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1、车用柴油机总体设计及曲柄连杆机构设计毕业论文目录1 绪论12 柴油机总体设计方案32.1 高速柴油机设计的要求32.2 柴油机设计的内容32.2.1 高速柴油机用途的确定32.2.2 柴油机类型的确定32.2.3 柴油机主要设计参数的确定43 主要零部件设计及计算93.1 连杆组的设计93.1.1 连杆的工作情况93.1.2 连杆组的设计要求93.1.3 在设计中应注意的地方93.1.4 连杆的材料103.1.5 连杆长度的确定103.1.6 连杆小头的设计113.1.7 连杆杆身的设计123.1.8 连杆大头的设计1323.2 活塞组的设计153.2.1 活塞设计153.2.2 活塞环233
2、.2.3 活塞销244 连杆强度校核264.1 连杆小头计算264.2 连杆杆身的强度计算274.3 连杆大头盖的计算285结论30参考文献31致谢32第 页 共 页中北大学 2014 届毕业设计说明书1 绪论柴油机的发展，已有八十多年的历史。通过这一长时期的不断改进和提高，已经发展到了比较完善的程度。由于它的热效率高，适应性好，功率范围广，已广泛应用于农业，工业交通运输业和国防建设事业。因此，柴油机的工业发展，对国民经济和国防建设都有十分重要的意义。目前，各国在农业机械方面，功率在 10PS 以上时，柴油机获得了广泛的应用。在拖拉机方面，各国几乎均采用柴油机，重型载重汽车也基本上都用柴油机作
3、为动力。另外英国、法国、日本等国还生产应用于小客车上的高速柴油机。由此可见柴油机的使用范围广泛，发展潜力巨大。近二十多年来，柴油机朝着提高单机功率，降低油耗、污染和噪声以及提高工作可靠性和延长使用寿命等方向发展。就高速柴油机而言从西德苯茨设计出一台功率为1200PS，转速为 1650rpm 的 16 缸 V 型柴油机开始到现在柴油机的速度系数可达到120m 2 / min 2 左右，短短的几年中高速柴油机有了惊人的发展。可见其应用范围之广， 发展速度之快。375 柴油机是我国三缸柴油机系列中的主要产品，是我国经济体制改革不断深入， 农村生产飞速发展的产物。传统的375 柴油机母型是六十年代后期
4、开发的产品，笨重而且燃油高、经济动力性能差，为此作者在国内的现有生产条件下，借鉴国内外先进设计理念与生产技术，在原有机型的基础设计 375 柴油机，该 375 柴油机是三缸，自然吸气， 直列四冲程，水冷直喷，高速柴油机，在提高发动机的经济、动力性能的同时降低有害物的排放，同时仍然保持原机可靠性、耐久性、经济实用、使用维修方便的优点，广泛应用于农用运输机、拖拉机、小型机械，这些优点使其更好的融入农村生产，备受购买力相对较弱的农民群体的欢迎，因此该产品的开发拥有很广阔的市场。国家的排放法规日益严格，国家对柴油机的微粒排放的关注度也日益提高，原来 375 柴油机存在的微粒和烟度的排放较高，针对这方面
5、的缺点开发水冷直喷的燃烧室，其良好的燃油经济性、结构简单、起动容易优点，不仅能够有效的降低微粒和烟度的排放， 而且能够降低油耗，从而满足现代的节能减排的新观念，该优点亦符合农村购买标准之一。375 柴油机一般用于农用运输和动力，国内农用机械配套动力要求动力充足可靠性高、经济性好，柴油机以其低速扭矩大、经济性好、可靠性高等优点占据主流，在农业第 2 页 共 32 页中北大学 2014 届毕业设计说明书机械化的大背景下，原来柴油机笨重，油耗高，功率低等已不能够满足新时代的要求， 为了适应国内农用机械功率增长的需要，在原来的基础上开发出来的375 柴油机，该发动机在排量、功率、动力性能等都有一定的增
6、加，并且节省材料。该柴油机可以配套拖拉机、农用运输机、排灌机械、收割机等农用机械，也可以和空压机、矿石机械翻斗机、小型发电机组等。柴油机作为各种机械的动力装置，活塞是其主要的配件之一，由于它在气缸内以高速作匀速往复运动，且在高温、高压和液体润滑困难等条件下工作，所以是一种容易磨损的配件。发动机性能的优劣很大程度决定于生产工艺和加工水平，工艺设计水平越高， 机械加工能力越强，发动机性能越好。所以活塞的工艺设计对发动机性能有至关重要的影响。目前，在中小型柴油机方面开展的研究工作大都放在减少废气排放，因此出现深盆顶活塞的应用，这是专为改善燃烧状况减少碳氢化合物而设计的。近十年来，开发能满足 Pz 高
7、达 25Mpa 的活塞的要求越来越迫切。与球铁相比，锻钢具有更高的机械强度和延伸率，只有选材和工艺处理适当，即能保证活塞工作安全可靠，由此产生了可以承受更高 Pz 的锻钢整体活塞和钢顶钢裙组合活塞，整体锻钢活塞适用于较小缸径柴油机。连杆是发动机中传动力的重要零件，它把活塞上的往复惯性力传递给曲轴以输出功率，连杆在工作过程中主要承受装配载荷和交变载荷的作用，工作较苛刻。环保节能是现代汽车的发展方向，因此对发动机连杆的要求是:不仅要有足够的强度和刚度，而且要尺寸小、重量轻，为实现这一要求，现代汽车发动机零部件设计开发必须采用现代设计方法及技术。针对柴油机连杆小头断裂的问题，在进行连杆设计中通过对不
8、同的连杆小头壁厚和连杆小头的过渡圆角进行有限元分析，选择合适的过渡圆角和小头壁厚以达到设计要求，而连杆大头采用“工”字形结构时，其安全系数比连杆大头采用圆形结构提高 40%以上，其重量也比圆形结构轻。“工”字形结构还能很好的控制大头孔的变形， 而连杆大头与支撑面采用半圆弧的安全系数有很大的提高。第 12 页 共 32 页2 柴油机总体设计方案2.1 高速柴油机设计的要求高速柴油机设计应满足下列基本要求：1、最佳的使用性能包括最佳的动力性能、最小的外形尺寸、最轻的总质量，能满足各种特定用途对发动机性能的要求。2、最佳的经济性能主要可以概括为下列三方面：（1） 最佳的使用经济性 包括完善的工作过程
9、，特别是组织良好的燃烧过程，以降低燃油消耗；精心设计润滑系统，在保证发动机获得良好润滑的前提下降低润滑油消耗量；具有良好的装拆工艺性，易于装拆、维修，减少维修费用的支出。（2） 最佳的制造经济性 包括优化设计，使整机及零部件具有良好的加工工艺性； 选用价廉适用的制造材料；选用优质、价廉的零配件；降低不必要的加工精度。（3） 最好的可靠性和最长的使用寿命 这是发动机成功的重要标志。首先在结构上要保证发动机具有良好的刚度，在各种工况下工作时，各零部件不允许发生不正常的变形和振动。发动机的各易磨损件要有必要的寿命，所有摩擦副在设计时应考虑减摩措施和材料的配对等。3、最佳的环保性能目的在于减少有害物质
10、的排放。日益严格的环保法规对柴油机的废气排放提出了更高的要求。因此在设计阶段，在燃烧过程的组织、排放后处理等方面，应考虑采取相应的措施1。2.2 柴油机设计的内容2.2.1 高速柴油机用途的确定发动机的具体用途是设计的重要依据，不针对具体用途无法设计一台优秀的发动 机。对高速柴油机而言，产量最大的配套是各种车辆，其它依次为拖拉机和各种农业机械、工程机械等。各种用途对发动机的要求不同。若要设计成功一台理想的发动机，针对其具体用途进行设计是至关重要的。本次设计的 375 柴油机是针对车辆进行配套设计的，同时它也可以用于其它领域。2.2.2 柴油机类型的确定1、四冲程及两冲程目前我国使用的机型均为四
11、冲程，国外绝大部分机型也是四冲程。四冲程柴油机四个行程完成一个工作循环，在相同的活塞排量和转速下，非增压时功率比二冲程柴油机低，但易于组织增压，增压比比较高。在转速不变的情况下通过增压可较大幅度的提高发动机的功率。活塞组热负荷低，工作过程易于组织，启动性能较好，动力性和燃油经济性好，燃油消耗率低，机油消耗率低，且低速性能好，可以有较大的扭矩储备，可以在较宽广的转速范围内获得良好经济性能。燃油喷射系统转速较低，便于设计制造，且寿命较长，可靠性好。因此，我们选择的机型为四冲程柴油机。2、冷却方式目前世界各国生产的机型仍以水冷为主。中、小型有风冷品种，但品种不多。签于风冷机型在制造上要求较高、难度较
12、大，大批量生产和销售均有难度， 此次设计为水冷方式。水冷冷却较均匀，热负荷低，充气效率、平均有效压力及升功率高，气缸冷却效率高，且较均匀，活塞与缸套间隙较小，机油消耗率较低，这些都有利于柴油机的进一步强化和降低废气排放。3、气缸布置 气缸布置形式有直列立式，卧式；V 型；W 型；X 型。其所以有各种气缸布置形式，是基于配套机型总体布置的要求，或有利于平衡、散热等。V 型布置则主要为了缩短 6 缸以上多缸机的长度，以利于发动机与各种机型更完善的匹配。此次设计为三缸，小缸径柴油机，故采用直列立式气缸布置。4、进气系统是否增压采用增压可改善排放，增大功率，降低燃油消耗等，特别在改善排放方面，增压及增
13、压中冷具有决定性的作用。但由于技术和成本的原因，此次设计暂且不用增压系统。5、气门数常规高速柴油机多为二气门，而实践证明，多气门对高速柴油机工作过程，特别是进气和燃烧的改善有很好的作用，但其铸造要求高，成本高，在目前排放指标不是很高的情况下我们仍采用二气门。6、燃烧室类型燃烧室类型对于高速柴油机的燃烧过程和性能的影响很大，直接体现在燃油消耗率上。由于直喷式燃烧系统动力性好，燃油、机油消耗率低、启动性能好，以及寿命长等特点，它比分开式燃烧室燃油消耗率低 5%10%左右。在节约能源上有巨大优势，所以此次设计采用直喷式，燃烧室形状为 型。7、凸轮轴侧置与顶置侧置凸轮轴是现代高速柴油机传统设计的标准模
14、式，被广泛采用。此次设计为侧置式，用齿轮传动1。2.2.3 柴油机主要设计参数的确定高速柴油机的主要设计参数有如下众所周知的关系P niVP = mes（2-1）e30000t式中，Pe 为有效功率（kw）；Pme 为平均有效压力（kpa）；n 为转速（r/min）；i 为气缸数；Vs 为每缸活塞排量；为冲程数2。对上述参数的正确选择是设计一台优秀发动机的前提。1、有效功率的确定在确定高速柴油机有效功率（kw）时，必须考虑另一与功率有密切联系的扭矩值（Nm）及其储备，功率与扭矩均随发动机的用途而异。对于车用高速柴油机而言，其功率视车辆的用途、车辆的总质量而定。我国载货车与功率的匹配，一般遵循下
15、列关系：轻型载货车为 1215kw/t；中型载货车为 1012kw/t；重型载货车为 6 10kw/t；载货车的扭矩储备要求略低，但亦应达到 10%以上。拖拉机用发动机的功率由牵引力而定，一般每吨的牵引力配用 1820kw，扭矩储备率要求高于汽车，一般在 15% 及以上。工程机械的配套动力亦随其工作能力的大小而定，如叉车，3 吨配备功率 30 35kw；5 吨则为 4045k 扭矩储备要求很高，一般为 20%30%以上，有些机型要求高达 40%50%1。2、转速的选定转速对柴油机性能和结构影响很大，且其范围十分宽广（1006000rpm）。各种类型柴油机的使用转速范围亦不相同。转速提高可使柴油
16、机体积小，重量轻和功率大。但是转速提高后，摩擦功率和噪声急剧增加，运动件惯性力大，给燃烧过程的组织增加困难， 从而影响柴油机的经济性，可靠性和使用寿命。发动机的转速随其配套对象而异。目前我国轻型车用柴油机的转速为 3200r/min 左右，少数机型达 3600r/min；中型车用柴油机约为 25002800r/min；低速农用车柴油机约为 24002800r/min；重型车用柴油机约为 20002300r/min1。375 柴油机设计目标为低速农用车柴油机，所以转速取 2400r/min。3、气缸数的确定气缸数是柴油机的重要参数之一，按给定功率和转速来选择气缸数时，考虑以下因素：（1） 选用合
17、适的气缸数目可获得较小的单缸功率，使柴油机输出的扭矩均匀，平衡性和启动性能较好。（2） 选用合适的气缸数目，其气缸直径和行程均较小，柴油机体积可以缩小，重量可减轻。（3） 选用较多的气缸数后，零件数量和制造工时增加，成本增高。（4） 选择气缸数目，还需考虑柴油机配套所提出的外形尺寸和重量要求，以及系列柴油机的功率范围等因素。考虑以上综合因素，我们选取气缸数为：3。4、活塞平均速度的确定活塞平均速度是表征柴油机高速性和强化程度的一项主要指标，对柴油机总体设计和主要零件结构型式影响甚大。活塞的平均速度计算公式：Cm=Sn/30（2-2）其中，S 为活塞行程；n 为发动机转速2。在功率给定以后，可以
18、算出平均有效压力。活塞行程和缸数维持不变，提高活塞平均速度可使气缸直径减小。柴油机体积小、重量轻。但提高活塞平均速度受到下列因素限制：（1） 提高活塞平均速度后，使运动件的惯性力增大，柴油机的机械负荷增大。（2） 提高活塞平均速度使柴油机零件的磨损加快，缩短了柴油机大修期。（3） 活塞平均速度的提高，使摩擦功率损失迅速增加，机械效率降低，燃油消耗率升高。（4） 进、排气阻力随活塞平均速度的提高而增加，使充气效率降低。（5） 随着活塞平均速度的提高，柴油机的平衡。震动和噪声等问题突出出来，一般柴油机的噪声强度与转速的三次方成正比。因此，选择活塞平均速度应综合各方面的因素，不能一味的提高。一般活塞
19、平均速度为：6.512m/s。本机的活塞平均速度为：8.49m/s。5、平均有效压力的确定平均有效压力是表征柴油机强度的重要指标之一，可由下式求得：Pe= 225t Ne/ inVh(2-3)P = P - P = (1- P / P )P = Ph(2-4)eittiii m提高冲气系数，改善工作过程，减少机械损失和热损失，是提高非增压柴油机 Pe 值的主要措施，但非增压柴油机的Pe 值的提高是有限的。促使Pe 值增长的原因，一方面是提高单机功率的迫切需要，另一方面是因为 Pe 值的增加，对柴油机噪声和寿命的影响比提高活塞平均速度的影响要小的多。提高 Pe 值可使功率增加，比重量下降。然而机
20、械效率和热负荷也随之提高，影响柴油机的可靠性和寿命。同时，对排气的有害成分、噪声、振动等都有不利影响。车用柴油机的一般范围为 6.510.5Mpa 本机平均有效压力为 7.16。较大幅度的提高平均有效压力后，要注意零件的热应力和机械应力过高的问题，一般措施是：采用强制冷却活塞、组合式活塞来加强气缸盖和气缸套的冷却，降低压缩比以及增强零件的刚度和强度等3。6、气缸直径的确定柴油机功率与气缸直径的平方成正比。选用较大的缸径是提高功率的一个措施。但缸径增大后柴油机外形尺寸与比重量相应增大。而气缸直径与缸数和转速有着密切的关系。同样的功率下，缸数越多，缸径可缩小，转速可提高1。考虑到此发动机为农用运输
21、车，我们所选择的缸径为 80100。7、行程及其与缸径的比值 S/D自然吸气柴油机的升功率：N l = 8.33nP 10-3 (kw/ L)(2-5)ee它正比与 Pe 和 n，由于提高活塞的平均速度需要较短的行程和较小的 S/D。使用较小的活塞行程，有可能得到紧凑的外形和采用较短尺寸，获得较大的体积功率的较好的比重量。自然吸气条件下 Pe 的提高有限，升功率很难轻易突破，因此提高柴油机转速成为提高升功率的主要途径。采用不大的S/D，可以获得较大的进排气门面积与气缸容积之比，使进排气流速，既气门口马赫数处于较低水平，以改善充气效率。同时有利于增加曲柄销与主轴颈的重叠度，改善曲轴强度或缩小轴颈
22、直径。因此 S/D 的选择应根据发动机的具体要求3。375 柴油机选择 S/D 为:1.07，将有利于降低柴油机的振动和噪声。8、气缸中心距气缸中心距是柴油机设计中对整体结构强度、紧凑性、重量和配套适应性最具影响的几何尺寸。决定气缸中心距合理性主要是下列三大因素，并在此基础上可能共同达到的最小值。（1） 足以保证燃气可靠密封的气缸盖总截面积和分布均匀性。（2） 足够的曲轴疲劳强度的轴承承载能力。（3） 有必要的水流空间，使缸套上部、缸盖底部和排气道获得充分的冷却。此外还应注意机体的气缸体部分有必要的空间容纳足够截面积的壁和筋，以保证气缸套支承面挤压应力处于可靠限度内。所以气缸中心距是决定结构强
23、度的整机紧凑性的综合因素，而两者又是矛盾的。只要将所有各项尺寸参数与气缸中心距建立一系列经验公式，从中便可以获得合理的中心距尺寸和其它相关尺寸。用气缸中心距来表征能实现的单缸功率，实质上是该气缸中心距在保证充分的结构强度可靠性的前提下所能包容的气缸直径。nPV7. 8 54-14 P0C D 27. 8 5- 4P4 C1 L0 2N cy =e h =e m=e m（2-6）e30ttt R 2s其中：Pe 为平均有效压力（kPa），Cm 为活塞平均速度（m/s），D 为缸径（mm），为冲程数，Rs = L/D，L 为气缸中心距（mm）。对非增压柴油机：C=(10.311.0)10-4（2-
24、7）可以由以上式子估算气缸中心距，如果设计得当，能够在结构强度充分保证的前提下，形成所需的气缸排量和获得所算得的功率水平2,3。此次设计气缸中心距为：L=100mm。3 主要零部件设计及计算3.1 连杆组的设计3.1.1 连杆的工作情况连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除有上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动。连杆主要承受以下载荷：1、由连杆力 Pcr 引起的拉压疲劳载荷。p + pp = gj crc o sb（2-1）j式中 Pg气体作用力； P 活塞连杆组的往复惯性力；连杆摆角。2、在连杆摆动平面内，由连杆力矩引起的横
25、向弯曲载荷。3、由于压入连杆衬套，拧紧连杆螺栓，压紧轴瓦等产生的装配静载荷。此外，连杆还可能承受由于加工不准确，承压面对连杆轴线不对称等引起的附加弯曲载荷。3.1.2 连杆组的设计要求1、结构简单，可靠耐用，尺寸紧凑2、在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能减轻重量以降低惯性力3、尽量缩短长度以降低发动机的总体尺寸和总体重量4、大小头轴承工作可靠，耐磨性好5、易于制造成本低连杆既是传力构件又是运动件，因此不能单靠加大连杆尺寸来提高其承载性能。必须从材料选用构型设计，热处理及表面强化等方面采取措施来解决连杆尺寸，重量，强度和刚度之间的矛盾。因此连杆设计过程中应该广泛采用实验应力分析。针对连杆的
26、应力分析决定连杆的构型，使材料合理利用，满足连杆既轻巧又耐用的要求。3.1.3 在设计中应注意的地方连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此，在设计时应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度。如果强度不足，就会发生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂，造成严重事故，同样，如果连杆组刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响。所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。为此，必须选用高强度的材料；合理的结构形状和尺寸。根据以上分析可知，连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此， 在设计时应首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构刚度。如果强度不
27、足，就会发生连杆螺栓、大头盖和杆身的断裂，造成严重事故。3.1.4 连杆的材料高速柴油机的连杆一般采用碳钢或合金钢经模锻而成最常用的连杆材料有：45,40Cr,40CrMo 等。375 的连杆材料为 40Cr 中碳钢。在机械加工前经调质处理，可以得到较好的机械性能。碳钢的优点是成本低，对应力集中不敏感，所以模锻后配合表面就不需再经过加工。但锻造毛刺要磨光，磨削方向应沿连杆杆身的纵向，因为横向磨痕可能引起连杆杆身断裂的危险，一般采用喷丸处理来消除连杆内部的内应力和提高连杆强度。3.1.5 连杆长度的确定连杆长度是设计时应慎重选择的一个结构参数，它一般用连杆比来表示，即l = R / l（R 为曲
28、柄半径，L 为连杆长度）。连杆长度越短，即l 越大，可降低发动机的高度，减轻活塞件重量和整机重量，能很好的适应发动机的高转速。但l 的增大使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸套相碰的可能性。所以为使发动机的结构紧凑，最合适的连杆长度应该是，在保证连杆及相关机件在运动时不与其他机件相碰的情况下，选取最小的连杆长度。对于缸径 S120mm 的高速柴油机来说， l 值一般在 0.250.30 之间，又考虑到柴油机其他零件的设计，所以取连杆长度为 156mm，即l 值为 0.256，在此范围内，是可取的。图 3.1 连杆小头的尺寸3.1.6 连杆小头的设计一、小头结构形式小头
29、采用薄壁圆环型结构，它的形状简单，制造方便，材料能充分利用，受力时应力分布较均匀。小头到杆身的过渡采用单圆弧过渡。其结构如图 2-1 所示。二、小头尺寸小头的主要尺寸为小头内径 d1，小头外径 d2 ,小头宽度 b1,衬套内径的d。由于衬套内径 d 要和活塞销相配合， d=(0.280.42)D, 所 以取 0.36 ， 即d=0.36*75=27mm,其公称直径是 27mm。衬套的厚度d 一般是d =（0.040.08）d。选d =0.09d=2.5，即为 2.5mm，所以小头的内径 d1 为 32mm。小头外径 d2 的选取范围一般是d2=（1.21.4）d1 ，取 d2=1.31d1=4
30、2mm。小头宽度 b1 取决于活塞销间隔 B 和销座与连杆小头的端面间隙。在确定小头的宽度时候，应使小头与活塞销座之间每侧都留约 12mm 的间隙，用来弥补机体、曲轴、活塞和连杆等零件在轴向尺寸上可能出现的制造误差和由于热膨胀所引起的轴向相对 位置的变化。应该尽量使小头具有足够的承压面积，以便使小头孔与活塞销之间相互压紧的单位面积压力不超过许用值。一般小头宽度b1 的范围是 b1=（0.91.2）d，取b1=1.11d=30mm，这样小头宽度和销座之间每侧的间隙为 2mm。三、连杆衬套为了减小活塞销对连杆小头的磨损，应在小头内装入衬套。1、衬套的材料衬套大多用耐磨锡青铜铸造，如：锡青铜，铅青铜
31、，钢背高锡铝合金，本设计采用铅青铜，其优点是强度较高，耐磨性好，适用于热负荷比较大的柴油机。2、衬套与小头孔的配合衬套与连杆小头孔为过盈配合，常用的配合为jd、je、jb3、jc3 等。过盈太大会使材料屈服而松动，太小会造成压配松动，使衬套与小头孔可能会相对转动。小头孔的直径设计为f 32 +0.016 mm，确定衬套与小头孔的过盈量为 0.0330.06mm，则衬套外径尺寸为0f 32 +0.06+0.049mm。衬套与活塞销的配合间隙应尽量小，以不发生咬合为原则。青铜衬套与活塞销的配合间隙大致在（0.00040.0015）d 的范围内，即 0.0140.053mm，由于此设计选用全浮式活塞
32、销，故可使销和衬套的间隙梢大，选用 0.0300.060mm，即衬套的内径为f 27 +0.055 mm。+0.033、衬套的润滑在小头上方开集油孔或集油槽，靠机体上的喷油嘴喷出的油冷却活塞的同时，一部分油通过孔流入衬套，达到冷却的效果。在小头和衬套上都开有集油孔和集油槽，用来收集和积存飞溅的润滑油。但应该避免在高应力的过渡期开集油空，以免削弱小头强度。3.1.7 连杆杆身的设计连杆杆身采用工字型截面，工字型截面的长轴位于连杆的摆动平面内。因为工字型截面对材料利用的最为合理，所以应用的也很广。连杆杆身在膨胀行程中承受作用在活塞上的气体压力的压缩作用，在吸气行程中承受往复惯性力的拉伸作用，当连杆
33、受压时，有可能发生不稳定弯曲，此外当连杆作高速摆动运动时还要承受本身的横向惯性力的弯曲作用。实验证明，弯曲应力实际上不大。可忽略。从锻造工艺方面看，工字型截面两臂过薄和圆角半径过小都是不利的。因为这种连杆锻造时变形比较大，就有可能产生锻造裂纹的危险，特别时在工字型截面两臂边缘上更易出现裂纹。此外，锻造这种连杆时模具磨损也较大。具有边缘厚并倒圆的工字型截面是比较有利的。工字型截面的长轴 y-y 处于连杆的摆动平面内，使杆身截面对垂直与连杆摆动平面的 x 轴的惯性矩 Jx 大与对位于摆动平面的 y 轴的惯性矩 Jy，一般 Jx=(23)Jy，这样符合杆身实际受力情况，并有利于杆身向大、小头过渡。连
34、杆杆身的最大应力一般发生在杆身与大、小头圆角过渡处，最大压应力发生在杆身中部。考虑上面所述，综合考虑，确定出下列尺寸： 连杆杆身横截面的形状如图 3.2 所示。其中截面宽 B=20mmt=5mm截面的高 H=（1.51.8）B ，取 H=1.4B=28mm中北大学 2014 届毕业设计说明书HhBt图 3.2 连杆杆身横截面形状3.1.8 连杆大头的设计连杆大头联结连杆和曲轴，要求有足够的强度和刚度，否则将影响薄壁轴瓦和连杆螺栓，甚至整机工作可靠性。为了便于维修，对于像本设计的高速柴油机，连杆必须能从气缸中取出，故要求大头在摆动平面内的总宽必须小于气缸直径，大头的外型尺寸又决定了凸轮轴位置和曲
35、轴箱形状，大头的重量产生的离心力会使连杆轴径、主轴承负荷增大，摩擦加剧，有时还为此还不得不增大平衡重，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、刚度的条件下，尺寸尽量小，重量尽量轻。合理确定大头的结构尺寸和形状，就是大头设计的任务。大头的结构与尺寸基本上决定与曲柄销直径、长度和连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直 径。所谓的大头设计，实际上是确定连杆大头在摆动平面内某些主要尺寸，连杆大头的剖分形式和定位方式以及大头盖的结构设计。在设计大头构形的时候针对一些薄弱环节，应注意以下问题：1、连杆盖上要设置合适的加强筋，加强筋到螺栓孔支承面处要圆滑过渡。2、螺栓头支承面和螺母支承面要圆弧过度，避免加
36、工尖角，可采用锻造圆角或圆弧沉割来减少应力集中，但必须尽量提高圆弧沉割处的光洁度。3、斜切口连杆长叉口一侧变形较大，除了采用大圆弧过渡外，还可以用单筋和杆身连接，以提高大头刚度。一、连杆大头的剖分形式采用斜切口的剖分方式，切口角为 45 度。这样的剖分形式的优点是满足连杆组能从气缸装拆的条件下，可增大曲柄销直径，有利于提高曲轴的刚度和连杆轴承的工作能力，也就是说它在解决曲柄销直径和从气缸中抽出连杆之间的矛盾。减小了连杆螺钉承受的惯性拉伸负荷但同时在结合面上产生较大的切向力，使连杆螺钉承受剪切作用。第 15 页 共 32 页二、连杆大头的定位方式斜切口连杆当承受惯性力拉伸时，沿连杆体与连杆盖的结
37、合面方向作用着很大的横向力，使连杆螺栓承受剪切力。为此必须采用能承受较大剪切力的定位方式，才能保证工作可靠。本设计采用的是舌槽定位。连杆体和盖上均有一舌和一槽，他们是有同一把拉刀（带一舌一槽）加工成的，所以体与盖上舌槽间的距离精度较高，定位可靠，尺寸紧凑。当然它有不好的地方，就是其拆装不便，且只有在采用拉刀加工时才能保证较高的定位精度，还有舌槽要注意减少应力集中。这样的定位方式常用在车用柴油机的斜切口的连杆上。其优点是提高了结合处的刚度，缩小了连杆螺栓之间的距离，减小了螺栓尺寸。三、连杆大头的主要尺寸1、大头孔直径 D1根据曲轴曲柄销的设计尺寸为 48mm，再考虑到轴瓦的尺寸，取 D1=53m
38、m 2、大头宽度b = 0.59D21= 0.59 53 = 32mm3、连杆轴瓦厚度d d = 3mm4、连杆螺栓直径d Md= 0.13D = 0.13 75 = 10mmM5、连杆螺栓孔中心线中心线应尽量靠近轴瓦，连杆螺栓孔中心距一般为l=（1.21.3）D ，取l=1.34 D ，1111即l =71mm，螺纹外侧边后不小于 24 mm。大头采用锯齿定位时，螺孔外侧至少有一1个完整的受力锯齿。6、大头高度 H , H12H = (0.19 0.24)D11取 0.21H1= 0.21D1= 11mmH = (0.41 0.58)D21取 0.5H2= 0.5D1= 26mm图 3.3
39、连杆大头的主要尺寸3.2 活塞组的设计活塞组主要由活塞、活塞环、活塞销组成，用来与气缸、气缸盖相配合形成一个容积变化的密闭空间，在这里完成内燃机的工作过程；同时活塞组也承受燃气压力，并把它传给连杆、曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，从而对外输出扭矩，以驱动汽车车轮转动。3.2.1 活塞设计一、活塞的工作条件1、活塞的机械负荷在发动机工作中，活塞承受的机械载荷包括周期变化的气体压力、往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。在机械载荷的作用下，活塞各部位了各种不同的应力：活塞顶部动态弯曲应力；活塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。为适应机械负荷，
40、设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。2、热负荷活塞的主要作用是承受气缸中的气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞顶部还有气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。由于活塞顶部直接与高温燃气周期性接触，燃气的最高温度可达 2500K 以上，因此活塞的温度也很高，例如活塞顶部的温度可高达 600700K7。高温一方面使活塞的机械强度显著下降，另一方面使活塞材料的热膨胀量增大，容易破坏活塞与其相关零件的配合。3、磨损强烈中北大学 2014 届毕业设计说明书活塞顶部在做功行程时，承受着燃气的带
41、冲击性的高压力。对于汽油机活塞，瞬时的压力最大值可达 36MPa。对于柴油机活塞，其最大值可达 69MPa，采用增压时最大值可达 1315MPa。高压导致活塞的侧压力大，加速活塞外表面的磨损，也容易引起活塞的变形7。活塞在气缸中作变速运动，其平均速度 9.07m/s。这样的高速可产生很大的惯性力， 它将使曲柄连杆机构的各零件和轴承承受附加的载荷。活塞承受的气压力和惯性力是周期性变化的，因此活塞的不同部分会受到交变的拉伸、压缩和弯曲载荷；并且由于活塞各部分的温度极不均匀，活塞内部将产生一定的热应力。二、活塞的设计要求（1） 要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工
42、艺性的材料；（2） 有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量， 避免应力集中；（3） 保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；（4） 在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；（5） 减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；（6） 在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。三、活塞的材料根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：（1） 热强度高。即在300 400 C 高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；（2） 导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力；（3） 膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小
43、间隙；（4） 比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；（5） 有良好的减磨性能（即与缸套材料间的摩擦系数较小），耐磨、耐蚀；（6） 工艺性好，低廉。为此，汽车发动机目前采用的活塞材料是铝合金，在个别汽车柴油机上的活塞采用高级铸铁或耐热钢铸造。第 17 页 共 32 页根据以上要求，我们选择共晶铝硅合金 66-1 作为 375 的活塞的材料。它除了具有铝合金的共同优点（密度小、导热性好、与铸铁气缸的匹配性好）之外， 由于硅的存在，使材料的耐磨、耐蚀性，硬度、刚度和疲劳强度提高；铸造流动性改善。铝的密度约为铸铁的 1/3，这样采用铝作为活塞用合金的基本材料，在活
44、塞往复运动时可使惯性力尽可能小。同时活塞用铝合金的导热性约为铸铁的3 倍，这样高的导热能立刻将高热负荷区的热量很快传给冷却油及气缸和曲柄连杆等，因此使得熔点 600 的铝合金能在与峰值温度高达 20002500K 高温燃气接触的情况下仍能正常工作。但是铝合金在温度升高时，强度和硬度下降较快。为了克服这一缺点，一般要在结构设计、机械加工或热处理上采用各种措施加以弥补。铝活塞的成形方法有锻造、铸造和液态模锻等几种。铸造铝活塞在高温时强度下降较小，制造成本低，但容易出现各种气孔、缩松等铸造缺陷。锻造铝活塞的强度比铸造活塞高，导热性也较好，适用于强化的发动机上，但制造成本高。液态模锻即是将定量的液体金
45、属浇入金属模具里，用冲头加压，使液体金属以比压铸中低得多的速度充填型腔，并在压力的作用下结晶凝固，从而获得组织致密的无缩孔、缩松等缺陷的活塞。这种工艺兼有锻造和铸造的特点，能达到少切削甚至无切削、提高金属利用率、扩大合金使用范围、消除铸造缺陷和提高毛坯质量等目的7。活塞的基本构造可分为顶部、头部和裙部三部分。四、活塞顶部活塞顶部的形状主要取决于燃烧室的选择与设计，而燃烧室的选择取决于活塞直 径、发动机的转速、经济性、动力性、功率、可靠性及排放等。汽油机活塞顶部多采用平顶，其优点是吸热面积小，制造工艺简单。有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧而采用凹顶活塞，凹坑大小可以调节发动机的压缩比。柴油机的
46、活塞常常设有各种各样的凹坑，其具体形状、位置和大小都必须于柴油机混合气的形成或燃烧要求相适应。1、本设计采用 型的燃烧室。燃烧室的形状和尺寸：根据喉口侧面角 ，可将 型的燃烧室分成开口型( 90)，直口型( =90)及收口型( 90)三种，收口型dk 较小（一般dk /D=0.50.65）本设计采用 =90的直口型，因为喉口的热负荷很高，这样做是为了防止喉口开裂，便于制造。中北大学 2014 届毕业设计说明书一般dk/D=0.50.65，取dk/D=0.533，即dk=40mm第 19 页 共 32 页2、在型的燃烧室的底部设计一隆起的凸尖，这样是为了帮助形成涡流及使燃烧室与油束相配合。这里应特别注意的是油束和燃烧室的正确配合，油束射程不足或过大都会使混合不均匀，影响排烟极限。3、燃烧室、喷油器和气缸最好是