课程设计-活塞连杆设计

课程设计
课程名称：发动机设计
设计题目：曲轴和连杆设计
学院：交通工程
专业：车辆工程
年级： xxxx级
学生： xxxxxxx
指导教师： xxxxxxxxxxxxxx 日期： 2013年9月
教务处制
目录
1、总体布局、结构特点以及选用原则系统分析 (1)
1.1机型 (1)
1.2选用原则 (1)
2、标定工况（最大功率）工作过程及热力计算和示功图绘制 (2)
2.1实际循环热力计算 (2)
2.1.1热力计算的目的 (2)
2.1.2热力计算的方法 (3)
2.2重要参数选取 (3)
2.2.1压缩比 (3)
2.2.2过量空气系数 (3)
2.2.3残余废气系数 (3)
2.2.4进气温升和残余废气温度 (3)
2.2.5热量利用系数 (3)
2.2.6示功图丰满系数 (3)
2.2.7机械效率 (4)
2.2.8平均多变压缩指数 (4)
2.2.9平均多变膨胀指数 (4)
2.3燃料燃烧化学计算 (4)
2.3.1理论空气量的计算 (4)
2.3.2理论分子变化系数μ0的计算 (5)
2.3.3实际分子变化系数 (5)
2.4燃气过程参数的确定与计算 (5)
2.4.1压缩过程气体状态 (5)
2.4.2燃烧过程及燃烧终点气体状态 (5)
2.4.3最高燃烧爆发压力及压力升高比确定 (7)
2.4.4膨胀终点气体状态 (7)
2.4.5绘制示功图 (8)
2.5发动机性能参数 (9)
2.5.1平均指示压力Pi (9)
2.5.2平均有效压力 (9)
2.5.3有效功率 (9)
2.5.4充量系数 (10)
2.5.5指示热效率 (10)
2.5.6燃油消耗率 (10)
2.5.7发动机总进气流量 (10)
3、活塞位移、速度、加速度随曲轴转角变化曲线 (11)
3.1活塞位移 (11)
3.2活塞速度V (11)
3.3.活塞加速度 (12)
4、气缸压力、活塞侧击力、连杆力、曲柄销切向力，径向力 (13)
4.1气缸压力随曲轴转角变化曲线 (13)
4.2活塞销上的合力变化曲线 (14)
4.3活塞所受侧压力 (14)
4.3.1往复惯性力的求取 (14)
4.4连杆作用力与活塞销受力相反 (16)
4.5曲柄销受力 (16)
4.6曲柄销极坐标图与连杆轴承受力 (17)
4.6.1曲柄销载荷的极坐标图 (17)
4.6.2连杆轴承的负荷矢量图 (17)
4.6.3连杆轴承受力极坐标图 (19)
5、连杆设计及强度计算、校核 (19)
5.1连杆主要参数选取 (19)
5.2材料和关于材料的参数 (21)
5.3连杆小头强度 (21)
5.4连杆杆身强度 (24)
5.5连杆大头强度 (25)
5.6螺栓强度校核 (26)
6、有限元分析 (28)
6.1 连杆实体模型的建立 (28)
6.2 网格的划分 (29)
6.3 连杆受力分析 (30)
6.2.1最大拉伸 (30)
6.2.2最大压缩 (31)
6.4有限元计算结果分析 (32)
6.3.1载荷分布与加载 (32)
6.3.2等效载荷模拟结果 (33)
6.3.3计算结果分析 (34)
7、总结 (38)
8、参考文献 (38)
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17002731973K
z
T=+=1973K
z
T=
''
p
C~t曲线如图一所示：
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计算及说明结果
图一：''
p
C~t曲线
2.4.3最高燃烧爆发压力z
P及压力升高比λ确定
（1）最高燃烧爆发压力
z
P：
最高燃烧爆发压力给定为：2
808
z
P kg cm Mpa
==
（）8
z
P Mpa
=（2）压力升高比λ
80
1.77
45.3
z
c
P
P
λ=== 1.77
λ=
2.4.4膨胀终点气体状态
（1）初期膨胀比
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5、连杆设计及强度计算、校核
5.1连杆主要参数选取
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计算及说明结果连杆小头尺寸：
(0.28~0.42)0.350.359031.5
d D D
===⨯=mm 取d=32mm（由活塞销直径得到）d=32mm
(0.04~0.08)320.06 1.92
d
δ==⨯= mm 取δ=2.0mm δ=2.0mm 1
(0.9~1.2)0.943230.08
b d
==⨯=mm 取
1
b=30mm
1
b=30mm 1
232 2.0236
d dδ
=+=+⨯= mm 取
1
d=36mm
1
d=36mm 2
(1.2~1.4) 1.253645
d==⨯=mm 取
2
d=45mm
2
d=45mm 连杆杆身尺寸：（由表8-1得到）
=165
l mm=165
l mm
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是应用有限元法进行分析的重要步骤之一。

在进行有限元分析时 ,应尽量
按照实物来建立有限元分析模型 ,但对结构复杂的物体 ,完全按照实物结
构来建立计算模型、进行有限元分析有时会变得非常困难 ,甚至是不可能
的 ,因此可进行适当的简化。

一般来说 ,因模型带来的误差要比有限元计算
方法本身的误差大得多。

所以 ,结构有限元计算的准确性在很大程度上取决
于计算模型的准确性。

6.2 网格的划分
有限元分析的基础是单元，所以在有限元分析之前必须将实物模型划
分为等效节点和单元。

由于连杆形状较为复杂，在满足计算精度要求的情况下，为了让结
量尽量少，连杆有限元网格如图十五所示：
图十五连杆有限元网格图
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计算及说明结果
6.3连杆受力分析
6.2.1最大拉伸
已知：活塞组质量
1
0.948
M kg
=连杆小头质量
2
0.39
M kg
=
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对于连杆小头边界条件的处理，假定活塞销当作刚体固定，连杆受压工。

况，在连杆小头侧上部 120°圆柱面上施加径向约束。

连杆受拉工况，则
在连杆小头侧下部 120°圆柱面上施加径向约束。

在连杆杆身上还施加一
两个点的自定义约束, 使其固定，没有刚度位移。

所以连杆大头、小头上的拉伸、压缩载荷均按120°围成余弦规律
分布，在0处载荷最大，惯性力均匀作用于模型中所有节点上。

连杆模型边
界条件如图十六所示
图十六连杆载荷分布
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计算及说明结果6.3.2等效载荷模拟结果
求解之后得到Results,如图十七和图十八和图十九所示
图十七连杆小头位移-节点图
图十八小头的应力-单元节点
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计算及说明结果
图十九小头的应力-基本
6.3.3计算结果分析
经ug计算得到的结果，从图中可以看出：
在最大受拉工况下，连杆小头的最大应力峰值出现在下头顶部油孔附
近、小头两边中心处，杆身部分的最大应力峰值出现在小头与杆身过渡处；
最小主应力峰值出现在孔底部。

在最大受压工况下，连杆小头的最大主应力峰值出现在小头底部；最小
主应力峰值出现在顶部；杆身处的最大应力峰值出现在与小头连接处，尤其
是一些小角处，应力集中比较明显。

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计算及说明结果
校核完毕，连杆各部分安全系数都在要求围，连杆设计合格。

使用UG软件画实体图如图二十所示：
图二十连杆实体图
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计算及说明结果
利用UG软件作活塞、连杆、曲轴装配后的曲柄连杆机构，如图二十一所示：
图二十一连杆、活塞、曲轴装配图
由图二十二可知活塞裙部与曲轴平衡块最小间隙为2mm，不产生运动干涉，
设计合理。

图二十二装配后活塞与曲轴平衡块间隙
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计算及说明结果。