18L汽油機連桿組設計

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1、1.8L汽油機連桿組設計 目錄 1. 緒論 1 1.1課題研究意義 1 1.2課題發(fā)展概況 2 2. 發(fā)動機基本參數(shù) 5 2.1發(fā)動機的結構參數(shù) 5 2.2發(fā)動機熱力學計算 6 2.3發(fā)動機運動學計算 8 2.4發(fā)動機動力學計算 10 3. 發(fā)動機連桿的設計 15 3.1連桿設計概述 15 3.2連桿尺寸設計 16 3.3連桿小頭強度的計算 17 3.4連桿大頭的強度計算 20 小結 21 參考文獻 22 附錄圖表 23 1.8L汽油機連桿組設計 摘 要 活塞連桿組是發(fā)動機中工作條件最嚴酷的組件，其性能好壞對內燃機

2、的性能指標有 著很重要的影響?；钊M的作用是保證發(fā)動機工質的可靠密封，并在工質的壓力下做上下 運動，連桿組的作用是將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，并把作用在活塞組上的 力傳給曲軸。 本文在充分研究了與本研究課題相關的國內外文獻基礎上，系統(tǒng)地總結了發(fā)動機連桿 組的發(fā)展現(xiàn)狀，通過對汽油發(fā)動機實體進行拆裝測繪，進行了連桿組的總體設計，并用 EXCE對發(fā)動機進行了熱力和動力計算，對部分零件進行了校核。通過設計、分析為連桿 組的進一步優(yōu)化設計奠定了基礎。 關鍵詞：發(fā)動機，連桿 1緒論 1.1課題研究意義 連桿組包括連桿體，連桿蓋，連桿軸瓦和連桿螺栓。而連桿體又通常分為連桿 小頭，桿身和大

3、頭三部分。連桿的作用是將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動， 并把作用在活塞組上的力傳給曲軸。 連桿是內燃機的主要運動受力部件之一，它在工作中所受的各種外載荷復雜 且作周期性變化，機械負荷嚴重，工作條件惡劣。因此，連桿的可靠性一直也是人 們在內燃機研究和改進過程中關注的熱點問題。在分析連桿的應力和應變時，考慮 這些外力和復雜運動的因素，將得到更符合實際的結果，這樣能為進行連桿可靠性 的優(yōu)化設計提供準確的理論依據(jù)。 1.2課題發(fā)展概況 活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿等組成，活塞呈圓柱形，上面裝有活塞環(huán)， 借以在活塞往復運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環(huán)稱為氣環(huán)，用來圭寸閉氣缸，防止氣

4、缸 內的氣體漏泄，下面的環(huán)稱為油環(huán)，用來將氣缸壁上的多余的潤滑油刮下，防止?jié)櫥透Z 入氣缸。活塞銷呈圓筒形，它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中，將活塞和連桿聯(lián)接起來。 連桿大頭端分成兩半，由連桿螺釘聯(lián)接起來，它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時，連桿 小頭端隨活塞作往復運動，連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉運動，連桿大小頭間的 桿身作復雜的搖擺運動。 活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)，氣環(huán)的作用是防止氣缸內的氣體竄入油底殼、將活塞頭部的 熱量傳給氣缸壁以及輔助刮油、布油。由于活塞環(huán)存在側隙和背隙，活塞帶著環(huán)下行時， 環(huán)靠在環(huán)槽的上方，環(huán)大缸壁上刮下的潤滑油充入環(huán)槽下方，當活塞帶著環(huán)上行時，環(huán)又 靠在環(huán)槽的下方

5、，同時將油擠壓到環(huán)槽上，如此反復，就將潤滑油泵到活塞頂，這種現(xiàn)象 稱為活塞的泵油作用。泵油作用非常有害，增加了潤滑油的消耗，火花塞沾油時不跳火， 燃燒室積炭增多，燃燒性能變壞，環(huán)槽內形成積炭，擠壓活塞環(huán)而失去密封性，加劇了氣 缸的磨損，采用扭曲環(huán)或組合式油環(huán)以及油環(huán)下設減壓腔能有效控制泵油的發(fā)生。氣環(huán)從 斷面形狀分有矩形環(huán)、錐形環(huán)、扭曲環(huán)和桶形環(huán)、梯形環(huán) ，其中矩形環(huán)由于結構簡單與缸 壁接觸面積大散熱好等優(yōu)點常被用于做第一道環(huán)。油環(huán)的作用是將氣缸壁上多余的潤滑油 刮下來，有整體式和組合式兩種，其中組合式因密封好、無側隙、刮油能力強、適應性好 以及回油能力強等特點普遍應用。活塞裙部對活塞在氣缸

6、內的往復運動起導向作用，并承 受側壓力。裙部的長短取決于側壓力的大小和活塞直徑。壓縮行程和作功行程氣體的側壓 力方向正好相反，由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力，所以，作功行程中的側壓力也大大高 于壓縮行程中的側壓力。在加工時預先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座 垂直，短軸方向沿銷座方向。這樣活塞工作時才趨近正圓?；钊馗叨确较虻臏囟群懿痪?勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應是上部大、下部小。為了使工作時活塞 上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。 活塞銷的作用是連接活塞和連桿，并傳遞活塞的力給連桿，是用低碳鋼或低碳合金鋼 制成的厚壁管狀體

7、。有全浮式連接和半浮式連接兩種。全浮式是在發(fā)動機正常工作溫度下 活塞銷在連桿小頭孔和活塞銷座孔中都能轉動，而半浮式是銷與銷座孔和連桿小頭一處固 定一處浮動的。 連桿的作用是將活塞的力傳給曲軸，變活塞的往復運動為曲軸的旋轉運動，由連桿體、 連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸瓦等組成，連桿小頭用來安裝活塞銷，以連接活塞，桿身常做 成工字形斷面，大頭與曲軸的連桿軸頸相連，一般做成分開式，即連桿體大頭和連桿蓋， 大頭有平切口和斜切口兩種，有連桿螺栓定位、鋸齒形定位、磋或銷定位、止口定位四種。 連桿安裝時要注意不能破壞連桿桿身與蓋的配對及裝合方向，在二者的同一側打有配對標 記，不能反裝也不能亂缸，在桿身上有方向

8、標記。連桿軸承用來保護連桿軸頸及連桿大頭 孔，由鋼背和減磨層組成。 由于活塞和活塞環(huán)承受的熱負荷和機構負荷日益增加，潤滑油量減少，同時柴油機廠 又在不提高發(fā)動機售價的前提下，提高燃油效率和耐久性，因此，對活塞和活塞環(huán)的要求 更加嚴格。在對柴油機排氣管進行尾氣凈化處理的同時加強旨在減少廢氣源中即氣缸內有 害特質排放的研究發(fā)展工作。目前在卡車和非公路車輛用中 ，小型柴油機方面所開展的研 究工作大都放在減少廢氣排放上，因此出現(xiàn)了深盆頂活塞的應用。這是專為燃燒狀況減少 碳氫化合物排放而設計的。但其外形結構往往會產生高的瞬時熱應力，為此開發(fā)出了纖維 增強模壓鑄造等新材料工藝。但深盆形燃燒室會使溫度升高

9、，使 NQ排放增加。降低碳氫 化合物的另一項措施是提高活塞頂環(huán)位置以減小頂岸區(qū)的裂隙，然而這會再次增大杯唇部 的循環(huán)機械應力，并可使活塞環(huán)和環(huán)槽產生潛在的耐用性問題。 鑄鋁合金活塞裙裝到活塞銷上，在氣缸套中起到導向作用，壓力傳遞和導向兩功能分 開的目的是給活塞環(huán)組提供穩(wěn)定平臺和實現(xiàn)低的機油耗率。然而這種活塞成本高，往復運 動質量大，活塞質量是影響噪聲與振動的重要因素。柴油機制造廠家正考慮恢復使用較簡 單的活塞組工藝，并進行大量有關柴油機使用活塞頂燃燒室改淺、增寬的活塞和更高燃油 噴射壓力的研究工作，以便可以恢復使用較為普通與價廉的重力模鑄鋁活塞材料，利用普 遍改進了的現(xiàn)有生產工藝可以改善這

10、種材料的質量。 從長遠的觀點看，重力模鑄鋁活塞可滿足小型車用柴油機的現(xiàn)時要求，而提高功率和 執(zhí)行排放限法規(guī)則要求使用帶纖維補強環(huán)槽，可能的話帶冷卻油槽的壓鑄活塞以及使用其 中一種銅含量的新型鋁合金材料。大批量生產的這種活塞造價是不會高的。多年來，鋁活 塞似乎也可滿足中功率柴油機的市場要求，而大功率柴油機繼續(xù)混用重力模型、壓鑄、鉸 接和鑄鐵活塞，然而，從長遠來看，這種活塞或許會被重量輕的整體式鋼活塞所取代。整 體式活塞盡管其往復質量明顯比等效的鑄鐵或組合式結構的低，但它仍具有很大的潛在額 定容量，在提高燃油經濟性、減少排放和降噪減振方面也可望有大的受益。 本學期我們學習了必修課程《汽車發(fā)動機

11、設計》，緊接著開始課程設計。我們要根據(jù) 自己的題目來查閱資料，結合所學知識，設計出合理的發(fā)動機部件。通過這次課程設計, 要培養(yǎng)我們綜合運用知識的能力，查閱工具書的能力以及運用計算機的能力。 2發(fā)動機基本參數(shù) 2.1發(fā)動機的結構參數(shù) 由設計要求知初始條件為 平均有效壓力：Pme 0.8~1.2Mpa 活塞平均速度：V m v 18 m/ s 發(fā)動機類型選擇四沖程水冷直列式四缸機。基本參數(shù) 行程缸徑比S/ D比為1.0。 氣缸工作容積Vs，缸徑D的選擇，根據(jù)內燃機學的基本計算公式: Pe Pem Vs i n 30 (1-1) Vm 30 (1-2) 2

12、 D S 1000 (1-3) 4 其中 Pem ――發(fā)動機的平均有效壓力，選擇 1.0MPa Vs ——氣缸的工作容積， 4*Vs=1.8L i ――發(fā)動機的氣缸數(shù)目 n ——發(fā)動機的轉速,5400 r/min, Vm ――活塞的平均速度，選擇15m/s S――發(fā)動機活塞的行程 D 發(fā)動機氣缸直徑 ――發(fā)動機的行程數(shù) 根據(jù)以上的條件代入以上公式，并圓整得: D=83mm ，S=83mm, Vs=0.045 L Pe=81kW< 2.2發(fā)動機熱力學計算 通常根據(jù)內燃機所用的燃料，混合氣形成方式，缸內燃燒過程（加熱方式）等特點， 把汽油機實際循環(huán)近似看成等容加

13、熱循環(huán)。汽油機的工作過程包括進氣、壓縮、做功和排 氣四個過程。在本設計過程中，先確定熱力循環(huán)基本參數(shù)然后重點針對壓縮和膨脹過程進 行計算，繪制p-v圖并校核。 根據(jù)相關資料壓縮過程絕熱指數(shù) ni=1.28?1.35,初步取m=1.30 膨脹過程絕熱指數(shù)n2=1.31?1.41，初步取n2=1.35 汽油機壓縮比 8~12，初取 9，初取p=7 通常情況下，壓縮始點的壓強在 Pa= （0.8?0.9） po （P0為當?shù)卮髿鈮毫χ担?，假定? 界F0=0.10MPa，選定pa =0.09 MPa，將壓縮過程近似看作絕熱過程，由 山=1.30,并利用 PVn=const,可以在excel

14、中繪出壓縮過程線?；旌蠚怏w在氣缸中壓縮后，經等容加熱，利 連接膨脹終點和壓縮始點。得出理論的 P-V 圖 1。 = PcVc 1.30 n2=1.35，繪出膨脹線。最后 （1-4） （1-5） 用p值可得最大爆發(fā)壓力值。膨脹過程類似于壓縮過程，由 Pa=0.09Mpa, Vs=0.45L Vc Vs/( 1) 0.045L，Va=0.45L，得 Pc=1.80MPa Pz p Pc = 12.6MPa PzVc1.35 PbVb1.35 得 Pb=0.55MPa 簡化的條件為： 假設工質是理想氣體，其物理常數(shù)與標準狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同 假設工質是在閉口系統(tǒng)中作

15、封閉循環(huán)。 假設工質的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程。 假設燃燒過程為等容加熱過程，工質放熱為定容放熱。 V(L) 圖1理論P-V圖 實際的P-V圖和利用多變過程狀態(tài)方程繪制的 P-V圖還存在一些差別，主要是點火提 前角和配氣相位的原因。對1圖作以下調整： 最大爆發(fā)壓力： R取理論水平的3/5,具體值為7.56,以此值與原圖形相交，水平線 以上的部分去掉，余下部分作些調整?？紤]到實際過程與理論過程的差異，最大爆發(fā)壓力 發(fā)生在上止點之后12°?15°，選擇最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)在上止點后 12°。 點火提前角：據(jù)資料得常用的范圍是 20°?30。，經調整后取26°。 排氣提前角：常使用

16、的范圍是 40。?80°，經調整后取60°。 ■2 0 9876543210 圖2調整后P-V圖 由熱力學計算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖，其圍成的面積表示的是汽油機所 做的指示功Wi，數(shù)值由對示功圖積分后求得的面積來表示: Vc 1.30 1.30 Pa Va Vx dVx Vva (1-6) Vz 1 35 1 35 W V Pb Vb1.35 Vx 1.35 dVx Vb 其中：Pa=0.09MPa; Pb=0.55MPa;Vc= Vz=0.045L; Vb= Va =0.45L 將上述數(shù)值代入得：Wi=573J 則汽油機平均有效壓力：

17、Wi * m pme ! m 0.996MPa Vs （ 1-7） Pe Pme Vs 1 n=81kW （ 1-8） 30 與前面計算的結果大致一樣，在± 2%以內，故上面選取的參數(shù)和以后的相關計算在滿 足制造的同時能夠前后一致。 2.3發(fā)動機運動學計算 在往復活塞式內燃機中基本上采用三種曲柄連桿機構：中心曲柄連桿機構，偏心曲柄 連桿機構和關節(jié)曲柄連桿機構。其中中心曲柄連桿機構應用最廣泛。本次設計選擇中心曲 柄連桿機構。 參考發(fā)動機設計可知， 1/37/5，車用發(fā)動機多用小連桿，初選 1/4。則連桿長 度 L=r/ 166 mm。 活塞位移： X r 1 cos 1

18、cos2 (1-9) 4 =1/4，r —為曲軸半徑，r 83/2 41.5mm 經計算后X- a圖如下圖4所示： 角度（。） (1-10) n 30 5421r / min, r 0.042 m 角度（。） 圖4 X- a圖 活塞速度： V r sin —si n2 2 圖5 V- a圖 活塞加速度： a 2 r cos cos 2 ,)2^巴度速加塞活 -5000 -10000 -15000 8 20000 15000 10000

19、 角度.。: 角度（。） 圖6 a- a圖 連桿式做復合平面運動，即其運動是由隨活塞的往復運動以及繞活塞銷的擺動合成 連桿相對于氣缸中心的擺角： (1-11) arcs in sin 圖7連桿運動規(guī)律 2.4發(fā)動機動力學計算 首先質量轉換，沿氣缸軸線作直線運動的活塞組零件，可以按質量不變的原則簡單相 加，并集中在活塞銷中心 mp mpi 粗略計算，將活塞看做薄壁圓: mp 2 2 4 D2 D L H (1-12) 其中D=83mm L為活塞厚度L=8mm活塞材料為共

20、晶鋁合金：p =2.7g/cm3 , H為活塞 高度 H= (0.8~1.0 ) D=74.7mm 得 mp 215g 勻速旋轉的曲拐質量，可以按產生離心力不變的原則換算，并集中在曲柄銷的中心。 mm mc r (1-13) 做平面運動的連桿組，根據(jù)動力學等效性的質量，質心和轉動慣量守恒三原則進行質 量換算。3個條件決定三個未知數(shù)，可用位于比較方便的位置上即連桿小頭，大頭和質心 1 處三個質量來代替連桿。實際結果表明 m3與m2、m相比很小，為簡化受力分析，常用集 中在連桿小頭和大頭的2個質量代替連桿 m1 mL L L2 L m2 往復質量： mj mp

21、m1 旋轉質量： mY mc m2 (1-14) (1-15) (1-16) (1-17 ) mj=215+300=515g 作用在活塞銷中心的力，是Fg和Fj的合力，F(xiàn)g為氣體作用力，F(xiàn)j為往復慣性力 (1)氣體力 Fg D2 P P0 3.14 832 P 0.1013 4 4 (1-18) P-活塞頂上的壓力，P。--活塞背壓 根據(jù)氣缸內壓力與曲軸轉角a的關系， 應用EXCELS解相關數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)記錄在附錄中) 作出下圖& 圖8氣體作用力圖 （2）慣性力 往復慣性力： Fj在機構中的傳遞情況與Fg很相似，F(xiàn)j也使機構受負荷，也產

22、生轉矩和傾覆力矩， 由于Fj對汽缸蓋沒有作用，所以它不能在機內自行抵消，是向外表現(xiàn)的力，需要由軸承 承受。則由于活塞和連桿小頭的往復運動而引起的往復慣性力 Fj的大?。篎j和曲軸轉角 a滿足下列關系式，即 Fj mj a 0.380 r 2 cos cos2 （〔 伯） 應用EXCEL求解相關數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)記錄在附錄中）作出下圖 9 t力性慣返往 角 O 圖9往復慣性力 （3）旋轉慣性力 Fr=mrr 32,當曲軸角速度不變時，F(xiàn)r大小不變，其方向總是沿著曲軸半徑向外。女口果不用結構措施（如平衡塊）消除，它也是自由力，使曲軸軸承和內燃機承受支反力，它 不產生轉矩和傾覆力矩。在

23、本次設計中，用平衡塊結構措施消除，所以在計算中可以忽略 它。 作用在活塞銷中心的力，是 Fj和Fp合力。即F= Fj+Fp。把該力分解到連桿方向P2 和垂直于氣缸中心線方向P1。連桿方向的力P1沿連桿傳遞到連桿大頭，該力以同樣的方 向和大小作用在曲柄銷上。把 P1分解到曲柄銷半徑方向Pk和垂直于曲柄銷半徑方向Pt。 其中各力在大小上滿足下列關系式: 側壓力Pl Ptan P P2 —— 連桿力 COS Pt P2 sin 切向力 Psi n cos Pk 徑向力 P2 cos P cos cos (1-20) (1-21) (1-22) (1-23

24、) 圖10側壓力連桿力圖 角度（。） 圖11切向力徑向力圖 3發(fā)動機連桿的設計 連桿是發(fā)動機的重要組成部分，主要由連桿大頭、大頭蓋、連桿軸瓦及連桿螺栓等部 分組成。其作用是將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給 曲軸。連桿小頭與活塞一起作往復運動，連桿大頭與曲軸一起作旋轉運動，連桿桿身作復 雜的平面擺動。連桿主要

25、承受氣體壓力和往復慣性力所產生的交變載荷。由于受力比較復 雜并且需要實驗來指導，因此設計時應綜合考慮。 內燃機的連桿組包括連桿體、連桿蓋、連桿軸瓦和連桿螺栓。而連桿體又常分為連桿 小頭、桿身和大頭三部分。連桿組的作用是將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，并 把作用在活塞組上的力傳給曲軸。 3.1連桿設計概述 根據(jù)以上分析可知，連桿主要承受氣體壓力和往復慣性力所產生的交變載荷。因此， 在設計時應首先保證連桿具有足夠的疲勞強度和結構剛度。如果強度不足，就會發(fā)生連桿 螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴重事故。同樣，如果連桿組剛度不足，也會對曲柄連 桿機構的工作帶來不好的影響。如，連桿大頭的變形

26、使連桿螺栓承受附加彎曲，大頭孔的 失圓使連桿軸承的潤滑受到影響；桿身在曲軸軸線平面內的彎曲，使活塞在氣缸內歪斜， 造成活塞與氣缸以及連桿軸承與曲柄銷的偏磨 .活塞組與氣缸間捅氣、竄油。經驗表明， 對強化程度不高的發(fā)動機來說，剛度比強度更重要。 很顯然，為了增加連桿的強度和剛度，不能簡單地依靠加大結構尺寸來達到，因為連 桿重量的增加使慣性力相應增加，所以連桿設計的一個主要要求是在盡可能輕巧的結構下 保證足夠的剛度和強度。為此，必須選用高強度的材料，合理的結構形狀和尺寸 ；采取提 高強度的工藝措施等。 設計連桿時首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長度 I。它通常是用連桿比 r/l來說明

27、的，人值越大，連桿越短，則發(fā)動機總高度 （立式發(fā)動機）或總寬度（臥式發(fā) 動機）越小。在V型發(fā)動機上，則總高度和總寬度可同時縮小。所以為使發(fā)動機緊湊輕巧， 現(xiàn)代高速發(fā)動機設計中的總趨勢是盡量縮短連桿長度。目前孔值己大到 I /3.2，常用范圍 為1/4~1/3.2。但是，連桿長度必須根據(jù)發(fā)動機的總體布置才能最后確定。過短的連桿在 運動過程中有可能與氣缸套的下端 相碰。從理論上分析，連桿縮短會引起活塞側壓力 Pn加大，可能增加活塞與氣缸的摩擦 和磨損。但是經驗證明，直到 1/3為止，這種影響并不大。 對于四沖程高速內燃機來說，最合理的連桿長度應該是保證連桿及相關機件在運動時 不與其他機件

28、相碰情況下的最短長度。由于連桿長度的偏差直接影響發(fā)動機的壓縮比和裝 配關系，所以其制造公差要保持在土 0.05~ ± 0.1的范圍內。 桿身也承受交變載荷，可能產生疲勞破壞和變形，連桿高速擺動時的橫向慣性力也會 使連桿彎曲變形，因此桿身必須有足夠的斷面積，并消除產生應力集中的因素。 “工”字形斷面的平均相對高度 H/D=0.2~0.3（汽油機）。高寬比H/B=1.4~1.8。對于 1 .—— 汽車發(fā)動機B初步值可按以下經驗公式求出B § ' DS（厘米）式中d、S分別為氣缸直 徑和沖程（厘米）。 為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，一 般把桿身斷面H從小頭到大頭逐漸加大，Hwx//Hm

29、in值最大到1.3左右，在桿身到小頭和大頭 的過渡處須用足夠大的圓角半徑。 3.2連桿尺寸設計 連桿長度由桿比 來說明，而 =r/l， 值越大，連桿越短，則發(fā)動機的總高度越小。 參考楊連生版《內燃機設計》設計， l=166mm。 連桿小頭位于活塞內腔，尺寸小、軸承比壓高、溫度較高。本次設計汽油機的連桿材 料選取為45鋼，密度 =7.85g/cm3. 連桿小頭的內徑 ，參考楊連生版 《內燃機設計》設計 ，d 1 /D=0.25?0.3，取 d1 =0.3D=28mm， 連桿小頭的外徑，參考楊連生版《內燃機設計》設計 ，D 1 /d=1.2?1.35，取 D1 =1.25d=38

30、mm， 連桿小頭的寬度，參考楊連生版《內燃機設計》設計，B1/d1=1.2?1.4， 取 B1 =1.2d1=28mm， 襯套外徑，參考楊連生版《內燃機設計》設計， d1/d=1.05~1.15,取d=1.1 d1 =24mm 連桿大頭的結構與尺寸基本上決定了曲柄銷直徑 D2、長度B2、連桿軸瓦厚度等等，對 曲軸的強度、剛度和承壓能力有很大的 影響。大頭的外形尺寸又決定了凸輪軸位置和曲 軸箱形狀，大頭的重量產生的離心力會使連桿軸承、主軸承負荷增大，磨損加劇，有時還 不得不為此而增加平衡重，給曲軸設計帶來困難，因此在設計連桿大頭時，應在保證強度 和剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕

31、。 連桿大頭內徑，參考楊連生版《內燃機設計》設計，D2/D=0.55?0.65， 取 D2=0.59D=57mm 連桿大頭外徑，參考楊連生版《內燃機設計》設計， D'2/D=0.60?0.68， 取D2 =0.63D=79mm 連桿螺栓孔間距離，參考楊連生版《內燃機設計》設計，C/ D2=1.2?1.25,取C=1.2D‘2 =70mm 高度H3,參考楊連生版《內燃機設計》設計，H3/ D2 =0.35?0.4,取H3 =0.38D‘2=20mm 高度H4，參考楊連生版《內燃機設計》設計，H" D2 =0.38?0.44，取H4=0.4D 2=21mm 3.3連桿小頭強度的計算

32、 襯套過盈配合的預緊力及溫升產生的應力 △ t p d_ 1 （D； d2 ） 1 （d2 ） E（6T盯 訕己（了苛 卩） 式中d2 —小頭外徑，為 31mm； d1 —小頭內徑，為22mm； a —襯套材料的線膨脹系數(shù)，對于青銅，可取 a'=1.8 1051/c0 ； a—連桿小頭材料的線膨脹系數(shù)，對于鋼可取 a=1.0 10 5 （ 1/c0 ）； □ —泊桑比，一般可取卩='=0.3; E—連桿小頭材料的彈性模數(shù)對于剛， E=2.2 105 N/mm E'—襯套材料的彈性模數(shù)，對于青銅， E'=1.15 105 N/mm 計算得 t 0.065mm. 計算可

33、得：p 22.51MPa 把小頭視為內壓厚壁圓筒，在壓力 P的作用下外表面的切向應力為 D2 d2 內表面 i = d；胡2 p=102.5 N/mm2 外表面a詩2卩=71.7 N/mm2 經檢驗小于100-150 N/mm2 當發(fā)動機處于額定工況時，連桿小頭的最大拉伸作用力為： Pjmax- 當發(fā)動機處于起動工況時 Pjmax2 mR 2(1 ) 56.32N Hm/ 固定角 90 arccos - 124.94 D1 /2 d1 d2 22 31 r - - 13.18mm 4 4 在 0的截面上 N 1 -Pj'max (0.572 0.0008 ) 3

34、215.64 N M -Pjmax r(0.00033 0.0297) =2.47 N m 計算 截面拉伸力引起的法向力和彎矩為： N N cos 0.5Pjmax(sin cos ) 2086.02N M M N r(1 cos ) 0.5Pmaxr(si n cos )45.38N m 小頭壁厚為h d2 d1 2.1mm ； b 26mm K EF 0.84mm 4 EF E F 由拉伸作用在外表上產生的應力為: aj 2M 6r h h(2r h) KN 1 b]h 18.478Mpa 取點火提前角為： 15 連桿小頭的

35、合力為： D2 2 Pa (Pzmax P ) mR (COS 4 cos2 ) 28258N N1 Pa N Pa sin 一 sin 1 cos 2 M N sin M1 Par (1 cos ) Par ￡ 2 計算截面中由壓縮力引起的法向力和彎矩: =10925.8 0.010625 (0.00013 10925.8 (0.0005 0.002) 1192 73N 1 cos 0.0005 1.2588 0.002) = 101.04N m a1 2M1』h KN1 — h(2r h) b1h 24

36、.649MPa 不對稱循環(huán)的最大與最小應力為: max a aj 98.51MPa min a a1 55.38MPa 平均應力及應力幅: m -jmax 皿 76.9476 MPa 2 a -jmax 皿 21.5636MPa 2 又由n 1z 1z 材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，取 1z =200 MPa 應力幅; 平均應力； 考慮表面加工情況的工藝系數(shù)，其值在 0.4?0.6之間，取 0.4 a 角系數(shù)， 2 1 a 0——材料在對稱循環(huán)下的彎曲疲勞極限，對于鋼， 0 (1.4 ~ 1.6) ! 則取a 0.43 算得n=2.

37、299〉1.5則小頭合格 3.4連桿大頭的強度計算 連桿大頭受慣性力拉伸載荷： Pj'max G―G 2r(1 ) °2 °3 2r 10218.54N m g g 式中G'、G、G2、G3分別是活塞組、連桿組往復部分、連桿旋轉部分及連桿大頭下半部 分的重量。取 40，則彎曲應力為: Pjmax 0.0231 Z(1 J'/J) 0.4 F F 18346.3N 式中Z —計算斷面的抗彎曲斷面模數(shù)，取 Z 5.0 10 9m3 l1 —計算圓環(huán)的曲率半徑，計算可得l1 17mm F、F'—大頭及軸承中央截面面積，計算可得 F F' 0.00176m2 查楊連

38、生《內燃機設計》c的值在 15000~20000N - m之間，合格。 本課題通過對汽油發(fā)動機連桿組的研究，結合汽油機設計參數(shù)，對連桿組進行總體布 置；利用EXCE對活塞連桿進行熱力與動力分析，從而得到比較理想的連桿組。通過對連 桿組的設計，對發(fā)動機有了更進一步的認識，并且鞏固了所學的知識。 本文的全部工作是在老師的悉心指導下完成的。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識、 刻苦的鉆研精神和對學生高度負責的作風使我永生難忘，終身受益。在我論文的完成過程 中，導師付出了大量的心血，在此謹向辛勤培育我的導師致以崇高的敬意和衷心的感謝 感謝學院全體老師的辛勤培養(yǎng)和教誨！ 感謝所有支持和幫助我的同學和

39、朋友們！ 參考文獻 [1] 楊連生?內燃機設計?北京：中國農業(yè)機械出版社， 1981. [2] 1990. [3] 陳家瑞.汽車構造[M].吉林：人民交通技術出版社，2002. [4] 洪如謹.CAD知識溶接技術培訓教程[M]. 北京：清華大學出版社，2004. [5] 趙波，龔勉，屠建中.UG CAD實用教材[M ] . （ NX2 版）.北京：清華大學出 版社,2004. [6] 趙波，張琴.CAD相關參數(shù)化設計培訓教程[M] . （ NX2版）.北京：清華大學 出版社,2005. [7] 張寶生.汽車優(yōu)化設計理論與方法[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000. [8

40、] 于海波，謝琦，呂巍.基于OWL的RB-RBAC策略定義和推理[J].吉林大學學 報:2006（5） :754 — 759. [9] 王珂.面向數(shù)據(jù)庫的本體抽取與支持工具的研究[D].大連海事大學,2007,3. [10] 1999. [11] 2005. [12] 吳兆漢?內燃機設計?北京：北京理工大學出版社， 1990. [13] 2002. 附錄圖表 P-V圖計算 轉角a （。 汽缸瞬時容積 （mL） 多變指數(shù) 燃氣壓力（MPa） 調整后的燃氣壓力 （MPa） 0 45.0000 0 0.090 0.090 5 47.0608 0 0.0

41、90 0.090 10 50.2297 0 0.090 :0.090 15 55.4666 0 0.090 0.090 20 62.7053 0 0.090 0.090 25 71.8552 0 0.090 0.090 30 82.8027 0 0.090 [0.090 35 95.4137 0 0.090 0.090 40 109.5360 0 0.090 0.090 45 125.0020 0 0.090 [0.090 50 141.6324 0 0.090 0.090 55 159.2387

42、 0 0.090 0.090 60 177.6269 0 0.090 :0.090 65 196.6008 0 0.090 0.090 70 215.9653 0 0.090 0.090 75 235.5290 0 0.090 r 0.090 80 255.1075 0 0.090 0.090 85 274.5255 0 0.090 0.090 90 293.6193 0 0.090 0.090 95 312.2382 0 0.090 0.090 100 330.2459 0 0.090 0.090

43、 105 347.5215 0 0.090 :0.090 110 363.9598 0 0.090 0.090 115 379.4715 0 0.090 0.090 120 385.9825 0 0.090 :0.090 125 399.4333 0 0.090 0.090 130 409.7780 0 0.090 0.090 135 415.9827 0 0.090 :0.090 140 421.0243 0 0.090 :0.090 145 429.8883 0 0.090 0.090 150 43

44、7.5674 0 0.090 :0.090 155 444.0598 0 0.090 :0.090 160 449.3670 0 0.090 0.090 165 453.4928 0 0.090 0.090 170 456.4418 0 0.090 :0.090 175 458.2178 0 0.090 0.090 180 458.8237 1.30 0.093 0.093 185 458.2605 1.30 0.094 0.094 190 456.5272 1.30 0.094 0.094 195

45、453.6212 1.30 0.094 0.094 200 449.5384 1.30 0.095 :0.095 205 444.2744 1.30 0.096 0.096 210 437.8254 1.30 0.097 0.097 215 430.1896 1.30 0.098 P 0.098 220 421.3688 1.30 0.099 :0.099 225 415.3700 1.30 0.101 0.101 230 411.2074 1.30 0.104 ：0.104 235 407.9038 1.30

46、 0.108 [0.108 240 404.4927 1.30 0.113 0.113 245 390.0195 1.30 0.118 ：0.118 250 374.5431 1.30 0.124 0.124 255 358.1371 1.30 0.132 0.132 260 340.8903 1.30 0.140 0.140 265 322.9074 1.30 0.150 [0.150 270 304.3085 1.30 0.162 0.162 275 285.2295 1.30 0.176 0.176 28

47、0 265.8204 1.30 0.193 0.193 285 246.2448 1.30 0.213 0.213 290 226.6773 1.30 0.236 0.236 295 207.3023 1.30 0.265 [0.265 300 188.3107 1.30 0.300 0.300 305 169.8976 1.30 0.342 0.342 310 152.2594 1.30 0.393 [0.393 315 135.5900 1.30 0.586 0.556 320 120.0782 1.30

48、 0.733 0.663 325 105.9038 1.30 0.826 :0.796 330 93.2349 1.30 0.997 0.937 335 82.2241 1.30 1.156 1.166 340 73.0065 1.30 1.288 r 1.308 345 65.6962 1.30 1.454 1.454 350 56.3849 1.30 1.585 1.585 355 46.1396 1.30 1.699 [1.699 360 45.0014 1.30 1.801 1.801 360 45.

49、0014 1.35 12.592 8.330 365 45.9848 1.35 12.294 7.987 370 55.0773 1.35 10.923 6.575 375 65.2396 1.35 9.910 5.988 380 72.4067 1.35 8.803 4.733 385 81.4887 1.35 7.918 3.694 390 92.3728 1.35 6.821 3.119 395 104.9256 1.35 5.938 2.626 400 118.9955 1.35 4.870 2.

50、216 405 134.4156 1.35 3.604 1.880 410 151.0067 1.35 2.725 1.606 415 168.5807 1.35 1.918 P 1.385 420 186.9438 1.35 1.668 1.204 425 205.8998 1.35 1.464 1.057 430 225.2534 1.35 1.297 P 0.936 435 244.8132 1.35 1.159 :0.837 440 264.3942 1.35 1.045 0.754 445 283.8

51、211 1.35 0.949 :0.685 450 302.9295 1.35 0.869 [0.628 455 321.5682 1.35 0.802 0.579 460 339.6004 1.35 0.745 :0.538 465 356.9047 1.35 0.697 0.503 470 373.3753 1.35 0.656 0.473 475 388.9222 1.35 0.621 0.448 480 403.4709 1.35 0.590 :0.426 485 406.9613 1.35 0.565

52、 0.408 490 409.3471 1.35 0.543 0.392 495 410.5939 1.35 0.524 0.378 500 420.6782 1.35 0.509 0.367 505 429.5854 1.35 0.495 0.358 510 437.3079 1.35 0.484 [0.350 515 443.8435 1.35 0.475 0.343 520 449.1940 1.35 0.468 0.338 525 453.3629 1.35 0.463 [0.334 530 456.

53、3547 1.35 0.459 0.331 535 458.1735 1.35 0.457 0.330 540 458.8221 1.35 0.456 :0.329 545 458.3016 0 0.090 0.090 550 456.6111 0 0.090 0.090 555 453.7480 0 0.090 :0.090 560 449.7083 0 0.090 0.090 565 444.4875 0 0.090 0.090 570 438.0818 0 0.090 :0.090 575 430.

54、4893 0 0.090 :0.090 580 421.7117 0 0.090 0.090 585 416.7558 0 0.090 0.090 590 411.6353 0 0.090 :0.090 595 408.3729 0 0.090 0.090 600 405.0014 0 0.090 0.090 605 390.5661 0 0.090 0.090 610 375.1251 0 0.090 0.090 615 358.7516 0 0.090 0.090 620 341.5338 0

55、 0.090 0.090 625 323.5757 0 0.090 0.090 630 304.9970 0 0.090 0.090 635 285.9330 0 0.090 :0.090 640 266.5332 0 0.090 0.090 645 246.9606 0 0.090 0.090 650 227.3897 0 0.090 P 0.090 655 208.0043 0 0.090 :0.090 660 188.9952 0 0.090 0.090 665 170.5576 0 0.090

56、:0.090 670 152.8876 0 0.090 [0.090 675 136.1795 0 0.090 0.090 680 120.6222 0 0.090 :0.090 685 106.3960 0 0.090 :0.090 690 93.6692 0 0.090 0.090 695 82.5954 0 0.090 0.090 700 73.3102 0 0.090 :0.090 705 65.9285 0 0.090 0.090 710 55.5429 0 0.090 0.090 715

57、49.2212 0 0.090 [0.090 720 45.0057 0 0.090 0.090 運動學計算 曲軸轉 角 活塞位移 活塞速度 活塞加速 連桿擺角 汽缸容積 往復慣性 氣體力 mm m/s 度 m/s2 L 力N N 5 0.197125 2.592944 16799.17 1.248514 0.046066 -8651.57 -61.1089 10 0.786106 5.154412 16493 「2.488121 :0.049251 -8493.9 -61.1089 : 15 1.7

58、59805 7.653523 15989.17 3.709942 0.054517 -8234.42 -61.1089 20 3.106477 10.06058 15297.16 4.905163 0.061799 -7878.04 -61.1089 25 4.809989 12.34759 14429.91 :6.065067 [0.071012 -7431.41 -61.1089 : 30 6.850122 14.48884 13403.5 7.181077 0.082045 -6902.8 -61.1089 35 9.202

59、946 16.46125 12236.69 8.244804 0.094768 -6301.9 -61.1089 40 11.84126 18.24484 10950.5 [9.248102 ：0.109036 -5639.51 -61.1089 : 45 14.73507 19.82299 9567.643 10.18313 0.124685 -4927.34 -61.1089 50 17.85214 21.18265 8111.984 11.04243 0.141542 -4177.67 -61.1089 55 21.1585

60、3 22.31451 6607.939 r 11.819 [0.159422 -3403.09 -61.1089 : 60 24.61916 23.21301 5079.888 12.50636 0.178137 -2616.14 -61.1089 65 28.19841 23.87629 3551.597 13.09869 0.197493 -1829.07 -61.1089 70 31.86062 24.30608 2045.67 [13.59086 p.217298 -1053.52 -61.1089 : 75 35.570

61、69 24.50745 583.0434 13.97854 0.237361 -300.267 -61.1089 80 39.29449 24.48852 -817.465 14.25828 0.257499 420.9942 -61.1089 85 42.99936 24.26015 -2139.53 14.42757 0.277535 1101.856 -61.1089 90 46.65445 23.83545 -3369.6 14.48485 0.297301 1735.346 -61.1089 95 50.23106

62、 23.22943 -4497.16 14.42962 0.316643 2316.035 -61.1089 100 ] 53.70288 22.45846 -5514.76 P 14.26237 0.335418 2840.099 -61.1089 : 105 57.04615 21.5398 -6418.11 13.98463 0.353498 3305.328 -61.1089 110 60.23979 20.49115 -7206 13.59889 0.370769 3711.09 -61.1089 115 63.2654

63、 19.33018 -7880.09 P 13.10859 0.387131 4058.246 -61.1089 : 120 ] 66.10722 18.07406 -8444.71 P 12.51804 0.402499 4349.028 -61.1089 : 125 68.75206 16.73915 -8906.54 11.83236 0.416802 4586.868 -61.1089 130 ] 71.18913 15.34061 -9274.19 P 11.05737 0.429981 4776.206 -61.1089

64、135 73.4098 13.89215 -9557.79 [10.19952 0.44199 4922.263 -61.1089 : 140 75.40746 12.40583 -9768.55 9.265811 0.452793 5030.803 -61.1089 145 ] 77.17713 10.89197 -9918.2 :8.26369 0.462364 5107.875 -61.1089 150 ] 78.71533 9.359043 -10018.6 :7.200994 0.470682 5159.563 -61.1

65、089 : 155 80.01966 7.81374 -10081 6.085864 0.477736 5191.736 -61.1089 160 81.08866 6.261065 -10116.1 4.926685 0.483517 5209.812 -61.1089 165 81.92149 4.704496 -10133.1 :3.732032 0.48802 5218.547 -61.1089 1 170 82.51774 3.146217 -10139.5 2.510617 0.491245 5221.848 -61.

66、1089 175 82.87724 1.587388 -10141 1.271256 0.493189 5222.626 -61.1089 180 82.99996 0.028466 -10141.1 0.022825 0.493853 5222.68 -61.1089 1 185 82.88589 -1.53046 -10141 〔1.22577 0.493236 5222.633 -114.101 190 82.53503 -3.08929 -10139.6 -2.46562 0.491338 5221.906 -111.923 195 81.94743 -4.64761 -10133.5 [-3.68784 0.488161 5218.742 -108.23 J 200 81.12323 -6.20427 -10117 [-4.88363 0.483703 5210.269 -102.957 205 80.06285 -7.75714 -10082.7 -6.04426 0