内燃机设计+连杆组设计+实习报告(山东理工大学)

一 设计目的与性质
通过本课程设计，提高使用计算机编程和绘图水平，掌握运用热力发动机基本理论与设计方法对内燃机主要零部件进行设计的方法，为将来成为热力发动机的优秀科研与工程技术人员打下良好的基础。

二 已知参数
195柴油机，KW P e 82.8=，min /2000r n =，水冷，Kpa P me 4.650=，连杆重心位置3909.0/=A B L L (其中B L 指重心到连杆大头中心的距离，A L 指重心到连杆小头中心)的距离。

三 编制程序
1）由燃烧室内气体压强与曲轴转角关系图取点（取Y 轴等分点，大约60个点），利用MatlAB 求出气体压力Pa 与曲轴转角alfa 的拟合函数并作图。

（拟合函数为分段函数，附录1：M 文件；附录2：拟合函数图像）
2）利用得到的拟合函数，根据动力学知识，运用C 语言编程绘制PH~alfa 、PC~alfa 、PN~alfa 、PT~alfa 、RB~alfa 、RO~alfa 曲线。

（实际作图：气体压强Pa~alfa 、气体压力Pg~alfa 、惯性力Pj~alfa 、合力Pz~alfa 、活塞侧推力PH~alfa 、连杆推力PC~alfa 、法向力PN~alfa 、切向力PT~alfa 、曲柄销受力RB~alfa 、主轴承受力RO~alfa ）
四 连杆组零部件尺寸设计
1. 连杆的工作情况
连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起作往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起作旋转运动。

因此，连杆体除了有上下运动外，还左右摆动作复杂的平面运动。

连杆的基本载荷是拉伸和压缩。

最大拉伸载荷出现在进气冲程开始的上止点附近。

连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此在设计时首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构刚度。

2. 连杆材料选择含碳量为0.42%-0.47%的45号钢模锻，经调质处理，硬度为HB217-293。

切口采用45°斜切口。

3. 主要尺寸及比例
D=95mm ，S=115mm ，查《柴油机设计手册》上册P503页，8-1表选取： λ=R/L=0.274，d/D=0.37，δ/d=0.057，d2/d1=1.23，D1/D=0.74，b1/d=0.97，b2/D1=0.54，l1/D1=1.28，d M /D=0.13，H/D=0.32，B/H=0.67，t/H=0.13 R---曲柄半径，L---连杆长度（即连杆大小头空中心距），d---衬套内径（活塞销直径），b1---衬套支撑长度（小头宽度），b---活塞销座间隔，d1---小头内孔直径，B---连杆杆身宽度，D1---连杆大头内孔直径，l1---连杆螺栓孔中心距，d M ---连杆螺栓直径，b2---连杆大头宽度
4. 连杆长度
连杆长度L 与λ有关，L=210mm ，R=57.5mm 5. 连杆小头
连杆小头主要尺寸为连杆衬套内径d 和小头宽度b1，b1取决于活塞销座间隔b 和销座与连杆小头的端面间隙Δ1，即b1=b-Δ1。

查表7-7，d=(0.28~0.42)D ，取d=0.37D=35mm
δ=(0.04~0.08)d ，取δ=0.057d=2mm ，小缸径柴油机一般取2~4mm 。

b1=(0.9~1.2)d ，取b1=0.97d=34mm 查表，连杆小头孔内径d1=39mm ， d2=1.2~1.4d1，取d2=1.23d1=48mm 6．连杆杆身
高速柴油机，连杆杆身采用工字型截面，工字型截面杆身尺寸参阅表8-1及图8-2选取。

H=0.32D=30mm ，B=0.67H=20mm ，t=0.13H=4mm 7．连杆大头
1）连杆大头尺寸主要取决于曲柄销直径D2、长度L2及连杆轴瓦厚度δ＇和连杆螺栓直径d M 。

D2、L2、δ＇等尺寸由曲轴及轴承设计决定，d M 则根据强度要求设计。

2）连杆大头的最大横向尺寸要小于缸径。

3）连杆螺栓孔中心距一般为l1=(1.2~1.3)D1，取l1=1.28D1=90 4）连杆大头高度H1=(0.19~0.24)D1，H2=(0.41~0.58)D1
五 连杆的强度校核
1． 连杆小头
1）衬套最大装配过盈量mm 068.0=∆
2）衬套温度过盈量 mm td t 034.039110)101108.1()(551'=⨯⨯⨯-⨯=∆-=∆--αα 3）由总过盈量产生的径向均布压力
2
6
2
22
262222'
2
22
22222t
/2581015.13.05.39.35
.39.3102.23.09.38.49.38.49.30034
.00068.01112121Δ +Δcm kgf E d d d d E d d d d d p =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⨯--++⨯+-++=⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+++-+=
μμ
4）小头外表面由p 引起的应力
'
ασ=p d d d 2221212-=22
22
/10002589
.38.49.32cm kgf ≈⨯-⨯ 5）活塞组的最大惯性力
'max
j P
=kgf R g G 457)274.01(0575.04.20981
.9395.1)1(22
'=+⨯⨯=+λω 6）固定角c ϕ=120ο 7）小头平均半径 4
12d d r +==cm 175.24
9
.38.4=+
8）小头中心截面（ο0=ϕ）上的弯矩
cm
kgf r P M c j ⋅=-⨯⨯=-=84.9)0297.012000033.0(175.2457)0292.000033.0('max 0ϕ
9）小头中心截面（ο0=ϕ）上的法向力
kgf
P N c j 5.217)1200008.0572.0(457)0008.0572.0('max 0=⨯-⨯=-=ϕ
10）小头固定截面（ο0=ϕ）上的弯矩
cm kgf r P r N M M c c j c ⋅=-⨯⨯--⨯+=---+=8.39)120cos 120(sin 175.24575.0)120cos 1(175.25.21784.9)
cos (sin 5.0)cos 1(0'max 002οοϕϕϕ
11）小头固定截面上的法向力 )cos (sin 5.0cos 'max 02c c j c P N N ϕϕϕ-+=kgf 2.204)120cos 120(sin 4575.0120cos 5.217=-⨯⨯+⨯=οοο
12）小头的壁厚
h=cm d d 45.02
9.38.42
12=-=-
13）小头截面积 211206.34.3)9.38.4()(cm b d d F =⨯-=-= 14）衬套截面积 21'32.13.3)5.39.3()(cm b d d F =⨯-=-=
15）系数
82.032
.11015.106.3102.206
.3102.26
66''=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=+=F E EF EF K 16）小头受拉时固定截面处外表面应力
2
122/43645
.04.31
2.20482.0)45.0175.22(45.045
.0175.268.3921
)2(62cm kgf h b KN h r h h
r M aj =⨯⨯
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⨯++⨯+⨯⨯⨯=⨯⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
+++=σ
17）小头承受的最大压缩力
kgf
P
D p P j Z
c 53494574
5.814.3824
2
'
max
2
=-⨯⨯=+=π
18）辅助参数
00325.00012.00
=-=c
c P N r
P M
19）小头受压时中央截面上的弯矩0M 和法向力0N
kgf
P N cm kgf r P M c c 4.175********.000325.014175.253490012.00012.000=⨯==⋅=⨯⨯-=-=
20）小头固定截面处)(c ϕϕ=的)(ϕf 值 013.0)(=c f ϕ
21）小头受压时固定截面处的弯矩2M 和法向力2N
kgf
N f P N cm
kgf f r P r N M M c c c c c c 8.60120cos 4.17013.05349cos )(2.108013.0175.25349)120cos 1(175.24.1714)()cos 1(02002=+⨯=+⋅=⋅-=⨯⨯--⨯⨯+-=⋅--+=οοϕϕϕϕ
22）小头受压时固定截面处外表面应力
2
122/91545
.04.31
8.6082.0)45.0175.22(45.045
.0175.26)2.108(21
)2(62cm kgf h b KN h r h h
r M ac -=⨯⎥
⎦⎤
⎢⎣⎡
⨯++⨯+⨯⨯-⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡
+++=σ
23）材料机械性能
查表 45钢101112)6.1~4.1(,)9.0~7.0(,)55.0~45.0(,/60----====σσσσσσσz B B cm kgf 取，202121/45305.1,/24308.0,/306.05.0cm kgf cm kgf cm kgf z =⨯==⨯==⨯=--σσσ 24）角系数
33.045
45
30220
1=-⨯=
-=
-σσσψσ 25）在固定角c ϕ截面的外表面处应力幅a σ和平均应力m σ
2
'
2
/5.7802
10002)915(436)2(21/5,6752)
915(436)(21cm kgf cm kgf a ac aj m ac aj a =⨯+-+=++==--=
-=σσσσσσσ 26）小头安全系数n
5.15.76033.05
.05
.6752400"1=⨯+=
+=
-m a
z n σψεσσσσ
27）小头截面的惯性矩
43310258.012
45.04.312cm h b J =⨯==
28）小头横向直径减小量
cm EJ
d P c m j 000594.00258
.0102.210)90120(35.445710)90(6
62
362
3'max 1=⨯⨯⨯-⨯=-=
οϕδ 2． 连杆杆身
29）杆身中间截面处最大拉伸力j P 及最大压缩力c P
kgf
P D
p P kgf
R g G G P j z
c j 51566504
5
.914.3824650)274.01(0575.04.20981.96.0395.1)1(2
22
2'=-⨯⨯
=+==+⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+=++=πλω
30）由j P 引起的拉应力j σ 2/21405
.3650
cm kgf F
P j j ==
=
σ 31）杆身中间截面的惯性矩x J 和y J
[][]
[][]
4
33334333368.04.08.12)8.18.2(121)(12187.28.1)4.02(8.22121)(121cm ht B h H J cm h t B BH J y x =⨯+⨯-=+-==⨯--⨯=--=
32）由c P 引起的合成应力1σ和2σ
2
2
2'22
2
21/1850515668
.046.1500035.005.351564/1960515687.22100035.005.35156cm kgf P J l C F P cm kgf P J l C F P c y c c x c =⨯⨯⨯+=+==⨯⨯+=+=σσ
33）杆身中间截面在摆动平面内的应力幅ax σ和平均应力mx σ
2
12
1/8732
)214(19602/10872
)
214(19602cm kgf cm kgf j mx
j
ax =-+=+==--=
-=σσσσσσ
34）在垂直于摆动平面内的应力幅ay σ和平均应力my σ
2
22
2/8182
)214(18502/10322
)
214(18502cm kgf cm kgf j my
j
ay =-+=+==--=
-=σσσσσσ
35）杆身中间截面在摆动平面内的安全系数
x n =
14.187333.06
.01087
2400"1=⨯+=
+-m ax
z σψεσσσσ
36）杆身中间截面在垂直于摆动平面内的安全系数
y n =
21.181833.06
.01032
2400"1=⨯+=
+-my
ay
z σψεσσσσ
3． 连杆大头
37）大头盖截面所受惯性力
kgf
R
g G G g G G P j 8800575.04.20981.99.0)274.01(81.9995.1)1(2
2
32'"max
=⨯⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-+++=ωλ 38）大头盖截面的重心坐标c y
cm F
y F y i
i
c
55.08
.06.027.08.3)7.028.0(6.08.0227.07.08.3=⨯⨯+⨯⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+⨯⨯+⨯
⨯=
=
∑∑ 39）大头盖截面的惯性矩
422332
56.0)55.028.07.0(8.06.02)27.055.0(8.37.08.0126.027.028.3cm r F J J i i i =-+⨯⨯⨯+-⨯⨯+⨯⨯+⨯=
+=∑∑ 40）大头盖计算截面的抗弯断面模数
3max
58.055
.05.156.0cm y J Z =-==
41）轴瓦计算截面的惯性矩
433''
0039.025.0312
112cm b J =⨯⨯==δ
42）大头盖中央截面上的应力
2''"max /39075.062.34
.056.00039.0158.09023.08804.01023.0cm kgf F F J J Z l P j =⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++
⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⨯=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=σ 43）大头横向直径减小值
()
cm J J E l P j 0014.0)0039.056.0(10298800024.00024.06
3
'3
"max 1=+⨯⨯⨯=+=
δ
附录1：M文件内容
x1=[0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 238 254 260 280 296];
y1=[0.09 0.11 0.09 0.095 0.09 0.1 0.1 0.099 0.1 0.105 0.15 0.2 0.25 0.25 0.5];
x2=[296 314 322 328 332 338 342 344 348 352 356 358];
y2=[0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6];
x3=[358 360 362 364 366 370 376 376 380 382 384];
y3=[6 6.5 7 7.5 8 8.5 8.8 8.8 8.5 8 7.5];
x4=[384 386 390 392 395 398 400 404 409 414 420 428 440];
y4=[7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5];
x5=[440 460 480 500 520 540 550 556 568 580 588 600 628 660 680 700 720]; y5=[1.5 1.1 0.8 0.66 0.53 0.33 0.25 0.2 0.155 0.165 0.15 0.123 0.10 0.075 0.09 0.088 0.09];
p1=polyfit(x1,y1,3); %拟合函数
p2=polyfit(x2,y2,2);
p3=polyfit(x3,y3,2);
p4=polyfit(x4,y4,2);
p5=polyfit(x5,y5,3);
xi1=0:.1:296; %绘图函数自变量范围
xi2=296:.1:358;
xi3=358:.1:384;
xi4=384:.1:440;
xi5=440:.1:720;
yi1=polyval(p1,xi1); %求给定自变量数值所对应的函数值
yi2=polyval(p2,xi2);
yi3=polyval(p3,xi3);
yi4=polyval(p4,xi4);
yi5=polyval(p5,xi5);
clf;
plot(x1,y1,'-ob',xi1,yi1,'-r',x2,y2,'-ob',xi2,yi2,'-r',x3,y3,'-ob',xi3,yi3,'-r',x4,y4,'-ob',x i4,yi4,'-r',x5,y5,'-ob',xi5,yi5,'-r'); %绘图
xlabel('α');
ylabel('Pg（MPa）');
title('气体压力-曲轴转角')
legend('原始点连线','拟合曲线')
%显示为常见形式可用y=plot2str(拟合函数，’x’)
附录2：拟合函数图像
附录3：C程序
#include<graphics.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define PI 3.1415926
#define n 180
void fig(float *p,int yo,float bs,char *tex1,char
*tex2)
{char str[10]; int i,t,j=0,k;
int gdriver=DETECT, gmode;
initgraph(&gdriver, &gmode, "D:\\TC\\BGI");
setviewport(20,10,620,470,1);
setbkcolor(0); setcolor(15);
cleardevice();
rectangle(20,420,600,20);
for(i=20;i<=560;i=i+3)
{ t=(i-20)/3; itoa(t*4,str,10);
if(t%10==0)
{line(i,420,i,405); outtextxy(i,430,str);}
else if(t%2==0) line(i,420,i,410);} line(20,20+(10-yo)*40,560,20+(10-yo)*40);
for(j=9;j>=0;j--)
line(20,20+40*j,30,20+40*j);
for(i=-yo+1,k=9;k>0;k--,i++)
{itoa(i,str,10); outtextxy(0,20+k*40,str);}
outtextxy(270,440,tex1); settextstyle(0,1,1); outtextxy(40,50,tex2);
for(k=0;k<=180;k++)
{circle(20+3*k,20+(10-yo)*40-p[k]*40*bs,2);
floodfill(20+3*k,20+(10-yo)*40-p[k]*40*bs,W HITE);}
moveto(20,20+(10-yo)*40-p[1]*40*bs);
for(k=1;k<180;k++)
lineto(20+3*k,20+(10-yo)*40-p[k]*40*bs);
getch();
}
float compute_Pa(float i)
{float Pa1;
if(i>=0&&i<296)
Pa1=6.5577e-8*(i*i*i)-2.1345e-5*(i*i)+0.00176 56*i+0.07249;
else if(i>=296&&i<358)
Pa1=0.0013277*(i*i)-0.77972*i+114.9415;
else if(i>=358&&i<384)
Pa1=-0.01131*(i*i)+8.4611*i-1573.7145;
else if(i>=384&&i<440)
Pa1=0.001735*(i*i)-1.5354*i+341.2275;
else
Pa1=-1.1661e-007*(i*i*i)+0.00023465*(i*i)-0.1 5717*i+ 35.1297;
return Pa1;
}
main()
{float
wmg=209.4395,Di=0.095,r=0.0574,mj=1.995,lmd =0.27333,mcb=1.535,mr=3.3;
float bea ,Prb,Pr;
int j,k,m=4;
float i; float
PH[n],PC[n],PN[n],PT[n],RB[n],RO[n];
float Pz[n],Pg[n],Pj[n],Pa[n];
printf("\n\nThis Program is used for Data Processing of Internal Combustion Engine Design\n\n\n");
int num=80;while(num!=0){printf("*");num--;} printf("\n\n");
printf("Author : Li Qingpeng
");printf("Date : 2009-11-26 \n\n\n");
printf("The variable value is:\n\n");
printf("alfa Pa Pg Pj Pz PH PC PN PT RB RO\n");
for(i=0,k=0;k<=n;i=i+m,k++)
{ Pa[k]=compute_Pa(i);
Pg[k]=0.25*PI*Di*Di*(Pa[k]-0.1)*1000000; Pj[k]=-mj*(Di/2)*wmg*wmg*(cos(i*PI/180)+lmd*c os(2*i*PI/180));
Pz[k]=Pg[k]+Pj[k];
bea=asin(lmd*sin(i*PI/180));
PH[k]=Pz[k]*tan(bea);
PC[k]=Pz[k]/cos(bea);
PN[k]=Pz[k]*cos(i*PI/180+bea)/cos(bea);
PT[k]=Pz[k]*sin(i*PI/180+bea)/cos(bea);
Prb=mcb*r*wmg*wmg;
Pr=(mr+mcb)*r*wmg*wmg;
RB[k]=sqrt(PT[k]*PT[k]+(PN[k]-Prb)*(PN[k]-Prb));
RO[k]=sqrt(PT[k]*PT[k]+(PN[k]-Pr)*(PN[k]-Pr));
if(k%22==0) {printf("input enter to go on:\n");getch();}
printf("%3.0f %8.2f %8.2f %10.2f %10.2f %10.2f %10.2f %10.2f\n",i,Pa[k],PH[k],PC[k],PN[k],PT[k],RB[k] ,RO[k]);
}
printf("\n"); printf("Figure:\n\n"); printf("Pa Pg Pj Pz PH PC PN PT RB RO\n");
printf("input Enter to show:\n"); getch();
fig(&Pa[0],1,1,"Figure-1 Pa=f(alfa)","Pa(Mpa)");fig(&Pg[0],2,0.0001,"Figure-2
Pg=f(alfa)","Pg(X10^4N)");
fig(&Pj[0],6,0.001,"Figure-3 Pj=f(alfa)","Pj(KN)");fig(&Pz[0],3,0.0001,"Figure-4
Pz=f(alfa)","Pz(X10^4N)");
fig(&PH[0],4,0.001,"Figure-5 PH=f(alfa)","PH(KN)");fig(&PC[0],3,0.0001,"Figure-6
PC=f(alfa)","PC(X10^4N)");
fig(&PN[0],3,0.0001,"Figure-7 PN=f(alfa)","PN(X10^4N)");fig(&PT[0],4,0.0001,"Figure-8
PT=f(alfa)","PT(X10^4N)");
fig(&RB[0],2,0.0001,"Figure-9 RB=f(alfa)","RB(X10^4N)");fig(&RO[0],2,0.0001,"Figure-10
RO=f(alfa)","RO(X10^4N)");
closegraph();
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