汽车发动机曲柄连杆机构结构设计的问题和策略

汽车发动机曲柄连杆机构结构设计的问题和策略

引言

曲柄连杆机构即活塞组、连杆组和曲轴组。曲柄连杆机构是发动机中的能源转化机构,它将化学能转化为机械能,将活塞的往复运动传递给曲轴带动外设运转。

1曲柄连杆机构的结构设计

活塞的结构设计

活塞的载荷

在内燃机中,活塞组是工作强度最大的组件之一。活塞的工作条件比较恶劣,其受到的主要载荷有以下几点:

1)承受很大的机械载荷

在内燃机工作中,活塞组承受的机械载荷包括气体压力、惯性力以及由此产生的侧向作用力。

近代内燃机中,汽油机的最大气体压力Pgmax约为3-6MPa,非增压柴油机Pgmax值约为6-9MPa,而增压柴油机Pgmax值约为13-15MPa。

由于内燃机的转速不断提高,活塞的往复运动也日益增大,一般车用内燃机活塞平均速度一般可高达9~13m/s。由于加速度很大,活塞组在往复运动中会产生很大的惯性力,同时,内燃机在速燃期,其压力升高率dp/dφ可达/(°)。所以对曲柄连杆机构来说,具有很大的冲击作用。

活塞各部位在机械载荷的作用下产生不同的压力:活塞顶部有动态弯曲压力,活塞销座承受拉力及弯曲,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。

2)承受很高的热载荷

在内燃机工作过程中,内室中燃气的最高温度一般可达到20XX℃左右,因为活塞顶是直接和燃气接触的,因此活塞承受的温度很高。除此之外,它还需要接受摩擦生成的热量。同时,由于活塞向汽缸壁散热的条件不好导致活塞的工作温度达到更高。内燃机活塞温度状况与很多因素有关,例如内燃机的类型、功率大小、采用的燃烧系统、活塞的结构形式以及采用的材料等。

活塞基本尺寸的确定

活塞的主要尺寸参数如图1所示。

图1活塞的主要尺寸参数

1)压缩高度H■

压缩高度的选取将直接影响内燃机的总高度,以及汽缸套、机体的尺寸和质量。从图1可以看出压缩高度H■是由顶岸高度h1、环带高度h2和上裙尺寸h3构成的,即:

H■=h■+h■+h■

(1)顶岸高度h■

顶岸高度确定了第一环的位置,由于第一环最靠近燃烧室,热载荷很高,h■值应取得大些,可使第一环离燃烧室远一些,以减轻第一环槽的热载荷。但为了减小活塞组质量和降低压缩高度,以缩小活塞头部与气缸套件的间隙容积,又希望h■值取得小些。同时h■取小些,还可有利于充分利用燃烧室容积,并减小在此间隙内因不完全燃烧而产生的炭化氢。顶岸高度还受到顶部形状和冷却腔位置的影响。总之,顶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。

(2)环带高度h■

环带高度h■主要取决于活塞环数目,活塞环高度和环岸高度。在保证密封燃气和防止机油上蹿的前提下,为了减少摩擦损失、减小活塞质量和降低内燃机高度,总希望减少环数。目前中速内燃机一般用3-4道气环和1-2道油环。

(3)上裙尺寸h■

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消弱,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,可以得到活塞的压缩高度H■的计算方法。对大功率柴油机而言,活塞压缩高度H■的大致范围为:

d≤200mm时,H■=(~)d

d>200mm时,H■=(~)d

2)裙步高度场

活塞裙部的主要功能是引导活塞运动并承受侧压力。因此,在决定活塞裙部长度时应保证足够的承压面积,以减少比压和磨损。一般按下式校核比压q:

q=P■/D·H■

式中:P■为最大侧作用力,有动力计算求得,可近似取最大气体压力的8%-12%,N;D为活塞直径,m;H■为裙部高度,m。

一般内燃机活塞裙部比压值约为,强化内燃机、锻铝活塞裙部q值可达2MPa。

力,MPa。

2)圆角扭转形状系数

圆角扭转形状系数α■可定义为:

α■=τ■/τ■

式中:τ■为曲轴圆角出实测的最大剪切应力,MPa。

3曲柄连杆机构设计算例

本文以四行程汽油机为研究对象,排量,最大功率112kw,转速6000r/min。下面给出曲柄连杆机构各主要尺寸参数的选定过程。

气缸直径的确定

根据所选研究对象汽油机发动机的排量为,平均有效压力:P=,活塞平均速度Cm<18m/s。内燃机学的基本计算公式如下:

P■=P■·V■·i·n/30τ

?自■=S·n/30

V■=D2·S·π/4

式中:P■为发动机的有效功率;P■为发动机的平均有效压力,依据研究对象为;V■为气缸的工作容积,依据研究对象为;i为发动机的气缸数目,本文中为4;n为发动机的转速,本论文中为6000r/min;?自■为活塞的平均速度,本文中<18m/s;S为发动机的行程;D为发动机气缸直径;τ为发动机的行程数,本文中为4。

将上诉条件代入上述三式得:

85=■

计算化简后取D=85mm,S=90nun。

缸径行程比S/D

汽油机S/D的取值范围为,本文中S/D=。

缸心距的确定

由于汽油机缸套的缸心矩LO/D为,所以初选LO/D=,得LO=102mm。

活塞主要尺寸的确定

根据活塞的主要尺寸比例如表1所示,确定活塞主要尺寸:

表1活塞主要尺寸比例

活塞高度H=D=85mm;压缩高度H1==68mm;顶部高度h==;环带高度取15mm。

活塞顶部厚度σ为~,取σ为6mm。

活塞头部要安装活塞环,侧壁必须加厚,一般取()D,取,厚度则为。

为改善散热状况,活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过度圆角,一般取R=,则圆角半径取为4mm。

活塞销座间距B一般取,则取活塞销座间距为34mm。

活塞销外径d一般取,则取d==。

活塞销内径d2一般取,则取d2=。

活塞销长度l一般取,则取l=80mm。

连杆主要尺寸确定

连杆长度L与结构参数λ=R/L有关,根据本文研究对象的参数,选择λ=则取L=134mn。

连杆小头孔内径R11=,本文取为12mm。

连杆大头孔内径R22=,本文取为48mm。

曲轴主要的尺寸确定

根据前面的计算我们知道:曲轴是全支承的,曲轴对称布置,但是平衡重是不对称布置的,曲轴半径R=,连杆长度l=。根据有关曲轴各部分的主要结构关系,曲轴轴颈的外径我们取下列曲轴曲拐的主要参数:

D4==,长度l1==。

连杆轴颈的外径D3==50,1max==;

曲柄臂的计算截面,宽度b==85mm,厚度h==17mm。

4结束语

总之,随着汽车行业的不断进步对汽车各种性能要求也在不断提高