105系列柴油機li連桿設(shè)計

本文格式為Word版，下載可任意編輯——105系列柴油機li連桿設(shè)計連桿組設(shè)計陶波花曉凌范鼎孔瑞斌XX大學(xué)京江學(xué)院06熱動2023年1月20日

一設(shè)計目的和性質(zhì)

根據(jù)所學(xué)的《內(nèi)燃機設(shè)計》專業(yè)知識，通過對內(nèi)燃機一些零部件的設(shè)計實踐，加強課程知識，熟悉內(nèi)燃機設(shè)計過程的一般環(huán)節(jié)，為將來從事內(nèi)燃機設(shè)計以及機械設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

二已知參數(shù)、要求

105系列柴油機

設(shè)計內(nèi)容：1、連桿承受的載荷；2、連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計；3、連桿小頭的安全系數(shù)；4、連桿大頭的強度驗算；5、工程材料的選取。提交成果：

?1套設(shè)計圖紙

?一份設(shè)計說明書

1.連桿的工作狀況

連桿小頭和活塞銷相連接，和活塞一起作往復(fù)運動，連桿大頭和曲柄銷相連和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運動。因此，連桿體除了有上下運動外，還左右搖擺作繁雜的平面運動。連桿的基本載荷是拉伸和壓縮。最大拉伸載荷出現(xiàn)在進氣沖程開始的上止點附近。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)計時首先保證連桿具有足夠的疲乏強度和結(jié)構(gòu)剛度。

2.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)計時首先應(yīng)當(dāng)保證連桿具有足夠的疲乏強度和結(jié)構(gòu)強度。假使強度不足，就會產(chǎn)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故。同樣，假使連桿剛度不足，也會對曲柄連桿機構(gòu)的工作帶來不好的影響；例如，連桿大頭的變形使連桿螺栓承受附加彎曲力；大頭兒的失圓使連桿軸承的潤滑受到影響；桿身在曲軸軸線平面內(nèi)的彎曲，使活塞在汽缸內(nèi)傾斜，造成活塞和汽缸以及連桿軸承和曲柄銷的偏磨，造成活塞組和汽缸之間漏氣、竄機油，經(jīng)驗說明，對加強程度不高的發(fā)動機來說，剛度比強度更重要。

很顯然，為了加強連桿的強度和剛度，不能簡單地依靠加大結(jié)構(gòu)來達到，由于質(zhì)量的增加導(dǎo)致慣性力增加，所以連桿設(shè)計的總體要求是在盡可能便捷的的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強度。為此，必需選擇高強度的材料，設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，采取提高強度的工藝措施等。

三工程材料的選取

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為了保證連桿在結(jié)構(gòu)便捷的條件下有足夠的剛度和強度，一般多用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，只有在特別加強的且產(chǎn)量不太大的柴油機中用40cr等合金鋼。合金鋼有較高的綜合機械性能，但當(dāng)存在產(chǎn)生應(yīng)力集中地因素時，他的疲乏強度能力下降，甚至低到和碳素鋼不相上下。所以合金鋼連桿的形狀設(shè)計、過渡圓滑性、毛片表面質(zhì)量等，必需給以更多的關(guān)注，才能充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)材料的潛力。40MnB、40MnVB等硼鋼作為高負(fù)荷的大量生產(chǎn)連桿的材料，顯示了良好的使用性能。40MnB缸化學(xué)成分（%）：C0.37~0.45，Mn1.1~1.4，Cr70牛頓.米/厘米2。

連桿縱向斷面內(nèi)宏觀金相組織要求金屬纖維方向和連桿外形相符，纖維無環(huán)曲及中斷現(xiàn)象。

連桿一般用鋼鍛造，在機械加工前應(yīng)經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火后高溫回火），以得到較高的綜合機械性能，即強又韌。為了提高連桿的疲乏強度，不經(jīng)機械加工的表面應(yīng)經(jīng)過噴丸處理。連桿還必需經(jīng)過磁力探傷檢驗，以求工作可靠。

我國已研究成功連桿輥鍛工藝，輥鍛連桿不僅不需要大型鍛壓設(shè)備，而且還改善了操作工人的勞動條件。為了結(jié)緣優(yōu)質(zhì)鋼材，降低生產(chǎn)成本，我國還成功地試用了以稀土鎂球墨鑄鐵制造的高速柴油機連桿。試驗說明，鑄造量的硬度應(yīng)在HB210~250之間，上限是為了保證足夠的強度，下限是為了保證良好的韌性。這樣硬度的珠光體球鐵具有300~350牛頓/毫米2的抗彎曲疲乏強度，和中碳鋼差不多。在大批生產(chǎn)鑄造連桿時為了保證制造質(zhì)量穩(wěn)定，要求對爐料、澆注、熱處理等工藝規(guī)程嚴(yán)加控制，并進行細(xì)心的內(nèi)在質(zhì)量檢查，例如超聲波或X線無損傷探傷等。據(jù)國外經(jīng)驗，強韌的珠光體可鍛鋼鐵也適于制造連桿。

四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.小頭設(shè)計

連桿小頭的結(jié)構(gòu)如下圖。連桿小頭的應(yīng)力分布和其和桿身的固定角?有很大的關(guān)系。固定角?指的是從連桿大小頭孔中心線到小頭和桿身的切點的角度。假設(shè)連桿小頭在拉伸載荷的作用下產(chǎn)生沿上半圓均勻分布的徑向載荷p′，并且將小頭沿中休止面剖開，代之以法向力FNO和彎矩M0,則由圖可以看到，在兩種固定角狀況下，小頭內(nèi)、外應(yīng)力分布和固定角的大小有關(guān)，但大致趨勢不變。例如，內(nèi)表面應(yīng)力?ij的最大值為一般出現(xiàn)在??90?處，外表面應(yīng)力?aj的最大值，一般出現(xiàn)在???處，并且?ajmax??ijmax。還可以看出，固

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定角?增大時，應(yīng)力不均勻性增加，?max增加。最小的固定角?min?90?。圖所示為小頭所受的壓縮載荷，一般認(rèn)為壓縮載荷沿半圓周依照余弦規(guī)律分布。由于小頭下部和桿身相連，所以剛度特別大。很顯然，壓縮載荷中的大部分（0???180???范圍內(nèi)）直接壓在桿身上，并不在小頭中引起應(yīng)力，只有小部分載荷（180??????90?）時小頭變形。壓縮載荷引起的小頭內(nèi)表面應(yīng)力用?ie表示，外表面應(yīng)力用?ae表示?？梢姰?dāng)固定角增大時，應(yīng)力均勻性及最大值急劇增長，且比拉伸載荷的狀況更加嚴(yán)重。

連桿小頭拉伸載荷計算工況為最高轉(zhuǎn)速（標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況），剛度膠合時應(yīng)保證徑向收縮量???/2。?為連桿小頭孔和活塞銷的裝配間隙。

2.桿身設(shè)計

桿身是指連桿大頭和連桿小頭之間的修長桿部分。桿身承受交變載荷，可能產(chǎn)生疲乏破壞和變形，連桿告訴搖擺時的橫向慣性力也會使連桿彎曲變形，因此連桿必需有足夠的斷面積，并消除產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素。據(jù)工作可靠發(fā)動機的統(tǒng)計說明，對于現(xiàn)代汽油機，連桿桿身平均斷面面積Am和活塞面積Ah之比Am/Ah=0.02~0.035；對于柴油機則為0.03~0.05。為了在較小的質(zhì)量下得到較大的剛度，高速內(nèi)燃機的連桿桿身斷面都是工字型的，長軸在搖擺平面內(nèi)，考慮慣性力依不同連桿截面的變化，從小頭到大頭截面逐漸加大。

如要連桿在一致載荷作用下，在搖擺平面和曲軸軸線平面（非搖擺平面）兩個平面內(nèi)的壓桿穩(wěn)定性一致，則必需使非搖擺平面內(nèi)的慣性矩Ix?4Iy，Iy為連桿在搖擺平面內(nèi)的慣性矩。據(jù)統(tǒng)計，Ix?(2~3)Iy，這就使得連桿在垂直于搖擺平面內(nèi)有較大的抗彎能力。

對于汽油機，工字型斷面的平均高度和汽缸直徑的比值為H/D?0.2~0.3；對于柴油機，H/D?0.3~0.4。工字型斷面的高寬比H/B?1.4~1.8。

對桿身進行強度計算時，主要進行拉壓應(yīng)力計算，這是一個交變載荷。

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進行拉應(yīng)力計算時，選標(biāo)定轉(zhuǎn)速或最大轉(zhuǎn)速工況，活塞處于排氣上止點（也是進氣開始的上止點）。這時需要注意的是，對于不同的計算截面，要考慮面上部的運動質(zhì)量不同，產(chǎn)生的慣性力也不同。在進行壓應(yīng)力計算時，要選擇最大轉(zhuǎn)矩工況和全負(fù)荷狀況下的標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況，而且要兼顧桿側(cè)彎的狀況是否發(fā)生。

3.連桿大頭蓋設(shè)計

連桿大頭蓋和連桿大頭協(xié)同形成連桿軸承體，連桿大頭蓋的內(nèi)徑和寬度和連桿大頭一致。連桿大頭蓋主要考慮的是剛度問題。為了保證在慣性載荷作用下不產(chǎn)生很大的變形連桿蓋上都沒有加強肋，有單肋和雙肋兩類。這也主要是指四沖程發(fā)動機，對于二沖程發(fā)動機，連桿大頭蓋不承受慣性載荷，所以大頭蓋不需要加強肋加強。

為了使連桿能通過氣缸，連桿螺栓中心線應(yīng)盡量靠近軸瓦，這也可以連桿大頭蓋所承受的彎矩。

連桿大頭的剖分面，一般狀況下是和桿身軸線相垂直的，有些內(nèi)燃機為了既能增大曲柄銷的直徑，又能使連桿通過氣缸把剖分面作為斜切口。斜切口有利于減小連桿螺釘承受的拉伸負(fù)荷。一般來講斜切口的連桿大頭，其所連接的曲柄銷的直徑D2可以增大到0.67-0.68D，而直切口的相應(yīng)值只能到0.60-0.67D。斜切口的連桿不能采用螺栓聯(lián)接，只能采用螺釘或螺柱聯(lián)接，這使兩個連桿螺釘距離有所增加，連桿體有所減弱，而且連桿螺釘承受了剪切力。

斜切口相對于連桿軸線的斜角俞小，大頭上半部的橫向?qū)挾扔嵝?，在連桿體能通過氣缸的條件下，容許加大曲柄銷直徑的可能性俞大。但斜角俞小，螺釘或螺柱穿進桿身的深度也俞大，使桿身減弱過多。因此斜角一般在30度到60度之間。

斜切口的方向和曲軸轉(zhuǎn)向有關(guān)。最大燃?xì)鈮毫υ谏现裹c過后產(chǎn)生，曲軸順時針旋轉(zhuǎn)，此時曲柄銷的反作用力一般也達到最大，其大小為燃?xì)庾饔昧?、往?fù)慣性力和連桿大頭旋轉(zhuǎn)離心力的矢量和，方向如下圖。顯然在力作用區(qū)段圖示L弧段內(nèi)形成油膜所要求的油壓十分高，按圖所示的切口方向可保持較好的液體潤滑。而依照圖所示的切口方向則不能產(chǎn)生很好的潤滑油膜。所示為螺釘裝配示意圖。

為保證連桿體和大頭蓋之間在安裝時簡單對正，并不致在作用力影響下相互錯位，在連接部位必需考慮定位問題。平切口連桿一般是