汽车设计课程设计-计算说明书

汽车设计课程设计说明书题目： 曲柄连杆机构受力分析设计者： 侯舟波指导教师： 刘忠民 吕永桂2010 年 1 月 18 日一、课程设计要求根据转速、缸内压力、曲柄连杆机构结构参数，计算发动机运转过程中曲柄连杆机构受力，完成计算报告，绘制曲柄连杆机构零件图。1.1 计算要求掌握连杆往复惯性质量与旋转离心质量折算方法；掌握曲轴旋转离心质量折算方法；掌握活塞运动速度一阶、二阶分量计算方法；分析活塞侧向受力与往复惯性力及相应设计方案；分析连杆力及相应设计方案；采用C语言编写曲柄连杆机构受力分析计算程序；完成曲柄连杆机构受力计算说明书。1.2 画图要求活塞侧向力随曲轴转角变化连杆对曲轴推力随曲轴转角变化连杆轴承受力随曲轴转角变化主轴承受力随曲轴转角变化活塞、连杆、曲轴零件图（任选其中两个）二、计算参数2.1 曲轴转角及缸内压力参数曲轴转速为7000r/min，缸内压力曲线如图 1所示。图1 缸内压力曲线2.2发动机参数本计算过程中，对400汽油机进行运动和受力计算分析，发动机结构及运动参数如表1所示。1表1发动机主要参数参数发动机类型缸数缸径Dmm冲程Smm曲柄半径rmm连杆长lmm偏心距emm排量mL活塞组质量m'kg连杆质量m''kg曲轴旋转离心质量 mkkg标定功率及相应转速 kw/（r/min）最高爆发压力MPa三、计算内容和分析图3.1 运动分析3.1.1曲轴运动近似认为曲轴作匀速转动，其转角

指标汽油机1916331.511704000.4250.460.23117/75005～6MPa2nt27000t700t，60603d 700dt 3

rad/s 733.04rad/s3.1.2活塞运动规律图2中心曲轴连杆机构简图21）活塞位移11，其中xr1coscosr/l31.50.27117sinr/lsinsinsin22sin2112sin2cos1(1)212又sin21(1cos2)2xr11cos1112sin22r(1cos)(1cos2)431.531.5 1 cos733.04t 1 cos733.04t活塞位移曲线如图 3所示图3活塞位移曲线2）活塞速度dxrsinsin2vdt2dvcoscos2rd令dv0，d有coscos2cos2cos210，3即cos21cos1022解得最大活塞速度时的曲轴转角211arccos1max4284.64最大活塞速度vmaxrsinmaxsin2max231.5mm700rad/ssin84.6331.5sin169.263211723.86m/s平均活塞速度Sn2rn231.5mm7000r/min14.7m/svm303030活塞速度曲线如图4所示图4活塞速度曲线3）活塞加速度jdvdvdr2coscos2dtddtdjr2sin2sin2d令dj0，有dsin2sin2sin4sincossin14cos0，由sin0，即0或180时，得正、负最大加速度：j0r2(1)21496.6m/s2,j180r2(1)12356.3m/s2由14cos0，得当arccos(1)175.8时（仅当＞1），得第二444个负最大加速度，即rr

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cos cos2cos 2cos2 1r2112418.4m/s28活塞加速度曲线如图5所示图5活塞加速度曲线3.1.3连杆运动规律1）连杆摆动角由sin sin ，得maxmin2）连杆摆动角速度

arcsin sinarcsinarcsind1dtsinsindcosdcoscoscos1dtcos12sin2dt3）连杆摆动角加速度d1dcos1dt12sin2dt212sin2321sin23.2受力分析3.2.1活塞气体力5活塞气体力Pg10pgp0FhN其中：pg缸内气体压力bar(1bar=1105pa)；p0大气压力一般取p0=1bar；FhD210291210265.04cm244活塞气体力曲线如图6所示图6活塞气体力曲线3.2.2 往复惯性力往复运动质量 mj m' 0.3m''，m—活塞组质量， m—连杆质量0.425 0.3 0.46 0.563kg往复惯性力 Pj mjr 2 cos cos2往复惯性力曲线如图 7所示图7往复惯性力曲线63.2.3 活塞侧压力及连杆力气体压力与往复惯性力作用在气缸中心线上，将往复惯性力用单位活塞面积的力计量，则合成的单位活塞面积的力为：ppgpjpgmjr2cos2Fhcospn、pl、t、k对曲轴连杆机构的作用如右图所示。设合成力p作用于活塞销中心 A，它可分解为两个力：垂直气缸中心线将活塞压向缸壁的侧压力pn ptg pg pj tg活塞侧向力曲线如图 8所示图8活塞侧向力曲线沿连杆轴线作用的连杆力1pl pcos连杆力曲线如图9所示7图9连杆力曲线将pl沿作用线移至作用点B，可进一步分解为：对曲轴销切向力tplsinsinpcos对曲轴销径向力kplcospcoscos3.2.4曲轴连杆机构旋转离心力旋转运动质量mrmk0.7m'',mk—曲轴质量0.2310.70.460.553kg旋转离心力Prmrr20.55331.5103733.0429360.3N两个分量：PrxPrcos；PryPrsin曲轴连杆机构旋转离心力如图10所示图10曲轴连杆机构旋转离心力83.2.5 曲轴轴颈和轴承负荷根据连杆对曲轴推力和旋转离心力，计算曲轴连杆轴颈力。以单位活塞面积计算。）连杆大头的旋转离心力krl0.7mr20.70.460.0315733.0428.38105NFh0.0065042）曲轴销负荷pqplkrl，其中pl为连杆力，将pq在x，y方向投影pqxkrlk；pqyt，t—切向力，k—径向力pq在x、y方向的力的曲线如图11（a)(b)所示图11-(a)图11-(b)9pq的大小为：pq p2qx p2qy krl k2 t2pq的方向角q1signpqx90signpqxsignpqyq式中，qtg-1pqyxpqx,称为投影比的反正切；并引用符号函数signxx3）连杆轴承负荷连杆轴承负荷pp是曲轴销对轴承的反作用力。大小相等，方向相反，即pp pq。pp的方向角为： p q 1804）主轴颈负荷pzx pqxprpzy tpz的大小为pzpzx2pzy2pz的方向角z1signpzx90signpzxsignpzyz式中，ztg-1pzy,称为投影比的反正切；并引用符号函数xpzxsignxx5）主轴承负荷主轴承负荷pc与主轴颈负荷 pz互为反作用，在任何时刻大小相等，方向相反。即pcpz因参考坐标系互相转动角，所以pc的方位角cz1803.3Matlab程序：（见附录1）四、曲轴和连杆二维出图曲轴和连杆二维出图 见附录2、附录3。10五、总结通过本次汽车设计的课程设计，在老师的指导下，我对曲柄连杆机构的结构设计有了进一步的理解。1）活塞结构：为了减轻活塞质量，减少其往复惯性力，其选用材料为铝；在裙部设计方面，削掉不承受侧向力部分，而在受力部位则延长加厚；活塞销与活塞装配方面，在冷态下，为间隙配合，在工作状态，由于铝的膨胀系数较大，它们的装配为过盈配合。2）连杆结构：采用工字型设计，既减轻连杆的质量，减小往复惯性力和离心力，同时也增强了抗弯性能。3）螺栓预紧力：应选择适当值。若预紧力过小，连杆大头盖与轴承会出现缝隙，影响发动机稳定工作；若预紧力过大，则会造成连杆被拉断。六、参考资料【1】内燃机设计杨连生中国农业机械出版社，1981【2】汽车发动机现代设计徐兀人民交通出版社，1995【3】MATLAB应用集锦林雪松等机械工业出版社，200611附录1：Matlab程序clear;clc;DATA=importdata('CylinderPressure.txt');alpha=DATA(:,1);p=DATA(:,2);r=0.063*0.5;%冲程的一半 ml=0.117;%连杆长 mn=7000;%转速 r/minlam=r/l;w=pi*n/30;%角速度d=0.091;%缸径 mfh=pi*d^2/4;%活塞面积 m2ma=0.425;%活塞质量 kgmb=0.46;%连杆质量 kgm1=mb*1/3;m2=mb*2/3;%按高速内然机公式估算mk=0.231;%曲轴旋转离心质量mj=ma+m1;%往复惯性质量mr=mk+m2;%旋转惯性质量beta=asin(lam*sin(alpha*pi/180));x=r*((1+1/lam)-(cos(alpha*pi/180)+cos(beta)/lam));% 活塞位移v=r*w*(sin(alpha*pi/180)+cos(alpha*pi/180).*tan(beta));% 活塞速度j=r*w^2*(cos(alpha*pi/180)-sin(alpha*pi/180).*tan(beta)+lam*cos(alpha*pi/180).^2./cos(beta).^3);%活塞加速度pg=(p-0.1)*fh*1000000;%气压力pj=-mj*j;%往复惯性力=往复惯性质量*加速度 方向与加速度相反P=pg+pj;pn=P.*tan(beta);%活塞侧向力pl=P./cos(beta);%连杆力pr=mr*r*w.^2;%曲轴旋转离心力pqx=pr.*sin(alpha*pi/180)+pl.*sin(beta);% 曲轴连杆轴颈力 x=曲轴旋转离心力 *sin(alpha)+连杆力*sin(beta)pqy=pr.*cos(alpha*pi/180)+pl.*cos(beta);% 曲轴连杆轴颈力 y=曲轴旋转离心力*cos(alpha)+连杆力*cos(beta)pq=sqrt(pqx.^2+pqy.^2);plot(alpha,p,'linewidth',2);title('爆压力曲线');xlabel('曲轴转角 °')ylabel('爆压力 MPa')figureplot(alpha,x,'linewidth',2);title('活塞位移曲线');xlabel('曲轴转角 °')12ylabel('活塞位移 m')figureplot(alpha,v,'linewidth',2);title('活塞速度曲线');xlabel('曲轴转角 °')ylabel('活塞速度 m/s')figureplot(alpha,j,'linewidth',2);title('活塞加速度曲线 ');xlabel('曲轴转角 °')ylabel('活塞加速度 m/s2')figurepolar(alpha*pi/180,abs(pn));title('活塞侧向力曲线 ')figurepolar(alpha*pi/180,abs(pl));title('连杆力曲线');figurepolar(alpha*pi/180,abs(pqx));title('曲轴连杆轴径力 x方向