系列柴油机li连杆设计

一设计目的与性质

根据所学的《内燃机设计》专业知识，通过对内燃机一些零部件的设计实践，强化课程知识，熟悉内燃机设计过程的一般环节，为将来从事内燃机设计以及机械设计奠定基础。

二已知参数、要求

105系列柴油机

设计内容：1、连杆承受的载荷；2、连杆结构设计； 3、连杆小头的安全系数；4、连杆大头的强度验算；5、工程材料的选取。

提交成果：

①1套设计图纸

②一份设计说明书

1.连杆的工作情况

2.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。

3.根据以上分析可知，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，在设计时首先应该保证连杆具有足够的疲劳强度和结构强度。如果强度不足，就会产生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂，造成严重事故。同样，如果连杆刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响；例如，连杆大头的变形使连杆螺栓承受附加弯曲力；大头儿的失圆使连杆轴承的润滑受到影响；杆身在曲轴轴线平面内的弯曲，使活塞在汽缸内倾斜，造成活塞与汽缸以及连杆轴承与曲柄销的偏磨，造成活塞组与汽缸之间漏气、窜机油，经验表明，对强化程度不高的发动机来说，刚度比强度更重要。

很显然，为了增强连杆的强度和刚度，不能简单地依靠加大结构来达到，因为质量的增加导致惯性力增加，所以连杆设计的总体要求是在尽可能轻巧的的结构下保证足够的刚度和强度。为此，必须选择高强度的材料，设计合理的结构形状和尺寸，采取提高强度的工艺措施等。

三工程材料的选取

为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，一般多用精选含碳量的优质中碳结构钢45模锻，只有在特别强化的且产量不太大的柴油机中用40

r

c等合金钢。合金钢有较高的综合机械性能，但当存在产生应力集中地因素时，他的疲劳强度能力下降，甚至低到与碳素钢不相上下。所以合金钢连杆的形状设计、过渡圆滑性、毛片表面质量等，必须给以更多的关注，才能充分发挥优质材料的潜力。40MnB、40MnVB等硼钢作为高负荷的大量生产连杆的材料，显示了良好的使用性能。40MnB缸化学成分（%）：C0.37~0.45，Mn1.1~1.4，Cr<0.3,p和s≤0.04，B0.001~0.005,经850c︒油淬，500c︒高

温回火后，强度极限

1000

>

b

σ牛顿/毫米2，屈服极限>

s

σ800牛顿/毫米2，

冲击韧性>70牛顿.米/厘米2。

连杆纵向断面内宏观金相组织要求金属纤维方向与连杆外形相符，纤维无环曲及中断现象。

连杆一般用钢锻造，在机械加工前应经过调质处理（淬火后高温回火），以得到较高的综合机械性能，即强又韧。为了提高连杆的疲劳强度，不经机械加工的表面应经过喷丸处理。连杆还必须经过磁力探伤检验，以求工作可靠。

我国已研究成功连杆辊锻工艺，辊锻连杆不仅不需要大型锻压设备，而且还改善了操作工人的劳动条件。为了结缘优质钢材，降低生产成本，我国还成功地试用了以稀土镁球墨铸铁制造的高速柴油机连杆。实验表明，铸造量的硬度应在HB210~250之间，上限是为了保证足够的强度，下限是为了保证良好的韧性。这样硬度的珠光体球铁具有300~350牛顿/毫米2的抗弯曲疲劳强度，与中碳钢差不多。在大批生产铸造连杆时为了保证制造质量稳定，要求对炉料、浇注、热处理等工艺规程严加控制，并进行仔细的内在质量检查，例如超声波或X线无损伤探伤等。据国外经验，强韧的珠光体可锻钢铁也适于制造连杆。

四连杆结构设计

1.小头设计

连杆小头的结构如图所示。连杆小头的应力分布与其和杆身的固定角ø有很大的关系。固定角ø指的是从连杆大小头孔中心线到小头与杆身的切点的角度。假设连杆小头在拉伸载荷的作用下产生沿上半圆均匀分布的径向载荷p′，并且将小头沿中间断面剖开，代之以法向力

NO

F和弯矩0M,则由图可以看到，在两种固定角情况下，小头内、外应力分布与固定角的大小有关，

但大致趋势不变。例如，内表面应力ij σ的最大值为一般出现在︒=90ϕ处，外表面应力aj σ的最大值，一般出现在φϕ=处，并且max max ij aj σσ>。还可以看出，固定角ø增大时，应力不均匀性增加，max σ增加。最小的固定角︒=90min φ。图所示为小头所受的压缩载荷，一般认为压缩载荷沿半圆周按照余弦规律分布。由于小头下部与杆身相连，所以刚度特别大。很显然，压缩载荷中的大部分（φϕ-︒≤≤1800范围内）直接压在杆身上，并不在小头中引起应力，只有小部分载荷（︒≤≤-︒90180ϕφ）时小头变形。压缩载荷引起的小头内表面应力用ie σ表示，外表面应力用ae σ表示。可见当固定角增大时，应力均匀性及最大值急剧增长，且比拉伸载荷的情况更加严重。

连杆小头拉伸载荷计算工况为最高转速（标定转速工况），刚度胶合时应保证径向收缩量2/∆≤δ。∆为连杆小头孔与活塞销的装配间隙。

2.杆身设计

杆身是指连杆大头和连杆小头之间的细长杆部分。杆身承受交变载荷，可能产生疲劳破坏和变形，连杆告诉摆动时的横向惯性力也会使连杆弯曲变形，因此连杆必须有足够的断面积，并消除产生应力集中的因素。据工作可靠发动机的统计表明，对于现代汽油机，连杆杆身平均断面面积m A 和活塞面积h A 之比m A /h A =0.02~0.035；对于柴油机则为0.03~0.05。为了在较小的质量下得到较大的刚度，高速内燃机的连杆杆身断面都是工字型的，长轴在摆动平面内，考虑惯性力依不同连杆截面的变化，从小头到大头截面逐渐加大。

如要连杆在相同载荷作用下，在摆动平面和曲轴轴线平面（非摆动平面）两个平面内的压杆稳定性相同，则必须使非摆动平面内的惯性矩y x I I 4≈，y I 为连杆在摆动平面内的惯性矩。据统计，y x I I )3~2(=，这就使得连杆在垂直于摆