汽车发动机曲柄连杆机构_汽车发动机曲柄连杆机构结构设计的问题和策略分析

时间:2020-01-13 07:18:36 来源:易达学习网 本文已影响 易达学习网

汽车发动机曲柄连杆机构结构设计的问题和策略分析

汽车发动机曲柄连杆机构结构设计的问题和策略分析 0 引言 曲柄连杆机构即活塞组、连杆组和曲轴组。曲柄连杆机 构是发动机中的能源转化机构,它将化学能转化为机械能, 将活塞的往复运动传递给曲轴带动外设运转。

1 曲柄连杆机构的结构设计 1.1 活塞的结构设计 1.1.1 活塞的载荷 在内燃机中,活塞组是工作强度最大的组件之一。活塞 的工作条件比较恶劣,其受到的主要载荷有以下几点:
1)承受很大的机械载荷 在内燃机工作中,活塞组承受的机械载荷包括气体压力、 惯性力以及由此产生的侧向作用力。

近代内燃机中,汽油机的最大气体压力Pg max约为 3-6MPa,非增压柴油机Pg max值约为6-9MPa,而增压柴油机 Pg max值约为13-15MPa。

由于内燃机的转速不断提高,活塞的往复运动也日益增 大,一般车用内燃机活塞平均速度一般可高达9~13m/s。由 于加速度很大,活塞组在往复运动中会产生很大的惯性力, 同时,内燃机在速燃期,其压力升高率dp/dφ可达 0.6-0.8MPa/(°)。所以对曲柄连杆机构来说,具有很大 的冲击作用。

活塞各部位在机械载荷的作用下产生不同的压力:活塞顶部有动态弯曲压力,活塞销座承受拉力及弯曲,环岸承受 弯曲及剪应力。此外,在环槽及裙部还有较大的磨损。

2)承受很高的热载荷 在内燃机工作过程中,内室中燃气的最高温度一般可达 到2000℃左右,因为活塞顶是直接和燃气接触的,因此活塞 承受的温度很高。除此之外,它还需要接受摩擦生成的热量。

同时,由于活塞向汽缸壁散热的条件不好导致活塞的工作温 度达到更高。内燃机活塞温度状况与很多因素有关,例如内 燃机的类型、功率大小、采用的燃烧系统、活塞的结构形式 以及采用的材料等。

1.1.2 活塞基本尺寸的确定 活塞的主要尺寸参数如图1所示。

图1 活塞的主要尺寸参数 1)压缩高度H■ 压缩高度的选取将直接影响内燃机的总高度,以及汽缸 套、机体的尺寸和质量。从图1可以看出压缩高度H■是由顶 岸高度h1、环带高度h2和上裙尺寸h3构成的,即:
H■=h■+h■+h■ (1)顶岸高度h■ 顶岸高度确定了第一环的位置,由于第一环最靠近燃烧 室,热载荷很高,h■值应取得大些,可使第一环离燃烧室 远一些,以减轻第一环槽的热载荷。但为了减小活塞组质量 和降低压缩高度,以缩小活塞头部与气缸套件的间隙容积,又希望h■值取得小些。同时h■取小些,还可有利于充分利 用燃烧室容积,并减小在此间隙内因不完全燃烧而产生的炭 化氢。顶岸高度还受到顶部形状和冷却腔位置的影响。总之, 顶岸高度的选取原则是:在满足第一环槽热载荷要求的前提 下,尽量取得小些。

(2)环带高度h■ 环带高度h■主要取决于活塞环数目,活塞环高度和环 岸高度。在保证密封燃气和防止机油上蹿的前提下,为了减 少摩擦损失、减小活塞质量和降低内燃机高度,总希望减少 环数。目前中速内燃机一般用3-4道气环和1-2道油环。

(3)上裙尺寸h■ 选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处 于销座外径上面,并且保证销座的强度不致因开槽而消弱, 同时也不致因销座处材料分布不均引起变形,影响油环工作。

综上所述,可以得到活塞的压缩高度H■的计算方法。

对大功率柴油机而言,活塞压缩高度H■的大致范围为:
d≤200mm时,H■=(0.05~0.80)d d>200mm时,H■=(0.80~1.0)d 2)裙步高度场 活塞裙部的主要功能是引导活塞运动并承受侧压力。因 此,在决定活塞裙部长度时应保证足够的承压面积,以减少 比压和磨损。一般按下式校核比压q:
q=P■/D·H■式中:P■为最大侧作用力,有动力计算求得,可近似 取最大气体压力的8%-12%,N;
D为活塞直径,m;
H■为裙部 高度,m。

一般内燃机活塞裙部比压值约为0.5-1.5MPa,强化内燃 机、锻铝活塞裙部q值可达2MPa。

上裙尺寸h■和下裙尺寸h■之间应有适当的比例,也就 是要合理确定活塞销座孔中心的位置,防止活塞在工作时发 生倾斜而造成局部的强烈磨损。一般情况下,有下式计算:
h■=(0.60~0.75)H■ 一般H■=(0.65~0.90)d,近来有缩短裙部尺寸的趋 势。

3)活塞总高度H H=h■+h■+h■ 一般H=(1~1.4)d。

4)活塞销座孔直径d■ 通常情况下活塞销座孔直径就是活塞销直径。希望尽量 加大活塞销直径,减小销座孔、销及连杆小头孔的比压,改 善活塞销的受力和润滑情况,减小活塞销的工作应力和变形。

统计表明,随着缸径加大,d■/d也加大。

1.2 连杆的结构设计 1.2.1 连杆的特点分析 连杆由连杆体和连杆盖两部分组成。工作时,连杆体、 连杆盖和曲轴通过螺栓和螺母装配在一起,连杆小头和活塞销通过活塞装配在一起。连杆它能够将活塞的往复直线运动 转化为曲轴的旋转运动。下面介绍连杆的一些细节特点:
1)连杆共有两个互相垂直的对称面,其中一个平行 于连杆的圆环形端面,另外一个则通过两端圆孔的轴线。

2)因为连杆毛坯包括连杆体上的槽和凸台都是通过锻 造成型的,所以连杆体和连杆盖都具有模锻斜度。

3)连杆毛坯成型以后,主要加工表面集中在两端面和 孔。

4)连杆体和连杆盖属于配对零件,需要同步加工,在 装配和工作时具有唯一性。

1.2.2 连杆的设计要点 连杆主要设计尺寸如图1所示。其基本尺寸有连杆长度l、 小头孔直径d■、小头宽度B■、大头孔直径d■和大头宽度 B■,还有连杆工字形断面尺寸H■和B■等。

图2 连杆主要尺寸 连杆长度l是内燃机重要的尺寸参数选择之一,它的选 择会影响连杆本身的设计和内燃机的总体设计。连杆长度一 般越短越好,因为采用较短的连杆,可以缩短内燃机的总高 度,同时增强了连杆的结构刚度。但是l减小使连杆比λ增 大,使二阶惯性力增大,又由于连杆最大摆角增大,使活塞 侧向力增大。

连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑,多用工字形断 面。中央断面的工字形高度H■与宽度B■之比多为1.4-1.8,而B■/D=0.25-0.35。现代汽油机连杆杆身平均断面积等于 活塞面积的2%-3.5%。

在进行连杆设计时,要同时考虑连杆小头孔壁厚,还要 注意小头到杆身过渡的圆滑性使尽量减少这里的应力集中 尽量减小。连杆小头孔中压入由锡青铜板材的衬套,其厚度 汽油机为0.5-1.5mm。

进行连杆大头孔形状设计时也应该要特别注意降低应 力集中的要求。例如,连杆螺栓的支撑面往往是裂纹的源头, 应有足够的过渡圆角,并仔细加工。连杆大头多采用平切口 结构,它形状简单,结构紧凑,工作可靠。不过,从内燃机 装拆方便性出发,要求连杆大头在拆卸连杆盖后能通过气缸 孔。实践表明,当曲柄销直径超过0.65D时,具有足够强度 的平切口连杆大头就不能满足上述要求。这时就采用斜切口 连杆。

2 曲轴的结构设计 2.1 曲轴的特点分析 为了保证发动机长期可靠的工作,曲轴具有以下特点:
1)曲轴上的连杆轴颈偏置于曲轴的中心线,在连杆轴 颈的相反方向上都设有平衡重,以避免曲轴旋转时,产生严 重的振动。

2)曲轴上有钻通的油孔,润滑油经过油道,从主轴颈 流到连杆轴颈,进行润滑。

2.2 轴的结构设计要点曲轴从总体结构看可分为整体式和组合式两种。随着复 杂结构锻造和铸造技术的进步,现代中、小功率高速内燃机 几乎都采用整体式曲轴。因为它结构简单,加工容易。

为了提高曲轴的弯曲刚度和强度,现代多缸内燃机的曲 轴都采用全支撑结构,即每一曲拐之间都有主轴承。

为了降低曲拐旋转惯性力引起的曲轴内弯曲和主轴承 的附加动载荷,即使整体看来已经动平衡的多拐曲轴也大多 带有平衡块。

2.3 曲轴的形状系数计算 所谓形状系数是指曲柄上实测的最大应力与不考虑应 力集中计算所得到的名义应力的比值,它与曲轴各部分的结 构及尺寸密切相关。曲轴的形状系数通常根据实验应力分析 法求得。

1)圆角弯曲形状系数 根据定义,弯曲形状系数可表示为:
α■=σ■/σ■ 式中:σ■为曲轴圆角处实测的最大弯曲应力,MPa;

σ■为弯曲应力,MPa。

2)圆角扭转形状系数 圆角扭转形状系数α■可定义为:
α■=τ■/τ■ 式中:τ■为曲轴圆角出实测的最大剪切应力,MPa。

3 曲柄连杆机构设计算例本文以四行程汽油机为研究对象,排量2.0L,最大功率 112kw,转速6000r/min。下面给出曲柄连杆机构各主要尺寸 参数的选定过程。

3.1 气缸直径的确定 根据所选研究对象汽油机发动机的排量为2.0L,平均有 效压力:P=0.8-1.2MPa,活塞平均速度Cm<18m/s。内燃机学 的基本计算公式如下:
P■=P■·V■·i·n/30τ ?自■=S·n/30 V■=D2·S·π/4 式中:P■为发动机的有效功率;
P■为发动机的平均有 效压力,依据研究对象为0.8-1.2MPa;
V■为气缸的工作容 积,依据研究对象为0.5L;
i为发动机的气缸数目,本文中 为4;
n为发动机的转速,本论文中为6000r/min;
?自■为 活塞的平均速度,本文中<18m/s;
S为发动机的行程;
D为发 动机气缸直径;
τ为发动机的行程数,本文中为4。

将上诉条件代入上述三式得:
85=■ 计算化简后取D=85mm,S=90nun。

3.2 缸径行程比S/D 汽油机S/D的取值范围为0.8-1.2,本文中S/D=1.06。

3.3 缸心距的确定 由于汽油机缸套的缸心矩LO/D为1.12-1.24,所以初选LO/D=1.2,得LO=102mm。

3.4 活塞主要尺寸的确定 根据活塞的主要尺寸比例如表1所示,确定活塞主要尺 寸:
表1 活塞主要尺寸比例 活塞高度H=D=85mm;
压缩高度H1=0.8D=68mm;
顶部高度 h=0.07D=59.5mm;
环带高度取15mm。

活塞顶部厚度σ为0.06~0.10D,取σ为6mm。

活塞头部要安装活塞环,侧壁必须加厚,一般取 (0.05-0.10)D,取0.1D,厚度则为8.5mm。

为改善散热状况,活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过 度圆角,一般取R=0.05-0.10D,则圆角半径取为4mm。

活塞销座间距B一般取0.35-0.40D,则取活塞销座间距 为34mm。

活塞销外径d一般取0.25-0.30D,则取d=0.3D=25.5mm。

活塞销内径d2一般取0.48-0.6d,则取d2=12.8mm。

活塞销长度l一般取0.9-0.95D,则取l=80mm。

3.5 连杆主要尺寸确定 连杆长度L与结构参数λ=R/L有关,根据本文研究对象 的参数,选择λ=0.28则取L=134mn。

连杆小头孔内径R11=0.12-0.15D,本文取为12mm。

连杆大头孔内径R22=0.45-0.60D,本文取为48mm。

3.6 曲轴主要的尺寸确定根据前面的计算我们知道:曲轴是全支承的,曲轴对称 布置,但是平衡重是不对称布置的,曲轴半径R=38.7mm,连 杆长度l=133.45mm。根据有关曲轴各部分的主要结构关系, 曲轴轴颈的外径我们取下列曲轴曲拐的主要参数:
D4=0.62D=52.7,长度l1=0.3D=25.8mm。

连杆轴颈的外径D3=0.59D=50,1max=0.5D=42.5mm;

曲柄臂的计算截面,宽度b=1.0D=85mm,厚度h=0.2D =17mm。

4 结束语 总之,随着汽车行业的不断进步对汽车各种性能要求也 在不断提高。低噪声发动机的设计已成为一个重要的研究方 向,其中研究的重点是具有高平衡性的曲柄连杆机构。

【参考文献】 [1]夏长高,王凌云.车用发动机曲柄连杆机构动力学分 析[J].拖拉机与农用运输车,2004(5):29-32. [2]高秀华,郭建华.内燃机[M].北京:化学工业出版社, 2006.

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