汽油机曲柄连杆机构设计

1、 课程设计任务书学 院汽车与交通学院专 业热能与动力工程学生姓名班级学号课程设计题目汽油机曲柄连杆机构设计连杆实践教学要求与任务:1. 设计参数求：Pe=33.5kW/5000rp；D=65mm；(参考)2. 设计内容及要求：1）选取基本参数、热计算、绘制示功图（1）利用EXCEL或其他程序语言进行近似热计算，得到理论的P-V示功图的数据。（2）以该数据为依据，在坐标纸01上绘制理论的P-V示功图，并对其进行修正，得到实际的P-V示功图。（3）将P-V图转换成P-图，绘制在坐标纸02上。2）零部件设计（1）独立设计该汽油机的连杆，用CATIA软件绘出三维实体模型，求出其质心位置和当量质量。（2

2、）将三维图形转换成二维的工程图，并正确标注尺寸、粗糙度、公差等，并以A1的图纸打印。3）动力计算（1）计算活塞的位移、速度和加速度，并绘制曲线图附在设计说明书中。（2）活塞连杆作用力分析，将往复运动惯性力Pj、侧压力PN、切向力T、法向力K随曲轴转角的变化曲线附在设计说明书中。（3）计算曲柄销载荷和连杆轴承载荷，并将图形附在设计说明书中。4）设计说明书。其中包括：（1）成绩评定表、课程设计任务书；（2）汽油机设计指标及其参数的选定；（2）热计算过程；（3）零部件设计过程；（4）动力计算过程；（5）附录（程序或用EXCEL的计算表格）工作计划与进度安排:1. 选取基本参数、热计算、绘制示功图 5

3、天2. 零部件设计 6天3. 3D建模 2天4. 动力计算 2天5. 编写设计说明书 2天6. 答辩 1天指导教师： 2012年12月21日专业负责人：2012年12月21日学院教学副院长：2012年 月 日沈阳理工大学课程设计说明书目 录1 汽油机设计参数-22 汽油机基本结构参数选用-33 近似热计算-43.1燃料燃烧热学计算-43.2换气过程计算-43.3压缩过程计算-53.4燃烧过程计算-63.5膨胀过程计算-83.6示功图绘制-93.7汽油机性能指标计算-104 连杆三维建模-114.1连杆基本尺寸-114.2连杆的建模过程-114.3连杆大头盖的建模过程-145 动力计算-175.

4、1活塞位移、速度、加速度-175.2活塞连杆作用力分析-185.3曲柄销载荷和连杆轴承载荷-206 参考文献-22附录1 汽油机设计参数1、功率Pe有效功率是汽油机基本性能指标。Pe由汽油机的用途选定，任务书已经指定所需汽油机有效功率Pe=33.5 kw。2、转速n转速的选用既要考虑被汽油机驱动的工作机械的需要，也要考虑转速对汽油机自身工作的影响。任务书已经指定所需汽油机转速n=5000 r/min。3、冲程数本设计中的车用汽油机都采用四冲程，即=4。4、平均有效压力pme平均有效压力pme表示每一工作循环中单位气缸工作容积所做的有效功，是汽油机的强化指标之一，一般车用汽油机的平均有效压力为0

5、.9MPa1.2 MPa，这里取pme =0.93 MPa。 5、有效燃油消耗率be这是汽油机最重要的经济性指标。四冲程车用汽油机250g/(kw·h)380g/(kw·h)。2 汽油机基本结构参数选用有效功率计算公式： （2.1）1、气缸直径D气缸直径D的选取影响汽油机的尺寸和重量，还影响汽油机的机械负荷和热负荷。本设计任务书规定了车用汽油机的气缸直径D=65 mm。2、活塞行程S增大活塞行程S使活塞平均速度提高，机械负荷加大，一般车用汽油机，同时S也是汽油机基本结构指标S/D的决定因素，车用汽油机的S/D=0.71.2，校核所设计的汽油机的vm和S/D的值。即=10.8

6、3 m/s 符合要求 S/D=65/65=1 符合要求3、气缸数i及气缸排列方式由于设计任务书已指明D的值，S确定后，满足功率要求可通过改变气缸数i实现，所以采用4缸直列排布。4、连杆长度L与曲柄连杆比=r/L连杆长度加大，会使汽油机总高度增加；虽然连杆摆角减小，侧压力减小，但效果不明显；而且连杆重量加大，往复运动质量惯性力加大。因而尽量采用短连杆，目前一般值在1/41/3.2之间，取=1/3.5。则2r=65，r/L=1/3.5 即L=113.75 mm，r=32.5 mm5、气缸中心距l0及其与气缸直径之比l0/Dl0/D影响汽油机的长度尺寸和重量指标，设计时力求缩小l0/D的值。l0/D

7、值的影响因素可从曲轴中心线方向的尺寸分配和气缸上部的尺寸分配两方面分析，一般其值为1.251.35，取l0/D=1.3，则l0 =1.3×65=84.5 mm6、压缩比c选用压缩比c也就是选用燃烧室容积。选用压缩比时要考虑汽油机的经济性能、工作可靠性、爆燃等。任务书给定车用汽油机的c=8.8根据有效功率计算可得Vs=0.216 L则1+Vs/Vc=8.8 得Vc=0.028 L3 近似热计算3.1 燃料燃烧热化学计算1 理论空气量L0 （3.1） =0.512 (千摩尔/千克汽油)燃料采用轻汽油，汽油低热值 Hu=44100千焦/千克燃料2 新鲜空气量M1=0.47（千摩尔/千克)其

8、中 过量空气系数，取=0.9；3 燃烧产物M2 =0.506 (千摩尔/千克)4 理论分子变更系数0=1.0775 实际分子变更系数1=1.073其中，r残余废气系数，r = 0.040.10，取r =0.063.2 换气过程计算1 排气压力（气缸内废气压力）Pr 取Pr =1.10 =0.11 MPa2 气缸内排气温度（残余废气温度）TrTr = 9001200（K） 取Tr =1000 K 3 进气终点压力Pa 取Pa =0.850 =0.085 Mpa4 进气终点温度Ta（K） 取Ta =380 K5 充量系数（充气效率） =0.85其中 之间，取，可求得To =357.65K，经验证符

9、合要求。3.3 压缩过程计算1 平均多变压缩指数n1n1=1.321.38 取n1 =1.35 2 压缩过程中任意曲轴转角时的压力(画示功图时用)（MPa） （3.2）其中：Vca进气终点气缸容积。 =0.2433 LVcx对应于时的气缸容积。 （3.3）式中：r曲柄半径，r=S/2；曲柄连杆比，=r/L。计算结果见附录表A1 3 压缩终点充量的状态参数 压力：=1.6 MPa 温度：=813.49 K3.4 燃烧过程计算1 热量利用系数Z热量利用系数Z表示燃烧热量被工质吸收多少的程度。由于不完全燃烧、传热损失、高温分解、节流损失等因素，燃料燃烧所发出的热量中只有一部分被工质吸收。燃烧终点的热

10、量利用系数Z在此范围内选取：Z=0.800.95，取Z=0.92 燃烧最高温度1）工质的平均等容摩尔热容和平均等压摩尔热容间有如下关系：kJ/(kmol·K) （3.4）工质的平均等压摩尔热容按下列方法计算：查图法：由下图按过量空气系数查出。图3.1 燃烧产物和平均等压摩尔比热与温度的关系不同时，石油燃料完全燃烧产物和空气（）的平均等压摩尔比热与温度的关系在Tcb=813.49K 时利用插值法进行计算，计算步骤如下：选用673K和873K进行计算873-673=20030.43-29.797=0.6330.633/200=3.165×10-3813.49-673=140.4

11、9=3.165×10-3×140.49+29.797=20.242=20.242-8.313=21.929在Tcb=813.49K 时利用插值法进行计算，计算步骤如下：同理按上步插值法可以求出=33.045=24.732=22.087（KJ/Kmol*K）2）燃烧方程 （3.5） =61100（1-）80705.143=误差不超过5%，则 76669.88684740.4=3）燃烧最高温度的计算利用燃烧方程式，采用试凑法求解，即先假设一个，由过量空气系数求出，然后代入燃烧方程，反复试算，直到方程两边的值相差在5%以内。计算步骤如下：先假设2000K利用插值法算出每一温度的值

12、，再由上式算出Tz与乘积表3.1 插值法数据Tz（K）Tz×200029.39758.794207329.45761064.361210029.46761880.7217329.66264455.526227329.86467880.872247330.27474867.602250030.32975822.5260030.53479389.31267330.68482018.331有表格可以看出，2600K时最接近80705.143，则Tz=26003 压力升高比3.429一般汽油机，所以符合要求。4 燃烧最高压力 =5.491 MPa一般汽油机38.5MPa，所以符合要求。3.5

13、 膨胀过程计算1 平均多变膨胀指数 取n2 =1.252 膨胀过程中任意曲轴转角时的气体压力（供画示功图时用） （3.6） 计算结果见附录表A23 膨胀过程终点状态参数压力：=0.362 MPa温度：=1059.57 K3.6 示功图绘制1 理论示功图绘制根据各过程计算结果可以绘制出汽油机实际循环的理论示功图，其中，燃烧过程按等容过程绘制。理论示功图的理论循环指示功按下式计算： （3.7） =0.219按示功图上纵横坐标比例：压力值/格，容积值/格，可以算出对应的方格数=178。2 实际示功图绘制理论示功图没有考虑下列因素的影响，因而必须进行修正得到实际的示功图：1）没有考虑进排气过程。虽然泵

14、气损失并入机械损失，不计入指示功，但为了示功图完整，根据进气终点压力和排气压力近似画出进排气过程线。2）点火提前的影响：压力急剧升高应该从上止点前就开始。3）燃烧规律的影响：燃烧过程压力线应连续、圆滑，燃烧最高压力应出现在上止点后12°15°之间。4）排气阀提前开启的影响：在下止点前压力就开始下降，即压力线圆滑过渡到排气线。整个过程的换气也应修圆。修圆后实际示功图的循环指示功比理论示功图小。计算因修圆而减少的方格数=5，即可求出示功图的丰满系数。一般，经检查示功图的丰满系数在该范围之内,符合要求。3 示功图的绘制由示功图转换成示功图。1）计算法转换：对于任意曲轴转角，有气缸

15、容积 （3.8）2）作图法转换：按下图所示方法进行转换。图中：偏移量0.0154 L3.7 汽油机性能指标计算1 平均指示压力=0.986 MPa2 指示功、指示热效率和指示耗油率=35.5 kW=0.322汽油机指示热效率，即符合要求。=226.13 g/(kw·h)3 机械效率四冲程汽油机的之间，取=0.90。4 有效功率、有效热效率、平均有效压力及有效油耗率=31.95 KW=0.887 MPa=0.29 =281.69 g/(kw·h)四冲程汽油机250380g/(kw·h)，即符合要求。计算出的和与任务书给定的和计算开始时假定的的误差不超过5%，所以也符

16、合要求。4 连杆三维建模4.1 连杆基本尺寸1 连杆小头孔径和宽度 其中为活塞销直径；为连杆小头衬套厚度。2 连杆大头孔径和宽度 其中为曲柄销的直径；为连杆轴瓦的厚度。3 工字形断面的平均高度H、宽度B ，取 ；，取mm4.2 连杆的建模过程1 打开建模界面：开始机械设计零件设计2 选择xy平面进入到草图界面，选择圆命令，先画一个圆心在原点，半径为24.25mm的圆，再画一个圆心在原点，半径为32mm的圆，选直线命令，画一条过原点，长为80mm的直线，然后删除多余线，退出草图，选凸台，进行镜像拉伸，长度为10mm，如图4.1所示。图4.1 连杆大头3 建立连杆小头，点击xy平面，进入草图，选择

17、圆命令，画一个圆心在（113.75,0），半径为14mm的圆，退出草图，建立两个偏移平面，分别偏移xy平面正向9.3mm，负方向9.3mm，然后选第一个偏移平面，进入草图，画一个圆心为（113.75,0），半径为14mm的圆，退出草图，选第二个偏移平面，进入草图，画一个圆心为（113.75,0），半径为14mm的圆，建立多截面实体，依次选中三个圆，即可得到圆柱实体，如图4.2所示。图4.2 连杆小头4 点击xy平面，进入草图，选择圆命令，画圆心为（113.75,0），半径为11mm的圆，退出草图，选择凹槽命令，凹槽镜像尺寸为11mm，如图4.3所示。图4.3 连杆小头5 选择xy平面，进入草图

18、，建立封闭曲线，两条直线与H轴夹角为3°，退出草图，凸台镜像距离4.5mm, 如图4.4所示。图4.4 杆身6 点击刚建立的凸台平面，进入草图，建立封闭曲线，两直线与刚建立凸台的边线平行，退出草图，选凹槽命令，凹槽深3mm，关于xy面镜像凹槽，如图4.5所示。图4.5 杆身7 点击yz平面进入草图，点击圆命令，画一个圆心为（33,0），半径为6圆，关于V轴镜像，得到另一个圆，退出草图，选择凸台命令，凸台16mm，如图4.6所示。图4.6 螺栓孔座8 选择yz平面进入草图，选择圆命令，画一个圆心为（33,0），半径4.5mm的圆，关于V轴镜像,退出草图，选择凹槽命令，深度16mm, 如

19、图4.7所示。图4.7 螺栓孔9 最终结果如图4.8所示，并保存。图4.8 连杆4.3 连杆大头盖的建模过程1 选择xy平面进入到草图界面，选择圆命令，先画一个圆心在原点，半径为24.25mm的圆，再画一个圆心在原点，半径为32mm的圆，选直线命令，画一条过原点，长为80mm的直线，然后删除多余线，退出草图，选凸台，进行镜像拉伸，长度为10mm，如图4.9所示。图4.9 连杆大头2 点击yz平面进入草图，点击圆命令，画一个圆心为（33,0），半径为6mm圆，关于V轴镜像，得到另一个圆。退出草图，选择凸台命令，凸台16mm，如图4.10所示。图4.10螺栓孔座3 选择yz平面进入草图，选择圆命令

20、，画一个圆心为（33,0），半径4.5mm的圆，关于V轴镜像，退出草图，选择凹槽命令，深度16mm，如图4.11所示。.图4.11 螺栓孔4 最终结果如图4.12所示，并保存。图4.12 连杆大头盖5 动力计算5.1 活塞位移、速度、加速度 对于活塞位移、速度和加速度的计算，由于周期性，只计算0360度即可。 （5.1） （5.2） （5.3）其中： ，。 计算结果见附录表B1根据计算结果画出X、V、a随的变化曲线图5.1 活塞位移变化图5.2 活塞速度变化图5.3 活塞加速度变化5.2 活塞连杆作用力分析1 基本作用力气体力： （5.4）其中 ：取自然计算结果，即修正后的实际缸内压力值，也就

21、是图中的压力值，每个5度曲轴转角取一个；为曲轴箱内的气体压力，近似取100千帕。运动零件惯性力 活塞组换算质量： 实际质量=0.197kg 连杆组换算质量： 按两质量系统考虑mc =0.326 kg l=160 mm 小头换算质量： =0.118 kg 大头换算质量： =0.208 kg往复运动惯性力 ：，其中是活塞运动的加速度连杆大头离心惯性力：=1853 N2 连杆作用力设 则有：连杆小头气缸中心线方向作用力： （5.5）垂直气缸中心线方向（侧压力）：，其中连杆大头曲柄旋转方向（切向力）： （5.6）曲柄法向（法向力）： （5.7）习惯上令： （5.8）计算结果见附录表B2根据计算结果画出

22、、T、K随的变化曲线图5.4 T K随的变化曲线5.3 曲柄销载荷和连杆轴承载荷1 曲柄销载荷曲柄销上作用有切向力和法向力，由作图法画出曲柄销载荷图。图5.5曲柄销载荷2 连杆轴承载荷用坐标变换法计算： （5.9） （5.10）计算结果见附录表B3 根据计算结果画出连杆轴承载荷图图5.6 连杆轴承载荷参考文献1 周龙保.内燃机学第3版.北京：机械工业出版社，2010.2 袁兆成.内燃机设计第1版.北京：机械工业出版社，2008.3 陈家瑞.汽车构造第3版. 北京：机械工业出版社，2009. 4 江洪、李仲兴.CATIA基础教程第1版.北京：机械工业出版社，2005.5 柴油机设计手册编写委员会

23、.柴油机设计手册上册.第1版.北京：中国农业机械出版社，1984.附 录表A1 压缩过程压力曲轴转角弧度VcxVca/VcxPcx1803.1415932.440E-010.9971318.467E-021853.2288592.437E-010.9983338.481E-021903.3161262.428E-011.0019568.522E-021953.4033922.414E-011.0080618.593E-022003.4906592.393E-011.0167438.693E-022053.5779252.366E-011.0281468.825E-022103.6651912.

24、334E-011.0424538.991E-022153.7524582.295E-011.0599039.194E-022203.8397242.251E-011.0807869.440E-022253.9269912.201E-011.1054599.732E-022304.0142572.145E-011.134351.008E-012354.1015242.083E-011.1679751.048E-012404.188792.016E-011.2069471.096E-012454.2760571.943E-011.2520041.151E-012504.3633231.866E-0

25、11.3040291.216E-012554.450591.784E-011.3640811.293E-012604.5378561.697E-011.4334341.382E-012654.6251231.607E-011.5136291.487E-012704.7123891.514E-011.6065341.612E-012754.7996551.419E-011.714421.760E-012804.8869221.322E-011.8400551.936E-012854.9741881.225E-011.986822.147E-012905.0614551.127E-012.1588

26、442.402E-012955.1487211.030E-012.3611542.711E-013005.2359889.358E-022.5998313.087E-013055.3232548.442E-022.8821273.548E-013105.4105217.564E-023.2164734.115E-013155.4977876.735E-023.6122334.813E-013205.5850545.965E-024.078915.671E-013255.672325.261E-024.6243766.718E-013305.7595874.633E-025.2514287.97

27、6E-013355.8468534.088E-025.951989.445E-013405.9341193.632E-026.6988251.108E+003456.0213863.271E-027.4370551.276E+003506.1086523.011E-028.0813231.427E+003556.1959192.853E-028.5283771.535E+003606.2831852.800E-028.6892861.574E+00表A2 燃烧过程压力曲轴转角弧度VbxVz/VbxPbx3606.2831852.800E-028.6892861.574E+003656.3704

28、522.853E-020.9814825.364E+003706.4577183.011E-020.9300335.015E+003756.5449853.271E-020.8558884.520E+003806.6322513.632E-020.7709293.967E+003856.7195184.088E-020.6849793.422E+003906.8067844.633E-020.6043572.926E+003956.8940515.261E-020.5321932.496E+004006.9813175.965E-020.4694182.134E+004057.0685836.

29、735E-020.4157111.833E+004107.155857.564E-020.3701651.585E+004157.2431168.442E-020.3316871.382E+004207.3303839.358E-020.29921.215E+004257.4176491.030E-010.2717321.077E+004307.5049161.127E-010.2484499.632E-014357.5921821.225E-010.2286528.682E-014407.6794491.322E-010.2117617.888E-014457.7667151.419E-01

30、0.1973037.221E-014507.8539821.514E-010.1848876.657E-014557.9412481.607E-010.1741956.179E-014608.0285151.697E-010.1649665.773E-014658.1157811.784E-010.1569845.426E-014708.2030471.866E-010.1500735.129E-014758.2903141.943E-010.1440864.874E-014808.377582.016E-010.1389014.656E-014858.4648472.083E-010.134

31、4154.469E-014908.5521132.145E-010.1305464.309E-014958.639382.201E-010.1272214.172E-015008.7266462.251E-010.1243814.056E-015058.8139132.295E-010.1219783.958E-015108.9011792.334E-010.119973.877E-015158.9884462.366E-010.1183233.811E-015209.0757122.393E-010.1170113.758E-015259.1629792.414E-010.1160123.7

32、18E-015309.2502452.428E-010.1153093.690E-015359.3375112.437E-010.1148923.673E-015409.4247782.440E-010.1147543.667E-01 表B1 活塞位移 速度 加速度角度弧度XVa0000011444.0350.0872660.0249040.0001591.90441611373.87100.1745330.0496340.0006343.78549411164.48150.2617990.0740160.0014195.62026110819.16200.3490660.0978760.00

33、25047.38647710343.39250.4363320.1210430.0038779.0629999744.837300.5235990.1433480.00552110.630149033.302350.6108650.1646220.00741512.070028220.66400.6981320.1847020.00953813.366917320.739450.7853980.2034310.01186514.507546349.145500.8726650.2206560.01436715.481355322.998550.9599310.2362350.01701816.

34、280764260.579601.0471980.2500330.01978716.901313180.884651.1344640.261930.02264517.341712103.077701.221730.2718180.02556117.603841045.887751.3089970.2796080.02850617.6926426.94409801.3962630.2852250.03145217.61584-937.866851.483530.2886170.03437217.38363-1835901.5707960.2897520.03724217.00823-2653.7

35、4951.6580630.2886170.04003716.50338-3386.531001.7453290.2852250.04273915.88382-4029.121051.8325960.2796080.04532915.16472-4580.511101.9198620.2718180.04779214.36116-5042.71152.0071290.261930.05011513.48767-5420.31202.0943950.2500330.05228712.5578-5720.031252.1816620.2362350.05430111.58388-5950.13130

36、2.2689280.2206560.05614910.57677-6119.81352.3561940.2034310.0578279.545727-6238.651402.4434610.1847020.0593318.498439-6316.251452.5307270.1646220.060667.441011-6361.741502.6179940.1433480.0618136.378084-6383.531552.705260.1210430.0627875.312974-6389.11602.7925270.0978760.0635844.247834-6384.861652.8

37、797930.0740160.0642043.183844-6376.091702.967060.0496340.0646462.1214-6366.91753.0543260.0249040.0649121.060313-6360.221803.1415933.5E-170.0652.08E-15-6357.81853.228859-0.02490.064912-1.06031-6360.221903.316126-0.049630.064646-2.1214-6366.91953.403392-0.074020.064204-3.18384-6376.092003.490659-0.097

38、880.063584-4.24783-6384.862053.577925-0.121040.062787-5.31297-6389.12103.665191-0.143350.061813-6.37808-6383.532153.752458-0.164620.06066-7.44101-6361.742203.839724-0.18470.059331-8.49844-6316.252253.926991-0.203430.057827-9.54573-6238.652304.014257-0.220660.056149-10.5768-6119.82354.101524-0.236230

39、.054301-11.5839-5950.132404.18879-0.250030.052287-12.5578-5720.032454.276057-0.261930.050115-13.4877-5420.32504.363323-0.271820.047792-14.3612-5042.72554.45059-0.279610.045329-15.1647-4580.512604.537856-0.285230.042739-15.8838-4029.122654.625123-0.288620.040037-16.5034-3386.532704.712389-0.289750.03

40、7242-17.0082-2653.742754.799655-0.288620.034372-17.3836-18352804.886922-0.285230.031452-17.6158-937.8662854.974188-0.279610.028506-17.692626.944092905.061455-0.271820.025561-17.60381045.8872955.148721-0.261930.022645-17.34172103.0773005.235988-0.250030.019787-16.90133180.8843055.323254-0.236230.0170

41、18-16.28084260.5793105.410521-0.220660.014367-15.48135322.9983155.497787-0.203430.011865-14.50756349.1453205.585054-0.18470.009538-13.36697320.7393255.67232-0.164620.007415-12.078220.663305.759587-0.143350.005521-10.63019033.3023355.846853-0.121040.003877-9.0639744.8373405.934119-0.097880.002504-7.3

42、864810343.393456.021386-0.074020.001419-5.6202610819.163506.108652-0.049630.000634-3.7854911164.483556.195919-0.02490.000159-1.9044211373.873606.283185-7E-170-4.2E-1511444.03表B2 连杆作用力PgPjPPrcPnSIN(+)TCOS(+)KZ0037.909-3605-356718530001-3567-542050.0226.533-3583-35561853-88.5840.1119356-398.20.9937155

43、-3535-5388100.0516.583-3517-35001853-173.870.22229435-7790.9749796-3417-5270150.070-3408-34081853-252.710.32953899-11260.944142-3227-5080200.1-1.658-3258-32601853-320.080.43221002-14160.901773-2954-4807250.12-3.317-3070-30731853-373.790.52896096-16370.8486462-2627-4480300.14-4.975-2845-28501853-411.430.61858957-17820.7857143-2263-4116350.16-6.633-2590-25961853-431.280.70006374-18420.7140804-1879-3732400.18-8.292-2306-23141853-432.390.77254127-18190.6349646-1495-3348450.2-9.95-2000-20101853-414.