曲柄連桿機構課程設計2

1、<p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題的目的和意義1</p><p>　　1.2 國內外的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　第2章 活塞組的設計2</p><p>　　2.1

2、活塞的設計2</p><p>　　2.1.1 活塞頭部的設計2</p><p>　　2.1.2 活塞裙部的設計2</p><p>　　2.2 活塞銷的設計5</p><p>　　2.2.1 活塞銷的結構、材料5</p><p>　　2.3 活塞銷座5</p><p>　　2.3.1

3、活塞銷座結構設計5</p><p>　　2.4 活塞環(huán)設計及計算6</p><p>　　2.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設計6</p><p>　　2.5 本章小結6</p><p>　　第3章 連桿組的設計7</p><p>　　3.1 連桿的設計7</p><p>　　3.1.1

4、 連桿的工作情況、設計要求和材料選用7</p><p>　　3.1.2 連桿長度的確定7</p><p>　　3.1.3 連桿小頭的結構設計7</p><p>　　3.1.4 連桿桿身的結構設計7</p><p>　　3.1.5 連桿大頭的結構設計7</p><p>　　3.2 連桿螺栓的設計8</p

5、><p>　　3.2.1 連桿螺栓的工作負荷與預緊力8</p><p>　　3.3 本章小結8</p><p>　　第4章 曲軸的設計 9</p><p>　　4.1 曲軸的結構型式和材料的選擇9 </p><p>　　4.1.1 曲軸的工作條件和設計要求9 </p><p>　　4.1.

6、2 曲軸的結構型式9 </p><p>　　4.2 曲軸的主要尺寸的確定和結構細節(jié)設計9 </p><p>　　4.2.1 曲柄銷的直徑和長度9 </p><p>　　4.2.2 主軸頸的直徑和長度9 </p><p>　　4.2.3 曲柄10</p><p>　　4.3 本章小結10</p>

7、<p>　　第5章 曲柄連桿機構的創(chuàng)建11</p><p>　　5.1 活塞的創(chuàng)建11</p><p>　　5.2 連桿的創(chuàng)建11</p><p>　　5.3曲軸的創(chuàng)建12</p><p>　　第6章 曲柄連桿機構靜力學分析13</p><p>　　6.1 活塞的靜力分析13</p>

8、<p>　　6.2 連桿的靜力分析13</p><p><b>　　第1章 緒　　論</b></p><p>　　1.1 選題的目的和意義</p><p>　　通過設計，確定發(fā)動機曲柄連桿機構的總體結構和零部件結構，包括必要的結構尺寸確定、運動學和動力學分析、材料的選取等，以滿足實際生產的需要。</p><p

9、>　　為了真實全面地了解機構在實際運行工況下的力學特性，本文采用了多體動力學仿真技術，針對機構進行了實時的，高精度的動力學響應分析與計算，因此本研究所采用的高效、實時分析技術對提高分析精度，提高設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構在運行過程中的受力狀態(tài)，便于進行精確計算，對進一步研究發(fā)動機的平衡與振動、發(fā)動機增壓的改造等均有較為實用的應用價值。</p><p>　　1.2 國內外的研究

10、現(xiàn)狀</p><p>　　目前國內外對發(fā)動機曲柄連桿機構的動力學分析的方法很多，而且已經完善和成熟。其中機構運動學分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動，即位移、速度和加速度的變化關系：動力學則是研究產生運動的力。發(fā)動機曲柄連桿機構的動力學分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉矩等的分析，傳統(tǒng)的內燃機工作機構動力學、運動學分析方法主要有圖解法和解析法[5]。</p><p><

11、b>　　1、解析法</b></p><p>　　解析法是對構件逐個列出方程，通過各個構件之間的聯(lián)立線性方程組來求解運動副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標法等。</p><p><b>　　2、圖解法</b></p><p>　　圖解法形象比較直觀，機構各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢

12、均能通過圖解一目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對計算機結果的判斷和選擇。解析法取點數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。不經任何計算，對曲柄連桿機構直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復雜[6]。通過對機構運動學和動力學分析，我們可以清楚了解內燃機工作機構的運動性能、運動規(guī)律等，從而可以更好地對機構進行性能分析和產品設計。但是過去由于手段的原因，大部分復雜的機構運動盡管能夠給出解析式，卻難以計算出供工程使用的計算結果

13、，不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)。 </p><p>　　第2章 活塞組的設計</p><p><b>　　2.1 活塞的設計</b></p><p>　　活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作往復運動的零件，它們是發(fā)動機中工作條件最嚴酷的組件。發(fā)動機的工作可靠性與使用耐久性，在很大程度上與活塞組的工作情況有關。</p>

14、<p>　　2.1.1 活塞頭部的設計</p><p><b>　　1、設計要點</b></p><p>　　活塞頭部，活塞頭部的設計要點是：</p><p>　?。?）保證它具有足夠的機械強度與剛度，以免開裂和產生過大變形，因為環(huán)槽的變形過大勢必影響活塞環(huán)的正常工作；</p><p><b>　　2

15、、壓縮高度的確定</b></p><p>　　壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構成的，即</p><p><b>　　=++</b></p><p>　　為了降低壓縮高度，應在保證強度的基礎上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。</p><p><b>　?。?）第一環(huán)位置</b&

16、gt;</p><p>　　火力岸高度的選取原則是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般汽油機，為活塞直徑，該發(fā)動機的活塞標準直徑，確定火力岸高度為：</p><p><b>　?。?）環(huán)帶高度 </b></p><p>　　一般氣環(huán)高，油環(huán)高。</p><p>　　該發(fā)動機采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱

17、之為壓縮環(huán)（氣環(huán)），第三環(huán)稱之為油環(huán)。取，，。</p><p>　　環(huán)岸的高度，應保證它在氣壓力造成的負荷下不會破壞。當然，第二環(huán)岸負荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。實際發(fā)動機的統(tǒng)計表明，，，汽油機接近下限。</p><p>　　則 ，</p>

18、<p><b>　　。</b></p><p><b>　　因此，環(huán)帶高度。</b></p><p><b>　?。?）上裙尺寸</b></p><p><b>　　對于汽油機，所以。</b></p><p>　　則

19、 。</p><p>　　3、活塞頂和環(huán)帶斷面</p><p><b>　?。?）活塞頂</b></p><p>　　大多數(shù)汽油機正是采用平頂活塞，汽油機為，即。</p><p>　　活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側壁必須加厚，一般取，取為5.6mm，活塞頂與側壁之間應該采用較大的過渡圓角，一般取，取0.07為5.6mm.為了減

20、少積炭和受熱，活塞頂表面應光潔，在個別情況下甚至拋光。復雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角，所有尖角均應仔細修圓，以免在高溫下熔化。</p><p><b>　?。?）環(huán)帶斷面</b></p><p>　　為了保證高熱負荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚使導熱良好，不讓熱量過多地集中在最高一環(huán)，其平均值為。一般該倒角為。</p><p><b>

21、　　（3）環(huán)岸和環(huán)槽</b></p><p>　　活塞環(huán)側隙在不產生上述損傷的情況下愈小愈好，目前，第一環(huán)與環(huán)槽側隙一般為0.05~0.1mm，二、三環(huán)適當小些，為0.03~0.07mm，油環(huán)則更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機油消耗量，側隙確定油環(huán)槽中必須設有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)?，回油孔對降低機油消耗量有重要意義，</p><p>　?。?）環(huán)岸的強度校核&

22、lt;/p><p>　　專門的試驗表明，當活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力時，，，</p><p>　　已知=4.5，則，， </p><p>　　環(huán)岸是一個厚、內外圓直徑為、的圓環(huán)形板，沿內圓柱面固定，要精確計算固定面的應力比較復雜，可以將其簡化為一個簡單的懸臂梁進行大致的計算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直徑，環(huán)槽深為：</p><p>

23、　　于是作用在岸根的彎矩為</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于</p><p>　　所以環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應力</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p><b>　　同理

24、得剪切應力為：</b></p><p><b>　　（3.3）</b></p><p><b>　　接合成應力公式為：</b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　考慮到鋁合金在高溫下的強度下降以及環(huán)岸根部的應力集中，鋁合金的許用應力

25、，，校核合格。</p><p>　　2.1.2 活塞裙部的設計</p><p>　　把活塞裙部的橫斷面設計成與裙部變形相適應的形狀。在設計時把裙部橫斷截面制成長軸是在垂直與活塞銷中心線方向上，短軸平行于銷軸方向的橢圓形。常用的橢圓形狀是按下列公式設計的：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　

26、　式中、分別為橢圓的長短軸</p><p>　　缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。</p><p><b>　　1、裙部的尺寸</b></p><p>　　裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計算：</p><p><b>　　（3.5）</b></p><p&g

27、t;　　式中：—最大側作用力，由動力計算求得，=2410.83</p><p><b>　　—活塞直徑，；</b></p><p><b>　　—裙部高度，。</b></p><p><b>　　取。</b></p><p><b>　　則 </b><

28、;/p><p>　　一般發(fā)動機活塞裙部比壓值約為，所以設計合適。</p><p>　　2.2 活塞銷的設計</p><p>　　2.2.1 活塞銷的結構、材料</p><p>　　1、活塞銷的結構和尺寸</p><p>　　活塞銷的結構為一圓柱體，中空形式，可減少往復慣性質量，有效利用材料?；钊N與活塞銷座和連桿小頭襯套孔

29、的連接配合，采用“全浮式”?；钊N的外直徑，取，活塞銷的內直徑，取活塞銷長度，取</p><p><b>　　2、活塞銷的材料</b></p><p>　　活塞銷材料為低碳合金鋼，表面滲碳處理，硬度高、耐磨、內部沖擊韌性好。表面加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好。</p><p><b>　　2.3 活塞銷座</b>

30、;</p><p>　　2.3.1 活塞銷座結構設計 </p><p>　　活塞銷座的內徑，活塞銷座外徑一般等于內徑的倍，取，</p><p>　　活塞銷的彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷—銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設計成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為，但當制造精度有保證時，兩邊共就足夠了，取間隙為。</p><p>　　2.4

31、 活塞環(huán)設計及計算</p><p>　　2.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設計</p><p>　　該發(fā)動機采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。</p><p>　　活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度、環(huán)的徑向厚度。氣環(huán)，油環(huán)，取，，。活塞環(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當缸徑為時，，取。</p><p><b>　　2.5 本章小

32、結 </b></p><p>　　在活塞的設計過程中，分別確定了活塞、活塞銷、活塞銷座和活塞環(huán)的主要的結構參數(shù)，分析了其工作條件，總結了設計要求，選擇合適的材料，并分別進行了相關的強度和剛度校核，使其符合實際要求。</p><p>　　第3章 連桿組的設計</p><p><b>　　3.1 連桿的設計</b></p>

33、<p>　　3.1.1 連桿的工作情況、設計要求和材料選用</p><p><b>　　1、工作情況</b></p><p>　　連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復運動，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉運動。因此，連桿體除有上下運動外，還左右擺動，做復雜的平面運動。</p><p><b>　　2、設計要求 &

34、lt;/b></p><p>　　設計連桿的一個主要要求是在盡可能輕巧的結構下保證足夠的剛度和強度。為此，必須選用高強度的材料；合理的結構形狀和尺寸。</p><p>　　3.1.2 連桿長度的確定</p><p>　　設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，，則。</p><p&

35、gt;　　3.1.3 連桿小頭的結構設計</p><p>　　1、連桿小頭的結構設計</p><p>　　連桿小頭主要結構尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內徑和小頭寬度已在活塞組設計中確定，，。</p><p>　　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，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。</p>&l

36、t;p>　　3.1.4 連桿桿身的結構設計</p><p>　　1、連桿桿身結構的設計</p><p>　　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。</p><p>　　3.1.5 連桿大頭的結構設計與強度、剛度計算</p><p>　　1、連桿大頭的結構設計與主要尺寸&l

37、t;/p><p>　　連桿大頭的結構與尺寸基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、在曲軸設計中確定，，，則大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。</p><p>　　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，為了提高連桿大頭結構剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側壁厚不小于2毫米，取3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

38、。</p><p>　　3.2 連桿螺栓的設計</p><p>　　3.2.1 連桿螺栓的工作負荷與預緊力</p><p>　　根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計，取。</p><p><b>　　3.3 本章小結</b></p><p>　　本章在設計連桿的過程中，首先分析了連桿的工作情況，

39、設計要求，并選擇了適當?shù)牟牧希缓蠓謩e確定了連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭的主要結構參數(shù)，并進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)工作負荷和預緊力選擇了連桿螺栓，并行檢驗校核。</p><p><b>　　第4章 曲軸的設計</b></p><p>　　4.1 曲軸的結構型式和材料的選擇</p><p>　　4.1.1 曲軸的工

40、作條件和設計要求</p><p>　　曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復和旋轉運動質量的慣性力以及它們的力矩作用下工作的，使曲軸既扭轉又彎曲，產生疲勞應力狀態(tài)。</p><p>　　4.1.2 曲軸的結構型式</p><p>　　曲軸的設計從總體結構上選擇整體式，它具有工作可靠、質量輕的特點，而且剛度和強度較高，加工表面也比較少。為了提高曲軸的彎曲剛度和強度，采

41、用全支撐半平衡結構[11]，即四個曲拐，每個曲拐的兩端都有一個主軸頸，如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 曲軸的結構型式</p><p>　　4.2 曲軸的主要尺寸的確定和結構細節(jié)設計</p><p>　　4.2.1 曲柄銷的直徑和長度 </p><p>　　對于汽油機，，為氣缸直徑，已知=80.985，則，曲柄銷直徑取為=0.6

42、0=48。</p><p>　　曲柄銷的長度是在選定的基礎上考慮的。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作能力出發(fā)，應使控制在一定范圍內，同時注意曲拐各部分尺寸協(xié)調，根據(jù)統(tǒng)計/=，取=0.6=28.8。</p><p>　　4.2.2 主軸頸的直徑和長度</p><p>　　從曲軸各部分尺寸協(xié)調的觀點，建議取，取=1.2=57.6。</p><p>

43、;　　由于主軸承的負荷比連桿軸承輕，主軸頸的長度一般比曲柄銷的長度短，這樣可滿足增強剛性及保證良好潤滑的要求。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計，取=0.3mm=24。</p><p><b>　　4.2.3 曲柄</b></p><p>　　為了能最大限度地減輕曲軸的重量，并減小曲柄相對于主軸頸中心的不平衡旋轉質量，將曲柄上肩部多余的金屬削去。根據(jù)

44、統(tǒng)計，曲柄的寬度，取，厚度，取。</p><p>　　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。</p><p>　　曲柄銷和主軸頸至曲柄臂凸肩的過渡圓角對應力集中程度影響最大，加大圓角半徑可使圓角應力峰值降低，故宜取大，至少不能小于0.05或2.5，取=3。</p><p><b>　　4.3 本章

45、小結</b></p><p>　　本章首先分析了曲軸的工作條件和設計要求，在合理選擇材料的基礎上，對曲軸的各個部分進行結構參數(shù)的設計，并進行有關的尺寸校核，使其符合實際加工的要求，還對曲軸的一些細節(jié)進行了設計，如油孔的位置以及曲軸的軸向定位等問題，給予了合理的解釋，最后對曲軸進行了疲勞強度校核。</p><p>　　第5章 曲柄連桿機構的創(chuàng)建</p><p&

46、gt;　　運用UG軟件分別對曲柄連桿機構的各個零件進行模型的建立，具體步驟如下：</p><p><b>　　5.1 活塞的創(chuàng)建</b></p><p><b>　?。?）創(chuàng)建草圖；</b></p><p><b>　?。?）旋轉；</b></p><p><b>　

47、　（3）打孔；</b></p><p><b>　?。?）制作倒角；</b></p><p><b>　?。?）得到活塞圖。</b></p><p><b>　　5.2 連桿的創(chuàng)建</b></p><p><b>　　創(chuàng)建草圖 ；</b><

48、;/p><p><b>　　拉伸；</b></p><p><b>　　通過拉伸打孔；</b></p><p><b>　?。?)得到連桿圖。</b></p><p><b>　　5.3 曲軸的創(chuàng)建</b></p><p><b&

49、gt;　?。?）創(chuàng)建草圖；</b></p><p>　?。?）拉伸得到平衡塊；</p><p>　?。?）創(chuàng)建草圖并拉伸得到主軸頸；</p><p>　?。?）依次拉伸得到曲軸。</p><p>　　第6章 曲柄連桿機構靜力學分析</p><p>　　6.1活塞的靜力分析過程</p><

50、p>　　1.打開ANSYS，添加活塞材料：硅鋁合金 2.在ANSYS中生成活塞模型</p><p>　　網格劃分，施加約束和載荷</p><p><b>　　運算查看結果</b></p><p>　　6.2 連桿靜力分析過程</p><p>　　1.添加材料：優(yōu)質中碳鋼 55</p>&

51、lt;p>　　在ANSYS中生成連桿模型</p><p>　　網格劃分，施加約束和載荷</p><p><b>　　4.運算結果</b></p><p><b>　　結　　論</b></p><p>　　在完成整個設計過程后，總結了以下結論：</p><p>　　（1）

52、首先經過幾種方案的比較，最終確定了設計方案，本設計以捷達作為參照，確定了相關參數(shù)，以便進行下一步的設計計算。</p><p>　　（2）以傳統(tǒng)運動學和動力學的理論知識為依據(jù)，對曲柄連桿機構的受力進行了系統(tǒng)的分析，并以此作為零件強度、剛度和和磨損等問題的依據(jù)。在此基礎上，又進行了動力學方面的理論分析，重點分析了活塞的運動規(guī)律。</p><p>　?。?）對曲柄連桿機構的主要零部件曲軸、活塞、