汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題和策略

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題和策略

引言

曲柄連桿機(jī)構(gòu)即活塞組、連桿組和曲軸組。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的能源轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu),它將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞給曲軸帶動(dòng)外設(shè)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活塞的載荷

在內(nèi)燃機(jī)中,活塞組是工作強(qiáng)度最大的組件之一?；钊墓ぷ鳁l件比較惡劣,其受到的主要載荷有以下幾點(diǎn):

1)承受很大的機(jī)械載荷

在內(nèi)燃機(jī)工作中,活塞組承受的機(jī)械載荷包括氣體壓力、慣性力以及由此產(chǎn)生的側(cè)向作用力。

近代內(nèi)燃機(jī)中,汽油機(jī)的最大氣體壓力Pgmax約為3-6MPa,非增壓柴油機(jī)Pgmax值約為6-9MPa,而增壓柴油機(jī)Pgmax值約為13-15MPa。

由于內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提高,活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也日益增大,一般車用內(nèi)燃機(jī)活塞平均速度一般可高達(dá)9~13m/s。由于加速度很大,活塞組在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力,同時(shí),內(nèi)燃機(jī)在速燃期,其壓力升高率dp/dφ可達(dá)/(°)。所以對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)來說,具有很大的沖擊作用。

活塞各部位在機(jī)械載荷的作用下產(chǎn)生不同的壓力:活塞頂部有動(dòng)態(tài)彎曲壓力,活塞銷座承受拉力及彎曲,環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。此外,在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。

2)承受很高的熱載荷

在內(nèi)燃機(jī)工作過程中,內(nèi)室中燃?xì)獾淖罡邷囟纫话憧蛇_(dá)到20XX℃左右,因?yàn)榛钊斒侵苯雍腿細(xì)饨佑|的,因此活塞承受的溫度很高。除此之外,它還需要接受摩擦生成的熱量。同時(shí),由于活塞向汽缸壁散熱的條件不好導(dǎo)致活塞的工作溫度達(dá)到更高。內(nèi)燃機(jī)活塞溫度狀況與很多因素有關(guān),例如內(nèi)燃機(jī)的類型、功率大小、采用的燃燒系統(tǒng)、活塞的結(jié)構(gòu)形式以及采用的材料等。

活塞基本尺寸的確定

活塞的主要尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1活塞的主要尺寸參數(shù)

1)壓縮高度H■

壓縮高度的選取將直接影響內(nèi)燃機(jī)的總高度,以及汽缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。從圖1可以看出壓縮高度H■是由頂岸高度h1、環(huán)帶高度h2和上裙尺寸h3構(gòu)成的,即:

H■=h■+h■+h■

(1)頂岸高度h■

頂岸高度確定了第一環(huán)的位置,由于第一環(huán)最靠近燃燒室,熱載荷很高,h■值應(yīng)取得大些,可使第一環(huán)離燃燒室遠(yuǎn)一些,以減輕第一環(huán)槽的熱載荷。但為了減小活塞組質(zhì)量和降低壓縮高度,以縮小活塞頭部與氣缸套件的間隙容積,又希望h■值取得小些。同時(shí)h■取小些,還可有利于充分利用燃燒室容積,并減小在此間隙內(nèi)因不完全燃燒而產(chǎn)生的炭化氫。頂岸高度還受到頂部形狀和冷卻腔位置的影響。總之,頂岸高度的選取原則是:在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下,盡量取得小些。

(2)環(huán)帶高度h■

環(huán)帶高度h■主要取決于活塞環(huán)數(shù)目,活塞環(huán)高度和環(huán)岸高度。在保證密封燃?xì)夂头乐箼C(jī)油上躥的前提下,為了減少摩擦損失、減小活塞質(zhì)量和降低內(nèi)燃機(jī)高度,總希望減少環(huán)數(shù)。目前中速內(nèi)燃機(jī)一般用3-4道氣環(huán)和1-2道油環(huán)。

(3)上裙尺寸h■

選取活塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面,并且保證銷座的強(qiáng)度不致因開槽而消弱,同時(shí)也不致因銷座處材料分布不均引起變形,影響油環(huán)工作。

綜上所述,可以得到活塞的壓縮高度H■的計(jì)算方法。對(duì)大功率柴油機(jī)而言,活塞壓縮高度H■的大致范圍為:

d≤200mm時(shí),H■=(~)d

d>200mm時(shí),H■=(~)d

2)裙步高度場(chǎng)

活塞裙部的主要功能是引導(dǎo)活塞運(yùn)動(dòng)并承受側(cè)壓力。因此,在決定活塞裙部長度時(shí)應(yīng)保證足夠的承壓面積,以減少比壓和磨損。一般按下式校核比壓q:

q=P■/D·H■

式中:P■為最大側(cè)作用力,有動(dòng)力計(jì)算求得,可近似取最大氣體壓力的8%-12%,N;D為活塞直徑,m;H■為裙部高度,m。

一般內(nèi)燃機(jī)活塞裙部比壓值約為,強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)、鍛鋁活塞裙部q值可達(dá)2MPa。

力,MPa。

2)圓角扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)

圓角扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)α■可定義為:

α■=τ■/τ■

式中:τ■為曲軸圓角出實(shí)測(cè)的最大剪切應(yīng)力,MPa。

3曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)算例

本文以四行程汽油機(jī)為研究對(duì)象,排量,最大功率112kw,轉(zhuǎn)速6000r/min。下面給出曲柄連桿機(jī)構(gòu)各主要尺寸參數(shù)的選定過程。

氣缸直徑的確定

根據(jù)所選研究對(duì)象汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為,平均有效壓力:P=,活塞平均速度Cm<18m/s。內(nèi)燃機(jī)學(xué)的基本計(jì)算公式如下:

P■=P■·V■·i·n/30τ

?自■=S·n/30

V■=D2·S·π/4

式中:P■為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率;P■為發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力,依據(jù)研究對(duì)象為;V■為氣缸的工作容積,依據(jù)研究對(duì)象為;i為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目,本文中為4;n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,本論文中為6000r/min;?自■為活塞的平均速度,本文中<18m/s;S為發(fā)動(dòng)機(jī)的行程;D為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑;τ為發(fā)動(dòng)機(jī)的行程數(shù),本文中為4。

將上訴條件代入上述三式得:

85=■

計(jì)算化簡后取D=85mm,S=90nun。

缸徑行程比S/D

汽油機(jī)S/D的取值范圍為,本文中S/D=。

缸心距的確定

由于汽油機(jī)缸套的缸心矩LO/D為,所以初選LO/D=,得LO=102mm。

活塞主要尺寸的確定

根據(jù)活塞的主要尺寸比例如表1所示,確定活塞主要尺寸:

表1活塞主要尺寸比例

活塞高度H=D=85mm;壓縮高度H1==68mm;頂部高度h==;環(huán)帶高度取15mm。

活塞頂部厚度σ為~,取σ為6mm。

活塞頭部要安裝活塞環(huán),側(cè)壁必須加厚,一般取()D,取,厚度則為。

為改善散熱狀況,活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過度圓角,一般取R=,則圓角半徑取為4mm。

活塞銷座間距B一般取,則取活塞銷座間距為34mm。

活塞銷外徑d一般取,則取d==。

活塞銷內(nèi)徑d2一般取,則取d2=。

活塞銷長度l一般取,則取l=80mm。

連桿主要尺寸確定

連桿長度L與結(jié)構(gòu)參數(shù)λ=R/L有關(guān),根據(jù)本文研究對(duì)象的參數(shù),選擇λ=則取L=134mn。

連桿小頭孔內(nèi)徑R11=,本文取為12mm。

連桿大頭孔內(nèi)徑R22=,本文取為48mm。

曲軸主要的尺寸確定

根據(jù)前面的計(jì)算我們知道:曲軸是全支承的,曲軸對(duì)稱布置,但是平衡重是不對(duì)稱布置的,曲軸半徑R=,連桿長度l=。根據(jù)有關(guān)曲軸各部分的主要結(jié)構(gòu)關(guān)系,曲軸軸頸的外徑我們?nèi)∠铝星S曲拐的主要參數(shù):

D4==,長度l1==。

連桿軸頸的外徑D3==50,1max==;

曲柄臂的計(jì)算截面,寬度b==85mm,厚度h==17mm。

4結(jié)束語

總之,隨著汽車行業(yè)的不斷進(jìn)步對(duì)汽車各種性能要求也在不斷提高