课程设计16L四冲程汽油机连杆组设计说明.docx

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课程设计16L四冲程汽油机连杆组设计说明

XX大学机械工程学院

本科生课程设计说明书

课程设计名称：

1.6L四冲程汽油机连杆组设计

姓名：

盘明明

专业班级：

能源与动力工程卓越151

学号：

1501160117

指导教师：

XXXX

考核成绩：

二0一八年七月十日

XX大学机械工程学院

《1.6L四冲程汽油机连杆组设计》课程设计任务书

一、课程设计的题目

1.6L四冲程汽油机连杆组设计

二、课程设计的容

设计1.6L排量的四冲程汽油机连杆组

三、课程设计任务和要求

1.装配图设计

2.零件设计

3.说明书一份

四、课程设计主要技术参数

其初始条件为：

1.平均有效压力0.7-1.3MP

2.活塞速度小于18m/s

导言………………………………………………………………………5

1．汽油机结构参数…………………………………………………5

1.1初始条件……………………………………………………5

1.2发动机类型…………………………………………………5

1.3基本参数……………………………………………………5

1.3.1行程缸径比S/D选择……………………………………5

1.3.2气缸工作容积、缸径D的选择………………………5

2．热力学计算………………………………………………………6

2.1热力循环基本参数确定………………………………………6

2.2P-V图的绘制…………………………………………………6

2.3P-V图的调整…………………………………………………8

2.4P-V图转换成P-图…………………………………………9

2.5有效功及有效压力的求解……………………………………10

3．运动学计算………………………………………………………11

3.1曲柄连杆机构的选型…………………………………………11

3.2连杆比的选择…………………………………………………11

3.3活塞运动规律…………………………………………………11

3.4连杆运动规律…………………………………………………12

4．动力学计算………………………………………………………13

4.1质量转换………………………………………………………13

4.2作用在活塞上的力……………………………………………15

4.2.1气体力………………………………………………………15

4.2.2往复惯性力…………………………………………………15

4.2.3旋转惯性力…………………………………………………16

4.2.4曲柄连杆机构中力的传递和相互关系……………………16

4.3输出合成转矩…………………………………………………17

5．连杆零件结构设计………………………………………………17

5.1材料选择………………………………………………………18

5.2连杆长度L……………………………………………………18

5.3连杆小头孔径d1、外径D1、宽度B1和衬套外径d…………18

5.4连杆大头孔径、外径、连杆螺栓孔间距C、宽度、高度H3和高度H4……………………………………………………………………18

5.5连杆杆身的结构设计……………………………………………19

5.6连杆螺栓的设计………………………………………………19

5.7连杆结构设计说明……………………………………………19

6．连杆强度公式校核……………………………………………20

6.1连杆小头的强度校核……………………………………………20

6.1.1衬套过盈配合及温升产生的小头应力………………………20

6.1.2由拉伸载荷引起的小头应力………………………………20

6.1.3由压缩载荷引起的小头应力……………………………22

7.ANSYS压应力分析………………………………………………24

8.主要参考文献资料………………………………………………30

9．附录……………………………………………………………30

附录1.燃机基本参数

附录2.运动学与动力学参数表

附录3.装配图

1.6L四冲程汽油机连杆组设计

导言：

连杆的作用是：

连接活塞和曲轴，并将活塞所受作用力传给曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆由连杆体（连杆大头、小头、杆身）、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦组成。

此次设计若无特殊说明所涉及的公式皆由课本：

《燃机设计》（袁兆成）给出。

使用Maple绘制函数图,使用EXCEL计算各曲轴转角下的各个性能数值，使用Maple或MATLAB计算某些公式的结果，使用UGNX10.0绘制三维零件及装配图，使用CAD绘制二维零件及装配图，使用ANSYS进行有限元分析。

1.汽油机结构参数

1.1初始条件

参数名称

参考/已知数值

初选数值

发动机排量

1.6L

1.6L

平均有效压力

1.2MP

1.2发动机类型

冲程数选择：

四冲程

冷却方式选择：

水冷式

气缸数与气缸布置方式选择：

直列四缸

1.3基本参数

1.3.1行程缸径比S/D选择

现代汽车行程缸径比S/D的值一般在0.8-1.2之间，初步选择行程缸径比为1.0

1.3.2气缸工作容积、缸径D的选择

（1）参考《燃机原理》根据基本公式计算缸径D、活塞行程S、额定功率Pe以及额定转速n：

…………………

（1）

………………………

（2）

……………（3）

（为活塞平均速度，初步取15m/s）

根据条件代入上面公式计算结果（用MATLAB）

D=79.8mm

S=80

n=5635r/min

=90.16KW

（2）其他参数设计

压缩比的选取，根据《燃机设计》汽油机压缩比在8-10之间，缸直喷可以做到12.5左右。

选取折中偏上的数值，即选取=10，准确气缸工作容积需重新计算：

=402.1mL.燃烧室容积：

=.角速度：

.曲柄半径：

.连杆比：

，取.干式气缸套缸心距=94.4mm.（=1.12D到1,24D这里折中取1.18D）

2.热力学计算

汽油机理论循环为等容加热循环。

四个过程分别是；定熵压缩、定容加热、定熵膨胀、定容放热。

2.1热力循环基本参数确定

根据《燃机学》，压缩过程绝热指数,初步取；膨胀过程绝热指数，初步取；

汽油机压缩比，初步取；

压力升高比,初步取

2.2P-V图的绘制

假定当地大气压，压缩始点压力，选定.由，根据,可以在Excel中绘制出压缩过程线。

混合气体在气缸压缩后，经等容加热，利用值得到最大爆发压力值。

膨胀过程类似压缩过程，由绘出膨胀线。

最后连接膨胀终点和压缩始点，得出理论的P-V图1

压缩始点的压力为Pa体积为Va,压缩终了的压力为Pc，体积为Vc

膨胀始点的压力为Pz体积为Vz,膨胀终了压力为Pb,体积为Vb

计算:

1）压缩过程:

压始点压强

燃烧室容积为：

=

气缸工作容积为：

=402.1mL

气缸总容积为:

计算得到的压缩终了的压力为PcMp

压缩过程中缸压力Pc与气缸容积Vc之间的函数关系如下：

…………………（4）

2）膨胀过程中：

膨胀始点压强：

膨胀始点容积：

膨胀终点容积：

计算得膨胀终点压强：

膨胀过程中缸压力Pb与气缸容积Vc之间的函数关系如下：

…………………（5）

根据上面的计算结果并且在Maple中初步绘制发动机的压缩过程和膨胀过

程线，并且连接端点得到下图1（理论PV图）：

（图1）

2.3P-V图的调整

点火提前角和配气相位的原因导致P-V图存在些差别。

最大爆发压力：

Pz取理论水平的2/3，即Pz=10Mpa最大爆发压力发生在上止点之后12°-15°，选择最大爆发压力出现在上止点之后12°；点火提前角：

根据资料常用围在20°-30°之间，经调整后取26°；排气提前角：

常用围在40°-80°，经调整后取60°。

调整后的P-V图如下图2：

（图2）

Maple部分代码截图

2.4P-V图转换成P-图

气缸容积Vx与曲轴转角φ的关系为：

……………………（6）

压缩过程曲轴转角为[180°，360°]

膨胀过程曲轴转角为[360°，540°]

进排气过程为[0°，180°]、[540°，720°]

压缩过程的P-φ图：

（图3.1）

压缩、定容加热、膨胀P-φ图：

（图3.2）

经过修改后的实际的P-φ图：

（图3）

Maple部分代码截图：

2.5有效功及有效压力的求解

由热力学计算所绘制的示功图为理论循环示功图（图1），其围成的面积表示的是汽油机的指示功Wi，数值由对示功图积分后表示：

……………（7）

其中：

,Vb=,=

在Maple中对上式积分：

J

则汽油机平均指示压力Mp

符合要求[100%

平均有效压力Mp

=Kw

与前面的计算结果基本一致。

3.运动学计算

3.1曲柄连杆机构的选型

本次设计选择中心曲柄连杆机构。

3.2连杆比的选择

初选λ=1/4可得连杆长度L=r/λ=160mm

3.3活塞运动规律

根据《燃机设计》：

活塞位移近似式：

…………（8）

（其中，λ=1/4，r=40mm）

根据上式用Maple画X-图如下：

（图4）

用Maple对式子（8）求一次导数得到活塞速度近似速度并导出图像：

（图5）

用Maple对式子再求一次导数得到活塞加速度并导出图像：

（图6）

Maple代码：

3.4连杆运动规律

连杆式做复合平面运动，即其运动是由随活塞的往复运动以及绕活塞销的摆动合成。

连杆相对于气缸中心的摆角：

……………………（11）

（图7.连杆摆角图）

4.动力学计算

4.1质量转换

常采用的方法为二质量替代系统：

用集中在小头处的换算质量和集中在大头处的质量来代替连杆的实际质量。

a）换算系统两质量之和等于原连杆的质量m

b）换算系统的质心与原连杆质心重合

连杆质心至连杆小头中心距离

连杆质心至连杆大头中心距离

由上述两个条件得:

………………（12）

……………………（13）

沿气缸轴线作直线运动的活塞组零件，可以按质量不变的原则简单相加，并集中在活塞销中心。

………………………（14）

做平面运动的连杆组，根据动力学等效性的质量，质心和转动惯量守恒三原则进行质量换算。

3个条件决定三个未知数，可用位于比较方便的位置上即连杆小头，大头和质心处三个质量来代替连杆。

实际结果表明∆m与相比很小，为简化受力分析，常用集中在连杆小头和大头的2个质量代替连杆。

往复惯性质量：

………………（15）

式中：

——活塞质量；——活塞销质量；——连杆小头质量

1）、在估算活塞质量时，可以将活塞当做薄壁圆筒处理：

……………………（16）

式中：

D-活塞直径,D=80mm；

活塞厚度，；汽油机为（0.06—0.10）D,取0.08

H-活塞高度，H=72mm；H=（0.8-1.0）D，取0.9

活塞材料选为共晶铝合金:

可得：

2）、活塞销质量……………………（17）

活塞销外径，;衬套径

活塞销径，取

活塞销长度，

活塞销采用20Cr，其密度

可得：

3）、连杆小头质量………………（18）

式中：

连杆小头外径，取24mm

连杆小头径，取=20mm

衬套外径圆整后

根据H