工程软件技能训练说明书

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工程软件技能训练

课程设计说明书

系部名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程班学生姓名：指导教师：职称：

黑龙江工程学院二○一四年十一月

工程软件技能训练

课程设计任务书

学生姓名指导教师姓名题目名称设计内容：付纳院系汽车与交通工程学院副教授从事讲师专业专业、班级车辆工程车辆工程11-6班是否外聘□是■否王永梅杨兆职称群众495柴油机以群众495柴油机为例，基于相关参数对发动机曲柄连杆机构主要零部件进行结构设计计算，同时进行强度、刚度等方面的校核，并进行相关运动学分析和机构运动仿真分析，以达到良好的生产经济效益。目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法好多，而且已经完善和成熟，但仍缺乏一种基于良好生产效益、经济效益上的综合性分析，本次设计在明了、全面剖析的基础上，有机地将各研究模块联系起来，达到既简便又明了的设计目的，力求为发动机曲柄连杆机构的设计提供一种综合全面的思路。设计完成后应提交的成果：目录

第一章绪论3

第一节内燃机活塞连杆组的意义5其次节国内外的发展趋势5第三节研究的内容6其次章内燃机的结构原理简介6第一节内燃机的机构6

其次节内燃机的工作原理7

一、进气过程9二、压缩过程10三、燃烧过程11四、膨胀过程12五、排气过程13

第三章活塞组的设计13

第一节活塞设计的外界因素及影响13

一、活塞的功用及工作条件13二、活塞组的影响14三、活塞的工作条件14四、设计要求14五、活塞的材料14其次节活塞的结构15

一、活塞头部的设计15二、活塞顶和环带断面16三、活塞裙部的设计18四、裙部与缸套的协同间隙19

第四章活塞销的设计及活塞环和环槽的参数选择20

第一节结构和尺寸20其次节活塞销的固定方式20第三节活塞环和环槽的参数选择21第五章活塞的受力22

第一节活塞的校核22其次节活塞销的受力与校核24第三节活塞环的校核25第六章连杆组零件及衬套的设计27

第一节连杆的材料27其次节连杆长度的确定27第三节连杆小头的设计27

一、小头结构形式27二、小头尺寸27三、连杆衬套28第四节连杆杆身的设计28第五节连杆大头的设计29

一、连杆大头的剖分形式29二、连杆大头的定位方式29三、连杆大头的主要尺寸29第六节连杆组的重量及惯性力29第七章连杆的受力分析和校核30

第一节连杆小头30其次节连杆大头33第三节连杆杆身33第八章曲轴的设计34

第一节曲轴的受力分析35其次节曲轴颈直径d和主轴颈D37第三节校核曲柄臂的强度38结论42致谢42

?c是压缩比；

T1de是进气终了的温度；

n是平均压缩多变指数过

表2.3P和V的关系

气缸容积(L)

气缸压力(Mpa)

0.6560.640.750.450.30.150.0490.0320.1760.160.1850.250.441.124.778.63三、燃烧过程

当活塞压缩到上止点，喷油器向燃烧室喷入雾状柴油，油雾与压缩空气充分混合，形成高温高压的燃气，并开始自行着火燃烧，混合汽膨胀做功，推动活塞向下运动，从而推动曲轴转动，对外输出功。燃烧过程的作用是将燃料的化学能转化为热能，使工作的压力、温度升高。燃烧放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。柴油机应在上止点前就开始喷油，喷进气缸中的柴油迅速蒸发，而与空气混合，并进驻在气缸中被压缩的具有很高内能的空气的热量而自然。开始燃烧速度很快，而气缸容积变化很小，所以工作的压力、温度剧增，接近于等容过程，接着一面喷油，一面燃烧，燃烧速度缓慢下来，且随着活塞向下止点移动，气缸容量增加，气缸压力基本不变，而温度继续上升，该过程接近于等压过程。燃烧的最高爆发压力Pmax取值范围4.5～14.0(Mpa)及最高温度Tmax取值范围1800～2200（K)。

燃烧爆发压力：P2=?1Pco=1.5×8.63=12.95Mpa理论空气量：

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

实际空气量：L=?LO=1.7×0.49=0.84(kmol/kg)

理论分子变化系数：

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

P?????1??分子变化系数：

o?P1.043?0.04?1.0411?0.04

空气的定容比热：

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

燃烧终点爆发温度：T2=2000K燃烧产物定容比热：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初期膨胀比：P=Tco=1.44

四、膨胀过程

膨胀过程时，进、排气门均关闭，高温高压的气体推动活塞，由上止点移动而膨胀做功，气体的压力、温度也随即迅速降低。膨胀过程中有热交换损失、漏气损失和补燃现象，因此，膨胀过程也是一个多变过程，多变指数n是不断变化的膨胀过程初期，由于补燃

2nk。不过，宛如压缩过程，为了简便起见，在计算中用一个不变的平均膨胀多变指数n代替n，只要以这个指数n计算的多变过程，其起点和终点的状态与实际膨胀过程始、终状

'22'22态相像。柴油机n的范围为1.15～1.28。取n=1.2

22''后膨胀比：?=

?cP=27.5÷1.44=12.15

膨胀终点的压力和温度可用下式计算：

p

T式中：

pmx2=?n2=12.95÷12.15=0.647Mpa

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

pmx是膨胀终点的压力（Mpa);

P2是最高爆发压力（Mpa)；

Tmx是膨胀终点的温度（K);

T2是最高爆发压力是对应点的温度（K);

n'2是平均膨胀多变指数。

五、排气过程

当膨胀过程接近终了时，排气门开启，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程终止时，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废气排出。由于排气系统有阻力，排气终了的压力Pr大于环境压力Pa，压力差Pr-Pa用来战胜排气系统的阻力。排气系统阻力越大，排气终了的压力Pr越大，残留在气缸里的废气就越多。排气终了的压力Pr(Mpa)范围为0.103～0.108，温度

Tr（K）范围为700～900

排气终了压力：Pr=0.105Mpa排气终了温度：Tr=800K

四冲程柴油机的循环过程因压力、温度的不断变化直接影响到活塞的功能与寿命，因此要对活塞组连杆进行分析确定。当柴油机完成排气行程后，在曲轴飞轮总成的惯性力作用下，又重复上述工作循环过程，使柴油机连续运转对外输出功率

第三章活塞组的设计

发动机铝活塞的结构及工艺设计，选择利用适合的机床加工发动机活塞，通过这次设计，要求熟练把握并能在实际问题中进行创新和优化其加工工艺过程。

第一节活塞设计的外界因素及影响

一、活塞的功用及工作条件

活塞是曲柄连杆机构的重要零件，功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。活塞又是燃烧室的组成部分，是内燃机中工作条件最严酷的零件，作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。而且活塞还要承

受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。

活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，活塞各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。另外，由于冷热不均匀所产生的热应力简单使活塞顶部出现疲乏热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。活塞运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特别的表面处理。

二、活塞组的影响

随着发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格，活塞已发展成为集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的导向性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放。寻常将活塞的外圆设计成异型外圆(中凸变椭圆)，即垂直于活塞轴线的横剖面为椭圆或修正椭圆，且椭圆度沿轴线方向按一定的规律变化，椭圆度精度达0.005mm；活塞纵剖面的外轮廓为高次函数的拟合曲线，轮廓精度为0.005～0.01mm；为提高活塞的承载能力，以提高发动机的升功率，寻常将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或正应力曲面型(异型销孔),销孔尺寸精度达IT4级，轮廓精度为0.003mm。

活塞作为典型的内燃机关键零部件，在切削加工方面具有很强的工艺特点。国内活塞制造行业寻常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用设备组成机加工生产线，因此，用设备就成为活塞切削加工的关键设备，其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。

三、活塞的工作条件

（1）高温—导致热负荷大：活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达2000～2500℃，因而活塞顶的温度也很高，温度分布不均匀有很大的热应力。

（2）高压—冲击性的高机械负荷：高压包括两面性?活塞组在工作中受周期性变化的气压力直接作用，气压力P（Mpa)一般在膨胀冲程开始的上止点后10～20达到最大；?

00z活塞组在气缸力作高速往复运动，产生很大的往复惯性力Fjmax。

（3)高速滑动：内燃机在工作中所产生的侧向力是比较大的，特别是在短连杆内燃机中。(4)交变的侧压力：活塞上下行程时活塞要改变压力面，侧向力方向不断改变，造成了活塞在工作时承受交变的侧向载荷。

四、设计要求

（1）选用强度好、散热性好，膨胀系数小、耐磨；（2）形状和壁厚合理，吸热好、散热好，刚度符合要求，尽量避免应力集中，与缸套有最正确的协同间隙；（3）密封性好、摩擦损失小；（4）重量轻、质量小，尽量减小往复惯性力。

五、活塞的材料

对活塞设计根据上述的要求，活塞材料应满足以下要求：强度高，即在高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；导热性好、吸热性差。以降低顶部与环区的温度，并减少热应力；使活塞与气缸间保持较小间隙；以降低活塞组的往复惯性力，从而减低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；有良好的耐磨性，耐磨、耐蚀；公益性好低廉。

在发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本高、工艺性好等原因，曾广泛的被作为活塞的材料。但近几年来，由于发动机转速日益提高，工作过程不断加强，灰铸铁活塞因比重大和导热差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。铝合金的优缺点与灰铸铁正相反，约占有灰铸铁的1/3，结构重量约占灰铸铁活塞的50～70％，其惯性小这对高速发动机具有重大意义。铝合金另一优点是导热性好，其热传导系数约占灰铸铁的3～4倍，使活塞温度显著下降。采用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。

其次节活塞的结构

整个活塞主要可以分为活塞顶、活塞头和活塞裙3个部分。活塞的主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。此外，活塞还与汽缸盖、汽缸壁共同组成燃烧室。活塞顶是燃烧室的组成部分，因而常制成不同的形状.汽油机活塞顶多采用平顶或凹顶，以便使燃烧室结构紧凑，散热面积小，制造工艺简单。凸顶活塞常用于二行程汽油机。柴油机的活塞