1.8L汽油機(jī)連桿組設(shè)計(jì)目錄1. 緒論 11.1課題研究意義 11.2課題發(fā)展概況 22. 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù) 52.1發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 52.2發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)計(jì)算 62.3發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算 82.4發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算 103. 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的設(shè)計(jì) 153.1連桿設(shè)計(jì)概述 153.2連桿尺寸設(shè)計(jì) 163.3連桿小頭強(qiáng)度的計(jì)算 173.4連桿大頭的強(qiáng)度計(jì)算 20小結(jié) 21參考文獻(xiàn) 22附錄圖表 231.8L汽油機(jī)連桿組設(shè)計(jì)摘 要活塞連桿組是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件，其性能好壞對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)有 著很重要的影響?；钊M的作用是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)的可靠密封，并在工質(zhì)的壓力下做上下 運(yùn)動(dòng)，連桿組的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地總結(jié)了發(fā)動(dòng)機(jī)連桿 組的發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體進(jìn)行拆裝測(cè)繪，進(jìn)行了連桿組的總體設(shè)計(jì)，并用 EXCE對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了熱力和動(dòng)力計(jì)算，對(duì)部分零件進(jìn)行了校核。通過(guò)設(shè)計(jì)、分析為連桿 組的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)，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，桿身和大頭三部分。連桿的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 并把作用在活塞組上的力傳給曲軸。連桿是內(nèi)燃機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)受力部件之一，它在工作中所受的各種外載荷復(fù)雜 且作周期性變化，機(jī)械負(fù)荷嚴(yán)重，工作條件惡劣。因此，連桿的可靠性一直也是人 們?cè)趦?nèi)燃機(jī)研究和改進(jìn)過(guò)程中關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在分析連桿的應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，考慮 這些外力和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的因素，將得到更符合實(shí)際的結(jié)果，這樣能為進(jìn)行連桿可靠性 的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)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(xiāo)、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(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)密閉氣缸。上面的幾道活塞環(huán)稱(chēng)為氣環(huán)，用來(lái)圭寸閉氣缸，防止氣缸 內(nèi)的氣體漏泄，下面的環(huán)稱(chēng)為油環(huán)，用來(lái)將氣缸壁上的多余的潤(rùn)滑油刮下，防止?jié)櫥透Z 入氣缸?；钊N(xiāo)呈圓筒形，它穿入活塞上的銷(xiāo)孔和連桿小頭中，將活塞和連桿聯(lián)接起來(lái)。 連桿大頭端分成兩半，由連桿螺釘聯(lián)接起來(lái)，它與曲軸的曲柄銷(xiāo)相連。連桿工作時(shí)，連桿 小頭端隨活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭端隨曲柄銷(xiāo)繞曲軸軸線(xiàn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿大小頭間的 桿身作復(fù)雜的搖擺運(yùn)動(dòng)。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(nèi)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(cè)隙和背隙，活塞帶著環(huán)下行時(shí)， 環(huán)靠在環(huán)槽的上方，環(huán)大缸壁上刮下的潤(rùn)滑油充入環(huán)槽下方，當(dāng)活塞帶著環(huán)上行時(shí)，環(huán)又 靠在環(huán)槽的下方，同時(shí)將油擠壓到環(huán)槽上，如此反復(fù)，就將潤(rùn)滑油泵到活塞頂，這種現(xiàn)象 稱(chēng)為活塞的泵油作用。泵油作用非常有害，增加了潤(rùn)滑油的消耗，火花塞沾油時(shí)不跳火， 燃燒室積炭增多，燃燒性能變壞，環(huán)槽內(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與缸壁接觸面積大散熱好等優(yōu)點(diǎn)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(rùn)滑油 刮下來(lái)，有整體式和組合式兩種，其中組合式因密封好、無(wú)側(cè)隙、刮油能力強(qiáng)、適應(yīng)性好 以及回油能力強(qiáng)等特點(diǎn)普遍應(yīng)用?；钊共繉?duì)活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，并承 受側(cè)壓力。裙部的長(zhǎng)短取決于側(cè)壓力的大小和活塞直徑。壓縮行程和作功行程氣體的側(cè)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(cè)壓力也大大高 于壓縮行程中的側(cè)壓力。在加工時(shí)預(yù)先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長(zhǎng)軸方向與銷(xiāo)座 垂直，短軸方向沿銷(xiāo)座方向。這樣活塞工作時(shí)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(yīng)是上部大、下部小。為了使工作時(shí)活塞 上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預(yù)先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形?；钊N(xiāo)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。有全浮式連接和半浮式連接兩種。全浮式是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度下 活塞銷(xiāo)在連桿小頭孔和活塞銷(xiāo)座孔中都能轉(zhuǎn)動(dòng)，而半浮式是銷(xiāo)與銷(xiāo)座孔和連桿小頭一處固 定一處浮動(dòng)的。連桿的作用是將活塞的力傳給曲軸，變活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(lái)安裝活塞銷(xiāo)，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(kāi)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(xiāo)定位、止口定位四種。 連桿安裝時(shí)要注意不能破壞連桿桿身與蓋的配對(duì)及裝合方向，在二者的同一側(cè)打有配對(duì)標(biāo) 記，不能反裝也不能亂缸，在桿身上有方向標(biāo)記。連桿軸承用來(lái)保護(hù)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(fù)荷和機(jī)構(gòu)負(fù)荷日益增加，潤(rùn)滑油量減少，同時(shí)柴油機(jī)廠(chǎng) 又在不提高發(fā)動(dòng)機(jī)售價(jià)的前提下，提高燃油效率和耐久性，因此，對(duì)活塞和活塞環(huán)的要求 更加嚴(yán)格。在對(duì)柴油機(jī)排氣管進(jìn)行尾氣凈化處理的同時(shí)加強(qiáng)旨在減少?gòu)U氣源中即氣缸內(nèi)有 害特質(zhì)排放的研究發(fā)展工作。目前在卡車(chē)和非公路車(chē)輛用中 ，小型柴油機(jī)方面所開(kāi)展的研 究工作大都放在減少?gòu)U氣排放上，因此出現(xiàn)了深盆頂活塞的應(yīng)用。這是專(zhuān)為燃燒狀況減少 碳?xì)浠衔锱欧哦O(shè)計(jì)的。但其外形結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生高的瞬時(shí)熱應(yīng)力，為此開(kāi)發(fā)出了纖維 增強(qiáng)模壓鑄造等新材料工藝。但深盆形燃燒室會(huì)使溫度升高，使NQ排放增加。降低碳?xì)浠衔锏牧硪豁?xiàng)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(huì)再次增大杯唇部 的循環(huán)機(jī)械應(yīng)力，并可使活塞環(huán)和環(huán)槽產(chǎn)生潛在的耐用性問(wèn)題。鑄鋁合金活塞裙裝到活塞銷(xiāo)上，在氣缸套中起到導(dǎo)向作用，壓力傳遞和導(dǎo)向兩功能分 開(kāi)的目的是給活塞環(huán)組提供穩(wěn)定平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)低的機(jī)油耗率。然而這種活塞成本高，往復(fù)運(yùn) 動(dòng)質(zhì)量大，活塞質(zhì)量是影響噪聲與振動(dòng)的重要因素。柴油機(jī)制造廠(chǎng)家正考慮恢復(fù)使用較簡(jiǎn) 單的活塞組工藝，并進(jìn)行大量有關(guān)柴油機(jī)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(fù)使用較為普通與價(jià)廉的重力模鑄鋁活塞材料，利用普 遍改進(jìn)了的現(xiàn)有生產(chǎn)工藝可以改善這種材料的質(zhì)量。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀(guān)點(diǎn)看，重力模鑄鋁活塞可滿(mǎn)足小型車(chē)用柴油機(jī)的現(xiàn)時(shí)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(bǔ)強(qiáng)環(huán)槽，可能的話(huà)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(chǎn)的這種活塞造價(jià)是不會(huì)高的。多年來(lái)，鋁活 塞似乎也可滿(mǎn)足中功率柴油機(jī)的市場(chǎng)要求，而大功率柴油機(jī)繼續(xù)混用重力模型、壓鑄、鉸 接和鑄鐵活塞，然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種活塞或許會(huì)被重量輕的整體式鋼活塞所取代。整 體式活塞盡管其往復(fù)質(zhì)量明顯比等效的鑄鐵或組合式結(jié)構(gòu)的低，但它仍具有很大的潛在額 定容量，在提高燃油經(jīng)濟(jì)性、減少排放和降噪減振方面也可望有大的受益。本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了必修課程汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，緊接著開(kāi)始課程設(shè)計(jì)。我們要根據(jù) 自己的題目來(lái)查閱資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出合理的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì), 要培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，查閱工具書(shū)的能力以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)的能力。2發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)2.1發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)由設(shè)計(jì)要求知初始條件為平均有效壓力：Pme 0.81.2Mpa活塞平均速度：V m v 18 m/ s發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型選擇四沖程水冷直列式四缸機(jī)?；緟?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(nèi)燃機(jī)學(xué)的基本計(jì)算公式:PePem Vs i n30(1-1)Vm30(1-2)2D S 1000(1-3)4其中Pem 發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力，選擇1.0MPaVs 氣缸的工作容積，4*Vs=1.8Li 發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目n 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,5400 r/min,Vm 活塞的平均速度，選擇15m/sS發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的行程D發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑發(fā)動(dòng)機(jī)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 LPe=81kW<2.2發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)計(jì)算通常根據(jù)內(nèi)燃機(jī)所用的燃料，混合氣形成方式，缸內(nèi)燃燒過(guò)程（加熱方式）等特點(diǎn)，把汽油機(jī)實(shí)際循環(huán)近似看成等容加熱循環(huán)。汽油機(jī)的工作過(guò)程包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排 氣四個(gè)過(guò)程。在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，先確定熱力循環(huán)基本參數(shù)然后重點(diǎn)針對(duì)壓縮和膨脹過(guò)程進(jìn) 行計(jì)算，繪制p-v圖并校核。根據(jù)相關(guān)資料壓縮過(guò)程絕熱指數(shù) ni=1.281.35,初步取m=1.30膨脹過(guò)程絕熱指數(shù)n2=1.311.41，初步取n2=1.35汽油機(jī)壓縮比 812，初取 9，初取p=7通常情況下，壓縮始點(diǎn)的壓強(qiáng)在 Pa= （0.80.9） po （P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ担?，假定外界F0=0.10MPa，選定pa =0.09 MPa，將壓縮過(guò)程近似看作絕熱過(guò)程，由山=1.30,并利用PVn=const,可以在excel中繪出壓縮過(guò)程線(xiàn)?；旌蠚怏w在氣缸中壓縮后，經(jīng)等容加熱，利連接膨脹終點(diǎn)和壓縮始點(diǎn)。得出理論的P-V 圖 1。= PcVc1.30n2=1.35，繪出膨脹線(xiàn)。最后（1-4）（1-5）用p值可得最大爆發(fā)壓力值。膨脹過(guò)程類(lèi)似于壓縮過(guò)程，由Pa=0.09Mpa, Vs=0.45LVc Vs/(1) 0.045L，Va=0.45L，得 Pc=1.80MPaPzp Pc = 12.6MPaPzVc1.35 PbVb1.35得 Pb=0.55MPa簡(jiǎn)化的條件為：假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同 假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過(guò)程。假設(shè)燃燒過(guò)程為等容加熱過(guò)程，工質(zhì)放熱為定容放熱。V(L)圖1理論P(yáng)-V圖實(shí)際的P-V圖和利用多變過(guò)程狀態(tài)方程繪制的 P-V圖還存在一些差別，主要是點(diǎn)火提 前角和配氣相位的原因。對(duì)1圖作以下調(diào)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(xiàn)以上的部分去掉，余下部分作些調(diào)整?？紤]到實(shí)際過(guò)程與理論過(guò)程的差異，最大爆發(fā)壓力 發(fā)生在上止點(diǎn)之后12°15°，選擇最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后12°。點(diǎn)火提前角：據(jù)資料得常用的范圍是 20°30。，經(jīng)調(diào)整后取26°。排氣提前角：常使用的范圍是 40。80°，經(jīng)調(diào)整后取60°。209876543210圖2調(diào)整后P-V圖由熱力學(xué)計(jì)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(jī)所做的指示功Wi，數(shù)值由對(duì)示功圖積分后求得的面積來(lái)表示:Vc1.301.30Pa VaVxdVxVva(1-6)Vz1 351 35W V Pb Vb1.35 Vx 1.35 dVxVb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(jī)平均有效壓力：Wi * mpme ! m 0.996MPaVs（ 1-7）Pe Pme Vs 1 n=81kW（ 1-8）30與前面計(jì)算的結(jié)果大致一樣，在± 2%以?xún)?nèi)，故上面選取的參數(shù)和以后的相關(guān)計(jì)算在滿(mǎn)足制造的同時(shí)能夠前后一致。2.3發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)中基本上采用三種曲柄連桿機(jī)構(gòu)：中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，偏心曲柄 連桿機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。其中中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣泛。本次設(shè)計(jì)選擇中心曲 柄連桿機(jī)構(gòu)。參考發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)可知，1/37/5，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)多用小連桿，初選1/4。則連桿長(zhǎng)度 L=r/166 mm。活塞位移：X r 1 cos1 cos2(1-9)4=1/4，r 為曲軸半徑，r 83/2 41.5mm經(jīng)計(jì)算后X- a圖如下圖4所示：角度（。）(1-10)n305421r / min, r0.042 m角度（。）圖4 X- a圖活塞速度：V r sin si n22圖5 V- a圖活塞加速度：a 2 r cos cos 2,)2巴度速加塞活-5000-10000-150008200001500010000角度.。:角度（。）圖6 a- a圖連桿式做復(fù)合平面運(yùn)動(dòng)，即其運(yùn)動(dòng)是由隨活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及繞活塞銷(xiāo)的擺動(dòng)合成連桿相對(duì)于氣缸中心的擺角：(1-11)arcs insin圖7連桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.4發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算首先質(zhì)量轉(zhuǎn)換，沿氣缸軸線(xiàn)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的活塞組零件，可以按質(zhì)量不變的原則簡(jiǎn)單相加，并集中在活塞銷(xiāo)中心mpmpi粗略計(jì)算，將活塞看做薄壁圓:mp2 24 D2 D L H(1-12)其中D=83mm L為活塞厚度L=8mm活塞材料為共晶鋁合金：p =2.7g/cm3 , H為活塞 高度 H= (0.81.0 ) D=74.7mm 得 mp 215g勻速旋轉(zhuǎn)的曲拐質(zhì)量，可以按產(chǎn)生離心力不變的原則換算，并集中在曲柄銷(xiāo)的中心。mmmc r(1-13)做平面運(yùn)動(dòng)的連桿組，根據(jù)動(dòng)力學(xué)等效性的質(zhì)量，質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量守恒三原則進(jìn)行質(zhì)量換算。3個(gè)條件決定三個(gè)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(zhì)心1處三個(gè)質(zhì)量來(lái)代替連桿。實(shí)際結(jié)果表明 m3與m2、m相比很小，為簡(jiǎn)化受力分析，常用集中在連桿小頭和大頭的2個(gè)質(zhì)量代替連桿m1mL LL2Lm2往復(fù)質(zhì)量：mj mp m1旋轉(zhuǎn)質(zhì)量：mY mc m2(1-14)(1-15)(1-16)(1-17 )mj=215+300=515g作用在活塞銷(xiāo)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(fù)慣性力(1)氣體力FgD2 P P03.14 832 P 0.101344(1-18)P-活塞頂上的壓力，P。-活塞背壓根據(jù)氣缸內(nèi)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角a的關(guān)系， 應(yīng)用EXCELS解相關(guān)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(fù)慣性力：Fj在機(jī)構(gòu)中的傳遞情況與Fg很相似，F(xiàn)j也使機(jī)構(gòu)受負(fù)荷，也產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和傾覆力矩， 由于Fj對(duì)汽缸蓋沒(méi)有作用，所以它不能在機(jī)內(nèi)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(fù)運(yùn)動(dòng)而引起的往復(fù)慣性力Fj的大?。篎j和曲軸轉(zhuǎn)角a滿(mǎn)足下列關(guān)系式，即Fj mj a 0.380 r 2 cos cos2（ 伯）應(yīng)用EXCEL求解相關(guān)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)記錄在附錄中）作出下圖 9t力性慣返往角O圖9往復(fù)慣性力（3）旋轉(zhuǎn)慣性力Fr=mrr 32,當(dāng)曲軸角速度不變時(shí)，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(jié)構(gòu)措施（如平衡塊）消除，它也是自由力，使曲軸軸承和內(nèi)燃機(jī)承受支反力，它 不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和傾覆力矩。在本次設(shè)計(jì)中，用平衡塊結(jié)構(gòu)措施消除，所以在計(jì)算中可以忽略 它。作用在活塞銷(xiāo)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(xiàn)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(xiāo)上。把 P1分解到曲柄銷(xiāo)半徑方向Pk和垂直于曲柄銷(xiāo)半徑方向Pt。其中各力在大小上滿(mǎn)足下列關(guān)系式:側(cè)壓力PlPtanPP2連桿力 COSPtP2 sin切向力Psi ncosPk徑向力P2 cosP coscos(1-20)(1-21)(1-22)(1-23)圖10側(cè)壓力連桿力圖角度（。）圖11切向力徑向力圖3發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的設(shè)計(jì)連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿桿身作復(fù) 雜的平面擺動(dòng)。連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。由于受力比較復(fù) 雜并且需要實(shí)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。內(nèi)燃機(jī)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(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并 把作用在活塞組上的力傳給曲軸。3.1連桿設(shè)計(jì)概述根據(jù)以上分析可知，連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。因此， 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生連桿 螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故。同樣，如果連桿組剛度不足，也會(huì)對(duì)曲柄連 桿機(jī)構(gòu)的工作帶來(lái)不好的影響。如，連桿大頭的變形使連桿螺栓承受附加彎曲，大頭孔的 失圓使連桿軸承的潤(rùn)滑受到影響；桿身在曲軸軸線(xiàn)平面內(nèi)的彎曲，使活塞在氣缸內(nèi)歪斜， 造成活塞與氣缸以及連桿軸承與曲柄銷(xiāo)的偏磨 .活塞組與氣缸間捅氣、竄油。經(jīng)驗(yàn)表明， 對(duì)強(qiáng)化程度不高的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，剛度比強(qiáng)度更重要。很顯然，為了增加連桿的強(qiáng)度和剛度，不能簡(jiǎn)單地依靠加大結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)達(dá)到，因?yàn)檫B 桿重量的增加使慣性力相應(yīng)增加，所以連桿設(shè)計(jì)的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下 保證足夠的剛度和強(qiáng)度。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料，合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸；采取提高強(qiáng)度的工藝措施等。設(shè)計(jì)連桿時(shí)首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長(zhǎng)度I。它通常是用連桿比r/l來(lái)說(shuō)明的，人值越大，連桿越短，則發(fā)動(dòng)機(jī)總高度（立式發(fā)動(dòng)機(jī)）或總寬度（臥式發(fā)動(dòng)機(jī)）越小。在V型發(fā)動(dòng)機(jī)上，則總高度和總寬度可同時(shí)縮小。所以為使發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊輕巧， 現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的總趨勢(shì)是盡量縮短連桿長(zhǎng)度。目前孔值己大到I /3.2，常用范圍為1/41/3.2。但是，連桿長(zhǎng)度必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布置才能最后確定。過(guò)短的連桿在 運(yùn)動(dòng)過(guò)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(huì)引起活塞側(cè)壓力Pn加大，可能增加活塞與氣缸的摩擦和磨損。但是經(jīng)驗(yàn)證明，直到1/3為止，這種影響并不大。對(duì)于四沖程高速內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)，最合理的連桿長(zhǎng)度應(yīng)該是保證連桿及相關(guān)機(jī)件在運(yùn)動(dòng)時(shí) 不與其他機(jī)件相碰情況下的最短長(zhǎng)度。由于連桿長(zhǎng)度的偏差直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和裝 配關(guān)系，所以其制造公差要保持在土 0.05 ± 0.1的范圍內(nèi)。桿身也承受交變載荷，可能產(chǎn)生疲勞破壞和變形，連桿高速擺動(dòng)時(shí)的橫向慣性力也會(huì) 使連桿彎曲變形，因此桿身必須有足夠的斷面積，并消除產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素?！肮ぁ弊中螖嗝娴钠骄鄬?duì)高度 H/D=0.20.3（汽油機(jī)）。高寬比H/B=1.41.8。對(duì)于1 .汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)B初步值可按以下經(jīng)驗(yàn)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/Hmin值最大到1.3左右，在桿身到小頭和大頭 的過(guò)渡處須用足夠大的圓角半徑。3.2連桿尺寸設(shè)計(jì)連桿長(zhǎng)度由桿比來(lái)說(shuō)明，而 =r/l，值越大，連桿越短，則發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度越小。參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，l=166mm。連桿小頭位于活塞內(nèi)腔，尺寸小、軸承比壓高、溫度較高。本次設(shè)計(jì)汽油機(jī)的連桿材料選取為45鋼，密度 =7.85g/cm3.連桿小頭的內(nèi)徑 ，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) ，d 1 /D=0.250.3，取d1 =0.3D=28mm，連桿小頭的外徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) ，D 1 /d=1.21.35，取D1 =1.25d=38mm，連桿小頭的寬度，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，B1/d1=1.21.4， 取B1 =1.2d1=28mm，襯套外徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，d1/d=1.051.15,取d=1.1 d1 =24mm連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定了曲柄銷(xiāo)直徑D2、長(zhǎng)度B2、連桿軸瓦厚度等等，對(duì)曲軸的強(qiáng)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(chǎn)生的離心力會(huì)使連桿軸承、主軸承負(fù)荷增大，磨損加劇，有時(shí)還 不得不為此而增加平衡重，給曲軸設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，因此在設(shè)計(jì)連桿大頭時(shí)，應(yīng)在保證強(qiáng)度 和剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。連桿大頭內(nèi)徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，D2/D=0.550.65， 取D2=0.59D=57mm連桿大頭外徑，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，D'2/D=0.600.68， 取D2=0.63D=79mm連桿螺栓孔間距離，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，C/ D2=1.21.25,取C=1.2D2=70mm高度H3,參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，H3/ D2 =0.350.4,取H3 =0.38D2=20mm 高度H4，參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，H" D2 =0.380.44，取H4=0.4D 2=21mm3.3連桿小頭強(qiáng)度的計(jì)算襯套過(guò)盈配合的預(yù)緊力及溫升產(chǎn)生的應(yīng)力 tpd_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(nèi)徑，為22mm；a 襯套材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅，可取a'=1.8 1051/c0 ；a連桿小頭材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，對(duì)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(duì)于剛，E=2.2 105 N/mmE'襯套材料的彈性模數(shù)，對(duì)于青銅，E'=1.15 105 N/mm計(jì)算得 t 0.065mm.計(jì)算可得：p 22.51MPa把小頭視為內(nèi)壓厚壁圓筒，在壓力 P的作用下外表面的切向應(yīng)力為D2 d2 內(nèi)表面 i = d；胡2 p=102.5 N/mm2外表面a詩(shī)2卩=71.7 N/mm2經(jīng)檢驗(yàn)小于100-150 N/mm2當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于額定工況時(shí)，連桿小頭的最大拉伸作用力為：Pjmax-當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)工況時(shí)Pjmax2mR 2(1) 56.32NHm/固定角 90 arccos -124.94D1 /2d1 d222 31r -13.18mm44在 0的截面上N 1 -Pj'max (0.572 0.0008 ) 3215.64 NM-Pjmax r(0.000330.0297) =2.47 N m計(jì)算截面拉伸力引起的法向力和彎矩為：N N cos0.5Pjmax(sincos ) 2086.02NMMN r(1cos ) 0.5Pmaxr(si ncos)45.38N m小頭壁厚為hd2 d12.1mm ；b 26mmKEF0.84mm4EF E F由拉伸作用在外表上產(chǎn)生的應(yīng)力為:aj2M6r hh(2r h)KN1bh18.478Mpa取點(diǎn)火提前角為：15連桿小頭的合力為：D22Pa (Pzmax P )mR (COS4cos2 )28258NN1PaNPasin一 sin1 cos2MNsinM1Par(1cos )Par£2計(jì)算截面中由壓縮力引起的法向力和彎矩:=10925.8 0.010625 (0.0001310925.8 (0.0005 0.002)1192 73N1cos0.0005 1.25880.002) = 101.04N ma1 2M1h KN1 h(2r h)b1h24.649MPa不對(duì)稱(chēng)循環(huán)的最大與最小應(yīng)力為:max a aj 98.51MPamin a a1 55.38MPa平均應(yīng)力及應(yīng)力幅:m -jmax皿 76.9476 MPa2a -jmax皿 21.5636MPa2又由n1z1z材料在對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的拉壓疲勞極限，取1z =200 MPa應(yīng)力幅;平均應(yīng)力；考慮表面加工情況的工藝系數(shù)，其值在0.40.6之間，取0.4a角系數(shù)，2 1a0材料在對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的彎曲疲勞極限，對(duì)于鋼，0 (1.4 1.6) !則取a 0.43算得n=2.2991.5則小頭合格3.4連桿大頭的強(qiáng)度計(jì)算連桿大頭受慣性力拉伸載荷：Pj'max GG 2r(1) °2 °3 2r 10218.54N mgg式中G'、G、G2、G3分別是活塞組、連桿組往復(fù)部分、連桿旋轉(zhuǎn)部分及連桿大頭下半部分的重量。取40，則彎曲應(yīng)力為:Pjmax0.0231Z(1 J'/J)0.4F F18346.3N式中Z 計(jì)算斷面的抗彎曲斷面模數(shù)，取 Z 5.0 10 9m3l1 計(jì)算圓環(huán)的曲率半徑，計(jì)算可得l1 17mmF、F'大頭及軸承中央截面面積，計(jì)算可得F F' 0.00176m2查楊連生內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)c的值在 1500020000N - m之間，合格。本課題通過(guò)對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿組的研究，結(jié)合汽油機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)連桿組進(jìn)行總體布 置；利用EXCE對(duì)活塞連桿進(jìn)行熱力與動(dòng)力分析，從而得到比較理想的連桿組。通過(guò)對(duì)連 桿組的設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并且鞏固了所學(xué)的知識(shí)。本文的全部工作是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、 刻苦的鉆研精神和對(duì)學(xué)生高度負(fù)責(zé)的作風(fēng)使我永生難忘，終身受益。在我論文的完成過(guò)程 中，導(dǎo)師付出了大量的心血，在此謹(jǐn)向辛勤培育我的導(dǎo)師致以崇高的敬意和衷心的感謝感謝學(xué)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(xué)和朋友們！參考文獻(xiàn)1 楊連生內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.2 1990.3 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0.09080255.107500.0900.09085274.525500.0900.09090293.619300.0900.09095312.238200.0900.090100330.245900.0900.090105347.521500.090:0.090110363.959800.0900.090115379.471500.0900.090120385.982500.090:0.090125399.433300.0900.090130409.778000.0900.090135415.982700.090:0.090140421.024300.090:0.090145429.888300.0900.090150437.567400.090:0.090155444.059800.090:0.090160449.367000.0900.090165453.492800.0900.090170456.441800.090:0.090175458.217800.0900.090180458.82371.300.0930.093185458.26051.300.0940.094190456.52721.300.0940.094195453.62121.300.0940.094200449.53841.300.095:0.095205444.27441.300.0960.096210437.82541.300.0970.097215430.18961.300.098P 0.098220421.36881.300.099:0.099225415.37001.300.1010.101230411.20741.300.104：0.104235407.90381.300.1080.108240404.49271.300.1130.113245390.01951.300.118：0.118250374.54311.300.1240.124255358.13711.300.1320.132260340.89031.300.1400.140265322.90741.300.1500.150270304.30851.300.1620.162275285.22951.300.1760.176280265.82041.300.1930.193285246.24481.300.2130.213290226.67731.300.2360.236295207.30231.300.2650.265300188.31071.300.3000.300305169.89761.300.3420.342310152.25941.300.3930.393315135.59001.300.5860.556320120.07821.300.7330.663325105.90381.300.826:0.79633093.23491.300.9970.93733582.22411.301.1561.16634073.00651.301.288r 1.30834565.69621.301.4541.45435056.38491.301.5851.58535546.13961.301.6991.69936045.00141.301.8011.80136045.00141.3512.5928.33036545.98481.3512.2947.98737055.07731.3510.9236.57537565.23961.359.9105.98838072.40671.358.8034.73338581.48871.357.9183.69439092.37281.356.8213.119395104.92561.355.9382.626400118.99551.354.8702.216405134.41561.353.6041.880410151.00671.352.7251.606415168.58071.351.918P 1.385420186.94381.351.6681.204425205.89981.351.4641.057430225.25341.351.297P 0.936435244.81321.351.159:0.837440264.39421.351.0450.754445283.82111.350.949:0.685450302.92951.350.8690.628455321.56821.350.8020.579460339.60041.350.745:0.538465356.90471.350.6970.503470373.37531.350.6560.473475388.92221.350.6210.448480403.47091.350.590:0.426485406.96131.350.5650.408490409.34711.350.5430.392495410.59391.350.5240.378500420.67821.350.5090.367505429.58541.350.4950.358510437.30791.350.4840.350515443.84351.350.4750.343520449.19401.350.4680.338525453.36291.350.4630.334530456.35471.350.4590.331535458.17351.350.4570.330540458.82211.350.456:0.329545458.301600.0900.090550456.611100.0900.090555453.748000.090:0.090560449.708300.0900.090565444.487500.0900.090570438.081800.090:0.090575430.489300.090:0.090580421.711700.0900.090585416.755800.0900.090590411.635300.090:0.090595408.372900.0900.090600405.001400.0900.090605390.566100.0900.090610375.125100.0900.090615358.751600.0900.090620341.533800.0900.090625323.575700.0900.090630304.997000.0900.090635285.933000.090:0.090640266.533200.0900.090645246.960600.0900.090650227.389700.090P 0.090655208.004300.090:0.090660188.995200.0900.090665170.557600.090:0.090670152.887600.0900.090675136.179500.0900.090680120.622200.090:0.090685106.396000.090:0.09069093.669200.0900.09069582.595400.0900.09070073.310200.090:0.09070565.928500.0900.09071055.542900.0900.09071549.221200.0900.09072045.005700.0900.090運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算曲軸轉(zhuǎn) 角活塞位移活塞速度活塞加速連桿擺角汽缸容積往復(fù)慣性氣體力mmm/s度 m/s2L力NN50.1971252.59294416799.171.2485140.046066-8651.57-61.1089100.7861065.154412164932.488121:0.049251-8493.9-61.1089 :151.7598057.65352315989.173.7099420.054517-8234.42-61.1089203.10647710.0605815297.164.9051630.061799-7878.04-61.1089254.80998912.3475914429.91:6.0650670.071012-7431.41-61.1089 :306.85012214.4888413403.57.1810770.082045-6902.8-61.1089359.20294616.4612512236.698.2448040.094768-6301.9-61.10894011.8412618.2448410950.59.248102：0.109036-5639.51-61.1089 :4514.7350719.822999567.64310.183130.124685-4927.34-61.10895017.8521421.182658111.98411.042430.141542-4177.67-61.10895521.1585322.314516607.939r 11.8190.159422-3403.09-61.1089 :6024.6191623.213015079.88812.506360.178137-2616.14-61.10896528.1984123.876293551.59713.098690.197493-1829.07-61.10897031.8606224.306082045.6713.59086p.217298-1053.52-61.1089 :7535.5706924.50745583.043413.978540.237361-300.267-61.10898039.2944924.48852-817.46514.258280.257499420.9942-61.10898542.9993624.26015-2139.5314.427570.2775351101.856-61.10899046.6544523.83545-3369.614.484850.2973011735.346-61.10899550.2310623.22943-4497.1614.429620.3166432316.035-61.1089100 53.7028822.45846-5514.76P 14.262370.3354182840.099-61.1089 :10557.0461521.5398-6418.1113.984630.3534983305.328-61.108911060.2397920.49115-720613.598890.3707693711.09-61.108911563.265419.33018-7880.09P 13.108590.3871314058.246-61.1089 :120 66.1072218.07406-8444.71P 12.518040.4024994349.028-61.1089 :12568.7520616.73915-8906.5411.832360.4168024586.868-61.1089130 71.1891315.34061-9274.19P 11.057370.4299814776.206-61.108913573.409813.89215-9557.7910.199520.441994922.263-61.1089 :14075.4074612.40583-9768.559.2658110.4527935030.803-61.1089145 77.1771310.89197-9918.2:8.263690.4623645107.875-61.1089150 78.715339.359043-10018.6:7.2009940.4706825159.563-61.1089 :15580.019667.81374-100816.0858640.4777365191.736-61.108916081.088666.261065-10116.14.9266850.4835175209.812-61.108916581.921494.704496-10133.1:3.7320320.488025218.547-61.1089 117082.517743.146217-10139.52.5106170.4912455221.848-61.108917582.877241.587388-101411.2712560.4931895222.626-61.108918082.999960.028466-10141.10.0228250.4938535222.68-61.1089 118582.88589-1.53046-101411.225770.4932365222.633-114.10119082.53503-3.08929-10139.6-2.465620.4913385221.906-111.92319581.94743-4.64761-10133.5-3.687840.4881615218.742-108.23 J20081.12323-6.20427-10117-4.883630.4837035210.269-102.95720580.06285-7.75714-10082.7-6.044260