柴油机曲柄连杆机构的设计方案

目录前言2第一章柴油机总体设计方案4§1.1 高速柴油机设计的要求4§1.2 柴油机设计的内容4§1.2.1高速柴油机用途的确定4§1.2.2 柴油机类型的确定5§1.2.3 柴油机主要设计参数的确定6第二章主要零部件设计及计算11§2.1 连杆组的设计11§2.1.1 连杆的工作情况11§2.1.2在设计中应注意的地方11§2.1.3 连杆的材料11§2.1.4 连杆长度的确定12§2.1.5连杆小头的设计12§2.1.6 连杆杆身的设计13§2.1.7 连杆大头的设计14§2.2 活塞组的设计16§2.2.1 活塞16§2.2.2 活塞环22§2.2.3 活塞销23第三章连杆强度校核24§3.1 连杆小头计算24§3.2 连杆杆身的强度计算25§3.3连杆大头盖的计算26第四章结论27参考文献28致谢29前言375柴油机是我国三缸柴油机系列中的主要产品，是我国经济体制改革不断深入，农村生产飞速发展的产物。

传统的375柴油机母型是六十年代后期开发的产品，笨重而且燃油高、经济动力性能差，为此作者在国内的现有生产条件下，借鉴国内外先进设计理念与生产技术，在原有机型的基础设计375柴油机，该375柴油机是三缸，自然吸气，直列四冲程，水冷直喷，高速柴油机，在提高发动机的经济、动力性能的同时降低有害物的排放，同时仍然保持原机可靠性、耐久性、经济实用、使用维修方便的优点，广泛应用于农用运输机、拖拉机、小型机械，这些优点使其更好的融入农村生产，备受购买力相对较弱的农民群体的欢迎，因此该产品的开发拥有很广阔的市场。

国家的排放法规日益严格，国家对柴油机的微粒排放的关注度也日益提高，原来375柴油机存在的微粒和烟度的排放较高，针对这方面的缺点开发水冷直喷的燃烧室，其良好的燃油经济性、结构简单、起动容易优点，不仅能够有效的降低微粒和烟度的排放，而且能够降低油耗，从而满足现代的节能减排的新观念，该优点亦符合农村购买标准之一。

375柴油机一般用于农用运输和动力，国内农用机械配套动力要求动力充足可靠性高、经济性好，柴油机以其低速扭矩大、经济性好、可靠性高等优点占据主流，在农业机械化的大背景下，原来柴油机笨重，油耗高，功率低等已不能够满足新时代的要求，为了适应国内农用机械功率增长的需要，在原来的基础上开发出来的375柴油机，该发动机在排量、功率、动力性能等都有一定的增加，并且节省材料。

该柴油机可以配套拖拉机、农用运输机、排灌机械、收割机等农用机械，也可以和空压机、矿石机械翻斗机、小型发电机组等。

475柴油机是四缸机，活塞行程为90mm，标定功率为24KW；某些企业的涡流475柴油机普遍存在油耗高、排气温度高等问题，若能把475型柴油机的涡流燃烧系统造成直喷式燃烧系统，能够使油耗大幅度降低、烟度排放少，特别严格的排放法规的实施，迫使人们在保持原有研究成果的同时，换一个角度去探索各种燃烧室及其供油系统、进气系统匹配的问题，475柴油机采用螺旋进气道的设计，促进空气和燃油的混合；采用哑铃型的燃烧室，增大转动惯量提高涡流强度，形成很好的进气涡流改善烟度排放，大幅度降低低速时的烟度排放；供油提前角的范围广，并且最佳供油提前角减少，因而降低噪音、振动和良好的低速转矩特性；为了适应475型柴油机直喷化的需要，选用BQ泵。

475柴油机以其结构简单紧凑、重量轻、使用维修方便、可靠性能强，经济实用，广泛的应用于农用运输机、轻卡、拖拉机小型工程机械、发电机组等作为动力。

柴油机作为各种机械的动力装置，活塞是其主要的配件之一，由于它在气缸内以高速作匀速往复运动，且在高温、高压和液体润滑困难等条件下工作，所以是一种容易磨损的配件。

发动机性能的优劣很大程度决定于生产工艺和加工水平，工艺设计水平越高，机械加工能力越强，发动机性能越好。

所以活塞的工艺设计对发动机性能有至关重要的影响。

目前，在中小型柴油机方面开展的研究工作大都放在减少废气排放，因此出现深盆顶活塞的应用，这是专为改善燃烧状况减少碳氢化合物而设计的。

近十年来，开发能满足Pz高达25Mpa的活塞的要求越来越迫切。

与球铁相比，锻钢具有更高的机械强度和延伸率，只有选材和工艺处理适当，即能保证活塞工作安全可靠，由此产生了可以承受更高Pz的锻钢整体活塞和钢顶钢裙组合活塞，整体锻钢活塞适用于较小缸径柴油机。

连杆是发动机中传动力的重要零件，它把活塞上的往复惯性力传递给曲轴以输出功率，连杆在工作过程中主要承受装配载荷和交变载荷的作用，工作较苛刻。

环保节能是现代汽车的发展方向，因此对发动机连杆的要求是:不仅要有足够的强度和刚度，而且要尺寸小、重量轻，为实现这一要求，现代汽车发动机零部件设计开发必须采用现代设计方法及技术。

针对柴油机连杆小头断裂的问题，在进行连杆设计中通过对不同的连杆小头壁厚和连杆小头的过渡圆角进行有限元分析，选择合适的过渡圆角和小头壁厚以达到设计要求，而连杆大头采用“工”字形结构时，其安全系数比连杆大头采用圆形结构提高40%以上，其重量也比圆形结构轻。

“工”字形结构还能很好的控制大头孔的变形，而连杆大头与支撑面采用半圆弧的安全系数有很大的提高。

第一章柴油机总体设计方案§1.1 高速柴油机设计的要求高速柴油机设计应满足下列基本要求：1、最佳的使用性能包括最佳的动力性能、最小的外形尺寸、最轻的总质量，能满足各种特定用途对发动机性能的要求。

2、最佳的经济性能主要可以概括为下列三方面：<1）最佳的使用经济性包括完善的工作过程，特别是组织良好的燃烧过程，以降低燃油消耗；精心设计润滑系统，在保证发动机获得良好润滑的前提下降低润滑油消耗量；具有良好的装拆工艺性，易于装拆、维修，减少维修费用的支出。

<2）最佳的制造经济性包括优化设计，使整机及零部件具有良好的加工工艺性；选用价廉适用的制造材料；选用优质、价廉的零配件；降低不必要的加工精度。

<3）最好的可靠性和最长的使用寿命这是发动机成功的重要标志。

首先在结构上要保证发动机具有良好的刚度，在各种工况下工作时，各零部件不允许发生不正常的变形和振动。

发动机的各易磨损件要有必要的寿命，所有摩擦副在设计时应考虑减摩措施和材料的配对等。

3、最佳的环保性能目的在于减少有害物质的排放。

日益严格的环保法规对柴油机的废气排放提出了更高的要求。

因此在设计阶段，在燃烧过程的组织、排放后处理等方面，应考虑采取相应的措施[1]。

§1.2 柴油机设计的内容§1.2.1 高速柴油机用途的确定发动机的具体用途是设计的重要依据，不针对具体用途无法设计一台优秀的发动机。

对高速柴油机而言，产量最大的配套是各种车辆，其它依次为拖拉机和各种农业机械、工程机械等。

各种用途对发动机的要求不同。

若要设计成功一台理想的发动机，针对其具体用途进行设计是至关重要的。

本次设计的375柴油机是针对拖拉机和农用汽车进行配套设计的，同时它也可以用于其它领域[1]。

§1.2.2柴油机类型的确定1、四冲程及两冲程目前我国使用的机型均为四冲程，国外绝大部分机型也是四冲程。

四冲程柴油机四个行程完成一个工作循环，在相同的活塞排量和转速下，非增压时功率比二冲程柴油机低，但易于组织增压，增压比比较高。

在转速不变的情况下通过增压可较大幅度的提高发动机的功率。

活塞组热负荷低，工作过程易于组织，动力性和燃油经济性好，燃油消耗率低，机油消耗率低，且低速性能好，可以有较大的扭矩储备，可以在较宽广的转速范围内获得良好经济性能。

燃油喷射系统转速较低，便于设计制造，且寿命较长，可靠性好。

因此，我们选择的机型为四冲程柴油机。

2、冷却方式目前世界各国生产的机型仍以水冷为主。

中、小型有风冷品种，但品种不多。

签于风冷机型在制造上要求较高、难度较大，大批量生产和销售均有难度，此次设计为水冷方式。

水冷冷却较均匀，热负荷低，充气效率、平均有效压力及升功率高，气缸冷却效率高，且较均匀，活塞与缸套间隙较小，这些都有利于柴油机的进一步强化和降低废气排放。

3、气缸布置气缸布置形式有直列立式，卧式；斜置；V型。

其所以有各种气缸布置形式，是基于配套机型总体布置的要求，或有利于平衡、散热等。

V型布置则主要为了缩短6缸以上多缸机的长度，以利于发动机与各种机型更完善的匹配。

此次设计为三缸，小缸径柴油机，故采用直列立式气缸布置。

4、进气系统是否增压采用增压可改善排放，增大功率，降低燃油消耗等，特别在改善排放方面，增压及增压中冷具有决定性的作用。

但由于技术和成本的原因，此次设计暂且不用增压系统。

5、气门数常规高速柴油机多为二气门，而实践证明，多气门对高速柴油机工作过程，特别是进气和燃烧的改善有很好的作用，但其铸造要求高，成本高，在目前排放指标不是很高的情况下我们仍采用二气门。

6、燃烧室类型燃烧室类型对于高速柴油机的燃烧过程和性能的影响很大，直接体现在燃油消耗率上。

由于直喷式燃烧系统动力性好，燃油、机油消耗率低、启动性能好，以及寿命长等特点，它比分开式燃烧室燃油消耗率低5%—10%左右。

在节约能源上有巨大优势，所以此次设计采用直喷式，燃烧室形状为ω型。

7、凸轮轴侧置与顶置侧置凸轮轴是现代高速柴油机传统设计的标准模式，被广泛采用。

此次设计为侧置式，用齿轮传动[1]。

§1.2.3 柴油机主要设计参数的确定高速柴油机的主要设计参数有如下众所周知的关系<1-1）式中，Pe为有效功率<kw）；Pme为平均有效压力<kpa）；n为转速<r/min）；i为气缸数；Vs为每缸活塞排量<l）；τ为冲程数[2]。

对上述参数的正确选择是设计一台优秀发动机的前提。

1、有效功率的确定在确定高速柴油机有效功率<kw）时，必须考虑另一与功率有密切联系的扭矩值<N·m）及其储备，功率与扭矩均随发动机的用途而异。

对于车用高速柴油机而言，其功率视车辆的用途、车辆的总质量而定。

我国载货车与功率的匹配，一般遵循下列关系：轻型载货车为12～15kw/t；中型载货车为10～12kw/t；重型载货车为6～10kw/t；载货车的扭矩储备要求略低，但亦应达到10%以上。

拖拉机用发动机的功率由牵引力而定，一般每吨的牵引力配用18～20kw，扭矩储备率要求高于汽车，一般在15%及以上。

工程机械的配套动力亦随其工作能力的大小而定，如叉车，3吨配备功率30～35kw；5吨则为40～45kw……扭矩储备要求很高，一般为20%～30%以上，有些机型要求高达40%～50%[1]。

2、转速的选定发动机的转速随其配套对象而异。