寶馬轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模研究摘要：隨著我國(guó)汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，合資企業(yè)的引進(jìn)，國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)入，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化配置正逐步形成規(guī)模。但是汽車行業(yè)在大規(guī)模使用發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)存在不同程度的振動(dòng)，這樣會(huì)導(dǎo)致人們?cè)谛旭傔^(guò)程中分散注意力，轉(zhuǎn)而產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此，對(duì)于這種現(xiàn)象，根據(jù)相關(guān)參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算。同時(shí)，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的活塞連桿組以及曲柄曲軸進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度等方面的校核。利用三維建模軟件UGNX12對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)建并設(shè)計(jì)，其中包括對(duì)活塞部分，連桿部分，曲軸部分的實(shí)體模型建立，然后進(jìn)行裝配得到曲柄連桿機(jī)構(gòu)總裝配。最后對(duì)總體的設(shè)計(jì)合理總結(jié)，所設(shè)計(jì)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)滿足使用性，也能保證各個(gè)性能工作安全可靠。關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；曲柄連桿；設(shè)計(jì)計(jì)算；模型建立與裝配目錄第1章緒論 1第2章總體方案設(shè)計(jì) 22.1原始參數(shù)的選定 22.2設(shè)計(jì)方案的確定 2第3章活塞連桿組設(shè)計(jì) 33.1活塞的設(shè)計(jì) 33.2活塞銷的設(shè)計(jì) 33.3活塞銷座的設(shè)計(jì) 33.4活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 33.5連桿的設(shè)計(jì) 3第4章曲軸的設(shè)計(jì) 44.1曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料選擇 44.2主軸曲線的定義和結(jié)構(gòu) 4第5章曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維建模 55.1UG軟件簡(jiǎn)介 55.2主要零部件的三維建模 55.3曲柄連桿機(jī)構(gòu)的裝配 5第6章結(jié)論 6參考文獻(xiàn) 7緒論研究的背景因?yàn)槠囆袠I(yè)在不斷的進(jìn)步，我國(guó)的汽車行業(yè)也不甘落后，有關(guān)汽車的設(shè)計(jì)和制造方面也在持續(xù)推進(jìn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)汽車來(lái)說(shuō)呢很重要，對(duì)汽車的一些方面有著很大的影響，比如動(dòng)力性、傳動(dòng)的平穩(wěn)以及效率等。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的使用可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)在非常良好的狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)作，還對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及汽車的實(shí)用性發(fā)揮了不可代替的角色。關(guān)于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很多，包括活塞設(shè)計(jì)、連桿設(shè)計(jì)、曲軸設(shè)計(jì)等，不需要太多成本、壽命比較長(zhǎng)、穩(wěn)定性也不錯(cuò)，在這么長(zhǎng)時(shí)間得到很多的推廣。有優(yōu)點(diǎn)就有缺點(diǎn)，它的體型比較大，換檔時(shí)的沖擊力也比較大。因此有關(guān)技術(shù)人員對(duì)此類問(wèn)題非常關(guān)注，例如對(duì)結(jié)構(gòu)的改善、加強(qiáng)它的實(shí)用性。研究的對(duì)象及原理曲柄連桿機(jī)構(gòu)，英文簡(jiǎn)稱為：CrankTrain，它是控制著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。它的有效性是改變活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將活塞的旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化為車輪外的旋轉(zhuǎn)力矩來(lái)控制車輪的旋轉(zhuǎn)。它是以活塞組為首的三部分零部件組成的，其他兩大部分是連桿組和曲軸組。燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體,使活塞向下運(yùn)動(dòng),活塞轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸后,燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄軸給外界輸出動(dòng)力。在剩余的三個(gè)沖程中，活塞由飛輪的慣性以及連桿組來(lái)進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，為接下來(lái)的對(duì)外做功創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)條件。發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及條件發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有變化，目前仍在內(nèi)燃機(jī)的領(lǐng)域應(yīng)用。車削材料有鑄鐵和球墨鑄鐵兩種，針對(duì)新的發(fā)展趨勢(shì)，曲軸必須在碳素材料等材料上進(jìn)行改進(jìn)。如果我們要達(dá)到最初的設(shè)想，就需要用極為龐大的運(yùn)算結(jié)果作為支撐，考慮它的實(shí)用性和穩(wěn)定性，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)在性能表現(xiàn)上滿足設(shè)想。關(guān)于這方面的運(yùn)算，我們要圍繞強(qiáng)度、剛度等性能進(jìn)行，我們必須在滿足運(yùn)算的同時(shí)不斷地進(jìn)行復(fù)核。不僅如此，我們?cè)谧詈筮€要將復(fù)合的結(jié)果帶入到原理中，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合來(lái)檢驗(yàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，確定了部件的整體結(jié)構(gòu)和離合器機(jī)制，包括確定所需的結(jié)構(gòu)尺寸、動(dòng)態(tài)分析和材料選擇等。第2章總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)的原始參數(shù)表2-1寶馬1.5tB38A15C型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)氣缸排列方式直列四缸供油方式電控燃油噴射排量/L1.499缸徑/mm81.0沖程（行程）/mm86.4沖程/缸徑1.0666連桿長(zhǎng)/mm144曲軸半徑/mm43.2轉(zhuǎn)矩N.m/r/min150/1300曲軸軸承座5壓縮比9.3額定功率/kW103(6500r/min)最大扭矩/(N·m)220(4200r/min)點(diǎn)火順序1—3—4—2活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其頂面從一個(gè)方向轉(zhuǎn)為相反方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置稱為止點(diǎn)?；钊斆骐x曲軸中心線最遠(yuǎn)時(shí)的止點(diǎn)，稱為上止點(diǎn)，活塞頂面離曲軸中心線最近時(shí)的止點(diǎn)稱為下止點(diǎn)，活塞運(yùn)行的上、下兩個(gè)止點(diǎn)之間的距離s稱為活塞行程。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)包括四個(gè)活塞行程：進(jìn)氣行程、壓縮沖程、作功行程、和排氣行程。其中進(jìn)氣沖程是汽油機(jī)將空氣與燃料先在氣缸的外部的化油器中、節(jié)氣門體處或進(jìn)氣道內(nèi)進(jìn)行混合，形成可燃混合氣后被吸入氣缸。壓縮沖程又名第\t"/item/%E5%8E%8B%E7%BC%A9%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"二沖程，是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的\t"/item/%E5%8E%8B%E7%BC%A9%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"沖程。壓縮時(shí)\t"/item/%E5%8E%8B%E7%BC%A9%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"活塞從\t"/item/%E5%8E%8B%E7%BC%A9%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"下止點(diǎn)間\t"/item/%E5%8E%8B%E7%BC%A9%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)沖程的功用有二點(diǎn)，一是提高空氣的溫度，為燃料自行發(fā)火作準(zhǔn)備：二是為\t"/item/%E5%8E%8B%E7%BC%A9%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"氣體膨脹作功創(chuàng)造條件。做功沖程，指的是在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部將燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程。不論是\t"/item/%E5%81%9A%E5%8A%9F%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)還是\t"/item/%E5%81%9A%E5%8A%9F%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，都要經(jīng)過(guò)進(jìn)（掃）氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個(gè)工作過(guò)程，才能完成一個(gè)\t"/item/%E5%81%9A%E5%8A%9F%E5%86%B2%E7%A8%8B/_blank"工作循環(huán)。排氣沖程是做功行程接近終了時(shí)，排氣門開(kāi)啟，由于這時(shí)缸內(nèi)壓力高于大氣壓力，高溫廢氣迅速排出氣缸，這一階段屬于自由排氣階段，高溫廢氣以當(dāng)?shù)匾羲偻ㄟ^(guò)排氣門排出。經(jīng)過(guò)這四個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)。2.2設(shè)計(jì)方案的確定圖2-1曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖當(dāng)活塞前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速度和加速度都會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于整個(gè)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。所以，研究操縱連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要任務(wù)就是研究活塞運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力主要由缸內(nèi)工質(zhì)的作用力和機(jī)構(gòu)的慣性力產(chǎn)生；連體組的設(shè)計(jì)包括連體的工作條件、材料的選擇、連桿小頭和連桿大頭的強(qiáng)度和剛度計(jì)算、計(jì)算阻力校核以及螺栓的載荷和預(yù)載荷疲勞計(jì)算；曲軸設(shè)計(jì)主要集中在曲軸的結(jié)構(gòu)、材料選擇、尺寸確定和抗疲勞性能驗(yàn)證等方面；分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、磨損等方面的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，以便達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求，最后進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)和總裝配。第3章活塞連桿組的設(shè)計(jì)3.1活塞的設(shè)計(jì)3.1.1活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求（1）活塞因機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的負(fù)荷在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，它的承載的不光是只有由氣體的壓縮而產(chǎn)生的壓力，還會(huì)有很多的其他的力，比如說(shuō)有慣性力和向心力。發(fā)生這種載荷時(shí)，在整個(gè)體系中都會(huì)有產(chǎn)生力的作用，不同的位置有著不同的力。在其頂部會(huì)有一個(gè)非靜止?fàn)顟B(tài)的力，這種力形成的作用效果是一種會(huì)讓其彎曲的張力，而在它的底部又有多種不同的力相互形成作用。其中最常見(jiàn)的就是向外、向下以及發(fā)生彈性形變所要求的力相互結(jié)合。不僅如此，在其內(nèi)部還有一個(gè)外邊是圓環(huán)形狀的設(shè)備作為工作臺(tái)。這種工作臺(tái)會(huì)有彈性形變和壓力對(duì)其發(fā)生作用，并且在這種作用下，它的各個(gè)零部件都會(huì)發(fā)生一定的損耗。如果要滿足這種負(fù)荷的要求，設(shè)備就必須設(shè)計(jì)成相應(yīng)的規(guī)格來(lái)配合，特別是在氣缸壁的橫截長(zhǎng)度以及外表形狀方面，一定要滿足要求?；钊麩崃ω?fù)荷當(dāng)設(shè)備放置在氣缸內(nèi)，并且按照設(shè)計(jì)預(yù)想的那樣進(jìn)行工作時(shí)，它的頂部甚至能夠承受瞬間無(wú)數(shù)含有極高的溫度的氣體它們所帶來(lái)的影響。而這種能夠承擔(dān)的影響的溫度甚至可以達(dá)到[1]。這就使得它的頂部的也具有很高的溫度。不僅如此，這類設(shè)備不光光是只會(huì)具有高溫度這一個(gè)特性，其不光高溫，而且它的溫度在其的分布也極其不均勻。設(shè)備的各點(diǎn)之間，都會(huì)在溫度的表現(xiàn)方面上很不一樣，每個(gè)點(diǎn)之間的變化也非常的大。這種現(xiàn)象，就是熱電壓源的最早體現(xiàn)，恰恰是這些現(xiàn)象產(chǎn)生的種種影響，對(duì)于其頂部的形變起到了重要的幫助[2]。（3）活塞組設(shè)計(jì)的要求1.必須選擇具有良好強(qiáng)度的材料、較低的比值、較低的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率和充分利用技術(shù)性能的材料；2.它的形狀和厚度，使熱散射良好、強(qiáng)、硬、符合要求，最大限度地減少重量，避免電壓濃度；3.確保燃燒室密封密封，燃料會(huì)更少，但不會(huì)增加活塞組摩擦損失；4.它可以在不同的工作條件下維持著一個(gè)對(duì)于活塞而言的最理想的工作狀態(tài)，不僅如此，氣缸內(nèi)的涂層也不會(huì)受到損傷；5減少對(duì)氣體來(lái)說(shuō)活塞吸收的熱量，它只吸收易揮發(fā)熱量；6.在低油耗階段時(shí)，滑面上要有足夠的潤(rùn)滑劑。3.1.2活塞的材料根據(jù)上述內(nèi)容，活塞材料滿足下列內(nèi)容：1.面對(duì)極高溫度仍能夠正常工作，所以細(xì)節(jié)不會(huì)受到影響；2.熱傳導(dǎo)性能良好，最后溫度下降，熱應(yīng)力下降；3.膨脹系數(shù)很小，活塞和氣缸之間有一個(gè)小缺口；4.減少活塞小群的反向慣性力，減少曲軸和連接桿組的機(jī)械負(fù)荷和重量；5.抗磨粉機(jī)(即與氣缸涂層材料摩擦系數(shù)較低)、耐久性和腐蝕性；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高和工作效率的提高，灰色鋼活塞逐漸被低重量和低熱效率所取代。鋁合金的長(zhǎng)處和短處與灰鐵不同。鋁合金體積小，質(zhì)量輕，它另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是導(dǎo)熱性能好。它的熱傳導(dǎo)系數(shù)大約是鐵生鐵系數(shù)的兩倍，這大大降低了它的溫度，也為改善發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮程度和性能創(chuàng)造了重要條件[3]。3.1.3活塞頭部的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)要點(diǎn)活塞的主要功能是承受大氣壓力，并通過(guò)銷組將其傳輸至連桿。（2）壓縮高度測(cè)定活塞壓縮高度選擇將決定發(fā)動(dòng)機(jī)的變化，例如對(duì)其大小、質(zhì)量等都會(huì)有改變，所以活塞設(shè)計(jì)重要原則就是其高度。壓縮高度的內(nèi)容含有三種，第一種就是缸體高度，剩余的則為安全帶高度和裙尺寸。對(duì)其終點(diǎn)來(lái)說(shuō)，要保證有阻力，最小的高度和環(huán)紋應(yīng)盡可能壓縮。（3）活塞頂和環(huán)形切口（a）活塞頂部活塞頂將要接收的熱量來(lái)自于活塞環(huán)的傳遞。有特殊的實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)工作時(shí)的機(jī)械而言，絕大部分的熱量都是由環(huán)到壁，剩余熱量是通過(guò)其設(shè)備本身傳遞到氣缸壁。因此，這么說(shuō)來(lái)，頂部厚度也要擴(kuò)大到周邊，但是要滿足這樣的要求，過(guò)渡的區(qū)域就要有足夠的空間，以至于活塞上方的熱量被慢慢地轉(zhuǎn)移到重復(fù)的流程中，并以此來(lái)減少最初的負(fù)荷，減少最高溫度[4]。活塞環(huán)要與活塞頭部配套，側(cè)壁的要求相對(duì)較厚，活塞頂和側(cè)壁之間應(yīng)使用大銼刀，采用較大過(guò)渡圓角，一般情況下，其所取的半徑以及直徑均在一定范圍內(nèi)的特定值。為降低碳和熱量的疊加，我們將會(huì)在特定的時(shí)刻，讓其表面特別光滑。特別是那些不常見(jiàn)的活塞，當(dāng)他們的頂部有尖角。那對(duì)于這些角來(lái)說(shuō)，我們都要將其磨圓，防止因溫度過(guò)高而產(chǎn)生熔化。(b)環(huán)岸和環(huán)槽環(huán)形和環(huán)形條紋的設(shè)計(jì)是為了讓其能夠正常工作，與此同時(shí)來(lái)降低油的耗損，預(yù)防它的環(huán)出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)的下平面必須是垂直于活塞軸的垂直平面，以確保工作時(shí)間環(huán)的下半部分與圓柱體的循環(huán)相對(duì)應(yīng)，減少了管道上升的可能性。第一環(huán)和第二環(huán)之間的水平彎曲通常小于0.05-0.1毫米，第二環(huán)和第三環(huán)分別小于0.03-0.07毫米。這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使環(huán)形狀小巧，其對(duì)環(huán)的穩(wěn)定和節(jié)省油耗起到良好的作用，掉頭油孔對(duì)降低油耗具有重要意義[5]。(c)環(huán)岸的強(qiáng)度校準(zhǔn)開(kāi)始膨脹后，第一個(gè)活塞環(huán)會(huì)在壓力下收縮，第一個(gè)環(huán)的壓力會(huì)明顯高于底部的壓力，因?yàn)榘肼暭{電壓會(huì)造成海岸線根部的大折痕和張力。當(dāng)鋁合金的使用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的極限時(shí)，最重要的零部件就會(huì)斷開(kāi)或裂開(kāi)。有實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)活塞頂撞擊活塞頂部時(shí)，最大的爆炸力與壓力的關(guān)系大致為在0.2 -0.9的區(qū)間之內(nèi)，如圖3-1所示。已知=4.5，則，，圖3-1調(diào)整環(huán)槽與環(huán)槽結(jié)構(gòu)之間的調(diào)試圖3-2第一環(huán)臺(tái)電壓根據(jù)柱形表面的環(huán)形板可以簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)易懸梁，來(lái)計(jì)算固定表面的復(fù)雜壓力為，環(huán)槽深為。因此，對(duì)環(huán)線根等于彎曲的長(zhǎng)度。（3.1）因此，環(huán)根部示數(shù)：（3.2）同理得應(yīng)力為：（3.3）接應(yīng)力公式為：（3.4）因?yàn)椴牧显诟邷厥菚?huì)有值數(shù)變化，其許用應(yīng)力，，校準(zhǔn)合格。3.1.4活塞裙部的設(shè)計(jì)活塞出口在槽下，當(dāng)它向前和向后移動(dòng)到長(zhǎng)圓柱體底部時(shí)，它依靠出口來(lái)引導(dǎo)和支撐柱擺動(dòng)帶來(lái)的力。對(duì)活塞來(lái)說(shuō)出口要滿足有方向，并且要滿足負(fù)荷空間的要求，并可能形成巨大的潤(rùn)滑膜。這樣就可以規(guī)避因過(guò)度清洗導(dǎo)致氣缸碰撞，引起噪音和加速損壞。分析了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞輸出的變形，首先，活塞依靠側(cè)向的力，而通常情況下，出口很容易偏離；第二，因?yàn)樵趬毫蛻T性力的共同作用下，它會(huì)彎曲在螺栓之間的縫隙中，大小會(huì)增加；第三，由于溫度升高引起的熱量膨脹，銷壁比其他部位厚，熱膨脹加劇。在這些狀況下，活塞向桿擴(kuò)展，使裙部的橫向形狀就像是“橢圓”，兩個(gè)面與柱體之間的開(kāi)口沿長(zhǎng)軸方向消失，形成損耗[6]。如此情況，它們的形變不會(huì)很大，主要形變就是因?yàn)槭軣帷＃?）裙部的尺寸活塞輸出的主要壓力是活塞的側(cè)壓力。為了通過(guò)保持活塞表面所需的油膜厚度，活塞的單位壓力穩(wěn)在一定之內(nèi)。所以，如果要明確長(zhǎng)度，就要提供滿足要求的區(qū)域空間，以降低壓力和磨損。在明確出口長(zhǎng)時(shí)，最短的長(zhǎng)度是根據(jù)裙部與壓力的最大容許值定義的，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求改變。（2）釘孔位置活塞銷與軸不是交叉的，而是偏離支撐側(cè)發(fā)生形變的一側(cè)。原因在于活塞中心是有組織的，當(dāng)活塞通過(guò)機(jī)械上面的那個(gè)點(diǎn)時(shí)，形成在側(cè)面的力方向改變，兩軸相交，旋轉(zhuǎn)活塞從靠近氣缸壁的二次脈沖表面的一側(cè)掃到靠近氣缸壁的主脈沖表面的另一側(cè)，產(chǎn)生噪音，損壞活塞的耐久性。過(guò)渡可以切換到分散開(kāi)來(lái)的過(guò)渡，過(guò)渡時(shí)間早于MS時(shí)間，以達(dá)到最大燃燒壓力[7]。3.2活塞銷的設(shè)計(jì)3.2.1活塞銷的形狀、材料（1）活塞銷的形狀柱塞的形狀是圓柱形，中間會(huì)有空隙，這個(gè)空隙的作用就是減少活塞因?yàn)閼T性的力而帶來(lái)的質(zhì)量，這讓材料運(yùn)用得到有效發(fā)揮。（2）活塞銷的材料活塞銷使用的制作材料是一種碳含量低的合金，這種合金的表面發(fā)生碳化反應(yīng)。因此，它的硬度相對(duì)優(yōu)秀，不易老化，內(nèi)部硬度好，其表面的加工會(huì)更加優(yōu)秀，不管是硬度還是耐熱，都能夠滿足要求[8]。3.2.2活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算活塞銷表面受到氣體壓力等各個(gè)因素的相互作用，連桿小頭高度與活塞銷跨度均為一個(gè)定值。（1）最大彎曲應(yīng)力計(jì)算活塞銷中心截面的彎矩為（3.5）即（3.6）（2）計(jì)算剪切電壓應(yīng)力橫截面的電壓發(fā)生在中性水平上，它的值為：（3.7）3.3活塞銷座3.3.1活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了保持活塞和能量傳輸，必須有足夠的力量和剛性來(lái)適應(yīng)活塞的形狀變化要求，以防止應(yīng)力集中造成的彎曲，并且必須有大量的附于表面的壓力和高穩(wěn)定性[9]?；钊麅?nèi)直徑，外孔通常等于內(nèi)直徑的兩倍。3.3.2驗(yàn)算比壓力比壓力為：（3.8）一般。3.4活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算3.4.1活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)有三個(gè)，兩個(gè)氣環(huán)，一個(gè)油環(huán)。第一個(gè)活塞環(huán)是鍍鉻的桶狀環(huán)，圓柱形環(huán)與圓柱形圓柱形環(huán)有圓柱形接觸，很適合活塞，很容易形成楔形油膜。第二個(gè)活塞環(huán)是一個(gè)材料為鑄鐵的鼻形環(huán)，鼻形環(huán)避開(kāi)了潤(rùn)滑活塞向上移動(dòng)的油脂。第三個(gè)環(huán)是用石油和鋼鐵制成的。輕重量，具有更高的比壓力，更強(qiáng)的潤(rùn)滑功能。3.4.2活塞環(huán)強(qiáng)度校核在活塞環(huán)工作期間，環(huán)的平均半徑和徑向厚度超過(guò)5個(gè)，因?yàn)樗鼪](méi)有受到壓縮和軸向力的影響。這樣，你就可以通過(guò)直線曲率計(jì)算出電壓的公式。并且活塞環(huán)工作時(shí)的應(yīng)力滿足要求。3.5連桿的設(shè)計(jì)3.5.1連桿的設(shè)計(jì)要求和材料選用（1）設(shè)計(jì)要求連接器必須有足夠的疲勞和結(jié)構(gòu)剛性，在這個(gè)工程過(guò)程中，如果沒(méi)有足夠的強(qiáng)度，連接器、連接器頭或連接器將造成嚴(yán)重事故。同樣，如果所有的支柱都不夠有硬度，可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)面影響[10]。因此，在輕型結(jié)構(gòu)中保證足夠的剛度和強(qiáng)度是連桿工程的主要要求之一，因此應(yīng)選用高強(qiáng)度材料，尺寸等也應(yīng)合理。（2）材料的選擇為了確保TEM電線桿在輕型結(jié)構(gòu)下足夠堅(jiān)固和穩(wěn)定，它們是用限量的碳鋼45鍛造而成的。3.5.2連桿長(zhǎng)度的確定對(duì)連桿來(lái)說(shuō)，第一是要明確桿的大小和孔之間的距離，即通常所說(shuō)的柱長(zhǎng)度。3.5.3連接桿頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，剛度計(jì)算（1）連接桿頭的形狀如圖所示，連各零部件的基本尺寸都是在結(jié)構(gòu)組中確定的，，。提高耐磨性的一端，將耐磨襯套壓入小頭孔中，并有一定的過(guò)盈量，襯套主要采用耐磨青銅鑄成。（2）連桿小頭的強(qiáng)度校核過(guò)多的施加壓力于小頭就會(huì)讓小頭承受拉伸的壓力，更易膨脹。隨著溫度升高工作，應(yīng)力隨之增大。此外,活塞連桿小頭承受活塞組慣性力和扣除慣性力的大氣壓力壓縮。由此可見(jiàn)，上述載荷的共同作用，產(chǎn)生交變性，會(huì)對(duì)連接箱的小端和連接機(jī)體的桿身過(guò)渡段有破壞，應(yīng)該進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算[11]。圖連桿小頭主要尺寸1.過(guò)載和高溫引起的緊張?jiān)谟?jì)算中，連接柱的狹窄邊緣和運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是兩個(gè)圓筒，它們干擾了調(diào)整，而徑向的壓力為：（3.9）式中：是說(shuō)過(guò)盈的值；一般青銅襯套為，計(jì)算小頭承受的徑向壓力為：內(nèi)外纖維的應(yīng)力是由均勻的徑向力引起的，表面應(yīng)力是：（3.10）內(nèi)應(yīng)力：（3.11）的允許值一般為，校核合格。2.連接桿頭安全系數(shù)最小安全系數(shù)在閥體從閥桿到連桿小端的過(guò)渡段外表面為：（3.12）連接桿頭的安全性系數(shù)通常在正常范圍內(nèi)。（3）連接柱頭硬度計(jì)算當(dāng)使用浮動(dòng)活塞銷時(shí)，柱頭直徑的變形必須在水平方向上計(jì)算，這是由于慣性向向水平方向造成的:（3.13）則（3.14）對(duì)于通用的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，形變要小于直徑方向和標(biāo)準(zhǔn)間隙，通常是符合標(biāo)準(zhǔn)的，即合格。3.5.4連接體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算（1）連接桿身結(jié)構(gòu)考慮種種原因，桿身采用工字鋼的方式連接，為了將力從小端轉(zhuǎn)移到均勻主端，將桿轉(zhuǎn)移到小端和大端使用相當(dāng)大的角半徑。（2）桿身校核強(qiáng)度性能不對(duì)稱變量循環(huán)負(fù)荷的工作中，受到在計(jì)算截面上方的慣性力拉伸，在整個(gè)行程中，只受到壓力和慣性力壓縮。計(jì)算疲勞強(qiáng)度時(shí)，一定要計(jì)算出斷面的最大拉伸和壓縮應(yīng)力[12]。最大拉伸引起的張力：（3.14）式中：為斷面面積，汽油機(jī)，為投影面積，取。則最大推力為：（3.15）垂直擺動(dòng)面合成應(yīng)力：（3.16）和的許用值為，所以校核合格。3.5.5連桿頭結(jié)構(gòu)（1）連接桿頭結(jié)構(gòu)很大主桿的結(jié)構(gòu)和大小主要是由桿的直徑?jīng)Q定的，在那里連接桿的主端與連接桿的頂部與平面切口分離。為了提高總桿的強(qiáng)度和緊湊性，螺栓孔外墻至少兩毫米厚，拉長(zhǎng)三毫米，從基質(zhì)表面向桿殼或頭部的轉(zhuǎn)變由最大角度組成。（2）連桿大頭的強(qiáng)度校核假設(shè)，通過(guò)堅(jiān)固的螺栓連接，把大頭和它的大頭蓋看似成為一個(gè)整體，彈性的大頭蓋支承在一個(gè)剛性的連接桿體上。固定角為，取，動(dòng)作力是用手柄在大頭球上按余弦順序分布的，這表明頭部的彎曲保持不變，大小與平均大小相同，大頭的曲率半徑為[14]。第4章曲軸的設(shè)計(jì)4.1曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇4.1.1曲軸設(shè)計(jì)條件和要求由于曲軸彎曲的振動(dòng)增加了額外的張力、曲軸形狀的復(fù)雜性、快速的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化，突出是在過(guò)渡區(qū)域，曲軸和曲軸頸部靠近油槽和鋸齒狀區(qū)域，尤其是在電壓的匯合問(wèn)題上。所以我們對(duì)于曲軸而言，一定要使其足夠勞累時(shí)也能工作，這樣才能保證其正常工作[15]。如果曲柄的彎曲剛度以及硬度達(dá)不到要求，將嚴(yán)重?fù)p害活塞和連接桿的狀況，這將影響其工作的可靠性和耐久性。所以當(dāng)你設(shè)計(jì)曲軸的時(shí)候，你必須確保你有最高的剛度曲線，可能是胸部。此外，隨著曲軸主軸頸的快速旋轉(zhuǎn)和曲柄銷在一定的壓力下高速旋轉(zhuǎn)，磨損會(huì)很嚴(yán)重。因此，曲柄的設(shè)計(jì)應(yīng)具有足夠的滾動(dòng)表面，使摩擦表面持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以提供最佳的工作條件。4.1.2曲軸結(jié)構(gòu)剖面此曲軸采用了一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如穩(wěn)定、質(zhì)量輕，對(duì)其它方面的設(shè)計(jì)也能滿足要求。為了提高曲柄強(qiáng)度，設(shè)備采用了一側(cè)具有一根主軸頸的曲拐的四曲拐結(jié)構(gòu)的全支撐半平衡結(jié)構(gòu)。4.1.3曲軸的材料涉及到的材料的強(qiáng)度決定了車輪的體積、重量、壽命的正確合理的構(gòu)造被技術(shù)指向性地設(shè)計(jì)。與曲軸一樣，除了精密的機(jī)械特性外，還要求更高的耐久性、抗疲勞、沖擊強(qiáng)度[16]。與此同時(shí)，必須易于使用，性價(jià)比高。為了確保方向盤有足夠的阻力，需要使用鍛造、鍛造鋼的許多材料，并且為大范圍的電熔曲軸提供足夠強(qiáng)度的鐵皮作為前提條件。鑄鐵與其他鑄鐵相比，有著復(fù)雜合理的結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)使電壓均勻分配，更有效地使用金屬材料。4.2曲軸主要尺寸的確定及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)4.2.1曲柄銷的直徑和長(zhǎng)度觀察曲軸頸部厚度，要先明確曲柄銷直徑。當(dāng)下的設(shè)備設(shè)計(jì)，一般都是用大數(shù)值減少曲頸的壓力，確保穩(wěn)定和能夠滿足數(shù)值。然而，曲柄銷的加強(qiáng)伴隨著桿頭的增大，增加了不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力，導(dǎo)致曲軸和軸承的工作效率低下。曲柄銷的長(zhǎng)度取決于選定的基礎(chǔ)，從確保其正常使用的數(shù)據(jù)能夠滿足要求開(kāi)始，零部件的管控就要保持良好的限度，與此同時(shí)要注意同彎曲部分的配合。曲軸頸大小，可以用兩者的投影面積之比來(lái)校準(zhǔn)，如果比值滿足要求且汽油機(jī)的數(shù)值較低，那么長(zhǎng)度后面取計(jì)算的數(shù)值就剛剛好。4.2.2主軸頸的直徑和長(zhǎng)度用增加手柄硬度的方法來(lái)增加寬度，這樣能夠使軸之間的重疊更合適。然后如果它的寬度能過(guò)夠增加，就意味著長(zhǎng)度和強(qiáng)度也同樣能夠獲得提升[17]。4.2.3曲柄選擇正確的曲柄厚度和寬度，使它足夠結(jié)實(shí)和結(jié)實(shí)。為了提高曲柄的彎曲能力，它必須是橢圓形的。為了將杠桿的重量降至最低，減少曲柄與主軸不平衡的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，曲柄肩部的其他金屬被切割。從頸部到彎曲曲柄上隆起的主軸和主軸頸的過(guò)渡角度對(duì)壓力的強(qiáng)度有最強(qiáng)烈的影響。4.2.4油孔的位置和尺寸為了保持曲軸軸承的可靠性，必須給予適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑。曲軸上關(guān)于潤(rùn)滑油的一切數(shù)據(jù)都會(huì)影響曲軸的強(qiáng)度和剛度，以及軸承工作運(yùn)行的可靠性。[19]。潤(rùn)滑油通過(guò)主軸承的上部的軸承瓦進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的主油管。斜槽由主槽向曲柄方向送入。曲柄銷油孔選擇在曲拐平面運(yùn)轉(zhuǎn)前方的范圍內(nèi)。油道在曲拐平面的內(nèi)部，油道的出口處集中的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，當(dāng)油道的中心線和軸頸中心線的夾角時(shí)，最大應(yīng)力增加得很快，所以油孔應(yīng)該設(shè)置在小于處。4.2.5曲軸兩端的結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣分配機(jī)構(gòu)也由曲柄的自由端驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榍淖杂啥嗽试S使用更小的速度和更大的直徑。為了消除扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，阻尼器安裝在前部，因?yàn)檫@里的振幅最大。曲軸箱自由端曲軸箱的密封性防止了曲軸箱油的泄漏和灰塵的進(jìn)入，包括一個(gè)卸料環(huán)和一個(gè)密封裝置。甩油環(huán)和密封裝置組成，可以是密封圈，也可以是螺紋迷宮槽。所謂迷宮槽就是在軸上對(duì)應(yīng)的孔壁邊上制出螺紋的形狀，螺紋螺旋方向與軸的螺旋方向不同。當(dāng)油漏入之間的間隙時(shí)，依靠粘性和螺紋的雙重特點(diǎn)，不讓它漏出機(jī)體外[20]。4.2.6曲軸的止推在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中控制曲柄軸向運(yùn)動(dòng)的手柄的一端應(yīng)裝有軸向定位裝置。同時(shí)，為了收縮自由，曲柄上也只能有一個(gè)軸向位置。從降低曲軸和機(jī)體加工尺寸鏈精度要求出發(fā)，止推軸承設(shè)在中間主軸承的兩邊。在第三主軸頸處設(shè)置軸向止推片，止推片為四片。

第5章曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維建模和優(yōu)化5.1UG軟件簡(jiǎn)介UG是SiemensPLMSoftware一個(gè)公司為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和處理提供數(shù)字形式和驗(yàn)證過(guò)程的產(chǎn)品工程解決方案。它提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案，以滿足用戶對(duì)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)的需求，并滿足各種工業(yè)需求。5.2主要零部件的三維建模四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿和活塞的運(yùn)動(dòng)是較復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿做平動(dòng)，活塞是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。5.2.1活塞的優(yōu)化建模（1）從列表曲線中創(chuàng)建四分之一的活塞剖面。（2）選擇基準(zhǔn)坐標(biāo)系，鏡子給出了活塞的完整輪廓。（3）優(yōu)化活塞，創(chuàng)建剪切特征，新建基準(zhǔn)平面，設(shè)置間距。（4）創(chuàng)建活塞頭部的槽，以及各處倒圓角。圖5-1活塞1/4輪廓圖5-2拉伸切除結(jié)圖5-3鏡像特征圖5-4旋轉(zhuǎn)切出5.2.2連桿的優(yōu)化建模（1）這些部分有兩個(gè)對(duì)稱的、相互垂直的平面，可以在建模過(guò)程中用于鏡像和復(fù)制局部特征，這使得快速創(chuàng)建特征成為可能。（2）創(chuàng)建連桿體1/2桿身，拉伸方式選擇盲孔。（3）創(chuàng)建連桿體拔模特征，設(shè)置拔模曲面和拔模樞軸，完成特征。圖5-5連桿大小端拉伸特征圖5-6曲面拔模設(shè)置圖5-7完成曲面拔模（4）對(duì)活塞連桿進(jìn)行裝配，創(chuàng)建活塞連桿組。圖5-8活塞連桿組5.2.3其它零件的三維模型曲軸的曲拐部分是對(duì)稱的，4個(gè)平衡塊特征的疊加完成曲軸大致一半的特征，所以先建立一半曲拐特征，再細(xì)化平衡塊上的特征，然后鏡像生成完整的曲拐，最后再對(duì)曲軸兩端的特征分別創(chuàng)建，即完成特征的操作。圖5-9曲軸5.3曲柄連桿機(jī)構(gòu)的裝配5.3.1裝配步驟曲柄連桿機(jī)構(gòu)在往復(fù)活塞式的發(fā)動(dòng)機(jī)里實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將燃燒氣體作用在活塞頂部的壓力轉(zhuǎn)變成曲軸的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外界輸出動(dòng)力，對(duì)外做功。安裝曲軸，將發(fā)動(dòng)機(jī)倒置，在軸承座上依次裝上主軸承，主軸承承孔兩側(cè)裝上止推片；將主軸承裝入主軸承蓋，連接好螺栓并擰緊，檢測(cè)曲軸的軸向間隙；裝上曲軸后滾針軸承和中間支板，同時(shí)裝上飛輪，緊固螺栓。安裝活塞連桿組，將活塞銷裝進(jìn)活塞銷座孔內(nèi)，將連桿小頭伸進(jìn)活塞銷座，使得小頭孔對(duì)準(zhǔn)了活塞銷部分，最后裝進(jìn)限位卡簧，裝入后連桿可以圍繞活塞銷自由轉(zhuǎn)動(dòng)；安裝活塞環(huán)則依次裝組合式油環(huán)、第2道氣環(huán)、第1道氣環(huán)，形成密封；轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，使得第1和第4氣缸的連桿軸頸處于上止點(diǎn)的位置，將活塞裝入氣缸，使連桿大頭端吻合連桿軸頸，轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，再將連桿軸頸轉(zhuǎn)到下止點(diǎn)位置，裝上連桿蓋，安裝連桿螺栓；活塞環(huán)的“TOP”標(biāo)記一定要朝著活塞頂部，第1道氣環(huán)的開(kāi)口和活塞銷軸線要呈45°角并且不在承壓面這一邊，各道活塞環(huán)的開(kāi)口都相互錯(cuò)開(kāi)，油環(huán)的兩刮片的開(kāi)口方向也要錯(cuò)開(kāi)；確?；钊共康募^和連桿上凸點(diǎn)在同一側(cè)，這兩部分必須朝向發(fā)動(dòng)機(jī)的前端，每次擰緊一道連桿螺栓，就應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，不得出現(xiàn)卡滯，否則查明原因并修改；5.3.2裝配圖圖5-10曲軸裝配圖5-11活塞連桿裝配5.3.3爆炸圖的排布圖5-12爆炸圖排布第6章結(jié)論曲柄連桿機(jī)構(gòu)的可靠