曲柄連桿機(jī)構(gòu)課程設(shè)計(jì)匯總

1、工程軟件訓(xùn)練目錄目錄· 1第 1 章 緒論· 3第 2 章 活塞組的設(shè)計(jì)·· 42. 1 活塞的設(shè)計(jì)· 42.1. 1 活塞的材料· 42.1. 2 活塞頭部的設(shè)計(jì)· 42.1.3 活塞裙部的設(shè)計(jì)· 52. 2 活塞銷的設(shè)計(jì)· 52.2. 1 活塞銷的結(jié)構(gòu)· 5第 3 章 連桿組的設(shè)計(jì)·· 63. 1 連桿的設(shè)計(jì)· 63. 1. 1 連桿材料的選用· 63.1. 2 連桿長度的確定· 63.1. 3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)· 63. 1.

2、4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)· 63. 1. 5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)· 63. 2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) ·· 7第 4 章 曲軸的設(shè)計(jì)· 84. 1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇· 84. 1. 1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式· 84.1. 2 曲軸的材料· 84. 2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)· 84. 2. 1 曲柄銷的直徑和長度· 84. 2. 2 主軸頸的直徑和長度· 94. 2. 3 曲柄· 94. 2. 4 平衡重· 94. 2. 5 油孔的位置和尺寸·10

3、4. 2. 6 曲軸兩端的結(jié)構(gòu)·10第 5 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建·115. 1 活塞的創(chuàng)建·115. 2 連桿的創(chuàng)建·115. 3 曲軸的創(chuàng)建·11第六章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析·136. 1 活塞的靜力分析··136. 2 連桿的靜力分析··1311第 1 章 緒 論 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)的傳遞運(yùn)動和動力的機(jī)構(gòu)，通過它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動 轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而輸出動力。 因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)中主要的受力部件， 其工作可靠性就決定了發(fā)動機(jī)工作的可靠性。隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)

4、 的工作條件更加復(fù)雜。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計(jì)過程中保證機(jī)構(gòu) 具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性 問題1 。通過設(shè)計(jì)，確定發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu) 尺寸確定、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，為了滿足設(shè)計(jì)的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時為了滿 足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算， 同時要滿足校核計(jì)算，還需要對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。為了真實(shí)全面地了解機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動力學(xué) 仿真技術(shù)，針對機(jī)構(gòu)進(jìn)行

5、了實(shí)時的，高精度的動力學(xué)響應(yīng)分析與計(jì)算，因此本研究所 采用的高效、實(shí)時分析技術(shù)對提高分析精度，提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義，而且可以 更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計(jì)算，對進(jìn) 一步研究發(fā)動機(jī)的平衡與振動、發(fā)動機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價值。本文以捷達(dá) EA113 汽油機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考， 對四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的 主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有關(guān)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的理 論分析與計(jì)算機(jī)仿真分析。第 2 章 活塞組的設(shè)計(jì)2. 1 活塞的設(shè)計(jì)2.1. 1 活塞的材料 在發(fā)動機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本低、

6、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。但近幾十年來，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速日益提 高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因此比重大和導(dǎo)熱性差兩個根本缺點(diǎn)而逐漸被鋁 基輕合金活塞所淘汰。鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵正相反， 鋁合金比重小， 約占有灰鑄鐵的 1/3，結(jié)構(gòu)重量 僅占鑄鐵活塞的 50 70% 。因此其慣性小，這對高速發(fā)動機(jī)具有重大意義。鋁合金另 一突出優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的 3 4倍，使活塞溫度顯著下降。對 汽油機(jī)來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。共晶鋁硅合金是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。含硅 9%左右的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大

7、一些，但由于鑄造性能好，適應(yīng)大量生產(chǎn) 工藝的要求，應(yīng)用也很廣。綜合分析，該發(fā)動機(jī)活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。2.1.2 活塞頭部的設(shè)計(jì)1、壓縮高度的確定 壓縮高度 H1是由火力岸高度 h1、環(huán)帶高度 h2 和上裙尺寸 h3構(gòu)成的，即H1=h1+h2+h3(1) 第一環(huán)位置一般汽油機(jī) h1 (0.06 0.12)D ， D 為活塞直徑，該發(fā)動機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑D 80mm 確定火力岸高度為：h1 0.1D 0.1 80 8mm(2) 環(huán)帶高度 一般氣環(huán)高 b 1.5 2.5mm ，油環(huán)高 b 2 5mm 。該發(fā)動機(jī)采用三道活塞環(huán)，取 b1 1.5mm， b 2 2.5mm， b3 3mm。 環(huán)岸

8、的高度 c，c1 (0.04 0.05)D ， c2 (1 2)b1 ，汽油機(jī)接近下限。則c1 0.05D 4mm ，c2 2b1 2 1.5 3mm 。因此，環(huán)帶高度 h2 b1 c1 b2 c2 b3 1.5 4 2.5 3 3 14mm 。(3) 上裙尺寸對 于 汽 油 機(jī) H1 (0.35 0.6)D ， 所 以 H1 0.5 D 0.5 80 40mm 。h3 H1 h1 h2 40 8 14 18mm 。2、活塞頂和環(huán)帶斷面由于 EA113 5V 1.6L 發(fā)動機(jī)為高壓縮比9.3，因而采用近似于平頂?shù)幕钊?。?shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 表明，活塞 頂部最小 厚度，汽油機(jī)為 (0 . 060 .)1

9、D ，即( 0.075 80) 6mm 。2.1.3 活塞裙部裙部單位面積壓力(裙部比壓)按下式計(jì)算：maxDH取 H 2 0.45D 0.45 80 36mm 。2410.83則 q 0.799 MPa80 36 一般發(fā)動機(jī)活塞裙部比壓值約為 0.51.5MPa ，所以設(shè)計(jì)合適。2.2 活塞銷的設(shè)計(jì)2.2. 1 活塞銷的結(jié)構(gòu)活塞銷與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合， 采用“全浮式”?；钊N的直徑d1 (0.25 0.3)D ， 取 d1 0.25D 20mm ， 取 d2 0.7d1 14mm 活 塞 銷 長 度l (0.8 0.9) D ，取 l 0.8D 64mm第 3 章 連桿組的設(shè)

10、計(jì)3. 1 連桿的設(shè)計(jì)3.1. 1 連桿材料的選用 為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì) 中碳結(jié)構(gòu)鋼 45 模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。3.1. 2連桿長度的確定 設(shè)計(jì)連桿時首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長度l 它通常是用連桿比r/l 來 說 明 的 ， 通 常 0.25 0.3125 ， 取 0.27 ， r 40.23mm ， 則l 0.27 40.23 150mm 。3.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖 4. 1 所示，小頭襯套內(nèi)徑 d1 和小頭寬度 B1已在活塞組設(shè)計(jì)中確定， d1 20mm ， B1 26mm 。 為

11、了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為2 3mm ，取 2.2mm ，則小頭孔直徑 d 24mm ，小頭外徑 D1 (1.2 1.35)d ，取D1 1.27 24 30mm。3.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度 B 約等于(0.20.3)D(D 為氣缸直徑 )，取 B 0.2D 16mm ，截面高度 H (1.5 1.8)B ，取 H 1.65B 26mm 。為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的 圓角半徑。3.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿大頭

12、的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑 D2 、長度 B2 、連桿軸瓦厚度 2 和連桿螺栓直徑 dm 。其中在 D2、 B2在曲軸設(shè)計(jì)中確定， D2 47.8mm， B2 26mm， 則大頭寬度 b2 26mm，軸瓦厚度 2 (1.53)mm，取 2 2.5mm ，大頭孔直徑 d2 50mm 。連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺高度 H1 H2 ( 0.35 0.5)d2 ， 取 H1 0.45d2 22mm，取 H 2 0. 45d 2 22mm ，3. 2 連桿螺栓的設(shè)計(jì)根據(jù)氣缸直徑 D 初選連桿螺紋直徑 dM ，根據(jù)統(tǒng)計(jì) dM (0.10.12)D ，取 dM 0.1D 8mm。第

13、 4 章 曲軸的設(shè)計(jì)4.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇4.1. 1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 曲軸的設(shè)計(jì)從總體結(jié)構(gòu)上選擇整體式，它具有工作可靠、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，而且剛 度和強(qiáng)度較高，加工表面也比較少。為了提高曲軸的彎曲剛度和強(qiáng)度，采用全支撐半 平衡結(jié)構(gòu) 11，即四個曲拐，每個曲拐的兩端都有一個主軸頸，如圖 5. 1所示：曲軸的結(jié)構(gòu)型式圖 4. 14.1. 2 曲軸的材料 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強(qiáng)度決定著曲軸的體積、 重量和壽命，作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能以外，還要求高度的耐磨 性、耐疲勞性和沖擊韌性。同時也要使曲軸的加工容易和造價低廉。在保證曲軸有足 夠強(qiáng)度的前提下

14、，盡可能采用一般材料。以鑄代鍛，以鐵代鋼。高強(qiáng)度球墨鑄鐵的出 現(xiàn)為鑄造曲軸的廣泛采用提供了前提。該發(fā)動機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵鑄造而成。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)4.2. 1 曲柄銷的直徑和長度在考慮曲軸 軸頸的粗 細(xì)時，首先 是確定曲 柄銷的直徑 D2 。對于汽 油機(jī)，D2 / D 0.60 0.65 ， D 為氣 缸直 徑 ， 已知 D =80 mm ，則 ， 曲柄銷 直徑 取為D2 =0.60 D =48 mm。曲柄銷的長度 l2 是在選定的基礎(chǔ)上考慮的。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作 能力出發(fā)，應(yīng)使 l2 控制在一定范圍內(nèi)，同時注意曲拐各部分尺寸協(xié)調(diào)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)l2/D2=

15、0.50 0.70 ，取l 2 =0.62 D 2 =30 mm。軸頸的尺寸，最后可以根據(jù)承壓面的投影面積F2 0.01D2l2 與活塞投影面積F D2 之比來校核，此比值據(jù)統(tǒng)計(jì)在范圍內(nèi)，而且汽油機(jī)偏下限4那么由 FF20.01D2l20.01 48 300.26，則長度取值合適。804.2. 2 主軸頸的直徑和長度 為了最大限度地增加曲軸的剛度，適當(dāng)?shù)丶哟种鬏S頸，這樣可以增加曲軸軸頸的 重疊度，從而提高曲軸剛度，其次，加粗主軸頸后可以相對縮短其長度，從而給加厚 曲柄提高其強(qiáng)度提供可能。 從曲軸各部分尺寸協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)， 建議取 D1 (1.051.25)D2， 取 D1=1.16D2 =56mm

16、。由于主軸承的負(fù)荷比連桿軸承輕，主軸頸的長度 l1 一般比曲柄銷的長度短，這樣 可滿足增強(qiáng)剛性及保證良好潤滑的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì) l1 /D 0.3 0.4 ，取l1 =0.3 D =24mm。4.2. 3 曲柄曲柄應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸?、寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，曲柄的 寬 度 b/D 0.751.2 ， 取 b 1.0D 80mm ， 厚 度 h/D 0.18 0.25 ， 取 h 0.25D 20mm 。曲柄臂以凸肩接主軸頸和曲柄銷。凸肩的厚度 根據(jù)曲軸加工工藝決定。全加工 曲軸 的只有 0.51mm，取 =1mm。曲柄銷和主軸頸至曲柄臂凸肩的過渡圓角對應(yīng)力集中程度影響最大，加大圓

17、角半徑 可使圓角應(yīng)力峰值降低，故 宜取大，至少不能小于 0.05 D 2 或 2.5 mm ，取=3mm。4.2. 4 平衡重對四拐曲軸來說，作用在第 1、2拐和第 3、4 拐上的離心慣性力互成力偶。這兩 個力偶大小相等、方向相反，所以從整體上講是平衡的，但是這兩個力偶卻還是作用在曲袖上了，曲軸這兩個對稱力偶的作用下可能發(fā)生彎曲變形。由于曲軸是安裝在機(jī)體的主軸承中的，所以曲軸發(fā)生彎曲變形時上述力偶就將也部分地作用在機(jī)體上，使 機(jī)體承受附加彎曲力偶的作用，尤其是在此情況下主軸承的工作條件也要變壞。安裝 平衡重，改善曲軸本身和機(jī)體的受力情況，尤其改善了主軸承的工作條件。4.2. 5 油孔的位置和尺

18、寸 為保證曲軸軸承工作可靠，對它們必需有充分的潤滑。曲軸中油道的尺寸和布置 直接影響它的強(qiáng)度和剛度，同時也影響軸承工作的可靠性。油道的孔徑一般在 1 D2 左右，取為 4mm。10 24.2. 6 曲軸兩端的結(jié)構(gòu) 曲軸上帶動輔助系統(tǒng)的正時齒輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單， 維修方便。發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)也是由曲軸自由端驅(qū)動。這是應(yīng)為曲軸自由端的軸頸允 許較細(xì)，可以采用節(jié)圓直徑小的齒輪，消除扭轉(zhuǎn)振動的減振器裝在曲軸前端，因?yàn)檫@ 里的振幅最大。工程軟件訓(xùn)練圖 5. 24）制作倒角；5）得到活塞圖圖 5.4圖 5.3第 5 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建運(yùn)用 UG 軟件分別對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各個零件進(jìn)行模型的建立，具體步驟如下： 5.1 活塞的創(chuàng)建（1）創(chuàng)建草圖；（2）旋轉(zhuǎn)；（3）打孔；圖 5. 15.2 連桿的創(chuàng)建（1）創(chuàng)建草圖 ；（2）拉伸；（3）通過拉伸打孔； 4） 得到連桿圖。6. 4