帕萨特活塞连杆组设计和实现 车辆工程管理专业

目录TOC\o"1-3"\h\u中文摘要 1英文摘要 21绪论 31.1研究的作用及意义 31.2国内外研究现状 31.2.1国外研究现状 31.2.2国内研究现状 42主要参数选择 52.1活塞组零件的参数选择 52.1.1活塞的材料 52.1.2活塞的结构特点 52.1.3活塞的主要技术要求 62.2连杆组零件的参数选择 72.2.1连杆的材料 72.2.2连杆的结构特点 72.2.3连杆的主要技术要求 83结构设计 83.1活塞的结构设计 83.2活塞销的结构设计 93.3活塞环的结构设计 103.4连杆的结构设计 104活塞连杆组装备图及主要零件图 125设计总结 12参考文献 13致谢 14 帕萨特活塞连杆组设计摘要：内燃机行业在不断的发展，科学技术在进步，生活水平太提高，内燃机发动机的指标要求在不断提高，我们的组件所受到的帕萨特活塞所受到的负荷也会变得越来越高，这就跟他们的设计有关，设计的合理性，会直接性的关系到内燃机的可靠性，它的寿命长短，排放量，经济实用性等等。所以在选题的情况下，我们必须通过数据计算，得到真实有效的数据，这个选题必须慎重。对于内燃机的内部温度以及它的负荷我们如果运用传统的设计难以取得满意的程度，我们为了实现目标，进行分析，为了提高产品的质量以及强度，我们需要考虑很多方面，它的寿命，质量都是非常重要的，先进的技术问题，它的结构对活塞寿命工作的可靠性的影响，品质优良的活塞，对于内燃机而言，它能够更好的工作，进而去提高它的工作效率。内燃机的活塞是非常重要的，强度更好，设计更加合理化。关键词：内燃机；活塞；连杆DesignofPassatpistonconnectingrodgroupAbstract:Theprogressofscienceandtechnologytopromotethesustainabledevelopmentofinternalcombustionengineindustry,strengthentheindexenginegraduallyincreased,withincreasinglyhighmechanicalloadandheatbythepistonandrodassembly,theirdesignisreasonable,willbedirectlyrelatedtothereliabilityofinternalcombustionengine,emissions,economiclife,etc..Therefore,underthecurrentcondition,therealeffectivecalculationandanalysis,drawusefulsolutionsbecomethepreferredtopicintheindustryofinternalcombustionengine,internalcombustionengineharshinternaltemperatureenvironmentandloadconditionsmakethedesignoftraditionalexperimentisdifficulttoobtainsatisfactoryresults,toachievethedesignobjectives,toensurethatinordertoadapttothegrowingandhighpressureenvironmenttoimprovethestrengthanddurabilityoftheproductdesignandtheliferequirements,needtoadoptadvanceddesignandanalysismethod,structureanalysisofpistonscienceonpistonlifeandaffecttheworkreliabilityofthepistondesignquality,soastomaketheengineworkbetter.Keywords:Internal-combustionengine；piston；connectingrodTOC\o"1-3"\h\u1绪论1.1研究的作用及意义选择发动机的活塞连杆组的各个部件的材料以及关于它的合理设计构造非常重要，设计的合理，部件的选择合理化，可以减小热应力，改善工作的条件，以及延缓机油的变质问题，都是非常有好处的，发动机的活塞连杆组是发动机工作过程当中最为重要的一个部件，它肩负着重要的使命。活塞连杆各个部件的选择，对于发动机的工作状态都会发生变化，部件的好坏以及合理性，会对它产生最为直接的影响。所以，发动机活塞连杆的选择可以大大提高工作效率，还可以对节能做出一定的贡献。汽车行业从宏观角度来看，产能剩余已经越来越严重了，活塞的市场已经混乱，而对于普通的活塞而言，出现严重的供大于求，价格之间的竞争也是越来越大，并且市场混乱，价格难以得到控制，竞争非常激烈，导致年营业额出现很大程度上的亏损。国外的产品开始大量涌入国内，给我们又在另一方面增加了巨大的压力，对于国外活塞连杆我们有了更多的青睐，我们的竞争变得越来越难以控制，需要更多人的努力，在企业以及乡镇之间的民营企业当中，出现极大的竞争，所有的国内活塞企业应该去抓住机会，针对活塞的市场问题研究，我们应该及早的去拓展市场，以求得更好的生存。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外活塞连杆组设计过程当中，国外的一些大型知名公司借助先进的模拟分析技术以及完善的测试技术手段，逐渐的形成了自己独特的经营理念，以及数据资源库，根据用户所提出的问题，来进行一些简单的基本操作，我们可以对其进行一定的改造，设计出更为合理的活塞连杆组结构。80年代的数据研究发现，我们运用有限元法对柴油机活塞进行了数据的详细分析，详细的介绍了有限元方法在柴油机过程当中的应用，我们知道了温度场，热变形，机械变形以及应力场结构，对这些方面进行一定的研究，柴油机的一些变化趋势。而其他的科学家也做了这方面的工作，研究热负荷对于活塞产生的影响，我们根据数据进行对比与分析，然后做出一个粗略的判断，最后通过实验来进行验证，不断的去寻找问题，解决问题，达到最终的要求。发动机的性能不断的在发生变化，在不断的提高，不断的缩短更新的周期性质，我们采用传统的方法早已满足不了高性能发动机对于工作的需要，我们的需求远远不止这些，而在70年代以来，我们快速大容量电子计算机和数据处理系统在发动机的研究问题上再加上它的实验技术，测量系统，各种设备的改造，使得发动机已经在一定程度上有了大的进展，活塞工作发电机的模拟系统成为可能，取得了一定的进展，过去的工艺技术都是比较粗糙的，可是在这些方面的努力，已经取得了进展。如果能够建立一个比较符合条件的物理模型，我们分析各种因素，对它造成的影响，去优化方案，更好的进行操作，包括结构参数，运动的轨迹，变形，通过实验得出结果，然后进行分析，取得最为合适方案，活塞连杆组的设计成功实验，为其提供了理论依据。我们在此基础上进行操作，与不断的实验，争取活塞连杆组的性能达到最好。1.2.2国内研究现状最先采用的活塞裙部型面设计，主要是经验设计进行对比，紧接着通过装机实验来进行改正，不断摸索与探讨，也有部分人利用活塞裙部涂复材料层，进行定额的实验操作，最后对磨合的裙部外形尺寸进行精密的测量与吻合，以此来进行确定，到底如何设计裙部型面？这种方法的运用前期非常多，但是后期通过实验数据验证，这种方法消耗时间长，进而成本还比较高，早已达不到客户的需求与满足，八九十年代，对于活塞裙部设计做了如下研究，八十年代，对于内燃机的瞬间状态的温度场进行了一系列理论的研究推断计算，当时又因为几何形状以及边界条件都是非常复杂的，在一维空间模型当中，显得太过于粗糙，在应用过程中，受到了很大的局限，所以这个方案不是太适用。而在九十年代当中，采用当量准则，和Manson--Coffin公式之间的关系，来研究活塞的寿命以及安全性的测定。根据热疲劳以及高低温疲劳的机制，以此来进行评定。有两个主要的特点，一个是缸内的温度，另一个是三角形波形发生的一个变化，用有限元程序对柴油机活塞进行三维温度场，以及三维应变场来进行分析。也不排除，活塞二阶运动的分析计算问题，对于平均流量模型分析活塞的裙部问题，与活塞运动方程结合，以此来进行求解，算出二阶运动的轨迹，研究出结构参数对于活塞二阶运动的影响问题。但是以上采用的这些方法，都是不能够形成特定的活塞设计方法。国内外在这方面都在进行研究计算，发动机工作的过程模拟，三维CAD造型软件，三维数值模拟，以及活塞动力学模拟，运用这些设计方法进行分析，得出实验结果，以这个为依据，进而形成活塞组件的新型设计方法，这个必须也是有前提的，保证可靠性，提高产品开发的成功率，降低实验成本以及风险，尽快把产品推向市场，得到一个很好的收益。这是活塞组件开发的一个新趋势，新方向。2主要参数选择2.1活塞组零件的参数选择2.1.1活塞的材料共晶硅铝合金：制造活塞的材料应有小的密度、足够的高温强度、高的热导率、低的线胀系数以及良好的摩擦性能(减摩性和耐磨性)。常用材料为铝硅合金，。共晶铝硅合金具有满意的综合性能，工艺性良好，应用最为广泛。过共晶铝硅合金中的初生硅晶体使耐热性、耐磨性改善，膨胀系数减小，但加工工艺性恶化。过共晶铝硅合金广泛用于高热负荷活塞[5]。表一H1/D0.35-0.600.50-0.80H/D0.60-1.000.90-1.40H2/D0.40-0.800.50-0.90h/D0.04-0.10.12-0.20d/D0.22-0.300.30-0.402.1.2活塞的结构特点活塞包括三个部分，头部，裙部，活塞销座。活塞的形状大部分都是圆柱形的，在实际操作过程中，根据不同的发动机工作要求，活塞的构造也是多种多样的。头部又包括两个小部件，活塞顶端，和环槽。活塞顶端它是采用接近于平顶，以及平顶设计的，这样的设计，有利于活塞减少和高温气体的接触面积，这样可以分布均匀，活塞顶端是跟燃烧室的温度有最为直接的联系。活塞的形状并不单一，也有结构较为复杂的，但是大多数汽油机都是采用平顶的活塞，例如还有直喷式柴油机以及新型的缸内喷注汽油机，而大多数采用平顶活塞，也是有的一定的理由的，这样混合气体，在这同时，提高了燃烧效率，将易燃物，爆炸物品的燃烧程度降到最低，提高利用率。而复杂形状的活塞，与其相比，它的设计多出了一个凹槽，在这里它的名字叫做环槽，是用于安装活塞环的，活塞环的是起到密封的作用，防止漏气跟机油进入到燃烧室里面，这样可以有效的防止。活塞裙部指的是活塞的下面部分，也是一个导向部分，它的作用是尽量去保持活塞运动垂直的姿态。活塞裙部的形状是非常有研究跟讲究的，设计者从发动机结构以及性能出发，充分开动脑筋，使得运行平稳。活塞销座是一个支承部分，位于活塞裙部的上部。活塞销座是真正与气缸接触的活塞，它填补了两者之间的空隙，用此来封闭燃烧室，是发动机过程当中比较容易磨损的一个零件。发动机活塞销座的特别之处不在于销座孔不一定与活塞在一个中心平面上了，可以稍微偏移一点，适当的转换方向，活塞敲击缸壁的程度一定程度上得到了减少，可以使得发动机噪声得到了减少。活塞环是由铸铁做成，有了一定的弹性，截面的形状也是多种多样的，表面有涂层可以增加磨合性能。当发动机运转活塞容易受到膨胀，这样活塞环设计上有一个开口间隙，安装进行错位，为了保密密封性，将两个开口进行错开，这样密封性好。一个活塞有3到4个活塞环，它们按照作用，可以分为气环以及油环的两大类。气环装用来防止漏气，活塞头部的热量传递到气缸壁，疏散活塞的热量，油环的作用可以防止润滑油进入燃烧室，安装气环进入下方环槽内。保证它的密封性，活塞环数目少，比数目多好，活塞环数目少，可以减少摩擦，还可以减少功率的消耗，活塞的高度，相应降低了[4]。2.1.3活塞的主要技术要求活塞是在高负荷、高温、高速、润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求：（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。当进行活塞的结构设计时，应着重解决的问题是：（1）改善活塞顶及第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结、卡死和过度磨损；（2）改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂；（3）确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减小配缸间隙，改善磨损并使运转平顺[6]。2.2连杆组零件的参数选择2.2.1连杆的材料活塞连杆材料多数采用45的，跟40Mn2等优质的钢材，最近几年，也会采用粉末冶金，本连杆采用40MnB的，运用钢材制造的磨锻，来制造毛坯。这里有两种方法可以进行锻造，一种是连杆体和盖分开锻造，分开锻造具有较高的强度，金属纤维都是连续的，这个是从锻造的材料来看的，而连杆体整体锻造金属纤维是断裂的，这样的话，强度就消减了很多。整体锻造跟分开锻造主要还是取决于材料设备的能力，整体的锻造，它是需要有很大的锻造设备来进行的，而分开锻造是不需要的。整体锻造一般还是比较多用的，整体锻造无形中增加了切开连杆的工作步骤，但是它也有优点，可以提高材料的利用率，加工起来也较为方便，虽然需要大的锻造设备，但是方便简单易操作，仅仅需要一谈锻造设备，一次就可以完成。这样利于管理，组织起来也是比较方便的。大多数情况下，多采用连杆整体锻造工序。这个方便实用性强。2.2.2连杆的结构特点连杆的作用是传递活塞与曲轴间的作用力,并将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动,连杆应保证足够的强度和刚度。

发动机连杆为模锻件，由连杆小头、杆身和连杆大头三部分组成。连杆大头是分开的，一半为连杆盖，另一半与杆身为一体，通过连杆螺栓连接起来。连杆大头孔内分别装有轴瓦。由于连杆体与连杆盖的结合面是与大、小头孔中心连线倾斜，故称为斜剖式连杆。连杆小头装有青铜衬套，通过活塞销与活塞连接。连杆大头是可分开式，内装半圆形轴瓦，大头与曲轴连杆轴连。

（1）连杆小头：连杆小头与活塞销连接呈浮式结构，发动机工作时活塞销与连杆小头可以相对自由转动，因此沿销的长度方向和圆周方向的磨损比较均匀。为提高摩擦副的耐磨性，连杆小头内孔压入青铜衬套。青铜衬套分为两段，分别从小头的两端压入。小头的顶上有一个集油孔，当曲轴旋转时，激溅起来的机油甩到活塞内腔的顶部，冷却活塞后，落下一部分通过集油孔聚集并流入连杆的小头内孔润滑活塞销。

（2）杆身：发动机为了在最小质量时最大的强度和刚度，连杆杆身断面加工成“工”字形。

（3）连杆大头：连杆通过大头与曲轴上的连杆轴颈相连，连杆大头为分开式，采用简单的平口结构形式。连杆大头轴承盖固定螺母为自锁型螺母，其拧紧力为100~120N.m2.2.3连杆的主要技术要求小头孔φ55ｍｍ（未装铜套）是与活塞销配合的表面，加工尺寸精度为IT6，圆柱度公差为0.004~0.006mm、表面粗糙R0.8。小头孔与活塞销的配合精度要求较高，如果配合间隙过小，会影响连杆与活塞间的传动力效果，如果配合间隙过大，就会产生晃动，使发动机在运行中发出敲击声，考虑到工作后的摩损量0.01，因此，安装时必须保证连杆小孔与活塞销之间的配合间隙。要在加工中直接满足这一要求显然是困难的，因此在装配时，把连杆小头孔分成四组，每2.5um的尺寸间隔为一组，分组进行装配，才能有效控制配合间隙。3结构设计3.1活塞的结构设计活塞高度H：H=D,H=86mm压缩高度H：H=0.5D,H=43mm火力岸高度：=0.07，D=6.02mm，选取=6mm环带高度：现代四行程发动机一般采用二道气环和一道油环。气环的厚度一般为2.0～3.0mm[2]。环岸要求有足够的强度，使其在最大气压下不致被损坏。第一道环的环岸高度b1一般为1.5～2.5c（c指环槽高度），第二道环的环岸高度b2为1～2c。第一环岸高C1=0.03～0.04D=0.04*86=3.44mm，取4mm环高b1为2.0～3.0mm，取3.0mm环高b2为2.0～3.0mm，取3.0mm环高b3油环为4.0～6.0mm，取4.0mm环岸高C2为2b1，取6.0mmb1=3,b2=3,b3=4,C1=4,C2=6。则环带高度为20mm活塞顶部厚度δ：δ为0.06~0.10D，δ=0.08D=6.88mm，取δ＝8mm。3.2活塞销的结构设计活塞工作时顶部承受很大的大气压力，这些力通过销座传给活塞销，再传给连杆。因而活塞销座和活塞销的设计必须保证足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。（1）活塞销的材料：活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢（如20Cr）制造，经表面参碳淬火处理，以提高表面硬度，使中心具有一定的冲击韧性。表面需进行精磨和抛光[8]。（2）活塞销与销座的结构设计：图2活塞销结构d1=（0.25~0.3）D=0.3D=25.8mm取26mmd2=(0.6~0.79)d=0.6d=16mml=(0.8~0.9)D=0.9D=77.4mm取78mm活塞销外径d=26,;活塞销内径d=16。活塞销长度l=78mm。（3）活塞销与销座的配合：活塞顶所承受的气压力通过活塞销座和活塞销传给连杆。由于结构上的限制，活塞销的直径d不可能超过0.4D，活塞销的长度不可能超过0.85D，因此活塞销总的承压面积极为有限，还要在活塞销座与连杆小头衬套之间合理分配。所以，不论在销与销座之间，还是在销与连杆之间，承压面积都很小，表面比压很高。加上活塞销与销座或活塞销与连杆衬套之间相对运动速度很低，液体润滑油膜不易形成。在这种高压低速条件下，要保证可靠的液体润滑，配合副的工作间隙要尽可能小。经验表明，当活塞销与销座以及活塞销与连杆小头衬套之间的工作状态(热态)间隙在(1~3)10-4d时，可以可靠工作。于是，在装配状态(冷态)，销与销座则有(1~3)10-4d的过盈，以补偿铝合金活塞销孔在工作时较大的热膨胀。为了稳定地保持极小的间隙而又转动灵活，活塞销外圆、活塞销孔和连杆小头衬套孔都应有极高的加工精度。不但尺寸公差要严格，尤其要保证严格的圆柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圆柱度和表面粗糙度值足够小，则可以按尺寸分组选配的办法保证配合副的理想间隙。3.3活塞环的结构设计气环是在过程中起到什么作用呢？活塞与活塞环一起工作，是为了能够把活塞接受到的热量进行传递，传递给气缸壁，它是起这个传递作用的。在另外，还要设置一个油环，它可以起到控制油量的上窜，可以吸收多余的油量，节约不少油。一般都是要特定要求的，不超过总进气量的百分之0.5，机油的消耗也是会大大减少[14]。活塞环的密封机理：内燃机活塞组与气缸之间应用带开口的弹性金属环实现往复式密封。由于开口的存在，漏气通路不可能完全消除。为了防止大量漏气，一般采用多个活塞环形成随活塞运动的迷宫式密封。为减小活塞组与气缸之间的漏气通路，活塞环的外周面必须以一定的弹力与气缸壁紧密贴合，形成第一密封面。这样一来，缸内气体不能短路直接通过环周与气缸之间，而是进入环与环槽之间，一方面轴向不平衡力将环向环槽的侧面压紧，形成第二密封面，同时，作用在环背的气压力造成的径向不平衡力又大大加强了第一密封面。尽管环背气压力有时大大超过环本身弹力,但的作用仍是关键。如果降到零,即环周与缸壁之间出现缝隙(一般称为活塞环“漏光”),第一密封面被破坏,气体就直接从缝隙处短路外泄，任何环背压力和FR都建立不起来。只要在整个环周上还剩下一个哪怕是很小的弹力，被密封气体就会自行帮助密封，而且要密封的气体压力越高，附加的密封力也越大。可以认为，具有这种自适应特性的简单环式密封系统，是往复活塞式内燃机有强大生命力的结构保证之一。通过研究发现，活塞与活塞环的组合，两者之间有着很大的关系，活塞环的温度不能够过高，两者之间的间隙必须努力缩小，加工必须保证它的精密性。质量要有保障，不可轻易发生大的变形，环槽与环它们的部位必须完全吻合，才可以。3.4连杆的结构设计活塞受到气体的压力，使得连杆本身膨胀，所以在吸气的过程中往往都会承受复惯性力的拉伸作用。受压过大时，还会发生弯曲，这种在实际操作过程中，发生的可能性并不大，可以忽略不计。连杆工字型截面是位于平面上的，运用这种材料设计是最合理不过的了，在生活中，应用很广泛。在另一方面，连杆锻造的变形比较大，所以选择锻造材料不好的话，容易产生裂痕，工字型确实适合运用，可是必须不能让它的截面过薄，以及圆角的半径问题。锻造磨损也是比较大的，边缘以及截面都是必须考虑到的，设计的是否合理，有最为直接的联系。工字型截面的长轴y-y处于连杆的摆动平面内，使杆身截面对垂直与连杆摆动平面的x轴的惯性矩Jx大与对位于摆动平面的y轴的惯性矩Jy，一般Jx=(2～3)Jy，这样符合杆身实际受力情况，并有利于杆身向大、小头过渡[9]。连杆杆身的最大应力一般发生在杆身与大、小头圆角过渡处，最大压应力发生在杆身中部。考虑上面所述，综合考虑，确定出下列尺寸：连杆杆身横截面的形状如图所示。其中截面宽B=20mmt=8mm截面的高H=（1.2～1.8）B，取H=1.25B=25mm在对于连杆大头设计任务当中，需要保证强度，刚度的条件之外，还有尺寸尽量小一些