內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造課程設(shè)計說明書、包括連桿、曲柄、活塞

1、目 錄第1章 緒論 4 1.1題目分析4 1.2設(shè)計研究的主要內(nèi)容4第2章 連桿組的設(shè)計 152.1連桿的工作情況、設(shè)計要求和材料選用152.2連桿長度的確定162.3連桿小頭的設(shè)計162.4連桿桿身的設(shè)計172.5連桿大頭的設(shè)計172.6連桿強度計算182.7連桿螺栓設(shè)計252.8本章小結(jié)27總結(jié)43參考文獻(xiàn)44致謝45第1章 緒論1.1 題目分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)的傳遞運動和動力的機(jī)構(gòu)，通過它把活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而輸出動力。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動機(jī)工作的可靠性。隨著發(fā)動機(jī)強化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。在多種周

2、期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計過程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的疲勞強度和剛度及良好的動靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題。通過設(shè)計，確定發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運動學(xué)和動力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實際生產(chǎn)的需要。在傳統(tǒng)的設(shè)計模式中，為了滿足設(shè)計的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計算，同時為了滿足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計和校核計算，同時要滿足校核計算，還需要對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。為了真實全面地了解機(jī)構(gòu)在實際運行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動力學(xué)仿真技術(shù)，針對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實時的，高精度的動力學(xué)響應(yīng)分析與計算，因此本

3、研究所采用的高效、實時分析技術(shù)對提高分析精度，提高設(shè)計水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運行過程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計算，對進(jìn)一步研究發(fā)動機(jī)的平衡與振動、發(fā)動機(jī)增壓的改造等均有較為實用的應(yīng)用價值。本次設(shè)計柴油機(jī)型號為TOYOTA汽油機(jī)，基本參數(shù)為：1.2 設(shè)計研究的主要內(nèi)容對內(nèi)燃機(jī)運行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究內(nèi)容有：（1）對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析，分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行強度、剛度等方面的計算和校核，以便達(dá)到設(shè)計要求；（2）分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的

4、工作條件和設(shè)計要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗校核，以符合零件實際加工的要求。第2章 連桿組的設(shè)計2.1連桿的工作情況、設(shè)計要求和材料選用1、工作情況連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復(fù)運動，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運動。因此，連桿體除有上下運動外，還左右擺動，做復(fù)雜的平面運動。2、設(shè)計要求 （1）結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，可靠耐用。（2）在保證具有足夠強度和剛度的前提下，盡可能減輕重量，以降低慣性力。（3）盡量縮短長度，以降低發(fā)動機(jī)的總體尺寸和總重量。（4）大小頭軸承工作可靠，耐磨性好。（5）連桿螺栓疲勞強度高，連接可靠。（6）易于制造，成本低。 連桿

5、主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計時應(yīng)首先保證連桿具有在足夠的疲勞強度和結(jié)構(gòu)鋼度。如果強度不足，就會發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作帶來不好的影響。所以設(shè)計連桿的一個主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強度。為此，必須選用高強度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。3、材料的選擇 為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，表面噴丸強化處理，提高強度。2.2連桿長度的確定連桿長度與結(jié)構(gòu)參數(shù)（R為曲柄半徑）有關(guān)，此次設(shè)計選取。2.3連桿小頭的設(shè)計小頭主要尺寸為

6、連桿襯套內(nèi)徑和小頭寬度。1.連桿襯套內(nèi)徑2.襯套厚度3. 小頭內(nèi)徑4.小頭寬度5.小頭外徑2.4連桿桿身的設(shè)計連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形截面。1.桿身截面高度2.桿身截面寬度3. 桿身截面中間寬度為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。2.5連桿大頭的設(shè)計用連桿定位帶定位，以防止連桿體和連桿蓋安裝時錯位，多用于平切口連桿。1. 大頭孔直徑2. 大頭寬度3. 連桿軸瓦厚度4. 連桿螺栓直徑 5. 連桿螺栓孔中心距螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取2毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。6. 大頭高度定位方式用連桿定位帶定

7、位，以防止連桿體和連桿蓋安裝時錯位，多用于平切口連桿。2.6連桿強度計算1. 連桿小頭計算（1） 由襯套過盈配合和受熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力襯套最大裝配過盈量襯套溫度過盈量式中為連桿材料線膨脹系數(shù)，對于鋼 為襯套材料線膨脹系數(shù)，對于青銅由總過盈量產(chǎn)生的徑向均布壓力式中為連桿材料的彈性模量，對于鋼 為襯套材料的彈性模量，對于青銅 為泊桑比，小頭外表面由引起的應(yīng)力（2） 由慣性力拉伸引起的小頭應(yīng)力活塞組的最大慣性力式中為活塞組重量 為角速度固定角小頭平均半徑小頭中心截面（）上的彎矩小頭中心截面（）上的法向力小頭固定截面（）上的彎矩查表可知小頭固定截面（）上的法向力小頭壁厚小頭截面積襯套截面積系數(shù)小頭受拉時

8、固定截面處外表面應(yīng)力（3） 由最大壓縮力引起的應(yīng)力小頭承受的最大壓縮力輔助參數(shù)查表可得 小頭受壓時中央截面上的彎矩和法向力小頭固定截面處（）的值查表得 小頭受壓時固定截面處（）的彎矩和法向力小頭受壓時固定截面處外表面應(yīng)力（4） 小頭安全系數(shù)材料的機(jī)械性能查表可得 45鋼角系數(shù)在固定角截面的外表面處應(yīng)力幅平均應(yīng)力小頭安全系數(shù)小頭安全系數(shù)應(yīng)不小于1.5，所以滿足要求（5） 小頭橫向直徑減小量小頭平均直徑小頭截面的慣性矩橫向直徑減小量為保證活塞銷和連桿襯套不致咬死，應(yīng)使，實際計算結(jié)果，所以滿足要求。2. 連桿桿身計算（1）桿身中間截面處最大拉伸力和最大壓縮力式中分別為活塞組重量和位于計算截面以上那一

9、部分連桿重量。（2） 桿身中間截面處的應(yīng)力和安全系數(shù)由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力式中為桿身中間截面積，計算約為：桿身中間截面的慣性矩由最大壓縮力引起的合成應(yīng)力式中為系數(shù)，對于各種鋼材 桿身中間截面在擺動平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力在垂直于擺動平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力在擺動平面和垂直于擺動平面內(nèi)的安全系數(shù)安全系數(shù)滿足要求。3. 連桿大頭計算大頭蓋所受慣性力根據(jù)大頭蓋截面計算重心坐標(biāo)大頭蓋截面的慣性矩大頭蓋計算截面的抗彎斷面模數(shù)軸瓦計算截面的慣性矩大頭蓋中央截面上的應(yīng)力大頭蓋橫向直徑減小值經(jīng)軸承選擇，值小于軸承間隙的一半，所以滿足要求。2.7連桿螺栓設(shè)計1. 連桿螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸和材料選擇根據(jù)氣缸直徑初選

10、連桿螺紋直徑根據(jù)選擇螺栓，螺母，墊片標(biāo)準(zhǔn)件如下：螺栓 GB/T 5782 M8x60螺母 GB/T 6170 M8墊片 GB/T 848 8螺栓與螺母材料均采用40。2.螺栓裝配預(yù)緊力和屈服強度校核（1）裝配預(yù)緊力每個螺栓由慣性力引起的工作負(fù)荷式中為斜切口大頭的切口角。發(fā)動機(jī)工作時連桿螺栓受到兩種力的作用：預(yù)緊力和最大拉伸載荷，預(yù)緊力由兩部分組成：一是保證連桿軸瓦過盈度所必須具有的預(yù)緊力；二是保證發(fā)動機(jī)工作時，連桿大頭與大頭蓋之間的結(jié)合面不致因慣性力而分開所必須具有的預(yù)緊力。（2） 材料屈服強度校核確定后，校核螺栓材料是否屈服，應(yīng)滿足：式中為螺栓最小截面積，經(jīng)計算 為材料的屈服極限，一般 為安全系數(shù)，一般為于是經(jīng)計算 得，所以滿足要求。2.8本章小結(jié)本章在設(shè)計連桿的過程中，首先分析了連桿的工作情況，設(shè)計要求，并選擇了適當(dāng)?shù)牟牧希缓蠓謩e確定了連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了強度了剛度的校核，使其滿足實際加工的要求，最后根據(jù)工作負(fù)荷和預(yù)緊力選擇了連桿螺栓，并行檢驗校核。參考文獻(xiàn)1袁兆成內(nèi)燃機(jī)設(shè)計（第二版）北京：