02-曲柄连杆机构设计

汽车与发动机设计曲柄连杆机构设计汽车与发动机设计目录一、曲轴飞轮组设计二、连杆组设计三、活塞组设计汽车与发动机设计曲柄连杆机构CrankshaftandConnectingRod将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动，并输出动力。汽车与发动机设计连杆曲轴组件是内燃机主要的受力运动件，它们在缸内气压力的压缩及往复和旋转惯性力拉伸作用下应具有足够的强度，以防疲劳破坏，这是它们的设计焦点。连杆和曲轴的轴承应保持工作可靠而耐久，而这些轴承可以说是机械制造业中工作条件最严酷的轴承。汽车与发动机设计•工作条件：•高温（2500K以上）•高压（5～9MPa）•高速(3000～6000r/min)(100～200冲程/秒)•(线速度大)•化学腐蚀(如气缸、气缸盖、活塞组等)汽车与发动机设计•曲柄连杆机构：高压、变速运动•作用力（复杂）：•气体作用力•往复惯性与离心力•摩擦力•外界阻力•一、曲柄连杆机构的受力汽车与发动机设计（1）气体作用力Gasforce•四个冲程：气体压力始终存在。•进气、排气两冲程：气体压力较小，对机件影响不大。•作功和压缩两冲程：气体作用力大汽车与发动机设计作功冲程(Powerstroke)：气体压力推动活塞向下运动的力。高压燃气直接作用在活塞顶部。Fp活塞活塞销Fp1、Fp2Fp1连杆曲柄销R、S。R曲柄方向主轴颈与主轴承压紧S垂直方向(压紧力)转矩T旋转Fp2侧压力翻倒机体下部应支承汽车与发动机设计压缩冲程(CompressionStroke)气体压力：阻碍活塞向上运动F’pF’p1、F’p2F’p1R’，S’R’压紧力；S’旋转阻力矩T’，F’p2将活塞压向气缸的另一侧壁。汽车与发动机设计（2）往复惯性力与离心力Partsinertiaandcentrifugalforce往复运动的物体，当运动速度变化时，就要产生往复惯性力。物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力。汽车与发动机设计活塞和连杆小头往复直线运动，速度高、不断变化上止点下止点，速度变化规律：零增大最大(临近中间)减小零活塞向下运动:前半行程加速运动，惯性力向上，Fj；后半行程减速运动，惯性力向下，F’j活塞向上运动:前半行程惯性力向下后半行程惯性力向上汽车与发动机设计往复惯性力与离心力Partsinertiaandcentrifugalforce汽车与发动机设计往复惯性力(Partsinertiaforce)活塞、活塞销和连杆小头质量大、转速大往复惯性力大使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈承受周期性的附加载荷，加快轴承的磨损；末被平衡的变化着的惯性力传到气缸体后，还会引起发动机的振动。汽车与发动机设计•离心力(Partscentrifugalforce)：偏离轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头方向沿曲柄半径向外大小曲柄半径、旋转质量、转速。半径长、质量大、转速高离心力大。垂直方向分力与往复惯性力方向一致，加剧了发动机的上、下振动。水平方向分力使发动机产生水平方向振动。离心力使连杆大头的轴瓦和曲柄销，曲轴主轴颈及其轴承受到又一附加载荷，增加它们的变形和磨损。汽车与发动机设计（3）摩擦力(Friction)•摩擦力是任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间必定存在的，其最大值决定于上述各种力对摩擦面形成的正压力和摩擦系数。汽车与发动机设计(4)受力与变形(Forceanddistortion)•压缩•拉伸•弯曲•扭转汽车与发动机设计第一节曲轴的工作情况、结构型式和材料选择1.、曲轴的工作情况、设计要求曲轴是内燃机中价格最贵的重要零件。曲轴的成本大致占整机成本的1/10。曲轴承受着不断周期性变化的缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力引起的周期性变化的弯曲和扭转负荷。曲轴还可能承受扭转振动引起的附加扭转应力。曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳。所以，保证曲轴有足够的疲劳强度是曲轴设计的首要问题。曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑条件的要求。另一方面，曲轴轴颈直径加大会使摩擦损失增加。二、曲轴飞轮组设计汽车与发动机设计曲轴破坏形式：弯曲疲劳裂纹----从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45°折断曲轴；扭转疲劳破坏----通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45°剪断曲柄销。弯曲疲劳断口汽车与发动机设计总结起来，曲轴的工作条件为：1）受周期变化的力、力矩共同作用，曲轴既受弯曲又受扭转，承受交变疲劳载荷，重点是弯曲载荷。曲轴的破坏80%是弯曲疲劳破坏。2）由于曲轴形状复杂，应力集中严重，特别是在曲柄与轴颈过渡的圆角部分。3）曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重。汽车与发动机设计设计曲轴时要求：1）有足够的耐疲劳强度。2）有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨。3）尽量减少应力集中。4）刚度要好，变形小，否则使其他零件的工作条件恶化。汽车与发动机设计2、曲轴的材料曲轴材料要根据用途和强化程度正确选用。1）中碳钢。如选用45钢（碳的质量分数为0.42%~0.47%），绝大多数采用模锻制造。2）合金钢。在强化程度较高的发动机中采用，通常加入Cr、Ni、Mo、V、W等合金元素以提高曲轴的综合力学性能。3）球墨铸铁。球墨铸铁的力学性能和使用性能优于一般铸铁，在强度和刚度能够满足的条件下，使用球墨铸铁材料能够减少制造成本，而且由于材料本身的阻尼特性，还能够减小扭转振动的幅值。汽车与发动机设计1、曲轴的结构型式曲轴从总体结构看可分为整体式和组合式两种。随着复杂结构铸造和锻造技术的进步，现代中、小功率高速内燃机几乎都用整体曲轴，因为它结构简单，加工容易。第二节曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计汽车与发动机设计2、曲轴的长度曲轴的长度都是由总体布置来决定的，主要决定于：缸心矩L0、气缸直径D以及曲轴的支承形式。曲轴采用全支承时，曲轴的长度就要大一些。曲轴总长度定下来后，曲轴其他部位长度的确定就是如何合理分配的问题了。汽车与发动机设计为了降低曲拐旋转惯性力引起的曲轴内弯矩和主轴承的附加动负荷,曲轴大多带有平衡块(图11-22)。多缸内燃机的曲轴一般由多个相同的曲拐以及前端、后端构成。一个曲拐的主要尺寸参数有：曲柄销直径dcp(D2)和长度lcp(L2)；主轴颈直径dcj(D1)和长度lcj(L1)；曲柄臂的厚度hcw和宽度bcw；轴颈到曲柄臂的过渡圆角R(图11-22)。汽车与发动机设计3、曲柄销（连杆颈）直径D2和长度L2曲轴尺寸中最值得关注的是曲柄销（连杆颈）直径D2和曲柄臂厚hcw。曲柄销（连杆颈）直径D2增大使连杆轴承工作条件改善,曲轴强度和刚度提高,但同时使连杆尺寸增大,曲轴旋转质量增大,平衡块加大；使曲轴扭振频率下降,所以要特别慎重地选择。汽车与发动机设计当前的设计趋势是：增加D2，减小L2。这样设计的优点是：1）L2一定时，D2增加，比压下降，耐磨性提高。2）D2增加时，弯曲刚度增加，扭转刚度增加。3）L2下降时，纵向尺寸下降，曲轴刚度提高。从润滑理论来讲，希望L2/D2≈0.4。因为L2/D2过小，润滑油很容易从滑动轴承两端泄掉，油膜压力建立不起来，轴承的承载能力下降。如果L2/D2过大，润滑油流动不畅，导致油温升高，润滑油粘度下降和承载能力下降。而且L2过大时曲轴变形大，容易形成棱缘负荷。汽车与发动机设计提高D2受到两个限制：1）D2增加导致离心力增加，转动惯量增加。2）受到连杆大头及剖分面形式的影响，一般D2/D的取值为斜切口平切口7.0~65.065.02DD承压面积（cm2）A2=0.01D2L2，一般与活塞顶投影面积A的比值为A2/A=0.2~0.5，对于汽油机取值偏下。汽车与发动机设计4、主轴颈直径D1和长度L1从曲轴全长等刚度出发，应该设计成D1=D2；从曲轴等强度出发，D1＜D2。但是实际结构中，主轴颈D1都大于连杆轴颈D2。这样做的原因是：1）D1增加，可以提高曲轴刚度，增加了曲柄刚度，不增加离心力。2）D1增加，可增加扭转刚度，固有频率ωe增加，转动惯量I增加不多。但是，D1增加，主轴承圆周速度增加，摩擦损失增加，油温提高。一般D1/D2≈1.05~1.25，L1＜L2，L1/D1≥0.3。多缸发动机的曲柄销长度是相等的，但是主轴颈的长度则不一定相等。负荷较大的主轴颈应该长一些，安装止推轴承的主轴承也要长一些。汽车与发动机设计5、轴颈到曲柄臂的过渡圆角半径RR对曲轴弯曲和扭转的应力集中有很大影响，是决定曲轴弯曲疲劳强度的主要参数。增大R对提高曲轴疲劳强度非常有效。但增大R意味着缩小轴承承压长度,所以这里又存在一个强度与耐磨性之间的矛盾,要合理折中。过渡圆角半径不仅要足够大,而且要仔细加工,形状必须圆滑,表面必须光洁。圆角加工后再进行滚压,不但可以减小表面粗糙度值,而且在表层造成残余压缩应力,因而可提高弯曲疲劳强度30~60%。R=(0.05～0.10)dR2mm汽车与发动机设计6、曲柄在确定曲柄的尺寸时，应该考虑到曲柄往往是整体式曲柄中的最薄弱环节。疲劳裂纹往往起源于高度应力集中的过渡圆角处。曲柄在曲拐平面内的抗弯能力以其矩形断面的抗弯断面模数Wσ来衡量：（5-2）增加曲柄的厚度h要比增加曲柄的宽度b要好的多。）3(mm62bhW汽车与发动机设计7、平衡重设计平衡重时：①应尽可能使平衡重的重心远离曲轴旋转中心。即用较轻的重量达到较好的效果。②平衡重的径向尺寸和厚度应以不碰活塞裙底和连杆大头能通过为限度。燕尾槽结构：螺钉不承受平衡重的离心力，仅起拉紧作用。纵向切槽：为了增加弹性，槽下方的小圆孔则是为了减小应力集中和退力。为了消除螺钉可能承受剪切力，要设计定位凸台或定位齿。汽车与发动机设计8、油孔的位置和尺寸将润滑油输送到曲轴油道中去的供油方法有两种：①集中供油②分路供油①润滑油一般从机体上的主轴油道通过主轴承的上轴瓦引入。因为上轴瓦仅承受惯性力的作用，比下轴瓦受力要低一些。②从主轴颈向曲柄销供油一般采用斜油道。直的斜油道结构最简单，但有两个主要缺点：一是油道位于曲拐平面内，油道出口处应力集中现象严重。二是斜油道相对轴承摩擦面是倾斜的，润滑油中的杂质受离心力的作用总是冲向轴承的一边。汽车与发动机设计油孔的布置应该由曲轴强度、轴承负荷分布和加工工艺综合确定：1）设在低负荷区，保证润滑油出口阻力小，供油充分。2）从强度来讲，应该在曲拐平面运转前方=45°~90°处，即弯曲的中性面上，使得加工方便，曲轴切应力最小。汽车与发动机设计9、曲轴两端的结构曲轴上带动辅助系统的驱动齿轮和皮带轮一般装在曲轴的前端，当曲轴因受离合器的作用力、斜齿的轴向力和热膨胀而产生轴向位移时，将影响配气和供油定时。多缸发动机由于曲轴较长，往往把传动齿轮装在曲轴后端。曲轴后端设有法兰或加粗的轴颈，飞轮与后端用螺栓和定位销连接。定位销用来保证重装飞轮时保持飞轮与曲轴的装配位置。故定位销的布置是不对称的或只有一个。汽车与发动机设计10、曲轴的止推曲轴由于受热膨胀而伸长或受斜齿轮及离合器等的轴向力会产生轴向移动，为防止曲轴的轴向位移，在曲轴与机体之间设置止推轴承。止推轴承只能设置一个，以使曲轴相对于机体能自由地沿轴向作热膨胀。1.从减小轴向移动对配气定时和供油定时的影响出发，希望把止推轴承设在前端。2.止推轴承设置在后端则可以避免曲轴各曲拐承受功率消耗者的轴向推力的作用。3.从降低曲轴和机体加工尺寸链精度要求出发，也可设在曲轴中央。汽车与发动机设计11、曲轴的油封装置发动机工作时，为了防止曲轴前后端沿着轴向漏油，曲轴应有油封装置。在高速内燃机上采用的油封结构都是组合式的，常用的有：1）甩油盘和反油螺纹；2）甩油盘和填料（石棉绳）油封；3）甩油盘和橡胶骨架式油封；汽车与发动机设计曲柄销直径D2和长度L2；主轴颈直径D1和长度L1；曲柄臂的厚度h和宽度b；轴颈到曲柄臂的过渡圆角R斜切口平切口7.0~65.065.02DDL2/D2≈0.4D1/D2≈1.05~1.25，L1＜L2，L1/D1≥0.3R=(0.05～0.10)dR2mm62bhW汽车与发动机设计1、结构