曲柄连杆机构设计.doc

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课程设计说明书

题目：

曲柄连杆机构设计

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目录

第1章绪论…………………………………………………………4

1.1题目分析…………………………………………………………………4

1.2设计研究的主要内容……………………………………………………4

第2章连杆组的设计………………………………………………15

　　2.1连杆的工作情况、设计要求和材料选用………………………………15

　　2.2连杆长度的确定…………………………………………………………16

　　2.3连杆小头的设计…………………………………………………………16

　　2.4连杆杆身的设计…………………………………………………………17

　　2.5连杆大头的设计…………………………………………………………17

　　2.6连杆强度计算……………………………………………………………18

2.7连杆螺栓设计……………………………………………………………25

2.8本章小结…………………………………………………………………27

第3章活塞组的设计………………………………………………5

3.1活塞的工作条件和设计要求……………………………………………5

3.2活塞的材料………………………………………………………………6

3.3活塞的主要尺寸…………………………………………………………7

3.4活塞的头部设计…………………………………………………………9

3.5活塞的销座设计…………………………………………………………9

3.6活塞的裙部设计…………………………………………………………10

3.7活塞强度计算……………………………………………………………11

3.8活塞销的设计……………………………………………………………12

3.9活塞环的设计……………………………………………………………13

3.10本章小结………………………………………………………………15

第4章曲轴组的设计………………………………………………27

4.1曲轴的结构型式和材料的选择…………………………………………27

4.2曲轴的主要尺寸确定……………………………………………………28

4.3曲轴油孔位置……………………………………………………………30

4.4曲轴端部结构……………………………………………………………30

4.5曲轴平衡块………………………………………………………………31

4.6曲轴的轴向定位…………………………………………………………31

4.7曲轴疲劳强度计算………………………………………………………32

4.8飞轮的设计………………………………………………………………41

4.9本章小结…………………………………………………………………42

总结……………………………………………………………………43

参考文献………………………………………………………………44

致谢……………………………………………………………………45

第1章绪论

1.1题目分析

曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。

因此，曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。

随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。

在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题。

通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。

在传统的设计模式中，为了满足设计的需要须进行大量的数值计算，同时为了满足产品的使用性能，须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。

为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。

本次设计柴油机型号为4105型柴油机，基本参数为：

1.2设计研究的主要内容

对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析进行深入研究，其主要的研究内容有：

（1）对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析，分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核，以便达到设计要求；

（2）分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞，曲轴，连杆等的工作条件和设计要求，进行合理选材，确定出主要的结构尺寸，并进行相应的尺寸检验校核，以符合零件实际加工的要求。

第2章连杆组的设计

2.1连杆的工作情况、设计要求和材料选用

1、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。

2、设计要求

（1）结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用。

（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重量。

（4）大小头轴承工作可靠，耐磨性好。

（5）连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠。

（6）易于制造，成本低。

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。

3、材料的选择

为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，采用精选含碳量的优质中碳结构钢45模锻，表面喷丸强化处理，提高强度。

2.2连杆长度的确定

近代中小型告诉柴油机，为使发动机结构紧凑，最适合的连杆长度应该是，在保证连杆及相关机件在运动不与其他机件相碰的情况下，选取最小的连杆长度。

连杆长度与结构参数（R为曲柄半径）有关，此次设计选取。

2.3连杆小头的设计

小头主要尺寸为连杆衬套内径和小头宽度。

1.连杆衬套内径

2.衬套厚度

3.小头内径

4.小头宽度

5.小头外径

2.4连杆杆身的设计

连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形截面。

1.杆身截面高度

2.杆身截面宽度

3.杆身截面中间宽度

为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。

2.5连杆大头的设计

本次大头采用斜切口大头的结构形式，切口角

1.大头孔直径

2.大头宽度

3.连杆轴瓦厚度

4.连杆螺栓直径

5.连杆螺栓孔中心距

螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。

6.大头高度

取0.21

取0.50

7.定位方式

定位方式采用锯齿定位，齿形角为，齿距为

2.6连杆强度计算

1.连杆小头计算

（1）由衬套过盈配合和受热膨胀产生的应力

衬套最大装配过盈量

衬套温度过盈量

式中为连杆材料线膨胀系数，对于钢

为衬套材料线膨胀系数，对于青铜

由总过盈量产生的径向均布压力

式中为连杆材料的弹性模量，对于钢

为衬套材料的弹性模量，对于青铜

为泊桑比，

小头外表面由引起的应力

（2）由惯性力拉伸引起的小头应力

活塞组的最大惯性力

式中为活塞组重量

为角速度

固定角

小头平均半径

小头中心截面（）上的弯矩

小头中心截面（）上的法向力

小头固定截面（）上的弯矩

查表可知

小头固定截面（）上的法向力

小头壁厚

小头截面积

衬套截面积

系数

小头受拉时固定截面处外表面应力

（3）由最大压缩力引起的应力

小头承受的最大压缩力

辅助参数

查表可得

小头受压时中央截面上的弯矩和法向力

小头固定截面处（）的值

查表得

小头受压时固定截面处（）的弯矩和法向力

小头受压时固定截面处外表面应力

（4）小头安全系数

材料的机械性能

查表可得45钢

角系数

在固定角截面的外表面处

应力幅

平均应力

小头安全系数

小头安全系数应不小于1.5，所以满足要求

（5）小头横向直径减小量

小头平均直径

小头截面的惯性矩

横向直径减小量

为保证活塞销和连杆衬套不致咬死，应使，实际计算结果，所以满足要求。

2.连杆杆身计算

（1）杆身中间截面处最大拉伸力和最大压缩力

式中分别为活塞组重量和位于计算截面以上那一部分连杆重量。

（2）杆身中间截面处的应力和安全系数

由最大拉伸力引起的拉伸应力

式中为杆身中间截面积，计算约为：

杆身中间截面的惯性矩

由最大压缩力引起的合成应力

式中为系数，对于各种钢材

杆身中间截面在摆动平面内的应力幅和平均应力

在垂直于摆动平面内的应力幅和平均应力

在摆动平面和垂直于摆动平面内的安全系数

安全系数满足要求。

3.连杆大头计算

大头盖所受惯性力

根据大头盖截面图（图1）计算重心坐标

大头盖截面的惯性矩

大头盖计算截面的抗弯断面模数

轴瓦计算截面的惯性矩

大头盖中央截面上的应力

大头盖横向直径减小值

经轴承选择，值小于轴承间隙的一半，所以满足要求。

2.7连杆螺栓设计

1.连杆螺栓的结构尺寸和材料选择

根据气缸直径初选连杆螺纹直径

根据选择螺栓，螺母，垫片标准件如下：

螺栓GB/T5782M14x80

螺母GB/T6170M14

垫片GB/T84814

螺栓与螺母材料均采用40。

2.螺栓装配预紧力和屈服强度校核

（1）装配预紧力

每个螺栓由惯性力引起的工作负荷

式中为斜切口大头的切口角。

发动机工作时连杆螺栓受到两种力的作用：

预紧力和最大拉伸载荷，预紧力由两部分组成：

一是保证连杆轴瓦过盈度所必须具有的预紧力；二是保证发动机工作时，连杆大头与大头盖之间的结合面不致因惯性力而分开所必须具有的预紧力。

（2）材料屈服强度校核

确定后，校核螺栓材料是否屈服，应满足：

式中为螺栓最小截面积，经计算

为材料的屈服极限，一般

为安全系数，一般为

于是经计算

得，所以满足要求。

2.8本章小结

本章在设计连杆的过程中，首先分析了连杆的工作情况，设计要求，并选择了适当的材料，然后分别