发动机曲柄连杆机构的设计 更新版

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摘要

以桑塔纳2000AJR型发动机为例，基于相关参数对发动机曲柄滑块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，并进行相关力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很多，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，本次设计在清晰、全面剖析的基础上，有机地将各研究模块联系起来，达到既简便又清晰的设计目的，力求为发动机曲柄滑块机构的设计提供一种综合全面的思路。

分析研究的主要模块分为以下三个部分：第一，对发动机曲柄滑块机构进行力学分析，着重分析活塞的位移、速度、加速度以及工质的作用力和机构的惯性力；第二，进行曲柄滑块机构活塞组、连杆组以及曲轴的结构设计，并对其强度和刚度进行校核；第三，应用Pro∕Engineer 建立曲柄滑块机构主要零部件的几何模型，并利用Pro/Mechanism进行机构仿真。

关键词：发动机；曲柄滑块机构；力学分析；机构仿真

目录

第一章绪论 (1)

1.1国内外发展现状 (1)

1.2研究的主要内容 (1)

第二章总体方案的设计 (2)

2.1原始参数的选定 (2)

2.2原理性方案设计 (2)

2.3 结构的设计 (3)

2.4 确定设计方案 (3)

第三章中心曲柄连杆机构的设计 (4)

3.1 气缸内的作用力分析 (4)

3.2 惯性力的计算 (4)

第四章活塞以及连杆组件的设计 (6)

4.1 设计活塞组件 (6)

4.2 设计活塞销 (7)

4.3 活塞销座 (7)

4.4 连杆的设计 (7)

第五章曲轴的设计 (9)

5.1 曲轴的材料的选择 (9)

5.2 确定曲轴的主要尺寸和结构细节 (9)

第六章曲柄连杆机构的创建 (11)

6.1 活塞的创建 (11)

6.2 连杆的创建 (12)

6.3 曲轴的创建 (14)

6.4 曲柄连杆机构其它零件的创建 (16)

第七章活塞及连杆的装配 (17)

7．1添加活塞组件 (17)

7.2添加连杆体组件 (17)

7.3曲轴连杆的连接 (18)

总结....................................................... 错误！未定义书签。参考文献. (22)

结束语 (23)

第一章绪论

1.1 国内外发展现状

水冷式四冲程往复活塞式内燃机是目前使用最广泛的内燃机,应用于轿车、公交车和柴油机的中型和重型卡车。最出名的发动机,是转子活塞式发动机,也称为转子式发动机，但应用很少。

就全球的汽车发展而言,汽车发动机技术，具有优良的性能,更好的燃油经济性和动力性能，得到越来越广泛的关注。发动机会越来越向环境保护和节能的方向发展。

1.2研究的主要内容

以桑塔纳2000AJR型的发动机为例，对发动机中的曲柄滑块机构，进行深入的分析与研究，研究内容如下：

（1)对曲柄滑块机构的力学进行分析,对曲柄滑块机构的主要部件进行强度、刚度计算,以便满足设计所需要的要求。

(2)分析活塞，活塞销，活塞销座的设计要求，确定主要结构的尺寸。

(3)应用Pro / E软件建模来装配曲柄滑块机构的相关组件，最后组装成一个完整的机构。

第二章总体方案的设计

2.1原始参数的选定

以桑塔纳2000AJR型的内燃机为例，它主要性能参数如表2.1所示：

表2-1 桑塔纳2000AJR型内燃机参数

2.2原理性方案设计

连杆是发动机的动力传输系统,是完成能量转换的主要运动部分。活塞连杆组:活塞、活塞销、连杆;曲轴部件:曲轴、飞轮、曲轴正齿轮的三个部分。工作原理是:在燃料燃烧的能量,推动活塞上下移动,然后通过连杆带动曲轴圆周运动。吸入空气,排出废气,配备进口和排气系统,推动活塞往复运动。四缸发动机的工作循环包括四个冲程:进气、压缩、做功和排气。进气冲程:汽油发动机将汽缸和油门之外混合空气吸入发动机,形成可燃混合气并吸入气缸。压缩冲程:为了使可燃混合物快速燃烧,产生更大压力,产生更高的动力引擎,所以对混合气体进行压缩,因此,需要压缩。做功冲程:在做功中,进、排气阀关闭,活塞上到顶点附近时的火花塞旁时，点燃可燃混合气体。混合物燃烧。排气冲程:生成废气体后,活塞到达下止点后再向上移动,继续将废气排出来完成一个工作循环。

2.3 结构的设计

根据运动学的角度来看，连杆可分为三类: 中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。根据设计要求，中心曲柄连杆的特点符合标准。

中心曲柄连杆机构

它的特点是气缸的中心线通过曲轴的旋转中心与轴垂直于曲柄。这种类型的发动机曲柄连杆机构是使用范围最广的。一般单一式内燃机和活塞式内燃机曲柄连杆机构属于这一类。

2.4 确定设计方案

通过对三种连杆的比较,设计选型为中心曲柄连杆机构,中心曲柄连杆机构图如图2-1所示, 曲轴中心为O，曲柄为OB，连杆为AB，曲柄销中心为B，A为连杆小头孔中心或活塞销中心为A。

图2-1 中心曲柄连杆机构运动简图

第三章 中心曲柄连杆机构的设计

研究曲柄连杆的受力分析,关键要对曲柄连杆机构的所受到的力进行分析,根据力和曲柄连杆机构的各部件强度、刚度和磨损分析，计算和设计出适合的发动机中心曲柄,实现发动机的输出和转速等各方面的要求。

作用在曲柄连杆机构上的力可以分为:气缸内气体的压力、运动的惯性力,摩擦阻力和发动机曲轴上的负载力。但运动阻力以及负载力难以判断，因此只要研究气体的压力和惯性力的变化。相关参数表1已给出。

3.1 气缸内的作用力分析

作用在活塞上的气体作用力g P 等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞顶面积的乘积，即 )(4'2

p p D P g -=π （3.1）

公式中：g P 为活塞上的气体作用力，单位：N ；

p 为缸内绝对压力，单位：MPa ；

p '为大气压力，单位：MPa ；

D 为活塞直径，单位：mm 。

由于活塞直径是一定的，活塞上的气体作用力取决于活塞上、下两面的空间内气体压力差p p '-，对于四缸的发动机来说，一般取p '=0.1MPa ，mm D 965.80=

3.2 惯性力的计算

惯性力是由于物体运动速度不均而产生的，为了确定机构的惯性力，首先要知道其加速度和质量的分布。并加以简化，来进行惯性力的计算。

连杆质量的换算

为了对连杆质量方便计算，将整个连杆（包括有关附属零件）的质量L m 用两个换算质量1m 和2m 来代换，并假设是1m 集中作用在连杆小头中心处，并只做往复运动的质量；2m 是集中作用在连杆大头中心处，并只沿着圆周做旋转运动的质量，如图3-2 所示：

图3-2 连杆质量的换算简图

第四章活塞以及连杆组件的设计

4.1 设计活塞组件

活塞组包括活塞、活塞销与活塞缸等部件,它们是发动机中最重要的部分。发动机工作的可靠性和耐久性,在很大程度上与活塞组有关。

4.1.1活塞组的设计要求

(1)热强度高、耐磨性好,热膨胀系数小,导热性好,减摩性能好,材料的工艺性好。

(2)活塞的形状和壁厚要合理。能充分散热,强度高、刚度高,避免应力集中。

(3)保证燃烧室里的气密性好,减少活塞摩擦损失

(4)降低机油消耗,保证滑动面有足够的机油。

4.1.2 材料要求

根据上面的要求设计的活塞,活塞材料应当具备下列条件:

(1)热强度高。

(2)良好的导热性良好、热吸收能力差，能减少顶部和环的温度,减少热应力的散失。

(3)膨胀系数很小。

(4)良好的减摩性能良好。

(5)工艺性好,便宜。

综合考虑发动机的活塞应采用铸造铝硅合金材料。

4.1.3 活塞头部的设计要求

其主要目的是气体压力,并通过针连杆、活塞环和汽缸密封在同一时间一起工作介质。所以,活塞头的设计应满足一下要求:

(1)有足够的机械强度和刚度,避免开裂和过度变形,因为变形会影响活塞环的正常工作。

(2)保高温,温差小,防止过度的热变形和热应力的产生,避免热疲劳裂纹。

(3)尽可能紧凑的尺寸，以便降低活塞质量。

4.2 设计活塞销

4.2.1 活塞销的结构和尺寸

活塞销的结构为圆柱体，中空形式，可以减少往复惯性的质量，能够有效的利用自身的材料。活塞销与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合，采用“全浮式”配合。活塞销的外直径D d )3.0~25.0(1=，取mm D d 265.22275.01==，活塞销的内直径12)75.0~65.0(d d =，取mm d d 585.157.012==活塞销长度D l )9.0~8.0(=，取mm D l 768.648.0==

4.2.2、材料的选择

活塞销材料为低碳合金钢，表面渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。表面加工精度及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。

4.3 活塞销座

活塞销是用来支持活塞,传输功率。销应该适当有足够的强度和刚度,使针能够适应变形的活塞销,以避免销产生应力集中引起的疲劳断裂;同时表面有足够的压力和高耐磨性。

活塞销座的内径mm d 265.220=，活塞销座外径d 一般等于内径的6.1~4.1倍，取mm d d 4.335.10==，

活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销—销座系统的工作越可靠，所以，一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为mm 5~4，但当制造精度有保证时，两边共mm 3~2就足够了，取间隙为mm 3。

4.4 连杆的设计

4.4.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用 A 、设计要求

连杆的主要气体压力和往复惯性力产生的交变载荷,因此,应该首先保证连杆的设计有足够的疲劳强度和钢结构。如果实力不够,连杆螺栓、大发生颅或轴断裂,造成严重的事故,同时,如果连杆组的刚度不足,也将带来坏曲柄连杆机构的工作。

所以连杆的设计是一个轻量级的主要需求结构在保证足够的刚度和强度。所以我们必须选择高强度的材料,结构合理的形状和大小。

B 、材料的选择

为了确保光的条件下连杆结构具有足够的刚度和强度,碳含量的选择45优质碳素结构钢锻造、喷丸表面处理,提高强度。

4.4.2 连杆长度的确定

设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度l 它通常是用连杆比l r /=λ来说明的，通常~25.0=λ0.3125，取3.0=λ，mm r 2.43=，则mm l 1443

.02.43==。

第五章 曲轴的设计

5.1 曲轴的材料的选择

球墨铸铁就其机械性能和使用性能而言，比其它多种铸铁都要好。该发动机曲轴宜采用球墨铸铁而造。

5.2 确定曲轴的主要尺寸和结构细节

5.2.1 曲柄销的直径和长度

曲柄销的长度2l 是在选定的基础上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发，应使2l 控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调，根据统计2l /2D =40.0~35.0，取2l =0.402D =19.43mm 。

轴颈的尺寸，最后可以根据承压面的投影面积22201.0l D F =与活塞投影面积24D F π=

之比来校核，此比值据统计在范围内，而且汽油机偏下限。 那么由15.0965.804

43.1958.4801.0401.02222=???==ππD l D F F ，则长度取值合适。 5.2.2 主轴颈的直径和长度

为了最大限度地增加曲轴的刚度，适当地加粗主轴颈，这样可以增加曲轴轴颈的重叠度，从而提高曲轴刚度，其次，加粗主轴颈后可以相对缩短其长度，从而给加厚曲柄提高其强度提供可能。从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取21)25.1~05.1(D D =，取1D =1.112D =54mm 。

据统计4.0~3.0/1=D l ，取1l =0.31D =25.10mm 。

5.2.3 曲柄

曲柄应选择适当的厚度、宽度，以使曲轴有足够的刚度和强度。为提高曲柄的抗弯能力，适当增加曲柄的厚度，曲柄的形状采用椭圆形，为了能最大限度地减轻曲轴的重量，并减小曲柄相对于主轴颈中心的不平衡旋转质量，将曲柄上肩部多余的金属削去。根据统计，曲柄的宽度2.1~75.0/=D b ，取mm D b 06.891.1==，厚度25.0~18.0/=D h ，取mm D h 8.1722.0==。

曲柄臂以凸肩接主轴颈和曲柄销。凸肩的厚度δ根据曲轴加工工艺决定。全加工曲轴δ

的只有0.5~1mm ，取δ=1mm 。

5.2.4 油孔的位置和尺寸

为保证曲轴轴承工作可靠，对它们必需有充分的润滑。曲轴中油道的尺寸和布置直接影响它的强度和刚度，同时也影响轴承工作的可靠性。

由于油道位于曲拐平面内，油道出口处应力集中现象严重，当油道中心线与轴颈中心线的夹角?>30θ时，最大应力增加很快，因此油孔设在θ小于?30处[10]。 油道的孔径一般在210

1D 左右，取为4mm 。 5.2.5 曲轴两端的结构

曲轴上带动辅助系统的正时齿轮和皮带轮一般装在曲轴的前端，因为结构简单，维修方便。发动机的配气机构也是由曲轴自由端驱动。这是应为曲轴自由端的轴颈允许较细，可以采用节圆直径小的齿轮，消除扭转振动的减振器装在曲轴前端，因为这里的振幅最大。 把机油像个螺母一样地退了回去，不使它漏出机体外[17]。

第六章曲柄滑块机构的创建

6.1 活塞的创建

6.1.1首先要创建活塞的1/4轮廓大小

创建活塞轮廓，用【偏移坐标系基准点】，来完成，将上一步创建的点用【插入基准曲线】来连成曲线，选择旋转角度为“90”用【旋转工具】来完成。如图6-1所示：6.1.2 创建活塞的销孔

创建剪切特征，运用【旋转】，选择【去除材料】来完成，创建销座模型并拉伸出通孔运用【拉伸】来完成，创建活塞销卡环槽，运用【旋转】，选择【去除材料】来完成，拉伸方式为“通孔”，运用【拉伸】来完成，创建裙部特征，选择【去除材料】。如图6-2所示。

图6-1 创建的活塞1/4轮廓图6-2 拉伸切除结果

6.1.3 镜像生成整个活塞

选取整个模型，然后运用【镜像】，用来生成1/2活塞。如图6-3所示，再选取已经生成的一半的活塞，就可以生成完整的活塞。

6.1.4创建顶部凹槽

生成顶部凹槽可运用【拉伸】，拉伸方式为盲孔，选择【去除材料】就可以完成。

6.1.5 曲柄头部气环槽和油环槽的创建

运用【旋转】，【去除材料】，通过旋转360度，可以创建旋转剪切特征，选择【阵列】，对上一步创建的特征进行再生，生成一些活塞环槽护圈，运用【旋转】，【去除材料】，创建气环槽和油环槽。如图6-4所示：

6.1.6 创建油孔

新建基准平面，设置间距，运用“扫描”，“切口”命令，“扫描轨迹”，选取草绘

平面，选择【自由端点】，完成一个油孔扫描，选择【阵列】，修改阵列尺寸，完成1/2活塞的油孔创建，再通过镜像完成整个活塞油孔创建。

6.1.7 创建各处倒圆角

图6-3 创建镜像特征图6-4旋转切除结果

6.2 连杆的创建

6.2.1 连杆的建模思路

连杆由连杆体和连杆盖组成，所以可以对连杆体和连杆盖分别建模，完成后进行装配。连杆具有两个互相垂直的对称面，建模过程中可以利用两个对称平面，对局部特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。

6.2.2 连杆体的建模步骤

A、创建连杆体1/2杆身

运用【拉伸】，拉伸方式为【盲孔】，拉伸为实体如图6-5所示：

图6-5 拉伸创建连杆体1/2杆身图6-6 连杆大小端拉伸特征

B、创建连杆体大小头

运用【拉伸】分别创建连杆大小头特征，如图6-6所示，

C、创建连杆体两侧凸台

选取草绘平面，运用【拉伸】，生成一侧凸台，运用【拉伸】，细化凸台特征，运用

【镜像】生成连杆另一侧凸台，然后对两条拉伸边依次进行“倒圆角”命令。

D、创建连杆体拔模特征

运用【拔模】，设置“拔模曲面”和“拔模枢轴”，完成曲面拔模特征，如图6-7所示。

图6-7 曲面拔模设置图6-8 完成曲面拔模特征

E、创建连杆体凹槽

运用【拉伸】，创建连杆体凹槽轮廓，再运用【拔模】，完成曲面拔模特征，并参照上述步骤，完成槽的另一侧拔模，结果如图6-8所示。

F、镜像生成完整连杆体特征

运用【镜像】，选择所有特征，生成完整的连杆体特征。

G、创建两侧凸台螺纹孔

运用【孔】，依次选取主次参照面，创建标准孔，设置通孔，添加攻丝，选择全螺纹，再运用【镜像】，完成螺纹孔的创建。

H、创建连杆体小头凸台及孔

新建基准平面，完成拉伸草绘，拉伸方式为【拉伸到下一个曲面】，运用【旋转】，旋转轴为“内部CL”，旋转角度为“360”，选择【除料】，完成小头孔的特征创建。

I、创建连杆大头内侧凹槽

新建基准平面，运用【拉伸】，选择【拉伸至指定深度】，【除料】，完成定位凹槽创建。

6.2.3 连杆盖的建模

运用【拉伸】、【拔模】、【旋转】，【孔】以及【镜像】，参照连杆体大头的建模步骤，完成连杆盖的创建，并进行倒圆角和倒边角处理，结果如图6-9所示：

图6-9 连杆盖特征

6.3 曲轴的创建

6.3.1 曲轴的建模思路

曲轴的曲拐部分是对称的，4个平衡块特征的叠加完成曲轴大致一半的特征，所以先建立一半曲拐特征，再细化平衡块上的特征，然后镜像生成完整的曲拐，最后再对曲轴两端的特征分别创建，即完成特征的操作。

6.3.2 曲轴的建模步骤

A、创建第Ⅰ平衡块

运用【拉伸】创建曲轴主轴颈的1/2部分，在上一步的基础上创建主轴颈和平衡重连接部分的凸肩，选取上一步完成的凸肩曲面作为草绘平面，并拉伸为实体，如图6-10所示。

B、创建第Ⅱ平衡块

同样的方法，运用【拉伸】，完成第Ⅱ平衡块的创建，如图6-11所示。

C、创建第Ⅲ、第Ⅳ平衡块

同样的方法绘制草图，创建第Ⅲ平衡块，结果如图6-12所示。

D、细化曲轴曲拐特征

运用【旋转工具】，选择【去除材料】，旋转角度“180”，依次完成对平衡块的细化特征，如图6-13所示：

图6-10 拉伸结果图6-11 拉伸结果

图6-12拉伸结果图6-13 旋转去除材料结果

E、曲轴曲拐部分的镜像

连续选取模型树已经创建好的所有特征，选择“组”命令，然后对“组”进行“镜像”，完成特征的创建，如图6-14所示：

图6-14曲轴对称部分的镜像

F、创建曲轴前端特征

运用【拉伸工具】创建曲轴前端轴颈及轴颈处凸台部分，新建基准平面，拉伸去除材料，完成前端键槽的创建。

G、创建曲轴后端特征

同样的方法拉伸生成曲轴后端轴颈部分，运用【旋转工具】，选择【去除材料】，旋转角度为“360”，调整去除材料方向，完成曲轴后端部分的创建。

H、细化曲轴两端特征

在曲轴两端平面上，运用【孔工具】，【阵列工具】，添加螺纹孔。

最后结果如图6-15、图6-16所示。

图6-15 曲轴前端特征图6-16 曲轴后端特征

I、创建倒圆角及油孔

运用“倒圆角”命令，分别对曲轴主轴颈、连杆轴颈与平衡块连接处的边进行圆角修整。运用【旋转工具】，新建基准轴，选择【去除材料】，创建油孔。

最后结果如图6-17所示：

图6-17 曲轴整体特征

6.4 曲柄连杆机构其它零件的创建

6.4.1 活塞销的创建

两次运用【拉伸工具】，首先建立活塞销的轮廓体，然后选择【去除材料】，结果如图6-18所示：

图6-18 活塞销图6-19 活塞销卡环

6.4.2 活塞销卡环的创建

运用【拉伸工具】完成活塞销卡环特征的创建，如图6-19所示。

6.4.3 连杆螺栓的创建

A.根据所选螺栓参数，运用【拉伸工具】创建螺栓的整体轮廓，然后运用【螺旋扫描】创建螺纹，最后结果如图6-20所示。

B.运用【拉伸工具】创建螺母轮廓，然后选择【去除材料】，并运用【旋转工具】创建旋转切削特征，然后运用【螺旋扫描】创建螺纹，如图6-21所示。

图6-20 连杆螺栓图6-21 螺母

第七章活塞及连杆的装配

7．1添加活塞组件

新建组件文件，运用【添加元件】，将活塞添加到缺失位置，并向组件中添加活塞销卡环及活塞销。

装配图如图7-1所示：

图7-1 活塞组装配图

7.2添加连杆体组件

新建组件文件，运用【添加元件】，将连杆体添加到“缺失”位置，完成连杆体的装配，并向组件中添加连杆衬套，连杆轴瓦，连杆盖，连杆螺栓。

连杆组件的装配图如图7-2所示：

图7-2 连杆组装配图