發(fā)動機設(shè)計課程設(shè)計

120mL四沖程汽油機連桿設(shè)計序言《汽車發(fā)動機設(shè)計》課程設(shè)計是我校汽車工程學(xué)院針對熱能與動力工程專業(yè)開設(shè)的一門非常重要的專業(yè)課設(shè)計。此次課程設(shè)計是在我們學(xué)習(xí)了一些基礎(chǔ)制圖知識和汽車以及發(fā)動機知識后所做的一次最為專業(yè)的課程設(shè)計，能夠全面地檢驗并鞏固我們以前所學(xué)的專業(yè)課知識。眾所周知現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展越來越快，而發(fā)動機作為汽車的核心部件，其性能對汽車起著關(guān)鍵作用，比如汽車的行駛速度、加速性能、爬坡度、牽引力等都主要取決于發(fā)動機。因此，發(fā)動機設(shè)計對于汽車工業(yè)具有重要意義?！镀嚢l(fā)動機設(shè)計》課程設(shè)計對我們的想象力，制圖能力，分析計算能力，查閱各種工具書的能力都是一次很好的鍛煉。除此之外，此次課程設(shè)計還為我們今后的畢業(yè)設(shè)計和走上工作崗位奠定了堅實的基礎(chǔ)。我們充分利用這次課程設(shè)計的機會，結(jié)合所學(xué)過的理論知識，發(fā)揮我們的思維能力和動手能力，保質(zhì)保量的完成這次課程設(shè)計。1發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計設(shè)計一臺發(fā)動機，首先要確定它的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括平均有效壓力Pme，活塞平均速度Vm，氣缸數(shù)i，轉(zhuǎn)數(shù)n，氣缸直徑D，活塞行程S，壓縮比8等。1.1初始條件設(shè)計對象為120mL四沖程汽油機，初始條件為：1） 平均有效壓力：Pme=0.8?1.2MPa；2） 活塞的平均速度：Vm<18m/s。1.2發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式由于本設(shè)計對象是一臺120mL四沖程汽油機，根據(jù)排量確定此發(fā)動機主要用于摩托車，故初步選擇采用單缸風(fēng)冷形式，即確定氣缸數(shù)i=1，沖程數(shù)t=4。1.3發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定參考楊連生版《內(nèi)燃機設(shè)計》，汽車發(fā)動機的S/D一般在0.8?1.2之間，取S/D=0.85。根據(jù)公式：Vs=nD2S/4.代入計算得：D=56.4mm，S=47.9mm.將其圓整可得：D=56mm，S=48mm.nVs=nD42s=118mL，曲柄半徑：r=S/2=24mm.對于汽油機壓縮比8的范圍為：8?12，取8=8，根據(jù)《內(nèi)燃機學(xué)》公式：8=Va/Vc=1+VS/vc.計算得：Vc=16.86mL,Va=Vc+Vs=134.86mL.由初始條件，活塞的平均速度：Vm<18m/s，取Vm=14m/s.根據(jù)公式：Vm=nS/30可得：n=30Vm/S=8750r/min.角速度：3=nn/30=3.14x8750/30=915.83rad/s.發(fā)動機平均有效壓力：Pme=0.8?1.2MPa，取Pme=0.9MPa.則發(fā)動機有效功率：P= =7.74Kwe30T升功率：PnPL=-30-=65.625Kw/L曲柄連桿比：A=r/l的范圍在1/3?1/4之間，選取入=1/4.則連桿長度：l=r/入=24/0.25=96mm.2運動學(xué)計算按照活塞運動規(guī)律，每隔10。取一個曲軸轉(zhuǎn)角中，計算活塞位移、活塞速度及活塞加速度數(shù)據(jù)，并繪制曲線圖。2.1活塞位移活塞位移：..旗、.入’一、1X=r（1-cosS+宥（1-cos2甲）4式中r=24mm，入=0.25，計算所得數(shù)據(jù)如下表一所示，曲線如圖1.活塞位移X（mm）60.000200.000 400.000600.000 800.0000.000曲軸轉(zhuǎn)角。（度）60.000200.000 400.000600.000 800.0000.000曲軸轉(zhuǎn)角。（度）圖1活塞位移曲線圖2.2活塞的速度根據(jù)活塞的位移規(guī)律，對時間t求導(dǎo)得到活塞的速度:V=r3（sin甲+2sin2甲），式中3=915.83rad/s計算所得數(shù)據(jù)如下表一所示，曲線如圖2.活塞速度V（m/s）5.00020.000-屋速塞活10.00010.000-5.0000.000-10.0005.00020.000-屋速塞活10.00010.000-5.0000.000-10.000曲軸轉(zhuǎn)角中（度）-10000.000-10000.000圖2活塞速度曲線圖2.3活塞的加速度根據(jù)活塞的瞬時加速度規(guī)律，對時間t求導(dǎo)得到活塞的加速度:dVj=/=rs2（cos甲+入cos2甲）式中3=915.83rad/s計算所得數(shù)據(jù)如下表一所示，曲線如圖3.活塞加速度j（m/sA2）30000.00025000.00020000.00015000.00010000.0005000.0000.000-5000.0000.曲軸轉(zhuǎn)角。（度）圖3活塞加速度曲線圖

表一曲軸轉(zhuǎn)角與活塞位移、速度、加速度相對應(yīng)數(shù)據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角甲/度活塞位移X(mm)活塞速度V(m/s)活塞加速度j(m/s2)0.0000.0000.0025162.33810.0000.4554.7524553.63920.0001.7979.2822773.34730.0003.96213.3619954.19740.0006.84816.8316302.34050.00010.32419.5412076.55960.00014.23821.417562.58470.00018.42522.423045.45280.00022.72522.59-1216.98490.00026.98121.98-5016.431100.00031.05720.71-8209.984110.00034.83718.90-10727.790120.00038.23116.67-12571.903130.00041.17014.15-13806.763140.00043.60911.44-14542.737150.00045.5228.63-14914.949160.00046.8955.77-15060.205170.00047.7212.90-15094.999180.00048.0000.03-15097.403190.00047.731-2.85-15095.168200.00046.915-5.72-15061.526210.00045.552-8.58-14919.238220.00043.649-11.39-14552.366230.00041.219-14.10-13824.286240.00038.289-16.63-12599.633250.00034.903-18.86-10767.392260.00031.129-20.69-8262.115270.00027.057-21.97-5080.500280.00022.803-22.58-1291.052290.00018.503-22.432964.618300.00014.312-21.447479.290310.00010.392-19.5811995.833320.0006.907-16.8816229.478330.0004.008-13.4319894.256340.0001.829-9.3622730.654350.0000.471-4.8424531.354360.0000.000-0.0925162.133370.0000.4384.6724575.530380.0001.7649.2022815.691390.0003.91513.2920013.859

接上表:曲軸轉(zhuǎn)角e(度)活塞位移X(mm)活塞速度V(m/s)活塞加速度j(m/s2)400.0006.79016.7716375.011410.00010.25619.5012157.188420.00014.16321.387645.877430.00018.34722.413126.372440.00022.64622.59-1142.761450.00026.90422.00-4952.158460.00030.98520.74-8157.627470.00034.77218.94-10687.963480.00038.17316.71-12543.967490.00041.12014.20-13789.073500.00043.56911.49-14532.987510.00045.4928.68-14910.585520.00046.8745.83-15058.849530.00047.7112.95-15094.820540.00048.0000.08-15097.403550.00047.741-2.80-15095.327560.00046.934-5.67-15062.811570.00045.582-8.53-14923.453580.00043.688-11.34-14561.875590.00041.268-14.05-13841.642600.00038.346-16.58-12627.160610.00034.969-18.82-10806.767620.00031.201-20.66-8314.017630.00027.134-21.95-5144.364640.00022.882-22.58-1364.962650.00018.581-22.442883.871660.00014.387-21.467395.997670.00010.460-19.6211915.012680.0006.965-16.9416156.425690.0004.055-13.5019834.038700.0001.862-9.4422687.614710.0000.488-4.9224508.676720.0000.001-0.1825161.5213熱力學(xué)計算通常根據(jù)內(nèi)燃機所用的燃料，混合氣形成方式，缸內(nèi)燃燒過程（加熱方式）等特點，把汽油機實際循環(huán)近似看成等容加熱循環(huán)。四沖程汽油機的工作過程包括進氣、壓縮、做功和排氣四沖程。在本次設(shè)計過程中，先確定熱力循環(huán)基本參數(shù)，然后重點針對壓縮和膨脹過程進行計算，繪制p-v圖并校核。3.1熱力循環(huán)計算3.1.1參數(shù)的確定根據(jù)參考文獻《工程熱力學(xué)》壓縮過程絕熱指數(shù)n1=1.32?1.35，初步取的=1.34,膨脹過程絕熱指數(shù)n2=1.23?1.28，初步取n2=1.26。根據(jù)參考文獻《內(nèi)燃機原理》七二6?9，初步取七二8。3.1.2壓縮過程把壓縮過程簡化為絕熱過程，多變指數(shù)n1=1.34,p-v滿足關(guān)系：pvni=常數(shù)壓縮起點的氣體壓強pa=（0.8?0.9）p0，其中p0為大氣的壓強，取pa=0.8po=0.0808MPa，此時氣體體積Va=134.86mL，壓縮終點氣體積Vc=16.86mL。>paVani=pcVcni，此時的氣體壓強：pc=pa（V：）ni=131MPa-pc=131MPa3.1.3膨脹過程把膨脹過程簡化為絕熱過程，其多變指數(shù)為n2=1.26,p-v滿足關(guān)系:PVn2=常數(shù)%=&npz=%Pc=10.48MPaVc=16.86mL，Va=134.86mLPzV/2=PbVan2npb=P（匕）n2=0.763MPa… … - -Va3.2理想p-v圖的繪制汽缸容積V=18.86+nD2X/4,每隔10。取一個曲軸轉(zhuǎn)角計算P、V，計算所得數(shù)據(jù)如下表二所示，作出理想p-v圖如下圖4。，r=24mm，入=0.25.其中X=r［（1—cos中）+A（1—cos2^），r=24mm，入=0.25.表二理想p-v圖中體積與壓力計算數(shù)據(jù)絕熱壓縮過程中的體積V（mL）絕熱壓縮過程中的壓力P（MPa）絕熱膨脹過程中的體積V（mL）絕熱膨脹過程的壓力P（MPa）135.0240.08116.86010.480134.3630.08117.9399.692132.3530.08321.2037.851128.9980.08626.4985.929124.3130.09033.5744.400118.3310.09642.1083.307111.1170.10551.7262.552102.7830.11662.0272.03093.4920.13272.6091.66583.4690.15483.0921.40572.9960.18493.1381.21662.4110.227102.4601.07952.0930.289110.8320.97742.4430.380118.0880.90233.8620.515124.1170.84726.7270.707128.8500.80821.3620.954132.2540.78218.0201.199134.3130.76716.8601.311135.0240.762

接上表:壓縮終點體積V（mL）壓力P（MPa）壓縮起點體積V（mL）壓力P（MPa）16.8601.311135.0240.08116.8602.310135.0240.13016.8603.310135.0240.20016.8604.310135.0240.27016.8605.310135.0240.34016.8606.310135.0240.41016.8607.310135.0240.48016.8608.310135.0240.55016.8609.310135.0240.62016.86010.480135.0240.762圖4理想工作循環(huán)p-v圖3.3p-v圖的調(diào)整發(fā)動機實際過程比較復(fù)雜，最高壓力不在上止點，還有點火提前角、排氣提前角的修正，顯然實際的邊界條件與理想曲線不同，所以要做一些適當(dāng)?shù)男拚Ｗ畲蟊l(fā)壓力：pz取理論值水平的2/3，具體值為6.99MPa，以此值與原圖形相交，水平線以上的部分去掉，余下部分作此調(diào)整?？紤]到實際過程與理論過程的差異，最大爆發(fā)壓力發(fā)生在上止點后12。?15。，選擇最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)在上止點后12。。點火提前角：常用的范圍20。?30。，經(jīng)調(diào)整后取25。。排氣提前角：常用的范圍是30。?80。，經(jīng)調(diào)整后取60。。點火提前角使得壓縮終點的壓力比原來的要高些，排氣提前角使得在膨脹末端其壓力下降變快，終點壓力小于原先的壓力。調(diào)整后的數(shù)據(jù)如下表三所示，p-v圖如下圖5所示。表三調(diào)整后的缸內(nèi)容積與壓力所得數(shù)據(jù)缸內(nèi)容積V(mL)壓力P(MPa)缸內(nèi)容積V(mL)壓力P(MPa)16.862.34135.820.2816.863.17135.690.1616.865.73135.020.0817.946.57134.360.0818.426.99132.350.0821.206.74129.000.0926.505.48124.310.0933.574.40118.330.1042.113.31111.120.1051.732.55102.780.1272.611.6693.490.1383.091.4083.470.1593.141.2273.000.18102.461.0862.410.23110.830.9252.090.29118.090.8242.440.38124.120.7933.860.51128.850.7326.730.71132.250.6921.360.95134.310.6318.021.26135.020.5316.862.34

圖5調(diào)整后的實際工作循環(huán)p-v圖3.4熱力學(xué)的校核由熱力學(xué)計算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖，其圍成的面積表示的是汽油機所做的指示功嶂，統(tǒng)計其共有78個單元格，每小格面積表示2J的有效功，計算得：W.=156J故汽油機的平均指示壓力：pmi=芋=116=1.32MPa汽油機的機械效率nm=0.8?0.9,取門皿=0.9,則：Pme=nmPmi=0-9X1-32=1-19MPa滿足設(shè)計要求(Pme=0.8?1.2MPa),所以校核合格。

4動力學(xué)計算4.1氣體壓力隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，缸內(nèi)的氣體壓力也會隨之發(fā)生變化。將熱力學(xué)計算中的p-v圖轉(zhuǎn)化為p叩圖，即氣缸氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。0。?180。為排氣行程，氣缸內(nèi)的氣體壓力在理論循環(huán)下基本可認為是一恒定值且小于大氣壓力；180。?360。為壓縮行程，氣缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；360。?540。為膨脹過程，氣缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出；540。?720。為排氣行程，可以認為氣缸內(nèi)的氣體壓力是均勻下降至(0.8?1)p0。求出相應(yīng)轉(zhuǎn)角中對應(yīng)氣缸壓力p的數(shù)據(jù)，列入下表四。利用上面求解出的數(shù)據(jù)，作出p叩圖，如下圖6。缸內(nèi)燃氣壓力P1(MPa)房壓體氣內(nèi)缸0.0000.0007.0006.0005.0004.0003.0002.000房壓體氣內(nèi)缸0.0000.0007.0006.0005.0004.0003.0002.0001.000100.000200.000300.000400.000500.000600.000700.000800.000曲軸轉(zhuǎn)角/度圖6p叩圖4.2往復(fù)慣性質(zhì)量往復(fù)慣性質(zhì)量：m.=mi+m2+m3

式中：m1-活塞質(zhì)量；m2-活塞銷質(zhì)量；m3-連桿小頭質(zhì)量.（D-28（D-28）2m1=p1匹D2-m2=p2n（d12-d22）lnm3=p34（D12-D22）Bi式中：D-活塞直徑D=56mm；b式中：D-活塞直徑D=56mm；b-活塞厚度8=4mm；H-活塞高度H=50mm；經(jīng)過估算得到:m.=m經(jīng)過估算得到:m.=m1+m2+m3=88.2+52.3+34.4=175.9g圖7曲柄連桿機構(gòu)受力圖d1-活塞銷外徑，d1=16mm；d2-活塞銷內(nèi)徑，d2=10mm；D2-連桿小頭內(nèi)徑，D2=18mm；D1-連桿小頭外徑，D1=24mm；B1-連桿小頭寬度，B1=22mm；p1，p2，p3-活塞密度、活塞銷密度、連桿密度，活塞，活塞銷、連桿的材料分別為共晶鋁合金、20Mn、40MnB，故其密度分別為：p1=2.7g/cm3,p2=7.9g/cm3,p3=7.9g/cm3.4.3曲柄連桿機構(gòu)的受力分析曲柄連桿機構(gòu)的受力分析圖如右圖7所示，參考《汽車發(fā)動機現(xiàn)代設(shè)計》（徐兀）缸內(nèi)氣體對活塞的作用力:Fg=（p-P0）nD2/4往復(fù)慣性力：F.=-m.j=-m.w2（cos^+入cos2甲）缸內(nèi)合成力：F=Fg+Fj每隔10。取一中角，計算對應(yīng)的F，所得數(shù)據(jù)列入

表四，根據(jù)表中數(shù)據(jù)用excel作出合成力F與曲軸轉(zhuǎn)角中的曲線圖，如下圖8所示。合成力F（N）圖8圖8合成力F曲線圖成合合力F在活塞銷處分解為垂直氣缸軸線的力Fn和沿連桿軸線的力Fj，活塞對氣缸壁的側(cè)壓力：Fn=Ftanp；連桿力：F.=F/cosP每隔10。取一中角，計算對應(yīng)的Fn、耳列入表四中，用excel作出點圖如圖9所示：圖9Fn和F.曲線圖兩岸對曲柄銷的作用力可以分解為：切向力：F=Fsin（甲+B）tcosp

徑向力：F^=F.cos（甲+6）=Fcos（甲+6）k1 cos6其中：cos6=J1-sin62=（1-入2sin甲2）1/2sin6=入cos。入=0.25每隔10。取一中角，計算對應(yīng)的Ft、Fk列入下表四，根據(jù)表中數(shù)據(jù)用excel作出曲線圖如下圖10所示:矩轉(zhuǎn)缸單單缸轉(zhuǎn)矩Mt（矩轉(zhuǎn)缸單單缸轉(zhuǎn)矩Mt（N/m）曲軸轉(zhuǎn)角。/度圖10Ft和Fk曲線圖曲軸的單缸轉(zhuǎn)矩：Mt=FtXr，其中r=24mm計算所得數(shù)據(jù)列入表四，曲線圖如下圖11所示:200.000150.000100.00050.0000.0000.0-50.000-100.000圖11單缸轉(zhuǎn)矩曲線圖

表四動力學(xué)計算有關(guān)數(shù)據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角（度）缸內(nèi)燃氣壓力P（MPa）合成力F（N）Fn(N)Fi(N)Ft(N)Fk(N)單缸轉(zhuǎn)矩Mt（N/m）0.0000.080-4477.7520.000-4477.7520.000-4477.7520.00010.0000.080-4370.682-189.824-4374.802-945.523-4271.372-22.69320.0000.080-4057.529-348.044-4072.428-1714.157-3693.658-41.14030.0000.080-3561.640-448.515-3589.770-2168.486-2859.019-52.04440.0000.080-2919.279-475.090-2957.685-2239.733-1927.692-53.75450.0000.080-2175.964-424.416-2216.968-1939.219-1068.294-46.54160.0000.080-1381.955-306.373-1415.509-1349.769-419.928-32.39470.0000.080-587.392-141.931-604.296-600.469-64.063-14.41180.0000.080162.37141.240167.526167.074-13.5894.01090.0000.080830.693214.484857.936830.864-220.85719.941100.0000.0801392.439353.7681436.6761310.376-600.09831.449110.0000.0801835.321443.7391888.2031573.886-1055.18337.773120.0000.0802159.701479.2572212.2371632.314-1503.26939.176130.0000.0802376.913464.2542421.8271524.569-1888.46436.590140.0000.0802506.371408.6872539.4721300.694-2184.55531.217150.0000.0802571.843324.7782592.2681007.826-2389.62724.188160.0000.0812599.855223.9922609.486682.286-2518.99616.375170.0000.0812605.975114.2052608.476343.942-2585.7218.255180.0000.0812606.3981.0382606.3983.113-2606.3960.075190.0000.0812606.500-112.1782608.912-337.791-2586.970-8.107200.0000.0832604.660-222.4352614.141-677.359-2525.136-16.257210.0000.0862586.771-324.8362607.087-1007.603-2405.775-24.182220.0000.0902532.968-411.4172566.162-1308.702-2210.829-31.409230.0000.0962420.055-471.3702465.533-1546.975-1926.598-37.127240.0000.1052225.479-492.9002279.409-1677.598-1553.501-40.262250.0000.1161931.583-466.4391987.103-1653.127-1115.198-39.675260.0000.1321529.651-388.3951578.189-1437.473-663.556-34.499270.0000.1541023.342-264.2251056.903-1022.708-275.334-24.545280.0000.184431.232-109.593444.940-443.628-37.576-10.647290.0000.227-211.57951.186-217.683216.388-22.3215.193300.0000.289-852.677189.399-873.459833.833-256.09920.012310.0000.380-1422.351278.195-1449.3021270.323-693.63130.488320.0000.515-1836.104299.976-1860.4471413.451-1207.15433.923330.0000.707-2007.889254.269-2023.9251228.849-1607.14729.492340.0000.954-1897.493164.197-1904.584808.467-1724.26619.403350.0001.260-1461.88564.641-1463.314321.935-1427.4507.726360.0002.3401085.861-0.8651085.862-4.3231085.853-0.104

曲軸轉(zhuǎn)角(度)缸內(nèi)燃氣壓力P(MPa)合成力F(N)Fn(N)Fi(N)Ft(N)Fk(N)矩單缸轉(zhuǎn)M((N/m)370.0006.57311609.675495.089L1620.2272466.40411355.38559.194372.0006.99012682.159649.832L2698.7973231.99712280.44677.568380.0006.74112332.8061048.53912377.3005165.58311246.575123.974390.0005.4839728.7551218.2599804.7355892.4147831.870141.418400.0004.4007702.2961248.5967802.8435889.3415108.162141.344410.0003.3075755.1261119.4005862.9795117.8762844.377122.829420.0002.5524689.5071037.6274802.9314574.6401441.465109.791430.0002.0304199.4201013.4504319.9784290.912472.982102.982440.0001.6654050.6391028.1884179.0964168.816-325.042100.052450.0001.4054080.2621053.5104214.0744084.424-1071.80598.026460.0001.2164180.9651062.8554313.9463940.066-1790.01894.562470.0001.0794286.9071037.7404410.7233683.568-2454.27588.406480.0000.9274239.898942.6774343.4293212.962-2942.69577.111490.0000.8244205.350823.6514285.2512706.483-3334.42964.956500.0000.7924257.429696.9094314.0912219.147-3705.55653.260510.0000.7384190.913532.1934224.5691652.126-3890.27239.651520.0000.6914101.290356.4494116.7511086.053-3971.37526.065530.0000.6373974.682177.3123978.635534.072-3942.65812.818540.0000.5343721.5754.4453721.57813.336-3721.5540.320550.0000.4963627.663-153.2733630.900-461.472-3601.478-11.075560.0000.4583528.397-298.6493541.013-909.199-3422.660-21.821570.0000.4203410.337-425.8443436.821-1320.390-3174.699-31.689580.0000.3823253.188-526.3293295.490-1673.370-2843.402-40.161590.0000.3443032.953-589.0993089.634-1932.151-2419.337-46.372600.0000.3062725.778-602.5342791.579-2049.292-1908.162-49.183610.0000.2682312.024-557.6162378.317-1974.751-1340.419-47.394620.0000.2301780.003-451.6851836.417-1670.365-777.176-40.089630.0000.1921128.914-291.4791165.936-1127.271-307.327-27.055640.0000.154370.570-94.231382.363-381.136-33.566-9.147650.0000.116-470.347113.927-483.948481.248-47.94311.550660.0000.093-1320.158293.797-1352.4541292.535-391.85631.021670.0000.088-2128.838417.523-2169.3961905.346-1031.14945.728680.0000.081-2891.150474.173-2929.7762233.085-1892.45453.594690.0000.081-3538.042450.533-3566.6122176.485-2823.69552.236700.0000.080-4042.448352.862-4057.8201736.927-3666.81941.686710.0000.080-4362.773196.339-4367.189977.702-4256.30523.465720.0000.080-4477.6087.131-4477.61435.656-4477.4720.856接上表:e5活塞的設(shè)計活塞在工作過程中主要沿氣缸壁作往復(fù)直線運動，由于要求保持氣體的密封性，對其與氣缸壁的配合精度較高，這就造成其磨損較為嚴重，潤滑較為重要。由于運動的換向和氣體燃燒時的爆發(fā)壓力，導(dǎo)致氣缸所受慣性沖擊較大，對其剛度要求較高?？傊?，活塞的工作環(huán)境較為惡劣，設(shè)計時對其尺寸、選材及材料的熱處理都有較高的要求?；钊哪p速度決定著發(fā)動機的使用壽命。5.1活塞的材料活塞在工作過程中受到高的機械負荷和熱負荷，同時沿氣缸壁面高速滑動，容易造成潤滑不良，使其遭受到強烈的磨損。這就要求活塞材料能滿足以下要求：熱強度高；導(dǎo)熱性好，吸熱性差；膨脹系數(shù)??；比重小；有良好的減磨性能，耐磨，耐蝕；工藝性好，廉價。在實際中，上述要求往往相互矛盾?，F(xiàn)在常用的是鋁合金，共晶鋁合金，膨脹系數(shù)低，比重小，耐磨性、耐腐蝕性好，硬度（特別是工作溫度下硬度）、剛度、疲勞強度較高，鑄造流動性好，而被廣泛采用。本次設(shè)計的活塞采用共晶鋁合金，采用鑄造。5.2活塞的主要尺寸的設(shè)計活塞的主要結(jié)構(gòu)尺寸如下圖12所示：圖12活塞主要尺寸圖根據(jù)《內(nèi)燃機設(shè)計》(楊連生)P289汽油機活塞主要尺寸比例如下表五所示:表五汽油機活塞主要尺寸比例范圍主要參數(shù)比例范圍主要參數(shù)比例范圍H/D0.9?1.1h/D0.06?0.08H1/D0.45?0.6h2/d0.45?0.55H2/H30.6?0.658/D0.06?0.1活塞直徑：D=56mm活塞高度：H=0.9D=50.4mm^50mm壓縮高度：H1=0.5D=28mm火力岸高度：h=46x0.06^3mm活塞頂部厚度：8=0.08x46^4mm活塞銷孔離底端距離：H2=H-H1=22mm活塞裙部高度：H3=H2/0.65^34mm現(xiàn)代四沖程發(fā)動機一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。根據(jù)《內(nèi)燃機設(shè)計》(楊連生)P290,小型高速內(nèi)燃機上，一般氣環(huán)高度：b1=b2=2.0?3.0mm，油環(huán)高度：b3=4.0?6.0mm。環(huán)岸要求有足夠的強度，使其在最大氣壓下不致被損壞，第一道環(huán)的環(huán)岸高度:c1=(1.5?2.0)b1，第二、三道環(huán)的環(huán)岸高度：c2=c3=(1?2)b1。故設(shè)計尺寸為：b1=2mm，b2=2mm，b3=4mm，c1=3mm，c2=3mm，c3=3mm，貝。環(huán)帶高度：h3=b1+b2+b3+c1+c2+c3=17mm上裙部尺寸:h，=Hi-hi-h3=28-3-17=8mm5.3活塞質(zhì)量計算將活塞簡化為薄壁圓筒，從而計算出其體積和質(zhì)量：活塞體積：V=三|02—（D-28）2]h

14L 」式中：D-活塞直徑，D=56mm；H-活塞高度，H=50mm；b-活塞厚度，8=4mm；活塞質(zhì)量：_ n「一 f c、21…m】=Pi、=Pi4D2—（D—2b） HP1=2.7g/cm3,故m1=88.2g.6活塞銷的設(shè)計活塞工作時頂部承受很大的氣體壓力，它們?nèi)客ㄟ^銷座傳給活塞銷，再傳到連桿。因而，活塞銷與銷座必須有足夠的剛度，足夠的承載面積和耐磨性。其中活塞銷的剛度有著關(guān)鍵意義，如果縱向剛度不足，則引起負荷分布不均勻，使銷座疲勞破壞，導(dǎo)致活塞縱向開裂；橫向剛度不足，使銷的失圓變形過大，潤滑油膜遭受破壞，引起活塞銷咬作。6.1活塞銷的材料活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼。本設(shè)計選用20Mn，經(jīng)外表面滲碳淬火至硬度HRC56?66,深度0.8?1.2mm，但滲碳淬火層中的殘余奧氏體必須切實消除，所以必須嚴格控制熱處理工藝質(zhì)量，盡量避免脫碳，表面也需要進行精磨和拋光。6.2活塞銷尺寸的設(shè)計參考《內(nèi)燃機設(shè)計》(楊連生)P291，活塞銷的尺寸比例如下：活塞銷外徑：d1=(0.25?0.30)D，D為活塞直徑，D=56mm活塞銷內(nèi)徑：d2=(0.65?0.75)d1;活塞銷長度：l=jD2-d12故根據(jù)以上要求，設(shè)計尺寸為：d1=16mm，d2=10mm，l=Jd2—d12就54mm6.3活塞銷的質(zhì)量活塞銷的質(zhì)量：m2=p2n4(di2—d22)l，其中p2=7.9g/cm3計算得：m2=52.3g7曲軸的設(shè)計曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩（扭矩和彎矩）共同作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴重，特別在曲軸至軸頸的圓角過渡區(qū)、潤滑油孔附近以及加工粗糙的部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相當(dāng)速度在軸承中發(fā)生滑動摩擦。這些軸承在實際變工況運轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體摩擦，故設(shè)計曲軸時，要使其各摩擦表面耐磨性，各軸頸應(yīng)具有足夠的承壓面積，同時給予盡可能好的工作條件。曲軸是曲柄連桿機構(gòu)中的中心環(huán)節(jié)，其剛度亦很重要。由于內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速較高，同時要求其質(zhì)量較輕。故曲軸在強度、剛度、耐磨、輕巧上都有要求，但它們之間又存在相互矛盾。7.1曲軸的材料和結(jié)構(gòu)曲軸從整體結(jié)構(gòu)上看，可以分為整體式和組合式。隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄造技術(shù)的進步，現(xiàn)代內(nèi)燃機幾乎全部采用整體式曲軸。從支撐方式看，曲軸有全支持結(jié)構(gòu)和浮動支撐結(jié)構(gòu)。但本次設(shè)計為單缸高速發(fā)動機，用于摩托車，故曲軸需采用組合式和全支撐結(jié)構(gòu)。由于曲軸采用組合式，故選用鍛造制造。鋼制曲軸除少數(shù)應(yīng)用鑄鋼外，絕大多數(shù)采用鍛造。鍛造曲軸的材料有碳素鋼和合金鋼。本次設(shè)計曲軸采用鍛造制造，選用45號碳鋼模鍛曲軸，但曲軸在鍛造后應(yīng)進行第一次熱處理（退火或正火），在精磨前應(yīng)進行第二次熱處理（調(diào)質(zhì)）以改善鋼的機械性能并能提高周靜表面硬度。對軸頸表面、圓角和油孔邊緣應(yīng)拋光，以提高曲軸的疲勞強度。綜上所述，曲軸采用45號鋼模鍛，采用組合式結(jié)構(gòu)和全支撐式結(jié)構(gòu)。

7.2曲軸尺寸的設(shè)計曲軸主要尺寸如下圖13所示:圖13曲軸的主要尺寸圖參考《內(nèi)燃機設(shè)計》(楊連生)可得到主要尺寸范圍如下表六:表六曲軸主要尺寸比例范圍主要參數(shù)比例范圍主要參數(shù)比例范圍D2/D0.60?0.65d2/D20.40?0.60*0.35?0.45D1/D0.65?0.75L1/D10.40?0.60b/D0.75?1.20h/D0.18?0.25曲柄銷直徑D2=(0.60?0.65)D=33.6?36.4mm，取D2=35mm，采用滾針軸承，曲柄銷長度L2與軸承寬度配合。d2=(0.40?0.60)D2=14?21mm，取d2=16mm.主軸頸直徑：D1=(0.65?0.75)D=36.4?42mm，取D1=40mm.主軸頸長度：L]=(0.40?0.60)D]=16?24mm，取L】=17mm.曲柄銷厚度：h=(0.18?0.25)D=10.08?14mm，取h=12mm.曲柄寬度：b=(0.75?1.20)D=42?67.2mm，取b=60mm.由于曲軸轉(zhuǎn)速高，曲柄銷與連桿大頭處采用滾針軸承，選用型號為：K35X42X20,既L2=22mm。由比例范圍可得：L2=(0.35?0.45)D=19.6?25.2mm，取L2=22mm，符合要求。此處的l2主要是指與連桿大頭的配合長度，由于采用組合結(jié)構(gòu)，需要與曲柄臂連接，故兩端還需各加上曲柄臂的厚度。主軸頸采用深溝球軸承，型號為6208，由于轉(zhuǎn)速較高，故采用油潤滑。8連桿的設(shè)計連桿總成的作用是將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸。連桿主要承受氣體壓力和活塞組往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。此外，由連桿變速擺動而產(chǎn)生的慣性力矩，還使連桿承受數(shù)值較小的彎矩（一般強度計算被忽略）。如果連桿在交變載荷的作用下發(fā)生斷裂，則將招致惡性破壞事故，甚至整臺發(fā)動機報廢；如果連桿剛度不足，則會對曲軸連桿的工作帶來不好的影響。這就要求連桿在設(shè)計時，在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強度。為此，必須選用較強的材料和合理的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，并采取表面強化措施。8.1連桿的材料為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強度，一般多用精選含碳量高的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，只有在特別強化且產(chǎn)量不太大的柴油機中用40Cr等合金鋼。由于本次設(shè)計的單缸機轉(zhuǎn)速、升功率較高，故連桿選用40MnB合金鋼鍛造，在機械加工前應(yīng)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以得到較高的綜合機械性能，既強又韌。為了提高連桿的疲勞強度，不經(jīng)機械加工的表面應(yīng)經(jīng)過噴丸處理。連桿還必須經(jīng)過磁力探傷檢驗，以求工作可靠。對于連桿的形狀設(shè)計、過渡圓滑性、毛皮表面質(zhì)量等，必須給以更多的注意。連桿縱斷面內(nèi)宏觀金相組織要求金屬纖維方向與連桿外形相符合，纖維無環(huán)曲及中斷現(xiàn)象。8.2連桿的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計連桿由連桿小頭、桿身和連桿大頭組成，主要結(jié)構(gòu)尺寸如下圖13所示：

Ee圖14連桿主要尺寸圖8.2.1連桿小頭連桿小頭采用薄壁圓環(huán)結(jié)構(gòu)，小頭孔內(nèi)壓有青銅襯套。參考《內(nèi)燃機設(shè)計》(楊連生)，連桿小頭的尺寸比例如下：襯套內(nèi)徑由活塞銷外徑?jīng)Q定，d1=16mm襯套厚度：8=2?3mm連小頭內(nèi)徑/襯套外徑：D2=di+8連桿小頭外徑：D1=(1.2?1.35)D2連桿小頭寬度：B1=(1.2?1.4)d1根據(jù)以上要求，設(shè)計連桿小頭尺寸如下：d1=16mm；8=2mm；D2=18mm；D1=24mm；B1=22mm連桿小頭質(zhì)量：m3=P34(D12-D22)B1，其中p3=7.9g/cm3；故m3=34.4g。連桿的潤滑方式：飛濺潤滑，在連桿小頭開設(shè)集油孔。8.2.2連桿桿身高速內(nèi)燃機連桿桿身斷面都是“I”字形的，而且其長軸應(yīng)在連桿擺動平面內(nèi)。從制造工藝方面看，“I”字形截面連桿桿身到小頭和大頭的過渡圓角處必須有足夠大的圓角半徑?！癐”字形斷面的平均相對高度H/D=0.2?0.3,高寬比H/B=1.4?1.8。一般把桿身斷面H從小到大逐漸加大，Hmax/Hm.n值最大到1.3左右。連桿長度由曲柄連桿比入來確定，而入=r/l，入值越大，連桿越短，則發(fā)動機高度越小。入值的范圍1/3?1/4，取入=0.25，則連桿長度：l=24/0.25=96mm。連桿桿身設(shè)計尺寸：H=14mm，B=9mm，l=96mm，則Hmin=13mm，Hmax=15mm。8.2.3連桿大頭由于本次設(shè)計的發(fā)動機是高速單缸機，曲軸又采用組合式，故連桿大頭做成一體，不用切開，不需使用連桿螺栓。連桿大頭的結(jié)構(gòu)與基本尺寸主要決定于曲柄銷直徑。2、長度l2、所選軸承類型。此處選用滾針軸承K35X42X20，故連桿大頭內(nèi)徑D2，=42mm，連桿大頭寬度：B2=22mm。對于連桿大頭外徑，由于取出連桿必須從氣缸中取出，所以其外徑應(yīng)小于活塞直徑，先暫取連桿大頭外徑：D3=50mm。9連桿的校核9.1連桿桿身的長度檢驗參考《汽車發(fā)動機現(xiàn)代設(shè)計》（徐兀）可知，連桿桿身長度應(yīng)該滿足以下三個條件：1）平衡塊不碰活塞時（平衡塊的半徑p=r+0.5d）11r=2+s（d+2li）2）滿足曲拐不碰活塞時1 1~=2+S（d+2l2）3）滿足連桿不碰缸孔下緣時1 S+21——注 2 入3 D-0.05S-1.05h由于l＞i,，故±＞工，因此只需檢查L 。12M入2 M入3由前面設(shè)計的參數(shù)可得：d=42mm，r=24mm，S=48mm，l1=22mm，1220mm，h=14mm，D=56mm。計算得：％=0.246，A3=0.422，故入＜0.246，取入=0.25符合要求。9.2連桿小頭9.2.1連桿小頭的強度校核（1）由襯套過盈裝配及溫升產(chǎn)生的小頭應(yīng)力把小頭和襯套當(dāng)作兩個過盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面由裝配過盈△和溫升鳥所引起的徑向均布壓力：△+△ tD— dr 1[D12+d2+]+1[d2+d〔2_-^1^12-d21*E7[d2-d12—'一式中：At-(a-a，)At?d,△-(0.0002?0.0015)d其中：△『工作后連桿小頭溫升，約100。C?150。C,取At-150。Ca-連桿材料的線膨脹系數(shù)，對于鋼a-1.0x10-5(1/。C)a，-襯套材料的線膨脹系數(shù)，對于青銅a，-1.8x10-5(1/。C)，，-連桿材料與襯套材料的泊松比，可取，，-0.3E-連桿材料的彈性模數(shù)，鋼E-2.2x105N/mm2E，-襯套材料的彈性模數(shù)，青銅E，-1.15x105N/mm2d-襯套外徑，d—18mmD1-連桿小頭外徑，D1-24mmd1-襯套內(nèi)徑，d1-16mm故^-(0.0002?0.0015)d-0.0036?0.027mm，取△-0.027mmAt=(1.0x10-5-1.8x10-5)x150x180=-0.0216mm計算得：P=28.6MPa由徑向均布力P引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計算:外表面：azo-Pd.^-73.54MPa內(nèi)表面：％。-Pd!^-102.14MPa連桿選用40MnB鍛造，其許用應(yīng)力為160MPa，校驗合格。由拉伸載荷所引起的小頭應(yīng)力進行應(yīng)力計算時，將連桿小頭簡化為以剛性地固定于它與桿身銜接處的曲桿，其固定角：甲-90°+arccosHmin/2+P-116.6。.T Di/2+p其中Hmin—13mm，p—40mm，D1—24mm.作用在連桿小頭固定截面上的力和力矩按經(jīng)驗公式求得：N0--P.' (0.572-0.0008甲)-2143.589N

Mo=—P.'r(0.00033^—0.0297)=825.42N?m其中：r=^1+^2=18+24=21mm—P' =4477.752N2 2 imax—cos甲)=822.003N—cos甲)=928.01N-m計算中=乳截面拉伸力引起的法向力和彎矩為:N^—cos甲)=822.003N—cos甲)=928.01N-m=M0+N0r(1—cos^)+0.5P"r(sin甲其中：Pjmax=2655.633N由拉伸作用在外表面上產(chǎn)生的應(yīng)力為：6r—h

由拉伸作用在外表面上產(chǎn)生的應(yīng)力為：6r—h

:—2M __+KNh（2r+h）

r6r+h=2M_h（2r+h）。.1J°.ajjBih1+KN—JBh式中h一小頭壁厚，h=（D1—di）/2=3mm,B1=22mmK一考慮襯套過盈配合的系數(shù)，K=EF =0.86,E、F和E，、F，分別為連EF+E'F'桿和襯套材料的彈性模數(shù)和斷面面積。計算得：氣=2.31MPa,°aj=54.803MPa（3）由壓縮載荷引起的小頭應(yīng)力計算截面中由壓縮力引起的法向力和彎矩:N1=PcNs+(c引。甲N1=PcNs+(c引。甲T 甲Tsin^—1sin^)]ntntM1=PcrM—-0+PcrNp0(1-csin中中1co皿T)—(F—W—nsin七』應(yīng)力計算公式同上，計算得：°ic=—27.34MPa,%=—32.76MPa（4）小頭的疲勞強度安全系數(shù)不對稱循環(huán)的最大與最小應(yīng)力為：°max=°a0+°aj=142.67MPa°min=°a0+°ac=55-08MPa

其中°a0=°zo+°i。=87.84MPa平均應(yīng)力：om=omax+omin=98.875MPa應(yīng)力副： o=bmax-bmin=43.795MPaa 2又有n=―°-iz—皿+%%￡ao_1z—材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，由于采用合金鋼，故取 o_1z300MPaoa—應(yīng)力幅；om一平均應(yīng)力；￡；一考慮表面加工情況的工藝系數(shù)，其值在0.4?0.6之間，取￡；=0.4一角系數(shù)，巴=2J-00。0—材料在對稱循環(huán)下的彎曲疲勞極限，對于鋼，。。=（1.4?1.6）o_1則取均=0.42計算得n=1.987>1.5，則小頭強度合格。9.2.2連桿小頭的剛度校核當(dāng)連桿小頭與浮式活塞銷相配時，小頭必須有足夠剛度，以免因小頭變形過大影響軸承間隙，使活塞銷與襯套相互咬死。根據(jù)使用經(jīng)驗，由拉伸載荷引起的小頭橫向直徑收縮量b應(yīng)比間隙小一半以上（考慮到活塞銷也有變形）。b可按以下半經(jīng)驗公式計算：- ， 一、2%dm（甲-90°）

1Q6EI式中dm—小頭的平均直徑，dm=（。1「1）=20mm；—小頭斷面的慣性矩，I=B里=49.5mm412計算得b=0.014mm不到連桿小頭與活塞配合間隙的一半，則剛度校核合格。9.3連桿桿身連桿桿身最大拉伸應(yīng)力耳=玨jfm式中fm一桿身斷面面積。在擺動平面Y-Y內(nèi)的合成應(yīng)力宙=（1+C些fm）當(dāng)TOC\o"1-5"\h\z【X fm在垂直于擺動平面X-X內(nèi)的合成應(yīng)力％=（1+CNfm）』【Y fm式中C一系數(shù)，遂于常用鋼材C=0.0003?0.0004I=工[BH3-（B-t）h3],I=X[（h-h）B3+ht3]X12 ' Y12' /應(yīng)力幅和平均應(yīng)力：a=口，a =心aX 2 ，amX 2a=口，a =土aY 2 ，amY 2安全系數(shù)n= a-1z攻+駕％計算得：nX=1.78，nY=2.46桿身安全系數(shù)在1.5?3.0之間，校核合格。9.4連桿大頭連桿大頭所受慣性力拉伸載荷：P〃 =G_±232r（1+入）+MS32Ejmaxg' g式中G，、G、G2、G3分別是活塞組、連桿組往復(fù)部分、連桿旋轉(zhuǎn)部分及連桿大頭下半部分的重量。則彎曲應(yīng)力為：a=P”[0.023c+^MjW（1+I，/l）F1+Fi式中W一計算斷面的抗彎曲斷面模數(shù)，取W=5.0x10-9m3C—計算圓環(huán)的曲率半徑，F(xiàn)「F1—大頭及軸承中央截面面積，計算得：。=147.49MPa參考《內(nèi)燃機設(shè)計》（楊連生），連桿大頭許用彎曲應(yīng)力[o]=220MPa強度校核合格。 一_〃一大頭恒心收縮量b=0.0024Pj、CE（"）計算得：6=0.034mm，小于軸頸與軸承配合間隙的一半，則剛度校核合格。10設(shè)計結(jié)