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《汽车零部件设计》课程设计任务书

课程设计说明书

四冲程发动机活塞连杆组设计

院（部）车辆与交通工程学院

专业车辆工程（专升本）

学生姓名

学生学号

指导教师

课程名称汽车零部件设计

课程代码

课程学分

起始日期2020.12.28-2021.1.8

《汽车零部件设计》课程设计任务书

一、目的任务

通过《汽车零部件设计》的课程设计教学环节，进一步巩固和加深所学的车辆工程专业理论知识；掌握典型汽车发动机零部件的设计原理、方法和一般设计步骤；培养学生具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力；通过编写说明书，培养学生表达归纳、总结、分析与解决问题的能力。

二、设计内容

设计题目为《四冲程发动机活塞连杆组设计》，已知某车型发动机数据为：

气缸内径D=81mm，活塞行程S=90mm。

设计内容包括：

1、活塞连杆组总成装配工作图一张。

2、活塞零件图1张（或连杆及连杆盖零件图2张）。

3、编写设计说明书1份（约4000字）。

三、时间安排

2020年12月28日～2021年1月8日（17-18周）

1.17周周一：

讲解课程设计的内容和要求，布置课程设计任务及分组安排。

2.17周周二-周三：

资料查阅与学习，确定方案

3.17周四-18周周二：

绘制装配图草图、装配图、零件图

4.18周周三-周四：

编写设计说明书

5.18周周五：

答辩

四、设计工作要求

1、所设计的装配图、零件图，要符和国标、部标，并保证结构的合理性，工艺的可行性，装配调整的方便性等。

2．视图选择恰当，尺寸完整，公差与热处理合理，并确定好技术条件，达到生产用图的水平。

3．说明书一律打印，语言简练，文理通顺。

摘要

科技进步推动了内燃机行业的持续发展，发动机的强化指标逐渐提高，活塞及杆组件所受的机械负荷与热符合也越来越高，它们的设计是否合理，将直接关系到内燃机的可靠性、寿命、排放、经济性等。

因此在已有条件下，通过真实有效地计算分析，得出有益的解决方案成为目前内燃机行业的首选课题,内燃机严酷的内部温度环境和负荷条件使得传统的设计实验很难取得令人满意的效果，为确保设计目标的实现、为了适应不断增长的高压环境和提高产品的强度和耐久性要求以及设计中的寿命要求，需要采用先进的设计和分析手段，科学的分析活塞的结构对活塞寿命以及工作的可靠性的影响，设计品质优良的活塞，从而使内燃机更好地工作。

关键词:

内燃机；活塞；连杆。

1连杆的组成

连杆体由三部分构成，与活塞销连接的部分称连杆小头；与曲轴连接的部分称连杆大头，连接小头与大头的杆部称连杆杆身。

连杆小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。

在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。

连杆杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。

为此，车用发动机的连杆杆身大都采用Ⅰ形断面，Ⅰ形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用H形断面的。

有的发动机采用连杆小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。

为避免应力集中，连杆杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。

为降低发动机的振动，必须把各缸连杆的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按连杆的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组连杆。

V型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，连杆有并列连杆、叉形连杆及主副连杆三种型式。

如图1连杆组成图

1.1连杆的方案设计

此次的连杆初步设计成小头采用薄壁圆环形结构，连杆小端与活塞销采取的是过盈配合，杆身采用等截面的工字型，连杆大端与连杆盖的分开面采用平切口。

采用薄壁圆环形结构，这种结构简单轻巧，制造方便，工作时应力分布均匀，材料利用率高。

由于连杆小端与活塞销采取的是过盈配合，所以不需要对承压面进行比压的校核。

连杆杆身截面为上大下小的渐变工字型截面。

由于此杆身在制造时的模具加工较繁琐，所以此次设计的杆身采用的是等截面的工字型。

连杆大端与连杆盖的分开面采用平切口，因为这类连杆具有较大的刚度，轴承孔受力变形小，制造费用低等优点。

2活塞的组成

整个活塞主要可以分为活塞顶、活塞头和活塞裙3个部分。

活塞的主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。

此外，活塞还与汽缸盖、汽缸壁共同组成燃烧室。

活塞顶是燃烧室的组成部分，因而常制成不同的形状，汽油机活塞顶多采用平顶或凹顶，以便使燃烧室结构紧凑，散热面积小，制造工艺简单。

凸顶活塞常用于二行程汽油机。

柴油机的活塞顶常制成各种凹坑。

活塞头部是活塞销座以上的部分，活塞头部安装活塞环，以防止高温、高压燃气窜入曲轴箱，同时阻止机油窜入燃烧室；活塞顶部所吸收的热量大部分也要通过活塞头部传给汽缸，进而通过冷却介质传走。

活塞头部加工有数道安装活塞环的环槽，活塞环数取决于密封的要求，它与发动机的转速和汽缸压力有关。

高速发动机的环数比低速发动机的少，汽油机的环数比柴油机的少。

一般汽油机采用2道气环、1道油环；柴油机为3道气环、1道油环；低速柴油机采用3～4道气环。

为减少摩擦损失，应尽量降低环带部分高度，在保证密封的条件下应力争减少环数。

活塞环槽以下的所有部分称为活塞裙。

其作用是引导活塞在汽缸中作往复运动并承受侧压力。

发动机工作时，因缸内气体压力的作用，活塞会产生弯曲变形，活塞受热后，由于活塞销处的金属多，因此其膨胀量大于其他各处。

此外，活塞在侧压力作用下还会产生挤压变形。

上述变形的综合结果，使得活塞裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆。

此外，由于活塞沿轴线方向温度和质量的分布都不均匀，导致了各断面的热膨胀是上大下小。

并且活塞要有足够的强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。

导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分的散热能力,受热面积小。

活塞与活塞壁间应有较小的摩擦系数，具有较好的减磨性和热强度。

图2活塞连杆构成

2.1活塞的方案设计

此次的活塞初步设计成凹顶，裙部为半拖板式,活塞销与小头采用全浮式连接方式。

活塞顶的形状主要由燃烧室的选择和设计而定的，从发动机总体设计可知燃烧室采用的是浴盆型燃烧室，另外从活塞设计的角度考虑，减轻活塞组的热负荷和应力集中，采用受热面积较小，加工最简单的活塞顶形状。

在现代汽车发动机上,活塞裙部常采用两种形式:

半拖鞋式裙部和拖鞋式裙部。

在保证裙部有足够承压面积的条件下，将不承受侧向力一侧的裙部部分的去掉，即为半拖鞋式裙部:

若全部去掉则为拖鞋式裙部。

半拖鞋式和拖鞋式的优点是:

质量轻，比全裙部活塞轻10%~20%，适应高速汽油机减小往复惯性力的需要:

裙部弹性好，可以减小活塞与气缸的配合间隙;能够避免与曲轴平衡块发生运动干涉。

在本设计中决定采用半拖鞋式裙部。

本次课程设计的目的是设计四冲程汽油机的活塞，根据某些现有发动机的参数，确定活塞直径D=81mm。

采用全浮式连接方式的优点是:

当发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，这样活塞销能在连杆衬套和活塞销座中自由摆动，使磨损均匀。

3连杆组的设计

3.1连杆的设计

在连杆的设计中，主要考虑的是连杆中心距以及大、小头的结构形式。

.连杆的运动情况和受力状态都比较复杂。

在内燃机运转过程中，连杆小头中心与活塞-起作往复运动，承受活塞组产生的往复惯性力;大头中心与曲轴的连杆轴颈--起作往复运动，承受活塞连杆组往复惯性力和不包括连杆大头盖在内的连杆组旋转质量惯性力;杆身作复合平面运动，承受气体压力和往复惯性力所产生的拉伸.压缩交变应力，以及压缩载荷和本身摆动惯性力矩所产生的附加弯曲应力。

为了顺应内燃机高速化趋势，在发展连杆新材料、新工艺和新结构方面都必须既有利于提高刚度和疲劳强度，有能减轻质量，缩小尺寸。

（1）对连杆的要求：

结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能的减轻重量，以降低惯性力;尽量缩短长度，以降低发动机的总体尺寸和总重量;大小头轴承工作可靠，耐磨性好;）连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠。

但由于本设计是改型设计，故良好的继承性也是-一个考虑的方面。

（2）连杆长度的确定：

连杆大小端孔之间的距离，即连杆的长度L。

它通常是由曲柄连杆比λ=r/l来决定的。

现代高速发动机为了使结构紧凑轻巧，趋向于将λ取大，减小L的尺寸。

但L也不能太小，因为这样会引起活塞群部与曲轴平衡块相碰，也可能在连杆运动中与气缸套的底部发生运动干涉。

因此，L的选择原则就是在满足以上两个要求的情况下，L越短越好。

根据发动机总布置的要求λ=（0.27~0.30），r=45mm,所以L=（166.7~150）mm,设计计算时取L=155mm。

由于连杆长度的压缩比和装配关系，所以其制造公差要保持在士0.05-+0.1的范围内。

根据查阅资料得连杆小头的各个尺寸范围：

小头的轴承孔直径已经在活塞组的设计中确定了，活塞销外径d=22mm，小头厚度b1=（1.2-1.4）d1=（25.2~29.4）mm,取B＝30m小头的外径一般比孔径大20％-35%，小头外径D1=（1.2-1.35）d1=（25.2~28.35）D1=30mm小头的最小径向厚度δ=（D1-d1）/2＝3mm

连杆杆身采用典型的工字形截面。

为了在较小的重量下得到较大的刚度，汽车发动机的连杆杆身-般为便于模锻或铸造的“工”字形截面。

为了使连杆在相同载荷作用下，在连杆的摆动平面内和重直F摆动平面内的稳定性相同。

“工”字形断面的宽度H由小头到大头逐渐加大，并以大圆弧向大，小头过渡，其高度B和中间筋厚度在接近大头和小头处逐渐加大，这样就可以使杆身等强度并提高大、小端的刚度，两侧的凸筋应稍厚并倒圆角，还要用较大圆角过渡到中间筋，以避免锻造时产生裂纹。

H/D=0.3，B/H=0.75，t/H=0.15取H=23mm；B=18mm；t=3mm

连杆大头定位方式为舌槽定位。

这种定位方式定位可靠，贴面紧密，抗剪切能力强尺寸紧凑。

但要注意舌槽部位要减小应力集中，以防疲劳损坏。

根据查阅资料得连杆大头的各个尺寸范围：

大头内径D2=（0.60~0.65）D=（48.6~52.7）mm取D2=50mm

大头厚度d2=（0.65~0.70）D2=（32.5~35）mm取d2=34mm

3.2连杆螺栓的设计

（1）连杆螺栓的材料选用

连杆螺栓将连杆盖和连杆大头连在一起，它在工作中承受很大的冲击力，如果折断或松脱，将造成严重事故。

因此，连杆螺栓为M10采用标准细牙螺纹,都采用优质合金钢45Cr制造，并精加工和热处理特制而成。

安装连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力板手分2~3次交替均匀地拧紧到规定的扭矩，拧紧后为了防止连杆螺栓松动,还应可靠的锁紧。

连杆螺栓损坏后绝不能用其它螺栓来代替。

连杆螺栓必须用中碳合金钢制造,经调质以保证高强度。

（2）连杆螺栓的尺寸确定

螺栓的长度L1=（0.82~1.16）D=63.14~89.32）mm,取L2=80mm;螺栓孔间距离C=（1.24~1.31）D2=70mm;螺栓直径dm=1.2D=9.24mm,取dm=9mm。

4活塞组的设计

4.1活塞的工作条件

（1）活塞的热负荷

活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，最高温度可达2000~2500度。

因而活塞顶的温度也很高。

活塞不仅温度高，而且温度分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正是这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用。

（2）磨损强烈

发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，同时，活塞在气缸中的高速往复运动，活塞组与气缸表面之间会产生强烈磨损，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。

（3）活塞组的设计要求

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、工艺性的材料；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；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；在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；

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；在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。

（4）根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：

热强度高。

即在高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；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；膨胀系数小。

使活塞与气缸间能保持较小间隙；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；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；工艺性好，低廉。

在发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因，曾广泛地被作为活塞材料。

但近几十年来，灰铸铁活塞因重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。

铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，铝合金比重小，约占有灰铸铁的1/3，结构重量仅占铸铁活塞的。

其惯性小，对高速发动机具有重大意义。

铝合金另一突出优点是导热性好，其热传导系数约为铸铁的3到4倍，使活塞温度显著下降。

对汽油机来说，采用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。

共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，既可铸造，也可锻造。

含硅9%左右的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用很广。

综合分析，该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。

4.2活塞的结构设计

（1）活塞顶部的设计

活塞顶部形状对于四冲程内燃机取决于燃烧室形状，一般有平顶、凸顶和凹顶，此处选用平顶活塞。

活塞顶的厚度δ是根据强度、刚度及散热条件来确定，在满足强度的条件下δ值尽量取小。

对于铝合金材料的活塞δ值，汽油机为（0.06~0.10）D,柴油机为（ 0.1~0.2）D。

则：

δ=（0.06~0.10）*81=6.00mm 

（2）活塞头部的设计

设计要求：

活塞头主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。

因此，活塞头部的设计要点是：

保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度缩短1单位，整个发动机高度就可以缩短2~5.1单位，并显著减轻活塞重量。

而压缩高度则直接受头部尺寸的影响。

（3）压缩高度H1的确定

压缩高度为活塞销中心到活塞顶的高度，压缩高度H1是由火力岸高度h1、环带高度h2和上裙高度h3构成的,即：

H1=h1+h2+h3。

在保证气环有较好的工作条件的前提下，应该尽量缩短压缩高度。

（4）火力岸高度

为了尽可能地缩小压缩高度H1，则火力岸高度h1也要尽量取小，对于一般汽油机而言，火力岸高度：

h1=（0.06~0.08）D，即此处火力岸高度h1=（0.06~0.08）*81=（4.86~6.48）mm，取h1=5.0mm。

（5）环带高度

该发动机采用三道活塞环，其中2道气环，1道油环。

在小型高速内燃机上，一般气环高b=2~3mm，油环高b=4~6mm,取b1=3mm，b2=3mm，b3=4mm。

（6）环岸高度

环岸高度主要根据机械强度来确定，由于第一环岸承受的气压力较大且工作温度较高，故其高度往往可稍大于其他环岸。

第一环岸高度c1=2~4mm，取c1=4mm又c2=（1~2）b1=3~6mm,且小于c1，则取c2=3mm。

因此，环带高度h2=b1+b2+b3+c1+c2=3+3+4+4+3=17mm。

（7）上裙高度

压缩高度最后由上裙高度来确定，对于一般汽油机而言，H1=（0.45~0.6）D=（0.45~06）*81=34.65~46.2mm所以可以先确定压缩高度再确定上裙高度，取压缩高度H1=43mm，则h3=H1-h1-h2=40-5.5-17=17mm 。

（8）活塞头部侧壁

活塞头部需要安装活塞环，所以侧壁必须加厚以保证强度等要求，一般而言侧壁厚为（0.05~0.1）D=（0.05~0.1）*81=7mm。

活塞侧壁与顶部之间要采用较大的过渡圆角，一般去圆角半径为（0.05~0.1）D=（0.05~0.1）*81=3.85~7.7mm，取圆角半径为6mm。

（9）活塞裙部的设计

发动机运转时，正圆形的裙部与气缸在活塞销方向上经常发生拉毛现象，主要是由于活塞侧向力、活塞顶爆发力和惯性力联合作用以及温度升高引起的热膨胀导致裙部横截面变成“椭圆”形。

为了防止裙部变形，可以进行反椭圆设计，选择膨胀系数小的材料。

活塞裙部其各尺寸可根据下列公式算出：

裙长H2=（0.6~0.8）D=（0.6~0.8）*81=46.2~61.6mm，取H2=64mm 

销孔高度h4=（0.45~0.55）D=（0.45~0.55）*81=34.65~42.35=42mm 

4.3活塞销的设计

（1）活塞销的材料

活塞销材料为低碳合金钢，表面渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。

表面加工精度及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。

（2）活塞销的结构

活塞销的结构为一圆柱体，为减小质量以及有效地利用材料，一般活塞销都制成空心。

对于一般发动机而言，活塞销的固定方式采用浮式销，为防止浮式销在活塞销座内发生轴向窜动，可采用挡圈结构来固定。

活塞销外直径d=（0.25~0.3）D=（0.25~0.3）*81=20.25~24.3=22mm 

4.4活塞销座

活塞销座用以支承活塞，并由此传递功率。

销座应当有足够的强度和适当的刚度，使销座能够适应活塞销的变形，避免销座产生应力集中而导致疲劳断裂；同时要有足够的承压表面和较高的耐磨性。

活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销—销座系统的工作越可靠。

所以销座间距B=（0.35~0.4）D=（0.35~0.4）*81=30mm。

总结

经过两周的不懈努力，活塞连杆设计课程马上就要结束了。

从课本上的简单了解到网上的资料收集整理和最终参数的确定，还有自己的初步设计及设计说明书的编写。

在此过程中我学到了以前不知道和不熟悉的知识与方法。

刚开始时我对活塞连杆只知道其组成结构，并不知道它还有那么多的细节和要求，或许在常人看来它并不重要，但是对于专业人士来讲细节就是决定成败的关键。

通过此次的课程设计我对活塞连杆有了一个整体的认识。

虽然中间遇到了很多问题，但是通过老师和同学的帮助，这些问题都迎刃而解了。

通过此次课程设计我也认识到了团结合作的重要性。

最后我要感谢一下我的老师，如果没有老师的帮忙，我不可能那么轻松的完成活塞连杆的课程设计。

参考文献

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［4］邓星钟.机电传动控制.华中科技大学出版社，2001.3；

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国防工业出版社，2000.6；

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