4120柴油机活塞连杆组的优化设计

1、 4120柴油机活塞连杆组的优化设计摘要：活塞是发动机的心脏，活塞的工作情况非常恶劣，通常是在高速，高温，高压，的情况下，活塞在工作中与高温气体直接接触，使得温度急剧上升，并且分布不均，活塞顶部在工作中承受着很大的压力，尤其在做功时，使活塞产生冲击，并且两侧受侧压力的作用。在高速下做往复运动，承受惯性力。另外，活塞连杆组的摩擦损失占到了机械损失的，为此，有必要对活塞进行优化设计，使得有足够的强度和刚度，合理的形状和壁厚。能更好的满足工作要求。(400)关键词：基本数据： 直列，四缸，四冲程，气缸直径为D=120mm, 转速n=2200r/min =0.8MPa绪论:1、 研究背景和研究意义柴油

2、机作为一种动力机械的应用越来越广泛，而柴油机的效率比较高，但是由于技术的原因，柴油机的热效率也不好提高，但是换一种想法，如果能够减少柴油机的机械损失，那么柴油机的功率会增加，能提高柴油机的性能，根据资料表面，在柴油机的机械损失中，活塞连杆组结构的摩擦损失是非常大的，占了机械损失的，如此高的损失，使得人们对机械如何减少活塞连杆组的摩擦损失进行了研究，通过各种各样的方法，进行实验，比较，试验，无论是在机械结构方面，燃料燃烧方面都进行了多方面的研究，研究的意义是通过对结构的优化，计算，材料的选择，能够提高活塞连杆组的强度，延长机构的使用寿命，从而减少这些方面的摩擦损失，再者减少燃油的消耗，提高柴油机

3、的动力性，减少成本。2、 国内外研究现状国外的柴油机起步比较早，自年开始，经过一百多年的发展，柴油机得以迅速的发展，应用领域也越来越广泛，可以用于船舶，发电，还有车辆动力等应用。尤其在车辆动力方面，柴油发动机的优势极为明显，热效率比汽油机高了好多，而且比汽油机节能环保，最低的燃油消耗可以，标定油耗达到达到大量的实践及实验表现，柴油机是现在用于各类动力机械中，热效率最高，能量利用率最好，且节能的机型。目前，柴油机化的趋势越来越明显，比如，在欧美的商业用车以及的轿车用的是柴油，而在日本也有的轿车。并且，这个比例是不断加大的。现在柴油机的一些新的技术的研发出来并应用在实际中，使得柴油机的性能又上了一

4、大截，电控高压共轨技术的应用：电控是指喷油由计算机控制，计算机对每个喷油嘴的喷油量，时刻进行控制，使得柴油机的燃油性和动力性达到最好，传统是有机械控制的，但是控制精度无法精确。高压是指喷油系统的压力高，能够使得喷油的压力大，雾化好，燃烧的更充分。而共轨是指由公共的油管同时提供相同的压力，质量的燃油，使的性能更好（2）中冷技术，还有尾气再循环技术的应用等。 在国内，柴油机的发展比较晚，技术明显赶不上国外，在大型的车辆及船运中柴油运用的比较多，但在小型车，如轿车的应用上比较少，做的比较好的是玉柴，还有锡柴等。但总体竞争力不强，还有政策的原因，因为传统的柴油噪声大，容易排黑烟，在一些大的城市是明文禁

5、止使用柴油轿车，还有一个不足，就是，柴油的品质太差，如果品质不好的话，会使得气缸燃烧的不充分，燃料利用的不充分，对活塞的损伤加大，使得摩擦损失加大，使得机械损失加大。3、 本论文研究的内容本次论文的研究内容“4120柴油机活塞连杆的优化设计”，是对缸径为四缸柴油机进行设计，首先要对柴油机进行整体的布局，对活塞进行设计，活塞的顶部，头部，裙部的合理配置，与尺寸的计算，进行布局，看合不合乎要求，从而再来进行结构的合理布局来减少活塞的尺寸及质量，但必须保证活塞的疲劳强度足够大，连杆的设计，选择小的行程比，这样连杆的长度减少了，使得结构紧凑，能减少应力，加强了大头部的强度，通过理论的计算提高活塞连杆组

6、的耐摩擦能力,抗疲劳强度，减少摩擦损失，使得热效率高，节能，环保，并且降低发动机的整体高度。1 4120柴油机的工作原理:如图所示，是柴油机的曲柄连杆机构的结构和原理。工作时，活塞只是沿气缸做直线往复运动。而曲轴是由两个中心线不在同一直线的轴构成，其中的一个轴安置在曲轴箱的中心孔内，叫作主轴。主轴只能在曲轴箱内绕本身的中心线转动 。连杆是两端带有孔的一个直杆，一端与活塞销相连，而另一端与曲轴相连接。它便随着活塞的直线移动和曲轴的旋转运动而进行摆动。当活塞做往复运动时，会由连杆使得曲轴绕主轴的中心从而产生旋转运动。但是，活塞的直线移动与曲轴的转动是相互连在一起的。一般用字母表示行程。当曲轴转动半

7、圈（即），活塞则移动一个冲程。如果用字母表示曲柄半径的话（曲轴主轴的中心到连杆轴的中心的距离），则由此看出，活塞的行程等于曲柄半径的倍。当活塞位于下止点的位置时，气缸体内的容积叫做气缸的总容积，可以用字母表示，而它等于燃烧室容积加上气缸工作容积，即：压缩比，用字母表示，即：压缩比可以表示为活塞从上止点运行到下止点时，气体在缸内的被压缩的程度。如果压缩比越大，则可表示气体在气缸中压缩的很厉害，由此，压力及温度也上升的越大，并且压缩比也可表明燃气膨胀时体积变化的倍数。压缩比是内燃机的一个重要的参数。不同型式的内燃机，它的压缩比的大小也会有所不同。一般柴油机的压缩比都比较大，然而汽油机的压缩比会比较

8、小，。而4120的柴油机的压缩比，为。四冲程的工作过程如图，现在用单缸表示工作过程：由单缸可推出多缸的工作，多缸四冲程柴油机的工作原理：首先，多缸是指有两个及以上的气缸，所有的活塞连杆组都与曲轴连接，此次的4120柴油机是由四气缸组成的，每个活塞连杆组都与曲轴连接，但对于单个缸体来说，又可形成一个完整的单气缸。对于四冲程柴油机来说，曲轴每转动两周（即）时，每个气缸都要完成一个工作循环。为了保证工作运转的均匀性，要使每个缸的工作冲程平均地分布在曲轴的转角中。假设，多缸柴油机有个气缸，那么，间隔的角度应为：则四缸柴油机为：，为多缸柴油各缸发火顺序，可用气缸编号中间以短横线连接起来表示。4110型柴

9、油机发火顺序为。即表示：第1缸发火后，依次第缸顺序进行。表表示4120型柴油机各缸冲程交替顺序表。曲轴转角曲轴位置 各缸工作过程0180360540720（0）1 413422 32 3工作压缩进气排气1 4 1 4排气工作压缩进气2 32 3进气排气工作压缩 1 4压缩进气排气工作2 4120柴油机的总体布置：4120柴油机的机体是整体铸造的结构，上面为气缸体的部分，有四个气缸套的座孔，为直列式；而座孔内装配有湿式的气缸套；机体的下端是曲轴箱的部分，一共有五个主轴承承座，而曲轴便支撑在此座孔内。而连杆便连接在曲轴的连杆的轴颈上，而连杆的小头的一端经活塞销与活塞相连。活塞沿气缸套的内孔做上下运

10、动，通过连杆使曲轴旋转，从而构成了柴油机的曲柄连杆机构。在每个气缸套的上端都装有一个单体式的气缸盖，将气缸套的顶端密封，从而构成柴油机的工作容积。气缸盖的上面还装有气门，气门摇臂以及喷油器等，外面用罩壳进行密封。而油底壳却倒挂在机体的下方，将曲轴箱密封并贮存机油。在机体的一侧还装有凸轮轴，而在凸轮轴的前端装有正时齿轮，由装在机体前端的齿轮，通过曲轴驱动凸轮轴的转动。随着凸轮的行程的变化，并通过挺柱来推动推杆上下运动，又由推杆来推动气门摇臂来控制着进气门和排气门的开启与关闭。从而构成了柴油机的配气系统。4120柴油机的润滑系统的各部件，都集中布置于机体的右侧。 在自由端下方。油底壳内油由油泵压出

11、，经单向阀，调压阀，机油冷却器以及机油滤清器，经过主油道，在通过机体内的油路，送往各摩擦的表面，从而构成了本次柴油机的润滑系统。从4120型柴油机的正面来看，中间设置了分配式的高压油泵，4个高压油管分别连接在各缸的喷油器上，在左面设置柴油滤清器，右边设置了离心全程式的调速器和发电机，而下面设置了机油的注入口。柴油机的左面上设置了飞轮，飞轮上面还设置了仪表盘。在柴油机的右面设置了齿轮的传动机构，皮带轮依靠V带的来带动发电机的旋转。而柴油机的后面安置了机油冷却器，机油滤清器和进气道以及排气管道。2.1机体组件设计机体组件主要包括了机体（气缸体-曲轴箱），气缸盖，气缸套，油底壳等零件，这是柴油机的固

12、定部分。2.1.1机体的主要功用（1） 支承柴油机上所有的运动零件，使它们在工作时要保持相互准确的位置；（2） 机体上面还要加工水道和油道，并保证各零件工作时有必要的冷却与润滑；（3） 安装柴油机的各辅助系统部件；（4） 作为柴油机使用和安装时的支承，一般将柴油机固定在底盘或者支架上；机体一般都采用铸铁制成。气缸套嵌在机体内，而在气缸套与机体壁的行程冷却水套，并通过机体平面上的孔和气缸盖的水套相通。在机体前端的箱体内要安装传动齿轮和润滑油泵；后端是动力的输出端。喷油泵则装在机体左侧（如从飞轮端来观察），在装喷油泵的座孔下面，还有安装凸轮轴和滚轮轴的轴承孔。机体的左侧中间部位还有两个进水孔，冷却

13、水便由此引入，机体两侧都要有盖板，揭开盖板可以检测出曲轴连杆机构和轴承的情况。2.1.2气缸体气缸体部分作用是用来安装气缸套及其附件，要求其对气缸套有可靠的冷却条件。4120型柴油机采用水冷式柴油机气缸体，依靠流经气缸体内部的冷却水来进行冷却。在气缸体的内部还铸有冷却水腔。冷却水腔的构成型式是整个气缸套座孔为一个整体的空腔，从而与气缸套的外壁行成一个环形的空间。气缸体的顶部还装有气缸盖螺栓，用来固定气缸盖。为了保证气缸盖能可靠地密封，并防止螺栓的松脱，气缸盖的螺栓与气缸体的连接都要采用锁紧措施来固定。2.1.3曲轴箱：机体的曲轴箱的部分主要功能是支承曲轴，使柴油机的各运动部件在工作过程中保持一

14、定的相对位置。曲轴箱结构可分为悬挂式，底座式，龙门式。而4120柴油机则采用龙门式，龙门式的曲轴箱的主轴承座是一个整体结构，和曲轴箱的横隔板连成一体。曲轴的安装是从机体的轴向端面穿入的。而龙门式的结构特点有：刚性最好，结构紧凑，可以大大地减少柴油机的轴向尺寸，而机体下平面的密封也很简单。2.2 配气机构和进排气系统设计 如图所示，是柴油机的配气机构：具体的如下图所示：一共有10个左右的零件组成，比此相互作用，首先由曲轴的正时齿轮通过齿形带啮合与凸轮轴的正时齿轮，然后凸轮轴带动凸轮转动，而凸轮转动带动了挺柱，而挺柱推动推杆运动，推杆在通过摇臂，压向弹簧，从而推动进排气门的吸气与排气动作。周而循环

15、，一直运动工作。2.2.1配气的结构方式 一般的配气方式有以下几种，第一种是侧置气门，这种方式，结构比较简单，但是效率太低，而且传播的距离叫长，现在，很少有这种方式。第二种是顶置气门的方式，这种方式比较典型，凸轮可以放在气缸的侧面，放的位置低的叫下置凸轮轴，而位置放的高的叫顶置凸轮轴。现在有不用凸轮的气门机构，这种叫无凸轮电磁气门，这种方式是在气门杆上面安装有两个电磁线圈和弹簧，当发动机启动时，会根据曲轴的位置来判断气门是关还是开。发动机不工作时，气门在弹簧的作用下处半开半闭的样子。但是这种方式也有很大的缺点，成本太高，反应的速度比较慢，冲击力大，气门的寿命短。2.2.3挺柱和推杆摇臂 挺柱的

16、材料不能与凸轮轴相同，为了避免材料的摩擦力，挺柱平面的最小半径要大于挺柱的最大几何速度。，其中a是挺柱与凸轮中心的偏心距，而b是凸轮的宽度。推杆的刚度要好，且质量要小，并且直线度的公差不超过0.1mm，还应空心钢管的结构。（1） 摇臂要有足够大的抗弯刚度，并采用形的断面，（2） 摇臂要避免悬臂安装，并且与气门的接触面要淬硬（3） 注意加强刚度2.2.4气门的设计 气门是很关键的部分，会影响柴油机机的经济性，动力性，可靠性以及耐久性。要保证足够大的流量是设计的目的。气门的设计要求：（1） 有足够大的进气流量，流动阻力要小，（2） 质量要尽量小（3） 耐磨性要好（4） 密封性也要好 一般来说，进气

17、门的要大于排气门，但是为了减少加工的成本，可以选择排气门与进气门一样的大小，而排气门的散热能力要好，耐热性也要好，并且密封性和耐磨性也要好。气门杆的长度L,一般来说，气门杆的长度受限于气门弹簧的安装高度，应尽量减少气门的长度，从而减少柴油机的高度，,所以，132mm。气门的直径，对于每气缸一进一排来说，气门的直径一般为D,所以，气门的直径为40mm。气门的材质，进气门的温度低，会达,可以选择40，38，以及等合金制造。而排气门的温度高一些，所以要用热稳定性好，强度高的材质，如，4，,其中，高硬度强度耐热钢比较满足条件，在高温下的强度高，耐腐蚀性好，但是硬度不高，但是可以在气门锥面上焊接硬质合金

18、的材料，能够提高它的硬度以及耐磨性。3 活塞组的设计3.1基本参数确定：活塞行程与缸径之比,活塞行程与缸径之比是柴油机设计的最重要的条件，当行程比确定后，气缸的工作容积也就定下来了。现在的汽车，工程机械，拖拉机的行程比在之间，而高速柴油机的，一般在之间，中速柴油机在11.25，低速柴油机比较大为1.62.2,。汽油机的行程比在之间，通常行程比小或为1的内燃机称为短行程的内燃机。根据我要设计的柴油机，我选择S/D为，因为缸径为mm，所以行程为mm，又因为柴油机每缸的工作容积,所以。功率的计算 ，其中是平均有效压力，i为气缸数，四缸，所以i=4，又因为此柴油机是四冲程，所以=4，n为转速是2200

19、r/min。所以，功率 （小时功率），活塞平均速度的计算 ：3.2活塞组的工作条件和设计要求 活塞组是柴油机中受到工作强度最大的组件之一，它的工作特点如下：活塞在工作中要受很大的负荷，主要包括惯性力，气体压力，侧作用力，现在增压柴油机的最大气体压力大约为。.由于目前发动机的发展是高速化，活塞往复运动日益增强，使得活塞的平均速度达到了913m/s.因为加速度的增大，使得活塞的惯性力增强，周期性改变的惯性力引起柴油机的震动，使得连杆组的零件和曲轴组的零件，尤其是轴承负荷加大，导致柴油机的耐久性下降。为了适应机械负荷，设计时要使得活塞有合适的壁厚以及合理的形状，在能承受足够的强度下和刚度下，结构要尽

20、量简单，轻巧，截面变化处用圆滑过渡来减少应力集中。3.3活塞的机械负荷和热负荷 活塞在工作中承受很高的热负荷，活塞在缸中承受变化的最高燃气压力的作用，活塞与热气体直接接触，受到剧烈的加热作用，热量通过对流的方式传给活塞顶，所以，活塞顶的温度很高，整个活塞的温度分布不均匀，从而形成热应力，使得活塞顶的表面发生开裂。活塞的热负荷决定于活塞的材料，结构，以及使用情况等。影响活塞温度的主要结构有：活塞的直径、活塞顶的厚度、环带的壁厚。活塞在使用过程中会发生磨损，当沿气缸做高速运动时，会出现磨损，现在的内燃机的活塞速度挺高，有的达到了1214m/s。而活塞环组在高速滑动时，活塞裙部还承受侧压力的作用。在

21、润滑不好的情况下，经常使得活塞，活塞环以及气缸之间剧烈摩擦和磨损。所以活塞组的摩擦损失占整个摩擦损失的45%65%之间，或者更高。所以在设计活塞组时要满足以下几方面。（1） 在强度和刚度足够大的情况下使得重量最小（2） 具有良好的密封性能（3） 受热少并且便于散热（4） 磨损要小（5）3.4活塞的结构类型和材料 常见的活塞材料一般为灰铸铁，钢，还有铝合金。通常车用活塞为整体铸造，或者整体锻造的铝合金活塞。灰铸铁的耐磨性和耐腐蚀性好、热强度高、成本低，工艺性好等因素，以前广泛应用。然而现在的内燃机转速高，强化度增加。灰铸铁活塞比重大，导热性差逐渐被铝合金代替，现在的灰铸铁只用于一些大型，中低速柴

22、油机。铝合金的密度小，是灰铸铁的,重量为它的左右。另外，铝合金导热性好，传热系数是灰铸铁的到倍。能降低活塞的工作温度，提高充气系数，防止润滑油的变质。铝合金缺点是当温度升高时，硬度和强度下降快，产生变形，因此，加适量合金元素改善，可以加硅，根据含硅量的不同，可以分为亚共晶(含 硅 )，共晶(含硅)，过共晶（含硅）。当含硅量增加时，铝合金的强度，密度，导热率以及膨胀系数都下降，而硬度及耐磨性提高。此次我选择硅的铝合金材质。3.5活塞结构设计活塞的尺寸如图7-8活塞的尺寸查表5-1名称柴油机汽油机 活塞高度H（0.81.3）D（0.91.1）D压缩高度H1（0.50.8）D（0.450.6）D 裙

23、部高度H2（0.40.8）D（0.450.55）D 顶岸高度h1（0.10.2）D（0.060.08）D 上裙部高度h3（0.30.4）D（0.650.8）D 下裙部高度h4（0.60.7）D（0.250.3）D 销孔直径d（0.30.38）D（0.030.04）D 第一环岸高度C1（0.040.08）D（0.0250.03）D其他环岸高度（0.0250.045）D（0.350.40）D(1) 活塞高度H。如图7-10，活塞高度与环带高度，顶岸高度，以及裙部高度有关系。总原则是应尽量选取小的高度。经过反复计算，验证确定高度H为117mm。(2) 压缩高度H1。如图7-13压缩高度是活塞销的中心

24、到活塞顶高度的距离，将决定活塞销的位置。在保证气环较好的工作下，应尽量缩短H1的值，能够降低柴油机的高度。但在制作加工时必须保证好的精度。确定了H1为72mm。而顶岸高度(3) 而顶岸高度h1,顶岸的高度确定了第一气环的位置，h1在保证工作温度不超过温度极限的情况下，尽可能的小，取小可以减少活塞的重量，而且可以降低HC的排放。如图7-16 3.5.1活塞头部 活塞头部包含了顶部和环带部，主要目的是承受气体压力，并由销座把力传给连杆。活塞顶厚度，是由强度，还有刚度，以及散热情况确定的，当变大时，顶部的热应力也变大，所以满足强度要求时，则使的值取小，如表7-6然而对于此次的活塞顶部带有燃烧室，因为

25、温度最大时发生在燃烧室的边缘，经常发生疲劳或者裂纹，所以在燃烧室的边缘处用耐热钢。为了能使第一环槽正常工作且不至于过早的损坏，可采取如下的措施。（1） 选择合适的顶岸高度（2） 当活塞运行到顶点时，使得第一环的位置处于冷却水套中。（3） 减少顶岸与缸套的间隙，减少气流流过第一环槽的流通面积，降低第一环槽的温度。有时在顶岸或者第一环的地方车出退让槽。槽中积炭后可以吸附机油，在失油的情况工作时，可以防止活塞与气缸咬合，能避免出现拉缸。类别备注铝活塞小型高速铝活塞高速大功率铝顶组合活塞铸铁3.5.2活塞顶的选择活塞顶选择有凹顶的。增大燃烧室的容积3.5.3活塞环带的设计 现在的活塞环一般分为有气环和

26、油环两种，活塞环的环数受约于密封的限制，与柴油机的转速和气体压力有关系，因为漏气量随着缸径和气体压力增大而增大，当转速上升时，漏气量减少，现在的气环数有三道或两道气环，一道或两道油环。现在，国外采用一气环，一油环的高速发动机。本次设计，我采用两道气环，一道油环。如图3-6第一道气环，第一道气环的形状采用桶面梯形，因为在工作工程中活塞受到侧压力的交替作用下，环在环槽内径向运动，使得侧隙时大时小，容易把环槽中的结胶挤出，所以可以防止在热负荷很高时，使第一环结与缸壁接触从而造成拉缸。或者窜油窜气。还有就是可以保持好的润滑，密封性能也好。第一道气环的材料选择球墨铸铁，因为在运动过程中产生环振，而球墨铸

27、铁的抗弯强度为1300MPa,满足要求，而且，它的弹力和热稳定性能好。有时还在环的表面镀Cr,使得有高的粘3性，活塞第二气环一般采用锥面环如图3-7，这样可以提高表面的接触应力，活塞能形成油膜，有利于密封。材料用灰铸铁，并且表面要氧化。 油环则采用灰铸铁的弹簧胀圈，内衬螺旋弹簧。同时加工表面要镀Cr。提高抗腐蚀性及耐磨性。3.5.4活塞环的尺寸（1） 第一气环，根据资料，一般气环的查表，从而高度h为2mm，当缸径在80150mm时，因为缸径因为120mm，所以解得t=4.6mm,由于材质为球墨铸铁，所以取,则开口间隙为12mm，闭口间隙为(2) 第二气环，高度h为2.5mm，,解得t=4.6m

28、m,由于材质是灰铸铁，所以,所以取,得S=16.2mm,则闭口间隙为。(3) 油环，油环的高度为5mm，取，解得t=4.6mm,得S=15.96mm,闭口间隙为。间隙，径向和轴向的间隙，径向间隙，气环的间隙都是=0.5mm，油环mm，取=0.9mm。轴向间隙，第一气环:取；第二道气环：=0.060.15mm，取=0.09mm；油环=0.030.08mm,取=0.04mm。柴油机设计手册表7-9D(mm)h(mm)3.6活塞的传力结构设计 活塞的传力机构，所承受的气体压力经活塞销座传给活塞销，所以活塞销及销座容易产生交变应力及变形。3.7活塞销及销座的设计活塞销座的设计必须考虑活塞销，活塞销座的

29、直径应尽可能取大，可以增加活塞销的刚度，活塞的强度，以及销座的受力面积，但对于高速柴油机来说，取大会导致活塞组的惯性力和重量增加。根据表5-1取d=0.35D,所以活塞销的直径为。3.8活塞组的重量活塞组的比重量为0.91.4,又据图7-46所示，得出活塞组的重量为2000g.3活塞的应力分析与校核:活塞的平均速度为Cm=,而平均有效压力,由表2-19查出，最高爆发压力为=82。3.1活塞的校核: 活塞的顶部应力； 其中，是活塞头部直径，是活塞顶的厚度，因为活塞顶底部有加强筋，所以500，满足要求。3.2环带的校核第一环，弯曲应力：其中，D为缸径，为顶岸高度。切应力：其中为最高爆发压力;所以总

30、应力;查表知：铝合金 满足要求。第二环：因为是灰铸铁，所以弹性模量E为100GPa300400Mpa,所以满足。活塞环上的弹力：活塞环的套装应力，手工安装，取m=1.57,所以满足要求。3.3裙部校核：最大侧压力：裙部比压q1=查表知，铝合金的裙部比为 所以裙部合格。3.4活塞销座比压400600 所以满足要求。3.5 活塞销的校核活塞销的最大剪应力：在销座与连杆的小头的接触面。其中，d表示销的直径，p=，表示除了销以外的活塞组的惯性力：926.3N所以p=61790-926.3=60863.7N所以，选择20Cr作为活塞销的材料。弹性模量：E=198GPa202如图4-2，是活塞销的计算简图

31、弯曲变形： ,所以满足。椭圆变形：所以，满足要求。纵向上的弯曲应力：横向上弯曲应力：总应力：=许用应力=35005000，满足要求。4连杆组的设计：4.1连杆组的工作情况：连杆在工作过程中受到两个方面的载荷，一个方面是连杆本身复合运动而导致的横向载荷，另一方面是气体作用和曲柄连杆机构中的往复惯性力引起的纵向载荷。因为小头是由于压入衬套引起的，在大头拧连杆螺栓时，二者会造成静载荷。通过动力学分析， N，其中，是气体的作用力 N，是活塞连杆组上的往复惯性力，是连杆的摆脚。4.2 设计要求：（1） 结构要简单，尺寸要紧凑，耐用。（2） 要有足够的强度和刚度，并减少质量。（3） 要缩短长度，有力于减少

32、总体尺寸和重量，（4） 螺栓的疲劳强度要强，连接可靠。（5） 易造，钱少。4.3连杆的材料：连杆在工作情况是非常恶劣的，所以，连杆的材料选择很关键，在结构轻巧的情况下，还要有足够的强度和刚度。目前，有如下材料用作连杆：（1） 中碳钢，有40,45号钢，中碳合金钢，有40Cr,40MnB,以及40MnVB.在锻造后可以进行调质，机械加工后进行探伤。而且，现在的辊锻技术成熟，制造的成本变得更低。（2） 球墨铸铁，硬度在210250HBW，还有300500N/m得抗弯硬度。（3） 铸铝合金，一般用于小型的发动机。4.4连杆的尺寸4.4.1连杆的小头连杆的小头是与活塞销连接的，承受着很大的气体作用力，

33、并且工作温度高（100200）。如图8-5，所示。小头的孔径d1，d1的大小由活塞销来确定，d1=d+2,其中，d是活塞销的直径，是衬套的厚度，我选择的是锡青铜衬套，=3mm，所以d1=42+2=48mm,锡青铜的衬套与活塞销的配合间隙：，选取，小头的宽度b,在确定b时，要注意小头与活塞销座的每侧要留有12mm的间隙,这个用来补偿其他零件的制造误差，还有热膨胀引起的位置的变化，合理的设计小头的宽度，保证有强的承受面积。对于柴油机来说，b=d=42mm。4.4.2 连杆的杆身连杆的杆身是连接小头和大头的细长部分，杆身一般受到交变载荷的作用，会产生变形和疲劳损失。所以，杆身的重量要小，并且它的强度

34、和刚度要大，结合这些方面，我选择“工”字钢来作为杆身的截面。而且工字钢可以节省材料，减少重量。它的截面如图所示，因为，此缸径为120mm，行程S为132mm，所以，取查表，L=，H/D=0.31，所以H=120*0.31=37.2mm，取H=38mm,B/H=0.68,所以B=0.68*38=25.84mm，取B=26mm。t/H=0.16,所以t=0.16*38=6.08mm,所以，取t=7mm。5. 连杆的受力分析与校核5.1连杆组的重量连杆组的重量可以根据表8-21的数据，得出本次的连杆组的重量为2300g。5.1.1连杆大小头质量的换算根据实验经验数据，可以初步判定，杆身的质量为300

35、g,现在进行大小头的质量估算，连杆的小头质量 G1=， 则大头的质量G2=2000-545.5=1454.5g。5.2连杆的小头的校核计算1） 温度过盈量：=()d1t=其中，是衬套的热膨胀系数=1.8，小头材料的热膨胀系数，=1，t是连杆小头的温升高，通常t=100150,取t=125。而d1是小头的内径，d1=48mm。2） 径向压力P其中，d2是小头的外径，d2=58mm。d1是小头的内径，d1=48mm。d为衬套的内径，也是销的直径，mm。表示泊桑系数，=。E是连杆材料的抗拉弹性模数，E=2.2。是青铜的衬套的抗拉弹性模数，。表示衬套装配过盈量。所以由P产生了小头的应力：1） 外表面的

36、应力：2） 内应力：因为在，所以，满足要求。5.3活塞最大的往复惯性力：连杆的小头在进排气过程中要受到活塞组的往复惯性力的作用，并且在上止点的附近会产生最大的惯性力。=5.4截面弯曲和法向力：在对小头进行应力分析时，把它简化为固定于杆身截面处，所以固定角为，其中,H为截面宽，H=38mm，r为小头的平均半径，r=。当=0时，弯矩为，法向力,按以下公式计算所以，弯距为：M=法向力：N= =所以，固定的表面应力： =连杆小头的截面积衬套的截面积系数K=小头的承受最大的压力：作辅助函数：，小头的中央截面的弯矩：小头的中央截面的法向力：小头受到压力时的固定截面的弯矩以及法向力：=受压时表面应力： 因为

37、材料选取的钢，所以它的抗拉强度极限：，所以，得，,所以；1.41.6=1.5。角系数：应力幅：平均应力：1.5，所以安全。小头截面的惯性矩:J=小头横向减少量：=0.5，满足。5.6连杆杆身的计算：杆身截面最大拉力：杆身最大的压缩力=则拉伸应力：截面惯性矩：合应力：所以，杆身的中间截面的应力幅为，和平均应力n1.5，所以，杆身安全合格。其中，表示活塞组的重量，表示小头的重量，为小头的宽。是杆身的截面积，材料的弹性极限，为材料的弹性模量，衬套的弹性模量。对于钢来说，,取。5.7连杆大头的计算连杆的大头在运动中受到往复运动质量及连杆大头旋转的惯性力其中，是活塞组的重量，=2.3kg，G是连杆的往复

38、部分重量，G2是连杆的旋转运动重量，G3是大头盖的重量，。连杆盖中心截面上的应力：=60200MPa,所以，安全。5.8连杆大头的减少量=mm，所以，合格。5.9连杆螺栓的计算5.9.1此连杆设计的是平口切，所受到的惯性力FF=,因为有两个螺栓，5.9.2加载螺栓上的预紧力F1,所以,解得5.9.3单个螺栓受到的拉力其中，x是基本负荷系数，x=0.255.9.4螺栓杆身上的最大拉应力：=5.9.5最小拉应力：5.9.6螺栓的安全系数（1） 螺栓的杆身其中，是拉伸强度极限系数，对于40Cr,=980MPa是静载疲劳极限，,所以490MPa,是对称循环拉伸强度极限，0.70.9，是应力集中系数，螺

39、栓的杆身为4，而螺纹为4.5，为工艺系数，一般，其中是尺寸系数，是表面质量系数，而是角系数，=0.33（2) 螺栓安全系数：1.54综上，螺栓的各部分的安全系数都要，所以由结果知安全。6曲轴的设计6.1曲轴的工作条件和设计要求曲轴在发动机的运行中收到的负荷很大，它的尺寸能影响柴油机的整体尺寸，也影响柴油机的可靠性和寿命，所以，必须正确的设计尺寸，结构，及选择材料。能够满足工作的要求还有经济性好。曲轴组一般有曲轴，平衡重，还有飞轮，正时齿轮等零件组成。曲轴由多个曲柄及自由端，输出端组成。而曲柄也由主轴颈，曲柄臂，还有曲柄销组成。曲轴在运行中受到气体的作用力，旋转运动质量以及往复运动质量的惯性力而

40、引起变化的载荷，曲轴在工作中会弯曲也会发生扭转。容易产生疲劳应力。从而引起疲劳损失，如果曲轴损坏，则其他零件也会跟着损坏，所以，设计曲轴尺寸时要保证足够的刚度和疲劳强度。总之曲轴设计要求：（1） 足够大的耐疲劳强度（2） 轴颈表面耐磨，并且有足够的承压面积（3） 变形小，刚度要好，否则会引起其它零件的恶化6.2曲轴的结构：曲轴的结构分为全支承和非全支承两种，从铸造分为整体式和组合式，整体式;强度和刚度高，加工的表面少。而组合式的由不同的小单元组合。单独加工，相邻的曲柄臂用螺栓来连接。所以，有高的互换性和通用性，能够减少成本。但是，加工的工面较多，则制造精度要求也高。通常，如果设备允许，则尽量采

41、用整体式。6.3曲轴的材料选择：一般而言，材料的强度决定了曲轴的寿命和体积，需要根据柴油机的用途，选择材料，材料不仅要有好的机械性能，还要有高的耐疲劳性，耐磨性，以及冲击韧性，并且保证好的加工工艺来降低成本。所以采取40Cr合金钢作为材料6.4曲轴的尺寸如图表9-1所示（1） 曲柄销：在计算或考虑轴颈的大小时，首先做的是确定出曲柄销的直径d2，直径，长度，内径 。（2） 主轴颈：主轴颈的直径及长度，为使曲轴的刚度加大，一般选择既短又粗，加大主轴颈能提高曲轴的刚度，而不增加曲轴的转动惯量。加粗后可缩短长度。提高曲轴的强度，如果过于粗大，使得磨损加大，轴承的温度上升。直径，长度，。（3） 曲柄臂：

42、曲柄臂的抗弯刚度和强度较差，容易受到交变弯曲的应力而发生断裂。所以，曲柄臂是轴上的薄弱环节，要合理选择设计它的厚度以及宽度和形状，改善应力分布，保证有足够大的强度和刚度，厚度，宽度，（4） 轴颈过渡圆角半径：，（5） 两个主轴颈的中心距，6.5平衡重平衡重的作用是为了平衡运动中产生的旋转离心力和其力矩，有时也用来平衡往复的惯性力和其力矩，还可以减少主轴承的负荷，至于具体的平衡块的数目、尺寸、位置等，应看主轴承的受力。平衡重可以和曲柄臂一起制造，也可以单独制造。一般，平衡重是与曲轴一起铸造的，这样加工简单，可靠，但是，在制造曲轴时，受到结构或加工水平的限制，平衡重通常分开制造，并用螺钉固定在曲柄

43、臂上面。总体来说，平衡重的大小，位置及数目都要根据柴油机的用途来设计。6.6润滑油的通道当曲轴能正常的工作时，必须要充分的润滑，主轴颈及曲柄销经常用油压是的压力润滑。曲轴上的油道和油孔的尺寸及布置将直接影响曲轴的刚度和强度。也决定了轴承的工作时的可靠性。润滑油进入到曲轴的轴承中有两种供油的方式，一个是集中供油，将曲轴的内部设计成为中空的连续孔道，此孔道作为柴油机的主油道，润滑油从一端进入另一端。再由曲轴内控串联流入各轴承；第二种是分路供油，润滑油经曲轴箱的主油道并联流入各个主轴承，在通过曲轴油道进入对应的连杆轴承。对于第一种来说，润滑油从一端进入曲轴后要克服很大的离心力以及流动阻力，才能进入到

44、另一端的轴承，如此来的话，压力损失很大，进入曲轴的润滑油的压力必须非常高，这样曲轴的油腔密封复杂。只有特定内燃机采用此方式，一般，大多数采用分路供油，当润滑油从机体的主油道经主轴承的上轴瓦引入，而上轴瓦只受惯性力的作用，相比较承受爆发压力和惯性力双重作用的下瓦受力要低。6.7曲轴两端的固定曲轴输出动力的端头称为输出端，对应的那端称为自由端。大多数的曲轴自由端会装有带动配气机构，风扇，水泵等。当装有减振器的柴油机一般会装在自由端，而飞轮要装在输出端。当工作时，防止曲轴前后两端轴向漏油，也防止尘土和杂质吸入曲轴箱内，要进行油封，常用的组合方式有：甩油盘和自紧式油封，甩油盘和填料，还有回油螺纹油封，

45、以及骨架式橡胶油封。当曲轴受热膨胀时，在轴向会产生轴向位移。因此，防止曲轴的轴向移动，一般在曲轴与机体间，安装止推轴承，而且只能装一个，来使曲轴相对于机体能自由的沿轴向膨胀，了解到热膨胀和制造公差，止推轴承与机体的间隙为。6.8曲轴的计算与校核6.8.1旋转惯性力：，因为是一个常数，而sin在圆周上的积分为0。故等式的结果等于0,是常数,而cos在圆周上的积分为0，所以，算出的结果为0，由于都为0，所以，结果是0。6.8.2一阶往复惯性力而是常数，而在圆周上的积分为0，所以一阶往复惯性力为0。6.8.3二阶往复惯性力，其中是常数，而cos在圆周上的积分的结果为0，所以最终等式为0。6.8.4旋

46、转惯性力：所以=06.8.5一阶往复惯性力矩：因为是常数，而cos在圆周上的积分为0，所以=0。6.8.6二阶往复惯性力矩：，因为为常数，而cos在圆周上的积分为0，所以，=0。7.曲轴的校核：由前面动力学计算查附表得出所需的数据：（1） 径向力（2） 切向力L1:是曲柄销中心到主轴颈中心的距离，：是曲柄臂中心到主轴颈的距离，。主轴颈两端面的径向反力，而切向反力。7.1轴颈的计算7.1.1曲拐平面的弯曲应力：7.1.2垂直于曲拐面的弯曲应力：7.1.3弯曲总应力：=7.1.3扭转应力：7.1.4弯曲总应力：7.2曲柄臂的计算：7.2.1压缩应力：7.2.2弯曲应力：曲拐面：垂直曲拐面：7.2.3扭矩引起的弯曲应力：7.2.4扭矩引起的扭转应力;7.2.5弯扭总应力:7.3曲轴的疲劳强度校核：曲轴在工作过程中受到的影响最大的是交变载荷，容易发生疲劳，所以，要对曲轴进