1、本科生毕业论文（设计）题 目: 汽车曲柄连杆机构设计 姓 名: 李锐 学 院: 机械工程学院 专 业: 机械电子工程 班 级: 机械电子 130 班 学 号: 1673130014 指 导教师: 职称: 2014 年 10 月 10 日2目 录摘要 .3关键词 .31 曲柄连杆机构受力分析 .41.1 曲柄连杆机构运动学 .41.1.1 活塞位移 .61.1.2 活塞的速度 .71.1.3 机构活塞加速度 .81.2 机构中各种作用力 .81.2.1 气缸内工质的作用力 .81.2.2 机构惯性力 .91.3 本章小结 .152 活塞组的设计 .172.1 活塞的设计 .172.1.1 活塞的
2、结构 .172.1.2 活塞的工作条件和设计要求 .172.1.3 活塞的材料 .182.1.4 活塞头部的设计 .192.1.5 活塞裙部的设计 .242.2 活塞销的设计 .262.2.1 活塞销的结构、材料 .262.2.2 活塞销强度和刚度计算 .272.3 活塞销座 .282.3.1 活塞销座结构设计 .282.3.2 验算比压力 .282.4 活塞环设计及计算 .282.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计 .282.4.2 活塞环强度校核 .292.5 本章小结 .303 连杆组的设计 .323.1 连杆的设计 .323.1.1 连杆的结构 .323.1.2 连杆的工作情况、设计要求
3、和材料选用 .323.1.3 连杆长度的确定 .333.1.4 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 .333.1.5 连杆杆身的结构设计与强度计算 .363.1.6 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算 .393.2 连杆螺栓的设计 .413.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力 .413.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算 .413.3 本章小结 .4234 曲轴的设计 .434.1 曲轴的结构型式和材料的选择 .434.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 .434.1.2 曲轴的结构型式 .444.1.3 曲轴材料 .444.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 .444.2.1 曲柄销
4、的直径和长度 .444.2.2 主轴颈的直径和长度 .454.2.3 曲柄 .454.2.4 平衡重 .464.2.5 油孔的位置和尺寸 .464.2.6 曲轴两端的结构 .474.2.7 曲轴的止推 .474.3 曲轴的疲劳强度校核 .484.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩 .484.3.2 计算名义应力 .524.4 本章小结 .54致谢 .55参考文献 .564汽车曲柄连杆机构设计机械电子 130专业学生 管长雨指导教师 李忠芳摘要：曲柄连杆机构由机体组、曲柄飞轮、活塞连杆组三部分组成。它是往复式内燃机中的动力传递系统。它的作用是提供燃料燃烧的场所，把燃料燃烧之后产生的气体作用在活塞
5、顶上的膨胀压力转化成为曲轴旋转的转矩，不间断的输出机械动力。曲柄连杆机构的运动件主要包括活塞组、连杆组、曲轴与轴承组。在零部件设计过程中，首先要了解其工作情况以及对零件的要求并做出相应的分析，接着再根据内燃机的整体设计指标及工厂生产条件和环境选择适当的材料，并且采取恰当的措施用以满足所提出的要求。然后，决定出零件的主要尺寸，并进行相对应的强度、刚度等方面的校核计算。最后，应用 CAD 软件建立相应的几何模型。关键词：曲柄连杆；结构设计；整体稳定性；强度校核；经济性ABSTRACT：Connecting rod by the bodys group, the crank flywheel, th
6、e piston connecting rod set of three parts. It is a power transmission system in reciprocating internal combustion engine. Its role is to provide the place of fuel combustion, the effects of the gas after the fuel burning in inflationary pressure at the top of the piston into the crankshaft rotating
7、 torque, continuous output mechanical power. Motion of crank connecting rod mechanism mainly includes the piston, connecting rod, and crankshaft and bearing group. In parts design process, first of all to understand its working situation and requirement for parts and make the corresponding analysis,
8、 then according to the overall design indexes and production condition of the internal combustion engine and the selection of proper material, and take appropriate measures to meet the proposed requirements. Then, decided to main dimensions of the parts, and the corresponding checking calculation of
9、 strength, stiffness, etc. Finally, the application of CAD software to establish the corresponding geometric model.Key words: The crank connecting rod; Structure design; Overall stability; Intensity; economy引言 毕业设计是在学完了机械电子工程专业全部专业课，并进行了生产实习的基础上进行的一个教学环节。这是我们在毕业前对所学课程的一次深入的全面的总复习，也是一次理论联系实际的训练，更是一次毕
10、业总结。因此，毕业设计在这两年的学习中占有十分重要的地位，要求每位毕业生都能发挥所能，搞好自己的设计，给自己的学业划上一个圆满的句号。2014 年 11 月-2014 年 12 月在我校精工实习。实习期间，我十分重视对自己能力的提高，多次接触工程训练中心的老师，与他们交流技术经验，从他们身上学到很多技术经验，为做此次设计打下了很好的基础，也有利于以后的工5作。我也十分重视这次毕业设计，并希望通过这次设计对自己今后将从事的工作进行一次适应性的训练，锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为进厂后的工作打下一个良好的基础。由于个人能力有限，设计中难免有许多不足之处。希望各位指导老师给予批评指正，我也会在
11、以后的工作中严格要求自己，努力提高自己的专业技能。1 曲柄连杆机构受力分析研究曲柄连杆机构的受力，关键在于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件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计，以便达到发动机输出转矩及转速的要求。1.1 曲柄连杆机构运动学内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多，按运动学观点可分为三类，即:中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。本设计的型式选择为中心曲柄连杆机构。6中心曲柄连杆机构简图如图 2.1 所示，在图 2.1 里面机构气缸中心线所在的位置经过曲轴的中心点 O，线段 OB 作为机构的曲柄，线段 AB 是机构的
12、连杆，点 B 是机构曲柄销的中心，点 A 是机构活塞销的中心。如果机构曲柄按照相等的角速度 旋转运动时，机构曲柄 OB 线段任意的点都会以点 O 作为圆心位置绕着点 O 做相等转速的旋转运动，机构活塞点 A 沿着机构气缸的中心线位置往复运动着，机构连杆 AB 线段做平面运动，连杆大头点B 和机构曲柄的一端相互连接，按照相等的速度旋转运动，机构连杆的小头和活塞相互连接做往复的运动。为了使问题更加简单容易处理，普遍的将机构连杆简化成集中在机构连杆小头与机构连杆大头的二个集中的质量，把它当做旋转与往复的运动，如此便不用对机构连杆运动的规律做单独的研究。7图 2.1 曲柄连杆机构运动简图当机构活塞做来
13、回往复运动的时候，活塞的加速度与速度是变化的，活塞的加速度与速度的数值并且变化的规律对机构和发动机的整个的工作都有非常大的影响，所以研究机构运动规律的重要任务是研究机构活塞运动的规律。1.1.1 活塞位移假设在某一个时刻，机构曲柄的转角为 ，并按照顺时针的方向进行旋转，机构连杆的轴线在所在运动的平面内偏离机构气缸的轴线角度是 ，如图 2.1 所示。当 = 时，机构活塞销的中心点 A 在最上面 A1 位置，这个位置称作上止0点。 =180 时，点 A 在最下面的 A2 位置，这个位置称作下止点。这时机构活塞位移 x:x= = =(r+ )1Ol)cos(lr= （2.1）cos1()cos(r式
14、中： 连杆比。式（2.1）再次的简化形式，由图 2.1 可以看出： sinilr8即 sinisinlr又由于 22sin1sin1co（2.2）将式（2.2）带入式（2.1）得：x= )sin1(cos12r（2.3）式（2.3）计算机构活塞的位移 x 的公式,为了便于计算，可将式（2.3）中的根号按牛顿二项式定理展开，得： 6422 sin1si8sin1sin1考虑到 13，其二次方以上的数值很小，可以忽略不计。只保留前两项，则22sinsin1（2.4）将式（2.4）带入式（2.3）得（2.5）)sin2co1(rx1.1.2 活塞的速度 将活塞位移公式（2.1）对时间 t 进行微分，
15、即求机构活塞速度 的值是v(2.6)v )cos2in(sirdtaxt将式（2.5）对时间 微分，便求出机构活塞速度得近似的公式是：21sin2si)2sin(i vrrrv （2.7）从式（2.7）看得出来，机构活塞的速度可以看做是 和si1rv两块简谐运动来构成。2sin)(2rv当 或 时，机构活塞的速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当018时， ，此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。9rv91.1.3 机构活塞加速度将式（2.6）对时间 进行微分处理求出机构活塞的加速度精确值是：tcos2in4cs2o32 rdtavta（2.8）将式（2.7）对时间 进行微分求出机构活塞加速
16、度近似值是：t21222 coscos)cos( arrra （2.9）因此，机构活塞加速度也可以视为两个简谐运动的加速度之和，即由与 两部分组成。cos21ra2cos2ra1.2 机构中各种作用力曲柄连杆机构作用力可以分成：运动质量的惯性力，作用在发动机曲轴上的负载阻力，缸内气压力，摩擦阻力。由于摩擦力数值非常小而且变化规律非常难以掌握，所以进行受力分析时可以把摩擦阻力直接忽略。而负载阻力和主动力正好处在平衡状态，不用再计算，所以研究气压力与运动质量惯性力的变化规律对于机构构件的作用。1.2.1 气缸内工质的作用力作用在活塞上的气体作用力 等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与gP活塞顶面
17、积的乘积，即（2.10）)(42pDg式中： 活塞上的气体作用力， ；gPN缸内绝对压力， ；pMPa大气压力， ；活塞直径， 。Dm由于活塞直径是一定的，活塞上的气体作用力取决于活塞上、下两面的空10间内气体压力差 ，对于四冲程发动机来说，一般取 =0.1 ，ppMPa,对于缸内绝对压力 ，在发动机的四个冲程中，计算结果如表 2.1mD985.0p所示：则由式（2.10）计算气压力 如表 2.2 所示。gP1.2.2 机构惯性力惯性力的产生由于运动不均匀，想要确定惯性力首先要知道它的质量与加速度的分布。运动学可以得知加速度所以现在只需要求出质量分布，在现实中质量分布的非常复杂，所以要进行简化
18、。因此要进行质量换算。1、机构的运动件质量换算质量换算要保持机构系统的动力学等效性。并且质量换算目的是计算零件的运动质量，以便进一步计算它们在运动中所产生的惯性力。表 2.1 缸内绝对压力 计算结果p四个冲程终点压力 计算公式 计算结果/ MPa进气终点压力 dep)90.75.(ppde0.08压缩终点压力 co 1nedco1.46膨胀终点压力 exp2maxnexp0.45排气终点压力 r 15.r 0.115注： 平均压缩指数， =1.32 1.38； 压缩比， =9.3； 平均膨胀指数，1n1n2n=1.2 1.30； ； 最大爆发压力， =3 5 ，取 =4.5 ；此时压2maxpmaxpMPmaxpP力角 = ，取 = 。503表 2.2 气压力 计算结果g四 个 冲 程 /gPN进气终点 77.23
