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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 课程设计任务书学 院 汽车与交通学院 专 业 热能与动力工程同学姓名 班级学号课程设计题目 汽油机曲柄连杆机构设计连杆实践教案要求与任务 :1. 设计参数求： Pe=33.5kW/5000rp ；D=65mm ；c 8 8. 参考 2. 设计内容及要求：1）选取基本参数、热运算、绘制示功图（1）利用 EXCEL 或其他程序语言进行近似热运算,得到理论地 示功图地数据 .（2）以该数据为依据,在坐标纸 01 上绘制理论地 示功图,并对其进行修正,得到实际地 示功图 .（3）将 图转换成 图,绘制在坐标纸 02 上.2）零部件设计（1）独立设计该汽
2、油机地连杆,用 质量 .CATIA 软件绘出三维实体模型,求出其质心位置和当量（2）将三维图形转换成二维地工程图,并正确标注尺寸、粗糙度、公差等,并以 A1 地图纸打印 .3）动力运算.T、法向力K 随曲（1）运算活塞位置移、速度和加速度,并绘制曲线图附在设计说明书中（2）活塞连杆作用力分析,将往复运动惯性力Pj、侧压力 PN、切向力轴转角地变化曲线附在设计说明书中.（3）运算曲柄销载荷和连杆轴承载荷,并将图形附在设计说明书中4）设计说明书 . 其中包括：（1）成果评定表、课程设计任务书；（2）汽油机设计指标及其参数地选定；（2）热运算过程；（ 3）零部件设计过程；（4）动力运算过程；（5）附
3、录（程序或用 EXCEL 地运算表格）工作方案与进度支配 :1. 选取基本参数、热运算、绘制示功图 5 天2. 零部件设计 6 天3. 3D 建模 2 天4. 动力运算 2 天5. 编写设计说明书 2 天6. 答辩 1 天名师归纳总结 指导老师：2022 年 12 月 21 日专业负责人：学院教案副院长：2022 年 月 日第 1 页,共 34 页2022 年 12 月 21 日- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录1 汽油机设计参数-22 汽油机基本结构参数选用-33 近似热运算 -4 3.1 燃料燃烧热学运算-4 3.2 换气过程运算 -4 3.
4、3 压缩过程运算 -5 3.4 燃烧过程运算 -6 3.5 膨胀过程运算 -8 3.6 示功图绘制 -9 3.7 汽油机性能指标运算-10 4 连杆三维建模 -11 4.1 连杆基本尺寸 -11 4.2 连杆地建模过程-114.3 连杆大头盖地建模过程-145 动力运算 -175.1 活塞位移、速度、加速度-175.2 活塞连杆作用力分析-185.3 曲柄销载荷和连杆轴承载荷-206 参考文献 -22 附录名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 汽油机设计参数1、功率 Pe有效功率是汽油机基本性能指标 机有效功率 P
5、e=33.5 kw.2、转速 n.Pe 由汽油机地用途选定,任务书已经指定所需汽油转速地选用既要考虑被汽油机驱动地工作机械地需要,也要考虑转速对汽油机自身工作地影响 .任务书已经指定所需汽油机转速 n=5000 r/min.3、冲程数 本设计中地车用汽油机都采纳四冲程,即 =4.4、平均有效压力 pme平均有效压力 pme 表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做地有效功,是汽油机地强化指标之一,一般车用汽油机地平均有效压力为 0.9MPa 1.2 MPa,这里取 pme =0.93 MPa. 5、有效燃油消耗率be.四冲程车用汽油机250g/kw h380g/kw h.这是汽油机最重要地经济性
6、指标2 汽油机基本结构参数选用名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 有效功率运算公式：P ep meiVsn（2.1）301、气缸直径 D气缸直径 D 地选取影响汽油机地尺寸和重量,仍影响汽油机地机械负荷和热负荷 .本设计任务书规定了车用汽油机地气缸直径 D=65 mm.2、活塞行程 S增大活塞行程 S 使活塞平均速度 vm s n / 30 提高,机械负荷加大,一般车用汽油机 vm 10 15 m / s,同时 S 也是汽油机基本结构指标 S/D 地打算因素,车用汽油机地S/D=0.7 1.2,校核所设计地汽油机地
7、vm 和 S/D 地值 .即 vm s n / 30 0 . 065 5000 / 30 =10.83 m/s 符合要求S/D=65/65=1 符合要求3、气缸数i 及气缸排列方式D 地值, S 确定后,满意功率要求可通过转变气缸数i 实现,由于设计任务书已指明所以采纳 4 缸直列排布 .4、连杆长度L 与曲柄连杆比 =r/L连杆长度加大,会使汽油机总高度增加；虽然连杆摆角减小,侧压力减小,但成效不明显；而且连杆重量加大,往复运动质量惯性力加大.因而尽量采纳短连杆,目前一般 值在 1/41/3.2 之间,取 =1/3.5.就 2r=65,r/L=1/3.5 即 L=113.75 mm ,r=3
8、2.5 mm5、气缸中心距l0 及其与气缸直径之比l0/Dl0/D 影响汽油机地长度尺寸和重量指标,设计时力求缩小l0/D 地值 .l0/D 值地影响因素可从曲轴中心线方向地尺寸安排和气缸上部地尺寸安排两方面分析,一般其值为 1.251.35,取 l0/D=1.3 ,就 l0 =1.3 65=84.5 mm6、压缩比 c选用压缩比 c也就是选用燃烧室容积 .选用压缩比时要考虑汽油机地经济性能、工作牢靠性、爆燃等 .任务书给定车用汽油机地 c=8.8依据有效功率运算可得 Vs=0.216 L就 1+Vs/Vc=8.8 得 Vc=0.028 L3 近似热运算名师归纳总结 - - - - - - -
9、第 4 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.1 燃料燃烧热化学运算1 理论空气量L001gcgHgO（3.1）L0.0 2112432燃料采纳轻汽油1.08550.1450. 000=0.512 千摩尔 /千克汽油 .2112432go0 . 000gc.0 855,gH.0145,汽油低热值 Hu=44100 千焦 /千克燃料2 新奇空气量M110 .90.5121=0.47（千摩尔 /千克 M1aL0m r114其中a 过量空气系数,a0 . 85.0 96,取a=0.9；mr1143 燃烧产物 M2M2M1gHgo00 .470.1450.0 .000=
10、0.506 千摩尔 /千克 4324324 理论分子变更系数0.506=1.0770. 06=1.073 0M205 实际分子变更系数M10 .47 11.077r11r106其中, r 残余废气系数,3.2 换气过程运算 r = 0.04 0.10,取 r =0.06名师归纳总结 1 排气压力（气缸内废气压力）Pr取 Pr =1.1 0 =0.1 1 MPa第 5 页,共 34 页Pr 1. 051.15 p02 气缸内排气温度（残余废气温度）Tr取 Tr =1000 K Tr = 900 1200（K）3 进气终点压力Pa取 Pa =0.85 0 =0.085 MpaPa.0 750 .
11、9 p 04 进气终点温度Ta- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - T a370400（K）取 Ta =380 K5 充量系数（充气效率）c1T 0888.10 .811. 06=0.85ccc1P aT 01P 0T ar.80其中P aT00.75.09之间,取P a8.0,可求得 To =357.65KP 0TaP 0T ac0 0 . 9,体会证符合要求.3.3 压缩过程运算1 平均多变压缩指数 n1n1=1.32 1.38 取 n1 =1.35 2 压缩过程中任意曲轴转角 cx时地压力 P 画示功图时用 V ca n 1P cx P a （MPa
12、）（3.2）V cx其中： Vca 进气终点气缸容积 .2 2V ca V s c 4 D Sc 4 0 . 065 .0 065.8 8 =0.2433 Lc 1 c 1 8 8. 1Vcx 对应于 cx时地气缸容积 .2 2V cx D r 1 cos cx sin cx V c（3.3）4 2式中： r 曲柄半径, r=S/2； 曲柄连杆比, =r/L.运算结果见附录表 A1 3 压缩终点充量地状态参数压力：P cbP acn 110 .0858 .1 8.35=1.6 MPa温度：T cbTacn 11=813.49 K38088.1353.4 燃烧过程运算名师归纳总结 1 热量利用系
13、数 Z.由于不完全燃烧、传热缺失、第 6 页,共 34 页热量利用系数 Z表示燃烧热量被工质吸取多少地程度- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 高温分解、节流缺失等因素,燃料燃烧所发出地热量中只有一部分被工质吸取 .燃烧终点地热量利用系数 Z在此范畴内选取： Z=0.800.95,取 Z=0.92 燃烧最高温度 T Z1）工质地平均等容摩尔热容 C m 和平均等压摩尔热容 C m 间有如下关系： C p m C v m 8 . 314 kJ/kmol K （3.4）工质地平均等压摩尔热容 C m 按以下方法运算：查图法：由下图按过量空气系数查出 .图 3.
14、1 燃烧产物和平均等压摩尔比热与温度地关系不同a时,石油燃料完全燃烧产物和空气（a）地平均等压摩尔比热C m与温度地关系C m在 Tcb=813.49K a时利用插值法进行运算,运算步骤如下：选用 673K 和 873K 进行运算873-673=20030.43-29.797=0.6330.633/200=3.165 10-3813.49-673=140.49名师归纳总结 C m=3.165 10-3 140.49+29.797=20.242第 7 页,共 34 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - CvmCpm8 . 313 =20.242-8.313
15、=21.929 C m 在 Tcb=813.49K a 0 9. 时利用插值法进行运算,运算步骤如下：同理按上步插值法可以求出 C m =33.045 C v m C p m 8 . 313 =24.732 C vcb m C v m r C v m= 21 . 929 0 6. 34 . 732=22.087 （KJ/Kmol*K ）1 r 1 0 . 062）燃烧方程z H H C vcb m T cb 1 C vz m T Z（3.5） 1 r M 1H =61100（1-a）0 . 9 44100 61100 1 0 . 9 22 . 087 813 . 49 .1 073 C m T
16、 Z 1 0 . 6 .0 4780705.143= C m T Z误差不超过 5%,就 76669.88684740.4= C m T Z3）燃烧最高温度 T 地运算利用燃烧方程式,T 采纳试凑法求解,即先假设一个 T ,由过量空气系数求出 C vZ m,然后代入燃烧方程,反复试算,直到方程两边地值相差在 5%以内 .运算步骤如下：先假设 2000K 利用插值法算出每一温度地 C m 值,再由上式算出 Tz 与 C m 乘积表 3.1 插值法数据名师归纳总结 Tz（ K）C mTzC m第 8 页,共 34 页2000 29.397 58.794 2073 29.457 61064.361
17、2100 29.467 61880.7 2173 29.662 64455.526 2273 29.864 67880.872 2473 30.274 74867.602 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2500 30.329 75822.5 2600 30.534 79389.31 2673 30.684 82022.331 有表格可以看出,2600K 时最接近 80705.143,就 Tz=26003 压力上升比一般汽油机1T Z1.07326003.429T cb813.492 .04 .0,所以符合要求.4 燃烧最高压力p z1 .6=5.4
18、91 MPapzP cb3 .429一般汽油机pz38.5MPa,所以符合要求.3.5 膨胀过程运算1 平均多变膨胀指数n 21 . 23.128取 n2 =1.252 膨胀过程中任意曲轴转角bx时地气体压力P （供画示功图时用）P bxpzV Z V bxn 2（3.6）运算结果见附录表A23 膨胀过程终点状态参数压力：P bpzV ZV bn2pz/n 2c=5.4910.362 MPa8 .8 1 .25温度：T bT ZV ZV bn 21Tz/n c21=88.26001 1059.57 K 1. 253.6 示功图绘制1 理论示功图绘制依据各过程运算结果可以绘制出汽油机实际循环地理
19、论示功图,其中,燃烧过程按等容过程绘制 .名师归纳总结 理论示功图地理论循环指示功c1L 按下式运算：11V s（3.7）第 9 页,共 34 页L 1p cb1n 21 11n 111 1n2n 1cc- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 1.613.42918.11111 18110. 2168 .81 .2511 8. 25. 358.135 =0.219按示功图上纵横坐标比例：压力值/格,容积值 /格,可以算出L 对应地方格数S =178.2 实际示功图绘制理论示功图没有考虑以下因素地影响,因而必需进行修正得到实际地示功图：1）没有考虑进排气过程.
20、虽然泵气缺失并入机械缺失,不计入指示功,但为了示功图完整,依据进气终点压力P 和排气压力rP 近似画出进排气过程线.2）点火提前地影响：压力急剧上升应当从上止点前就开头3）燃烧规律地影响：燃烧过程压力线应连续、圆滑,燃烧最高压力应显现在上止点后 1215 之间 .4）排气阀提前开启地影响：在下止点前压力就开头下降,即压力线圆滑过渡到排气线.整个过程地换气也应修圆 .修圆后实际示功图地循环指示功比理论示功图小 .运算因修圆而削减地方格数 S =5,即可求出示功图地丰满系数 f.f S 0 S 1 178 5 97 2. %S 0 178一般 f 0 . 92 0 . 99,经检查示功图地丰满系数
21、在该范畴之内 ,符合要求 .3 p 示功图地绘制由 p V 示功图转换成 p 示功图 .1）运算法转换：对于任意曲轴转角,有气缸容积 V2V D r 1 cos sin 2 V c（3.8）4 22）作图法转换：按下图所示方法进行转换 .2 21 D 1 1 0 . 65图中：偏移量 V r 0 . 325 0.0154 L2 4 2 3 . 5 43.7 汽油机性能指标运算名师归纳总结 1 平均指示压力p mipmifL i0.9720 .219=0.986 MPa第 10 页,共 34 页V s0 .216- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2 指示
22、功iP 、指示热效率i和指示耗油率ibPpmiVsin0.9860. 216445000=35.5 kWeP 和 .3030i8 . 314aL 0T 0pmi8.3140 .90.512357.650.986=0.322HuP 0c441000.10. 85汽油机指示热效率i0 . 30.0 40,即符合要求 .b i360010 33600103=226.13 g/kwhiHu0 .322441003 机械效率m四冲程汽油机地m.0800 . 90之间,取m=0.90.4 有效功率P 、有效热效率e、平均有效压力pme及有效油耗率b eP eP im35.509.=31.95 KWp me
23、pmim0 .9860 .9=0.887 MPaeim0 .32209.=0.29b eb im253 .320 . 9=281.69 g/kwh四冲程汽油机eb250380g/kwh ,e.020 . 3,即符合要求 .运算出地p me与任务书给定地P 和运算开头时假定地p me地误差不超过5%,所以也符合要求4 连杆三维建模4.1 连杆基本尺寸名师归纳总结 1 连杆小头孔径 d 和宽度B 1.22 mm48 5. mmB220 mm第 11 页,共 34 页d118 mm12mm d 1d 1211822B 11 . 21 . 4d1.1 215 5.18 . 6 mm2.15其中d 为活
24、塞销直径；1为连杆小头衬套厚度.2 连杆大头孔径 D 和宽度B2D 245 . 5 mm2.1 5 mm D 2D 22245 5.其中D 为曲柄销地直径；2为连杆轴瓦地厚度3 工字形断面地平均高度H、宽度 B- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - HD02.03.,取H13mm；HB1.41.8,取B9mm4.2 连杆地建模过程1 打开建模界面：开头机械设计 零件设计2 挑选 xy 平面进入到草图界面,挑选圆命令,先画一个圆心在原点,半径为 24.25mm地圆,再画一个圆心在原点,半径为32mm 地圆,选直线命令,画一条过原点,长为80mm 地直线,然后删
25、除余外线,退出草图,选凸台,进行镜像拉伸,长度为 10mm ,如图 4.1 所示 .图 4.1 连杆大头3 建 立 连 杆 小 头 , 点 击 xy 平 面 , 进 入 草 图 , 选 择 圆 命 令 , 画 一 个 圆 心 在（113.75,0）,半径为 14mm 地圆,退出草图,建立两个偏移平面,分别偏移 xy 平面正向9.3mm,负方向 9.3mm,然后选第一个偏移平面,进入草图,画一个圆心为（113.75,0）,半 径 为 14mm 地 圆 , 退 出 草 图 , 选 第 二 个 偏 移 平 面 , 进 入 草 图 , 画 一 个 圆 心 为（113.75,0）,半径为 14mm 地圆
26、,建立多截面实体,依次选中三个圆,即可得到圆柱实体,如图 4.2 所示 .名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4.2 连杆小头4 点击xy 平面,进入草图,挑选圆命令,画圆心为（113.75,0）,半径为11mm 地圆,退出草图,挑选凹槽命令,凹槽镜像尺寸为11mm,如图 4.3 所示 .图 4.3 连杆小头5 挑选 xy 平面,进入草图,建立封闭曲线,两条直线与H 轴夹角为3,退出草图,凸台镜像距离4.5mm, 如图 4.4 所示 .图 4.4 杆身6 点击刚建立地凸台平面,进入草图,建立封闭曲线,两直线与刚
27、建立凸台地边线平名师归纳总结 行,退出草图,选凹槽命令,凹槽深3mm,关于 xy 面镜像凹槽,如图4.5 所示 .第 13 页,共 34 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4.5 杆身7 点击 yz 平面进入草图,点击圆命令,画一个圆心为（33,0）,半径为6 圆,关于 V轴镜像,得到另一个圆,退出草图,挑选凸台命令,凸台16mm,如图 4.6 所示 .图 4.6 螺栓孔座8 挑选 yz 平面进入草图,挑选圆命令,画一个圆心为（33,0）,半径 4.5mm 地圆,关于 V 轴镜像 ,退出草图,挑选凹槽命令,深度 16mm, 如图 4.7 所示 .
28、图 4.7 螺栓孔名师归纳总结 9 最终结果如图4.8 所示,并储存 .第 14 页,共 34 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4.8 连杆4.3 连杆大头盖地建模过程1 挑选 xy 平面进入到草图界面,挑选圆命令,先画一个圆心在原点,半径为 24.25mm地圆,再画一个圆心在原点,半径为32mm 地圆,选直线命令,画一条过原点,长为80mm 地直线,然后删除余外线,退出草图,选凸台,进行镜像拉伸,长度为 10mm ,如 图 4.9 所示 .图 4.9 连杆大头名师归纳总结 2 点击 yz 平面进入草图,点击圆命令,画一个圆心为（33,0）,半
29、径为6mm 圆,关第 15 页,共 34 页于 V 轴镜像,得到另一个圆.退出草图,挑选凸台命令,凸台16mm,如图 4.10 所示 .- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4.10 螺栓孔座3 挑选 yz 平面进入草图,挑选圆命令,画一个圆心为（33,0）,半径 4.5mm 地圆,关于 V 轴镜像,退出草图,挑选凹槽命令,深度 16mm,如图 4.11 所示 .图 4.11 螺栓孔4 最终结果如图 4.12 所示,并储存 .图 4.12 连杆大头盖名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - -
30、- - - 5 动力运算5.1 活塞位移、速度、加速度对于活塞位移、速度和加速度地运算,由于周期性,只运算 0360 度即可 .x R 1 cos 1 1 cos（5.1）名师归纳总结 其中：n 30vRrsin2 cos（5.2）（5.3）第 17 页,共 34 页cosaR2coscos3 cos,B1,rS,arcsinsin. l2运算结果见附录表- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 依据运算结果画出X 、V、a随地变化曲线0.070.06 0.05Xm0.04X0.030.020.010050100150200250300350400 图 5.1
31、 活塞位移变化20 15 10 5Vm/s0050100150200250300350400V-5-10-15-20 图 5.2 活塞速度变化名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 14000 12000 10000 8000 6000am2/s4000a20000-2000050100150200250300350400-4000-6000-8000 图 5.3 活塞加速度变化5.2 活塞连杆作用力分析1 基本作用力气体力：P gPP gd2（ 5.4）P图中地压力4其中 ： P 取自然运算结果,即修正后地实际缸内压
32、力值,也就是值,每个 5 度曲轴转角取一个；P 为曲轴箱内地气体压力,近似取100 千帕 .运动零件惯性力活塞组换算质量：连杆组换算质量：小头换算质量：大头换算质量：实际质量m =0.197kg按两质量系统考虑mc =0.326 kg l=160 mmm calbmc580. 326=0.118 kgl160m cblam c1020. 326=0.208 kgl160往复运动惯性力：P jmja mpm caa,其中 a 是活塞运动地加速度连杆大头离心惯性力：P rcm cbR2.0208.00325523 . 6 2=1853 N2 连杆作用力名师归纳总结 设PP gP jP g mpm caa就有：a（5.5）第 19 页,共 34 页连杆小头气缸中心线方向作用力：P gmp- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 垂直气缸中心线方向（侧压力）：PNPtg,其中arcsinsin连杆大头曲柄旋转方向（切向力）：TPsincb（5.6）cos曲柄法向（法向力）：ZPcosP rcKmR2（5.7）cos习惯上令：KPcos（5.8）cos运算结果见