汽车发动机设计课程设计说明书45Kw四冲程柴油机连杆组设计.doc

任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 汽车工程学院 题 目: 45Kw四冲程柴油机连杆组设计初始条件：1、平均有效压力：0.81.2Mpa2、活塞平均速度：<14m/s要求完成的主要任务: 1、 装配图设计。2、 零件图设计。3、 说明书1份。时间安排：序号项目应完成时间备注1课题准备1、 设计汽油机的结构参数。2、 进行运动学计算。3、 形成文档。2011.10.312装配图设计与绘图1、 热力学计算。2、 动力学计算。3、 形成文档。2011.11.013装配图设计与绘图1、 结构参数设计并形成文档。2、 装配图设计绘图（草图）。2011.11.024装配图设计与绘图（底图）2011.11.035装配图设计与绘图（加粗与标注）2011.11.046零件图设计1、 零件计算。2、 形成文档。2011.11.077零件图设计绘图2011.11.088零件图设计绘图2011.11.099零件图设计绘图2011.11.1010零件图设计绘图2011.11.1111零件图设计绘图2011.11.1412撰写设计说明书2011.11.1513撰写设计说明书2011.11.1614答辩2011.11.1715答辩2011.11.18注意事项：1、 课程设计期间必须严格遵守学校的作息时间。2、 指导教师每天点名。3、 学生每天的任务必须完成，指导教师作好相应的进度记录。指导教师签名： 2011年10月18日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录0前言-11柴油机的结构参数-1 1.1初始条件-1 1.2发动机类型-1 1.2.1冲程数的选择-1 1.2.2冷却方式-1 1.2.3气缸数与气缸布置方式-1 1.3基本参数-1 1.3.1行程缸径比的选择-1 1.3.2气缸工作容积V，缸径D的选择-12热力学计算-2 2.1热力循环基本参数的确定-22.2P-V图的绘制-3 2.3P-V图的调整-4 2.4有效功及有效压力的求解-5 2.5 p-V 图向P-a图的转化-53运动学计算-6 3.1曲柄连杆机构的类型-6 3.2连杆比的选择-6 3.3活塞运动规律-73.4连杆运动规律-74动力学计算-8 4.1质量换算-84.2作用在活塞上的力 -85连杆设计-11 5.1连杆主要尺寸设计-12 5.1.1连杆长度确定-12 5.1.2连杆小头尺寸确-135.1.3连杆大头尺寸确定-125.1.4连杆杆身尺寸确定-12 5.2连杆强度计算-13 5.2.1连杆小头强度计算-14 5.2.2连杆大头强度计算-15小结- 17参考文献- 18附录- 1945KW四行程柴油机连杆组设计0前言 大四上学期我们学习了必修课程汽车发动机设计，紧接着要开始为期三周的课程设计。每个同学都有不同的设计题目，我们要根据自己的题目来查阅资料，结合所学知识，设计出合理的发动机部件。通过这次课程设计，要培养我们综合运用知识的能力，查阅工具书的能力以及运用计算机的能力。我的设计任务是45KW四行程柴油机连杆设计。1.汽油机的结构参数11初始条件额定功率：P45kW 平均有效压力： 活塞平均速度：18 ms12发动机类型1.2.1冲程数的选择四冲程。1.2.2冷却方式水冷。1.2.3气缸数与气缸布置方式直列式四缸机。13基本参数1.3.1行程缸径比SD的选择 在（0.81.2）初步选择行程缸径比为1.03。1.3.2气缸工作容积V，缸径D的选择根据内燃机学的基本计算公式： 其中 发动机的有效功率，依题为45kW 发动机的平均有效压力，依题取1.0MPa 气缸的工作容积 Z 发动机的气缸数目 ，依题为4 发动机的转速 活塞的平均速度，依题取12m/s 发动机活塞的行程 发动机气缸直径发动机的行程数，依题为4根据以上的条件代入以上公式，并圆整得：D=69mm ，S=71mm，=12ms，P=1.0MPa，n=5070 r/min，=0.265L功率（KW）活塞均速Vm（m/s）P0（Mpa）缸数冲程4512 0.101344平均有效压力（Mpa）缸径（mm）行程S（mm）工作容积Vs（L）压缩比1.069710.26516气缸容积Va（L）Vc（L）转速（r/min）曲轴半径r（mm）角速度（rad/s）0.2830.01775000355302热力学计算通常根据内燃机所用的燃料，混合气形成方式，缸内燃烧过程（加热方式）等特点，把柴油机实际循环近似看成混合加热循环。柴油机的工作过程包括进气、压缩、做功和排气四个过程。在本设计过程中，先确定热力循环基本参数然后重点针对压缩和膨胀过程进行计算，绘制P-V图并校核。2.1热力循环基本参数的确定根据参考文献【内燃机学】压缩过程绝热指数n=1.321.37，初步取n=1.35 膨胀过程绝热指数n=1.221.28，初步取n=1.25 根据参考文献【内燃机学】汽油机压缩比=，初取=16 根据参考文献【发动机设计】定容增压比=1.21.5，初取=2。 定压膨胀比2.2P-V图的绘制2.2.1绝热压缩起点选取压缩冲程的下止点（设为a点）时的气体参数 期中为大气的压力，取，Va=0.283L。根据活塞的运动规律，计算出气缸内容积随曲轴转角的变化规律得： 2.2.2绝热压缩过程选取压缩冲程终点（设为b点），从a点到b点的压缩过程看作是多变的压缩过程，其多变指数为n1=1.35根据多变过程的热力学计算公式常数和a的气体状态，可以计算出从a点到b点的压缩过程中各个点的状态参数。 经过计算后得到b点的状态参数：Pb=3.59MPa Vb=0.0177L2.2.3定容增压过程 选取定容增压的终点（设为c点），从b点到c点看作是定容压缩过程，其定容增压比，则c点的状态参数为： Vc=0.0177L。2.2.4定压膨胀过程选取膨胀过程的终点（设为d点），从c到d点可以看作是定压膨胀过程，其定压膨胀比取为1.5，则d点的状态参数为：Pd=7.18Mpa Vd=0.02655L。2.2.5绝热膨胀过程选取膨胀过程的终点（设为e点），从d点到e点可以看作是多变过程，其多变指数为n2=1.25。根据多变过程的热力计算公式常数和e点的气体状态，可以计算出从e点到d点的膨胀过程中各个点的状态参数。计算后得：Pe=0.22Mpa Ve=0.283L。 图1 理论P-V图(数据见附表1)2.3 P-V图的调整实际的P-V图和利用多变过程状态方程绘制的P-V图还存在一些差别，主要是点火提前角和配气相位的原因。对1图作以下调整：最大爆发压力：P取理论水平的3/5，具体值为6.3MPa，以此值与原图形相交，水平线以上的部分去掉，余下部分作些调整。考虑到实际过程与理论过程的差异，最大爆发压力发生在上止点之后12°15°，选择最高爆发压力出现在上止点后12°.点火提前角：据资料得常用的范围是20°30°，经调整后取26°。排气提前角：常使用的范围是40°80°，经调整后取60°。调整后的P-V图如下图2：图2 调整后P-V图（数据见附表1）2.4有效功及有效压力的求解由热力学计算所绘制的示功图为理论循环的示功图，其围成的面积表示的是汽油机所做的指示功，数值由对示功图积分后求得的面积来表示：数调整后的p-v图格子数 得：Wi=314J则汽油机平均有效压力与前面计算的结果大致一样，在±5%以内，故上面选取的参数和以后的相关计算在满足制造的同时能够前后一致。2.5P-V 图向 P图的转化V=Vr+Vx,其中Vr为燃烧室容积，Vx为气缸容积，知道活塞位移x和曲轴转角的关系，则可以在 EXCEL 表格中，求取出相应转角时对应的气缸容积 V，每隔 5°求（p，V）。做出p-图，如图3所示，数据记录于附表中。图3 P-图（数据见附表3）3.运动学计算3.1曲柄连杆机构的类型在往复活塞式内燃机中基本上采用三种曲柄连杆机构：中心曲柄连杆机构，偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构。其中中心曲柄连杆机构应用最广泛。本次设计选择中心曲柄连杆机构。3.2连杆比的选择据【发动机设计】知，=1/31/5，车用发动机多用小连杆，初选=1/3.6。则连杆长度L=r/=126mm。3.3活塞运动规律 活塞位移：经计算后X-图如下图4所示：图4 X-图（数据见附表2）活塞速度：图5 V-图（数据见附表2）活塞加速度：图6 A-图（数据见附表2）3.4连杆运动规律连杆式做复合平面运动，即其运动是由随活塞的往复运动以及绕活塞销的摆动合成。连杆相对于气缸中心的摆角为=arc sin（sin）。连杆运动规律如下图7所示。图7 连杆运动规律（数据见附表2）4.动力学计算4.1 质量转换沿气缸轴线作直线运动的活塞组零件，可以按质量不变的原则简单相加，并集中在活塞销中心。粗略计算，将活塞看做薄壁圆其中D=69mm，L为活塞厚度L=5mm，活塞材料为共晶铝合金：=2.7g/cm3，H为活塞高度H=（0.91.1）D=70mm。得98g做平面运动的连杆组，根据动力学等效性的质量，质心和转动惯量守恒三原则进行质量换算。3个条件决定三个未知数，可用位于比较方便的位置上即连杆小头，活塞销两个质量m3,m4来代替连杆。往复质量：估算4.2作用在活塞上的力作用在活塞销中心的力，是Fg和Fj的合力，Fg为气体作用力，Fj为往复惯性力。一、气体力P活塞顶上的压力，P-活塞背压根据气缸内压力与曲轴转角的关系，应用EXCEL求解相关数据（数据记录在附录中）作出下图8。图8 气体作用力图（数据见附表3）二、惯性力往复惯性力： Fj在机构中的传递情况与Fg很相似，Fj也使机构受负荷，也产生转矩和倾覆力矩，由于Fj对汽缸盖没有作用，所以它不能在机内自行抵消，是向外表现的力，需要由轴承承受。则由于活塞和连杆小头的往复运动而引起的往复惯性力Fj 的大小：Fj和曲轴转角满足下列关系式，即应用EXCEL求解相关数据（数据记录在附录中）作出下图9图9 往复惯性力（数据见附表3）旋转惯性力Fr=mrr2，当曲轴角速度不变时，Fr大小不变，其方向总是沿着曲轴半径向外。如果不用结构措施（如平衡块）消除，它也是自由力，使曲轴轴承和内燃机承受支反力，它不产生转矩和倾覆力矩。在本次设计中，用平衡块结构措施消除，所以在计算中可以忽略它。作用在活塞销中心的力，是Fj和Fp合力。即F= Fj+Fp。把该力分解到连杆方向P2和垂直于气缸中心线方向P1。连杆方向的力P1沿连杆传递到连杆大头，该力以同样的方向和大小作用在曲柄销上。把P1分解到曲柄销半径方向和垂直于曲柄销半径方向。其中各力在大小上满足下列关系式：侧压力=Ptan 连杆力P2=P/cos 切向力=P2sin(+)=P 径向力=P2cos(+)=P 作出下列图10-13,数据见附表。图10 侧压力图（数据见附表3）图11 连杆力（数据见附表3）图12 切向力图（数据见附表3）图13 径向力图（数据见附表3）5连杆设计连杆是发动机的重要组成部分，主要由连杆大头、大头盖、连杆轴瓦及连杆螺栓等部分组成。其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴。连杆小头与活塞一起作往复运动，连杆大头与曲轴一起作旋转运动，连杆杆身作复杂的平面摆动。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。由于受力比较复杂并且需要实验来指导，因此设计时应综合考虑5.1连杆主要尺寸设计5.1.1连杆长度的确定连杆长度由杆比来说明，而=r/l，值越大，连杆越短，则发动机的总高度越小。参考杨连生版内燃机设计设计，值范围为1/3.21/3.8。取=1/3.6，则l=35*3.6=126mm5.1.2连杆小头尺寸的确定连杆小头位于活塞内腔，尺寸小、轴承比压高、温度较高。本次设计柴油机的连杆材料选取为45钢，密度=7.85g/cm. 连杆小头的内径，参考杨连生版内燃机设计设计， d/D=0.350.38， 取d=0.38D=26mm， 连杆小头的外径，参考杨连生版内燃机设计设计， D/d=1.21.35， 取D=1.25d=36mm， 连杆小头的宽度，参考杨连生版内燃机设计设计，B=d=26mm. 衬套外径，参考杨连生版内燃机设计设计，d/ d=1.11.25， 取d=1.1 d =29mm 连杆小头质量：5.1.3连杆大头尺寸的确定连杆大头的结构与尺寸基本上决定了曲柄销直径D2、长度B2、连杆轴瓦厚度等等，对曲轴的强度、刚度和承压能力有很大的 影响。大头的外形尺寸又决定了凸轮轴位置和曲轴箱形状，大头的重量产生的离心力会使连杆轴承、主轴承负荷增大，磨损加剧，有时还不得不为此而增加平衡重，给曲轴设计带来困难，因此在设计连杆大头时，应在保证强度和刚度的条件下，尺寸尽量小，重量尽量轻。连杆大头内径，参考杨连生版内燃机设计设计，D2/D=0.630.7， 取D2=0.64D=44mm连杆大头外径，参考杨连生版内燃机设计设计，D2/D=0.680.76， 取D2 =0.74D=52mm连杆螺栓孔间距离，参考杨连生版内燃机设计设计，C/ D2 =1.21.3, 取C=1.25D2 =65mm 高度H3，参考杨连生版内燃机设计设计，H3 / D2 =0.450.5，取H3 =0.47D2=25mm高度H4 ，参考杨连生版内燃机设计设计，H4/ D2 =0.350.5，取H4=0.45D2=24mm5.1.4 连杆杆身的结构设计杆身也承受交变载荷，可能产生疲劳破坏和变形，连杆高速摆动时横向惯性力也会使连杆弯曲变形，因此杆身必须有足够的断面积，并消除产生应力集中的因素。现代柴油机连杆杆身平均断面积fm与活塞顶面积Fd之比fm/Fd=0.030.05，取 为了在较小的重量下得到较大的刚度，高速内燃机的连杆杆身断面都是“”字形，“”字形断面的平均相对高度H/D=0.30.4,取H=24mm；高宽比H/B=1.41.8，取B=16mm.为使连杆从小头到大头传力比较均匀，一般把杆身断面H从小头到大头逐渐加大，Hmax/Hmin值最大为1.3左右。在杆身到小头和大头过渡处须用足够大的圆角半径。5.2连杆强度的计算5.2.1连杆小头强度的计算衬套过盈配合的预紧力及温升产生的应力 式中小头外径，为36mm； 衬套外径，为29mm；小头内径，为26mm；衬套材料的线膨胀系数，对于青铜，可取=1.81/；连杆小头材料的线膨胀系数，对于钢可取=1.010（1/）；,泊桑比，一般可取=0.3；E连杆小头材料的弹性模数对于刚，E=2.2N/mm衬套材料的弹性模数，对于青铜，=1.15N/mm计算得0.065mm。计算可得：把小头视为内压厚壁圆筒，在压力P的作用下外表面的切向应力为内表面 外表面经检验，小于100-150N/m2小头应力的校核 当发动机处于额定工况时，连杆小头的最大拉伸作用力为：当发动机处于启动工况时，连杆小头的最大拉伸作用力为： 固定角在的截面上 计算截面拉伸力引起的法向力和弯矩为： 小头壁厚为 mm 26mm 由拉伸作用在外表面上产生的应力为：取点火提前角为：15°连杆小头的合力为： 计算截面中由压缩力引起的法向力和弯矩：不对称循环的最大与最小应力为： 平均应力及应力幅： 又由 材料在对称循环下的拉压疲劳极限，取=200Mpa 应力幅 平均应力 考虑表面加工情况的工艺系数，其值在0.4-0.6之间，取=0.4 角系数， 材料在对称循环下的弯曲疲劳极限，对于钢，则取 算得 n=2.032>1.5 合格5.2.2连杆大头强度的计算连杆大头受惯性拉伸载荷：式中，、分别是活塞组，连杆组往复部分，连杆旋转部分及连杆大头下半部分的重量。取则弯曲应力为：式中Z计算断面的抗弯矩断面模数，取-计算圆环的曲率半径，计算可得 、-大头及轴承中央截面面积，计算可得查杨连生内燃机设计值在之间，合格。小结作为一名热能与动力工程的学大四生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在已度过的大四的时间里我们大多数接触的是专业基础课。通过这次亲身的设计实践，我们对这些专业课的基础知识和基本理论有了进一步的理解和掌握。设计的整个过程都有老师在一旁指导，有问题可以及时解决，学到了很多发动机和连杆的知识。我把这次课程所学到的东西总结为以下几点：1学会了分析、计算、设计、绘图、运用各种标准和规范、查阅各种设计手册与资料。2.学会了应用计算机计算，绘图能力等方面得到进一步的提高。3.初步建立了用工程的观念处理问题。4.全面地检验并巩固我们以前所学的专业课知识，并通过结合实际，从一个全新的角度重新学习、认识以前学过的专业课知识。5. 了解国内外发动机的发展现状，对当代先进的发动机技术有了一些了解。6. 此次课程设计还为我们下学期的毕业设计奠定了坚实的基础。参考文献1 杨连生内燃机设计北京：中国农业机械出版社，19812 陆际青汽车发动机设计北京：清华大学出版社，1990 3 唐增宝，何永然，刘安俊机械设计课程设计武汉：华中科技大学出版社，19994 周龙保内燃机学北京：机械工业出版社，20055 吴兆汉内燃机设计北京：北京理工大学出版社，19906 沈维道工程热力学北京：高等教育出版社，2002附 录附表1,P-V图计算曲轴转角（°）弧度气缸容积（L)多变指数n1膨胀比多变指数n2燃气压力（MPa)调整后压力1803.1415930.28230.0850.0851853.2288590.2819362491.350.085433240.085433241903.3161260.2808445831.350.085881860.085881861953.4033920.2790238631.350.0866392720.086639272003.4906590.276472521.350.087720370.087720372053.5779250.2731890351.350.0891466870.089146692103.6651910.2691725861.350.090947130.090947132153.7524580.2644238421.350.0931589940.093158992203.8397240.2589458611.350.0958293410.095829342253.9269910.2527450771.350.0990168170.099016822304.0142570.245832321.350.1027940530.102794052354.1015240.2382238361.350.1072508080.107250812404.188790.2299422751.350.1124981040.11249812454.2760570.2210175821.350.1186736780.118673682504.3633230.2114877791.350.1259492230.125949222554.450590.2013995831.350.1345400380.134540042604.5378560.1908088371.350.1447180360.144718042654.6251230.1797807141.350.156829380.156829382704.7123890.16838971.350.1713186550.171318662754.7996550.1567193051.350.1887622930.188762292804.8869220.1448615291.350.2099152430.209915242854.9741880.1329160641.350.2357767770.235776782905.0614550.1209892491.350.2676840290.267684032955.1487210.109192791.350.3074459420.307445943005.2359880.0976422751.350.3575357410.357535743055.3232540.0864555111.350.4213669710.421366973105.4105210.0757507181.350.5036843940.503684393155.4977870.0656446231.350.611099250.611099253205.5850540.0562505011.350.7527659710.752765973255.672320.0476762111.350.9410729240.941072923305.7595870.0400222641.351.1918548881.191854893355.8468530.0333799941.351.5227344331.522734433405.9341190.0278298531.351.9464394221.946439423456.0213860.0234398891.352.4540906892.454090693506.1086520.0202644521.352.9870229512.987022953556.1959190.0183431321.353.4169718773.416971883606.2831850.01771.353.5856401663.585640173606.2831850.01771.57.186.93656.3704520.0183431321.57.1873706.4577180.0202644521.57.187.183756.5449850.0234398891.57.187.13806.6322510.0278298531.57.1873846.7020640.032180231.57.186.93856.7195180.0333799941.256.1373204846.137320483906.8067840.0400222641.254.8916970814.891697083956.8940510.0476762111.253.9306055213.930605524006.9813170.0562505011.253.1965288343.196528834057.0685830.0656446231.252.6353461972.63534624107.155850.0757507181.252.2034498912.203449894157.2431160.0864555111.251.8678662161.867866224207.3303830.0976422751.251.6043135811.604313584257.4176490.109192791.251.3950641241.395064124307.5049160.1209892491.251.227165527