四行程汽油機曲軸組設(shè)計(二)

《四行程汽油機曲軸組設(shè)計(二)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《四行程汽油機曲軸組設(shè)計(二)（25頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 目錄 1 前言 ??????????????????????????? ..???????? .1 2 構(gòu)參數(shù) 算 ????????????????????? ...?????????? 1 2.1 已知條件 ??????????????? .???????????? .? .?............. 1 2.2 機 構(gòu)形式 ???????????????????????????.?..1 2.3 機主要 構(gòu)參數(shù) ?? ..?????? ..???????? .?? .????? ........

2、.. 1 3 力學 算 ???????????????????????? ..???????? .2 3.1 多 指數(shù)的 ???????????? ... ??????????????......... 2 3.2 力升高比的 ?????????????????????????? ........ 2 3.3 制 P～V ??????????????? .????????????? ........ 3 ～ 的 整 ????????????? ...??????????????

3、....... 4 3.4 P V 4 力學 算 ???????????????????? ..???????????? .4 5 運 學 算 ?????????????????? .??????????? .??? .6 5.1 活塞位移 ?? ..???????????????????????????......... 6 5.2 活塞速度 ????????? ..????????????????????? ......... 6 5.3 活塞加速度 ??? ..????????????????????

4、?????? .......... 7 6 曲 零件 構(gòu) ..................................................................................................................... 10 6.1 曲 的工作條件、 構(gòu)型式和材料的 11 .....................................................................

5、 6.2 曲 主要尺寸的確定和 構(gòu) 12 ............................................................................. 7 曲 度的校核 13 ....................................................................................................................... 7.1 靜

6、 度 算 ???????????????????????????? 14 ....... 7.2 曲 疲 度校核 ????????????????????????? 16 ......... 8 小 ???????????????? ...????????????? ..?.?? ..... 18 參 考 文 獻 ???????????????? ..??????????? .?? .?? ...18 附表 ??????????????????

7、? .??????????? .?..?? ....... 19 1 2.6L 四行程汽油機曲軸組設(shè)計 1 前言 這個學期開設(shè)的《汽車發(fā)動機設(shè)計》課程設(shè)計是在我們學習了一些基礎(chǔ)制圖知識和汽 車以及發(fā)動機的整體知識框架后所給我們的一次很好的鍛煉，眾所周知現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展 越來越快，而作為汽車心臟的發(fā)動機自然也成為了發(fā)展的重中之重，發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和性能 對汽車起著決定性的影響，比如汽車的行使速度、加速

8、性能、爬坡度、牽引力等等都取決 于發(fā)動機，因此來說設(shè)計發(fā)動機是汽車設(shè)計的重中之重，而發(fā)動機的設(shè)計又對我們的想象 能力，制圖能力，分析計算能力，查閱各種工具書的能力無疑是一次很好的鍛煉，因此， 我們要充分利用這次課程設(shè)計的機會，認真對待，做好充分的準備 ，保證高質(zhì)量的去完 成，這也為以后學習打下了一個很好的基礎(chǔ)。 2 結(jié)構(gòu)參數(shù)計算 2.1 已知條件 平均有效壓力 :0.8～1.2MPa 活塞平均速度 : Vm<18m/s，取 Vm=16m/s 2.2 發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式 1.8L 汽油發(fā)動機設(shè)計，

9、參考楊連生版《內(nèi)燃機設(shè)計》設(shè)計為 4 缸 4 沖程汽油機，冷卻方式 采用水冷。 2.3 發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 由 S*3.14*D^2=2.6L 取 S/D=1.03 得 D=92mm 則 S=1.03D=97mm (S 與 D 均取整 ) 參考楊連生版《內(nèi)燃機設(shè)計》 S/D 的取值范圍在 0.8 ～1.2 之間， 2 P e = 0.07854 pemVmzD 2 = 0.07854 12 4 * 13.17 D 2 ＝95.60kW 4 Va ε= 取 ε =9

10、； 由 Va=Vs+Vc Vc 則氣缸工作容積 Vs= D 2 S 0.644L 4 Va=0.725L Vc=0.081L n= 30Cm =4948 r/min S n 角速度 ω= =3.14 4700/30=517.89rad/s 曲柄半徑 r=S/2=48.5mm 3 熱力學計算 壓縮始點的壓強 Pa=0.8~0.9P0 ；取 Pa=0.085MPa 3.1 多變指數(shù)的選擇 壓縮過程： 取壓縮沖程終點（設(shè)為 B 點），從 A 點（壓縮過程始點）到

11、B 點的壓縮過程看作是多 變的壓縮過程，壓縮多變指數(shù)范圍為 n1 ， 取 1 =1.28~1.35 n =1.28 膨脹過程： 取定容增壓的終點（設(shè)為 C 點），從 B 點到 C 點看作為定容壓縮過程，膨脹多變指數(shù) 范圍為 n2=1.30~1.40 取 n2=1.35 n n 由 P1 V 1 =P2V 2 可計算得到壓縮終點壓力為： Pc=1.415 MPa 3.2 壓力升高比的選擇 查得壓力升高比 p =Pc/Pa；λ在 6～9 之間。取 p =7 則 Pz= p *Pc=7*1.415MPa

12、=9.905MPa，圓整后 Pgmax=（ Pz-Pc）*2/3+Pc=7.075MPa 3 3.3 繪制（理想） P～V 圖 得到未調(diào)整的 P-V 圖(數(shù)據(jù)見附表 3) 圖 1 3.4 P ～V 圖的調(diào)整 發(fā)動機實際過程比較復雜，所以在得到的 P～V 圖上要修正得到，最高壓力不在上止 點，還有點火提前角，排氣提前角的修正，顯然實際的邊界條件是不可能得到的，所

13、以要 做一些適當?shù)男拚? 調(diào)整后的燃氣壓力（ MPa） 7.000 6.000 ） 5.000 a 4.000 P M （ 3.000 P 2.000 1.000 0.000  調(diào)整后的燃氣壓力（ MPa） 0.0000 100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 600.000 0 0 0 0 0 0 V（mL） 圖 2 4

14、 4 動力學計算 由曲柄連桿機構(gòu)的受力分析計算： 2 P=Pg+Pj =Pg-mjr ω(cos +λ cos2 ) =Pg-mjj （mj 為機構(gòu)往復慣性質(zhì)量） 活塞質(zhì)量 mP=214.94g 連桿小頭質(zhì)量 .m4= B1 45(D12 d12 ) =81.66g 4 連桿質(zhì)量 m=0.00063(D-80)2+0.0476(D-80)+0.2149 ≈1.05kg 估算 mj= mP+m3+m4≈ 387.22g P 在連桿小頭處即活塞銷孔處分解為 Pn 和 P1，而 P1 又在兩岸大頭分解為 K 和 t，又

15、 根據(jù)《汽車發(fā)動機設(shè)計》有 Pn=P*tg β P Pl= cos l p cos() k= P cos( +β )= cos t P sin( ) （數(shù)據(jù)見附表 4） cos 5

16、 6 5 運動學計算 λ =1/3-1/5 取 λ =0.292 5.1 活塞位移

17、 X= r[ （1- cos (1 cos2 ) ）+ ] （數(shù)據(jù)見附表 2） 4 5.2 活塞速度 v= r （ sin + sin 2 ）（數(shù)據(jù)見附表 2） 2 7

18、 5.3 活塞加速度 j = r 2 (cos cos2 ) （數(shù)據(jù)見附表 2） 6 曲軸零件結(jié)構(gòu)設(shè)計 6.1 曲軸的工作條件、結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 6.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計要求 曲軸是在不斷周期性的氣體壓力、往復和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩（扭 轉(zhuǎn)和彎曲） 共同作用下工作的， 使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲， 產(chǎn)生疲勞應力狀態(tài)。 對于各種曲軸， 彎曲載荷具有決定性意義，而扭轉(zhuǎn)載

19、荷僅占次要地位，曲軸破壞統(tǒng)計表明， 80％左右是由 彎曲疲勞產(chǎn)生的。因此，曲軸結(jié)構(gòu)強度研究的重點是彎曲疲勞強度。設(shè)計曲軸時，應保證 8 它有盡可能高的彎曲強度和扭轉(zhuǎn)剛度。要使它具有足夠的疲勞強度，特別要注意強化應力 集中部位，設(shè)法緩和應力集中現(xiàn)象，也就是采用局部強化的方法來解決曲軸強度不足的矛 盾。 曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動摩擦。這些軸承在 實際變工況運轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體摩擦，尤其當潤滑不潔凈時，軸頸表面遭到強烈 的磨料磨損，使得曲軸的實際使用壽命大大降低。所以設(shè)計曲軸時，要

20、使其各摩擦表面耐 磨，各軸頸應具有足夠的承壓面積同時給予盡可能好的工作條件。 設(shè)計要求： 1、保證具有足夠的彎曲疲勞強度和扭轉(zhuǎn)疲勞強度； 2、保證曲軸具有盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度； 3、軸承具有足夠大的承壓面積，軸頸耐磨； 4、盡量采用普通材料；工藝性好，質(zhì)量小。 6.1.2 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 曲軸從整體結(jié)構(gòu)上看可以分為整體式和組合式，隨著復雜結(jié)構(gòu)鑄造和鍛造技術(shù)的進 步，現(xiàn)代內(nèi)燃機幾乎全部都用整體式曲軸。從支承方式看，曲軸有全支承結(jié)構(gòu)和浮動支承 結(jié)構(gòu)，為了提高曲軸的彎曲強度和剛度，現(xiàn)代多缸內(nèi)燃機的曲軸都采用全支承結(jié)

21、構(gòu)。 6.1.3 曲軸的材料 曲軸材料一般使用 45，40Cr，35Mn2等中碳鋼和中碳合金鋼。軸頸表面經(jīng)高頻淬火或 氮化處理，最后進行精加工。發(fā)動機曲軸的材料性能要求有較高的強度、沖擊韌性、耐磨 性。本設(shè)計采用 45 鋼鍛造，熱處理采用調(diào)質(zhì)，材料具有較高的綜合機械性能，軸徑表面 再進行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。 6.2 曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計 6.2.1 主要尺寸 綜合以上考慮，確定主要尺寸如下： 主軸頸直徑 D1=(0.65~0.75)D=60mm 主軸頸長度 L1=24mm 曲柄銷直徑 D2=(0.

22、55~0.65)D=55mm 曲柄銷長度 L2=(0.35~0.45)D2=36mm 9 曲柄臂厚度 h=（0.2~0.25 ）D=25mm 曲柄臂寬度 b=（0.8~1.2 ）D=85mm 根據(jù)主軸頸長度和曲柄銷長度以及曲柄臂的厚度，確定缸心距為 L=2h+L1+L2=110mm 6.2.2 一些細節(jié)設(shè)計 6.2.2.1 油道布置 在確定主軸頸上油道入口和曲柄銷上油道出口的位置時，既要考慮到有利于供油又要 考慮到油孔對軸頸強度的影響最小。 一般油孔只要安排在曲拐平面旋轉(zhuǎn)前 40～ 90的低 負荷區(qū)

23、都是合理的，油道不能離軸頸過渡圓角太近。油孔直徑一般不大于 0.1d 2 ，但最小 不得小于 5mm?？卓诓粦屑饨卿J邊，而應有不小于 0.04 d 2 的圓角以減緩應力集中。 6.2.2.2 曲軸兩端的結(jié)構(gòu) 曲軸前端一般裝有扭轉(zhuǎn)減震器，發(fā)動機的各種輔助裝置如機油泵，冷卻水泵等，由安 裝在前端的齒輪或皮帶輪驅(qū)動，配氣正時齒輪也安裝在曲軸前端。 曲軸末端裝有飛輪，用于輸出總轉(zhuǎn)矩，因此末端要做的粗一些。 6.2.2.3 曲軸的止推 為了防止曲軸產(chǎn)生軸向位移，在曲軸機體之間需要設(shè)置一個止推軸承，承受斜齒輪的 軸向分力和踩離合器產(chǎn)生的軸向推力。一般

24、將止推軸承設(shè)置在中央軸承的兩側(cè)或后主軸承 的兩側(cè)。止推軸承間隙多為 0.05-0.2mm。 6.2.2.4 過渡圓角 主軸頸到曲柄臂的弧度圓角半徑 R 對于曲軸彎曲疲勞強度影響很大，增加圓角對于提 高曲軸疲勞強度非常有利， 但對于表面耐磨性有不利影響， 在保證耐磨條件下取最大圓角。 一般 R 不應小于 2mm，否則無法加工。 6.2.2.5 平衡分析 （1）旋轉(zhuǎn)慣性力 Rrx mr r 2 sin ， 因為 mrr 2 為常數(shù)， sin 在一個圓周上積分結(jié)果為 ，故原式等于 0。 0 Rr y

25、 mr r 2 cos ， 因為 mr r 2 為常數(shù)，且 cos 在一個圓周上積分為 0，故原式等于 0 Rr {( Rrx )2 ( Rr y ) 2 } 0.5 , 10 由于 Rrx 和 Rry 都為 0，故原式等于 0 （2）一階往復慣性力 Pj mr r 2 cos , 因為 - mr r 2 為常數(shù)，且 cos 在一個圓周上積分為 0，故原式等于 0 （3）二階往復慣性力 Pj mrr 2 cos(2

26、 ) 4mrr 2 cos(2 ), 因為 -4 mr r 2 為常數(shù)，且 cos2 在一個圓周上積分為 0，故原式等于 0 （4）旋轉(zhuǎn)慣性力矩 Mrx ry r 2 sin 2 R r sin2m r 故得 Mr Mrx Mry 0; （5）一階往復慣性力矩 M j r 2 cos , P r m r 因為 - mr r 2 為常數(shù)，且 cos 在一個圓周上積分為 0，故原式等于 0 （6）二階往復慣

27、性力矩 M Pj r mrr 2 2 cos , 因為 - mr r 2 為常數(shù)，且 cos 在一個圓周上積分為 0，故原式等于 0 7. 曲軸強度的校核 7.1 靜強度計算 由前面動力學計算查附表，靜強度校核要用到的基本數(shù)據(jù)如下： 徑向力 pkmax 10.187 ( 0.092)2 106 67684.87N 2 pk min 1.307 ( 0.092)2 106 8684.02N 2 切向力 pt max 2.860

28、 0.092 ) 2 6 19002.53N ( 10 2 p 0.688 ( 0.092)2 106 4571.24N t min 2 24 36 25 55mm 主軸頸中心到曲柄銷中心的距離 La 2 主軸頸中心到曲柄臂中心的距離 Lb 24 25 24.5mm 2 主軸頸兩端的徑向反力 pk pk

29、11 切向反力 Pt Pt r D1 7.1.1 連桿軸頸的計算 （1）在曲拐平面內(nèi)的彎曲應力 x M x 32Pk La 67684.87 0.055 32 228.03MPa W D23 3.14 0.0553 （2）在垂直于曲拐平面的彎曲應力 y M y 32PLta 19008.53 0.055 32 W D23 3.14 0.0553 64.04MPa (3) 彎曲總應力 2 2 64.0

30、42 236.85MPa x y 228.032 (4) 扭轉(zhuǎn)應力 Prt 19008.53 0.0485 16 28.24MPa k 3.14 0.0553 Wp (5) 彎扭總應力 cy 2 4 k2 236.852 4 28.24 2 243.49 MPa 各應力小于該材料所許可的最大應力 [ ] ＝800MPa，所以在允許范圍內(nèi)。 7.1.2 曲柄臂計算 （1）壓縮應力： Pk max 67684.87 c bh 0.085 3

31、1.85MPa 0.025 （2）彎曲應力： 曲拐平面 K M K 6Pk max La 67684.87 0.055 6 123.64MPa Wx hb 2 0.025 0.0852 垂直曲拐平面： T M T 6Pt max r 19008.53 0.0485 6 105.36 MPa Wy bh2 0.085 0.0252 （3）扭矩 Mk引起的彎曲應力 12

32、 M k 6Pt max y 19008.53 0.0485 6 105.36MPa max bh2 0.085 0.0252 Wy （4）扭矩 M k 易引起的扭轉(zhuǎn)應力 M k 6Pt max Lb 19008.53 0.0245 6 k max Wy bh 2 0.085 0.0252 53.25MPa (5) 彎扭總應力： 2 cy c 4  2 2 2 k max 31.85 4 53.25 111.45MPa 各應力小

33、于該材料所許可的最大應力 [ σ ] ＝ 800MPa，所以在允許范圍內(nèi)。 7.2 曲軸疲勞強度校核 由于曲軸工作時承受交變載荷，它的破壞往往都由疲勞產(chǎn)生。因此，對內(nèi)燃機各種曲軸均 須進行疲勞校驗。曲柄的疲勞強度驗算的目的是曲軸不但在運轉(zhuǎn)中安全可靠，而且能充分 利用材料的疲勞強度。為此，要求能夠較精確的確定曲軸的疲勞強度和曲軸運轉(zhuǎn)時的實際 應力。 M max＝820.90Nm ； M min＝-184.33Nm 7.2.1 主軸頸的計算 Wk D13 3.14 0.0603 4.24 10 5 3 16 16 m

34、 max M max 820.90 19.36MPa Wk 4.24 10 5 min M min 184.33 4.35MPa Wk 4.24 10 5 n 2 1 2 187 1.826 6.31 k 0.25 19.36 4.35 max min max

35、min 19.36 4.35 0.78 1 ：材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限。參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 209 頁知： 1 =187MPa k ：有效總不均勻度系數(shù)。 k 1 q ( 1) 1 0.7 (2.18 1) 1.826 q ：應力集中敏感系數(shù)。參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 213 頁知： q =0.7 ：因圓角半徑過小引起的固有應力集中系數(shù)，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》知： =2.18 ：強化系數(shù)，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 212 頁知： =1.6 ：尺寸系數(shù)，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 212 頁知： 0.78 1

36、3 ：材料對應力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 212 頁知： 2 1 0 0.25 0 結(jié)論， n [ n] (2.5 ~ 3.5) 此主軸頸疲勞強度是安全的。 7.2.2 連桿軸頸計算 M max 32 M max 820.90 32 38.73MPa max D13 3.14 0.06 3 W M min 184.33 32 8.70MPa min 3.14 0.063

37、 Wk n 2 1 2 335 1.56 7.03 k 38.73 8.70 0.43 38.73 8.70 max min max min 0.84 k ：有效總不均勻度系數(shù)， k 1 q ( 1 1) 1 0.7(1.8 1) 1.56 q ：應力集中敏感系數(shù)，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 209 頁知： q =0.7。 1 ：曲軸材料對稱循環(huán)彎曲疲勞強度極限。參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 213

38、頁知： 1 335Mpa ：強化系數(shù)，由于設(shè)計時選取的加工工藝為滾壓圓角，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 212 頁知：=1.6 ：絕對尺寸影響系數(shù)，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 212 頁知： 0.84 ：材料對應力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，參考《內(nèi)燃機設(shè)計》第 212 頁知： 2 扭轉(zhuǎn)疲勞  1 0 0.43 0 M max 16Pt max L1 19008.53 0.024 16 10.76MPa max D13 3.14 0.063 Wk

39、 M min 4571.24 0.024 16 2.59MPa min 3.14 0.063 Wk 14 n 2 1 k max min max min  2 187 11.23 1.826 10.76 2.59 0.25 10.76 2.59 0.78 結(jié)論， n [ n] (2.5 ~ 3

40、.5) 此連桿頸疲勞強度是安全的。 7.2.3 曲柄臂計算 （1） 彎曲應力： M max 6Pk max Lb 67684.87 0.0245 6 max W hb2 0.025 0.082 62.19MPa min M min 4571.24 0.0245 6 4.20MPa W 0.025 0.082 n 2 1 2 335 k 1.56 4.52

41、 0.43 62.19 4.20 max min max min 62.19 4.20 0.84 (2) 扭轉(zhuǎn)應力： 6Ptmax Lb 19008.53 0.0245 6 max hb2 0.025 0.082 17.46MPa M min 4571.24 0.0245 6 min Wk1 0.025 0.082 4.20MPa n 2 1 k

42、 max min max min  2 187 6.92 1.826 4.20 0.25 17.46 4.20 17.46 0.78 n n 4.52 6.92 3.78 n n2 4.522 6.922 n2 大于極限安全系數(shù) n [ n] (2.5 ~ 3.5) ，曲軸機構(gòu)強度是安全的。 8 小結(jié) 通過這次課程設(shè)計連桿組的設(shè)計，是在我們學習了《工程制圖》 、《汽車構(gòu)造》、《內(nèi)燃

43、機原理》、《汽車發(fā)動機設(shè)計》以及大二和大三進行過的課程設(shè)計的基礎(chǔ)上的一次專業(yè)課程 設(shè)計，我學到了許多大三、大四都沒來得及好好學的關(guān)鍵內(nèi)容，而且在實踐中運用，更是 15 令我印象深刻，深切體會到課程設(shè)計并非以前所想像的那樣紙上談兵。所有理論、公式都 是為實踐操作而誕生的。可以說是對我所學知識的一次很好的鞏固和回憶，并且在設(shè)計過 程中，我還學會了查詢各種工具書的方法，提高了想象能力，學會了怎樣把學到的各門學 科的知識融會貫通，并提高了作圖的能力以及用 Excel 處理數(shù)據(jù)和繪制圖形的技能，使我 對發(fā)動機原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了更加

44、深刻的認識。 9 參考文獻 [1] 楊連生．內(nèi)燃機設(shè)計．北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社， 1981． [2] 陸際青．汽車發(fā)動機設(shè)計．北京：清華大學出版社， 1990．． [3] 唐增寶，何永然，劉安?。畽C械設(shè)計課程設(shè)計． 武漢：華中科技大學出版社， 1999． [4] 周龍保．內(nèi)燃機學．北京：機械工業(yè)出版社， 2005． [5] 吳兆漢．內(nèi)燃機設(shè)計．北京：北京理工大學出版社， 1990． [6] 沈維道．工程熱力學．北京：高等教育出版社， 2002． 16