2022年曲柄连杆机构设计说明书.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 1 课 程 设 计 说 明 书2115 柴油机连杆设计同学学号：同学姓名：专业班级：指导老师姓名：杜家益 /张登攀2022 年 1 月 目 录 第 1 章 绪论 1 1. 1 选题的目的和意义 1 1.2 设计讨论的主要内容 1第 2 章 曲柄连杆机构受力分析 22. 1 曲柄连杆机构的类型及方案挑选 22. 2 曲柄连杆机构运动学 31 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 2. 1. 1 活塞位移 32. 1. 2 活塞的速度 42. 1. 3 活塞的加速度 5

2、2. 2 曲柄连杆机构中的作用力 52. 2. 1 气缸内工质的作用力 5 2. 2. 2 机构的惯性力 6 2. 3 本章小结 11第 3 章 活塞组的设计 113. 1 活塞的设计 113. 1. 1 活塞的工作条件和设计要求 113. 1. 2 活塞的材料 12 第 4 章 连杆组的设计 134. 1 连杆的设计 134. 1. 1 连杆的工作情形、设计要求和材料选用 134. 1. 2 连杆长度的确定 134. 1. 3 连杆小头的结构设计与强度、刚度运算 134. 1. 4 连杆杆身的结构设计与强度运算 154. 1. 5 连杆大头的结构设计与强度、刚度运算 174. 2 连杆螺栓的

3、设计 184. 2. 1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力 184. 2. 2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲惫运算 184. 3 本章小结 18第 5 章 曲轴的设计 195. 1 曲轴的结构型式和材料的挑选 195. 1. 1 曲轴的工作条件和设计要求 195. 1. 2 曲轴的结构型式 195. 1. 3 曲轴的材料 195. 2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 205. 2. 1 曲柄销的直径和长度 20 5. 2. 2 主轴颈的直径和长度 20 5. 2. 3 曲柄 212 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3

4、 5. 2. 4 平稳重 215. 2. 5 油孔的位置和尺寸 21 5. 2. 6 曲轴两端的结构 22 5. 2. 7 曲轴的止推 22 5. 3 曲轴的疲惫强度校核 225. 3. 1 作用于单元曲拐上的力和力矩 235. 3. 2 名义应力的运算 24 5. 4 本章小结 26动力运算及图表 28结论 41致谢 41参考文献 413 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 第 1 章 绪 论1. 1 选题的目的和意义曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构,通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输

5、出动力；因此,曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件,其工作牢靠性就打算了发动机工作的牢靠性；随着发动机强化指标的不断提高,机构 的工作条件更加复杂；在多种周期性变化载荷的作用下,如何在设计过程中保证机构 具有足够的疲惫强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性 问题1；通过设计,确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构,包括必要的结构 尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等,以满意实际生产的需要；在传统的设计模式中,为了满意设计的需要须进行大量的数值运算,同时为了满 足产品的使用性能,须进行强度、刚度、稳固性及牢靠性等方面的设计和校核运算,同时要满意校核运算,仍需要对

6、曲柄连杆机构进行动力学分析；为了真实全面地明白机构在实际运行工况下的力学特性,本文采纳了多体动力学 仿真技术,针对机构进行了实时的,高精度的动力学响应分析与运算,因此本讨论所 采纳的高效、实时分析技术对提高分析精度,提高设计水平具有重要意义,而且可以 更直观清楚地明白曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态,便于进行精确运算,对进 一步讨论发动机的平稳与振动、发动机增压的改造等均有较为有用的应用价值；1.2 设计讨论的主要内容 发动机结构尺寸参数 发动机型号2115 活塞行程 mm 120 连杆长度 mm 185 缸径（ mm） 115 汽缸数4 发动机转速 r/min 2400 质量 活塞 124

7、0g 连杆大头 1853g,小头 705g 课程设计任务要求 1、每小组绘制一种 2115 发动机连杆机构图纸；2、课程设计说明书一份；详细要求如下：1 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 1、 明白连杆的设计基准、工艺基准和加工基准；2、 正确表达零件的外形,合理地布置视图；3、 正确懂得和标注尺寸公差与外形公差；4、 能读懂图样上的技术要求；5、 正确编写课程设计说明书；6、 娴熟把握 AutoCad 绘制工程图纸；课程设计实施环节 18-20 周 1、上课 2、上机 3 、考核（交图纸及说明书电子文档和纸质

8、文档 +上机操作）第 2 章 曲柄连杆机构受力分析讨论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形,并依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、运算和设计,以便达到发动机输出转矩及转速的要求；2. 1 曲柄连杆机构的类型及方案挑选内燃机中采纳曲柄连杆机构的型式许多,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；1、中心曲柄连杆机构其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心,并垂直于曲柄的回转轴线；这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛；一般的单列式内燃机,采纳并列连杆与叉形连杆的 V 形内燃机,以及对置式活

9、塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类；2、偏心曲柄连杆机构其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线,但不通过曲轴的回转中心,气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e；这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力,使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的 侧压力大小比较匀称；3、主副连杆式曲柄连杆机构 其特点是内燃机的一列气缸用主连杆,其它各列气缸就用副连杆,这些连杆的下 端不是直接接在曲柄销上, 而是通过副连杆销装在主连杆的大头上,形成了“ 关节式”运动,所以这种机构有时也称为“ 关节曲柄连杆机构” ；在关节曲柄连杆机构中,一 个曲柄可以同时带动几套副连杆和活塞,这种结构

10、可使内燃机长度缩短,结构紧凑,2 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3 广泛的应用于大功率的坦克和机车用 V 形内燃机8；经过比较,本设计的型式挑选为中心曲柄连杆机构；2. 2 曲柄连杆机构运动学中心曲柄连杆机构简图如图2. 1 所示,图 2. 1 中气缸中心线通过曲轴中心O,OB为曲柄, AB 为连杆, B 为曲柄销中心, A 为连杆小头孔中心或活塞销中心；当曲柄按等角速度 旋转时,曲柄 OB 上任意点都以 O 点为圆心做等速旋转运动,活塞 A 点沿气缸中心线做往复运动,连杆 AB 就做复合的平面运动,其大头 B

11、 点与曲柄一端相连,做等速的旋转运动,而连杆小头与活塞相连,做往复运动；在实际分析中,为使问题简洁化, 一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量,认为它们分别做旋转和往复运动,这样就不需要对连杆的运动规律进行单独讨论 9；图 2. 1 曲柄连杆机构运动简图活塞做往复运动时,其速度和加速度是变化的；它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响,因此,讨论曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是讨论活塞的运动规律；2. 1. 1 活塞位移假设在某一时刻,曲柄转角为,并按顺时针方向旋转,连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为,如图 2. 1 所示；当 =

12、0 时,活塞销中心 A 在最上面的位置 A 1,此位置称为上止点； 当 =180 时,3 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 A 点在最下面的位置A 2,此位置称为下止点；2lcos（2. 1）此时活塞的位移x 为: x=A1A=A1OAO=r+ l rcos=r 1cos1 1cos式中：连杆比；sin2（2. 2）式（ 2. 1）可进一步简化,由图2. 1 可以看出：rsinlsin即sinrsinsinl又由于cos1sin21将式（ 2. 2）带入式（ 2. 1）得：x=r1cos1 12sin2（2.

13、3）式（2. 3）是运算活塞位移 x 的精确公式 ,为便于运算,可将式（ 2. 3）中的根号按牛顿 二项式定理绽开,得：考虑到12sin212sin214sin16sin6（2. 4）81613,其二次方以上的数值很小,可以忽视不计；只保留前两项,就12sin2112sin22将式（ 2. 4）带入式（ 2. 3）得xr1cos2sin2（2. 5）2. 1. 2 活塞的速度将活塞位移公式（ 2. 1）对时间 t 进行微分,即可求得活塞速度v 的精确值为2. 6 vdxdxdarsin2sin2dtdadtcos将式（ 2. 5）对时间 t 微分,便可求得活塞速度得近似公式为：vrsin2si

14、n2rv 1sinr2sin2v 1rv22（2. 7）从式（ 2. 7）可以看出,活塞速度可视为由rsin与v22sin两部分简谐运动所组成；4 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5 vr当0 或180 时,活塞速度为零,活塞在这两点转变运动方向；当90 时,此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度；2. 1. 3 活塞的加速度 将式（ 2. 6）对时间 t 微分,可求得活塞加速度的精确值为：advdvdar2coscos 23sin22（2. 8）dtdadtcos4cos 3将式（ 2. 7）对时间 t 为微分

15、,可求得活塞加速度的近似值为：a2ar2coscos2r2cosr2cos2a 1a2r2（2. 9）因此,活塞加速度也可以视为两个简谐运动加速度之和,即由a1cos与r2cos2两部分组成；2. 2 曲柄连杆机构中的作用力作用于曲柄连杆机构的力分为：缸内气压力、运动质量的惯性力、摩擦阻力和作 用在发动机曲轴上的负载阻力；由于摩擦力的数值较小且变化规律很难把握,受力分 析时把摩擦阻力忽视不计；而负载阻力与主动力处于平稳状态,无需另外运算,因此 主要讨论气压力和运动质量惯性力变化规律对机构构件的作用；运算过程中所需的相 关数据参照 EA1113 汽油机,如附表 1 所示；2. 2. 1 气缸内工

16、质的作用力作用在活塞上的气体作用力 面积的乘积,即P 等于活塞上、 下两面的空间内气体压力差与活塞顶PgD2pp（2. 10）4式中：P 活塞上的气体作用力,N ；p 缸内肯定压力, MPa ；p 大气压力, MPa；D 活塞直径, mm；由于活塞直径是肯定的,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pp,对于四冲程发动机来说,一般取p =0.1 MPa ,D80 . 985 mm, 对于5 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 6 缸内肯定压力 p . 2. 2. 2 机构的惯性力 惯性力是由于运动不

17、匀称而产生的,为了确定机构的惯性力,必需先知道其加速 度和质量的分布；加速度从运动学中已经知道,现在需要知道质量分布；实际机构质 量分布很复杂,必需加以简化；为此进行质量换算；1、机构运动件的质量换算 质量换算的原就是保持系统的动力学等效性；质量换算的目的是运算零件的运动 质量,以便进一步运算它们在运动中所产生的惯性力 9；（1）连杆质量的换算连杆是做复杂平面运动的零件；为了便利运算, 将整个连杆 （包括有关附属零件）的质量 m 用两个换算质量 m 和 m 来代换,并假设是 m 集中作用在连杆小头中心处,并只做往复运动的质量；m 是集中作用在连杆大头中心处,并只沿着圆周做旋转运动的质量,如图

18、2. 2 所示：图 2. 2 连杆质量的换算简图为了保证代换后的质量系统与原先的质量系统在力学上等效,必需满意以下三个条件： 连杆总质量不变,即mLm 1m 2；l1l；m 2ll22IG； 连杆重心 G 的位置不变,即m 1 l1m2l 连杆相对重心 G 的转动惯量IG不变,即m 1216 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 7 其中,l 连杆长度, 1l 为连杆重心 G 至小头中心的距离； 由条件可得以下换算公式：m 1m Llll1m2m Ll1l用平稳力系求合力的索多边形法求出重心位置G ；将连杆分成如干简洁

19、的几何图形,分别运算出各段连杆重量和它的重心位置,再依据索多边形作图法,求出整个连杆的重心位置以及折算到连杆大小头中心的重量4 G 和G2,如图 2. 3 所示：图 2. 3 索多边形法（2）往复直线运动部分的质量mj活塞（包括活塞上的零件）是沿气缸中心做往复直线运动的；它们的质量可以看作是集中在活塞销中心上,并以 m 表示；质量 m 与换算到连杆小头中心的质量 m 之和,称为往复运动质量 m ,即 m j m h m 1；（3）不平稳回转质量 m r曲拐的不平稳质量及其代换质量如图 2. 4 所示：图 2. 4 曲拐的不平稳质量及其代换质量曲拐在绕轴线旋转时,曲柄销和一部分曲柄臂的质量将产生

20、不平稳离心惯性力,称为曲拐的不平稳质量；为了便于运算,全部这些质量都按离心力相等的条件,换算7 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 8 到回转半径为 r 的连杆轴颈中心处,以m 表示,换算质量m 为：m ,即m km g2 m ber式中：m 曲拐换算质量, kg ；m 连杆轴颈的质量,kg ；m 一个曲柄臂的质量,kg ；e曲柄臂质心位置与曲拐中心的距离,m ；质量m 与换算到大头中心的连杆质量m 之和称为不平稳回转质量mrm km 2由上述换算方法运算得：往复直线运动部分的质量m =0.583kg ,不平稳回转

21、质量m =0.467kg ；2、曲柄连杆机构的惯性力把曲柄连杆机构运动件的质量简化为二质量 m 和 m 后,这些质量的惯性力可以从运动条件求出,归结为两个力；往复质量 m 的往复惯性力 P 和旋转质量 m 的旋转惯性力 rP ；（1）往复惯性力P jmjam r2cosr2cos 2mjr2cosmjr2cos2（2. 11）式中：m 往复运动质量, kg ；连杆比；r 曲柄半径, m ；曲柄旋转角速度,rad /s；曲轴转角；P 是沿气缸中心线方向作用的,公式（2. 11）前的负号表示jP方向与活塞加速度a的方向相反；其中曲柄的角速度 为：8 名师归纳总结 - - - - - - -第 11

22、 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 9 2 n n（2. 12）60 30式中： n 曲轴转数,r / min；已知额定转数 n =5800 r / min,就 5800 607 . 07 rad / s；30曲柄半径 r =40.23mm,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）,运算得往复惯性力 jP ,结果（2）旋转惯性力P rm rr20 . 04023607. 0726923. 799N（2. 13）0.4673、作用在活塞上的总作用力由前述可知,在活塞销中心处,同时作

23、用着气体作用力P 和往复惯性力jP ,由于作用力的方向都沿着中心线,故只需代数相加,即可求得合力PP gPj（2. 14）运算结果如表 2. 4 所示；4、活塞上的总作用力P 分解与传递K ,和把活塞（2. 15）如图 2. 5 所示,第一,将 P 分解成两个分力：沿连杆轴线作用的力压向气缸壁的侧向力N ,其中沿连杆的作用力K 为：KP1cos而侧向力 N 为：NPtan（2. 16）9 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 10图 2. 5 作用在机构上的力和力矩连杆作用力 K 的方向规定如下：使连杆受压时为正号,

24、使连杆受拉时为负号,缸壁的侧向力 N 的符号规定为：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；求得当=13 时,依据正弦定理,可得：r133.48lsinsinarcsinrsinarcsin40.23sinl149力 K 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 T ,即TKsinPsin（2. 17）cos和压缩曲柄臂的径向力Z ,即Pcos（2. 18）ZKcoscos规定力 T 和曲轴旋转方向一样为正,力Z 指向曲轴为正；10名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - -

25、 - - - 112. 3 本章小结本章第一分析了曲柄连杆机构的运动情形,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形,进一步推导出各过程气体力的理论运算公 式,进行了机构中运动质量的换算；第 3 章 活塞组的设计3. 1 活塞的设计活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件,它们是发动机 中工作条件最严酷的组件；发动机的工作牢靠性与使用耐久性,在很大程度上与活塞 组的工作情形有关；3. 1. 1 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 ,活塞承担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

26、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；活塞销座承担拉压及弯曲应力；环岸承担弯曲及剪应力；此外,在环槽及裙部仍有较大的磨损；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外形,即在保证足 够的强度、刚度前提下,结构要尽量简洁、轻巧,截面变化处的过渡要圆滑,以削减 应力集中；2、活塞的热负荷 活塞在气缸内工作时,活塞顶面承担瞬变高温燃气的作用,燃气的最高温度可达2000C2500C；因而活塞顶的温度也很高； 活塞不仅温度高, 而且温度分布不匀称,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、磨损剧烈 发动机在

27、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剧烈磨损,由于此处润滑条件较差,磨损情形比 较严峻；4、活塞组的设计要求11名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 12（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）有合理的外形和壁厚；使散热良好,强度、刚度符合要求,尽量减轻重量,防止应力集中；（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缺失；（4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的正确协作；（5）削减活塞从燃

28、气吸取的热量,而已吸取的热量就能顺当地散走；（6）在较低的机油耗条件下,保证滑动面上有足够的润滑油；3. 1. 2 活塞的材料依据上述对活塞设计的要求,活塞材料应满意如下要求：（1）热强度高；即在300400C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,并削减热应力；（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稳配重；（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

29、、成本低、工艺性好等缘由,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步被铝基轻合金活塞所剔除；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 50 70 %；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 3 4 倍,使活塞温度显著下降；对汽油机来说,采纳铝活塞仍为提高压缩比、改善发动机性能制造了重要的条件；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

30、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,该发动机活塞采纳铝硅合金材料铸造而成；12名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 13第章 连杆组的设计4. 1 连杆的设计4. 1. 1 连杆的工作情形、设计要求和材料选用 1、工作情形 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,仍左右摇摆,做复杂的平面运动；2、设计要求 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 保证连杆具有在足够的疲惫强度和结

31、构钢度；假如强度不足,就会发生连杆螺栓、大 头盖或杆身的断裂,造成严峻事故,同样,假如连杆组刚度不足,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,必需选用高强度的材料；合理的结构外形和尺寸；3、材料的挑选 为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度,采纳精选含碳量的优质 中碳结构钢 45 模锻,表面喷丸强化处理,提高强度；4. 1. 2 连杆长度的确定l设计连杆时第一要确定连杆大小头孔间的距离,即连杆长度l 它通常是用连杆比r /l来 说 明 的 , 通 常0 . 250.3125 , 取0 . 27,r40 . 23 mm, 就0 . 2740 . 23149 mm；4. 1. 3 连杆小头的结构设计与强度、刚度运算 1、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d 和小头宽