小型汽油机活塞连杆的设计与校核

毕业论文〔设计〕题目：小型汽油机活塞连杆的设计与校核学生：XXXX专业：XXXXXXXXXXXXXXX班级：学号：指导老师：目录小型汽油机活塞连杆的设计与校核4引言41.1概述41.2设计目的41.3预期结果和意义41.4设计方法51.5KG160小型汽油机的主要参数51.6工作任务6第二节活塞组件的设计62.1活塞组件的设计62.11.活塞组工作条件和设计要求62.12活塞销工作条件和设计要求72.2活塞组件的材料及外表处理92.21活塞材料及外表处理92.22活塞销材料及热处理92.23活塞环材料及外表处理92.3传统活塞加工工艺流程102.4国外开展现状102.5活塞的结构型式122.51活塞头部122.52活塞裙部122.53活塞销座132.6活塞的主要结构参数及其强度校核142.61活塞主要尺寸的选择142.62活塞强度校核151〕活塞顶152〕第一环岸：163〕裙部比压：162.7活塞销的主要结构尺寸及其强度校核172.8活塞环主要结构尺寸及其强度校核18第三节连杆体的设计及校核203.1连杆的工作条件和设计要点203.2连杆材料213.3工艺流程213.4国内开展现状223.5国外开展现状223.6连杆主要尺寸的选择233.61连杆长度：233.62连杆小头直径与宽度233.63连杆大头243.64杆身断面243.65小头及衬套243.66大头剖分形式及定位243.7连杆主要结构尺寸及其强度校核253.71连杆小头的结构尺寸及其强度校核253.72连杆杆身的结构尺寸及其强度校核28感谢词34参考文献35小型汽油机活塞连杆的设计与校核引言1.1概述汽油机的不断开展，是建立在内燃机的改良和创新，对内燃机内主要零部件性能和寿命不断改良和提高的根底上，特别是随着发动机强化程度的提高、功率的增加和转速的增大，使的各种汽油机的使用范围更加广阔，可以适应的环境更加多变。本次设计主要的完成KG160小型汽油机中活塞连杆的设计与校核。发动机的工作可靠性和耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。活塞组件与气缸一起保障发动机工质的可靠密封，否那么活塞式发动机就不能正常运转。活塞组件工作情况的共同特点是工作温度很高，并在很高的机械负荷下高速滑动，同时润滑不良，这决定了它们遭受强烈的磨损，并且可能产生滑动外表的拉毛、烧伤等故障。实践经验证明，活塞组件的寿命决定了发动机的修理间隔，在大功率强化发动机中，活塞组的热负荷往往限制了发动机的强化潜力。由此可见，提高活塞组件的工作可靠性和耐久性对发动机的性能的提高具有极重要的意义。1.2设计目的选择具有代表性的KG160作为样机。对样机进行全面分析，消化吸收其先进技术，并根据国家有关标准，确定符合国情的技术参数。防止盲目设计，给设计和生产带来困难。通过完成KG160小型汽油机活塞连杆的设计及校核，掌握一般的设计方法和思路，培养CAD绘图和Pro/E实体建模的能力，查询文献能力和独立思考能力，最终到达一个工程设计人员所必备的根本能力要求。1.3预期结果和意义预期结果：设计的KG160小型汽油机活塞连杆满足强度与生产应用要求，符合当前制造厂家生产制造要求，具有良好的经的活塞连杆，掌握了活塞连杆的设计要领，学习到一般设计方法、思路和流程，济性和适用性，有利于企业的应用。意义：通过设计和校核KG160小型汽油机与企业相互联系，培养独立自主专研的能力，实现理论与实际相结合的应用，从而到达一个符合企业工程设计人员的要求。1.4设计方法选择具有代表性的小型单缸汽油机KG160作为样机。对样机进行全面分析，消化吸收其先进技术，并根据国家有关标准，确定符合国情的技术参数。防止盲目设计，给设计和生产带来困难。查询有关文献资料如《机械设计手册》、《内燃机设计》等。完成KG160内燃机中活塞连杆的三维建模与二维图形的设计，并进行相关强度校核。1.5KG160小型汽油机的主要参数型号KG160型式单缸风冷四冲程气缸斜置顶置气门缸径×行程mm总排量ml163压缩比8.5标定功率/标定转速Kw/r/min3/30003.3/3600起动方式电感式〔TCI〕润滑方式飞溅式旋转方向〔面对输出轴〕逆时针外形尺寸〔长*宽*高〕mm1.6工作任务第二节活塞组件的设计2.1活塞组件的设计2.11.活塞组工作条件和设计要求活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬间温度可达2500K以上。因此，受热严重，而受热条件又差，所以活塞温度都很高，顶部高达600~700K，且温度分布不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程最大，一般汽油机可达3~5,这使得活塞产生压力，并产生侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度〔8~12m/s〕往复运动，且速度在不断变化，这就产生了很大的惯性力，是活塞承受很大的附加载荷。如此，活塞在这样恶劣的条件按下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。承受高温高压燃气作用并通过活塞销，连杆将力传递给曲轴。销座孔内侧受力严重。目前承受高速增压柴油机的最高燃烧压力控制在12~13MPa，最高可达15MPa。高速增压柴油机最高燃气温度在2000摄氏度左右，循环平均有效传热温度在800摄氏度左右。活塞组件在高速往复运动中与气缸壁形成密封配对副，在传递力过程中裙部承受很大的侧压力。综上所述，活塞是在高负荷，高温，高速，润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求：要选用热强度好，耐磨，比重小，热膨胀系数小，导热性好，具有良好耐磨性、工艺性的材料；有合理的形状和壁厚。是散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，防止应力集中；保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失，尽可能靠近活塞中部，确定活塞周边温度均匀注意喉口部位设计，防止局部烧损；保证活塞头部必须有足够的机械强度和良好的热散热，以承受高温高压燃气的作用活塞裙部应有控制热膨胀措施，以确保在任何工作条件下与气缸之间有最正确配合间隙；活塞销座处〔特别是销座孔内侧〕应有防止应力集中的措施，应根据冷却条件合理确定第一活塞环的位置及活塞环糟的设计，尽可能减少有害间隙容积。2.12活塞销工作条件和设计要求活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷，其本身又作摆转运动，而且处于润滑条件很差的情况下工作，因此，要求活塞销具有足够的强度和刚度，外表韧性好，耐磨性好，重量轻。所以活塞销一般都做成空心圆柱体，采用低碳钢和低碳合金钢制成，外外表经渗碳淬火处理以提高硬度，精加工后进行磨光，有较高的尺寸精度和外表光洁度。活塞销承受销座传来的燃气应力、活塞比拟容易磨损。活塞销的设计要点有故：组惯性力和连杆小头作用力。由于相对转动角度小。难以实现完全液体润滑，1〕足够的强度和刚度以限制变形量；2〕内韧外硬以提高抗疲劳和耐磨性；3〕尽可能轻以减小自身往复惯性力。2.13活塞环工作条件和设计要求活塞环在高温、高压、高速和润滑极其困难的条件下工作，尤其是第一道环最为困难，长期以来，活塞环一直是发动机上使用寿命最短的零件。活塞环工作时受到气缸中高温高压燃气的作用，温度很高(特别是第一道环温度可高达600K)，活塞环在气缸内随活塞一起作高速运动，加上高温下机油可能变质，使环的润滑条件变坏，难以保证良好的润滑，因而磨损严重。另外，由于气缸壁的锥度和椭圆度，活塞环随活塞往复运动时，沿径向会产生一张一缩运动，使环受到交变应力而容易折断。因此，要求活塞环弹性好，强度高、耐磨损。目前广泛采用的活塞环材料是合金铸铁〔在优质灰铸铁中参加少量铜、铬、钼等合金元素)，第一道环镀铬，其余环一般镀锡或磷化。活塞环的功能是密封气缸上部和润滑气缸下部，以及将局部燃烧的热量通过气缸壁传给冷却水。根据发动机的类型和使用工况，决定所需活塞环的数目。对于第二道环以下的气环，要充分研究它的气密性有多大；增加环的数目未必能减少漏气量。目前总的趋势是减少活塞环的数目，本次所研究的小型汽油机KG160使用3道环，两道气环，一道油环。顶环，即第一道环又称压缩环，主要起密封燃气作用。第一道环的工作条件最恶劣，它的好坏对活塞组窜气、窜油将产生影响。因此，要强化第一道气环，对其材料和复层，结构尺寸和断面形状等都应仔细选定。第一道环普遍采用镀铬，其次喷钼。抗结胶和抗拉缸性能较好的梯形环、桶面环使用日益增多。油环，为第三环，主要起控制润滑油作用。由于只有一道油环，因此强化油环结构，加强刮油效果是必要的。中间环，辅助密封燃气；主要起刮油作用并确保顶环必要的润滑。2.2活塞组件的材料及外表处理2.21活塞材料及外表处理现代高速小型汽油机活塞材料可选用共晶铝硅合金或过共晶铝硅合金。后者具有耐热、耐磨及膨胀系数小等优点，但工艺性较差，我国曾采用有稀土元素的合金，不过由于稀土元素的纯洁度难以保证，会影响铝合金性能，所以现在采用的不多。铝合金活塞毛胚多采用金属模锻，成型后一般要热处理，对硅铝合金可加热到300~500℃保温3~4个小时，然后淬入热水，再加热到200℃保温8小时，用以消除内应力。2.22活塞销材料及热处理通用材料：20、15Cr、20Cr、20Mn2，一般采用20Cr。活塞销外圆外表须经渗碳处理，渗碳层深度与活塞销壁厚有关，常规渗碳层厚度约为活塞销壁厚的10%，内孔外表也可根据需要进行渗碳，厚度可比外外表小。活塞销外圆外表经渗碳淬火后的硬度约为58~64HRC,外圆外表粗糙度应控制在0.16um以内。活塞销加工可采用冷挤压工艺，这种工艺具有节省金属、提高劳动生产率，降低本钱、机械性能好等优点。对于铝合金活塞，冷态时活塞销和销座配合大多是过盈，因此，在装配时，需将活塞销座加热到60℃—120℃。2.23活塞环材料及外表处理活塞环常用材料。一般为合金铸铁，合金成分主要有：铬钼、铜铬钼、钨铬钼、钨钒钛等，高强度的汽油机顶环多采用球墨铸铁。活塞环常用的外表处理:高强度的汽油机顶环与气缸外圆接触面一般要进行喷钼或镀铬处理，KG160汽油机活塞环所采用的是外圆面镀铬处理，铬层厚度0.05mm以上，衍磨后，液体喷砂处理，其余面磷化处理。外表镀铬可分为镀硬铬和松孔镀(即在镀铬后再进行外表松孔处理，以改善储油)，镀铬层厚度约为0.05~0.10mm孔镀铬层厚度约为0.10~0.18mm孔层厚度为0.05mm。为提高喷钼或镀铬层的牢度，外层多用于镶嵌结构，镀层仅限于环部中段。2.3传统活塞加工工艺流程粗车止口—>粗车外圆、顶面—>精车止口—>粗镗销孔—>精车环槽—>半精车外圆—>精镗销孔—>车挡圈槽—>车内角—>粗精车燃烧室—>精车外圆。此工艺流程为传统活塞加工的工艺流程，是大局部企业普遍采用的流程。在本次设计与校核中，所应用的思路是采用工艺流程。2.4国外开展现状活塞方面，活塞作为发动机的心脏，是一种技术含量比拟高的零部件。现代先进的发动机，其活塞的设计相当复杂，已开展成为集轻质高强度新材料、异形外圆复合型面〔裙部为中凸变椭圆形面〕、异形销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品。活塞的加工精度要求高，其裙部横向椭圆度精度达0.005mm，纵向中凸轴线精度达mm。从上世纪80年代开始，数值模拟技术开展迅，国内外的科研机构及汽油机公司对活塞都进行了深入的研究。其研究的主要内容是：活塞的温度场、热应力、热疲劳、热冲击和机械强度等。对活塞的热冲击、耦合传热、瞬态分析、滑油传热以及积碳等方面都做了大量的研究。同时，对活塞的数值模拟计算，科研人员不断地寻求专业的数值计算方法，来提高分析解决问题的能力。国内对活塞热负荷的研究主要在高校进行，对于由经验和半经验公式得出平均边界换热系数，再根据平均燃气温度对活塞进行稳态热分析的研究，国内研究的比拟深入。其中较为先进的活塞分析方法是有限元分析计算，通过有限元分析，能在活塞的设计上大幅度提高活塞的强度；活塞的温度场有限元分析，能非常准确的模拟活塞的实际工作环境温度。是发动机的功率不断增加，尾气的排放相对以前得到很大的改善，提高设计的效率和科学性。基于计算机开展和普及，最近国外公式对汽油机和柴油机活塞的机械疲劳研究多采用比照发动机耐久试验数据，以计算机建模和仿真计算等来模拟热负荷与机械负荷对活塞机构的影响，从而判断活塞的可靠性。在实验上，国外在20世纪70年代到80年代就已经开始热冲击研究。比方说英国的里卡多公司建立了热流和热传导实验平台，用于热流的流向和热流的分配研究，德国的马勒公司对活塞的研究主要是通过整机实验，马勒公司的35个整机试验台用于研究各种活塞的可靠性。俄罗斯在发动机的热负荷的研究上既有稳态研究，也有最新的瞬态研究手段，在燃烧室的应力分析方面，已经完成了对燃烧室零件的稳态热弹性应力，准静态热应力以及热弹性应力与机械应力叠加的分析。美国Wisconsin大学Madison分校YongLiu和R.D.REITZ运用有限差分法对内燃机燃烧室部件进行了循环瞬态模拟，分析模型综合考虑了活塞组、润滑油膜、缸套以及缸盖等，提高了缸内传热模拟的精度。国外目前研究的的重点是瞬态传热、整机热分析和绝热发动机。连杆方面，在满足性能指标的前提下，连杆的材料和制造技术关联很大，连杆在毛胚材料方面：国内传统工艺连杆毛胚材料一般采用、、、、、45、等调制刚和(进口)、、等非调制钢。1984~1994年期间，康明斯生产线用调制刚毛胚，1995年全面转用非调制刚材料毛胚。而德国发动机系统和零部件的专家MahleGmbh公司先后推出钢、钢、钢等。在加工工艺方面，国内外连杆生产方式大致有：锻造、铸造、粉末冶金等，传统锻造有将连杆体和盖分开锻造，连杆体和盖整体锻造两种。60年代中期粉末热锻技术开始开展起来，从80年代以来粉末冶金注射成型成功的得到应用，大多数连杆体制造中使用的中碳钢和低合金钢逐步由新钢种和粉末冶金的锻造材料所代替。在连杆体和连杆盖别离工艺方面大局部采用的是锯断、洗锻等工艺，最新工艺是使用断裂分开，即胀断工艺〔或者断裂工艺〕，该工艺是用切口〔或用机械方法或用激光束制造欲裂纹〕断裂，使大端连杆盖从连杆体移去。国内局部汽车厂及设备制造厂如一汽群众，上海群众和上海通用等都采用了该技术。2.5活塞的结构型式2.51活塞头部活塞头部的结构主要取决于内燃机的强化程度。顶部的形状主要决定于燃烧室的类型，在某些二冲程的内燃机中海涉及到换气的需要。环带的位置与结构还影响到了整机的排放和活塞的使用寿命。活塞头部截面形状。活塞头部经常设计成导热良好的“热流型〞，即根据活塞的热流通道，采用大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部的热流迅速传出，使活塞头部的温度得以降低。温度降低同时也有利于消除应力集中，这样，可以提高活塞的承载能力。由于活塞头部需承受高温高压作用，因此活塞头部易产生的疲劳裂纹，多数发生在气门凹坑、燃烧室喉口边缘、活塞顶内壁与销座根部连接处。从结构上解决头部裂纹的措施如下：1、合理设计活塞头部形状，降低活塞顶面的机械应力，使顶面应力状态在疲劳极限的范围内。2、防止加工尖角，采用较大的过渡圆角，消除应力集中。因此，活塞顶的设计对于活塞头部对抗高温高压就显得尤为重要。其中凹顶式活塞顶部，浅凹坑用来改善混合气形成和燃烧质量，或为了防止气门碰撞和调整压缩比。2.52活塞裙部活塞裙部的结构对活塞运动的平顺性和活塞与气缸之间的工作配合条件有着重要的影响。为了控制热膨胀，尽量保持最正确缸配间隙，裙部可以开槽，镶钢片盒中凸椭圆等结构。开槽〔汽油机活塞〕2.53活塞销座新一代活塞销座结构演变的特点：在不增加尺寸的前提下，优化毛胚造型和孔口加工形状，以提高变形的适应能力和整体承载能力；偏置轴线以降低活塞的敲击噪声。所谓的异型销孔，包括椭圆销孔、带卸载槽销孔和锥形销孔。与普通的直销孔相比，它可明显减小应力集中，减小幅度约为10%~30%。活塞销座的应力分布取决于销座和活塞销两者变形是否相互适应，如果活塞销刚度较大而销座刚度较小，或者活塞销刚度小而销座刚度大，那么二者不能相互适应。结果引起销座内孔上侧边缘等处产生严重的应力集中致使销座断裂。因此，活塞销座的设计应与活塞销统一考虑，要求活塞销有较高的刚度，减少活塞销的弯曲变形，而活塞销座能承受很高的压力，又要具有一定弹性，使之适应活塞销的变形。销座的结构有单筋销座、双筋弹性销座、宽型整体支承筋的刚性销座、斜面销座和阶梯销座。因此，在活塞销座的设计中，采用双筋弹性销座，即在销孔的侧上方设置两条支承筋，筋间的凹穴，可以使销座具有良好的弹性，能在一定程度上适应活塞销的变形，从而减少销孔的点的应力集中。2.6活塞的主要结构参数及其强度校核2.61活塞主要尺寸的选择活塞的主要尺寸主要包括：活塞直径D，活塞的高度，压缩高度，裙部高度，环岸高度、，活塞顶厚度及环槽底径、，销座开档距离B等。结构参数取决于以下因素：转速、燃烧室的形状和活塞裙部承压面积。应在保证结构布置合理和所需承压面积的条件下，尽量选择小的活塞高度。数据范围：根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：，推荐值在1.1左右，应选择1.1，即活塞高度H=74mm；活塞压缩高度；在保证气环良好的工作条件下，宜缩短H1，力求降低整机高度尺寸。根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：，选择0.5，即压缩高度:H1=34mm；活塞环的数目；目前中小型高速汽油机采用三环结构(2道气环，1道油环)。环槽底径：可根据以下公式计算得到气环槽：，得=64mm；油环槽；，得=64mm；D—活塞名义直径t—活塞环的径向厚度，气环槽，油环槽；K—系数，铝活塞K=0.006环岸高度第一环岸温度较高，承受气体压力大，又容易受环的冲击而断裂，故第一环岸高度h1比其余环岸高度大一些。数据范围：根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：第一环岸高度h1，取0.05，即第一环岸高度h1=3.4mm。第二、三环岸高度，取0.04，即第二、三环岸高度h2(h3)=2.72mm。裙部长度H2根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：，选择0.75，即裙部长度H2=51mm；裙部壁厚:根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：，选择0.04，即裙部壁厚：活塞销直径d:根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：中小型高速柴油机，一般d/D<0.4，，选择0.28，即活塞销直径：d=19mm销座间隔B根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：，选择0.4，即销座间隔：B=27.2mm2.62活塞强度校核(以下使用公式均参照《内燃机设计手册》《机械设计手册》)1〕活塞顶：条件：，D1=66mm，σ=13mm活塞是铝合金、有筋顶的，机械应力：根据条件得：，合格。2〕第一环岸：条件：，材料铝合金，弯曲应力：根据条件得：180剪切应力：根据条件得：62.5总应力：根据条件得：210.04，合格。3〕裙部比压：条件：D=68mm，=10MPa，高速柴油机和汽油机[]=5裙部比压：根据条件得：1.04q1<[q1]，合格。2.7活塞销的主要结构尺寸及其强度校核1)活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷，其本身又作摆转运动，而且处于润滑条件很差的情况下工作，因此，要求活塞销具有足够的机械强度和刚度，外表韧性好，耐磨性好，重量轻以减小往复运动惯性力。根据活塞销的工作条件和设计要求，销的工作外表应具有高硬度，内部应富有韧性和较高的强度，但是硬的表层和内部必需紧密结合，保证销在冲击载荷作用下没有金属剥落和金属层之间别离的现象。所以，需要对销进热处理，对于选择低碳钢作为材料的活塞销，需要进行渗碳和淬火。根据不同销的尺寸大小，渗碳层的深度一般在0.5~2mm之间。对于45钢的活塞销那么是进行外表淬火，淬火层深度为1~1.5mm。销经热处理后，其外外表硬度为HRC=58~65，内部硬度约HRC=36。2〕活塞销的结构尺寸，主要指活塞销外直径d，内直径，销的长度。根据高功率强化发动机的活塞销而言，可知：许用弯曲应力；许用剪切应力；弯曲应力计算：活塞销外表受到气体压力和往复惯性力的共同作用。活塞销中央截面的弯矩：；式中。空心销的抗弯断面系数为其中所以弯曲应力为即根据条件得：185.475最大剪切应力计算最大剪切应力出现在销座和连杆小头的截面上，横断面上的最大剪切应力发生在中性层上，其值按下式计算：根据条件得：371.754所以,所测得的应力是符合条件得。2.8活塞环主要结构尺寸及其强度校核活塞环的结构尺寸主要有环高b，径向厚度t和切口间隙〔工作间隙〕、〔自由开口间隙〕。对于四冲程发动机来说，有气环和油环。绝大局部都放在活塞销座以上的位置。气环在上，油环在下。汽油机一般都是这样放置的，但是在有些柴油机中，为了增强刮油效果，也常把一个油环放在活塞销座以下的裙部位置。活塞环在环槽中运动，因此在环槽的轴向和径向上，都因该有适当的间隙。轴向间隙不能过大，因为当环在环槽中上下运动时，环与环槽之间发生撞击。间隙大，撞击也大，增加了环与环槽所承受的机械负荷。此外，间隙大也不利于密封。因为当环在改变运动法向的过程中，总有某一瞬时处于环槽的中间位置，形成气体泄漏通路。间隙越大，泄漏延续的时间越长。间隙过小也有弊病，这时环与环槽受热后产生膨胀和变形，间隙过小，环在环槽内运动易被卡住。此外机油产生的积碳颗粒充塞在间隙内，如果间隙过小，会使环失去活动余地，严重时可能把环卡住，引起其他故障。所以，最适当间隙的选定，应使活塞防漏部在活塞膨胀后正好与缸壁接触，而又不发生抱缸。这样，既能减轻各道气环的受热强度，又降低了各道环的热负荷。由于温度分布的不均匀，可把防漏部作成圆柱形、圆锥等不同的形状和尺寸。以便更好的完成工作。活塞环高度不宜过高，因为窄环对气缸的适应性较好，易于磨合，摩擦损失小，能够降低整个活塞组的高度和质量，并且环的高度减小，使环背和环槽间的空间变小，环背压力容易建立起来，提高密封效果。对于中小型高速汽油机，一般气环b=1.5~4mm，取值b=2mm。环的高度和径向厚度之间也有一定的比例，一般为，取中间比例0.65，那么径向厚度t=3mm。活塞环的切口间隙有两种：其一，工作间隙：式中——活塞环的工作温升；a——活塞环材料的线膨胀系数为0.006；——环在热状态下切口两端不相碰，而刘处的热间隙，一般可取为0.06~1mm。根据条件得：其二，自由切口间隙：；在相同下，越大，环装入气缸后产生的弹力就越大安装应力就相对较小。第一道环肩强度校验活塞防漏部第一环槽处温度较高，并承受很大的气体压力。因此，常常发生第一环肩跟部产生裂纹或断裂。为此，要对第一环肩处的受力情况进行强度分析计算。将第一环肩看作是一块沿直径为的活塞环槽底圆外周固定的圆环形平板。在其全部面积，从上面作用着燃气压力,从下面作用着燃气压力，可得到：环肩根部受到的弯矩为：；环肩根部的抗弯断面系数为：；式中是环肩的厚度3.4mm。弯曲应力为根据条件得：；环肩部剪切应力：根据条件得：其复合应力为：。由此可以发现增加环肩的高度，就可以减小环肩的复合压力，因此一般的铝合金活塞第一环肩比其他环肩要搞一些。活塞环装入气缸后会产生一定的弹力，以保证环能压紧在缸壁上，这时活塞换的形状是圆形的。将环从气缸中取出，环处于自由状态中就不在是圆形而是一个复杂的几何形状，环在自由状态下的形状就是我们所需要的制造尺寸。第三节连杆体的设计及校核3.1连杆的工作条件和设计要点连杆在高速运动中承受由活塞组传递气缸压力和往复惯性力的反复压缩和拉伸，由此可能疲劳破坏，是内燃机主要受力的运动件之一。连杆大小头的轴承润滑条件苛刻，工作中反复受到挤压和冲击。连杆必须有足够的结构刚度和疲劳强度。也就是说，在挤压或冲击作用下，杆身不会被显著压弯；连杆大小头不致显著失圆。杆身弯曲会使活塞相对于气缸、轴承相对于轴劲发生弯曲；孔的失圆会使轴承失去正常配合。如果强度缺乏，在发动机运转过程中一旦发生连杆杆身、大头盖和连杆螺栓断裂，会使机器遭到严重的破坏。连杆长度〔大小头孔的中心距〕是设计时应该慎重选择的一个重要参数，通常用连杆比来表示。值越小，连杆越长。连杆长度确实定，必须与所设计的内燃机整体相适应；连杆设计完成后进行零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在连杆最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最小距离都不应小于。连杆的设计要点有：1〕在确保足够强度和刚度的条件下尽可能减轻外形尺寸和质量；2〕注意过渡圆角及细节的设计，特别是连杆小头和杆身的过渡圆角的及连杆的螺栓支撑面的过渡圆角设计，防止应力集中；3〕必须根据总体设计的要求合理确定结构参数和连杆体与连杆盖的剖分方式。3.2连杆材料杆身与缸盖：通常采用相同的材料，对中高速柴油机，采用中碳钢、45号钢，精选含碳量为0.42%-0.47%；毛坯整体模锻，正火处理，加工中间采用退火处理。对强载内燃机，采用中碳合金钢、40Cr、35CrMo、18CrNiWA等材料，铸造外表调质处理，提高强度和抗冲击能力。[1]近年来，有用球墨铸铁制造连杆。连杆螺栓：中碳合金钢、35CrMo、18CrNiWA、20CrNi等材料，锻造外表调质处理，提高强度和韧性，进行探伤、螺纹镀铜防松处理。小头青铜衬套：采用锡青铜、Cu-Sn合金、ZQSn10-1、ZQSn6-6-3等材料。大头薄壁轴瓦、瓦背：采用10、15低碳钢，瓦背镀锡，内外表浇铸锡基白合金CuSnSb11-6h或基铜铅合金ZQPb30，厚度。3.3工艺流程粗磨连杆两侧面—>拉削连杆体别离面、大小头定位点—>拉连杆体与盖半圆、侧定位点、螺栓左面、别离面—>清洗—>粗加工连杆小头孔—>粗、半精、精加工螺栓孔，铣连杆体和盖的锁瓦槽—>磨别离面—>压衬套并精整—>倒角并铣平小头衬套—>钻油道孔—>清洗—>装配连杆—>精磨两侧面—>半精、精镗大小头孔—>珩磨大小头孔—>清洗—>终检。粗磨连杆两侧面—>精镗大小头孔、半精镗小头孔—>钻、攻螺栓孔—>钻油道孔—>清洗—>拉裂解槽、裂解、装配、压衬套、精整衬套、倒角—>精磨两侧面—>半精镗、精镗大小头孔—>珩铰大小头孔—>清洗—>终检。从以上两种工艺比照可知：后一种工艺方式改变了连杆加工的关键生产程序，以整体加工代替分体加工，省去后面的拉削和磨削等工艺，降低了螺栓的加工精度要求，从而显著的提高了生产效率，降低了本钱，增加了经济效益。此外，对两岸的承载能力、抗剪能力、杆、盖得定位精度、装配质量大幅度提高，对提高发动机生产技术水平具有重要作用。3.4国内开展现状连杆裂解新技术已经成为连杆制造业开展水平的重要标志。国内发动机连杆专业生产厂对连杆裂解新技术产生了浓厚的兴趣。多家连杆生产企业都在积极的准备采用连杆裂解技术对原有传统生产线进行改良。这些连杆生产厂更加迫切需求国内自行开发的适合我国国情的连杆裂解加工工艺及装备，以替代进口，节约资金，创造更好的、更显著的经济效益。从我国汽车工业、发动机行业来看，近些年将需要大量的连杆裂解新技术和设备。根据国家发动机行业统计数据，仅车用、农用连杆每年需求量在4000万件以上。故，连杆裂解工艺与装备在我国有巨大的市场潜力，而且前景很广阔。3.5国外开展现状1〕粉末冶金连杆：目前，丰田汽车粉末冶金连杆已经商品化。英国、瑞士、德国合作，选用一种成分为的合金粉末试制发动机连杆，并通过零件拉压疲劳性能试验及发动机台架试验。粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料节约40%，生产本钱可降低10%，能源消耗节约50%。2)钛合金连杆：钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化，金属钛的密度仅为钢铁材料的58%，因此用钛合金制造汽车发动机连杆，可大幅度地降低连杆的质量。日本采用化学成分为Ti-3Al-2V的钛合金生产连杆，其抗拉强度可达800MPa、屈服强度可达600MPa，相当于45调质钢的强度水平。钛合金连杆比钢制连杆的质量可减轻30％，由此可使连杆的往复惯性力大幅度的降低。[5]通过对发动机在各种不同转速下曲轴连杆间最小油膜厚度的测量结果，钛合金连杆和钢制连杆在保持油膜厚度相同的条件下，应用钛合金连杆的发动机转速比用钢制连杆的发动机提高700r/min，由此可使发动机的输出功率大幅度提高。钛合金连杆可显著地降低发动机的噪声，而且有利于环保。3.6连杆主要尺寸的选择连杆的主要尺寸主要包括：连杆长度、连杆衬套内径、小头宽度、大头宽度等。3.61连杆长度：取决于总体尺寸。原那么上尽可能取短值以减小机器总高和增强连杆刚度。短连杆的主要问题是活塞侧向力大和平衡块可能碰到活塞裙部。目前的趋势是采用短连杆，曲柄连杆比〔〕在0.27-0.30之间。根据《内燃机设计手册》知：λ的一般范围在，可取0.288，根据可知，=118mm。3.62连杆小头直径与宽度在确定活塞小头地宽度时，应使活塞小头与活塞销座之间每侧都留有约的间隙，用来补偿机体、曲轴、活塞和连杆等零件在轴向尺寸上了能出现的制造误差和由于热膨胀所引起的轴向相对位置的变化。应该使连杆小头具有足够的承压外表积，以便使连杆小头孔与活塞销之间相互压紧的单位面积压力不超过许用值。根据《内燃机设计手册》《机械设计手册>和可得到衬套内径d、衬套支撑长度b1及δ小头的根本尺寸，如表3所示。根本尺寸范围选择值结论衬套内径d0.2819mm衬套支撑长度1.120.9mmσ2-4mm2mm2mm3.63连杆大头连杆大头尺寸主要取决于曲柄销直径D2、长度L2及连杆轴瓦厚度δ’和连杆螺栓直径dm0。为使活塞连杆组能从气缸中装拆，要求大头的最大横向尺寸小于气缸直径。根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：，取0.58，即平切口连杆H1和H2=19mm。在平切口连杆中，用螺栓定位，以防止连杆和连杆盖安装时错位。3.64杆身断面一般为工字形，中央断面的工字形高度比在1.2~1.5之间，多数在1.3左右；断面积与活塞面积之比为3%~5%。3.65小头及衬套目前多采用楔形结构，以尽可能加大承压面积。小头衬套多用含锡青铜，铅青铜外表合金层的钢带卷制而成，壁厚控制在1.5`3.0之间，用过盈配合压入后加工，内外表开T形润滑油槽。3.66大头剖分形式及定位剖分形式主要有平切口和斜切口两种。平切口结构简单，刚性好，宜优先采用。当曲柄销直径大于0.65D(D为气缸直径)时，需采用斜切口连杆〔剖分角一般为45°〕，以便于活塞连杆组件在拆装时能通过气缸孔。斜切口连杆刚度不对称，结合面有较大横向力，需有更可靠的定位。连杆盖的定位方式有多种，平切口连杆定位销，螺栓杆和定位销套定位；斜切口连杆可采用止口或锯齿定位；轿车发动机上也有采用连杆大头涨烈工艺形成的不规那么断面来定位的方式。采用何种定位方式取决于工厂的生产工艺。目前平切口连杆大多采用螺栓杆定位，斜切口大多采用锯齿定位，优点是结合面大，贴合紧密，定位可靠，结构紧凑，拆装方便。3.7连杆主要结构尺寸及其强度校核3.71连杆小头的结构尺寸及其强度校核现代内燃机绝大多数采用浮式活塞销。也就是说，在运转过程中活塞销在活塞的销座中和连杆小头都是能够自由转动的。连杆小头多采用薄壁圆环结构，这种结构形状简单、制造方便、受力时应力分布较均匀。对于浮式活塞销来说，为了减磨，在连杆小头孔中压入青铜衬套。衬套的径向厚度约为1/12倍的活塞销直径，其最小厚度一般不小于mm。衬套与活塞销之间间隙应尽量小，以便减小噪声，一般留有1/1000活塞销直径左右的间隙。在确定活塞小头地宽度时，应使活塞小头与活塞销座之间每侧都留有约的间隙，用来补偿机体、曲轴、活塞和连杆等零件在轴向尺寸上了能出现的制造误差和由于热膨胀所引起的轴向相对位置的变化。应该使连杆小头具有足够的承压外表积，以便使连杆小头孔与活塞销之间相互压紧的单位面积压力不超过许用值。由此，根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》，可得到KG160汽油机活塞连杆小头衬套内径d、衬套支撑长度b1及δ小头的根本尺寸，如表3所示：根本尺寸范围选择值结论衬套内径d0.2819mm衬套支撑长度1.120.9mmσ2-4mm2mm2mm可得：连杆工作温度：℃衬套内径d=19mm，小头内径=23mm，小头外径=36mm；小头平均直径；小头壁厚；小头截面积；衬套截面积衬套和小头热膨胀不一致的过盈量；材料在脉冲循环下的弯曲疲劳极限衬套过盈配合影响系数；衬套压配过盈量；选择KG160最高燃烧压力，，D=68mm,角系数；小头平安系数使用【n】=1.5。连杆小头地强度，通常只简单的按在活组的往复惯性力作用下截面上的拉应力来计算的。式中，——在最大可能转速下由活塞组质量产生最大惯性力；——小头宽度；——小头壁厚。根据条件得：在这里刚的许用应力为，其中碳钢取较小值，合金钢取较大值。假设压配外表间互相压紧的压力是均匀分布的，那么压力可按下式计算：式中，——小头外径；——小头内径；——衬套内径；——泊松比，可取等于0.3；——连杆材料的弹性模量，等于钢；——衬套材料的弹性模量，等于青铜。根据条件得：4.812KN；内外表压力,根据条件得:;外边面压力：根据条件得：；活塞组最大惯性力：；根据条件得：4.178KN；外外表是任意截面的应力：；根据条件得：45.3；内外表上任意截面上的应力：；根据条件得：-13.6；最大压缩力：；根据条件得:26.908KN;小头平安系数：；根据条件得：2.19,合格.3.72连杆杆身的结构尺寸及其强度校核连杆杆身长度取决于总体尺寸。原那么上尽可能取短值以减小机器总高和增强连杆刚度。短连杆的主要问题是活塞侧向力大和平衡块可能碰到活塞裙部。目前的趋势是采用短连杆，曲柄连杆比〔〕在0.27-0.30之间。根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：λ的一般范围在，可取0.288，根据可知，=118mm。连杆杆身一般采用工字形截面，工字形截面的长轴位于连杆摆动平面。对于抗压稳定性号的连杆，其杆身也可以采用四角倒圆的矩形截面。连杆杆身截面的高度H一般大约是截面宽B的倍，而B大约等于〔D为气缸直径〕。杆身的最小截面积与活塞面积之比，对于钢制连杆来说大约为的范围内。有此可知：；。ω=3.14n/30=314rad/s；钢材系数，杆身中间截面积=107.92；杆身平安系数:；；角系数；。连杆杆身所承受的拉伸作用力和压缩作用力可分别按下式计算：式中，——气体最高爆发压力；——活塞面积；——在上止点处，包括连杆杆身计算截面以上局部的质量在内的全部往复惯性力；——连杆组质量为1.527kg；——计算截面以上局部的连杆质量1.13kg；根据条件得：=9.82KN；=40.91。对于靠近小头的杆身截面面积最小处的截面Π—Π来说，由引起的拉伸力：=47；杆身最小截面对其垂直于摆动平面的轴线的惯性矩：根据条件得：杆身中间截面对其位于摆动平面的轴线的惯性矩：根据条件得：；由压缩和纵弯曲引起的合成应力、在摆动平面内：根据条件得：；在垂直摆动平面内：；根据条件得：；那么在内燃机运转过程中该截面中应力变化的振幅等于：在摆动平面内：=；；在垂直于摆动平面内：；。该截面的抗疲劳平安序数为：式中——对称循环情况下材料的抗拉压疲劳强度，在近似计算中对于碳素钢可取：此处，对称循环情况下材料的抗弯曲疲劳强度；材料的强度极限。——应力集中系数，可取等于1；——考虑零件外表粗糙度影响系数，对于结构钢来说，当外表不加工时可取等于；——材料疲劳循环特性系数，可取等于0.2。根据条件得：，；杆身合格。3.73连杆大头的结构尺寸及其强度校核连杆大头必需具有足够刚度，杆身与大头之间具有平滑过渡，并尽量减小连杆螺栓之间的跨度，通常在连杆螺栓孔和大头孔之间留出的很薄的壁厚，而螺栓孔外侧的壁较厚，一般不小于。在斜切口的连杆上，当连杆承受拉伸力P的作用时，沿剖分面将作用有相当大的横向力。在这种情况下，为了保证工作可靠，常采用以下方法定位：①止口定位，这种定位方法工艺性较差，