1100柴油机连杆组动力学分析及结构设计

西安科技大学-车辆工程系毕业设计论文目 录 1 绪论1.1柴油机在国民经济中的的作用-21.2小型柴油机的发展状况及趋势-42 运动学分析及受力分析2.1连杆的工作情况及受力分析-72.2连杆的运动学分析-122.3连杆材料和结构的选定-153 连杆的基本设计3.1连杆主要比例及长度的确定-163.2连杆小头的设计-183.3连杆身的设计-203.4两杆大头的设计-214 连杆的强度校核4.1连杆小头的校核-234.2连杆身的校核-274.3：连杆大头的校核-29 5 连杆螺栓的设计及校核5.1连杆螺栓的预紧力-315.2连杆螺栓的结构设计-335.3连杆螺栓的强度校核-356 结论 6.1杆组的损坏形式及改进措施-366.2连杆的强化工艺-386.3栓疲劳强度的措施-39 1 绪论1.1 柴油机在国民经济中的作用内燃机行业是我国机械工业中的一个十分重要的行业，对国民经济的发展起着至关重要的作用。内燃机是汽车、农业机械、工程机械、船舶、内燃机车、地质和石油钻机、军用、通用机械、移动和备用电站等装备的主要配套动力。“十五”期间，内燃机行业将进入重大结构调整和发展时期。内燃机行业将适应市场需要，加快技术创新步伐，为汽车、农机、工程机械等重点工业。农业和交通领域的发展提供更多的高效、节能、低污染和高质量的新一代内燃机。同时，随着我国改革开放步伐的加快和加入WTO，内燃机行业将面临更激烈的市场竞争，也将迎来新的发展机遇。据1999年不完全统计，我国内燃机行业生产企业844家，生产的产品有280个以上基本型。全行业共有76万名职工，1999年共生产内燃机1820万台，2.28亿kW，全年工业总产值775亿元，销售收入761亿元，出口创汇3.26亿美元。1999年，我国内燃机总产量中，柴油机881.9万台，占总产量的48；汽油机938.5万台，占总产量的52；还有极少量的气体发动机。改革开放以后，内燃机行业对产品结构和企业结构进行了一些调整，取得了很大的成绩。在产品方面，通过自行开发和引进国外先进技术，发展了 360多个系列品种的新产品，有了一批可供汽车、农用运输车、拖拉机、船舶等产品选择配套的较好机型。企业由生产单一品种向多品种、系列化转变；在科技方面，高新技术在内燃机产品中开始取得较广泛的应用。我国已能自行开发研制中小功率内燃机，直喷燃烧系统得到推广应用，增压和增压中冷技术的应用取得突破和发展，内燃机强化程度有所提高，车用发动机已采用电控技术和多气门结构、尤其轿车用电喷汽油机已成为主流产品；在企业组织结构方面，已出现了几家市场占有率较高、有一定市场竞争能力和发展势头的大型企业或企业集团，一些产品的产量已向名牌企业集中。通过股份制改造和建立现代企业制度，企业内部结构趋向合理，经济运行质量得到提高。内燃机行业要以市场为导向，以改革为动力，以结构调整为重点，以提高经济效益为中心，重点支持一批有较强竞争能力的大型企业集团和重点骨干企业，坚持科技兴业和技术创新，全面提高以企业为中心的技术开发能力及核心竞争力，加快产品升级换代步伐，努力适应国内外市场需求。为把我国由内燃机生产大国变为内燃机生产强国打下坚实基础，极大地推动我国国民经济的发展。内燃机行业的总量目标是：根据市场分析及我国国民经济发展趋势，预测“十五”期间内燃机行业在产值产量方面的年增长率在69，内燃机商品量达到2.4亿kW，工业总产值1000亿元，其中内燃机配附件产值达到 240亿元，出口创汇达到3.5亿4亿美元。这些充分证明了内燃机在国民经济中不可替代的巨大作用，也是我国要成为经济强国所必须认识到的。柴油机经过100多年的发展，已经成为国民经济中极为重要的原动机。柴油车与汽油车相比，有两方面的优势：首先，柴油价格比汽油低，而柴油车的单位功率油耗量（每千瓦小时耗油量g/kWh）比汽油车低，因此柴油车的经济性好。其次，柴油发动机没有尺寸上的限制，可以制造出大功率的发动机，如重型货车用发动机。此外柴油车排放的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）很低。随着全球原油市场价格的不断上涨，以及柴油机技术的不断进步，曾经刮起过一股车市“旋风”的柴油车，近来又被提上日程，日益受到消费者和国内外各大汽车厂商的垂青。柴油发动机油耗经济早已得到业界公认。作为动力的主要来源，柴油的能量密度比汽油高出10%以上。在燃烧过程中，柴油的热效达到40%，而等量的汽油热效最多只能达到30%。较之汽油发动机，柴油车在功率和加速性上虽然略逊一筹，但同时其瞬间喷油量相对较小，燃油性自然更经济。自90年代以来，由于排放控制技术的长足进步，柴油机在车用动力中占据着越来越重要的地位。在中、重型汽车动力领域，柴油机保持了其独占地位；在轻型车动力领域内，柴油机的应用不断扩大；在轿车领域，低油耗、低污染的柴油轿车在欧洲得到迅速发展。所以随着能源危机的日益严峻，环境指标的要求越来越高柴油机将成为动力的主要来源。1.2小型柴油机的发展状况及趋势小型通用柴油机按国际惯际，小型系指。1.5(合格)4.1.5小头横向直径减小量 (4-8) 式中 小头平均直径； 小头截面惯性矩，。 易求得 =0.028 =0.00133 所以 (合格)4.2 连杆杆身的强度校核4.2.1. 杆身计算力 最大拉伸力 =553 (4-9) 式中，分别为活塞组重量和位于计算截面上那一部分连杆重量。 最大压应力 =5514.4 (4-10)4.2.2杆身中间截面I-I处的应力和安全系数 1.由引起的拉应力 =178 (4-11) 2.由压缩和纵弯曲引起的合应力 在摆动平面内 =1979 (4-12) 在垂直于摆动平面=1963 (4-13) 式中 杆身中间截面积； 系数，对于各种钢材C=0.00020.0005; 材料弹性极限； 杆身中间截面对其垂直于摆动平面的轴线惯性矩，； 杆身中间截面对其位于摆动平面的轴线惯性矩 。 计算得 =3.3 =0.613. 应力幅和平均应力 在摆动平面内 =1079 (4-14) =900 (4-15) 在垂直于摆动平面 =1071 (4-16) =893 (4-17)4.安全系数 =1.7 (4-18) =1.7 (4-19)因为安全系数均在1.53.0之间所以合格4.2.3在杆身最小截面-处的应力和安全系数拉应力 (4-20)压应力 (4-21)由上式4-12 和4-13可求得： 所以在摆动平面 图4-1杆身计算简图同上可求得 =1.57 =1.55因为此安全系数也在1.53.0之间所以安全。4.3 连杆大头强度的校核 大头计算简化如下：盖与大头作为一个整体，外在压力为余弦分布，轴瓦与大头变形一致，大头为等截面，计算简图如下： 图4-2连杆大头计算简图4.3.1 连杆大头受惯性力拉伸负荷 （4-22）式中，分别为活塞组重量，连杆组往复部分，连杆组旋转部分及连杆大头盖的重量。计算得： =753连杆盖中央截面DD上的应力为： （4-23）式中 螺栓中心线之间的距离； 连杆盖和轴瓦中央截面的惯性矩； 连杆盖和轴瓦的中央截面积； 连杆盖计算截面积的抗弯断面系数。又知 =1.36 =0.0046 =0.51 =1.37所以 =2614.3.2连杆大头横向直径减小值 （4-24） 计算得 =0.0024 所以在选取轴承时使轴承间隙的一半小于即可。 图4-3连杆盖大头截面 5 连杆螺栓的设计5.1 连杆螺栓的预紧力连杆螺栓主要承受由预紧力引起的拉伸和扭转静负荷，以及活塞连杆组惯性力拉伸变动载荷，其受力和变形如下图： 图 5-1连杆螺栓的受力和变形图中螺栓预紧力;保证轴瓦过盈所必须的压紧力；保证连杆大头不分离所必需的压紧力；连杆大头的参与压应力；作用在螺栓上的总拉力； 每个螺栓有惯性力引起的工作负荷，；活塞连杆组往复惯性力及连杆旋转质量（不包括大头盖）惯性力之和的最大值；螺栓数目；大头剖分面和杆身中心线的夹角；工作负荷传递到螺栓上的基本负荷部分，；工作负荷传递到大头上的负荷部分，；螺栓在预紧力作用下的伸长量；在压紧力作用下轴瓦的缩短量；在压紧力大头的缩短量；在工作负荷作用下螺栓的伸长量。5.1.1. 预紧力的决定 连杆螺栓预紧力不足或过大都会导致螺栓断裂，因此此预紧力必须合理选择并在装配式严加控制。预紧力应保证在工作负荷的作用下，大头剖分面保持紧密接触，比且不引起螺栓的塑性变形，可按下范围选取： 对于厚壁轴瓦 =（2.53） （5-1） 选取 =1017 校核螺栓材料是否屈服，应满足 （5-2） 式中 螺栓最小截面积； 材料的屈服极限； 安全系数，可取=1.52.0。5.1.2预紧力的控制对于普通的连杆螺母，可用下列公式计算其拧紧力矩：装配螺母时表面无润滑 （5-3）摩擦表面光滑且有润滑 （5-4） 所以可得 M=36612 或 M=274595.2 连杆螺栓的结构设计5.2.1. 结构尺寸 连杆螺栓直径参考柴油机设计手册表8-1选取的一般范围如下：两个螺栓 0.110.14四个螺栓 0.090.095因此选取 =18mm5.2.2. 材料连杆螺栓用40Cr, HRC3038， 螺母用45钢5.2.3 技术条件1.连杆螺栓端面对螺纹的纹跳动2所以 所设计的螺栓强度合格6 结论6.1 连杆组的损坏形式及改进措施连杆的主要损坏形式及改进措施列于表6-1中。 图 6-1 连杆的损坏部位 表6-1连杆的主要损坏形式及改进措施序号损坏部位损坏形式损坏原因改进措施1连杆局部应力过高区及应力集中区（见图6-1）断裂1强度不够，应力过大；2刚度不足，变形过大；3.过渡圆角太小；4.油孔等处光洁度不够；5.材料缺陷或热处理不当1.改进构型设计，降低危险点应力；2.适当加大过渡圆角，消除应力集中；3.提高表面光洁度；4.选用强度高的材料；5.消除材料缺陷，改善热处理工艺2序号锯齿定位齿根 损坏部位裂损坏形式1.齿形设计不当；2.加工精度差，齿面不能紧密贴合；3.螺栓预紧力不当 损坏原因