曲柄連桿機(jī)構(gòu)課程設(shè)計

目錄目錄1第1章緒論3第2章活塞組的設(shè)計42.1活塞的設(shè)計42.1.1活塞的材料42.1.2活塞頭部的設(shè)計42.1.3活塞裙部的設(shè)計52.2活塞銷的設(shè)計52.2.1活塞銷的結(jié)構(gòu)5第3章連桿組的設(shè)計63.1連桿的設(shè)計63.1.1連桿材料的選用63.1.2連桿長度確實定63.1.3連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計63.1.4連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計63.1.5連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計63.2連桿螺栓的設(shè)計7第4章曲軸的設(shè)計84.1曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇84.1.1曲軸的結(jié)構(gòu)型式84.1.2曲軸的材料84.2曲軸的主要尺寸確實定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計84.2.1曲柄銷的直徑和長度84.2.2主軸頸的直徑和長度94.2.3曲柄94.2.4平衡重94.2.5油孔的位置和尺寸104.2.6曲軸兩端的結(jié)構(gòu)10第5章曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)立115.1活塞的創(chuàng)立115.2連桿的創(chuàng)立115.3曲軸的創(chuàng)立11第六章曲柄連桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析136.1活塞的靜力分析136.2連桿的靜力分析13第1章緒論曲柄連桿機(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(qiáng)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(qiáng)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[1]。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(qiáng)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。本文以捷達(dá)EA113汽油機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考，對四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，并對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有關(guān)運動學(xué)和動力學(xué)的理論分析與計算機(jī)仿真分析。第2章活塞組的設(shè)計2.1活塞的設(shè)計2.1.1活塞的材料在發(fā)動機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、本錢低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。但近幾十年來，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因此比重大和導(dǎo)熱性差兩個根本缺點而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。鋁合金的優(yōu)缺點與灰鑄鐵正相反，鋁合金比重小，約占有灰鑄鐵的1/3，結(jié)構(gòu)重量僅占鑄鐵活塞的。因此其慣性小，這對高速發(fā)動機(jī)具有重大意義。鋁合金另一突出優(yōu)點是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的倍，使活塞溫度顯著下降。對汽油機(jī)來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。共晶鋁硅合金是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。含硅9%左右的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣。綜合分析，該發(fā)動機(jī)活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。2.1.2活塞頭部的設(shè)計1、壓縮高度確實定壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構(gòu)成的，即=++〔1〕第一環(huán)位置一般汽油機(jī)，為活塞直徑，該發(fā)動機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑確定火力岸高度為：〔2〕環(huán)帶高度一般氣環(huán)高，油環(huán)高。該發(fā)動機(jī)采用三道活塞環(huán)，取，，。環(huán)岸的高度，，，汽油機(jī)接近下限。那么，。因此，環(huán)帶高度?！?〕上裙尺寸對于汽油機(jī)，所以。。2、活塞頂和環(huán)帶斷面由于EA1135V1.6L發(fā)動機(jī)為高壓縮比，因而采用近似于平頂?shù)幕钊嶋H統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明，活塞頂部最小厚度，汽油機(jī)為，即。2.1.3活塞裙部裙部單位面積壓力〔裙部比壓〕按下式計算：取。那么一般發(fā)動機(jī)活塞裙部比壓值約為，所以設(shè)計適宜。2.2活塞銷的設(shè)計2.2.1活塞銷的結(jié)構(gòu)活塞銷與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采用“全浮式”?；钊N的直徑，取，取活塞銷長度，取第3章連桿組的設(shè)計3.1連桿的設(shè)計3.1.1連桿材料的選用為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，外表噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。3.1.2連桿長度確實定設(shè)計連桿時首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長度它通常是用連桿比來說明的，通常0.3125，取，，那么。3.1.3連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在活塞組設(shè)計中確定，，。為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為，取，那么小頭孔直徑，小頭外徑，取。3.1.4連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度約等于(為氣缸直徑)，取，截面高度，取。為使連桿從小頭到大頭傳力比擬均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。3.1.5連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸根本上決定于曲柄銷直徑、長度、連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。其中在、在曲軸設(shè)計中確定，，，那么大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺高度，取，取，3.2連桿螺栓的設(shè)計根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計，取。第4章曲軸的設(shè)計4.1曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇4.1.1曲軸的結(jié)構(gòu)型式曲軸的設(shè)計從總體結(jié)構(gòu)上選擇整體式，它具有工作可靠、質(zhì)量輕的特點，而且剛度和強(qiáng)度較高，加工外表也比擬少。為了提高曲軸的彎曲剛度和強(qiáng)度，采用全支撐半平衡結(jié)構(gòu)[11]，即四個曲拐，每個曲拐的兩端都有一個主軸頸，如圖5.1所示：圖4.1曲軸的結(jié)構(gòu)型式4.1.2曲軸的材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強(qiáng)度決定著曲軸的體積、重量和壽命，作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能以外，還要求高度的耐磨性、耐疲勞性和沖擊韌性。同時也要使曲軸的加工容易和造價低廉。在保證曲軸有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能采用一般材料。以鑄代鍛，以鐵代鋼。高強(qiáng)度球墨鑄鐵的出現(xiàn)為鑄造曲軸的廣泛采用提供了前提。該發(fā)動機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵鑄造而成。4.2曲軸的主要尺寸確實定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計4.2.1曲柄銷的直徑和長度在考慮曲軸軸頸的粗細(xì)時，首先是確定曲柄銷的直徑。對于汽油機(jī)，，為氣缸直徑，=80，那么，曲柄銷直徑取為=0.60=48。曲柄銷的長度是在選定的根底上考慮的。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作能力出發(fā)，應(yīng)使控制在一定范圍內(nèi)，同時注意曲拐各局部尺寸協(xié)調(diào)，根據(jù)統(tǒng)計/=，取=0.62=30。軸頸的尺寸，最后可以根據(jù)承壓面的投影面積與活塞投影面積之比來校核，此比值據(jù)統(tǒng)計在范圍內(nèi)，而且汽油機(jī)偏下限。那么由，那么長度取值適宜。4.2.2主軸頸的直徑和長度為了最大限度地增加曲軸的剛度，適當(dāng)?shù)丶哟种鬏S頸，這樣可以增加曲軸軸頸的重疊度，從而提高曲軸剛度，其次，加粗主軸頸后可以相對縮短其長度，從而給加厚曲柄提高其強(qiáng)度提供可能。從曲軸各局部尺寸協(xié)調(diào)的觀點，建議取，取=1.16=56。由于主軸承的負(fù)荷比連桿軸承輕，主軸頸的長度一般比曲柄銷的長度短，這樣可滿足增強(qiáng)剛性及保證良好潤滑的要求。據(jù)統(tǒng)計，取=0.3=24。4.2.3曲柄曲柄應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸?、寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。根據(jù)統(tǒng)計，曲柄的寬度，取，厚度，取。曲柄臂以凸肩接主軸頸和曲柄銷。凸肩的厚度根據(jù)曲軸加工工藝決定。全加工曲軸的只有0.5~1，取=1。曲柄銷和主軸頸至曲柄臂凸肩的過渡圓角對應(yīng)力集中程度影響最大，加大圓角半徑可使圓角應(yīng)力峰值降低，故宜取大，至少不能小于0.05或2.5，取=3。4.2.4平衡重對四拐曲軸來說，作用在第1、2拐和第3、4拐上的離心慣性力互成力偶。這兩個力偶大小相等、方向相反，所以從整體上講是平衡的，但是這兩個力偶卻還是作用在曲袖上了，曲軸這兩個對稱力偶的作用下可能發(fā)生彎曲變形。由于曲軸是安裝在機(jī)體的主軸承中的，所以曲軸發(fā)生彎曲變形時上述力偶就將也局部地作用在機(jī)體上，使機(jī)體承受附加彎曲力偶的作用，尤其是在此情況下主軸承的工作條件也要變壞。安裝平衡重，改善曲軸本身和機(jī)體的受力情況，尤其改善了主軸承的工作條件。4.2.5油孔的位置和尺寸為保證曲軸軸承工作可靠，對它們必需有充分的潤滑。曲軸中油道的尺寸和布置直接影響它的強(qiáng)度和剛度，同時也影響軸承工作的可靠性。油道的孔徑一般在左右，取為4。4.2.6曲軸兩端的結(jié)構(gòu)曲軸上帶動輔助系統(tǒng)的正時齒輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因為結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)也是由曲軸自由端驅(qū)動。這是應(yīng)為曲軸自由端的軸頸允許較細(xì)，可以采用節(jié)圓直徑小的齒輪，消除扭轉(zhuǎn)振動的減振器裝在曲軸前端，因為這里的振幅最大。第5章曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)立運用UG軟件分別對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各個零件進(jìn)行模型的建立，具體步驟如下：5.1活塞的創(chuàng)立〔1〕創(chuàng)立草圖；〔2〕旋轉(zhuǎn)；〔3〕打孔；〔4〕制作倒角；〔5〕得到活塞圖。圖5.1圖5.25.2連桿的創(chuàng)立創(chuàng)立草圖；拉伸；通過拉伸打孔；〔4)得到連桿圖。圖5.3圖5.46.4曲軸的創(chuàng)立〔1〕創(chuàng)立草圖；〔2〕拉伸得到平衡塊；〔3〕創(chuàng)立草圖并拉伸得到主軸頸；〔4〕依次拉伸得到曲軸。圖5.5圖5.6第6章曲柄連桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析6.1活塞的靜力分析1.在ANSYS添加活塞材料：硅鋁合金2.在ANSYS中生成活塞模型圖6.1圖6.23.網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷圖6.3