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1、汽油机曲柄连杆机构设计讲解课程设计任务书学院汽车与交通学院专业热能与动力工程学生姓名班级学号课程设计题目汽油机曲柄连杆机构设计一连杆实践教学要求与任务：1.设计参数求：Pe=33.5kW/5000rp ; D=65mm ;名c=8.8（参考）2.设计内容及要求：1） 选取基本参数、热计算、绘制示功图（1） 利用EXCEL或其他程序语言进行近似热计算，得到理论的 p_y示功图的数据。（2） 以该数据为依据，在坐标纸oi上绘制理论的示功图，并对其进行修正，得到实际的p-V示功图。（3） 将p 丫图转换成P- （p图，绘制在坐标纸02上。2） 零部件设计（1） 独立设计该汽油机的 连杆，用CATIA

2、软件绘岀三维实体模型，求岀其质心位置和当量质量。（2） 将三维图形转换成二维的工程图，并正确标注尺寸、粗糙度、公差等，并以 A1的图纸打印。3） 动力计算（1 ）计算活塞的位移、速度和加速度，并绘制曲线图附在设计说明书中。（2） 活塞连杆作用力分析，将往复运动惯性力 Pj、侧压力Pn、切向力T、法向力K随曲轴转角的变化曲线 附在设计说明书中。（3） 计算曲柄销载荷和连杆轴承载荷，并将图形附在设计说明书中。4） 设计说明书。其中包括：（1）成绩评定表、课程设计任务书； （2）汽油机设计指标及其参数的选定； （2）热计算过程；（3）零部件设计过程；（4 ）动力计算过程；（5）附录（程序或用 EXC

3、EL的计算表格）工作计划与进度安排：1.选取基本参数、热计算、绘制示功图 5天2.零部件设计6天3.3D建模2天4.动力计算2天5.编写设计说明书 2天6.答辩1天指导教师：2012年12月21日专业负责人：2012年12月21日学院教学副院长：2012年 月 日1汽油机设计参数 22汽油机基本结构参数选用 33近似热计算 43.1燃料燃烧热学计算 43.2换气过程计算 43.3压缩过程计算 53.4燃烧过程计算 63.5膨胀过程计算 83.6示功图绘制 93.7汽油机性能指标计算 104连杆三维建模 114.1连杆基本尺寸 114.2连杆的建模过程 114.3连杆大头盖的建模过程 145动力

4、计算 175.1活塞位移、速度、加速度 175.2活塞连杆作用力分析 185.3曲柄销载荷和连杆轴承载荷 206参考文献 22附录1汽油机设计参数1、 功率Pe有效功率是汽油机基本性能指标。Pe由汽油机的用途选定，任务书已经指 定所需汽油机有效功率Pe=33.5 kw。2、 转速n转速的选用既要考虑被汽油机驱动的工作机械的需要，也要考虑转速对汽油 机自身工作的影响。任务书已经指定所需汽油机转速 n=5000 r/mi n。3、 冲程数T本设计中的车用汽油机都采用四冲程，即 T =4。4、 平均有效压力pme平均有效压力pme表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功， 是 汽油机的强化指标

5、之一，一般车用汽油机的平均有效压力为 0.9MPa1.2 MPa， 这里取 pme =0.93 MPa。5、 有效燃油消耗率be这是汽油机最重要的经济性指标。四冲程车用汽油机 250g/(kwh)380g/( kw )。2汽油机基本结构参数选用(2.1)1、 气缸直径D气缸直径D的选取影响汽油机的尺寸和重量，还影响汽油机的机械负荷和 热负荷。本设计任务书规定了车用汽油机的气缸直径 D=65 mm。2、 活塞行程S增大活塞行程S使活塞平均速度Vm二s n/30提高，机械负荷加大，一般车 用汽油机Vm =1015m/s，同时S也是汽油机基本结构指标 S/D的决定因素， 车用汽油机的S/D=0.71

6、.2,校核所设计的汽油机的vm和S/D的值。即 vm 二 s n/30 =0.065 5000/30=10.83 m/s 符合要求S/D=65/65=1 符合要求3、 气缸数i及气缸排列方式由于设计任务书已指明D的值，S确定后，满足功率要求可通过改变气缸数i实现，所以采用4缸直列排布。4、 连杆长度L与曲柄连杆比入=r/L连杆长度加大，会使汽油机总高度增加；虽然连杆摆角减小，侧压力减小， 但效果不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。因而尽量采用短 连杆，目前一般 入值在1/41/3.2之间，取入=1/3.5。则 2r=65，r/L=1/3.5 即 L=113.75 mm， r=32

7、.5 mm5、 气缸中心距I。及其与气缸直径之比l/DI0/D影响汽油机的长度尺寸和重量指标，设计时力求缩小 I0/D的值。I0/D值的影响因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析， 一般其值为 1.25 1.35,取 l0/D=1.3，则 l0=1.3X 65=84.5 mm&压缩比 c选用压缩比 c也就是选用燃烧室容积。选用压缩比时要考虑汽油机的经济 性能、工作可靠性、爆燃等。任务书给定车用汽油机的 c=8.8根据有效功率计算可得Vs=0.216 L则 1+Vs/Vc=8.8 得 Vc=0.028 L3近似热计算3.1燃料燃烧热化学计算1 理论空气量Lo1 0.855

8、 0.145 0.000 cc /族宀士、厶沾、= + 1-0.512 （千摩尔/千克汽油）0.21 i 12 4 32 丿燃料采用轻汽油 gc= 0.855, gH =0.145，g。=0.000 汽油低热值 H u=44100千焦/千克燃料2新鲜空气量M11 1M1 二 aS =0.9 0.512 =0.47 （千摩尔 /千克）114实际分子变更系数卩1取 Tr=1000 K其中紀=0,50.9之间，取.0,8，可求得To=357,65K:c =0.70.9，经验证符合要求。3.3压缩过程计算1平均多变压缩指数n1n1=1.321.38 取 n1 =1.35(MPa)2压缩过程中任意曲轴转

9、角；：cx时的压力Pcx（画示功图时用）(3.2):二 2-d2s其中：Vca进气终点气缸容积0.065 0.0 6 58.8=0.2433 L8.81Vcx对应于-:cx时的气缸容积。(3.3)Vcx D2r（1cos ex Sin2 ex） Vc4 2式中：r曲柄半径，r=S/2;入曲柄连杆比，入=r/L。计算结果见附录表A13压缩终点充量的状态参数压力：Pcb =Pa ；cn1 =0.085 8.81.35=1.6 MPa温度：Tcb 二Ta / 4 =380 8.81.35 4 =813.49 K3.4燃烧过程计算1热量利用系数Z z热量利用系数ZZ表示燃烧热量被工质吸收多少的程度。由

10、于不完全燃烧、 传热损失、高温分解、节流损失等因素，燃料燃烧所发出的热量中只有一部分被 工质吸收。燃烧终点的热量利用系数Z z在此范围内选取：Z z=0.800.95,取Z z=0.9 2燃烧最高温度Tz1)工质的平均等容摩尔热容(Cv)m和平均等压摩尔热容(Cp)m间有如下关 系：(JCp)m =(9v)m 8.314kJ/( kmol K) (3.4)工质的平均等压摩尔热容 ecp)m按下列方法计算：查图法：由下图按过量空气系数查出。图3.1燃烧产物和平均等压摩尔比热与温度的关系不同；时，石油燃料完全燃烧产物和空气(的平均等压摩尔比热ClCp)m与温度的关系(JCv)m在Tcb=813.4

11、9K爲：时利用插值法进行计算，计算步骤如下：选用673K和873K进行计算873-673=20030.43-29.797=0.6330.633/200=3.165X 10A-3813.49-673=140.49(Cp)m =3.165X 10A-3X 140.49+29.797=20.242(Cv)m =(9p)m -8.313=20.242-8.313=21.929(G)m在Tcb=813.49K =0.9时利用插值法进行计算，计算步骤如下:同理按上步插值法可以求出(JCp)m =33.045 (Cv)m =(Cp)m -8.313=24.732_(UCv)m +Yr(Cv)m =21.92

12、9 +0.6汉34.732 =22 087 - 1 + Yr = 1+0.06 =.2）燃烧方程 :H .1=61100( 1- )80705.143=(Cvz)mTz误差不超过5%,则76669.88684740.4=C Cvz) m TZ3）燃烧最高温度Tz的计算利用燃烧方程式，Tz采用试凑法求解，即先假设一个Tz，由过量空气系数 求出（七vZ）m，然后代入燃烧方程，反复试算，直到方程两边的值相差在5%以内计算步骤如下：先假设2000K利用插值法算出每一温度的（Cvz）m值，再 由上式算出Tz与（Cvz）m乘积表3.1插值法数据Tz （ K）CGz）mTz X （Cvz）m200029.3

13、9758.794207329.45761064.361210029.46761880.7217329.66264455.526227329.86467880.872247330.27474867.602250030.32975822.5260030.53479389.31267330.68482018.331有表格可以看出，2600K时最接近80705.143,则Tz=26003压力升高比= 1.073 型七.429813.49一般汽油机= 2.0 4.0，所以符合要求。4燃烧最高压力PzPz 二-Rb =3.429 1.6=5.491 MPa一般汽油机pz =38.5MPa,所以符合要求。3

14、.5膨胀过程计算1平均多变膨胀指数n2 =1.231.28 取 n2=1.252膨胀过程中任意曲轴转角；：bx时的气体压力Pbx (供画示功图时用) 氐二 Pz( n2 (3.6)Vbx计算结果见附录表A23膨胀过程终点状态参数压力：Pb 二 pz (吃严二 pz/ ；= 0.362 MPaVb 8.8A1.25温度:I”= Tz/c26008.8八（1.25 -1）= 1059.57 K3.6示功图绘制1理论示功图绘制根据各过程计算结果可以绘制出汽油机实际循环的理论示功图， 其中，燃烧过程按等容过程绘制。理论示功图的理论循环指示功L!按下式计算:为nr（1古诂1A Vs(3.7)=0.219

15、按示功图上纵横坐标比例：压力值/格，容积值/格，可以算出L.对应的方 格数 S。=178。2实际示功图绘制理论示功图没有考虑下列因素的影响，因而必须进行修正得到实际的示功图：1） 没有考虑进排气过程。虽然泵气损失并入机械损失，不计入指示功，但 为了示功图完整，根据进气终点压力 Pa和排气压力P近似画出进排气过程线。2） 点火提前的影响：压力急剧升高应该从上止点前就开始。3） 燃烧规律的影响：燃烧过程压力线应连续、圆滑，燃烧最高压力应出现 在上止点后1215之间。4） 排气阀提前开启的影响：在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过 渡到排气线。整个过程的换气也应修圆。修圆后实际示功图的循环指示功

16、比理论示功图小。 计算因修圆而减少的方格数S=5，即可求出示功图的丰满系数 。 二乞空,97.2%S0 178一般 =0.920.99，经检查示功图的丰满系数在该范围之内,符合要求。3 p示功图的绘制由p -V示功图转换成p -示功图。1）计算法转换：对于任意曲轴转角，有气缸容积V2)作图法转换：按下图所示方法进行转换。2 21二D 1 1 J ： 0.65图中：偏移量 AV = n、 = x 汉 0.325汇 =0.0154 L24 2 3.5 43.7汽油机性能指标计算1平均指示压力PmiL 0 219Pmi = f 0.972 0219 =0.986 MPaVs 0.2162指示功R、指

17、示热效率q和指示耗油率bi汽油机指示热效率i = 0.30 0.40，即符合要求。3机械效率m四冲程汽油机的 m = 0.80 0.90之间，取m=0.90。4有效功率R、有效热效率e、平均有效压力Pme及有效油耗率乂Pe = Pi 江n m = 35.5 汉 0.9 =31.95 KWpme pmi 0.986 0.9=0.887 MPae i m =0.322 0.9=0.29be=bm 253.32 0.9=281.69 g/(kwh)四冲程汽油机be = 250380g/( kw -h) , e二0.2 0.3，即符合要求。计算出的Fe和Pme与任务书给定的Pe和计算开始时假定的Pme

18、的误差不超过5%,所以也 符合要求。4连杆三维建模4.1连杆基本尺寸1连杆小头孔径di和宽度Bid1 =18mm = 2mm d1 = d1 218 2 2 = 22mmB1 =1.21.4d1 =1.2 15.5= 18.6mm其中d1为活塞销直径；为连杆小头衬套厚度。2连杆大头孔径D2和宽度B2D2 = 45.5mm 、2 = 1.5mm D2 = D2 2、2 =45.5 2 1.5 = 48.5mmB2 二 20mm其中D2为曲柄销的直径；为连杆轴瓦的厚度。3工字形断面的平均高度H宽度BH D = 0.2 0.3，取 H =13mm ； H b /.4 1.8，取 B = 9 mm4.

19、2连杆的建模过程1打开建模界面：开始-机械设计一零件设计2选择xy平面进入到草图界面，选择圆命令，先画一个圆心在原点，半径 为24.25mm的圆，再画一个圆心在原点，半径为 32mm的圆，选直线命令，画 一条过原点，长为80mm的直线，然后删除多余线，退出草图，选凸台，进行镜 像拉伸，长度为10mm，如图4.1所示。图4.1连杆大头3建立连杆小头，点击xy平面，进入草图，选择圆命令，画一个圆心在（113.75,0,半径为14mm的圆，退出草图，建立两个偏移平面，分别偏移 xy平面正向9.3mm，负方向9.3mm，然后选第一个偏移平面，进入草图，画一个 圆心为（113.75,0），半径为14mm

20、的圆，退出草图，选第二个偏移平面，进入草 图，画一个圆心为（113.75,0，半径为14mm的圆，建立多截面实体，依次选中三个圆，即可得到圆柱实体，如图 4.2所示图4.2连杆小头4点击xy平面，进入草图，选择圆命令，画圆心为（113.75,0），半径为11mm的圆，退出草图，选择凹槽命令，凹槽镜像尺寸为 11mm,如图4.3所示。图4.3连杆小头5选择xy平面，进入草图，建立封闭曲线，两条直线与 H轴夹角为3退出草图，凸台镜像距离4.5mm,如图4.4所示。6点击刚建立的凸台平面，进入草图，建立圭寸闭曲线，两直线与刚建立凸 台的边线平行，退出草图，选凹槽命令，凹槽深 3mm,关于xy面镜像凹

21、槽，如 图4.5所示。图4.5杆身7点击yz平面进入草图，点击圆命令，画一个圆心为（33,0），半径为6 圆，关于V轴镜像，得到另一个圆，退出草图，选择凸台命令，凸台 16mm，如图4.6所示。图4.6螺栓孔座8选择yz平面进入草图，选择圆命令，画一个圆心为（33,0），半径4.5mm 的圆，关于V轴镜像,退出草图，选择凹槽命令，深度16mm,如图4.7所示。图4.7螺栓孔9最终结果如图4.8所示，并保存。图4.8连杆4.3连杆大头盖的建模过程1选择xy平面进入到草图界面，选择圆命令，先画一个圆心在原点，半径 为24.25mm的圆，再画一个圆心在原点，半径为 32mm的圆，选直线命令，画 一条

22、过原点，长为80mm的直线，然后删除多余线，退出草图，选凸台，进行镜 像拉伸，长度为10mm，如图4.9所示。图4.9连杆大头2点击yz平面进入草图，点击圆命令，画一个圆心为（33,0），半径为6mm 圆，关于V轴镜像，得到另一个圆。退出草图，选择凸台命令，凸台 16mm，如图4.10所示图4.10螺栓孔座3选择yz平面进入草图，选择圆命令，画一个圆心为（33,0），半径4.5mm 的圆，关于V轴镜像，退出草图，选择凹槽命令，深度16mm，如图4.11所示。.图4.11螺栓孔最终结果如图4.12所示，并保存。图4.12连杆大头盖5动力计算5.1活塞位移、速度、加速度对于活塞位移、速度和加速度的

23、计算，由于周期性，只计算x = R 1cosL 1 1cos :I 丸cos -a十2 空学*竺黒cos B cos P0360度即可。(5.1)(5.2)(5.3)n 二其中： 30计算结果见附录表Sr ，: = arcsin( sin )。B1根据计算结果画出X、a随的变化曲线图5.1活塞位移变化图5.2活塞速度变化0 ( )a图5.3活塞加速度变化5.2活塞连杆作用力分析1基本作用力-d 2气体力： Pg ZP- Pg C 5.4)4其中：P取自然计算结果，即修正后的实际缸内压力值，也就是 P-图 中的压力值，每个5度曲轴转角取一个；Fg为曲轴箱内的气体压力，近似取100 千帕。运动零件

24、惯性力活塞组换算质量： 实际质量mp=0.197kg连杆组换算质量： 按两质量系统考虑 me =0.326 kg 1=160 mm 小头换算质量： mca =hmc 二卫8 0.326=0.118 kgl 160大头换算质量： meb = 3 me 二102 0.326 =0.208 kgl 160往复运动惯性力：R二m）a = （mp mca）a，其中a是活塞运动的加速度连杆大头离心惯性力： Prc 二 mcbR 2 =0.208 0.0325 （523.6）2 =1853 N2连杆作用力设 P =Pg R =Pg _（mp mca）a 则有：连杆小头气缸中心线方向作用力： Pg-mpa （

25、 5.5）垂直气缸中心线方向（侧压力）：PN = Ptg ：，其中 一 arcsin（ sin ：:）连杆大头曲柄旋转方向（切向力）： T二PSi n （一） （5.6）cos曲柄法向（法向力）：Z=P - Pr K -mcbR 2 （ 5.7）cos P习惯上令： K = Pco s（） （5.8）cos计算结果见附录表B2根据计算结果画出Pj、Pn、T、K随的变化曲线0 ( )Pj Pn TK图5.4 Pj Pn T K随的变化曲线5.3曲柄销载荷和连杆轴承载荷1曲柄销载荷曲柄销上作用有切向力T和法向力Z , Z = K - Pre，由作图法画出曲柄销载荷图图5.5曲柄销载荷2连杆轴承载荷

26、用坐标变换法计算：(5.9)(5.10)Z =Tsin（ I-） Z cos（ ：）=T cos（W）_zsin（卜-）计算结果见附录表B3根据计算结果画出连杆轴承载荷图图5.6连杆轴承载荷参考文献1周龙保内燃机学第3版.北京：机械工业出版社，2010.2袁兆成.内燃机设计第1版.北京：机械工业出版社，2008.3陈家瑞.汽车构造第3版.北京：机械工业出版社，2009.4江洪、李仲兴.CATIA基础教程第1版.北京：机械工业出版社，2005. 柴油机设计手册编写委员会.柴油机设计手册上册.第1版.北京：中国农业机械出版社，1984.表A1压缩过程压力曲轴转角弧度VexVea/VexPex180

27、3.1415932.440E-010.9971318.467E-021853.2288592.437E-010.9983338.481E-021903.3161262.428E-011.0019568.522E-021953.4033922.414E-011.0080618.593E-022003.4906592.393E-011.0167438.693E-022053.5779252.366E-011.0281468.825E-022103.6651912.334E-011.0424538.991E-022153.7524582.295E-011.0599039.194E-022203.83

28、97242.251E-011.0807869.440E-022253.9269912.201E-011.1054599.732E-022304.0142572.145E-011.134351.008E-012354.1015242.083E-011.1679751.048E-012404.188792.016E-011.2069471.096E-012454.2760571.943E-011.2520041.151E-012504.3633231.866E-011.3040291.216E-012554.450591.784E-011.3640811.293E-012604.5378561.697E-011.4334341.382E-012654.6251231.607E-011.5136291.487E-012704.7123891.514E-011.6065341.612E-012754.7996551.419E-011.714421.760E-012804.8869221.322E-011.8400551.936E-012854.9741881.225E-011.986822.147E-012905.0614551.127E-012.1588442.402E-012955.14872