曲柄连杆机构课程设计讲解

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目录

目录 (1)

第1章绪论 (3)

第2章活塞组的设计 (4)

2.1 活塞的设计 (4)

2.1.1 活塞的材料 (4)

2.1.2 活塞头部的设计 (4)

2.1.3 活塞裙部的设计 (5)

2.2 活塞销的设计 (5)

2.2.1 活塞销的结构 (5)

第3章连杆组的设计 (6)

3.1 连杆的设计 (6)

3.1.1 连杆材料的选用 (6)

3.1.2 连杆长度的确定 (6)

3.1.3 连杆小头的结构设计 (6)

3.1.4 连杆杆身的结构设计 (6)

3.1.5 连杆大头的结构设计 (6)

3.2 连杆螺栓的设计 (7)

第4章曲轴的设计 (8)

4.1 曲轴的结构型式和材料的选择 (8)

4.1.1 曲轴的结构型式 (8)

4.1.2 曲轴的材料 (8)

4.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 (8)

4.2.1 曲柄销的直径和长度 (8)

4.2.2 主轴颈的直径和长度 (9)

4.2.3 曲柄 (9)

4.2.4 平衡重 (9)

4.2.5 油孔的位置和尺寸 (10)

4.2.6 曲轴两端的结构 (10)

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第5章曲柄连杆机构的创建 (11)

5.1 活塞的创建 (11)

5.2 连杆的创建 (11)

5.3 曲轴的创建 (11)

第六章曲柄连杆机构静力学分析 (13)

6.1 活塞的静力分析 (13)

6.2 连杆的静力分析 (13)

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第1章绪论

曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。因此，曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题[1]。

通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。

在传统的设计模式中，为了满足设计的需要须进行大量的数值计算，同时为了满足产品的使用性能，须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。

为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。

本文以捷达EA113汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。

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第2章 活塞组的设计

2.1 活塞的设计

2.1.1 活塞的材料

在发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。但近几十年来，由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因此比重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。

铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金比重小，约占有灰铸铁的1/3，结构重量仅占铸铁活塞的%70~50。因此其惯性小，这对高速发动机具有重大意义。铝合金另一突出优点是导热性好，其热传导系数约为铸铁的4~3倍，使活塞温度显著下降。对汽油机来说，采用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。

共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，既可铸造，也可锻造。含硅9%左右的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广。

综合分析，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。

2.1.2 活塞头部的设计

1、压缩高度的确定

压缩高度1H 是由火力岸高度1h 、环带高度2h 和上裙尺寸3h 构成的，即

1H =1h +2h +3h

（1）第一环位置

一般汽油机D h )12.0~06.0(1=，D 为活塞直径，该发动机的活塞标准直径mm D 80=确定火力岸高度为：

mm D h 8801.01.01=?==

（2）环带高度

一般气环高mm b 5.2~5.1=，油环高mm b 5~2=。

该发动机采用三道活塞环，取mm b 5.11=，mm b 5.22=，mm b 33=。

环岸的高度c ，D c )05.0~04.0(1=，12)2~1(b c =，汽油机接近下限。

则 mm D c 405.01==，

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mm b c 35.12212=?==。

因此，环带高度mm b c b c b h 14335.245.1322112=++++=++++=。

（3）上裙尺寸

对于汽油机D H )0.6~0.35(1=，所以mm D H 40805.05.01=?=?=。 mm h h H h 181********=--=--=。

2、活塞顶和环带断面

由于EA113 5V 1.6L 发动机为高压缩比3.9=ε，因而采用近似于平顶的活塞。实际统计数据表明，活塞顶部最小厚度，汽油机为D )0.1~0.06(=δ，即mm 6)80075.0(=?=δ。

2.1.3 活塞裙部

裙部单位面积压力（裙部比压）按下式计算：

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m a x DH N q = 取mm D H 368045.045.02=?==。

则 799.036

8083.2410=?=q MPa 一般发动机活塞裙部比压值约为MPa 5.1~5.0，所以设计合适。

2.2活塞销的设计

2.2.1 活塞销的结构

活塞销与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合，采用“全浮式”。活塞销的直径D d )3.0~25.0(1=，取mm D d 2025.01==，取mm d d 147.012==活塞销长度D l )9.0~8.0(=，取mm D l 648.0==

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第3章 连杆组的设计

3.1 连杆的设计

3.1.1 连杆材料的选用

为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，采用精选含碳量的优质中碳结构钢45模锻，表面喷丸强化处理，提高强度。

3.1.2连杆长度的确定

设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度l 它通常是用连杆比l r /=λ来说明的，通常~25.0=λ0.3125，取27.0=λ，mm r 23.40=，则mm l 15023.4027.0=?=。

3.1.3 连杆小头的结构设计

连杆小头主要结构尺寸如图4.1所示，小头衬套内径1d 和小头宽度1B 已在活塞组设计中确定，mm 20d 1=，mm 26B 1=。

为了改善磨损，小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套，衬套大多用耐磨锡青铜铸造，这种衬套的厚度一般为3mm ~2=δ，取 2.2mm =δ，则小头孔直径24mm d =，小头外径d )35.1~2.1(D 1=，取mm 302427.1D 1=?=。

3.1.4 连杆杆身的结构设计

连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身截面宽度B 约等于D )3.0~2.0((D 为气缸直径)，取mm D B 162.0==，截面高度B H )8.1~5.1(=，取mm B H 2665.1==。

为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。

3.1.5 连杆大头的结构设计

连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径2D 、长度2B 、连杆轴瓦厚度2δ和连杆螺栓直径m d 。其中在2D 、2B 在曲轴设计中确定，mm D 8.472=，mm B 262=，

则大头宽度mm b 262=，轴瓦厚度mm ）（3~5.12=

δ，取mm 5.22=δ，大头孔直径mm d 502=。

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连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度221)5.0~35.0(d H H ≈≈，取mm d H 2245.021==，取mm d H 2245.022==，

3.2 连杆螺栓的设计

根据气缸直径D 初选连杆螺纹直径M d ，根据统计D d M )12.0~1.0(=，取mm D d M 81.0==。

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第4章 曲轴的设计

4.1 曲轴的结构型式和材料的选择

4.1.1 曲轴的结构型式

曲轴的设计从总体结构上选择整体式，它具有工作可靠、质量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少。为了提高曲轴的弯曲刚度和强度，采用全支撑半平衡结构[11]，即四个曲拐，每个曲拐的两端都有一个主轴颈，如图5.1所示：

图4.1 曲轴的结构型式

4.1.2 曲轴的材料

在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命，作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求高度的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。以铸代锻，以铁代钢。高强度球墨铸铁的出现为铸造曲轴的广泛采用提供了前提。

该发动机曲轴采用球墨铸铁铸造而成。

4.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计

4.2.1 曲柄销的直径和长度

在考虑曲轴轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径2D 。对于汽油机，65.0~60.0/2 D D ，D 为气缸直径，已知D =80mm ，则，曲柄销直径取为2D =0.60D =48mm 。

曲柄销的长度2l 是在选定的基础上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发，应使2l 控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调，根据统计

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2l /2D =70.0~50.0，取2l =0.622D =30mm 。

轴颈的尺寸，最后可以根据承压面的投影面积22201.0l D F =与活塞投影面积24D F π

=之比来校核，此比值据统计在范围内，而且汽油机偏下限。 那么由26.0804

304801.0401.02222=???==ππD l D F F ，则长度取值合适。 4.2.2 主轴颈的直径和长度

为了最大限度地增加曲轴的刚度，适当地加粗主轴颈，这样可以增加曲轴轴颈的重叠度，从而提高曲轴刚度，其次，加粗主轴颈后可以相对缩短其长度，从而给加厚曲柄提高其强度提供可能。从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取21)25.1~05.1(D D =，取1D =1.162D =56mm 。

由于主轴承的负荷比连杆轴承轻，主轴颈的长度1l 一般比曲柄销的长度短，这样可满足增强刚性及保证良好润滑的要求。

据统计4.0~3.0/1=D l ，取1l =0.3D =24mm 。

4.2.3 曲柄

曲柄应选择适当的厚度、宽度，以使曲轴有足够的刚度和强度。根据统计，曲柄的宽度2.1~75.0/=D b ，取mm D b 800.1==，厚度25.0~18.0/=D h ，取mm D h 2025.0==。

曲柄臂以凸肩接主轴颈和曲柄销。凸肩的厚度δ根据曲轴加工工艺决定。全加工曲轴δ的只有0.5~1mm ，取δ=1mm 。

曲柄销和主轴颈至曲柄臂凸肩的过渡圆角对应力集中程度影响最大，加大圆角半径ρ可使圆角应力峰值降低，故ρ宜取大，至少不能小于0.052D 或 2.5mm ，取ρ=3mm 。

4.2.4 平衡重

对四拐曲轴来说，作用在第1、2拐和第3、4拐上的离心惯性力互成力偶。这两个力偶大小相等、方向相反，所以从整体上讲是平衡的，但是这两个力偶却还是作用在曲袖上了，曲轴这两个对称力偶的作用下可能发生弯曲变形。由于曲轴是安装在机体的主轴承中的，所以曲轴发生弯曲变形时上述力偶就将也部分地作用在机体上，使

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机体承受附加弯曲力偶的作用，尤其是在此情况下主轴承的工作条件也要变坏。安装平衡重，改善曲轴本身和机体的受力情况，尤其改善了主轴承的工作条件。

4.2.5 油孔的位置和尺寸

为保证曲轴轴承工作可靠，对它们必需有充分的润滑。曲轴中油道的尺寸和布置直接影响它的强度和刚度，同时也影响轴承工作的可靠性。 油道的孔径一般在210

1D 左右，取为4mm 。 4.2.6 曲轴两端的结构

曲轴上带动辅助系统的正时齿轮和皮带轮一般装在曲轴的前端，因为结构简单，维修方便。发动机的配气机构也是由曲轴自由端驱动。这是应为曲轴自由端的轴颈允许较细，可以采用节圆直径小的齿轮，消除扭转振动的减振器装在曲轴前端，因为这里的振幅最大。

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11 第5章 曲柄连杆机构的创建

运用UG 软件分别对曲柄连杆机构的各个零件进行模型的建立，具体步骤如下：

5.1 活塞的创建

（1）创建草图；

（2）旋转；

（3）打孔；

（4）制作倒角；

（5）得到活塞图。

图5.1

图5.2 5.2 连杆的创建

（1）创建草图 ；

（2）拉伸；

（3）通过拉伸打孔；

（4)得到连杆图。

图5.3

图5.4

6.4 曲轴的创建

（1）创建草图；

（2）拉伸得到平衡块；

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（3）创建草图并拉伸得到主轴颈；

（4）依次拉伸得到曲轴。

图5.5

图5.6

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第6章 曲柄连杆机构静力学分析

6.1活塞的静力分析

1.在ANSYS 添加活塞材料：硅铝合金

2.在ANSYS 中生成活塞模型

图6.1 图6.2

3.网格划分，施加约束和载荷

图6.3 图6.4 4.运算查看结果

图6.5 6.2 连杆静力分析

1.在ANSYS 中添加连杆材料：优质中碳钢55

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图6.6

2.在ANSYS 中生成连杆模型

图6.7

3. 网格划分，施加约束和载荷

图6.8 6.9

4.查看运算结果

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图6.10

图6.11