=(r+) = （2.1）式中：连杆比。式（2.1）再次的简化形式，由图2.1可以看出：即 又由于 （2.2）将式（2.2）带入式（2.1）得： x= （2.3）式（2.3）计算机构活塞的位移x的公式,为了便于计算，可将式（2.3）中的根号按牛顿二项式定理展开，得：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 （2.4）将式（2.4）带入式（2.3）得 （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，即求机构活塞速度的值是 (2.6)将式（2.5）对时间微分，便求出机构活塞速度得近似的公式是： （2.7）从式（2.7）看得出来，机构活塞的速度可以看做是和两块简谐运动来构成。当或时，机构活塞的速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当时，此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。1.1.3 机构活塞加速度将式（2.6）对时间进行微分处理求出机构活塞的加速度精确值是： （2.8）将式（2.7）对时间进行微分求出机构活塞加速度近似值是： （2.9）因此，机构活塞加速度也可以视为两个简谐运动的加速度之和，即由与两部分组成。1.2机构中各种作用力曲柄连杆机构作用力可以分成：运动质量的惯性力，作用在发动机曲轴上的负载阻力，缸内气压力，摩擦阻力。由于摩擦力数值非常小而且变化规律非常难以掌握，所以进行受力分析时可以把摩擦阻力直接忽略。而负载阻力和主动力正好处在平衡状态，不用再计算，所以研究气压力与运动质量惯性力的变化规律对于机构构件的作用。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顶面积的乘积，即 （2.10）式中：活塞上的气体作用力，； 缸内绝对压力，； 大气压力，； 活塞直径，。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。1.2.2 机构惯性力惯性力的产生由于运动不均匀，想要确定惯性力首先要知道它的质量与加速度的分布。运动学可以得知加速度所以现在只需要求出质量分布，在现实中质量分布的非常复杂，所以要进行简化。因此要进行质量换算。1、机构的运动件质量换算质量换算要保持机构系统的动力学等效性。并且质量换算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。表2.1 缸内绝对压力计算结果四个冲程终点压力计算公式计算结果/进气终点压力0.08压缩终点压力1.46膨胀终点压力0.45排气终点压力0.115注：平均压缩指数，=1.321.38；压缩比，=9.3；平均膨胀指数，=1.21.30；最大爆发压力，=35，取=4.5；此时压力角=，取=。表2.2 气压力计算结果四 个 冲 程/进气终点77.23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的平面运动零件。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，并假设是是集中的作用于在机构连杆大头中心的地方，而且只沿着圆周做旋转运动的质量；集中作用与机构连杆小头中心的地方，而且只做往复运动的质量；如图2.2所示：图2.2 连杆质量的换算简图为了保证原来的质量系统与代换后的质量系统在力学上等效，必须满足下列三个条件： 机构连杆的总质量保持不变 即。 机构连杆重心的位置不变 即。 机构连杆相对的重心G的转动惯量保持不变 即。其中，连杆长度，连杆重心至连杆小头中心之间距离。由条件可得下列换算公式：用平衡力系求合力的索多边形法求出重心位置。把机构连杆分成几个简单的几何图案；然后再计算出来各段连杆的重量和各连杆的重心所在位置，最后按索多边形作图法；算出整个连杆重心所在位置和折算在连杆的大小头中心的重量和 ，如图2.3所示：图2.3 索多边形图（2）来回往复直线运动的部分质量机构活塞是沿着气缸的中心做来回往复的直线运动。它们的质量可以看作是集中在活塞销中心上，并以表示。质量与换算到连杆小头的中心质量之和，称为往复运动质量，即。（3）机构不平衡回转的质量机构曲拐不平衡的质量和它代换质量如下图2.4所示： 图2.4 曲拐的不平衡质量及其代换质量机构的曲拐绕轴线在旋转时机构曲柄销与其中一部分机构的曲柄臂质量将会产生不平衡的离心惯性力称作机构曲拐不平衡质量。为了方便计算所以全部这些质量都按照离心力相等的条件进行，换算到了回转的半径是连杆轴颈的中心地方，用来表示可得换算后的质量为：式中：曲拐换算质量，； 连杆轴颈的质量，； 一个曲柄臂的质量，；曲柄臂质心位置与曲拐中心的距离，。质量与换算到大头中心的连杆质量之和称为不平衡回转质量，即由上述换算方法计算得：往复直线运动部分的质量=0.583，不平衡回转质量=0.467。2、机构惯性力为了方便计算，需要将机构的运动件质量简成二个质量和后，两个质量的惯性力能通过运动的条件求出来，总结称为两个力。旋转质量的旋转惯性力与往复质量的往复惯性力。（1）、往复惯性力 （2.11）式中：往复运动质量，； 连杆比； 曲柄半径，； 曲柄的角速度，； 曲轴转角。是沿气缸中心线方向作用的，公式（2.11）前的负号表示方向与活塞加速度的方向相反。其中曲柄的角速度为： （2.12）式中：曲轴转数，；已知额定转数=5800，则；曲柄半径=40.23，连杆比=0.250.315，取=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代入式（2.11），计算得出往复的惯性力，结果如表2.3所示：表2.3 往复的惯性力计算结果四 个 冲 程/进气终点-10519.68压缩终点6324.5膨胀终点-10519.68排气终点6324.51（2）旋转惯性力 （2.13） 3、作用在活塞上总的作用力在机构活塞销的中心处，同时作用着往复惯性力与气体作用力，因为作用力的方向都是沿中心线，所以只需要代数相加，便可得到合力 （2.14）计算结果如表2.4所示。4、活塞上总的作用力分解与传递如图2.5所示，首先，将分解成两个分力：把活塞压向气缸壁的力侧向力和沿着连杆的轴线作用力，其中沿连杆作用的力为： （2.15）而侧向力为： （2.16）表2.4 作用在活塞上总的作用力四个冲程气压力/往复惯性的力/总作用力/进气终点77.23压缩终点-102.976324.5膨胀终点7001.933排气终点1801.9686324.5图2.5 作用在机构上的力和力矩机构连杆的作用力方向规定为，让连杆受压时作为正号，让机构连杆受拉时作为负号。侧向力正负号规定如下，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=时，根据正弦定理，可得：求得 将分别代入式（2.15）、式（2.16），计算结果如表2.5所示：表2.5 连杆力、侧向力的计算结果四个冲程连杆力/侧向力/进气终点压缩终点6385.191436.356膨胀终点排气终点8340.2371896.923力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，即 （2.17）和压缩曲柄臂的径向力，即 （2.18）规定力和曲轴旋转方向一致为正，力指向曲轴为正。求得切向力、径向力见如表2.6所示:表2.6 切向力、径向力的计算结果四个冲程切向力/径向力/进气终点压缩终点1811.3556122.8789膨胀终点排气终点2365.967997.611.3 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。2 活塞组的设计2.1 活塞的设计2.1.1 活塞的结构活塞的主要作用是承受气缸中气体压力并通过活塞销和连杆传给曲轴。此外，活塞还与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室， 由于活塞顶部直接与高温燃气接触，承受很高的热负荷；活塞还承受周期性变化的的气体压力和惯性力的作用， 因此要求活塞应有足够的强度和刚度，质量尽可能小，导热性能要好，要有良好的耐热性、耐磨性，温度变化时，尺寸及形状的变化要小。 汽车发动机目前广泛采用的活塞材料是铝合金，有的柴油机上也采用合金铸铁或耐热钢制造活塞。 活塞的基本结构可分为顶部、头部和裙部三个部分。 2.1.2 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。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。2.1.3 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。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。2.1.4 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，因为一般压缩高度缩短1单位，整个发动机高度就可以缩短单位，并显著减轻活塞重量。而则直接受头部尺寸的影响。2、压缩高度的确定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，压缩高度是由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸构成的，即=+ 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。为缩小，当然希望尽可能小，但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，为活塞直径，该发动机的活塞标准直径，确定火力岸高度为：（2）环带高度 为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度应尽可能小，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。但太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高，油环高。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，。环岸的高度，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，汽油机接近下限。则 ， 。因此，环带高度。（3）上裙尺寸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。对于汽油机，所以。则 。2.1.3、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，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，即。活塞顶接受的热量，主要通过活塞环传出。活塞顶厚度应从中央到四周逐渐加大，而且过渡圆角应足够大，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。活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取，取为6.16mm，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取，取0.074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）环带断面为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，其平均值为。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0.20.5mm。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，但倒角过大又使活塞环漏气增加。一般该倒角为。（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0.050.1mm，二、三环适当小些，为0.030.07mm，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开口间隙/侧隙/第一道环第二道环第三道环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比下面压力大得多，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，当活塞顶上作用最大的爆发压力时，如图3.2所示。已知=4.5，则， 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环岸的厚度，内外圆的直径为、圆环形的板，想要准确计算固定面的应力很困难可以把它简化成一个简单的悬臂梁粗略计算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直径，环槽深为：可得作用于岸根弯矩是 （3.1）而环岸根断面抗弯断面系数约是因此环岸根危险断面上弯曲的应力是 （3.2） 同理得剪切应力为： （3.3）接合成应力公式为： （3.4）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，校核合格。2.1.5 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。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： （3.4）式中、分别为椭圆的长短轴，如图3.3所示。缸径小于的裙部开槽的活塞，椭圆度（）的大小，一般为。图3.3 活塞销裙部的椭圆形状91、裙部的尺寸活塞裙部是侧压力的主要承担者。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： （3.5）式中：最大侧作用力，由动力计算求得，=2410.83活塞直径，；裙部高度，。取。则 一般发动机活塞裙部比压值约为，所以设计合适。2、销孔的位置机构活塞销和活塞裙的轴线不相交并向承受膨胀一侧压力方向偏移了，假如机构活塞销中心的布置，即机构销轴线和活塞的轴线相交，如果活塞越过了上止点，当侧向压力作用的方向改变时，活塞从次推力面贴紧气缸壁一侧一下全部地横扫过来变到主推力面贴紧气缸壁的另一侧，和气缸拍击，产生了噪音，有损活塞的耐久性。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的燃烧压力的时刻，因此改善了发动机的工作平顺性13。2.2 活塞销的设计2.2.1 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，取，活塞销的内直径，取活塞销长度，取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。2.2.2 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和往复惯性力的共同作用，总的作用力，活塞销长度，连杆小头高度，活塞销跨度。1、最大弯曲应力计算活塞销中央截面的弯矩为 （3.6）空心销的抗弯断面系数为，其中 所以弯曲应力为 即 （3.7） 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： （3.8）已知许用弯曲应力；许用剪切应力，那么校核合格。2.3 活塞销座2.3.1 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，活塞销座外径一般等于内径的倍，取，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，但当制造精度有保证时，两边共就足够了，取间隙为。2.3.2 验算比压力销座比压力为： （3.9）一般。2.4 活塞环设计及计算2.4.1 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、环的径向厚度。气环，油环，取，。活塞环的径向厚度，一般推荐值为：当缸径为时，取。2.4.2 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： （3.10）由此可得最大弯曲应力为： （3.11）对于断面均压环其开口间隙与活塞环平均接触压力之间有如下关系： （3.12）将式（3.12）带入（3.11）并整理得： （3.13）式中：材料的弹性模量，对合金铸铁；活塞环的开口间隙，取为；气缸直径，；活塞环径向厚度，则 活塞环工作时的许用弯曲应力为，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： （3.14）式中：与套装方法有关的系数，根据套装方法的不同，其值为，一般取，则 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，所以校核合格。2.5 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。3 连杆组的设计3.1 连杆的设计3.1.1 连杆的结构连杆是一种变截面非圆形细长杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在工作中承受急剧变化的动载荷。连杆是由连杆盖和连杆体两部分组成，连杆盖和连杆体用螺栓和螺母与曲轴主轴颈装配在一起。3.1.2 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。3.1.3 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，即连杆长度它通常是用连杆比来说明的，通常0.3125，取，则。3.1.4 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算1、机构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，小头衬套内径和小头宽度已在活塞组设计中确定，。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，取，则小头孔直径，小头外径，取。2、机构连杆小头强度校核以过盈压入机构连杆的小头衬套，从而连杆小头断面承受着拉伸压力。如果连杆小头衬套材料的膨胀系数大于连杆材料，随工作时温度升高，过盈会增大，小头断面应力也随之增大。另外，机构连杆小头在工作环境中还承受活塞组的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机构连杆小头与衬套当成两个相互过盈配合圆筒，在两个零件配合表面，由于压入过盈及受热膨胀，小头所受的径向压力为： （4.1）式中：衬套压入时的过盈，； 一般青铜衬套，取，其中：工作后的连杆小头温升；机构连杆线膨胀系数，对于钢 ；连杆衬套线膨胀系数，对于青铜；、连杆和衬套伯桑系数，可取；连杆弹性模数，钢10；衬套弹性模数，青铜；计算小头承受的径向压力为：由径向均布力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 （4.2）内表面应力 （4.3）的允许值一般为，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： （4.4）式中：材料在对称循环下的拉压疲劳极限，（合金钢），取； 材料对应力循环不对称的敏感系数，取=0.2； 应力幅， ； 平均应力，；工艺系数，取0.5；则 连杆小头的疲劳强度的安全系数，一般约在范围之内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: （4.5）式中：连杆小头直径变形量，；连杆小头的平均直径，； 连杆小头断面积的惯性矩，则 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，则校核合格。3.1.5 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，杆身截面宽度约等于(为气缸直径)，取，截面高度，取。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： （4.6）式中：连杆杆身的断面面积，汽油机，为活塞投影面积，取。则最大拉伸应力为： （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时，并可认为是在上止点，最大压缩力为： （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；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，因此平面内的合成应力为： （4.8）式中：系数，对于常用钢材，取；计算断面对垂直平面的轴线的惯性矩，。 ；将式（4.8）改为： （4.9）式中 连杆系数，；则平面内的合成应力为：同理，在垂直平面的合成应力为： （4.10） 将式（4.10）改成 （4.11）式中：连杆系数，。则垂直平面内的合成应力为： 和许用值 ，所以校核合格。（3）机构连杆杆身安全系数平均应力与循环的应力幅在连杆的摆动平面为： （4.12） （4.13）在垂直摆动的平面： （4.13） （4.14）机构连杆的杆身安全系数为： （4.15）式中：材料在对称循环下的拉压疲劳极限，（合金钢），取；材料对应力循环不对称的敏感系数，取=0.2；工艺系数，取0.45。则在连杆摆动平面内连杆杆身的安全系数为：在垂直摆动平面内连杆杆身的安全系数为：杆身安全系数许用值在的范围内，则校核合格。3.1.6 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、长度、连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径。其中在、在曲轴设计中确定，则大头宽度，轴瓦厚度，取，大头孔直径。连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度，取，取，为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离，取，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，通常取，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。 连杆盖的最大载荷是在进气冲程开始的，计算得：作用在危险断面上的弯矩和法向力由经验公式求得： （4.16）由此求得作用于大头盖中间断面的弯矩为： （4.17）作用于大头盖中间断面的法向力为： （4.18）式中：，大头盖及轴瓦的惯性矩， ， ，大头盖及轴瓦的断面面积， ，在中间断面的应力为： （4.18）式中：大头盖断面的抗弯断面系数， 计算连杆大头盖的应力为：一般发动机连杆大头盖的应力许用值为，则校核合格。3.2 连杆螺栓的设计3.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力根据气缸直径初选连杆螺纹直径，根据统计，取。发动机工作时连杆螺栓受到两种力的作用：预紧力和最大拉伸载荷，预紧力的大小由两块组成：一方面保证发动机工作时，大头盖和机构连杆大头结合面不一致克服惯性力所需的预紧力；另一方面保证连杆轴瓦过盈度一定要有的预紧力 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为往复惯性力和旋转惯性力在气缸中心线上的分力之和，即 （4.19）由轴瓦最小应力，由实测统计可得一般为，取30，由于发动机可能超速，也可能发生活塞拉缸，应较理论计算值大些，一般取，取。3.2.2 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 （4.20）式中：螺栓最小截面积，；螺栓的总预紧力，；安全系数，取1.7；材料的屈服极限，一般在800以上16。那么连杆螺栓的屈服强度为： 则校核合格。3.3 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。4 曲轴的设计4.1 曲轴的结构型式和材料的选择4.1.1 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。4.1.2 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4.1.3 曲轴材料该发动机曲轴采用球墨铸铁铸造而成。4.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计4.2.1 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。在现代发动机设计中，一般趋向于采用较大的值，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，为气缸直径，已知=80.985，则，曲柄销直径取为=0.60=47.80。曲柄销的长度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/=，取=0.59=28。轴颈的尺寸，最后可以根据承压面的投影面积与活塞投影面积之比来校核，此比值据统计在范围内