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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EXCEL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2

2汽油机基本结构参数选用3

3近似热计算4

3.1燃料燃烧热学计算4

3.2换气过程计算4

3.3压缩过程计算5

3.4燃烧过程计算6

3.5膨胀过程计算8

3.6示功图绘制9

3.7汽油机性能指标计算10

4连杆三维建模11

4.1连杆基本尺寸11

4.2连杆的建模过程11

4.3连杆大头盖的建模过程14

5动力计算17

5.1活塞位移、速度、加速度17

5.2活塞连杆作用力分析18

5.3曲柄销载荷和连杆轴承载荷20

6参考文献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=33.5kw。

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=5000r/min。

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之一，一般车用汽油机的平均有效压力为0.9MPa〜1.2MPa，这里取pme=0.93MPa。

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250[g/（kw・h）]〜

380[g/（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=65mm。

2、活塞行程S

增大活塞行程S使活塞平均速度Vm二sn/30提高，机械负荷加大，一般车用汽油机Vm=10~15m/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=0.7〜1.2,校核所设计的汽油机的vm和S/D的值。

即vm二sn/30=0.0655000/30=10.83m/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1/4〜1/3.2之间，取入=1/3.5。

则2r=65，r/L=1/3.5即L=113.75mm，r=32.5mm

5、气缸中心距I。

及其与气缸直径之比l°/D

I0/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=1.3X65=84.5mm

&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=0.216L

则1+Vs/Vc=8.8得Vc=0.028L

3近似热计算

3.1燃料燃烧热化学计算

1理论空气量Lo

1‘0.8550.1450.000'c—c/〒族宀'〒士、厶沾、

=+1-0.512（千摩尔/千克汽油）

0.21i12432丿

燃料采用轻汽油gc=0.855,gH=0.145，g。

=0.000汽油低热值Hu=44100千焦/千克燃料

2新鲜空气量M1

M1二aS——=0.90.512=0.47（千摩尔/千克）

114

实际分子变更系数卩1

取Tr=1000K

其中紀=0,5~0.9之间，取^.0,8，可求得To=357,65K

c=0.7〜0.9，经验证符合要求。

3.3压缩过程计算

1平均多变压缩指数n1

n1=1.32〜1.38取n1=1.35

（MPa）

2压缩过程中任意曲轴转角；：

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

0.0650.065

8.8=0.2433L

8.8—1

Vcx――对应于-:

cx时的气缸容积。

（3.3）

VcxD2r（1—cosexSin2ex）Vc

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A1

3压缩终点充量的状态参数

压力：

Pcb=Pa；cn1=0.0858.81.35=1.6MPa

温度：

Tcb二Ta/4=3808.81.354=813.49K

3.4燃烧过程计算

1热量利用系数Zz

热量利用系数ZZ表示燃烧热量被工质吸收多少的程度。

由于不完全燃烧、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Zz在此范围内选取：

Zz=0.80〜0.95,取Zz=0.92燃烧最高温度Tz

1）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）m8.314[kJ/（kmolK）]（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=813.49K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=200

30.43-29.797=0.633

0.633/200=3.165X10A-3

813.49-673=140.49

（・Cp）m=3.165X10A-3X140.49+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=21.929+0.6汉34.732=22087-1+Yr=1+0.06=.

2）燃烧方程

•:

H.1=61100（1-\）

80705.143=（」Cvz）mTz

误差不超过5%,则

76669.886~84740.4=CCvz）mTZ

3）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）m

TzX（」Cvz）m

2000

29.397

58.794

2073

29.457

61064.361

2100

29.467

61880.7

2173

29.662

64455.526

2273

29.864

67880.872

2473

30.274

74867.602

2500

30.329

75822.5

2600

30.534

79389.31

2673

30.684

82018.331

有表格可以看出，2600K时最接近80705.143,则Tz=2600

3压力升高比■

=1.073型七.429

813.49

一般汽油机「=2.0~4.0，所以符合要求。

4燃烧最高压力Pz

Pz二-Rb=3.4291.6=5.491MPa

一般汽油机pz=3〜8.5MPa,所以符合要求。

3.5膨胀过程计算

1平均多变膨胀指数

n2=1.23~1.28取n2=1.25

2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A2

3膨胀过程终点状态参数

压力：

Pb二pz（吃严二pz/；「=0.362MPa

Vb8.8A1.25

温度:

I”

=Tz/

2600

8.8八（1.25-1）

=1059.57K

3.6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n^r（1「古诂

AVs

（3.7）

=0.219

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12°15°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%

S0178

一般\=0.92~0.99，经检查示功图的丰满系数在该范围之内,符合要求。

3p—'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V

2）作图法转换：

按下图所示方法进行转换。

1二D11J：

0.65

图中：

偏移量AV=「n、=x汉0.325汇=0.0154L

2423.54

3.7汽油机性能指标计算

1平均指示压力Pmi

L0219

Pmi=f—0.9720219=0.986MPa

Vs0.216

2指示功R、指示热效率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nm=35.5汉0.9=31.95KW

pmepmi0.9860.9=0.887MPa

eim=0.3220.9=0.29

be=b「m253.320.9=281.69[g/（kw・h）]

四冲程汽油机be=250~380[g/（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Bi

d1=18mm=2mmd1=d12^1822=22mm

B1=1.2~1.4d1=1.215.5=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B2

D2=45.5mm、2=1.5mmD2=D22、2=45.521.5=48.5mm

B2二20mm

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B

HD=0.2~0.3，取H=13mm；Hb/.4~1.8，取B=9mm

4.2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、速度和加速度的计算，由于周期性，只计算

x=R1「cos「L11「cos:

I丸」

cos-

a十2［空学*竺黒

cosBcosP

0〜360度即可。

（5.1）

（5.2）

（5.3）

n二

其中：

■■

计算结果见附录表

r，:

=arcsin（■sin）。

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

-d2

气体力：

PgZP「-PgC5.4）

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=0.326kg1=160mm小头换算质量：

mca=hmc二卫80.326=0.118kg

l160

大头换算质量：

meb=3me二1020.326=0.208kg

l160

往复运动惯性力：

R二—m）a=—（mpmca）a，其中a是活塞运动的加速度

连杆大头离心惯性力：

Prc二mcbR2=0.2080.0325（523.6）2=1853N

2连杆作用力

设P=PgR=Pg_（mpmca）a则有：

连杆小头气缸中心线方向作用力：

Pg-mpa（5.5）

垂直气缸中心线方向（侧压力）：

PN=P・tg：

，其中一arcsin（■sin：

）

连杆大头曲柄旋转方向（切向力）：

T二PSin

（一）（5.6）

cos

曲柄法向（法向力）：

Z=P-Pr^K-mcbR2（5.7）

cosP

习惯上令：

K=Pcos（「）（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（°）

PjPnT

图5.4PjPnTK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

用坐标变换法计算：

（5.9）

（5.10）

Z=Tsin（〕I-）Zcos（：

「）

「=Tcos（'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.

⑸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

Vex

Vea/Vex

Pex

180

3.141593

2.440E-01

0.997131

8.467E-02

185

3.228859

2.437E-01

0.998333

8.481E-02

190

3.316126

2.428E-01

1.001956

8.522E-02

195

3.403392

2.414E-01

1.008061

8.593E-02

200

3.490659

2.393E-01

1.016743

8.693E-02

205

3.577925

2.366E-01

1.028146

8.825E-02

210

3.665191

2.334E-01

1.042453

8.991E-02

215

3.752458

2.295E-01

1.059903

9.194E-02

220

3.839724

2.251E-01

1.080786

9.440E-02

225

3.926991

2.201E-01

1.105459

9.732E-02

230

4.014257

2.145E-01

1.13435

1.008E-01

235

4.101524

2.083E-01

1.167975

1.048E-01

240

4.18879

2.016E-01

1.206947

1.096E-01

245

4.276057

1.943E-01

1.252004

1.151E-01

250

4.363323

1.866E-01

1.304029

1.216E-01

255

4.45059

1.784E-01

1.364081

1.293E-01

260

4.537856

1.697E-01

1.433434

1.382E-01

265

4.625123

1.607E-01

1.513629

1.487E-01

270

4.712389

1.514E-01

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