IL4100 柴油機(jī)設(shè)計(jì)（曲柄連桿機(jī)構(gòu)）摘 要本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)性設(shè)計(jì)了 L4100 柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)中的各種零部件進(jìn)行分析相應(yīng)的分析和設(shè)計(jì)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)作為一臺(tái)完整的動(dòng)力機(jī)械的心臟部位，扮演著居足輕重的加角色。首先從整體方面著手，先確定整個(gè)機(jī)體采用的形式，確定整機(jī)的外形尺寸。再著眼于各個(gè)細(xì)節(jié)部分。將設(shè)計(jì)任務(wù)逐級(jí)分配下去，從缸蓋的結(jié)構(gòu)，氣門傳動(dòng)組的設(shè)計(jì)，再到活塞連桿組的連桿、活塞、以及曲軸的設(shè)計(jì)，最后是相關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置，油底殼的外形尺寸等等一系列的復(fù)雜設(shè)計(jì)，最后組成一臺(tái)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)。若中間任何一道工序出現(xiàn)差錯(cuò)，這一項(xiàng)任務(wù)的完成就會(huì)大打折扣。因此本此設(shè)計(jì)在著手設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的所有零部件時(shí)，都本著精益求精的態(tài)度去完成。由于已經(jīng)給定了發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，所以在設(shè)計(jì)之初就需要對(duì)曲柄連桿連桿機(jī)構(gòu)中的每一個(gè)構(gòu)件（包括活塞，連桿，曲軸）我們都采用先分析其相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)情況，再以此為依據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，保證動(dòng)力學(xué)分析時(shí)能夠合理有效的進(jìn)行，最后進(jìn)行同時(shí)相關(guān)強(qiáng)度、硬度的校核。根據(jù)最終校核的情況再做出相應(yīng)的調(diào)整。在保證最大化的輕巧，靈便的同時(shí)，保證相關(guān)技術(shù)要求。最后用 CAD 繪出相應(yīng)的幾何圖形。關(guān)鍵詞：柴油機(jī),曲柄連桿機(jī)構(gòu),動(dòng)力學(xué)分析,CAD 制圖IIL4100 Diesel Engine Design (Connecting Rod Mechanism)ABSTRACTThe main purpose of this design is to design the crank connecting rod mechanism of the L4100 diesel engine .including a variety of components . As the heart of the mechanical parts, IIIthis system plays a pivotal role.First from the overall aspects of the first to determine the form of the whole body to determine the overall size of the machine. And then focus on the details of the part. The design task is assigned step by step, from the structure of the cylinder head, the design of the valve drive group, to the design of the connecting rod of the piston connecting rod, the piston, and the crankshaft. Finally, the setting of the relevant transmission mechanism, Size and so on a series of complex design, and finally form a complete engine. If any of the middle of a process error, the completion of this task will be greatly reduced. So this design in the design of the crank link mechanism of all parts, are in the attitude of excellence to complete.As the engine has been given the relevant parameters, so the beginning of the design of the crank connecting rod mechanism in each of the components (including the piston, connecting rod, crankshaft) we have to use the first analysis of the corresponding movement, and then As the basis for the design of relevant parameters to ensure that the dynamic analysis can be reasonable and effective, and finally the relevant strength, hardness of the check. According to the final check the situation and then make the appropriate adjustments. In ensuring the maximum lightweight, flexible at the same time, to ensure that the relevant technical requirements. Finally, the use of three-dimensional software CAD to produce the corresponding geometric model.KEY WORDS: diesel engine,the crank connecting rod mechanism;dynamic analysis,three-dimensional software CAD目 錄IV前言.....................................................................................................................1第一章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 ......................................2§ 1.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) .............................................................................2§ 1.1.1 活塞的位移 .................................................................................2§ 1.1.2 活塞的速度 .................................................................................4§ 1.1.3 活塞的加速度 .............................................................................4§ 1.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力 ....................................................................4§ 1.2.1 氣缸內(nèi)可燃混合氣的作用力 .....................................................5§ 1.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力 .............................................................................5第二章 活塞組的設(shè)計(jì) ..........................................................................................14§ 2.1 活塞的工作環(huán)境總括 .................................................................................14§ 2.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 ...................................................14§ 2.1.2 工作條件 .....................................................................................14§ 2.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì) .........................................................................15§ 2.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì) .......................................................................17V§ 2.2 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 .....................................................................................19§ 2.2.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) ...................................................19§ 2.2.2 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 .......................................................................19§2.3 本章小結(jié) ...............................................................................................21第三章 連桿組的設(shè)計(jì) ...................................................................................22§ 3.1 連桿的設(shè)計(jì) ..........................................................................................22§ 3.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 ...............................22§ 3.1.2 連桿長(zhǎng)度的確定 .......................................................................23§ 3.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 ...............................23§ 3.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 ...........................................26§ 3.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 ...............................29§ 3.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) ..................................................................................31§ 3.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 ...............................................31§ 3.2.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 ...................................31§ 3.3 本章小結(jié) ..............................................................................................32VI第四章 曲軸的設(shè)計(jì) ...............................................33§ 4.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 .................................................................33§ 4.1.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 .......................................................................33§ 4.1.2 曲軸的材料 ................................................................................33§ 4.2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) ..........................................34§ 4.2.1 曲柄銷的直徑和長(zhǎng)度 ..............................................................34§ 4.2.2 主軸頸的直徑 和長(zhǎng)度 .......................................................341D1L§ 4.2.3 曲柄 ...........................................................................................34§ 4.2.4 平衡重 .........................................................................................35§ 4.2.5 油孔的位置和尺寸 ...................................................................35§ 4.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 ...........................................................................36§ 4.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩 ...............................................36§ 4.3.2 名義應(yīng)力的計(jì)算 .......................................................................41§ 4.4 本章小結(jié) ..............................................................................................43結(jié) 論 ......................................................................................................................44VII參考文獻(xiàn)...........................................................................................................43致 謝 ......................................................................................................................461前 言1.選題的意義和目的截止到如今，柴油機(jī)已經(jīng)走過(guò)了風(fēng)風(fēng)雨雨的 80 多年的歲月歷程。這一段歲月中，柴油機(jī)的發(fā)展有過(guò)繁榮，也有過(guò)令人唏噓的階段。但是隨著我們一代又一代人的努力，和堅(jiān)持不懈的奮斗，柴油機(jī)已經(jīng)取得了可喜的成就，被廣泛應(yīng)用在國(guó)民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。眾所周知，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常的運(yùn)行，一定離不開(kāi)曲柄連桿機(jī)構(gòu)這樣一個(gè)能夠進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工作循環(huán)的順利進(jìn)行，同時(shí)將活塞頂部可燃混合氣然燒產(chǎn)生的氣體壓力轉(zhuǎn)化為曲軸的轉(zhuǎn)矩對(duì)外輸出。其中活塞和缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中提供然燒反應(yīng)場(chǎng)所，連桿在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要承受著來(lái)自高溫氣體的壓力和活塞的王付慣性力所殘生的狡辯載荷。初次之外，連桿在在狡辯載荷的作用下還會(huì)發(fā)生斷裂，將會(huì)導(dǎo)致一系列的事故的發(fā)省。嚴(yán)重者導(dǎo)致柴油機(jī)的就此報(bào)廢，影響工作的正常進(jìn)行，所以，保證曲柄連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的正確性具有重要意義。2.主要設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)一款 D×S=100×125mm,12h 功率 44kW/2200r/min。設(shè)計(jì)要求：1、整機(jī)裝配圖（縱剖） ；活塞、連桿、曲軸零件圖。（總圖量不少于三張 A0 圖，其中手工繪圖不少于一張 A0 圖。 ）2、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，不少于 12000 字。3、翻譯外文資料，不少于 10000 字符。通過(guò)查閱相關(guān)資料，了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)，主要組成結(jié)構(gòu)。研究各零部件的工作環(huán)境以及各種先關(guān)受力的情況。畫(huà)出相應(yīng)的受力分析或者剪力彎矩圖，分析完成以后，決定2所選尺寸是否符合相關(guān)要求，能否是整個(gè)機(jī)構(gòu)配合起來(lái)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)于整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有著重要的意義。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容就是要完成 L4100 柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的活塞、連桿、曲軸的設(shè)計(jì)使之能夠達(dá)到我們生產(chǎn)所需。請(qǐng)對(duì)照參考觀察同類發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物，進(jìn)行曲柄連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)零件設(shè)計(jì)。3第一章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析§ 1.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)此次設(shè)計(jì)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，如下所示：圖中 O 點(diǎn)為氣缸中心線與曲軸中心線的交點(diǎn)，OB 代表的是曲柄， AB 代表的是連桿，B 是曲柄銷的中心點(diǎn)，A 點(diǎn)代表的則是連桿小頭的中心位置。當(dāng)個(gè)該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，曲柄以等角速度旋轉(zhuǎn)，OB 上任意點(diǎn)都做圓心在 O 點(diǎn)的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，A 點(diǎn)在活塞內(nèi)部做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，中間的連桿 AB 段則是做的是一個(gè)比較復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。B 點(diǎn)是大頭魚(yú)曲柄銷連接處質(zhì)量的簡(jiǎn)化集中點(diǎn)。一般在實(shí)際處理問(wèn)題的時(shí)候，通常將連桿簡(jiǎn)化為集中在連桿大小頭的兩個(gè)質(zhì)量，這兩個(gè)質(zhì)量一個(gè)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)則做的是圓周運(yùn)動(dòng)，有了此種簡(jiǎn)化，我們研究連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就變得簡(jiǎn)單的多了。圖 1-1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖4§ 1.1.1 活塞的位移如上圖 1.1 所示，我們假設(shè)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)變化角為 ， 為連桿的擺動(dòng)幅度角。統(tǒng)一規(guī)??定方向：逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù) Y。設(shè)上止點(diǎn)時(shí)活塞的位置是 ,這時(shí) = 。設(shè)下止點(diǎn)時(shí)時(shí)活塞的位置是 ,這時(shí) =1801A?02A?。?此時(shí)活塞的位移 為:x= = =(r+ )A1O?l)cos(??lr?= ]1(s1[??（1.1）式中： —連桿比。?然而，上邊的式子確能進(jìn)一步簡(jiǎn)化，根據(jù)上邊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖，我們可以得出以下關(guān)系： ??sinilr?即 ??iisinl又由于 ???22sin1sin1cos??（1 .2）所以有：= x)]sin1(cos1[2?????r（1 .3）5用牛頓二項(xiàng)式定理將上式 1.3 中的根號(hào)內(nèi)容展開(kāi)，得：…???? ????? 6422 sin1si8sin1sin1考慮到 ≤ 1∕3，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。只保留前兩項(xiàng)，則（1.4）??22sin1sin1???將式（1.4 ）帶入式（1 .3）得（1.5）)sin2co1(????rx§ 1.1.2 活塞的速度 通過(guò)對(duì)位移公式的關(guān)于時(shí)間的求導(dǎo)，可以得到速度的公式如下：(1.6)?v )cos2in(si???????rdtaxt21si2sin)2si(in vrrrv??????（1 .7）和 這兩個(gè)速度一起組成了速度。sin1rv???sin)2(rv?當(dāng) 或 時(shí)，這個(gè)時(shí)候活塞靜止或者在這兩個(gè)點(diǎn)修改行動(dòng)的方向。然而當(dāng)?0??8時(shí)， ，活塞中心這一點(diǎn)的速度就與連桿小頭的速度值一模一樣。??9rv§ 1.1.3 活塞的加速度6通過(guò)對(duì)（2.6）求關(guān)于時(shí)間的倒數(shù)，整理可得加速度的公式如下：]cos2in4cs2[o32 ?????????rdtavta（1.8 ）通過(guò)對(duì)（1.7）求對(duì) 的微分，可以求出加速度 的相似值為：t ??21222 coscos)cos( arrra ?????? ??????（1 .9）由此可以看出活塞加速度包含 和 這兩個(gè)做簡(jiǎn)諧行為動(dòng)cos21ra?cos2ra作的加速度?！?1.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力施加在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的作用力分別有：缸內(nèi)氣體壓力 ，慣性力和成力 。所以gPF氣體壓力 和運(yùn)動(dòng)慣行李 的相應(yīng)變化規(guī)律對(duì)各個(gè)部件的作用成為研究的主要部分，計(jì)gFF算所需各種參數(shù)請(qǐng)參照上邊 L4100 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)要求?！?1.2.1 氣缸內(nèi)可燃混合氣的作用力（1.10）)(4'2pDPg???N— ；pMa7— ；p?MPa— 。Dm當(dāng)已經(jīng)確定了活塞的直徑以后，上邊計(jì)算的氣體作用力值得大小僅僅是由（ ）'P?的差值。通常情況下，對(duì)于柴油機(jī)而言， ； 的氣缸內(nèi)存在的作用a1.0MP?? m10?D力 由的值分布于下邊表 1.1 中。計(jì)算出氣壓力 如表 1.2 所示。P g§ 1.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力動(dòng)力分析時(shí)之所以會(huì)有慣性力 的存在，完全是因?yàn)檎麄€(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)不是F均勻得的，存在著運(yùn)動(dòng)不均勻性。然而這個(gè)力卻非常難以直接確定出來(lái)，需要我們對(duì)其進(jìn)行詳盡的分析了解，研究他可能出現(xiàn)以及分布的地方。再在次基礎(chǔ)上研究所謂的速度和加速度。這樣才能將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。由于實(shí)際情況下，機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布情況并不理想，是非常不均勻的，這就給我們研究分析帶來(lái)了諸多阻礙，進(jìn)行簡(jiǎn)化，以及質(zhì)量的換種方式的計(jì)算也就成為當(dāng)務(wù)之急。一、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量換算質(zhì)量需要進(jìn)行換算的是后，動(dòng)力學(xué)等效原則飛航重要，為了方便后續(xù)計(jì)算我們夢(mèng)寐以求的慣性力，才對(duì)部件的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量進(jìn)行了簡(jiǎn)化。表 1-1 缸內(nèi)絕對(duì)壓力 p8四個(gè)沖程終點(diǎn)壓力 計(jì)算公式 計(jì)算公式/MPa進(jìn)氣終點(diǎn)壓力 0.08dep'90.~75.ppde）（?壓縮終點(diǎn)壓力 1.46co 1nedco??膨脹終點(diǎn)壓力 0.45exp2maxnexp??排氣終點(diǎn)壓力 0.115r '15.r注： —平均壓縮指數(shù)， =1.32 1.38； —壓縮比， =9.3； —平均膨脹指數(shù)，1n1n~??2n=1.2 1.30； ； —最大爆發(fā)壓力， =15-20 ，取 =16 ；此2~????maxpmaxpMPamaxpP時(shí)壓力角 = ，取 = 。??150??3表 1-2 氣壓力 的計(jì)算結(jié)果gp四個(gè)沖程 Ng/進(jìn)氣終點(diǎn) 77.23壓縮終點(diǎn) -102.97膨脹終點(diǎn) 7001.933排氣終點(diǎn) 1801.96891、連桿質(zhì)量的換算由于連桿作為一個(gè)整體，在實(shí)際計(jì)算的時(shí)候很不方便。為了使計(jì)算以及分析能夠盡可能的簡(jiǎn)單化，可以使用質(zhì)量替換，如：集中在小頭中心位置的質(zhì)量 和集中在大頭中1m心的 。 由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的分析知道 做上上下下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 做的是沿著圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)2m1m2動(dòng)的質(zhì)量，具體形式如下圖所示：圖 1-2 連桿質(zhì)量的換算簡(jiǎn)圖10lmL11???lL12??確定重心位置 的方法有多種，我們一般采用的就是索多邊形法。將連桿劃分成許G許多多的小的非常簡(jiǎn)單的幾何形狀，分別求出他們的重心以后，再進(jìn)行合成，進(jìn)而得到折算到連桿大小頭位置處的重心 和 處的重量 ，如圖 1-3 所示：1][2G圖 1-3 索多邊形法2、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量 jm3、不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm曲拐的不平衡質(zhì)量以及其代換質(zhì)量如圖： 11圖 1-4 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量 rembgk2??式中： — ；kmg— ；g— ；bk—曲柄臂質(zhì)心所在的位置與曲拐中心之間的間距， 。e m質(zhì)量 與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量 之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 ，即km2 r2kr??=0.58 ， =0.46 。jmgrg122、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力1、往復(fù)慣性力（1.11）??????2coscos)2coscs( 22 rmrrrmaP jjjj ?????其中曲柄的角速度 為： ?（1.12 ）3062n??式中： —曲軸轉(zhuǎn)數(shù)， ；nmin/r額定轉(zhuǎn)數(shù) =2200 ，則 ；i/ 2.30????srad/連桿比 =0.25~0.315， 可以取 =0.31，曲柄半徑 =65 。 當(dāng)把每一工況的曲????m軸轉(zhuǎn)角 代入式（1.11） ，可得 結(jié)果如下：?jP表 1-3往復(fù)慣性力 的計(jì)算結(jié)果jp13（2 ）旋轉(zhuǎn) 慣性力2?rmPr??（1.13）57.16082.3065.47. ????N3、作用在活塞上的總作用力在活塞中心線上存在著氣體作用力 和往復(fù)慣性力 ， 都是作用在活塞銷上的，而gPjP且合力為：（1.14）jg???計(jì)算結(jié)果如表 1.4 所示。四、活塞上的總作用力 分解與傳遞?P如圖 1.5 所示，首先，將 分解成一個(gè)叫做沿著連桿軸線作用的力 ，和一個(gè)叫做K的側(cè)向擠壓缸璧的力。N其中沿連桿的作用力 為：K四個(gè)沖程 Np/j進(jìn)氣終點(diǎn) -10519.68壓縮終點(diǎn) 6324.5膨脹終點(diǎn) -10519.68排氣終點(diǎn) 6324.5114（1.15）?cos1??PK而側(cè)向力 為：N?tan??PN（1.16）表 1-4作用在活塞上的總的作用力 ?p四個(gè)沖程 氣壓力 往復(fù)慣性力 總的作用力gpj ?進(jìn)氣終點(diǎn) 77.23 -10519.68 -10442.45壓縮終點(diǎn) -102.97 6324.5 6221.54膨脹終點(diǎn) 7001.933 -10519.68 -3157.747排氣終點(diǎn) 1801.968 6324.51 8126.748 15圖 1-5 作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩如圖中所顯示的，當(dāng)連桿受到壓迫時(shí)，取正值，連桿收拉伸作用時(shí)，取負(fù)值。對(duì)側(cè)向力 而言，他自身形成的反向扭矩與曲軸的旋轉(zhuǎn)方向相反的時(shí)候，取正值，相同的時(shí)N候取負(fù)值。符號(hào)選取的正確與否，對(duì)計(jì)算并無(wú)太大影響，個(gè)人可根據(jù)習(xí)慣選擇。當(dāng) = 時(shí)，對(duì) 運(yùn)用正弦定理得：??13rl、 ??sinirl?求得 ????48.319i2.40arcisarcinl?將 分別代入式（1.15） 、式（1.16） ，計(jì)算結(jié)果如表 1.5 所示：?表 1-5連桿力 、側(cè)向力 的計(jì)算結(jié)果KN四個(gè)沖程 連桿力 側(cè)向力 N16力 作用在曲柄臂上，可以分解成兩個(gè)力，一個(gè)是的切向力 ，另一個(gè)徑向力 ， （如圖K TZ所示）即???cos)in()sin(?????PKT（1.17）（1.18 ）????cos)()cos(?????PKZ現(xiàn)做出如下規(guī)定， 和使曲軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)為正，力 的方向則是指向曲軸時(shí)為正。 計(jì)TZ算出向力 、徑向力 的結(jié)果如圖 :TZ進(jìn)氣終點(diǎn) -10717.28 -2410.83壓縮終點(diǎn) 6385.19 1436.356膨脹終點(diǎn) -3610.278 -812.136排氣終點(diǎn) 8340.237 1896.92317表 1-6切向力 T、徑向力 Z的計(jì)算結(jié)果四個(gè)沖程 切向力 T /N 徑向力 /NN進(jìn)氣終點(diǎn) -3040.242 -1027.856壓縮終點(diǎn) 1811.355 6122.8789膨脹終點(diǎn) -1024.17 -346.964排氣終點(diǎn) 2365.96 7797.611819第二章 活塞組的設(shè)計(jì)§ 2.1 活塞的工作環(huán)境總括§ 2.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求1、工作條件1、高溫—導(dǎo)致熱負(fù)荷大2、高壓—沖擊性的高機(jī)械負(fù)荷3、高速滑動(dòng)4、交變的側(cè)壓力2、設(shè)計(jì)要求鑒于活塞的非常嚴(yán)酷的工作環(huán)境，所以著手設(shè)計(jì)時(shí)候需要注意以下幾點(diǎn)：1、要選用熱強(qiáng)度性好，有良好的散熱結(jié)構(gòu)，不會(huì)太過(guò)膨脹，耐磨。2、形狀合適，缸璧的厚度要厚薄均勻，不會(huì)吸收很多能量，散熱能力優(yōu)秀，強(qiáng)度和剛度都能滿足設(shè)計(jì)要求，并且校驗(yàn)合格。少有應(yīng)力集中，與缸套之間的配合幾乎沒(méi)有縫隙，摩擦損失占總的損失只是很小的比例。3、質(zhì)量小。20§ 2.1.2 活塞的材料主要有以下幾種常用的鋁合金1、鋁硅合金。膨脹系數(shù)小，密度小。2、鋁銅合金。熱導(dǎo)率高，高溫強(qiáng)度高，可鍛性好。但密度和膨脹系數(shù)略大。活塞材料之所以會(huì)挑選鋁合金，是因?yàn)殇X合金的各種力學(xué)性能相比較而言，是非常出色的，雖說(shuō)，有時(shí)候，力學(xué)性能會(huì)隨著相應(yīng)元素的配比而有所變化，但是整體上瑕不掩瑜。它在能夠滿足各項(xiàng)力學(xué)性能的時(shí)候，既經(jīng)濟(jì)又好用，是作為活塞材料的上上之選?！?2.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)活塞的頭部結(jié)構(gòu)必須要進(jìn)行仔細(xì)的選擇，因?yàn)樗P(guān)系到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的是否順滑。在活塞的頭部安裝活塞環(huán)，環(huán)賽換上部稱為頂部。作用就是承受可燃混合氣然燒時(shí)候產(chǎn)生的作用力，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)活塞銷傳遞出去，傳給連桿，讓整個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用發(fā)揮出來(lái)。2、壓縮高度的確定21關(guān)于活塞壓縮高度 的定義為：是活塞銷中心到活塞頂?shù)闹g的長(zhǎng)度。它的高度的1H確定對(duì)活塞銷的位置，頂案，環(huán)帶高度，上裙高度等一列的存在都有一定的影響。 等1H于火力岸高度 、環(huán)帶高度 和上裙尺寸 之和組成。1h2h3h= + +1H23當(dāng)已經(jīng)確保了活塞滴氣環(huán)有了很好的工作環(huán)境后，壓縮和減少它的值是我們的當(dāng)務(wù)之急，因?yàn)檫@樣可以盡可能的減少材料的使用量，以及降低成本，這在實(shí)際生產(chǎn)生活中都是很重要的因素。所以為了內(nèi)燃機(jī)的高效率的工作，一定要確定好這一點(diǎn)。（1）第一環(huán)位置因?yàn)?， 是活塞直徑，本款發(fā)動(dòng)機(jī)活塞直徑 ，由此可Dh)20.~4.(1? mD10?知：(2.1)mh201.0.1???（2）環(huán)帶高度 高速柴油機(jī)的氣環(huán)高度 ，油環(huán)高度 。b5.2~1?mb5~2?此次設(shè)計(jì)中，活塞部分頭部分布著四道環(huán)，一、二、三道都是氣環(huán)，四環(huán)為油環(huán)。各自的高度取值為 ， ， ， 。m5.213238.4環(huán)岸的高度 ，綜合各類發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)值可知一般情況下 ，c Dc)05.~.(1?。12)~(bc?取 ， （2.2）mDc40.1?。 b5.26.12?22（2.3）因此，環(huán)帶高度 。mbcbh 3.258.4345.243212 ??????（3）裙部長(zhǎng)度 2H高速柴油機(jī)中 一般在（0.65-0.88）范圍內(nèi)，雖說(shuō)比例如此，但是上下的D2比例也 不能胡亂選擇，比例要合適；上群長(zhǎng)度太小，容易造成尖峰負(fù)荷，由此拉毛及檫傷的可能性就會(huì)大增加。綜上所述，所以 4100 柴油機(jī)的 。mDH73.02?3、活塞頂和環(huán)帶斷面（1）活塞頂活塞的形狀要根據(jù)然燒室的情況來(lái)進(jìn)行挑選設(shè)計(jì)。燃燒室的形狀選擇不僅需要缸徑，轉(zhuǎn)速，而且還要充分考慮當(dāng)前的制造水平。在 的高速柴油機(jī)上通常用直噴性燃mD10?燒室，w 型燃燒室占大多數(shù)。頭部設(shè)計(jì)成為流線型不僅有利于熱浪的散失，同時(shí)可以減少應(yīng)力集中，減少活塞變形對(duì)工作穩(wěn)定性的影響，使活塞在高溫情況下結(jié)構(gòu)性質(zhì)能夠保持一定的良好的性質(zhì)。在溫度降低的時(shí)候，應(yīng)力集中的情況也得到了進(jìn)一步緩解，這種情況下活塞的承受能力太差。因?yàn)樵诨钊^的位置需要安裝氣環(huán)和油環(huán)，所以就需要對(duì)壁厚進(jìn)行一些額外的注意，厚度要進(jìn)行相應(yīng)的加厚處理，一般情況下取 為 6mm，頂D06.面與避免之間通常都是做出一個(gè)過(guò)渡圓角，一般取 .同時(shí)為了減少積炭和熱量承mr4?受情況，活塞頂?shù)谋砥?yīng)該很是光滑，在極個(gè)別的情況下可以進(jìn)行拋光操作。（2）環(huán)岸和環(huán)槽23設(shè)計(jì)環(huán)岸和環(huán)槽時(shí)候要在活塞、活塞能夠正常發(fā)揮作用的時(shí)候，盡最大可能來(lái)減少潤(rùn)滑油的消耗量。這樣可以活塞跟汽缸壁出現(xiàn)黏著，同時(shí)也避免了拉缸情況的發(fā)生。氣環(huán)的安裝也要遵循一定的規(guī)則，比如說(shuō)，槽面水平安裝，避免與缸體接觸減少摩擦損失，也可以減少上掛有的量。惻隙大值也有一定的要求，不能過(guò)大，也補(bǔ)鞥過(guò)小。否則都會(huì)喪失相應(yīng)的作用，這點(diǎn)尤為重要，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)中，第一道環(huán)槽比較大一點(diǎn)，其他的各個(gè)環(huán)槽的間隙會(huì)逐漸減小。維持環(huán)的平穩(wěn)運(yùn)行減少刮油也有著十分重要的意義。下表為各個(gè)活塞環(huán)的開(kāi)口間隙及側(cè)隙:表 2-1活塞環(huán)的開(kāi)口間隙及惻隙§ 2.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)活塞裙部時(shí)，一定要注意保證裙部在工作時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體形狀、裙部和氣缸之間的間隔要達(dá)到最小并且要保證合適的比壓。只有如此才能讓活塞在氣缸中活動(dòng)時(shí)能夠有正確的導(dǎo)向、使磨損減小和使噪聲降低。對(duì)于裙部的設(shè)計(jì)不能制成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，那樣過(guò)容易造成卡死在銷座的情況。理想的形狀就是橫斷截面為橢圓形，而且長(zhǎng)軸是在在垂直與活塞銷中心線的方向，短軸平行于銷軸方向。按下列方式計(jì)算橢圓形狀：活塞環(huán) 開(kāi)口間隙/ 側(cè)隙/mm第一道環(huán) 0.2-0.40 0.05-0.09第二道環(huán) 0.2-0.40 0.03-0.06 第三道環(huán) 0.20-0.40 0.03-0.06 第四道環(huán) 0.25-0.45 0.03-0.0624（2.4）)2cos1(4?????dD、 分別為橢圓的長(zhǎng)短軸的長(zhǎng)度，如下圖所示。Dd圖 2-3 活塞銷裙部的橢圓形狀1、裙部的尺寸裙部的存在就是為了使引導(dǎo)活塞行動(dòng)，以及活塞換向時(shí)能夠比較平穩(wěn)的運(yùn)行。這一切都要?dú)w功于它能夠承擔(dān)一定的側(cè)向力。初次之外裙部還有許多作用，然而當(dāng)我們考慮潤(rùn)滑情況時(shí)，潤(rùn)滑油膜的厚度也是有相應(yīng)的技術(shù)要求，這對(duì)他的表面比壓有著很大印象，關(guān)系到活塞磨損情況以及使用壽命。所以承壓面的面積一定要大。裙部比壓按如下的公式進(jìn)行計(jì)算：（2.5）2maxDHNq?25式中： — 最大側(cè)作用力，通過(guò)動(dòng)力計(jì)算求得， =2410.83maxNmaxN— ；D— 。2H取 。m4610.46.02???則 52.183.qMPa合適的范圍是 ， 本次設(shè)計(jì)合適。?.1~0?§ 2.2 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算§ 2.2.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)由前面活塞環(huán)帶的設(shè)計(jì)，與之對(duì)應(yīng)的就是四道活塞環(huán)，前三道都是氣環(huán)，第四道是油環(huán)。這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果就是能夠保證足夠的密封性。第一道的形狀是筒形還是帶有一定的扭曲度的，第二道，大三到都是矩形環(huán)，第四道為組合鋼環(huán)，刮油能力非常優(yōu)秀。這對(duì)減少潤(rùn)滑油的使用量有一定的效果。各道環(huán)的高度尺寸分布如下： =2.5mm， = =3mm, =4.75mm;徑向厚度取推薦值??1 ??2??3 ??4t=5mm；§ 2.2.2 活塞環(huán)強(qiáng)度校核1、工作狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力26活塞斷面的最大彎矩為：（2 .6）)(40maxtDbpM??由此可得最大彎曲應(yīng)力 為：ax?6)(20maxaxbtDpWM???（2.7） 所以有 （2.8）tDtSEp300)1(4.??將式（2.8）帶入（2.7）并整理得：MPatDSE20max)1(4.???（2.9）一般情況下： —彈性模量，對(duì)合金鑄鐵 ；E510.??EPa則 M.)150(3.2.14.02max ????符合相應(yīng)的許用應(yīng)力范圍。2、套裝應(yīng)力27在進(jìn)行安裝的時(shí)候，必須得保證該道環(huán)的內(nèi)徑要比活塞頭部的直徑要大，取值范圍是八倍的 t 值，由此可知變形量的可以計(jì)算出來(lái)。相對(duì)應(yīng)的套裝應(yīng)力是：（2.10）20max)1(39.????tDSE??則 MPa2.4)150(3.2.157932max ?????? ??28§2.3 本章小結(jié)本章主要設(shè)計(jì)制造了活塞結(jié)構(gòu)部分中的活塞頭部的主要零部件以及相關(guān)參數(shù)得到的選擇，活塞環(huán)岸，活塞裙部，以及活塞環(huán)的設(shè)計(jì)都一一體現(xiàn)了出來(lái)，校核工作也體現(xiàn)了出來(lái)。在本章的最后得出負(fù)責(zé)任的結(jié)論。29第三章 連桿組的設(shè)計(jì)§ 3.1 連桿的設(shè)計(jì)§ 3.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用1、工作情況連桿的運(yùn)動(dòng)情況不是一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)都能概括的，而是好幾種運(yùn)動(dòng)相互合成的結(jié)果，這幾種運(yùn)動(dòng)分別是；往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，主要的承擔(dān)著就是連桿小頭的部分，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的是大頭部分；做左右擺動(dòng)的就是整個(gè)的桿身部分。2、設(shè)計(jì)要求 由于連桿的工作條件的限制，和它承受著氣體壓力和往復(fù)慣性力的的作用，這個(gè)作用就是它們形成的交變載荷。所以對(duì)連桿而言，他的強(qiáng)度，剛度，都得達(dá)到一定的要求，不然的話后果不堪設(shè)想。有可能會(huì)出現(xiàn)連桿桿身斷裂，連桿螺栓和大頭蓋的連接就會(huì)出現(xiàn)不牢的情況。這樣的事故是我們非常不愿意看到的，所以要精益求精，只有曲柄連桿的正常工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)才能夠很好的實(shí)現(xiàn)。保證了設(shè)計(jì)的質(zhì)量，對(duì)我們整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展也有著積極重要的作用。這些條件限制著，導(dǎo)致著生產(chǎn)制造時(shí)，零件材料的挑選要慎之又慎比較再比較，不能出現(xiàn)設(shè)計(jì)完不能達(dá)到使用要求的情況。強(qiáng)度高的材料必須是首先考慮的因素，其次就是經(jīng)濟(jì)性，最后就是相應(yīng)的工藝處理。3、材料的選擇本次設(shè)計(jì)的連桿采用斜切口，銷孔定位的定位方式，所選彩料范圍主要有以下幾種類型：30（1）中碳鋼，中碳合金。（2）球墨鑄鐵；（3）鑄鋁合金。采用 45 中碳鋼經(jīng)常使我們的首選，完成相應(yīng)的加工工序以后再對(duì)表面噴丸強(qiáng)化處理，使其力學(xué)性能在上一層樓。§ 3.1.2 連桿長(zhǎng)度的確定連桿桿身長(zhǎng)度是一個(gè)自定值，它與曲柄半徑和結(jié)構(gòu)參數(shù) 有關(guān)。 的值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)?也有很大的影響。其值小可以降低曲軸平衡塊和與活塞和氣缸套之間的干涉，降低設(shè)計(jì)難度，可以降低二階往復(fù)慣性力，增大氣缸內(nèi)的最大壓力。 （注： ，取3125.0~.?， ，則 ）31.0??mr65ml20931.65??§ 3.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算1、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示，圖中 ， ， 。m40d?5.38B1mD491?在連桿小頭孔內(nèi)不是僅僅為一個(gè)通孔，而是還需要安裝襯套的。襯套的安裝方式是壓入的，而且還是在小頭孔有一定的過(guò)盈量的情況下壓入的，要求精度之高令人咋舌。襯套的材料不能胡亂挑選，必在一定的材料體系里面挑選這關(guān)系到連桿小頭的作用能否正確的發(fā)揮，以及使用壽命的延長(zhǎng)。這是非常重要的需要注意的點(diǎn)。所以綜上所述，材料選的是錫青銅；厚度為 為 2.5mm；小頭孔直徑 為 40mm。?d2、連桿小頭的強(qiáng)度校核31圖 3-1 連桿小頭主要結(jié)果尺寸（1）襯套過(guò)盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力由于襯套過(guò)硬配合及受熱膨脹產(chǎn)生的徑向均布?jí)毫椋海?.1）MPadDEdDEt ][1][1)(p212????????????式中： 表示的是襯套壓入連桿小頭時(shí)時(shí)的過(guò)盈量， ；? m一般青銅襯套 ，取 ，015.~2.d1?0176.20.8???其中： 表示的是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中溫度升高的量為一百到一百五十之間；t?； ； ； [10]；)/1(0.5C?????)/1(08.5C??????3.0???MPa102.4E5?；MPa'2E計(jì)算小頭承受的徑向壓力為：32=48.55]3.02.4[102.]32.473.0[12.4.8.6.p 55 5???????? ?）（ N根據(jù)下面公式可以計(jì)算出由 引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力（注 p 為徑向分布力）p外表面應(yīng)力 42.1580.52.48D2dp21 ?????a? 2/mN（3 .2）內(nèi)表面應(yīng)力 39.214058..4dp221 ???????i? 2/（3 .3）的允許值一般為 ，校核合格。i?和a 250~2/mN（2）連桿小頭的疲勞安全系數(shù)僅考慮工藝因素對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，連桿小頭安全系數(shù)的計(jì)算方法可以采用如下的方法：ma?????1-n（3 .4）式中：（注： 材料在對(duì) 稱 循 環(huán) 下 的拉 壓 疲 勞 極 限）1-?（合金鋼），取 ；21- 05.3~??2N/m21-03???2/mN—材 料 對(duì) 應(yīng) 力 循 環(huán) 不 對(duì) 稱 的 敏 感 系 數(shù)，取 =0.2；?? ??33應(yīng)力幅， ， 平均應(yīng)力，a?9.182453.??a 2/mN?48.312.59.1???m?； 工藝系數(shù)， ，取 0.5；2/mN?6.0~??則 96.248.315.918n2?????3、連桿小頭的剛度計(jì)算當(dāng)活塞銷采用浮動(dòng)式的時(shí)候，在水平方向上，連桿小頭因?yàn)橥鶑?fù)慣性力而產(chǎn)生的形狀變化，所使用的公式為:（3.5）623jmax10)9(P????EId??式中： 代表運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變形量， ； 連桿小頭的平均直徑， ； —連桿? mmI小頭斷面積的慣性矩，43310128.5BIh???m565210.3108492.609 ??????）（?可見(jiàn)該設(shè)計(jì)的變形量還是很小的，設(shè)計(jì)還是比較合格的，相比較于一般的間隙值，這個(gè)結(jié)果非常令人滿意。m031.~2.34§ 3.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算1、連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，桿身斷面采取的樣式非常取巧，用的都是工字形。這在不影響剛度和強(qiáng)度的情況下，同時(shí)減輕了重量，這是很經(jīng)典的一個(gè)設(shè)計(jì)方案。本次設(shè)計(jì)桿身 截 面 寬度取 ，截 面 高 。mDB21.0?mH08.36?2、連桿桿身的強(qiáng)度校核該校核主要是針對(duì)拉壓應(yīng)力造成的交變載荷進(jìn)行校核。在計(jì) 算 過(guò)程中，選擇 標(biāo) 定 轉(zhuǎn)動(dòng) 速度 或者 最 大的 轉(zhuǎn)動(dòng) 速度 的工作情況的時(shí)候，活 塞 的位置 處在 排 氣的 最上 邊的靜 止 點(diǎn)。需要 引起 注 意 的地 方是，對(duì)于不同的需要進(jìn)行的計(jì) 算截的 面，要考 慮截 面 上邊在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的 不同，能夠產(chǎn)生 的慣 性力 也 是 不一樣的。我們?cè)诶?應(yīng)力 計(jì) 算的情況下，一定要 挑選那個(gè) 是最大轉(zhuǎn)矩工況 跟著全部符合情形 下的標(biāo)定轉(zhuǎn) 速情況，時(shí)刻注意側(cè)彎會(huì)不會(huì)出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，這個(gè)設(shè)計(jì)就意味著不合格，需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)方案。（1）最 大 的 拉 伸 應(yīng) 力mjfPax1??（3 .6）式中： —桿身斷面截面積，不過(guò)相對(duì)柴油機(jī)而言 ， 為活塞mf Afm)035.~2.(?能夠投影出來(lái)的面積大小，取 。225.340.Dfm???35則最大拉伸應(yīng)力為： 6.45.23681.0591????MPa（2）桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力最大壓縮力： jgcPp??max（3 .7）N614.752)68.1059(3.70?當(dāng)連桿在經(jīng)受最大的壓力時(shí)，桿的身體中間斷開(kāi)面就會(huì)產(chǎn)生縱方向上的折彎。本次設(shè)計(jì)的連桿連桿總的長(zhǎng)度為 ；另一個(gè)方向上的折彎就是在垂直于擺動(dòng)的平面上ml2?的，這種情況下，可以將桿的連頭看做為固定不動(dòng)的支撐點(diǎn)的，由此計(jì)算出這兩個(gè)固定點(diǎn)的距離就是 ；以此數(shù)據(jù)為依據(jù)來(lái)計(jì)算在平面內(nèi)的合成應(yīng)力。則這個(gè)應(yīng)力的計(jì)算190過(guò)程如下圖所示：363738設(shè)在擺動(dòng)平面內(nèi)的安全系數(shù)是 ；垂直于擺動(dòng)面的安全系數(shù)是 則他們的各自計(jì)算1n2n結(jié)果如下： 3.1.72045.2n1 ????0.45.6.012許用值的范圍 ， 本次校驗(yàn)核的結(jié)果為：合格。?4~5.1?§ 3.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算391、連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸連桿大頭的尺寸和結(jié)構(gòu)跟著曲柄銷的大小有關(guān)，各個(gè)相關(guān)參數(shù)如下：曲柄銷直徑 ；、長(zhǎng)度 ；、連桿軸瓦厚度 ；連桿螺栓直徑 。2D2B2?md設(shè)計(jì)中確定， ， ；大頭寬度 ；軸瓦厚度取 ；m652?392b392?2??大頭孔直徑 。d692螺栓孔的凸臺(tái)高度 ，出于對(duì)連桿大頭結(jié)構(gòu)緊湊性兩螺栓中心的間距mH3921?是有限制的不能太大也不能太小，取值范圍一般都控制在 1.2 道 1.3 倍的小頭直徑的距離，這回采用的距離就是 83 毫米。空外邊的壁厚也要預(yù)留出一定的厚度，防止剛度不能達(dá)到要求，導(dǎo)致連接不牢，影響功能的實(shí)現(xiàn)。這些注意事項(xiàng)都需要一一進(jìn)行考慮。2、連桿大頭的強(qiáng)度校核可以計(jì)算的連桿蓋子的最大的載荷，計(jì)算結(jié)果如下： NPrj 48.1739.6281.059max2 ????需要進(jìn)行計(jì)算的危險(xiǎn)斷面彎矩 和法向力 如下：1M1NNm 21.37408.027.834.7)083.127.(21 ???????? ）（?CPMNN 1.9).52.(.4).5.0 ???（3.16）40據(jù)此結(jié)果求出關(guān)于大頭蓋處一系列的校核，（例如：參數(shù)中間斷面彎矩、大頭蓋中間斷面的法向力、大頭蓋及軸瓦的斷面面積、大頭蓋及軸瓦的慣性矩、中間斷面的應(yīng)力為）IM???1（3.17）（3.18）AN???143323 75.12