畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真
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摘 要 III
Abstract IV
1. 緒 論 1
1.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展 1
1.2研究的目的和意義 1
1.3設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容? 1
2. 確定總體的設(shè)計(jì)方案 3
2.1原始數(shù)據(jù) 3
2.2結(jié)構(gòu)性方案的設(shè)計(jì) 3
3. 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析 5
3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 5
3.2?曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力? 6
4.活塞組的設(shè)計(jì) 12
4.1 活塞的設(shè)計(jì)要求和材料選擇 12
4.2 活塞銷的設(shè)計(jì) 15
4.3活塞銷座 16
4.4 活塞環(huán)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 17
5.連桿組的設(shè)計(jì) 19
5.1連桿的設(shè)計(jì) 19
5.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 24
6.曲軸的設(shè)計(jì) 25
6.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 25
6.2 曲軸的主要尺寸的確定以及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì) 25
6.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 26
7.運(yùn)動(dòng)仿真分析 32
7.1機(jī)構(gòu)模型的建立 32
7.2連桿組模型的建立 32
7.3機(jī)構(gòu)總模型的建立 33
7.4運(yùn)動(dòng)仿真分析 34
8.結(jié)論 40
參考文獻(xiàn) 41
致謝 42
II
摘要
曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真
摘 要
捷達(dá)EA113發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，選取該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算其曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件的主要尺寸，創(chuàng)立機(jī)構(gòu)的立體模型并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。首先，針對(duì)機(jī)構(gòu)分析其運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性，并得出相應(yīng)的的分析結(jié)果。而后，計(jì)算并確定出活塞組、連桿組以及曲軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)機(jī)械性能的校核。接著，應(yīng)用Pro/E繪制出曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件圖和裝配圖，最后，利用其仿真插件，導(dǎo)入裝配圖進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：四缸發(fā)動(dòng)機(jī)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；受力分析；運(yùn)動(dòng)分析；Pro/E；仿真分析；
Design and Motion Simulation of Crank and Connecting Rod Mechanism
Abstract
Jetta EA113 engine is a typical four-cylinder engine, select the engine design to calculate the main components of the main components of the crank link mechanism, the establishment of the body of the three-dimensional model and its motion simulation. First, the mechanism and its dynamic characteristics are analyzed for the organization, and the corresponding analysis results are obtained. Then, the main structural dimensions of the piston group, connecting rod group and crankshaft are calculated and determined, and the corresponding mechanical properties are checked. Then, use Pro / E to draw the parts and assembly diagram of the crank link mechanism. Finally, use the simulation plug-in, import the assembly diagram to carry on the motion simulation of the mechanism.
Key words: Four-cylinder engine; Crank link mechanism; Force analysis; Motion analysis; Pro / E; Simulation analysis;
IV
緒論
1. 緒 論
1.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展
隨著汽車的技術(shù)不斷發(fā)展，其核心組成發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)的發(fā)展則更為迅速。
1770年，法國人居首次將瓦特的蒸汽機(jī)技術(shù)與車子聯(lián)系到一起上，第一輛蒸汽機(jī)車由此誕生，開創(chuàng)了汽車的新時(shí)代。但是這與現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)在能源效率和動(dòng)力性能方面還有很大的差距。
十九世紀(jì)五十年代，法國人里諾發(fā)明出煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)上具有的氣缸、活塞、連桿、飛輪等零件已經(jīng)出現(xiàn)，已經(jīng)具備了發(fā)動(dòng)機(jī)的最初模型。
十九世紀(jì)六十年代，為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)效率低下的問題，法國科學(xué)家羅德莎設(shè)想出四沖程循環(huán)，即進(jìn)氣、壓縮、做功、放氣四個(gè)沖程。十九世紀(jì)八十年代，跟據(jù)這種循環(huán)理論，德國動(dòng)力工程師奧托制造出世界上第一臺(tái)四沖程往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)與之前的相比效率更高、體積更小、質(zhì)量更輕和功率也更大。該發(fā)動(dòng)機(jī)在科學(xué)界引起了轟動(dòng)。
直至1886年1月份，德國工程師卡爾.本茨在原有的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)上，發(fā)明了世界上第一臺(tái)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，由此汽車開始以汽油作為動(dòng)力。
1.2研究的目的和意義
曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是把燃?xì)庾饔迷诨钊數(shù)牧D(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩，以此將混合氣燃料的的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)的動(dòng)能，并傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)的其他機(jī)構(gòu)。做功沖程中，氣體在缸體內(nèi)燃燒膨脹，活塞由于其膨脹產(chǎn)生的壓力而向下推動(dòng)連桿。由于連桿的作用活塞的往復(fù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的圓周運(yùn)動(dòng)，以此將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的能量以轉(zhuǎn)矩的形式傳遞給其他機(jī)構(gòu)；在發(fā)動(dòng)機(jī)的其他三個(gè)沖程中，曲軸由于高速旋轉(zhuǎn)而具有很大的慣性力和離心力，以此反過來通過連桿帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。使得該循環(huán)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素，因此只要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)尺寸使其滿足相應(yīng)的機(jī)械性能要求，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。?
具體來說，在選擇好整體結(jié)構(gòu)類型之后確定出主要零件的結(jié)構(gòu)形式，這個(gè)過程需要確定結(jié)構(gòu)的材料及尺寸，為了滿足強(qiáng)度剛度等方面的要求，同時(shí)需要進(jìn)行檢驗(yàn)校核，最后應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。本文選用Pro/E中的仿真插件分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，檢驗(yàn)其干涉情況，同時(shí)可以得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的速度，加速特性曲線。
1.3設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容?
（1） 分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性，著重對(duì)活塞組和連桿組進(jìn)行具體詳細(xì)的受力情況分析。根據(jù)分析結(jié)果可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度剛度的校核，使機(jī)構(gòu)能夠滿足使用性能的要求；
（2） 根據(jù)各主要零部件的工作狀況和加工工藝要求，對(duì)其進(jìn)行具體詳細(xì)的設(shè)計(jì)，主要包括材料的選用，結(jié)構(gòu)形狀和主要尺寸。同時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算出零件的主要尺寸并按要求進(jìn)行校核，以滿足結(jié)構(gòu)性能?和加工要求。
（2）應(yīng)用Pro/E軟件繪制出各部件的零件圖，在軟件中把零件圖裝配成三維模型，最后應(yīng)用仿真插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢驗(yàn)是否存在干涉，并分析得出速度，加速度等運(yùn)動(dòng)特性曲線，最后就仿真結(jié)果得出相應(yīng)的結(jié)論；?
2
確定總體的設(shè)計(jì)方案
2. 確定總體的設(shè)計(jì)方案
2.1原始數(shù)據(jù)
表2.1發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)
2.2結(jié)構(gòu)性方案的設(shè)計(jì)
曲柄連桿機(jī)構(gòu)除了應(yīng)用最廣泛的中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)外，還有偏心式以及主副連桿式兩種機(jī)構(gòu)類型[8]。
1、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)?
該結(jié)構(gòu)中，氣缸的軸線過曲軸圓周運(yùn)動(dòng)的中心，與曲柄旋轉(zhuǎn)軸線垂直，是發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)形式。
2、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)?
該結(jié)構(gòu)中，氣缸中心線與曲軸的回轉(zhuǎn)軸線相互垂直但不重合，同時(shí)兩者需要偏離一段距離。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：使做功過程中活塞與缸壁的側(cè)壓力變小，避免氣缸壁在壓縮和做功沖程中的側(cè)壓力數(shù)值變化太大[4]。
3、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)?
該結(jié)構(gòu)中，內(nèi)燃機(jī)除了其中一個(gè)氣缸直接連接連桿，其他三個(gè)氣缸均是通過副連桿與主連桿的大頭相接，運(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)為“關(guān)節(jié)式”。避免發(fā)動(dòng)機(jī)長度過長并且結(jié)構(gòu)也更加緊湊。
經(jīng)過分析，本文中的機(jī)構(gòu)類型選為中心曲軸連桿機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如下圖2.1所示。?
機(jī)構(gòu)工作時(shí)，曲柄繞主軸頸做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，活塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，連桿則在平面內(nèi)做復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)[7]。在設(shè)計(jì)過程中，通常對(duì)連桿做簡化處理，將其為分為作圓周和直線運(yùn)動(dòng)的兩部分。只需對(duì)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，不需要研究連桿的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。
圖2.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖
45
曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析
3. 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析
3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)
活塞進(jìn)行速度變化的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，那么他的速度變化以及由產(chǎn)生的加速度將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。研究活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律是研究機(jī)構(gòu)受力的關(guān)鍵。
3.1.1活塞位移?
如圖2.1所示，—曲柄轉(zhuǎn)角，—連桿和缸體軸線之間的偏離角。
圖中為連桿偏轉(zhuǎn)任意角度的情況，該狀態(tài)下活塞的位移x大小為:?
x== （3.1）
=
注：——連桿比式，
從圖2.1的幾何關(guān)系易得：
sinα=sinβ，即sinβ=·sinα
因此cosβ= （3.2）
由式（3.2）將式中兩個(gè)角度值統(tǒng)一為角度帶入式（3.1）可得：
（3.3）
根據(jù)牛頓二項(xiàng)式定理展開式可得：
（3.4）
將式（3.4）帶入式（3.3）得到活塞位移的近似公式：
（3.5）
3.1.2?活塞的速度??
由可知，速度等于位移對(duì)dt取微分，可算出活塞速度 （3.6）?
由式（3.6）可知，活塞速度與和兩部分速度的代數(shù)和近似相等。?
3.1.3?活塞的加速度?
同理，由可知加速度為速度對(duì)dt取微分，可算出活塞加速度 （3.7）
由式（3.7）可知，活塞加速度與和兩部分簡諧運(yùn)動(dòng)的加速度代數(shù)和近似相等。?
3.2?曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力?
曲柄連桿機(jī)構(gòu)不僅受到缸內(nèi)氣體壓力，運(yùn)動(dòng)慣性力和離心力以及摩擦力的作用，還受到曲軸承載的載荷阻力。摩擦力大小與相對(duì)其他力相比小得多可忽略其作用影響。同時(shí)曲軸的載荷阻力和主動(dòng)力大小相等方向相反，也不用單獨(dú)計(jì)算。所以機(jī)構(gòu)的受力分析的關(guān)鍵是分析缸內(nèi)氣體壓力與運(yùn)動(dòng)慣性力對(duì)機(jī)構(gòu)的影響。
3.2.1?缸內(nèi)氣體壓力
氣體對(duì)活塞的壓力值??? （3.8）
通常取，,發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)沖程的缸內(nèi)絕對(duì)壓力的數(shù)值，見下表3.1；根據(jù)式（3.8）求得氣壓力，見下表3.2。
表3.1缸內(nèi)絕對(duì)壓力
表3.2氣壓力
（1）連桿質(zhì)量的換算?
連桿所做的是復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，既有直線運(yùn)動(dòng)又有圓周運(yùn)動(dòng)。為了便于分析計(jì)算，通常將連桿簡化為分別作直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部分。其中集中于連桿小頭得得質(zhì)量部分做直線運(yùn)動(dòng)；集中于連桿大頭的質(zhì)量部分做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如下圖3.1所示：
圖3.1質(zhì)量換算簡圖
連桿進(jìn)行質(zhì)量換算是必須保證力對(duì)連桿的作用效果不發(fā)生變化，因此必須遵循一定的原則。首先必須確保換算后的兩部分質(zhì)量與換算前的總質(zhì)量相等，其次質(zhì)心位置在換算后也必須保持不變，最后保證換算后兩部分質(zhì)量對(duì)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不發(fā)生改變。
根據(jù)上述的換算原則可得換算公式：；
（2）往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量
曲柄連桿機(jī)構(gòu)中活塞和與之相連的小頭均做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。連桿小頭的質(zhì)量已經(jīng)在上面的設(shè)計(jì)中求出，且集中于小頭中心孔位置，因此活塞的質(zhì)量也需集中于活塞銷中心處。要求往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量將兩部分代數(shù)相加即可，即=。
（3） 不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量?
同理機(jī)構(gòu)中的曲軸和與之相連的連桿大頭均做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿大頭的質(zhì)量已在上面的設(shè)計(jì)中求的，且集中于連桿大頭孔中心處。因此曲軸需要在確保離心力不變的前提下，將其質(zhì)量集中于曲柄銷中心處，根據(jù)換算原則可得曲軸質(zhì)量的換算公式為：=。要求回轉(zhuǎn)質(zhì)量將上述兩部分質(zhì)量代數(shù)相加即可，即=+。
綜上往復(fù)質(zhì)量和回轉(zhuǎn)質(zhì)量可分別求出：，。
2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力?
機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生慣性力，而曲柄連桿機(jī)構(gòu)又有兩種不同的運(yùn)動(dòng)形式。因此為了便于分析，在分別求出往復(fù)質(zhì)量和回轉(zhuǎn)質(zhì)量后，需分別求出其所具有的慣性力大小。
（1） 往復(fù)慣性力
（3.9）
其中曲柄的角速度??? （3.10）??
已知額定轉(zhuǎn)數(shù)，即。
曲柄半徑，連桿比，取。根據(jù)式（3.9）計(jì)算出四個(gè)沖程的往復(fù)慣性力，結(jié)果如下表3.3所示：
表3.3各個(gè)沖程的往復(fù)慣性力
（2）旋轉(zhuǎn)慣性力
? （3.11）
3、作用在活塞上的總作用力?
活塞所受到的氣體壓力和往復(fù)慣性力均沿著氣缸中心線方向，以此兩者的合力只需簡單的代數(shù)相加，即=+ （3.12）
計(jì)算結(jié)果如表3.4所示
表3.4活塞上的總作用力
發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)沖程
氣壓力/
往復(fù)慣性力/
總作用力/
進(jìn)氣沖程
77.24
-10137.99
-10060.75
排氣沖程
-102.98
6299.92
6196.94
做功沖程
7002.79
-10137.99
-3135.20
排氣沖程
1802.19
6299.92
8102.13
4、活塞上的總作用力分解與傳遞
活塞上受到的總作用力可以分解為沿連桿軸線的力和活塞與汽缸壁之間的側(cè)向力，如圖3.3所示：
圖3.3活塞上的總作用力分解
其中，沿連桿的作用力 （3.13）
側(cè)向力為： （3.14）
規(guī)定：對(duì)于沿連桿的作用力，作用效果為壓力時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)；對(duì)于側(cè)向力，其產(chǎn)生的反扭矩和曲軸旋轉(zhuǎn)反向時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。
當(dāng)=時(shí)，根據(jù) 可得：
根據(jù)式（3.13）和式（3.14）分別計(jì)算出連桿作用力與側(cè)向力，計(jì)算結(jié)果如表3.5所示：
表3.5各沖程連桿力和側(cè)向力
同理，連桿力可以分解為切向力和徑向力兩個(gè)分力，即
（3.15）
（3.16）
規(guī)定：若與曲軸旋轉(zhuǎn)同向取正號(hào)，若指向曲軸取正號(hào)。
根據(jù)式（3.15）和（3.16）可計(jì)算出切向力和徑向力，其計(jì)算結(jié)果如表3.6所示
表3.6切向力和徑向力
活塞組的設(shè)計(jì)
4.活塞組的設(shè)計(jì)
4.1 活塞的設(shè)計(jì)要求和材料選擇
4.1.1 活塞的設(shè)計(jì)要求
選擇熱強(qiáng)度高、耐磨損、輕便、易導(dǎo)熱且具有很好的工藝性的材料；選擇形狀和壁厚滿足要求的結(jié)構(gòu)；確保燃燒室有良好的氣密性；活塞與缸套的配合時(shí)刻保持最佳；減少活塞吸熱，增加活塞散熱；減少耗油量。
4.1.2 活塞的材料
曾經(jīng)活塞的材料一直選用灰鑄鐵。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，由灰鑄鐵制成的活塞質(zhì)量大和導(dǎo)熱性能差的缺點(diǎn)越來越顯著，同時(shí)鋁合金因?yàn)椴牧媳旧淼奶匦灾饾u成為活塞的主要材料。
4.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì)
1、設(shè)計(jì)要求
活塞頭部是活塞環(huán)槽以下的部分，需要和活塞環(huán)相互配合以保證滿足活塞的氣密性要求。所以，在頭部設(shè)計(jì)中要考慮強(qiáng)度剛度，溫度溫差和尺寸結(jié)構(gòu)的要求，具體來說就是強(qiáng)度剛度足夠，溫度適中且溫差小。
2、確定壓縮高度
壓縮高度包括火力岸高度、環(huán)帶高度以及上裙高度三部分，即：。
因此環(huán)岸和環(huán)槽高度要盡量小，銷孔直徑要盡量細(xì)，以此滿足壓縮高度需要達(dá)到的要求。
（1）第一環(huán)位置
活塞壓縮高度與第一環(huán)的位置有關(guān)，所以必須首先確定出火力岸高度。的選取要盡量小，但也不是越小越好。對(duì)于汽油機(jī)，已知，取火力岸高。
（2）環(huán)帶高度
同樣氣環(huán)高度選擇有一定的原則，針對(duì)本次設(shè)計(jì)中的四缸汽油機(jī)，通常取氣環(huán)高，油環(huán)高?；钊还灿腥齻€(gè)活塞環(huán)，從上往下依次為氣環(huán)，氣環(huán)和油環(huán)。分別取，，。
其中第一道氣環(huán)所受的載荷是最大的。要使得環(huán)岸高度滿足氣壓力的負(fù)荷要求，第一道氣環(huán)的環(huán)岸高度高于其他兩道活塞環(huán)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常活塞環(huán)高度由氣缸直徑確定，。取，。
因此，環(huán)帶高度。
（3）上裙尺寸
活塞的壓縮高度由氣缸直徑確定，通常，取。
已知了壓縮高度和環(huán)岸高度后，根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，可得活塞上裙尺寸。
3、活塞頂和環(huán)帶斷面
（1）活塞頂
活塞頭部形狀主要取決于燃燒室的選擇與設(shè)計(jì)，對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)我們一般選用便于加工的平頂形的活塞頂。這種形狀的活塞不但可以避免應(yīng)力集中，而且可以減小受熱面積。但捷達(dá)EA113 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，因此選擇活塞的形狀為近似于平頂。且從四周往圓心厚度值越來越小。
活塞不但需要在頭部位置裝有活塞環(huán)，而且需要增加側(cè)壁的厚度。側(cè)壁的厚度通常為，取。同時(shí)頂部和側(cè)壁之間的圓角要稍微大些
（2）環(huán)帶斷面
活塞長期處于高壓高溫且有一定化學(xué)腐蝕的環(huán)境下工作，因此環(huán)帶要有一定的壁厚增加散熱，其平均值一般??；槽底圓角通常??；活塞環(huán)岸銳邊的倒角不能過大也不能過小，過大或過小都有可能產(chǎn)生漏氣，通常倒角取。
（3）環(huán)岸和環(huán)槽
環(huán)岸和環(huán)槽的尺寸通常由活塞環(huán)決定?；钊h(huán)的側(cè)隙要在確?；钊突钊M正常工作的前提下取盡量小。通常取第一環(huán)和環(huán)槽之間的側(cè)隙為，第二、三環(huán)為。油環(huán)側(cè)隙比氣環(huán)小，同時(shí)確保油環(huán)槽可設(shè)設(shè)回油孔，且在主次推力面?zhèn)染鶆蚍植?，使耗油量減少。各個(gè)活塞環(huán)的開口間隙和側(cè)隙大小如表4.1所示。
表4.1開口間隙及側(cè)隙
（4）環(huán)岸的強(qiáng)度校核
做功沖程開始時(shí)，第一環(huán)岸上側(cè)壓力遠(yuǎn)大于下側(cè)壓力。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在最高爆發(fā)壓力作用于活塞頂上時(shí)，，，如下圖4.1所示。
圖4.1環(huán)岸受力情況
通常，我們假定槽底（岸根）直徑，環(huán)槽深
（4.1）
（4.2）
（4.3）
已經(jīng)第四強(qiáng)度理論校核公式為：
，校核合格。
4.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì)
第三個(gè)環(huán)槽往下的活塞部分即為裙部。經(jīng)過比較我們選擇托板式的裙部，這種結(jié)構(gòu)的裙部的質(zhì)量較小，且彈性較大，同時(shí)其與氣缸套之間的裝配間隙也較小，可以有效的避免卡死現(xiàn)象[4]。為了適應(yīng)裙部變形，活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)為橢圓，且該橢圓滿足。
注：、分別為橢圓的長短軸，如圖4.3所示。
圖4.3裙部橢圓[6]
裙部是側(cè)向壓力的主要負(fù)荷者。其表面比壓必須在一定范圍內(nèi)以確?；钊贡砻婵梢员３肿∽銐蚝竦臐櫥湍?。具體設(shè)計(jì)時(shí)裙部的最小長度取決于其比壓值得大小。這樣設(shè)計(jì)出的裙部不僅可以增加受載面積，而且可以有效減小磨損。裙部單位面積上的壓力，即裙部比壓 （4.4）
因此
裙部表面比壓值范圍，尺寸合適。
4.2 活塞銷的設(shè)計(jì)
4.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料
1、活塞銷的結(jié)構(gòu)和尺寸
活塞銷連接活塞與連桿小頭，其結(jié)構(gòu)通常選擇中空?qǐng)A柱體，這種結(jié)構(gòu)的往復(fù)慣性質(zhì)量較小，同時(shí)材料利用率也更高。其與活塞銷座通常采用“全浮式”裝配。活塞銷的外直徑，取；活塞銷的內(nèi)直徑，取活塞銷長度。
2、活塞銷的材料
活塞銷需要在高溫高壓環(huán)境下承受周期性沖擊載荷，因此其材料一般選擇低碳合金鋼以提高硬度和耐磨性；為了使其在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，其加工過程中需要進(jìn)行精磨和拋光。
4.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算
1、最大彎曲應(yīng)力計(jì)算
（4.5）
注：， 其中
（4.6）
2、最大剪應(yīng)力計(jì)算
銷座和連桿小頭之間的截面中性層上的最大剪應(yīng)力為
（4.7）
；，校核通過。
4.3活塞銷座
4.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活塞銷座需要支承活塞，同時(shí)將活塞做的功通過活塞銷傳遞給曲軸。因此其必須具有一定的強(qiáng)度和剛度以避免疲勞斷裂[4]。
活塞外徑的尺寸與內(nèi)經(jīng)有關(guān)，通?；钊N座外徑，選擇內(nèi)徑，取，
4.3.2 驗(yàn)算比壓力
（4.8）
通常比壓力的取值范圍，校驗(yàn)合格。
4.4 活塞環(huán)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
活塞環(huán)包括氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)主要用來確?；钊c氣缸壁之間的密封性。油環(huán)則起到封氣的輔助作用。
4.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)活塞環(huán)的尺寸只需確定出的高度和徑向厚度。通常氣環(huán)，油環(huán)，取，，。一般當(dāng)缸徑時(shí)，，取。
4.4.2 活塞環(huán)強(qiáng)度的校核
活塞環(huán)的強(qiáng)度主要與彎矩的大小有關(guān)，因此只需校核彎矩即可[10]?；钊h(huán)的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大局其厚度，能夠近似等效為直桿。
（4.9）
由此可得 （4.10）
斷面均壓環(huán)的開口間隙與活塞環(huán)平均接觸壓力存在如下關(guān)系：
（4.11）
將式（4.12）帶入（4.11）可得： （4.12）
注：
則
，校核合格。
連桿組的設(shè)計(jì)
5.連桿組的設(shè)計(jì)
5.1連桿的設(shè)計(jì)
連桿的功用是連接活塞和曲軸，把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也將活塞受到的力傳給曲軸。
5.1.1 連桿的設(shè)計(jì)要求和材料的選用
1、 設(shè)計(jì)要求
為了確保連桿正常工作，除了要求滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求外，還要選擇合適的形狀結(jié)構(gòu)。
2、材料的選擇
為了滿足上述的設(shè)計(jì)要求，連桿的材料一般用中碳鋼或合金鋼模鍛或輥鍛支承，然后再進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理[13]。
5.1.2 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度、剛度計(jì)算
1、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在活塞組設(shè)計(jì)中已經(jīng)計(jì)算出連桿小頭襯套內(nèi)徑，小頭寬度。小頭孔襯套的厚度通常為，取，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。連桿小頭的所有結(jié)構(gòu)尺寸如下圖5.1所示。
圖5.1連桿小頭的結(jié)構(gòu)尺寸[11]
2、連桿小頭的強(qiáng)度校核
（1）襯套過盈配合時(shí)預(yù)緊力和升溫引起的應(yīng)力
小頭和襯套采用過盈配合中受到配合應(yīng)力，除此以外工作中因受熱膨脹受到徑向應(yīng)力，其受到的合應(yīng)力 （5.1）
注：
徑向壓力：
徑向均布力使得小頭內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力，其中
（5.2）
（5.3）
的許可值，校核通過。
（2）連桿小頭的疲勞安全系數(shù)
安全系數(shù)最小值 （5.4）
計(jì)算得
連桿小頭的強(qiáng)度安全系數(shù)，校驗(yàn)通過。
3、 連桿小頭的剛度計(jì)算
連桿小頭變形量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為: （5.5）
注：；
；
計(jì)算得
標(biāo)準(zhǔn)間隙的范圍通常取，校核通過。
5.1.3 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度計(jì)算
1、連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
我們選用工字形斷面的桿身，這種結(jié)構(gòu)不僅具有較大的剛度而且便于加工。其截面寬度，取，截面高度，取[12]。
2、連桿桿身的強(qiáng)度校核
（1）最大拉應(yīng)力
（5.6）
計(jì)算得
（2）桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力
在做功行程中桿身所受壓力的大小：
（5.7）
此時(shí)的變形主要包括擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲和垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲。
擺動(dòng)平面內(nèi)的合應(yīng)力 （5.8）
注：，??；
；
令；
式（5.8）可改為： （5.9）
同上，垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的合應(yīng)力計(jì)算公式為：
（5.10）
令
式（5.10）可改為 （5.11）
和的許用值范圍為 ，校核通過。
（3）連桿桿身的安全系數(shù)
擺動(dòng)平面內(nèi)循環(huán)應(yīng)力幅 （5.12）
擺動(dòng)平面內(nèi)平均應(yīng)力 （5.13）
垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的應(yīng)力幅 （5.14）
垂直擺動(dòng)平面內(nèi)平均應(yīng)力 （5.15）
（5.16）
注：
連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的安全系數(shù)
桿身安全系數(shù)取值范圍為，校核通過。
5.1.4 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算
1、連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸
在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)計(jì)算出，，因此大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。連桿大頭的結(jié)構(gòu)和尺寸與上述數(shù)據(jù)有關(guān)[5]。
2、連桿大頭的強(qiáng)度校核
進(jìn)氣沖程時(shí)連桿蓋的載荷為最大值，求得：
由經(jīng)驗(yàn)公式可求得作于在危險(xiǎn)截面上的彎矩和法向作用力為：
中間斷面所受彎矩 （5.17）
中間斷面出應(yīng)力大小 （5.18）
連桿大頭蓋所受應(yīng)力值大小
危險(xiǎn)截面處許用彎曲應(yīng)力許用值，校核通過。
5.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì)
5.2.1 連桿螺栓所受的工作負(fù)荷以及預(yù)緊力
連桿和連桿該采用螺栓連接，需要兩個(gè)螺栓，所以兩個(gè)螺栓共需承受的最大拉力等于兩種慣性力作用在氣缸軸線方向的分力[15]，即
（5.19）
5.2.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算
螺栓的預(yù)緊力要在一定的范圍之內(nèi)，過大或過小均會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。即校核屈服應(yīng)力需滿足 （5.20）
計(jì)算得連桿螺栓的屈服強(qiáng)度 。
連桿屈服許用應(yīng)力許用值，校核通過。
曲軸的設(shè)計(jì)
6.曲軸的設(shè)計(jì)
6.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇
6.1.1曲軸的結(jié)構(gòu)選擇
經(jīng)分析曲軸的結(jié)構(gòu)形式選擇整體式。該結(jié)構(gòu)是全支撐半平衡結(jié)構(gòu)，可以更好地滿足強(qiáng)度和剛度要求，其特點(diǎn)是有四個(gè)曲拐的兩端均設(shè)有主軸頸[2]。
6.1.2 曲軸的材料選擇
選擇曲軸材料時(shí)主要考慮其強(qiáng)度和耐磨性因素。為了滿足加工工藝和成本的要求，曲軸要便于加工且加工成本要低。其中高強(qiáng)度球墨鑄鐵為滿足使用要求。
6.2 曲軸的主要尺寸的確定以及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)
6.2.1 曲柄銷的直徑和長度
曲柄銷直徑的取值通常較大，這樣設(shè)計(jì)出的曲柄銷具有較小的比壓值。。對(duì)于汽油機(jī)來說，通常，為氣缸直徑，取曲柄銷直徑==。
根據(jù)確定好得曲柄銷的直徑可以確定曲柄銷的長度。曲柄銷長度的選取要滿足一定的要求，以滿足曲軸的剛度和使用要求[1]。通常/=，取。
校核軸頸的尺寸的關(guān)鍵是計(jì)算出承壓面和活塞的投影面積的比值。
計(jì)算得，尺寸合理。
6.2.2 主軸頸的直徑和長度
考慮到曲軸的剛度要求，設(shè)計(jì)主軸頸時(shí)需要選擇較大的直徑大小。適當(dāng)增加主軸頸的直徑可以增加其與曲軸長度的相對(duì)大小，從而增加曲軸的剛性[15]。一般，取。
主軸承所受的載荷大于連桿軸承的載荷，所以主軸頸的長度通常小于曲柄銷的長度，通常，取。
6.2.3 曲柄的尺寸
曲軸需選擇合適的厚度和寬度以滿足強(qiáng)度和剛度的要求。具體來說曲柄的厚度要適當(dāng)增加以提高其抗彎曲能力。，取曲柄的寬度；，取曲柄厚度。
6.2.4 平衡重
在平衡重的設(shè)計(jì)過程中，為了盡可能減輕曲軸重量，其重心位置與曲軸的運(yùn)動(dòng)中心需有一段距離。避免其碰到活塞裙部底端并確保連桿大頭可以順利通過。加工時(shí)將平衡重和曲軸鑄造成為一個(gè)整體，來增加其工作的可靠性[15]。
6.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核
曲軸是一個(gè)復(fù)雜的超靜定系統(tǒng)，為了便于設(shè)計(jì)計(jì)算，我們通常將其近似看作截面為圓柱形的連續(xù)直梁，將系統(tǒng)簡化，最后跟一般的超靜定系統(tǒng)一樣列出協(xié)調(diào)方程確定出相應(yīng)的載荷大小[9]。
6.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩
1、計(jì)算公式及其推導(dǎo)
如下圖6.1所示，把曲軸簡化成圓柱形連續(xù)直梁，忽略支座彈性的影響，桿件系統(tǒng)主要受到作用于連桿軸頸中心處的集中力，同時(shí)鉸鏈位置出還需添加彎矩的作用，以保證化簡前后力的作用效果的等效。
圖6.1曲軸校核簡圖
第i支承處的左端梁轉(zhuǎn)角 （6.1）
（6.2）
由超靜定系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)條件得：
=
又有，帶入得 （6.3）
2、曲拐平面內(nèi)支承彎矩計(jì)算
已知，分別取，，時(shí)，根據(jù)式（6.3）可得出相應(yīng)的彎矩方程組（6.4）：
（6.4）
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)表和表3.6徑向力，得到各沖程的載荷如表所示。
把和求得的代入方程組，計(jì)算出各工況下各支承處的彎矩如下表所示。
表6.1各工況下載荷 （單位：）
表6.2 各工況下曲拐平面內(nèi)彎矩 （單位：）
根據(jù)表求得的，求出曲拐在垂直平面內(nèi)彎矩如下表所示。
表6.3各工況下載荷（單位：）
工況
一
二
三
四
表6.4 與曲拐平面垂直的平面內(nèi)彎矩 （單位：）
3、支反力計(jì)算
求出各支承得彎矩之后，根據(jù)圖6.2的模型能夠求出各支座的支反力。
圖6.2 支反力計(jì)算模型
支反力計(jì)算公式： （6.5）
（6.6）
已知，根據(jù)式（6.5）、（6.6）求得各個(gè)支座的支反力，計(jì)算結(jié)果如下表，表所示。
表6.5各工況下曲拐平面內(nèi)各支座支反力計(jì)算結(jié)果（單位：）
表6.6各工況下曲拐垂直平面內(nèi)各支座支反力計(jì)算結(jié)果（單位：）
6.3.2 名義應(yīng)力的計(jì)算
應(yīng)力計(jì)算即計(jì)算出曲拐曲柄銷圓角位置處的名義應(yīng)力幅、和名義應(yīng)力的平均值、。
已知，曲軸材料：，極限強(qiáng)度，對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限，對(duì)稱循環(huán)扭轉(zhuǎn)疲勞極限，其計(jì)算模型見圖6.3。
圖6.3 單拐計(jì)算模型
1、彎曲應(yīng)力
首先根據(jù)表6.5和圖6.2可以看出，最大支反力，此時(shí)的支承彎矩；最小支反力，此時(shí)的支承彎矩，接著求出曲拐平面內(nèi)曲柄臂中央的彎矩大?。?
其
（6.7）
其
（6.8）
（6.9）
（6.10）
（6.11）
（6.12）
（6.13）
2、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
從表6.4與表6.6能夠看出單拐扭矩最大值，對(duì)應(yīng)的曲拐垂直平面內(nèi)的支反力；扭矩最小值，對(duì)應(yīng)的曲拐垂直平面內(nèi)的支反力[14]。
計(jì)算圓角承受的扭矩：
（6.14）
（6.15）
連桿軸頸抗扭截面系數(shù)： （6.16）
名義切應(yīng)力大小 （6.17）
計(jì)算得 （6.18）
（6.19）
（6.20）
，的值比許用值小得多，校核通過。