发动机活塞连杆机构设计

1、目录第1章 绪论41.1 选题的目的和意义41.2 国内外的研究现状4第2章 整体设计方案62.2活塞组设计方案62.3连杆组设计方案72.3 柴油机动力计算82.3.1已知原始数据82.3.2动力计算92.4本章小结12第3章活塞组的设计133.1 活塞的设计133.1.1活塞的工作条件和设计要求133.1.2活塞的材料143.1.3 活塞头部的设计143.1.4 活塞裙部的设计183.2 活塞销的设计193.2.1 活塞销的结构、材料193.2.2 活塞销强度和刚度计算203.3 活塞销座213.3.1 活塞销座结构设计213.4活塞环的设计213.5 本章小结23第4章 连杆组的设计244.1 连杆的设计244.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用244.1.2 连杆长度的确定244.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算244.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算274.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算304.2 本章小结315曲轴组的设计325.1 曲轴的选型325.2 曲轴主要尺寸设计及计算325.3 曲柄的选择335.4 平衡重的设计335.5 油道设

2、计及油孔位置335.4 本章小结34第6章 活塞连杆组的创建346.1 对Solidworks软件基本功能的介绍356.2 活塞的创建356.2.1 活塞的建模步骤356.3 连杆的创建376.3.3 连杆盖的建模386.4 活塞连杆组其它零件的创建396.4.1 活塞销的创建396.4.2 活塞销卡环的创建396.4.3 连杆小头衬套的创建396.4.4 大头轴瓦的创建396.4.5 连杆螺栓的创建406.5 本章小结40第7章有限元分析417.1连杆模态分析417.1.1数字化建模417.1.2导入外部几何模型417.1.3网格划分417.1.4边界条件的施加427.1.5求解427.2本章小结431绪论1.1 选择该题的目的与意义活塞连杆机构是内燃机中实现动力输出以及传递运动的重要组成部分，内燃机通过活塞连杆组把活塞顶部所受到的燃气爆发力通过活塞销和小头串联传递给杆身，小头和曲轴销串联曲轴把力变成转矩，同时也能顺带着将活塞的上下往复运动巧妙的变为曲轴地旋转运动。活塞连杆机构设计时，优先保证机构整体上具有足够的结构强度和刚度，如何减少活塞连杆机构应力集中的同时又能设计出结构紧凑重量

3、轻的机构是此次设计的关键。通过此次设计能够促进我们对大学四年已学知识总结和综合应用，熟悉各参数对活塞连杆组计算结果的影响和变化规律，锻炼自己对数据的分析能力，从而达到在复杂数据的情况下能快速挑选有用参数的目的。 同时也能让自己对活塞连杆组之间的各个工作过程的相互的影响有一个清楚的认知，通过使用绘图软件绘制活塞连杆机构零件图、三维图、装配图，能培养我们的快速识图和迅速制图的能力，使我们能够掌握如何利用有限元分析软件模拟活塞连杆组的实际工作过程。从而能看出所设计的结构是否合理，结构是否存在运动干涉，设计参数能否达到实际生产要求等问题都能在零件图三维图以及应力云图上得到不同程度的反映，同时它还能锻炼我们综合大学所学知识对整体机构中各零部件以及各附件系统之间的配合关系进行一个充分的探究，培养了自己毕业后能够从事设计工作增加了优势。1.2 国内外的研究现状自十九世纪六十年代年首台内燃机诞生以来，德国人鲁道夫狄塞尔觉得当时的发动机效率低下，经过一系列挫折终于在一八九二年研发出了世界第一台可以正常实现扭力输出的压燃式柴油发送机，至今发动机经过了近160年的发展，它改变了人类的出行方式，极大的提高了人

4、类出行效率，同时给各大机器提供了强大的动力，极大地促进了社会生产力发展，间接的丰富了人们的物质追求，提高了人们的生活质量，已经成为人类发展不可或缺的一部分。但是，随着人类对机械动力的需求不断增加，工作环境越来越严酷，到目前为止内燃机的发展还远远没有达到其极限，在动力性、经济性和排放性等方面依然存在很大研究发展空间。柴油发动机相比较于汽油机来说其热效率更高和经济性较好等优点，柴油机点火方式很独特，采用的是压燃点火，结构上比较简单，点火原理就是在压缩空气的同时喷入柴油，使空气分子剧烈挤压使空气温度瞬间达到柴油的燃点，同时和空气混合完成点火燃烧，较汽油机来说柴油机无需点火系统。大量数据和实验表明，在现在各种动力机械中，柴油机不仅热效率最高，而且能量利用率最好 。 进入21世纪，由于人们环保意识的增强，国家对柴油车废气污染物的要求和汽油车一样日渐严格，同时对柴油机经济性也提出了更高的要求，面对能源危机和环境污染等问题，如何提高内燃机的经济性和减少废气排放，如今已成为国内外研究的重点。目前发动机柴油化呈现全球化趋势，尤其在北美、欧洲日本等地区这种发展趋势最为明显。据调查显示，在欧美日这些国家的重

5、型机械全部以柴油机作为动力，美国和欧洲商用车百分之九十为柴油车，百分之三十左右的小轿车为柴油车，据专家预测，在今后十年甚至是更长时间发动机柴油化将成为主流趋势。欧洲在柴油机上拥有大量的技术优势，柴油机燃油经济性较好，供油充分，寿命长，结构紧凑2。我国虽然在世界上单缸柴油机产量，厂家和品种最多，但是整体水平仍让落后于西方国家1020年，比起汽油机，国家对柴油机也不够重视，有些城市甚至对柴油车限行处理，严重制约了生产工艺水平和规模发展及自主开发能力的提高3。在大多数人的印象里，柴油机充斥着严重的噪声，刺鼻的气味和浓浓的黑烟，社会整体呈现出“厌柴”心理。随着一些先进柴油机和技术的引进，我国柴油机自二十世纪八十年代以来有了较快的发展，整体技术水平达到了国外八十年代末九十年代初的水平，诞生了如常柴、玉柴、潍柴等优秀柴油机研发制造企业，随着高压共轨喷射、增压中冷技术、废弃再循环等技术的使用，国内某些最新柴油机产品排放水准甚至能达到欧洲的最高排放标准。2 整体设计方案2.1原始参数1) 所选柴油机：S195柴油机;2) 燃烧室类型：涡流式；3) 气缸数目Z：1;4) 柴油机冲程数t : 4;5) 气

6、缸直径D: 95mm；6) 活塞行程S: 115mm；7) 排量： 0.815L;8) 标定功率 Ne : 8.8kw(12PS)；9) 标定转速： 2000 rpm;10) 怠速转速： 800 rpm；11) 压缩比s: 20;12) 冷却方式：水冷；13) 净质量： 145kg;14) 润滑方式：压力润滑+飞溅润滑；15) 启动方式：电启动；16) 最高爆发压力pz: 75kgf /cm2 ；17) 压力升高比：1.5018) 平均有效压力pc：6.78 kgf/cm219) 最高燃烧温度: 2230 K2.2活塞组总体设计方案2.2.1对活塞头部进行结构尺寸设计活塞头部这一块区域主要由顶部和环带部两个小区域组成，作用很简单就是，承受高温高压燃气压力，然后通过活塞销座把运动从连杆小头传递到连杆大头，推动曲轴转动，实现动力输出。同时活塞头部还与汽缸盖、汽缸壁三者共同组成燃烧室，活塞环一起打配合保证气缸气密性。因此，在设计柴油机活塞头部时要特别关注以下几个方面：其一：所选择制作活塞头部的材料一定要具有充分的强度与刚度，防止头部因应力集中开裂或者明显的变形，因为头部的变形最终会导致活塞环

7、槽的空间受到压缩，活塞环的空间变小受到挤压，破化了活塞环的正常工作；其二：一定要减小头部的最高温度，同时温差梯度要均匀，一头温度高一头温度低就会形成大的热应力以及热变形，引起头部疲劳损伤，严重时能导致热疲劳开裂，不好的地方能避免的尽量去避免，活塞环嘛，也需要一个好的工作条件；其三：在保证活塞头部有足够的强度及刚度的情况下结构尽可能轻巧，尺寸尽可能紧凑，因为头部对压缩高度的影响还是蛮大的，比如说头部尺寸缩小量最大甚至能达到压缩高度尺寸缩短的两倍，同时还能显著减小活塞重量，降低活塞往复惯性质量。 2.2.2活塞环为保证机构具有足够气密性，本次社稷的活塞环打算设计成四道，打算设计三道气环，一道油环。第一道活塞环打算使用梯形环，材料预选用球墨铸铁，表面镀多孔性铬，活塞寿命长。第二、三道活塞环打算使用锥形环，材料为灰铸铁，表面压力高，有利于磨合密封，布油效果也好。第四道是油环，使用弹簧膨胀环，选用优质钢，质量小，基础比压高，回油通路大刮油能力强。2.2.3活塞裙部活塞裙部指的是活塞油环槽以下的部分9。当活塞受到气压力下行，受凸轮惯性力上行时，主要靠裙部起导向作用，在这个过程中由于连杆快速摆动，导

8、致气缸壁会给裙部一个气体侧压力。所以设计裙部时应注意以下几点，第一务必要保证活塞能够以最小摩擦往复运动的同时能得到正确的导向，同时具有足够大实际承压面积，减小来自气缸壁的侧应力冲击；第二裙部表面要有足够厚的润滑油膜，既不因间隙过小而导致活塞卡住拉伤，造成拉毛，也不因间隙过大发生敲缸，引起噪音和加速磨损。为了避免出现拉毛现象，在活塞裙部与气缸之间必需留有适当的间隙。由于活塞头部距离高温燃气最近，导致活塞外表面上下温度分布很不均匀，活塞顶温度最高可达两百甚至五百度，所以环带温度梯度要比裙部更明显，在设计时应多加考虑如何加速塞头部流向裙部的热量，使活塞头部迅速冷却；把活塞外圆面制成有不同锥度的圆锥面，尽最大的努力缩小活塞裙部膨胀；活塞裙部形状要与活塞本身的温度变化相对应起来、还要和裙部壁厚薄厚度等对应起来10。翻了一下柴油机设计手册这本书，对于共晶硅铝合金活塞顶部间隙0、垂直销孔方向裙部间隙的推荐值为： 0D=0.006,D=0.00142.3连杆组设计方案连杆组实际上就是住在活塞组和曲轴组中间，起到一个纽带桥梁的作用，一方面连杆小头与活塞携手做往复运动，另一方面连杆大头和曲柄销联合起来，做

9、旋转运动，在这个将往复运动转变为旋转运动这个过程中，连杆本身会做一个复杂的平面运动，此时连杆不仅要承受往复惯性力与气压力联合拉压疲劳交变载荷，同时也会由于连杆受力不均时引起的横向弯曲载荷以及与衬套轴过盈压入时的装配静载荷，要想结构轻巧，还想有足够的刚度强度，根据发送机制造工厂的老师傅推荐，这次设计预选中碳结构钢2.3.1连杆小头由于薄壁圆环结构简单，制造方便，材料利用率高，常用于工厂中大批量生产，所以在小头设计中优先考虑薄壁圆环结构。小头到杆身的过度为单圆弧过渡，小头和活塞销座之间要保留一定间隙，可以弥补温度升高时材料热膨胀系数不一样时引起零件之间装配关系的变化，小头要有足够的承压面积减小单位面积上所承受的应力，使用耐磨连杆衬套减小活塞销对小头的磨损。两者之间采用过盈配合，并在小头上面开机集油孔，利用从曲轴箱飞溅来的油雾来进行润滑，同时还能把热量带走，起到降温作用。2.3.2连杆杆身预设计方案连杆杆身在连杆组这个小家庭里面起到一个顶梁柱的作用，做功行程时连杆小头像它的肩膀扛着来自活塞的气体压力，引起连身压缩，同时在吸气行程时大头就像腿陷在了往复惯性这个泥塘里拉伸，连杆杆身采用工字形截面，这种截面对材料的利用最为合理，对于中高速柴油机，截面平均高度和气缸直径的比值一般取值范围在0.30.4，截面高宽比取值略大，

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