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1、 课程设计任务书 学 院汽车与交通学院专 业热能与动力工程学生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学要求与任务:1. 设计参数求：Pe=33.5kW/5000rp；D=65mm；(参考)2. 设计内容及要求：1）选取基本参数、热计算、绘制示功图（1）利用EXCEL或其他程序语言进行近似热计算，得到理论的示功图的数据。（2）以该数据为依据，在坐标纸01上绘制理论的示功图，并对其进行修正，得到实际的示功图。（3）将图转换成图，绘制在坐标纸02上。2）零部件设计（1）独立设计该汽油机的连杆，用CATIA软件绘出三维实体模型，求出其质心位置和当量质量。（2）将三维图形转换成二维的工
2、程图，并正确标注尺寸、粗糙度、公差等，并以A1的图纸打印。3）动力计算（1）计算活塞的位移、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T、法向力K随曲轴转角的变化曲线附在设计说明书中。（3）计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）成绩评定表、课程设计任务书；（2）汽油机设计指标及其参数的选定；（2）热计算过程；（3）零部件设计过程；（4）动力计算过程；（5）附录（程序或用EXCEL的计算表格）工作计划与进度安排:1. 选取基本参数、热计算、绘制示功图 5天2. 零部件设计 6天3
3、. 3D建模 2天4. 动力计算 2天5. 编写设计说明书 2天6. 答辩 1天指导教师： 2012年12月21日专业负责人：2012年12月21日学院教学副院长：2012年 月 日目 录1 汽油机基本结构参数选定-3 1.1内燃机设计的基本要求- 1.2汽油机基本结构参数选定-2近似热计算-42.1燃料燃烧热学计算-42.2换气过程计算-42.3压缩过程计算-52.4燃烧过程计算-62.5膨胀过程计算-82.6示功图绘制-92.7汽油机性能指标计算-103 曲轴三维建模-113.1曲轴基本尺寸-113.3曲轴的建模过程-113.4曲轴的二维图绘制-174 动力计算-194.1活塞位移、速度、
4、加速度-204.2活塞连杆作用力分析-214.3曲柄销载荷和连杆轴承载荷-225 参考文献-23附录1 汽油机基本参数的选定1.1内燃机设计的基本要求1、纪律要求：（1）禁止相互抄袭，一经发现，设计不能通过。（2）平时占总成绩的30%，包括出勤和答疑。2、基本业务要求：（1）仔细阅读内燃机课程设计指导书，按指导书规定步骤进行设计，保质保量完成任务书规定的内容。（2）计算过程中选用的参数必须在常用的范围之内，曲轴转角每5取一个计算点，计算结果保留四位有效数字，且误差应在5%以下。（3）允许用计算机进行计算，但禁止程序相互转用，并且必须在说明书后附上自编的源程序。（4）所画图纸必须符合标准，图线、
5、图面整洁美观、配置合理。标注的尺寸、精度、粗糙度、形位公差等齐全、正确。总体尺寸、技术条件、件号标注等齐全。标题栏、明细表按国家规定绘制。汉字采用仿宋体书写，汉字、数字大小相同。（5）设计说明书要求内容完整、图表规范、清晰，不少于6000字。1.2汽油机基本结构参数选用1、功率Pe有效功率是汽油机基本性能指标。Pe由汽油机的用途选定，任务书已经指定所需汽油机有效功率Pe=134kw。2、转速n转速的选用既要考虑被汽油机驱动的工作机械的需要，也要考虑转速对汽油机自身工作的影响。任务书已经指定所需汽油机转速n=6000 r/min。3、冲程数 本设计中的车用汽油机都采用四冲程，即=4。4、平均有效
6、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的有效功，是汽油机的强化指标之一，一般车用汽油机的平均有效压力为0.9MPa1.2 MPa，这里取pme =1.15MPa。 5、有效燃油消耗率be这是汽油机最重要的经济性指标。四冲程车用汽油机250g/(kwh)380g/(kwh)。 有效功率计算公式： 可知由于、n、已选定，则汽油机的总排量也已选定，下一步设计应选定汽油机的基本结构参数：气缸直径、活塞行程S、缸数i及其它一些参数。6、气缸直径D气缸直径D的选取影响汽油机的尺寸和重量，还影响汽油机的机械负荷和热负荷。本设计任务书规定了车用汽油机的气缸直径D=93mm。7、活塞
7、行程S增大活塞行程S使活塞平均速度提高，机械负荷加大，一般车用汽油机，同时S也是汽油机基本结构指标S/D的决定因素，车用汽油机的S/D=0.71.2，校核所设计的汽油机的vm和S/D的值。即=0.084*6000=17 m/s 符合要求 S/D=84/93=0.9 符合要求8、气缸数i及气缸排列方式由于设计任务书已指明D的值，S确定后，满足功率要求可通过改变气缸数i实现，所以采用4缸直列排布。9、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，但效果不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。因而尽量采用短连杆，目前一般值在1/41/3.2
8、之间，取=0.3。则2r=84mm，r/L=0.3 即L=140 mm，r=42mm10、气缸中心距l0及其与气缸直径之比l0/Dl0/D影响汽油机的长度尺寸和重量指标，设计时力求缩小l0/D的值。l0/D值的影响因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析，水冷汽油机干缸套或无缸套一般其值为1.1-1.2湿缸套时其值为1.2-1.25；。取l0/D=1.2，则l0 =1.293=111.6.mm11、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的经济性能、工作可靠性、爆燃等。任务书给定车用汽油机的c在811.取压缩比为10.2 近似热计算2.1 燃料燃
9、烧热化学计算1 理论空气量L0 （3.1） =0.5119(千摩尔/千克汽油)燃料采用轻汽油，汽油低热值 Hu=44100千焦/千克燃料2 新鲜空气量M1=0.4695（千摩尔/千克)其中 过量空气系数，取=0.9；3 燃烧产物M2 =0.5058(千摩尔/千克)4 理论分子变更系数0=1.085 实际分子变更系数1=1.08其中，r残余废气系数，r = 0.040.10，取r =0.062.2 换气过程计算1 排气压力（气缸内废气压力）Pr 取Pr =1.10 =0.12MPa2 气缸内排气温度（残余废气温度）TrTr = 9001200（K） 取Tr =1000 K 3 进气终点压力Pa
10、取Pa =0.09 Mpa4 进气终点温度Ta（K） 取Ta =350 K5 充量系数（充气效率） =0.84其中 之间，取，经验证符合要求。2.3 压缩过程计算1 平均多变压缩指数n1n1=1.321.38 取n1 =1.35 2 压缩过程中任意曲轴转角时的压力(画示功图时用)（MPa） （3.2）其中：Vca进气终点气缸容积。 =0.57LVcx对应于时的气缸容积。 （3.3）式中：r曲柄半径，r=S/2；曲柄连杆比，=r/L。计算结果见附录表 3 压缩终点充量的状态参数 压力：=2.01MPa 温度：=784K2.4 燃烧过程计算1 热量利用系数Z热量利用系数Z表示燃烧热量被工质吸收多少
11、的程度。由于不完全燃烧、传热损失、高温分解、节流损失等因素，燃料燃烧所发出的热量中只有一部分被工质吸收。燃烧终点的热量利用系数Z在此范围内选取：Z=0.800.95，取Z=0.92 燃烧最高温度1）工质的平均等容摩尔热容和平均等压摩尔热容间有如下关系：kJ/(kmolK) （3.4）工质的平均等压摩尔热容按下列方法计算：查图法：由下图按过量空气系数查出。图3.1 燃烧产物和平均等压摩尔比热与温度的关系不同时，石油燃料完全燃烧产物和空气（）的平均等压摩尔比热与温度的关系2）燃烧方程 式中：压缩终点新鲜空气和残余废气混合气的平均等压摩尔热容，按下列方法进行计算：=21.91（KJ/Kmol*K）在
12、783.6k温度下，空气的平均等容摩尔热容。可按求出=29，再由：=21.787求出。在783.6温度下，残余废气的平均等容摩尔热容。可按值求出=33.2，再由：=24.387求出。-对于以1工作的汽油机来说，燃料中一部分热量未能放出。=61100（1-）=6100燃烧方程 （3.5） =80638误差不超过5%。3）燃烧最高温度的计算利用燃烧方程式，采用试凑法求解，即先假设一个，由过量空气系数求出，然后代入燃烧方程，反复试算，直到方程两边的值相差在5%以内。计算步骤如下：先假设2550K算出每一温度的=30.287值，得=81174，误差在5%之内.3 压力升高比3.51一般汽油机，所以符合
13、要求。4 燃烧最高压力 =7.04 MPa一般汽油机38.5MPa，所以符合要求。2.5 膨胀过程计算1 平均多变膨胀指数 取n2 =1.252 膨胀过程中任意曲轴转角时的气体压力（供画示功图时用） （3.6） 计算结果见附录表3 膨胀过程终点状态参数压力：=0.396MPa温度：=1434K2.6 示功图绘制1 理论示功图绘制根据各过程计算结果可以绘制出汽油机实际循环的理论示功图，其中，燃烧过程按等容过程绘制。理论示功图的理论循环指示功按下式计算： （3.7） =0.74kj按示功图上纵横坐标比例：压力值/格，容积值/格，可以算出对应的方格数=13225。2 实际示功图绘制理论示功图没有考虑
14、下列因素的影响，因而必须进行修正得到实际的示功图：1）没有考虑进排气过程。虽然泵气损失并入机械损失，不计入指示功，但为了示功图完整，根据进气终点压力和排气压力近似画出进排气过程线。2）点火提前的影响：压力急剧升高应该从上止点前就开始。3）燃烧规律的影响：燃烧过程压力线应连续、圆滑，燃烧最高压力应出现在上止点后1215之间。4）排气阀提前开启的影响：在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过渡到排气线。整个过程的换气也应修圆。修圆后实际示功图的循环指示功比理论示功图小。计算因修圆而减少的方格数=400，即可求出示功图的丰满系数。一般，经检查示功图的丰满系数在该范围之内,符合要求。3 示功图的绘制由
15、示功图转换成示功图。1）计算法转换：对于任意曲轴转角，有气缸容积 （3.8）2）作图法转换：按下图所示方法进行转换。图中：偏移量0.042L2.7 汽油机性能指标计算1 平均指示压力=1.0896*0.97=1.34kw2 指示功、指示热效率和指示耗油率=153kW=0.38汽油机指示热效率，即符合要求。=215g/(kwh)3 机械效率四冲程汽油机的之间，取=0.86。4 有效功率、有效热效率、平均有效压力及有效油耗率=131KW=1.15MPa=0.3268 =250 g/(kwh)四冲程汽油机250380g/(kwh)，即符合要求。计算出的和与任务书给定的和计算开始时假定的的误差不超过5
16、%，所以也符合要求。 3 曲轴三维建模过程3.1 曲轴基本尺寸1 曲轴主轴颈直径、长度、内径 =（0.650.75D） 取60 L=(0.350.45D) 取 L=24 2 曲轴连杆轴颈直径、长度 =(0.60.65D) 取 =（0.350.45D）取 =3 曲柄厚度H、宽度B、过渡圆角半径 H=(0.20.25D) 取 H= B=(0.81.25D) 取 B= =2 3.2 曲轴的建模过程1 打开建模界面：开始机械设计零件设计2 选择xy平面进入到草图界面，选择圆命令，先画一个圆心在原点，半径为61mm的圆，退出草图，定义拉伸出主轴颈凸台，高度为12mm，如图4.1所示。图3.1 主轴颈3
17、建立曲柄，点击主轴颈凸台平面，进入草图，选择椭圆命令，画一个长轴为120mm短轴为90mm的椭圆，长轴一端与主轴颈轴线距离为39mm，如图3.2所示。图3.2 曲柄椭圆4 退出草图，定义拉伸凸台高度为14mm，如图3.3所示。图3.3 曲柄凸台拉伸5 选择曲柄平面作为底面进入草图，绘制直径为58mm的圆，圆心与曲柄长端距离为21mm，后续退出草图，进行拉伸凸台高度为24mm，如图3.4所示。图3.4 连杆轴颈6 后续重复主轴颈、曲柄、连杆轴颈的绘制过程，直至生成，3个主轴颈，4个曲柄，2个连杆轴颈为止，如图4.5所示。图3.5 曲轴7 点击结构树选择零部件几何体，再点击镜像命令，以XZ面作为镜
18、像平面，生成另一半曲轴，如图3.6所示。图3.6 曲轴8 在曲轴一端的主轴颈平面，点击进入草图页面，以主轴颈轴线为圆心，绘制一个直径为90mm的圆，并退出草图页面，拉伸出凸台高度为10mm法兰盘，如图3.7所示。图3.7 法兰盘9 以法兰盘端面平面作为草图，以法兰盘轴线作为圆心，定义一个半径为70mm的圆，并定义为构造线，再绘制一个圆心在构造线上直径为10mm的圆，之后退出草图，定义凹槽开通空，形成螺栓孔，并进行圆形整列，定义螺栓孔数量为6个，如图3.8和3.9所示。图3.8 螺栓孔图3.9阵列螺栓孔10 采用相同方法定义出直径为6mm的定位销孔，并以法兰盘端面作为开孔平面，开一个直径为30m
19、m，深度为20mm的盲孔，并且底部为V型底，如图3.10所示。图3.10 轴承孔11 在曲轴第一主轴颈上轴面上，定义一点，并生成高度为10mm，螺距为4mm的螺旋线。并以YZ平面进入草图页面，绘制宽度为1.5mm的矩形，退出草图，将矩形与起点相合，选择开槽命令，以定义点为起点，以螺旋线为轴线开槽，生成回油螺纹，如图3.11所示。图3.11 回油螺纹12 以YZ轴作为草图平面，在主轴颈与连杆轴颈顶端中心处连接直线，并使直线与垂直线间角度为61.8。退出草图页面，沿着直线法向建立平面，并进入草图，绘制直径为5.16mm的圆，并退出草图页面，对圆进行开槽拉伸至最后形成油道，其他油道通过相同方法绘制，
20、如图3.12所示。图3.12油道13 以固定端第一个曲柄平面作为偏远平面，向固定端方向偏移25mm创建一平面，进入草图，绘制一个直径为67mm的圆，退出草图平面拉伸出高度为3mm的凸台，生成甩油盘。并在YZ面进入草图，在曲柄边缘绘制角度为15的下切深度为40mm的三角形轮廓，并退出草图使用开凹槽命令生成曲柄斜面，如图3.13和3.14所示。图3.13甩油盘图3.14曲柄斜面 14 其他地方通过圆角与倒角命令进行修饰，最终生成实体曲轴三维图，如图3.15所示。图3.15曲轴三维实体图4 动力计算4.1 活塞位移、速度、加速度 对于活塞位移、速度和加速度的计算，由于周期性，只计算0360度即可。
21、（4.1） （4.2） （4.3）其中： ，。 计算结果见附录表B1根据计算结果画出X、V、a随的变化曲线图4.1 活塞位移变化图4.2 活塞速度变化图4.3 活塞加速度变化4.2 活塞连杆作用力分析1 基本作用力气体力： （4.4）其中 ：取自然计算结果，即修正后的实际缸内压力值，也就是图中的压力值，每个5度曲轴转角取一个；为曲轴箱内的气体压力，近似取100千帕。运动零件惯性力 活塞组换算质量： 实际质量=049kg 连杆组换算质量： 按两质量系统考虑mc =0.858 kg l=140 mm 小头换算质量： =0.185 kg 大头换算质量： =0.673 kg往复运动惯性力 ：，其中是活
22、塞运动的加速度连杆大头离心惯性力：=11147 N2 连杆作用力设 则有：连杆小头气缸中心线方向作用力： （4.5）垂直气缸中心线方向（侧压力）：，其中连杆大头曲柄旋转方向（切向力）： （4.6）曲柄法向（法向力）： （4.7）习惯上令： （4.8）计算结果见附录表B2根据计算结果画出、T、K随的变化曲线 图4.4 T K随的变化曲线43 曲柄销载荷和连杆轴承载荷1 曲柄销载荷曲柄销上作用有切向力和法向力，由作图法画出曲柄销载荷图。 图4.5曲柄销载荷2 连杆轴承载荷用坐标变换法计算： （4.9） （4.10）计算结果见附录表B3 根据计算结果画出连杆轴承载荷图 图4.6 连杆轴承载荷参考文献
23、1 周龙保.内燃机学第3版.北京：机械工业出版社，2010.2 袁兆成.内燃机设计第1版.北京：机械工业出版社，2008.3 陈家瑞.汽车构造第3版. 北京：机械工业出版社，2009. 4 江洪、李仲兴.CATIA基础教程第1版.北京：机械工业出版社，2005.5 柴油机设计手册编写委员会.柴油机设计手册上册.第1版.北京：中国农业机械出版社，1984.附 录表A1 压缩过程压力曲轴转角弧度VcxVca/VcxPcx1803.1415932.440E-010.9971318.467E-021853.2288592.437E-010.9983338.481E-021903.3161262.428
24、E-011.0019568.522E-021953.4033922.414E-011.0080618.593E-022003.4906592.393E-011.0167438.693E-022053.5779252.366E-011.0281468.825E-022103.6651912.334E-011.0424538.991E-022153.7524582.295E-011.0599039.194E-022203.8397242.251E-011.0807869.440E-022253.9269912.201E-011.1054599.732E-022304.0142572.145E-01
25、1.134351.008E-012354.1015242.083E-011.1679751.048E-012404.188792.016E-011.2069471.096E-012454.2760571.943E-011.2520041.151E-012504.3633231.866E-011.3040291.216E-012554.450591.784E-011.3640811.293E-012604.5378561.697E-011.4334341.382E-012654.6251231.607E-011.5136291.487E-012704.7123891.514E-011.60653
26、41.612E-012754.7996551.419E-011.714421.760E-012804.8869221.322E-011.8400551.936E-012854.9741881.225E-011.986822.147E-012905.0614551.127E-012.1588442.402E-012955.1487211.030E-012.3611542.711E-013005.2359889.358E-022.5998313.087E-013055.3232548.442E-022.8821273.548E-013105.4105217.564E-023.2164734.115
27、E-013155.4977876.735E-023.6122334.813E-013205.5850545.965E-024.078915.671E-013255.672325.261E-024.6243766.718E-013305.7595874.633E-025.2514287.976E-013355.8468534.088E-025.951989.445E-013405.9341193.632E-026.6988251.108E+003456.0213863.271E-027.4370551.276E+003506.1086523.011E-028.0813231.427E+00355
28、6.1959192.853E-028.5283771.535E+003606.2831852.800E-028.6892861.574E+00表A2 燃烧过程压力曲轴转角弧度VbxVz/VbxPbx3606.2831852.800E-028.6892861.574E+003656.3704522.853E-020.9814825.364E+003706.4577183.011E-020.9300335.015E+003756.5449853.271E-020.8558884.520E+003806.6322513.632E-020.7709293.967E+003856.7195184.088
29、E-020.6849793.422E+003906.8067844.633E-020.6043572.926E+003956.8940515.261E-020.5321932.496E+004006.9813175.965E-020.4694182.134E+004057.0685836.735E-020.4157111.833E+004107.155857.564E-020.3701651.585E+004157.2431168.442E-020.3316871.382E+004207.3303839.358E-020.29921.215E+004257.4176491.030E-010.2
30、717321.077E+004307.5049161.127E-010.2484499.632E-014357.5921821.225E-010.2286528.682E-014407.6794491.322E-010.2117617.888E-014457.7667151.419E-010.1973037.221E-014507.8539821.514E-010.1848876.657E-014557.9412481.607E-010.1741956.179E-014608.0285151.697E-010.1649665.773E-014658.1157811.784E-010.15698
31、45.426E-014708.2030471.866E-010.1500735.129E-014758.2903141.943E-010.1440864.874E-014808.377582.016E-010.1389014.656E-014858.4648472.083E-010.1344154.469E-014908.5521132.145E-010.1305464.309E-014958.639382.201E-010.1272214.172E-015008.7266462.251E-010.1243814.056E-015058.8139132.295E-010.1219783.958
32、E-015108.9011792.334E-010.119973.877E-015158.9884462.366E-010.1183233.811E-015209.0757122.393E-010.1170113.758E-015259.1629792.414E-010.1160123.718E-015309.2502452.428E-010.1153093.690E-015359.3375112.437E-010.1148923.673E-015409.4247782.440E-010.1147543.667E-01 表B1 活塞位移 速度 加速度角度弧度XVa0000011444.0350
33、.0872660.0249040.0001591.90441611373.87100.1745330.0496340.0006343.78549411164.48150.2617990.0740160.0014195.62026110819.16200.3490660.0978760.0025047.38647710343.39250.4363320.1210430.0038779.0629999744.837300.5235990.1433480.00552110.630149033.302350.6108650.1646220.00741512.070028220.66400.698132
34、0.1847020.00953813.366917320.739450.7853980.2034310.01186514.507546349.145500.8726650.2206560.01436715.481355322.998550.9599310.2362350.01701816.280764260.579601.0471980.2500330.01978716.901313180.884651.1344640.261930.02264517.341712103.077701.221730.2718180.02556117.603841045.887751.3089970.279608
35、0.02850617.6926426.94409801.3962630.2852250.03145217.61584-937.866851.483530.2886170.03437217.38363-1835901.5707960.2897520.03724217.00823-2653.74951.6580630.2886170.04003716.50338-3386.531001.7453290.2852250.04273915.88382-4029.121051.8325960.2796080.04532915.16472-4580.511101.9198620.2718180.04779214.36116-5042.71152.0071290.261930.05011513.48767-5420.31202.0943950.2500330.05228712.5578-5720.031252.1816620.2362350.05430111.58388-5950.131302.2689280.2206560.05614910.57677-6119.81352.3561940.20343