70kW四冲程柴油机连杆设计1Word下载.docx

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2.5有效功和有效压力的求解------------------------------------------------------------------------5

2.6p-V图向p-α图的转换-----------------------------------------------------------------------------5

3运动学计算--------------------------------------------------------------------------------------------------6

3.1曲柄连杆机构的类型-------------------------------------------------------------------------------6

3.2曲柄连杆比的选择----------------------------------------------------------------------------------6

3.3活塞运动规律----------------------------------------------------------------------------------------6

3.4连杆运动规律----------------------------------------------------------------------------------------8

4动力学计算--------------------------------------------------------------------------------------------------8

4.1气体作用力的计算---------------------------------------------------------------------------------8

4.2惯性力的计算---------------------------------------------------------------------------------------8

4.2.1质量转换-------------------------------------------------------------------------------------8

4.2.2往复惯性力----------------------------------------------------------------------------------9

4.2.3离心惯性力----------------------------------------------------------------------------------9

4.3作用在曲柄连杆机构上的力---------------------------------------------------------------------9

4.3.1活塞销处的总作用力----------------------------------------------------------------------9

4.3.2总作用力PΣ的传递-----------------------------------------------10

5活塞组的结构设计---------------------------------------------------------------------------------------12

5.1活塞的设计-----------------------------------------------------------------------------------------12

5.1.1活塞材料的选择--------------------------------------------------------------------------12

5.1.2活塞主要尺寸设计-----------------------------------------------------------------------12

5.1.3活塞质量计算------------------------------------------------------------------------------12

5.2活塞销设计-----------------------------------------------------------------------------------------13

5.2.1活塞销材料的选择-----------------------------------------------------------------------13

5.2.2活塞销尺寸设计--------------------------------------------------------------------------13

5.2.3活塞销质量计算--------------------------------------------------------------------------13

6曲轴的结构设计----------------------------------------------------------------------------------------13

6.1曲轴的工作条件和设计要求-------------------------------------------------------------------13

6.2曲轴的结构和材料------------------------------------------------------------------------------13

6.3曲轴尺寸设计------------------------------------------------------------------------------------13

7连杆的结构设计----------------------------------------------------------------------------------------14

7.1连杆的工作条件和设计要求------------------------------------------------------------------14

7.2连杆材料的选择---------------------------------------------------------------------------------14

7.3连杆主要结构尺寸设计------------------------------------------------------------------------14

7.3.1连杆长度的确定-------------------------------------------------------------------------14

7.3.2连杆小头尺寸的确定-------------------------------------------------------------------14

7.3.3连杆大头的结构设计-------------------------------------------------------------------14

7.3.4连杆杆身的结构设计-------------------------------------------------------------------15

8连杆强度校核-----------------------------------------------------------------------------------------16

8.1连杆小头的强度校核---------------------------------------------------------------------------16

8.1.1衬套过盈装配及温升产生的小头应力-----------------------------------------------16

8.1.2由拉伸载荷所引起的小头应力--------------------------------------------------------16

8.1.3由压缩杂合所引起的小头应力-------------------------------------------------------17

8.1.4小头疲劳强度安全系数----------------------------------------------------------------18

8.2连杆杆身的强度校核---------------------------------------------------------------------------18

8.3连杆大头的强度校核---------------------------------------------------------------------------19

小结----------------------------------------------------------------------------------------------------------21

参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------22

附录----------------------------------------------------------------------------------------------------------23

70kW四冲程柴油机连杆设计

0前言

经过三年专业知识的积累和工科素养的提升，在大四上学期我们学习了《汽车发动机设计》这门课程。

从当初的了解发动机结构到后来的理解发动机原理，再到今天的尝试发动机设计，我们的专业素质在不断升华，而这次特意设置的课程设计则是对我们三年来学习成果的检验。

本次设计中我的任务是设计70kW四冲程柴油机的连杆，连杆是发动机中的主要承载组件，对强度和刚度的要求很高，这也是本次设计的重要考虑因素。

设计中我始终秉承着实事求是的态度，所有参数的计算和结构的设计都力求做到有据可依，为更好地展示我的设计过程，特编写了此份设计说明书。

1柴油机的结构参数

1.1初始条件

额定功率：

P=70kW

平均有效压力：

pme=0.8~1.2MPa

活塞平均速度：

vm＜18m/s

1.2发动机类型

1.2.1冲程数选择

根据题目要求选择四冲程

1.2.2冷却方式

水冷

1.2.3气缸数和气缸布置方式

对于车用发动机25-75kW采用4缸，缸数较少，采用常用的直列式。

1.3基本参数

1.3.1行程缸径比S/D选择

柴油机考虑到有利于混合气形成和燃烧，一般采用稍大于1的S/D值，初步选择1.1。

1.3.2气缸工作容积V

，缸径D的选择

根据《内燃机学》的基本公式：

，

。

式中Pe——发动机的有效功率，依题为70kW

Pme——发动机的平均有效压力，依题取1.0MPa

——气缸的工作容积

——发动机的气缸数目，依题为4

——发动机的转速

——活塞的平均速度，依题取10m/s

——发动机活塞行程

——发动机气缸直径

——发动机的行程数，依题为4

根据以上的条件代入以上公式，并圆整得：

D=95mm，S=105mm，P

=1.0MPa，n=2900r/min，

=0.744L

通过以上结果返算得：

Pe=71.92kw＞70kw，vm=10.15m∕s＜18m/s，均满足初始条件要求。

2热力学计算

通常根据内燃机所使用的燃料和混合气形成方式，缸内燃烧过程（加热方式）等特点，把压燃式柴油机的实际循环简化为混合加热循环或等压加热循环，而等压加热循环多用于燃气轮机和大型低速柴油机，针对中小型高速柴油机则简化为混合加热循环。

为建立柴油机的理论循环，需对其实际循环作必要的简化和假设，归纳起来有：

⑴忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环。

⑵将燃烧过程简化为混合加热过程，，将排气过程简化为等容放热过程。

⑶把压缩和膨胀过程简化为理想的绝热等熵可逆过程，忽略工质与外界的热量交换及其泄露等影响。

⑷将工质视为理想气体，在整个循环中工质的物理及化学性质保持不变，比热容为常数。

2.1热力循环基本参数的确定

根据《工程热力学》：

柴油机气体绝热压缩过程平均定熵指数κav1=1.4；

绝热膨胀过程平均定熵指数κav2=1.32~1.33，取κav2=1.32；

根据《内燃机学》：

柴油机压缩比εc=12~22，初取εc=18，故燃烧室容积

压力升高比λp=1.3~2，初取λp=2。

初始膨胀比ρ0=1.5。

2.2热力过程具体计算

2.2.1绝热压缩过程

选取压缩过程起点（设为a点）的气体状态参数：

pa=（0.8~0.9）p0,其中p0（标准大气压）=1.013×

105Pa，取pa=0.09MPa；

Va=Vc+Vs=0.788L。

选取压缩过程终点（设为b点）的气体状态参数：

Vb=0.044L。

从a点到b点的过程看作是绝热压缩过程，故多变指数n1=κav1=1.4。

根据绝热过程的热力学计算公式：

=常数，可以计算出压缩过程中从a点到b点的各个点的状态参数。

经过计算得到b点的状态参数：

pb=5.15MPa。

2.2.2定容增压过程

b点为定容增压过程的起点。

选取增压过程终点（设为c点）的气体状态参数：

Vc=0.044L。

从b点到c点的过程看作是定容增压过程，其定容增压比，即压力升功率λp=2，则c点的状态参数：

pc=λppb=10.3MPa。

2.2.3定压膨胀过程

c点为定压膨胀过程的起点。

选取膨胀过程终点（设为d点）的气体状态参数：

pd=10.3MPa。

从c点到d点的过程看作是定压膨胀过程，其初始膨胀比ρ0=1.5，则d点气体状态参数：

Vd=Vcρ0=0.066L。

2.2.4绝热膨胀过程

d点为绝热膨胀过程的起点。

选取膨胀过程终点（设为e点）的气体状态参数：

Ve=Vs+Vc=0.788L。

从d点到e点的过程看作是绝热膨胀过程，故多变指数n2=κav2=1.32。

=常数，可以计算出膨胀过程中从d点到e点的各个点的状态参数。

经过计算得到e点的状态参数:

pe=0.39MPa。

2.3绘制p-V图

将上述四个过程中各个点的气体压力p和活塞顶上部容积V反映到图中，制成p-V示功图：

图2-1理论p-V图

2.4p-V图的调整

内燃机的实际循环中存在着许多不可逆损失，因而和理论循环有一定的差别，主要是传热损失和燃烧损失带来的影响，下面针对这两类影响因素对理论p-V图进行修改。

1、传热损失的影响

实际循环中，缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等与缸内工质直接接触的表面

始终与工质发生着热量交换，因而在压缩和膨胀过程并不是绝热的，其修正后的实际多变指数n1=1.32~1.37，取n1=1.35，n2=1.22~1.28，取n2=1.25。

2、燃烧损失的影响

由于燃烧速度的有限性，为了使燃烧能够在上止点附近完成，保证较好的动力性和经济性指标，一般希望燃料上在止点前5°

~10°

（CA）开始燃烧，此时燃烧过程脱离多变过程热力学曲线。

由于同样的原因，等容加热部分不能瞬时完成，部分燃烧在膨胀过程进行，并且规定柴油机急燃期平均压力升高率dp/dα不宜超过0.6MPa/（°

CA）,故最高燃烧压力降低，并且一般出现在上止点后15°

（CA）左右，取实际最高燃烧压力pmax=9MPa，实际燃烧工作过程也脱离等容加压和等压膨胀过程，且整个燃烧持续角不超过40°

（CA）。

根据以上分析调整后的实际p-V图如下：

图2-2实际p-V示功图

2.5有效功和有效压力的求解

在修正后的p-V示功图中，曲线围成的面积就是柴油机一个工作循环的指示功Wi，忽略机械损失，将其近似看作是有效功。

通过网格法计算有效功，图中每个网格代表4J，数网格后共计186格，故每循环的有效功为744J。

则:

发动机平均有效压力pme=Wi/Vs=1.0MPa,有效功率＞70kW。

均满足初始条件要求,故参数选择合理。

2.6p-V图向p-α图的转换

V=Vc+Vx，其中Vx为活塞顶上部工作容积，

活塞位移和曲轴转角的关系式：

x=r[（1-cosα）+λ/4（1-cos2α）]。

由上述三个关系式可得到V和α的关系，将曲轴转角从0°

（CA）到720°

（CA）每隔10°

（CA）取一个数据点，从而将p-V图转换为p-α图，如图2-3所示。

图2-3p-α示功图

3运动学计算

3.1曲柄连杆机构的类型

在往复活塞式内燃机中基本上采用三种曲柄连杆机构：

中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构。

其中中心曲柄连杆机构应用最为广泛，本次设计就选择此种类型。

3.2曲柄连杆比的选择

根据《汽车发动机设计》，曲柄连杆比λ=1/3.2~1/3.8。

车用发动机多采用小连杆，但连杆缩短会导致活塞侧压力加大，可能增加活塞与气缸的摩擦和磨损，但是根据经验，直到λ=1/3，这种影响都不大。

故初选λ=1/3.6。

3.3活塞运动规律

活塞位移x=r[（1-cosα）+λ/4（1-cos2α）]，其中曲柄连杆比λ=1/3.6，曲柄半径r=S/2=52.5mm。

活塞位移曲线图——x-α图如图3-1所示。

活塞速度v=rω（sinα+λ/2sin2α）,其中角速度ω=nπ/30=303.7rad/s。

活塞速度曲线图

——v-α图如图3-2所示。

活塞加速度j=rω2（cosα+λcos2α）。

活塞加速度曲线图——j-α图如图3-3所示。

图3-1活塞位移曲线图

图3-2活塞速度曲线图

图3-3活塞加速度曲线图

3.4连杆运动规律

连杆做复合平面运动，即其运动是由随活塞的往复运动和绕活塞销的