工程軟件技能訓練說明書

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工程軟件技能訓練

課程設計說明書

系部名稱：汽車與交通工程學院專業(yè)班級：車輛工程班學生姓名：指導教師：職稱：

黑龍江工程學院二○一四年十一月

工程軟件技能訓練

課程設計任務書

學生姓名指導教師姓名題目名稱設計內容：付納院系汽車與交通工程學院副教授從事講師專業(yè)專業(yè)、班級車輛工程車輛工程11-6班是否外聘□是■否王永梅楊兆職稱群眾495柴油機以群眾495柴油機為例，基于相關參數對發(fā)動機曲柄連桿機構主要零部件進行結構設計計算，同時進行強度、剛度等方面的校核，并進行相關運動學分析和機構運動仿真分析，以達到良好的生產經濟效益。目前國內外對發(fā)動機曲柄連桿機構的動力學分析的方法好多，而且已經完善和成熟，但仍缺乏一種基于良好生產效益、經濟效益上的綜合性分析，本次設計在明了、全面剖析的基礎上，有機地將各研究模塊聯(lián)系起來，達到既簡便又明了的設計目的，力求為發(fā)動機曲柄連桿機構的設計提供一種綜合全面的思路。設計完成后應提交的成果：目錄

第一章緒論3

第一節(jié)內燃機活塞連桿組的意義5其次節(jié)國內外的發(fā)展趨勢5第三節(jié)研究的內容6其次章內燃機的結構原理簡介6第一節(jié)內燃機的機構6

其次節(jié)內燃機的工作原理7

一、進氣過程9二、壓縮過程10三、燃燒過程11四、膨脹過程12五、排氣過程13

第三章活塞組的設計13

第一節(jié)活塞設計的外界因素及影響13

一、活塞的功用及工作條件13二、活塞組的影響14三、活塞的工作條件14四、設計要求14五、活塞的材料14其次節(jié)活塞的結構15

一、活塞頭部的設計15二、活塞頂和環(huán)帶斷面16三、活塞裙部的設計18四、裙部與缸套的協(xié)同間隙19

第四章活塞銷的設計及活塞環(huán)和環(huán)槽的參數選擇20

第一節(jié)結構和尺寸20其次節(jié)活塞銷的固定方式20第三節(jié)活塞環(huán)和環(huán)槽的參數選擇21第五章活塞的受力22

第一節(jié)活塞的校核22其次節(jié)活塞銷的受力與校核24第三節(jié)活塞環(huán)的校核25第六章連桿組零件及襯套的設計27

第一節(jié)連桿的材料27其次節(jié)連桿長度的確定27第三節(jié)連桿小頭的設計27

一、小頭結構形式27二、小頭尺寸27三、連桿襯套28第四節(jié)連桿桿身的設計28第五節(jié)連桿大頭的設計29

一、連桿大頭的剖分形式29二、連桿大頭的定位方式29三、連桿大頭的主要尺寸29第六節(jié)連桿組的重量及慣性力29第七章連桿的受力分析和校核30

第一節(jié)連桿小頭30其次節(jié)連桿大頭33第三節(jié)連桿桿身33第八章曲軸的設計34

第一節(jié)曲軸的受力分析35其次節(jié)曲軸頸直徑d和主軸頸D37第三節(jié)校核曲柄臂的強度38結論42致謝42

?c是壓縮比；

T1de是進氣終了的溫度；

n是平均壓縮多變指數過

表2.3P和V的關系

氣缸容積(L)

氣缸壓力(Mpa)

0.6560.640.750.450.30.150.0490.0320.1760.160.1850.250.441.124.778.63三、燃燒過程

當活塞壓縮到上止點，噴油器向燃燒室噴入霧狀柴油，油霧與壓縮空氣充分混合，形成高溫高壓的燃氣，并開始自行著火燃燒，混合汽膨脹做功，推動活塞向下運動，從而推動曲軸轉動，對外輸出功。燃燒過程的作用是將燃料的化學能轉化為熱能，使工作的壓力、溫度升高。燃燒放出的熱量越多，放熱時越靠近上止點，熱效率越高。柴油機應在上止點前就開始噴油，噴進氣缸中的柴油迅速蒸發(fā)，而與空氣混合，并進駐在氣缸中被壓縮的具有很高內能的空氣的熱量而自然。開始燃燒速度很快，而氣缸容積變化很小，所以工作的壓力、溫度劇增，接近于等容過程，接著一面噴油，一面燃燒，燃燒速度緩慢下來，且隨著活塞向下止點移動，氣缸容量增加，氣缸壓力基本不變，而溫度繼續(xù)上升，該過程接近于等壓過程。燃燒的最高爆發(fā)壓力Pmax取值范圍4.5～14.0(Mpa)及最高溫度Tmax取值范圍1800～2200（K)。

燃燒爆發(fā)壓力：P2=?1Pco=1.5×8.63=12.95Mpa理論空氣量：

Lo?1CHO10.870.1260.04(??)??(??)?0.49(kmol/kg)0.21124320.2112432

實際空氣量：L=?LO=1.7×0.49=0.84(kmol/kg)

理論分子變化系數：

?o?1?8H?O8?0.145?0.004??1.04332L32?0.84

P?????1??分子變化系數：

o?P1.043?0.04?1.0411?0.04

空氣的定容比熱：

（）ucvma=19.259+0.0025Tco=19.259+0.0025×961=21.662kmol/kg

燃燒終點爆發(fā)溫度：T2=2000K燃燒產物定容比熱：ucvmp=[20.47+19.259(a-1)]/a+[36+25(a-1)]

T2/a10

44=[20.47+19.259×(1.7-1)]/1.7+[36+25×(1.7-1)]×2000/1.7×10=26.264kmol/kg

?Tp1.0412000???1.5961初期膨脹比：P=Tco=1.44

四、膨脹過程

膨脹過程時，進、排氣門均關閉，高溫高壓的氣體推動活塞，由上止點移動而膨脹做功，氣體的壓力、溫度也隨即迅速降低。膨脹過程中有熱交換損失、漏氣損失和補燃現象，因此，膨脹過程也是一個多變過程，多變指數n是不斷變化的膨脹過程初期，由于補燃

2nk。不過，宛如壓縮過程，為了簡便起見，在計算中用一個不變的平均膨脹多變指數n代替n，只要以這個指數n計算的多變過程，其起點和終點的狀態(tài)與實際膨脹過程始、終狀

'22'22態(tài)相像。柴油機n的范圍為1.15～1.28。取n=1.2

22''后膨脹比：?=

?cP=27.5÷1.44=12.15

膨脹終點的壓力和溫度可用下式計算：

p

T式中：

pmx2=?n2=12.95÷12.15=0.647Mpa

1.2mx?T?n22?1?200012.151.2?1?1212k

pmx是膨脹終點的壓力（Mpa);

P2是最高爆發(fā)壓力（Mpa)；

Tmx是膨脹終點的溫度（K);

T2是最高爆發(fā)壓力是對應點的溫度（K);

n'2是平均膨脹多變指數。

五、排氣過程

當膨脹過程接近終了時，排氣門開啟，廢氣開始靠自身壓力自由排氣，膨脹過程終止時，活塞由下止點返回上止點移動，將氣缸內的廢氣排出。由于排氣系統(tǒng)有阻力，排氣終了的壓力Pr大于環(huán)境壓力Pa，壓力差Pr-Pa用來戰(zhàn)勝排氣系統(tǒng)的阻力。排氣系統(tǒng)阻力越大，排氣終了的壓力Pr越大，殘留在氣缸里的廢氣就越多。排氣終了的壓力Pr(Mpa)范圍為0.103～0.108，溫度

Tr（K）范圍為700～900

排氣終了壓力：Pr=0.105Mpa排氣終了溫度：Tr=800K

四沖程柴油機的循環(huán)過程因壓力、溫度的不斷變化直接影響到活塞的功能與壽命，因此要對活塞組連桿進行分析確定。當柴油機完成排氣行程后，在曲軸飛輪總成的慣性力作用下，又重復上述工作循環(huán)過程，使柴油機連續(xù)運轉對外輸出功率

第三章活塞組的設計

發(fā)動機鋁活塞的結構及工藝設計，選擇利用適合的機床加工發(fā)動機活塞，通過這次設計，要求熟練把握并能在實際問題中進行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過程。

第一節(jié)活塞設計的外界因素及影響

一、活塞的功用及工作條件

活塞是曲柄連桿機構的重要零件，功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉對外作功。活塞又是燃燒室的組成部分，是內燃機中工作條件最嚴酷的零件，作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內燃機的最高燃燒壓力可達14—16MPa。而且活塞還要承

受在連桿傾斜位置時側壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復慣性力和側壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側部磨損等。由此可見，活塞應有足夠的強度和剛度，而且質量要輕。

活塞頂部直接與高溫燃氣接觸，活塞頂部的溫度很高，活塞各部的溫差很大，柴油機活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實際受熱面積加大，熱負荷更加嚴重。高溫必然會引起活塞材料的強度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。另外，由于冷熱不均勻所產生的熱應力簡單使活塞頂部出現疲乏熱裂現象。所以要求活塞應有足夠的耐熱性和良好的導熱性，小的線膨脹系數。同時在結構上采取適當的措施，防止過大的熱變形?；钊\動速度和工作溫度高，潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。要求應具良好的減摩性或采取特別的表面處理。

二、活塞組的影響

隨著發(fā)動機的動力性、經濟性、環(huán)保性及可靠性的要求越來越嚴格，活塞已發(fā)展成為集輕質高強度新材料、異型外圓復合型面、異型銷孔等多項新技術于一體的高技術含量的產品，以保證活塞的耐熱性、耐磨性、平穩(wěn)的導向性和良好的密封功能，減少發(fā)動機的摩擦功損失，降低油耗、噪聲和排放。尋常將活塞的外圓設計成異型外圓(中凸變橢圓)，即垂直于活塞軸線的橫剖面為橢圓或修正橢圓，且橢圓度沿軸線方向按一定的規(guī)律變化，橢圓度精度達0.005mm；活塞縱剖面的外輪廓為高次函數的擬合曲線，輪廓精度為0.005～0.01mm；為提高活塞的承載能力，以提高發(fā)動機的升功率，尋常將高負荷活塞的銷孔設計成微內錐型或正應力曲面型(異型銷孔),銷孔尺寸精度達IT4級，輪廓精度為0.003mm。

活塞作為典型的內燃機關鍵零部件，在切削加工方面具有很強的工藝特點。國內活塞制造行業(yè)尋常是由通用機床和結合活塞工藝特點的專用設備組成機加工生產線，因此，用設備就成為活塞切削加工的關鍵設備，其功能和精度將直接影響最終產品的關鍵特性的質量指標。

三、活塞的工作條件

（1）高溫—導致熱負荷大：活塞在氣缸內工作時，活塞頂面承受瞬變高溫燃氣的作用，燃氣的最高溫度可達2000～2500℃，因而活塞頂的溫度也很高，溫度分布不均勻有很大的熱應力。

（2）高壓—沖擊性的高機械負荷：高壓包括兩面性?活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，氣壓力P（Mpa)一般在膨脹沖程開始的上止點后10～20達到最大；?

00z活塞組在氣缸力作高速往復運動，產生很大的往復慣性力Fjmax。

（3)高速滑動：內燃機在工作中所產生的側向力是比較大的，特別是在短連桿內燃機中。(4)交變的側壓力：活塞上下行程時活塞要改變壓力面，側向力方向不斷改變，造成了活塞在工作時承受交變的側向載荷。

四、設計要求

（1）選用強度好、散熱性好，膨脹系數小、耐磨；（2）形狀和壁厚合理，吸熱好、散熱好，剛度符合要求，盡量避免應力集中，與缸套有最正確的協(xié)同間隙；（3）密封性好、摩擦損失小；（4）重量輕、質量小，盡量減小往復慣性力。

五、活塞的材料

對活塞設計根據上述的要求，活塞材料應滿足以下要求：強度高，即在高溫下仍有足夠的機械性能，使零件不致?lián)p壞；導熱性好、吸熱性差。以降低頂部與環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應力；使活塞與氣缸間保持較小間隙；以降低活塞組的往復慣性力，從而減低了曲軸連桿組的機械負荷和平衡配重；有良好的耐磨性，耐磨、耐蝕；公益性好低廉。

在發(fā)動機中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數小、熱強度高、成本高、工藝性好等原因，曾廣泛的被作為活塞的材料。但近幾年來，由于發(fā)動機轉速日益提高，工作過程不斷加強，灰鑄鐵活塞因比重大和導熱差兩個根本缺點而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。鋁合金的優(yōu)缺點與灰鑄鐵正相反，約占有灰鑄鐵的1/3，結構重量約占灰鑄鐵活塞的50～70％，其慣性小這對高速發(fā)動機具有重大意義。鋁合金另一優(yōu)點是導熱性好，其熱傳導系數約占灰鑄鐵的3～4倍，使活塞溫度顯著下降。采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動機性能創(chuàng)造了重要的條件。

其次節(jié)活塞的結構

整個活塞主要可以分為活塞頂、活塞頭和活塞裙3個部分?；钊闹饕饔檬浅惺芷字械娜紵龎毫Γ⒋肆νㄟ^活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與汽缸蓋、汽缸壁共同組成燃燒室?；钊斒侨紵业慕M成部分，因而常制成不同的形狀.汽油機活塞頂多采用平頂或凹頂，以便使燃燒室結構緊湊，散熱面積小，制造工藝簡單。凸頂活塞常用于二行程汽油機。柴油機的活塞