发动机曲柄连杆机构的设计更新版

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相关参数表1已给出。

3.1 气缸内的作用力分析
作用在活塞上的气体作用力g P 等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞顶面积的乘积，即
)(4'2
p p D P g -=π （3.1）
公式中：g P 为活塞上的气体作用力,单位：N ；
p 为缸内绝对压力,单位：ＭＰa;
p '为大气压力,单位：MP ａ；
D 为活塞直径,单位：mm 。

由于活塞直径是一定的,活塞上的气体作用力取决于活塞上、下两面的空间内气体压力差p p '-,对于四缸的发动机来说,一般取p '=0.1MPa ,mm D 965.80=
3．２惯性力的计算
惯性力是由于物体运动速度不均而产生的,为了确定机构的惯性力，首先要知道其加速度和质量的分布。

并加以简化，来进行惯性力的计算。

连杆质量的换算
为了对连杆质量方便计算，将整个连杆（包括有关附属零件)的质量L m 用两个换算质量1m 和2m 来代换,并假设是1m 集中作用在连杆小头中心处,并只做往复运动的质量;2m 是集中作用在连杆大头中心处,并只沿着圆周做旋转运动的质量，如图３-2所示:
图3-2 连杆质量的换算简图
第四章活塞以及连杆组件的设计
４．１设计活塞组件
活塞组包括活塞、活塞销与活塞缸等部件,它们是发动机中最重要的部分。

发动机工作的可靠性和耐久性,在很大程度上与活塞组有关。

4.1.1活塞组的设计要求
(1)热强度高、耐磨性好,热膨胀系数小,导热性好,减摩性能好，材料的工艺性好。

(２)活塞的形状和壁厚要合理。

能充分散热,强度高、刚度高,避免应力集中。

(3)保证燃烧室里的气密性好,减少活塞摩擦损失
(4)降低机油消耗,保证滑动面有足够的机油。

4.1.2 材料要求根据上面的要求设计的活塞，活塞材料应当具备下列条件：
（1)热强度高。

(2)良好的导热性良好、热吸收能力差,能减少顶部和环的温度,减少热应力的散失。

(3）膨胀系数很小。

(４)良好的减摩性能良好。

(5)工艺性好,便宜。

综合考虑发动机的活塞应采用铸造铝硅合金材料。

4.1.3 活塞头部的设计要求
其主要目的是气体压力,并通过针连杆、活塞环和汽缸密封在同一时间一起工作介质。

所以,活塞头的设计应满足一下要求:
(1）有足够的机械强度和刚度，避免开裂和过度变形,因为变形会影响活塞环的正常工作。

（2)保高温,温差小,防止过度的热变形和热应力的产生,避免热疲劳裂纹。

(3)尽可能紧凑的尺寸,以便降低活塞质量。

4.2 设计活塞销
4．2．１活塞销的结构和尺寸
活塞销的结构为圆柱体,中空形式,可以减少往复惯性的质量,能够有效的利用自身的材料。

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”配合。

活塞销的外直径D d )3.0~25.0(1=，取mm D d 265.22275.01==,活塞销的内直径12)75.0~65.0(d d =，取mm d d 585.157.012==活塞销长度D l )9.0~8.0(=,取mm D l 768.648.0==
4．2.2、材料的选择
活塞销材料为低碳合金钢,表面渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。

表面加
工精度及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。

４.3 活塞销座
活塞销是用来支持活塞，传输功率。

销应该适当有足够的强度和刚度,使针能够适应变形的活塞销,以避免销产生应力集中引起的疲劳断裂;同时表面有足够的压力和高耐磨性。

活塞销座的内径mm d 265.220=，活塞销座外径d 一般等于内径的6.1~4.1倍,取mm d d 4.335.10==，
活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小,销—销座系统的工作越可靠,所以,一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为mm 5~4,但当制造精度有保证时,两边共mm 3~2就足够了，取间隙为mm 3。

4.4 连杆的设计
4.４.１连杆的工作情况、设计要求和材料选用 A 、设计要求
连杆的主要气体压力和往复惯性力产生的交变载荷,因此，应该首先保证连杆的设计有足够的疲劳强度和钢结构。

如果实力不够,连杆螺栓、大发生颅或轴断裂,造成严重的事故,同时,如果连杆组的刚度不足,也将带来坏曲柄连杆机构的工作。

所以连杆的设计是一个轻量级的主要需求结构在保证足够的刚度和强度。

所以我们必须选择高强度的材料,结构合理的形状和大小。

B 、材料的选择
为了确保光的条件下连杆结构具有足够的刚度和强度,碳含量的选择４5优质碳素结构钢锻造、喷丸表面处理,提高强度。

４.4.2 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3.0=λ，mm r 2.43=，则mm l 1443
.02.43==。

第五章曲轴的设计
5.1 曲轴的材料的选择
球墨铸铁就其机械性能和使用性能而言，比其它多种铸铁都要好。

该发动机曲轴宜采
用球墨铸铁而造。

5.２确定曲轴的主要尺寸和结构细节
5.2．1 曲柄销的直径和长度
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2l /2D =40.0~35.0，取2l ＝０.4０2D ＝１9.43mm 。

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15.0965.804
43.1958.4801.0401.02222=⨯⨯⨯==ππD l D F F ,则长度取值合适。

５.2.2 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 =1.112D =５４mm 。

据统计4.0~3.0/1=D l ，取1l =０.３1D =２5.1０mm 。

5．2.3 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。

为提高曲柄的抗弯能力，适当增加曲柄的厚度,曲柄的形状采用椭圆形,为了能最大限度地减轻曲轴的重量,并减小曲柄相对于主轴颈中心的不平衡旋转质量，将曲柄上肩部多余的金属削去。

根据统计,曲柄的宽度2.1~75.0/=D b ,取mm D b 06.891.1==,厚度25.0~18.0/=D h ，取mm D h 8.1722.0==。

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 。

5.2．4 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。

由于油道位于曲拐平面内,油道出口处应力集中现象严重,当油道中心线与轴颈中心线的夹角︒>30θ时，最大应力增加很快,因此油孔设在θ小于︒30处［１０]。

油道的孔径一般在210
1D 左右,取为4mm 。

5．２.５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。

把机油像个螺母一样地退了回去，不使它漏出机体外[17]。

第六章曲柄滑块机构的创建
６.1 活塞的创建
6.1.1首先要创建活塞的1/4轮廓大小
创建活塞轮廓，用【偏移坐标系基准点】，来完成，将上一步创建的点用【插入基准曲线】来连成曲线，选择旋转角度为“9０” 用【旋转工具】来完成。

如图6－1所示：
6.1.２创建活塞的销孔
创建剪切特征，运用【旋转】，选择【去除材料】来完成,创建销座模型并拉伸出通孔运用【拉伸】来完成，创建活塞销卡环槽，运用【旋转】,选择【去除材料】来完成,拉伸方式为“通孔”, 运用【拉伸】来完成,创建裙部特征，选择【去除材料】。

如图6-2所示。

图6-１创建的活塞１/4轮廓图6-2 拉伸切除结果
6.1.３镜像生成整个活塞
选取整个模型，然后运用【镜像】,用来生成1/2活塞。

如图6-3所示,再选取已经生成的一半的活塞,就可以生成完整的活塞。

6.１.４创建顶部凹槽
生成顶部凹槽可运用【拉伸】，拉伸方式为盲孔,选择【去除材料】就可以完成。

6.1.５曲柄头部气环槽和油环槽的创建
运用【旋转】,【去除材料】,通过旋转360度，可以创建旋转剪切特征,选择【阵列】,对上一步创建的特征进行再生，生成一些活塞环槽护圈，运用【旋转】，【去除材料】,创建气环槽和油环槽。

如图6-4所示:
6.1．6 创建油孔
新建基准平面，设置间距，运用“扫描”，“切口”命令，“扫描轨迹”,选取草绘平面,选择【自由端点】,完成一个油孔扫描，选择【阵列】，修改阵列尺寸,完成1／2活塞的油孔创建，再通过镜像完成整个活塞油孔创建。

６.1.7 创建各处倒圆角
图6-3 创建镜像特征图6－4旋转切除结果
6．2 连杆的创建
6.2.１连杆的建模思路
连杆由连杆体和连杆盖组成,所以可以对连杆体和连杆盖分别建模,完成后进行装配。

连杆具有两个互相垂直的对称面,建模过程中可以利用两个对称平面,对局部特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。

6.２.２连杆体的建模步骤
A、创建连杆体1/2杆身
运用【拉伸】,拉伸方式为【盲孔】,拉伸为实体如图6－5所示：
图6-５拉伸创建连杆体1/2杆身图6-6 连杆大小端拉伸特征
B、创建连杆体大小头
运用【拉伸】分别创建连杆大小头特征,如图6－６所示,
C、创建连杆体两侧凸台
选取草绘平面，运用【拉伸】,生成一侧凸台,运用【拉伸】，细化凸台特征,运用【镜像】生成连杆另一侧凸台,然后对两条拉伸边依次进行“倒圆角”命令。

D、创建连杆体拔模特征
运用【拔模】,设置“拔模曲面”和“拔模枢轴”,完成曲面拔模特征，如图6-7所示。

图6-7 曲面拔模设置图６-８完成曲面拔模特征
E、创建连杆体凹槽
运用【拉伸】，创建连杆体凹槽轮廓,再运用【拔模】，完成曲面拔模特征，并参照上述步骤,完成槽的另一侧拔模,结果如图6-8所示。

F、镜像生成完整连杆体特征
运用【镜像】，选择所有特征，生成完整的连杆体特征。

G、创建两侧凸台螺纹孔
运用【孔】，依次选取主次参照面，创建标准孔，设置通孔,添加攻丝,选择全螺纹,
再运用【镜像】，完成螺纹孔的创建。

Ｈ、创建连杆体小头凸台及孔
新建基准平面,完成拉伸草绘,拉伸方式为【拉伸到下一个曲面】,运用【旋转】，旋转轴为“内部CL”,旋转角度为“360”,选择【除料】，完成小头孔的特征创建。

I、创建连杆大头内侧凹槽
新建基准平面,运用【拉伸】,选择【拉伸至指定深度】，【除料】,完成定位凹槽创建。

6.２.3 连杆盖的建模
运用【拉伸】、【拔模】、【旋转】,【孔】以及【镜像】,参照连杆体大头的建模步骤，完成连杆盖的创建，并进行倒圆角和倒边角处理,结果如图６-9所示：
图6-9 连杆盖特征
6．3曲轴的创建
６.3.1 曲轴的建模思路
曲轴的曲拐部分是对称的,４个平衡块特征的叠加完成曲轴大致一半的特征，所以先建立一半曲拐特征,再细化平衡块上的特征，然后镜像生成完整的曲拐,最后再对曲轴两端的特征分别创建,即完成特征的操作。

6．3.2 曲轴的建模步骤
A、创建第Ⅰ平衡块
运用【拉伸】创建曲轴主轴颈的1/２部分，在上一步的基础上创建主轴颈和平衡重连接部分的凸肩,选取上一步完成的凸肩曲面作为草绘平面,并拉伸为实体，如图6-10所示。

B、创建第Ⅱ平衡块
同样的方法,运用【拉伸】，完成第Ⅱ平衡块的创建，如图６-11所示。

C、创建第Ⅲ、第Ⅳ平衡块
同样的方法绘制草图，创建第Ⅲ平衡块,结果如图6-12所示。

D、细化曲轴曲拐特征
运用【旋转工具】,选择【去除材料】,旋转角度“180”,依次完成对平衡块的细化特
征,如图6-13所示:
图6－10 拉伸结果图6-1１拉伸结果
图6－12拉伸结果图６－13 旋转去除材料结果
E、曲轴曲拐部分的镜像
连续选取模型树已经创建好的所有特征，选择“组”命令，然后对“组”进行“镜像”,完成特征的创建,如图6－14所示:
图6-１４曲轴对称部分的镜像
F、创建曲轴前端特征
运用【拉伸工具】创建曲轴前端轴颈及轴颈处凸台部分，新建基准平面，拉伸去除材料，完成前端键槽的创建。

G、创建曲轴后端特征
同样的方法拉伸生成曲轴后端轴颈部分，运用【旋转工具】,选择【去除材料】，旋转角度为“３6０”，调整去除材料方向,完成曲轴后端部分的创建。

H、细化曲轴两端特征
在曲轴两端平面上，运用【孔工具】,【阵列工具】，添加螺纹孔。

最后结果如图6-15、图6-1６所示。

图6-1５曲轴前端特征图6－１6 曲轴后端特征Ｉ、创建倒圆角及油孔
运用“倒圆角”命令,分别对曲轴主轴颈、连杆轴颈与平衡块连接处的边进行圆角修整。

运用【旋转工具】,新建基准轴,选择【去除材料】,创建油孔。

最后结果如图6－17所示：
图6-17 曲轴整体特征
6.4 曲柄连杆机构其它零件的创建
6．4.1 活塞销的创建
两次运用【拉伸工具】，首先建立活塞销的轮廓体,然后选择【去除材料】，结果如图６-18所示:
图6-18 活塞销图６-19 活塞销卡环
6.４．2 活塞销卡环的创建
运用【拉伸工具】完成活塞销卡环特征的创建，如图6-1９所示。

６.４．3 连杆螺栓的创建
A．根据所选螺栓参数，运用【拉伸工具】创建螺栓的整体轮廓，然后运用【螺旋扫描】创建螺纹,最后结果如图6-20所示。

Ｂ.运用【拉伸工具】创建螺母轮廓,然后选择【去除材料】，并运用【旋转工具】创建旋转切削特征，然后运用【螺旋扫描】创建螺纹,如图6－21所示。

图6-20 连杆螺栓图6-21 螺母
第七章活塞及连杆的装配
7．1添加活塞组件
新建组件文件,运用【添加元件】，将活塞添加到缺失位置,并向组件中添加活塞销卡环及活塞销。

装配图如图７-1所示：
图７-１活塞组装配图
7.2添加连杆体组件
新建组件文件，运用【添加元件】，将连杆体添加到“缺失”位置，完成连杆体的装配，并向组件中添加连杆衬套,连杆轴瓦，连杆盖,连杆螺栓。

连杆组件的装配图如图7－2所示:
图７-2 连杆组装配图
7.3曲轴连杆的连接
7.3.1、新建装配基准轴
(１）新建组件文件,在新建的文件中同时选取两个基准平面,新建基准轴。

(2）新建平面“ＡＤTM1”、“ADTM2”、“ADTM３”,都平行于“ＡSM_RＩＧＨT”面,同时设间距。

（3)在上一步建立的三个面上新建基准轴“ＡA＿3”、“AA_4”、“AA_5”。

如图7-3所示：
图7－３新建装配基准轴和基准平面
７.3.２、添加连杆组件
运用【添加元件】，“插入”已创建好的连杆组件,选择“销钉”选项，分别选取连
杆组件和曲轴的对应面，通过【轴对齐】和【平移】,使其相互匹配，完成连杆组件的连接。

7.３.4、向组件中添加活塞组件
选择“销钉”选项,分别选取活塞组件和连杆组件的轴,通过【轴对齐】使其相匹配，分别选取活塞组件和连杆组件的的基准平面，通过【平移】,使这两个平面相匹配，选择“滑动杆”选项，再分别设置【轴对齐】和【旋转】，完成“连接定义”。

７.3．５、装配其它组件
运用同样的方法向组件中依次添加其它三组连杆组件和活塞组件,完成曲柄连杆机构的装配，如图7－4所示。

图７-4 装配结果
总结
本次毕业设计圆满完成,根据本次的设计方案,本次设计基本上达到了设计最初的目的和构想。

在本次设计中也遇到了很多的麻烦与不顺利,首先在选定设计的题目时就做出了多次的修改，刚开始决定选普通的连杆机构,并对此说明解释,等完成后发现感觉像一片说明类文章，不符合毕业论文的要求，赶紧换题目再次进行毕业设计,后来因同学讲解，我最后决定选择发动机的曲柄连杆机构。

于是开始查阅资料,询问同学和老师,最后确定发动机中的曲柄连杆机构作为研究对象。

这次的设计让我学习的东西很多，特别是在许多力的计算方面的东西，以前都没有很在意的部分公式在这里却运用的很多。

因为要运用到Pro-E知识,所以将以前的学习的许多的知识又重新的巩固学习了一遍，感觉还是收获了很多知识。

这些东西对于我现在的工作都是很有用处的。

本次设计能圆满完成，对于我而言还是收获颇丰的，虽然过程有点坎坷,总是有很多很多问题,但老师一遍又一遍的帮我修改，然我不停的进步，从对论文一窍不通，到现在
能独立完成毕业论文，感觉也是自己的成长。

谢谢我的老师及帮助我的同学们。

结束语
不知不觉，大学4年过去了，在这4年里有成长,有欢笑,有泪水,感谢陪伴我4年的大学朋友们。

论文的写作也结束了,心里感慨很多,从一开始寻找论文的题目,然后再确定论文的题目，从论文资料的查找，到论文修改的过程，每一点都充满了回忆,这是人生的一次重要尝试，也是人生的重要经历。

刚开始对发动机的曲柄连杆机构一无所知,只了解简单的连杆机构,所以要查阅资料,一点一点的开始学习并了解发动机以及发动机里的曲柄连杆机构，到图书馆查资料，到网上查资料,询问任课老师。

这让我接触了很多很多没学过的知识，开拓了我的眼界,丰富了我的知识,从而也间接性的锻炼了我的动手能力以及我的时间能力，感觉自己在这过程中学习到了好多东西,这些都会在潜移默化中影响我以后的工作以及生活。

南航是我大学4年抛洒汗水和泪水的地方,它不仅仅是一个母校,更是我们广大南航人的半个母亲,衷心的希望，多年以后,我还能和朋友们在南航再次相遇，聊聊人生，聊聊现状,聊聊家庭,聊聊自己。

大学里友情是人生中的一大财富，青春不散，我们永远在一起。

匆匆那年，匆匆的4年,我会永远记住大学的4年，以及大学最后的毕业论文的创作。

最后，我想再次感谢一下我敬爱的指导老师们，总是在我搞毕业论文的过程中给我最有利的建议和帮助,我对你们充满了感激。

参考文献
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