2022年柴油机曲柄连杆机构的设计方案 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录前言 2第一章柴油机总体设计方案64§1.1 高速柴油机设计的要求411§1.2 柴油机设计的内容4§ 1.2.1 高速柴油机用途的确定4§ 1.2.2 柴油机类型的确定5§ 1.2.3 柴油机主要设计参数的确定其次章主要零部件设计及运算§2.1 连杆组的设计11§2.1.1 连杆的工作情形11§2.1.2 在设计中应留意的地方11§2.1.3 连杆的材料11§2.1.4 连杆长度的确定12§2.1.5 连杆小头的设计12§2.1.6 连杆杆身的设计13§2.1.7 连杆大头的设计14§2.2 活塞组的设计16§2.2.1 活塞 16§2.2.2 活塞环 22§2.2.3 活塞销 23第三章连杆强度校核 24§ 3.1 连杆小头运算 24§ 3.2 连杆杆身的强度运算 25§ 3.3 连杆大头盖的运算 26第四章结论 27参考文献 28致谢 291 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 前 言375 柴油机是我国三缸柴油机系列中的主要产品,是我国经济体制改革不断深化,农村生产飞速进展的产物；传统的375 柴油机母型是六十岁月后期开发的产品,笨重而且燃油高、经济动力性能差,为此作者在国内的现 有生产条件下,借鉴国内外先进设计理念与生产技术,在原有机型的基础设计 375 柴油机,该375 柴油机是三缸,自然吸气,直列四冲程,水冷直喷,高速柴油机,在提高发动机的经济、动力性能的同时降低有害物的排 放,同时仍旧保持原机牢靠性、耐久性、经济有用、使用修理便利的优点,广泛应用于农用运输机、拖拉机、小型机械,这些优点使其更好的融入农村 生产,备受购买力相对较弱的农夫群体的欢迎,因此该产品的开发拥有很广 阔的市场；国家的排放法规日益严格,国家对柴油机的微粒排放的关注度也日益提 高,原先 375 柴油机存在的微粒和烟度的排放较高,针对这方面的缺点开 发水冷直喷的燃烧室,其良好的燃油经济性、结构简洁、起动简洁优点,不 仅能够有效的降低微粒和烟度的排放,而且能够降低油耗,从而满意现代的 节能减排的新观念,该优点亦符合农村购买标准之一；375 柴油机一般用于农用运输和动力,国内农用机械配套动力要求动力 充分牢靠性高、经济性好,柴油机以其低速扭矩大、经济性好、牢靠性高等 优点占据主流,在农业机械化的大背景下,原先柴油机笨重,油耗高,功率 低等已不能够满意新时代的要求,为了适应国内农用机械功率增长的需要,在原先的基础上开发出来的375 柴油机,该发动机在排量、功率、动力性能等都有肯定的增加,并且节约材料；该柴油机可以配套拖拉机、农用运输机、排灌机械、收割机等农用机械,也可以和空压机、矿石机械翻斗机、小型发电机组等；475 柴油机是四缸机,活塞行程为 90mm ,标定功率为 24KW ；某些企业的涡流 475 柴油机普遍存在油耗高、排气温度高等问题,如能把 475 型柴油机的涡流燃烧系统造成直喷式燃烧系统,能够使油耗大幅度降低、烟度排放少,特殊严格的排放法规的实施,迫使人们在保持原有争论成果的同时,换一个角度去探究各种燃烧室及其供油系统、进气系统匹配的问题,2 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 475 柴油机采纳螺旋进气道的设计,促进空气和燃油的混合；采纳哑铃型的燃烧室,增大转动惯量提高涡流强度,形成很好的进气涡流改善烟度排放,大幅度降低低速时的烟度排放；供油提前角的范畴广,并且正确供油提前角削减,因而降低噪音、振动和良好的低速转矩特性；为了适应 475 型柴油机直喷化的需要,选用BQ 泵； 475 柴油机以其结构简洁紧凑、重量轻、使用修理便利、牢靠性能强,经济有用,广泛的应用于农用运输机、轻卡、拖 拉机小型工程机械、发电机组等作为动力；柴油机作为各种机械的动力装置,活塞是其主要的配件之一,由于它在 气缸内以高速作匀速往复运动,且在高温、高压和液体润滑困难等条件下工 作,所以是一种简洁磨损的配件；发动机性能的优劣很大程度打算于生产工 艺和加工水平,工艺设计水平越高,机械加工才能越强,发动机性能越好；所以活塞的工艺设计对发动机性能有至关重要的影响；目前,在中小型柴油 机方面开展的争论工作大都放在削减废气排放,因此显现深盆顶活塞的应 用,这是专为改善燃烧状况削减碳氢化合物而设计的；近十年来,开发能满 足 Pz 高达 25Mpa 的活塞的要求越来越迫切；与球铁相比,锻钢具有更高的 机械强度和延长率,只有选材和工艺处理适当,即能保证活塞工作 安全可靠,由此产生了可以承担更高Pz 的锻钢整体活塞和钢顶钢裙组合活塞,整体锻钢活塞适用于较小缸径柴油机；连杆是发动机中传动力的重要零件,它把活塞上的往复惯性力传递给曲 轴以输出功率,连杆在工作过程中主要承担装配载荷和交变载荷的作用,工 作较苛刻；环保节能是现代汽车的进展方向,因此对发动机连杆的要求是 : 不仅要有足够的强度和刚度,而且要尺寸小、重量轻,为实现这一要求,现 代汽车发动机零部件设计开发必需采纳现代设计方法及技术；针对柴油机连 杆小头断裂的问题,在进行连杆设计中通过对不同的连杆小头壁厚和连杆小 头的过渡圆角进行有限元分析,挑选合适的过渡圆角和小头壁厚以达到设计 要求,而连杆大头采纳“ 工” 字形结构时,其安全系数比连杆大头采纳圆形 结构提高 40% 以上,其重量也比圆形结构轻；“ 工” 字形结构仍能很好的 掌握大头孔的变形,而连杆大头与支撑面采纳半圆弧的安全系数有很大的提 高；3 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第一章柴油机总体设计方案§1.1 高速柴油机设计的要求高速柴油机设计应满意以下基本要求：1、正确的使用性能包括正确的动力性能、最小的外形尺寸、最轻的总 质量,能满意各种特定用途对发动机性能的要求；2、正确的经济性能主要可以概括为以下三方面：<1 ）正确的使用经济性包括完善的工作过程,特殊是组织良好的燃烧 过程,以降低燃油消耗；细心设计润滑系统,在保证发动机获得良好润滑的前提下降低润滑油消耗量；具有良好的装拆工艺性,易于装拆、修理,削减修理费用的支出；<2 ）正确的制造经济性包括优化设计,使整机及零部件具有良好的加 工工艺性；选用价廉适用的制造材料；选用优质、价廉的零配件；降低不必要的加工精度；<3 ）最好的牢靠性和最长的使用寿命这是发动机胜利的重要标志；首 先 在 结 构 上 要 保 证 发 动 机 具 有 良 好 的 刚 度 , 在 各 种 工 况 下 工 作时,各零部件不答应发生不正常的变形和振动；发动机 的各易磨损件要有必要的寿命,全部摩擦副在设计时应考虑减摩措施和材料的配对等；3、正确的环保性能目的在于削减有害物质的排放；日益严格的环保法 规对柴油机的废气排放提出了更高的要求；因此在设计阶段,在燃烧过程的组织、排放后处理等方面,应考虑实行相应的措施 1 ；§1.2 柴油机设计的内容§ 1.2.1 高速柴油机用途的确定 发动机的详细用途是设计的重要依据,不针对详细用途无法设计一台优 秀的发动机；对高速柴油机而言,产量最大的配套是各种车辆,其它依次为拖拉机和各种农业机械、工程机械等；各种用途对发动机的要求不同；如要4 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 设计胜利一台抱负的发动机,针对其详细用途进行设计是至关重要的；本次 设计的 375 柴油机是针对拖拉机和农用汽车进行配套设计的,同时它也可 以用于其它领域 1 ；§ 1.2.2 柴油机类型的确定 1、四冲程及两冲程目前我国使用的机型均为四冲程,国外绝大部分机 型也是四冲程；四冲程柴油机四个行程完成一个工作循环,在相同 的活塞排量和转速下,非增压时功率比二冲程柴油机低,但易于组 织增压,增压比比较高；在转速不变的情形下通过增压可较大幅度 的提高发动机的功率；活塞组热负荷低,工作过程易于组织,动力 性 和 燃 油 经 济 性 好 , 燃 油 消 耗 率 低 , 机 油 消 耗 率 低 , 且 低 速 性 能 好,可以有较大的扭矩储备,可以在较宽广的转速范畴内获得良好 经济性能；燃油喷射系统转速较低,便于设计制造,且寿命较长,牢靠性好；因此,我们挑选的机型为四冲程柴油机；2、冷却方式目前世界各国生产的机型仍以水冷为主；中、小型有风冷 品种,但品种不多；签于风冷机型在制造上要求较高、难度较大,大批量生产和销售均有难度,此次设计为水冷方式；水冷冷却较均 匀,热负荷低,充气效率、平均有效压力及升功率高,气缸冷却效 率高,且较匀称,活塞与缸套间隙较小,这些都有利于柴油机的进 一步强化和降低废气排放；3、气缸布置气缸布置形式有直列立式,卧式；斜置；V 型；其所以有 各种气缸布置形式,是基于配套机型总体布置的要求,或有利于平衡、散热等；V 型布置就主要为了缩短6 缸以上多缸机的长度,以利于发动机与各种机型更完善的匹配；此次设计为三缸,小缸径柴 油机,故采纳直列立式气缸布置；4、进气系统是否增压采纳增压可改善排放,增大功率,降低燃油消耗 等,特殊在改善排放方面,增压及增压中冷具有打算性的作用；但 由于技术和成本的缘由,此次设计暂且不用增压系统；5、气门数常规高速柴油机多为二气门,而实践证明,多气门对高速柴 油机工作过程,特殊是进气和燃烧的改善有很好的作用,但其铸造 要求高,成本高,在目前排放指标不是很高的情形下我们仍采纳二5 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 气门；6、燃烧室类型燃烧室类型对于高速柴油机的燃烧过程和性能的影响很大,直接表达在燃油消耗率上；由于直喷式燃烧系统动力性好,燃油、机油消耗率低、启动性能好,以及寿命长等特点,它比分开式燃烧室燃油消耗率低5% 10% 左右；在节约能源上有庞大优势,所以此次设计采纳直喷式,燃烧室外形为 型；7、凸轮轴侧置与顶置侧置凸轮轴是现代高速柴油机传统设计的标准模式,被广泛采纳；此次设计为侧置式,用齿轮传动 1 ；§ 1.2.3 柴油机主要设计参数的确定高速柴油机的主要设计参数有如下众所周知的关系<1-1 ）式中, Pe 为有效功率 <kw ）； Pme 为平均有效压力 <kpa ）； n 为转速<r/min ）； i 为气缸数； Vs 为每缸活塞排量 <l ）； 为冲程数 2 ；对上述参数的正确挑选是设计一台优秀发动机的前提；1、有效功率的确定在确定高速柴油机有效功率<kw ）时,必需考虑另一与功率有亲密联系的扭矩值 <N ·m）及其储备,功率与扭矩均随发动机的用途而异；对于车用高速柴油机而言,其功率视车辆的用途、车辆的总质量而定；我国载货车与功率的匹配,一般遵循以下关系：轻型载货车为 12 15kw/t ；中型载货车为 10 12kw/t ；重型载货车为 610kw/t ；载货车的扭矩储备要求略低,但亦应达到 10% 以上；拖 拉 机用 发 动 机 的 功 率 由 牵引 力 而 定 , 一 般 每 吨的 牵 引 力 配 用 18 20kw ,扭矩储备率要求高于汽车,一般在15% 及以上；工程机械的配套动力亦随其工作才能的大小而定,如叉车,3 吨配备功率30 35kw ； 5 吨就为 40 45kw 扭矩储备要求很高,一般为 求高达 40% 50%1；2、转速的选定6 / 28 20% 30%以上,有些机型要名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 发动机的转速随其配套对象而异；目前我国轻型车用柴油机的转速为3200r/min 左 右 , 少 数 机 型 达 3600r/min； 中 型 车 用 柴 油 机 约 为 2500 2800r/min；低速农用车柴油机约为 2400 2800r/min ；重型车用柴油机约为 2000 2300r/min 1 ；375 柴油机设计目标为低速农用车柴油机,所以转速取 3400r/min ；3、气缸数的确定气缸数是柴油机的重要参数之一,按给定功率和转速来挑选气缸数时,考虑以下因素：<1 ）选用合适的气缸数目可获得较小的单缸功率,使柴油机输出的扭矩匀称,平稳性和启动性能较好；<2 ）选用合适的气缸数目,其气缸直径和行程均较小,柴油机体积可 以缩小,重量可减轻；<3 ）选用较多的气缸数后,零件数量和制造工时增加,成本增高；<4 ）挑选气缸数目,仍需考虑柴油机配套所提出的外形尺寸和重量要 求,以及系列柴油机的功率范畴等因素；考虑以上综合因素,我们选取气缸数为：3；4、活塞平均速度的确定 活塞平均速度是表征柴油机高速性和强化程度的一项主要指标,对柴油 机总体设计和主要零件结构型式影响甚大；活塞的平均速度运算公式：Cm=Sn/30<1-2 ）其中, S 为活塞行程；n 为发动机转速2 ；在功率给定以后,可以算出平均有效压力；活塞行程和缸数维护不变,提高活塞平均速度可使气缸直径减小；柴油机体积小、重量轻；但提高活塞平均速度受到以下因素限制：<1 ）提高活塞平均速度后,使运动件的惯性力增大,柴油机的机械负 荷增大；<2 ）提高活塞平均速度使柴油机零件的磨损加快,缩短了柴油机大修 期；<3 ） 活 塞 平 均 速 度 的 提 高 , 使 摩 擦 功 率 损 失 迅 速 增 加 , 机 械 效 率 降 低,燃油消耗率上升；7 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - <4 ）进、排气阻力随活塞平均速度的提高而增加,使充气效率降低；<5 ）随着活塞平均速度的提高,柴油机的平稳；震惊和噪声等问题突 出出来,一般柴油机的噪声强度与转速的三次方成正比；因此,挑选活塞平均速度应综合各方面的因素,不能一味的提高；一般活塞平均速度为：6.5 12m/s ；本机的活塞平均速度为：8.49m/s ；5、平均有效压力的确定 平 均 有 效 压 力 是 表 征 柴 油 机 强 度 的 重 要 指 标 之 一 , 可 由 下 式 求 得 ：1-3> 1-4> 提高冲气系数,改善工作过程,削减机械缺失和热缺失,是提高非增压 柴油机 Pe 值的主要措施,但非增压柴油机的 Pe 值的提高是有限的；促使 Pe 值增长的缘由,一方面是提高单机功率的迫切需要,另一方面是由于 Pe 值的增加,对柴油机噪声和寿命的影响比提高活塞平均速度的影响要小的 多；提高 Pe 值可使功率增加,比重量下降；然而机械效率和热负荷也随之 提高,影响柴油机的牢靠性和寿命；同时,对排气的有害成分、噪声、振动等都有不利影响；车用柴油机的一般范畴为6.5 10.5Mpa本机平均有效压力为 7.16 ；较大幅度的提高平均有效压力后,要留意零件的热应力和机械应力过高 的问题,一般措施是：采纳强制冷却活塞、组合式活塞来加强气缸盖和气缸 套的冷却,降低压缩比以及增强零件的刚度和强度等 3 ；6、气缸直径的确定 柴油机功率与气缸直径的平方成正比；选用较大的缸径是提高功率的一 个措施；但缸径增大后柴油机外形尺寸与比重量相应增大；而气缸直径与缸 数和转速有着亲密的关系；同样的功率下,缸数越多,缸径可缩小,转速可 提高1；75 ；考虑到此发动机为农用运输车,缸径为 80100 ,我们所挑选的缸径为7、行程及其与缸径的比值 S/D 自然吸气柴油机的升功率：1-5> 8 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 它正比与 Pe 和 n,由于提高活塞的平均速度需要较短的行程和较小的S/D ；使用较小的活塞行程,有可能得到紧凑的外形和采纳较短尺寸,获得较大的体积功率的较好的比重量；自然吸气条件下Pe 的提高有限,升功率很难轻易突破,因此提高柴油机转速成为提高升功率的主要途径；采纳不大 的 S/D ,可以获得较大的进排气门面积与气缸容积之比,使进排气流速,既 气门口马赫数处于较低水平,以改善充气效率；同时有利于增加曲柄销与主轴颈的重叠度,改善曲轴强度或缩小轴颈直径；因此S/D 的挑选应依据发动机的详细要求3 ； 375 柴油机挑选S/D 为:1.07 ,将有利于降低柴油机的振动和噪声；8、气缸中心距 气缸中心距是柴油机设计中对整体结构强度、紧凑性、重量和配套适应 性最具影响的几何尺寸；打算气缸中心距合理性主要是以下三大因素,并在此基础上可能共同达 到的最小值；<1 ）足以保证燃气牢靠密封的气缸盖总截面积和分布匀称性；<2 ）足够的曲轴疲惫强度的轴承承载才能；<3 ）有必要的水流空间,使缸套上部、缸盖底部和排气道获得充分的 冷却；此外仍应留意机体的气缸体部分有必要的空间容纳足够截面积的壁和 筋,以保证气缸套支承面挤压应力处于牢靠限度内；所以气缸中心距是打算结构强度的整机紧凑性的综合因素,而两者又是 冲突的；只要将全部各项尺寸参数与气缸中心距建立一系列体会公式,从中 便可以获得合理的中心距尺寸和其它相关尺寸；用气缸中心距来表征能实现的单缸功率,实质上是该气缸中心距在保证 充分的结构强度牢靠性的前提下所能包涵的气缸直径；<1-6 ）其中： Pe 为平均有效压力 <kPa ）, Cm 为活塞平均速度 <m/s ）, D 为 缸径 <mm ）, 为冲程数,Rs = L/D , L 为气缸中心距 <mm ）；对非增压柴油机：C=10.3 11.0> × 10-4 <1-7 ）9 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 可以由以上式子估算气缸中心距,假如设计得当,能够在结构强度充分 保证的前提下,形成所需的气缸排量和获得所算得的功率水平 2,3 ；此次设计气缸中心距为：L=100mm ；其次章 主要零部件设计及运算§2.1 连杆组的设计§2.1.1 连杆的工作情形 连杆组的功用是将作用在活塞上的气体压力传给曲轴,并将活塞的往复运动 变成曲轴的旋转运动,与连杆大头一起作旋转运动,连杆杆身作复杂的平面 运动；连杆主要承担以下载荷：1、由连杆力 Pcr 引起的拉压疲惫载荷；式中 Pg气体作用力； 连杆摆角； P j活塞连杆组的往复惯性力； 2、在连杆摇摆平面内,由连杆力矩引起的横向弯曲载荷； 3、由于压入连杆衬套,拧紧连杆螺栓,压紧轴瓦等产生的装配静载荷；此外,连杆仍可能承担由于加工不精确,承压面对连杆轴线不对称等引起的 附加弯曲载荷；§2.1.2 在设计中应留意的地方 依据以上分析可知,连杆主要承担气体压力和往复惯性力所产生的交变 载荷；因此,在设计时应第一保证连杆具有足够的疲惫强度和结构刚度；如 果强度不足,就会发生连杆螺栓、大头盖和杆身的断裂,造成严峻事故；§2.1.3 连杆的材料375 的连杆材料为40Cr 中碳钢；在机械加工前经调质处理,可以得到较好的机械性能；碳钢的优点是成本低,对应力集中不敏锐,所以模锻后配10 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 合表面就不需再经过加工；但锻造毛刺要磨光,磨削方向应沿连杆杆身的纵向,由于横向磨痕可能引起连杆杆身断裂的危急,一般采纳喷丸处理来排除连杆内部的内应力和提高连杆强度 4,8,9 ；§2.1.4 连杆长度的确定连杆长度是设计时应谨慎挑选的一个结构参数,它一般用连杆比来表示,即；连杆长度越短,即越大,可降低发动机的高度,减轻活塞件重量和整机重量,能很好的适应发动机的高转速；但 的增大使二级往复惯性 力及气缸侧压力增大,并增加曲轴平稳块与活塞、气缸套相碰的可能性；所以为使发动机的结构紧凑,最合适的连杆长度应当是,在保证连杆及相关 机件在运动时不与其他机件相碰的情形下,选取最小的连杆长度；对于缸径S 120mm的高速柴油机来说,值一般在0.25 0.30 之间,又考虑到柴油机其他零件的设计,所以取连杆长度为156mm ,即值为 0.256 ,在此范畴内,是可取的；图 21 连杆小头的尺寸§2.1.5 连杆小头的设计 一、小头结构形式 小头采纳薄壁圆环型结构,它的外形简洁,制造便利,材料能充分利 用,受力时应力分布较匀称；小头到杆身的过渡采纳单圆弧过渡；其结构如 图 2-1 所示；二、小头尺寸小头的主要尺寸为小头内径d1,小头外径d2 ,小头宽度b1,衬套内径的d；由于衬套内径d 要和活塞销相协作,所以其公称直径是27mm ；11 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 衬套的厚度一般是=<0.04 0.08 ）d；选=0.09d=2.5 ,即为2.5mm ,所以小头的内径 d 1 为 32mm ；小头外径 d 2 的选取范畴一般是 d 2=<1.2 1.4 ）d 1 ,取 d2=1.31d 1=42mm ；小头宽度 b1 取决于活塞销间隔 B 和销座与连杆小头的端面间隙；在确定小头的宽度时候,应使小头与活塞销座之间每侧都留约12mm 的间隙,用来补偿机体、曲轴、活塞和连杆等零件在轴向尺寸上可能显现的制造误差和 由于热膨胀所引起的轴向相对位置的变化；应当尽量使小头具有足够的承压 面积,以便使小头孔与活塞销之间相互压紧的单位面积压力不超过许用值；一般小头宽度 b1 的范畴是 b1=<0.9 1.2 ） d,取 b1=1.11d=30mm ,这样小 头宽度和销座之间每侧的间隙为 2mm ；三、连杆衬套 为了减小活塞销对连杆小头的磨损,应在小头内装入衬套；1、衬套的材料 衬套大多用耐磨锡青铜铸造,本设计采纳铅青铜,其优点是强度较高,耐磨 性好,使用于热负荷比较大的柴油机；2、衬套与小头孔的协作衬套与连杆小头孔为过盈协作,常用的协作为jd 、 je 、jb 3、 jc 3 等；过盈太大会使材料屈服而松动,太小会造成压配松动,使衬套与小头孔可能会相对转 动 ； 小 头 孔 的 直 径 设 计 为mm , 确 定 衬 套 与 小 头 孔 的 过 盈 量 为0.033 0.06mm ,就衬套外径尺寸为 mm ；衬套与活塞销的协作间隙应尽量小,以不发生咬合为原就；青铜衬套与活塞销 的 配 合 间 隙 大 致 在 <0.0004 0.0015 ） d 的 范 围 内 , 即 0.014 0.053mm ,由于此设计选用全浮式活塞销,故可使销和衬套的间隙梢大,选用 0.030 0.060mm ,即衬套的内径为 mm；3、衬套的润滑在小头上方开机油孔,靠机体上的喷油嘴喷出的油冷却活塞的同时,一部分油通过孔流入衬套,达到冷却的成效；在小头和衬套上都开有集油孔和集油槽,用来收集和积存飞溅的润滑油 12§2.1.6 连杆杆身的设计连杆杆身在膨胀行程中承担作用在活塞上的气体压力的压缩作用,在吸气行12 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 程中承担往复惯性力的拉伸作用,当连杆受压时,有可能发生不稳固弯曲,此外当连杆作高速摇摆运动时仍要承担本身的横向惯性力的弯曲作用；试验 证明,弯曲应力实际上不大；可忽视；连杆杆身采纳工字型截面,工字型截面的长轴位于连杆的摇摆平面内；由于 工字型截面对材料利用的最为合理,所以应用的也很广；从锻造工艺方面看,工字型截面两臂过薄和圆角半径过小都是不利的；由于 这种连杆锻造时变形比较大,就有可能产生锻造裂纹的危急,特殊时在工字 型截面两臂边缘上更易显现裂纹；此外,锻造这种连杆时模具磨损也较大；具有边缘厚并倒圆的工字型截面是比较有利的；工字型截面的长轴 y-y 处于连杆的摇摆平面内,使杆身截面对垂直与连杆摆 动平面的 x 轴的惯性矩 Jx 大与对位于摇摆平面的 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；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,确定出以下尺寸：连杆杆身横截面的外形如图 2-2 所示；B=20mm t=5mm 其中截面宽 截面的高 H=<1.5 1.8 ） B ,取 H=1.4B=28mm H hB t图 22 连杆杆身横截面外形§ 2.1.7 连杆大头的设计 连杆大头联结连杆和曲轴,要求有足够的强度和刚度,否就将影响薄 壁轴瓦和连杆螺栓,甚至整机工作牢靠性；为了便于修理,对于像本设计的13 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 高速柴油机,连杆必需能从气缸中取出,故要求大头在摇摆平面内的总宽必 须小于气缸直径,大头的外型尺寸又打算了凸轮轴位置和曲轴箱外形,大头 的重量产生的离心力会使连杆轴径、主轴承负荷增大,摩擦加剧,有时仍为 此仍不得不增大平稳重,给曲轴设计带来困难,因此在设计连杆大头时,应 在保证强度、刚度的条件下,尺寸尽量小,重量尽量轻；合理确定大头的结 构尺寸和外形,就是大头设计的任务；大头的结构与尺寸基本上打算与曲柄销直径、长度和连杆轴瓦厚度和连 杆螺栓直径；所谓的大头设计,实际上是确定连杆大头在摇摆平面内某些主 要尺寸,连杆大头的剖分形式和定位方式以及大头盖的结构设计；在设计大头构形的时候针对一些薄弱环节,应留意以下问题：1、连杆盖上要设置合适的加强筋,加强筋到螺栓孔支承面处要圆滑过 渡；2、螺栓头支承面和螺母支承面要圆弧过度,防止加工尖角,可采纳锻 造圆角或圆弧沉割来削减应力集中,但必需尽量提高圆弧沉割处的光 洁度；3、斜切口连杆长叉口一侧变形较大,除了采纳大圆弧过渡外,仍可以 用单筋和杆身连接,以提高大头刚度；一、连杆大头的剖分形式采纳斜切口的剖分方式,切口角为45 度；这样的剖分形式的优点是满足连杆组能从气缸装拆的条件下,可增大曲柄销直径,有利于提高曲轴的刚 度和连杆轴承的工作才能；,也就是说它在解决曲柄销直径和从气缸中抽出 连杆之间的冲突；二、连杆大头的定位方式 斜切口连杆当承担惯性力拉伸时,沿连杆体与连杆盖的结合面方向作用 着很大的横向力,使连杆螺栓承担剪切力；为此必需采纳能承担较大剪切力 的定位方式,才能保证工作牢靠；本设计采纳的是舌槽定位；连杆体和盖上均有一舌和一槽,他们是有同 一把拉刀 <带一舌一槽）加工成的,所以体与盖上舌槽间的距离精度较高,定位牢靠,尺寸紧凑；当然它有不好的地方,就是其拆装不便,且只有在采纳拉刀加工时才能 保证较高的定位精度,仍有舌槽要留意削减应力集中；这样的定位方式常用14 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在车用柴油机的斜切口的连杆上；其优点是提高了结合处的刚度,缩小了连杆螺栓之间的距离,减小了螺栓尺寸；三、连杆大头的主要尺寸1、大头孔直径根 据 曲 轴 曲 柄 销 的 设 计 尺 寸 为 D 1=53mm 2、连杆螺栓孔中心线48mm , 再 考 虑 到 轴 瓦 的 尺 寸 , 取取中心线应尽量靠近轴瓦,连杆螺栓孔中心距一般为=<1.2 1.3 ）,=1.34,即=71mm ,螺纹外侧边后不小于24 mm ；图 2-3 连杆大头的主要尺寸§2.2 活塞组的设计活塞组主要用来与气缸、气缸盖相协作形成一个容积变化的密闭空间,在这里完成内燃机的工作过程；同时活塞组也承担燃气压力,并把它传给连杆、曲轴,将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,从而对外输出扭矩,以驱动汽车车轮转动§2.2.1 活塞.它由活塞、活塞环、活塞销等机件组成；活塞的主要作用是承担气缸中的气体压力,并将此力通过活塞销传给连 杆,以推动曲轴旋转；活塞顶部仍有气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室；由 于 活 塞 顶 部 直 接 与 高 温 燃 气 周 期 性 接 触 , 燃 气 的 最 高 温 度 可 达 2500K 以上,因此活塞的温度也很高,例如活塞顶部的温度可高达 600 700K 7 ；高温一方面使活塞的机械强度显著下降,另一方面使活塞材料的 热膨胀量增大,简洁破坏活塞与其相关零件的协作；活塞顶部在做功行程时,承担着燃气的带冲击性的高压力；对于汽油机15 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 活塞,瞬时的压力最大值可达3 6MPa ；对于柴油机活塞,其最大值可达6 9MPa , 采 用 增压 时 最大 值 可达 13 15MPa ；高 压 导 致 活 塞 的侧 压 力大,加速活塞外表面的磨损,也简洁引起活塞的变形 7 ；活塞在气缸中作变速运动,其平均速度9.07m/s ；这样的高速可产生很大的惯性力,它将使曲柄连杆机构的各零件和轴承承担附加的载荷；活塞承担的气压力和惯性力是周期性变化的,因此活塞的不同部分会受 到交变的拉伸、压缩和弯曲载荷；并且由于活塞各部分的温度极不匀称,活 塞内部将产生肯定的热应力；从活塞的工作条件可看出,为保证发动机的良好运行特性,对活塞合金 材料性能有如下要求：密度小、热膨胀系数小、好的耐磨性、好的力学性 能、好的热传导性及好的加工性能；为此,汽车发动机目前采纳的活塞材料 是铝合金,在个别汽车柴油机上的活塞采纳高级铸铁或耐热钢铸造；依据以上要求,我们挑选共晶铝硅合金66-1 作为 375 的活塞的材料；它除了具有铝合金的共同优点 <密度小、导热性好、与铸铁气缸的匹配性好）之外,由于硅的存在,使材料的耐磨、耐蚀性,硬度、刚度和疲惫强度提高；铸造流淌性改善；铝的密度约为铸铁的1/3 ,这样采纳铝作为活塞用合金的基本材料,在活塞往复运动时可使惯性力尽可能小；同时活塞用铝合金的导热性约为铸铁 的 3 倍,这样高的导热能马上将高热负荷区的热量很快传给冷却油及气缸和 曲柄连杆等,因 此使 得熔点 600 的铝合 金能在与峰值温 度高 达 2000 2500K 高温燃气接触的情形下仍能正常工作；但是铝合金在温度上升时,强度和硬度下降较快；为了克服这一缺点,一般要在结构设计、机械加工或 热处理上采纳各种措施加以补偿 7,14 ；铝活塞的成形方法有锻造、铸造和液态模锻等几种；铸造铝活塞在高温 时强度下降较小,制造成本低,但简洁显现各种气孔、缩松等铸造缺陷；锻 造铝活塞的强度比铸造活塞高,导热性也较好,适用于强化的发动机上,但 制造成本高；液态模锻即是将定量的液体金属浇入金属模具里,用冲头加 压,使液体金属以比压铸中低得多的速度充填型腔,并在压力的作用下结晶 凝固,从而获得组织致密的无缩孔、缩松等缺陷的活塞；这种工艺兼有锻造 和铸造的特点,能达到少切削甚至无切削、提高金属利用率、扩大合金使用 范畴、排除铸造缺陷和提高毛坯质量等目的 7 ；16 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 活塞的基本构造可分为顶部、头部和裙部三部分；一、活塞顶部活塞顶部的外形主要取决于燃烧室的挑选与设计,而燃烧 室的挑选取决于活塞直径、发动机的转速、经济性、动力性、功率、牢靠性 及排放等；汽油机活塞顶部多采纳平顶,其优点是吸热面积小,制造工艺简 单；有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧而采纳凹顶活塞,凹坑大小可以 调剂发动机的压缩比；柴油机的活塞经常设有各种各样的凹坑,其详细形 状、位置和大小都必需于柴油机混合气的形成或燃烧要求相适应；1.本设计采纳 型的燃烧室；燃烧室的外形和尺寸：依据喉口侧 面角, 可将 型的 燃烧室 分 成开口型 >90 °