1、 毕业设计（论文）题目：内燃机曲轴活塞机构的设计与仿真学 生 姓 名： 学 部 （系）： 专 业 年 级： 指 导 教 师： 2013 年 05 月 20 日1目 录摘要-3关键词-3Abstract-4Keywords-5前言-61. 绪论-71.1 本课题研究的目的与意义-71.1.1 课题研究的目的-71.1.2 课题研究的意义-71.2 国内外发展概况-71.3 设计要求与设计思路-81.3.1 设计要求-81.3.2 设计思路-82. 内燃机的结构和运动分析 -92.1 内燃机的工作原理-92.1.1 吸气行程-92.1.2 压缩行程-92.1.3 做功行程-92.1.4 排气行程-
2、92.2 内燃机的结构分解-92.2.1 活塞-92.2.2 汽缸-103. 活塞机构的设计-113.1 活塞机构的作用-113.2 活塞的设计要求-113.3 活塞机构的选定-1123.3.1 活塞机构的方案比较-123.3.2 活塞机构的选定-133.4 活塞机构的选择结论-134. 曲轴零件设计-144.1 曲轴的类型-144.2 曲轴的工作情况-144.3 曲轴的工作条件-144.4 曲轴的设计要求-154.5 曲轴的材料-154.6 曲轴的结构设计-164.7 曲轴的相关计算-164.8 曲轴的工作循环-185. 曲轴飞轮机构的设计-195.1 飞轮的作用-195.2 飞轮的结构与特
3、点-206. 连杆组设计 -206.1 工作情况-206.2 设计要求-206.3 连杆材料-216.4 主要参数选择-217. 小结与展望 -22结束语-24参考文献 -24附录-243内燃机曲轴活塞机构的设计与仿真摘 要内燃机是一种能量转换装置，将汽油、柴油、天然气等物质的化学能通过在汽缸中燃烧转化为热能，热能通过膨胀转化为机械能，对外做功。目前在商品汽车上普遍使用往复活塞式内燃机。现有往复活塞式内燃机机多为四冲程内燃机机，四冲程内燃机机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在做功冲程中活塞连杆组将活塞往复运动的能量转化成曲轴及飞轮转动的转矩。在其他 3 个冲程，活塞依
4、靠飞轮的转动惯性作往复运动。曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，它尺寸的合理与否又对内燃机的性能起着至关重要的决定性因素往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等，转换为功率输出轴的转动。这种内燃机热具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点，现在技术比较成熟。但是该种内燃机机构复杂，尤其是一套复杂的气门控制机构。且由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力与转速的平方成正比，即随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。关键词：曲轴活塞机构；内燃机；燃烧；组件装配4Design and Simulation of inter
5、nal combustion engine crankshaft piston mechanismAbstractThe internal combustion engine is a kind of energy conversion device, the gasoline, diesel, natural gas chemical substances through burning in the cylinder is converted into heat, heat through expansion into mechanical energy, external work. A
6、t present in the commercial vehicles generally use the reciprocating piston internal combustion engine.The existing reciprocating piston internal combustion engine is four stroke diesel engine, a working cycle of four stroke internal combustion engine machine consists of an intake stroke, compressio
7、n stroke, power stroke and exhaust stroke. In a stroke of the piston connecting rod set torque of the reciprocating motion of the piston energy into the crankshaft and flywheel rotation. During the other 3 strokes, the flywheel inertia on piston reciprocating motion.Crankshaft piston mechanism is on
8、e of the most important mechanism of internal combustion engine, its size is reasonable or not and to the performance of the internal combustion engine plays a crucial decisive factorMotion of reciprocating internal combustion engine through the crankshaft and connecting rod mechanism or a cam mecha
9、nism, swinging mechanism, rocker mechanism, conversion for power output shaft 5rotation. The internal combustion engine heat has a series of advantages of high efficiency, small size, light weight and high power, technology is now more mature. But the structure of internal combustion engine is compl
10、icated, especially a complex valve control mechanism. And because the reciprocating motion of the piston group caused by reciprocating inertia force and rotational speed of crank and connecting rod mechanism is proportional to the square, with the increase of rotational speed, inertial load bearing
11、on the increase, and because of the inertia force unbalance and produce strong vibration.Key words：Crankshaft piston mechanism; internal combustion engine; combustion; assembly6前 言曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，它尺寸的合理与否又对内燃机的性能起着至关重要的决定性因素，往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等，转换为功率输出轴的转动。这种内燃机热具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列
12、优点，现在技术比较成熟。但是该种内燃机机构复杂，尤其是一套复杂的气门控制机构。且由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力与转速的平方成正比，即随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。曲轴活塞机构的设计对于一个内燃机的性能好坏有这至关重要的因素，我们应该合理的设计曲轴、活塞的尺寸以及用料的选择，从这一方面来尝试着减小轴承上的惯性载荷及由其引起的强烈震动现象。本次设计主要包含了内燃机曲轴活塞机构的运动分析、内燃机曲轴活塞机构的装配图与零件图设计、内燃机曲轴活塞机构的零件三维造型以及内燃机曲轴活塞机构的组件装配。71 绪论1.1 本课题研究的目的与意义选
13、题意义 1.1.1 课题研究的目的内燃机是一种能量转换装置，将汽油、柴油、天然气等物质的化学能通过在汽缸中燃烧转化为热能，热能通过膨胀转化为机械能，对外做功。目前在商品汽车上普遍使用往复活塞式内燃机。现有往复活塞式内燃机机多为四冲程内燃机机，四冲程内燃机机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在做功冲程中活塞连杆组将活塞往复运动的能量转化成曲轴及飞轮转动的转矩。在其他 3 个冲程，活塞依靠飞轮的转动惯性作往复运动。曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，它尺寸的合理与否又对内燃机的性能起着至关重要的决定性因素。1.1.2 课题研究的意义轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它
14、主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。对曲轴的曲颈精度要求非常高，否则会影响轴的定位。提高曲轴的位置精度会减小摩擦提高有效率，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。所以就要求对曲轴加工工艺有更高的要求，通过改进加工工艺来提高曲轴的精度。往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等，转换为功率输出轴的转动。这种内燃机热具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点，现在技术比较成熟。但是该种内燃机机构复杂，尤其是一套复杂的气门控制机构。且由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力与转速的平方成正比，即随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性
15、力的不平衡而产生强烈的振动。所以曲轴活塞机构的设计对于一个内燃机的性能好坏有这至关重要的因素，我们应该合理的设计曲轴、活塞的尺寸以及用料的选择，从这一方面来尝试着减小轴承上的惯性载荷及由其引起的强烈震动现象。1.2 国内外发展概况目前车用发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁曲轴成本只有调制曲轴成本的 1/3 左右，且球墨铸铁的切屑性能良好，可获得较理想的机构形式，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国为 90%，英国为 85%，日本为 60%，此外，德国、比利时等8国家也已经大
16、批量采用。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴 85%以上采用球墨铸铁，而功率在 160KW 以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。美国、德国、日本等汽车工业发达国家都致力于开发绿色环保、高性能发动机，目前各个厂家采用发动机增加、扩缸及提高转速来提高功率的方法，使得曲轴各轴颈要在很高的比压下高速转动，发动机正向着增压、增压中冷、大功率、高可靠性、低排放方向发展。曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统材料和制造工艺无法满足其功能要求，市场对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求十分严格。如果其中任何一个环节质量没有保证，则
17、可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工工艺十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。随着 WTO 的加入，国内曲轴生产厂家已经意识到形式的紧迫性，引进了不少先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴制造技术水平有了大幅提高。1.3 设计要求与设计思路1.3.1 设计要求设计一个四冲程内燃机的曲轴活塞机构。所选用机器的功能与设计要求：该机器的功能是把化学能转化成机械能。须完成的动作为：活塞的吸气，压缩，做功，排气 4 个过程，进，排气门的开关与关闭、燃料喷射。曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，主要控制内燃机的吸气、压缩、做功、排气 4 个冲程。也在内燃机的性能
18、上起着重要作用。1.3.2 设计思路设计四冲程内燃机的关键点在于活塞的吸气，压缩，做功，排气以及气门的开闭几个动作的完成。而怎样将这个几个动作完成并按照运动循环图结合起来这是我们完成这次课程设计所需要解决的问题。所以，我将从这些方面入手，依据这些需要来选择机构。2 内燃机的结构与运动分析2.1 内燃机的工作原理内燃机在四个活塞行程内完成进气、压缩、做功和排气等四个过程，即在一个活塞行程内只进行一个过程。活塞走过四个过程才能完成一个工作循环的内燃机成为 4 冲程内燃机。2.1.1 吸气行程活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。9在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸
19、内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。2.1.2 压缩行程进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时，进、排气门均关闭。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，其压力和温度同时升高。作用:1.提高空气的温度,为燃料的自行发火做准备.2.为气体膨胀做功创造条件。2.1.3 做功行程压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转作功
20、。这时，进、排气门仍旧关闭。2.1.4 排气行程.排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体(或称废气)在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。2.2 内燃机结构的分解了解内燃机完成相应动作所对应的零件，有利于我们选择与之对应的机构。这有利于设计的完成。内燃机主要由活塞，气缸，两个气门，火花塞，喷油嘴组成。本次主要设计活塞，汽缸，连杆和曲轴。2.2.1 活塞活塞可以说是内燃机中最主要的一个零件，它主要完成对气体的压缩，吸气，排气也是又活塞的开闭所带动的，做功也是燃气膨胀对活塞做功。活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸 内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连 杆联接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作 旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。2.2.2 气缸
