内燃机曲轴活塞机构的设计与仿真-毕业论文.doc

毕业设计（论文）题目：内燃机曲轴活塞机构的设计与仿真学 生 姓 名： 学 部 （系）： 专 业 年 级： 指 导 教 师： 2013年05月20日目 录摘要-3关键词-3Abstract-4Keywords-5前言-61. 绪论-71.1 本课题研究的目的与意义-71.1.1 课题研究的目的-71.1.2 课题研究的意义-71.2 国内外发展概况-71.3 设计要求与设计思路-81.3.1 设计要求-81.3.2设计思路-82. 内燃机的结构和运动分析 -92.1 内燃机的工作原理-9 2.1.1吸气行程-9 2.1.2压缩行程-9 2.1.3做功行程-9 2.1.4排气行程-92.2内燃机的结构分解-9 2.2.1 活塞-9 2.2.2 汽缸-103. 活塞机构的设计-113.1 活塞机构的作用-113.2 活塞的设计要求-113.3 活塞机构的选定-11 3.3.1 活塞机构的方案比较-12 3.3.2 活塞机构的选定-133.4 活塞机构的选择结论-134. 曲轴零件设计-144.1 曲轴的类型-144.2 曲轴的工作情况-144.3 曲轴的工作条件-14 4.4 曲轴的设计要求-15 4.5曲轴的材料-15 4.6曲轴的结构设计-16 4.7曲轴的相关计算-16 4.8曲轴的工作循环-185. 曲轴飞轮机构的设计-19 5.1 飞轮的作用-19 5.2 飞轮的结构与特点-206. 连杆组设计 -206.1 工作情况-206.2 设计要求-206.3 连杆材料-216.4 主要参数选择-217. 小结与展望 -22结束语-24参考文献 -24附录-242内燃机曲轴活塞机构的设计与仿真摘 要内燃机是一种能量转换装置，将汽油、柴油、天然气等物质的化学能通过在汽缸中燃烧转化为热能，热能通过膨胀转化为机械能，对外做功。目前在商品汽车上普遍使用往复活塞式内燃机。现有往复活塞式内燃机机多为四冲程内燃机机，四冲程内燃机机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在做功冲程中活塞连杆组将活塞往复运动的能量转化成曲轴及飞轮转动的转矩。在其他3个冲程，活塞依靠飞轮的转动惯性作往复运动。曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，它尺寸的合理与否又对内燃机的性能起着至关重要的决定性因素往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等，转换为功率输出轴的转动。这种内燃机热具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点，现在技术比较成熟。但是该种内燃机机构复杂，尤其是一套复杂的气门控制机构。且由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力与转速的平方成正比，即随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。关键词：曲轴活塞机构；内燃机；燃烧；组件装配Design and Simulation of internal combustion engine crankshaft piston mechanismAbstractThe internal combustion engine is a kind of energy conversion device, the gasoline, diesel, natural gas chemical substances through burning in the cylinder is converted into heat, heat through expansion into mechanical energy, external work. At present in the commercial vehicles generally use the reciprocating piston internal combustion engine.The existing reciprocating piston internal combustion engine is four stroke diesel engine, a working cycle of four stroke internal combustion engine machine consists of an intake stroke, compression stroke, power stroke and exhaust stroke. In a stroke of the piston connecting rod set torque of the reciprocating motion of the piston energy into the crankshaft and flywheel rotation. During the other 3 strokes, the flywheel inertia on piston reciprocating motion.Crankshaft piston mechanism is one of the most important mechanism of internal combustion engine, its size is reasonable or not and to the performance of the internal combustion engine plays a crucial decisive factorMotion of reciprocating internal combustion engine through the crankshaft and connecting rod mechanism or a cam mechanism, swinging mechanism, rocker mechanism, conversion for power output shaft rotation. The internal combustion engine heat has a series of advantages of high efficiency, small size, light weight and high power, technology is now more mature. But the structure of internal combustion engine is complicated, especially a complex valve control mechanism. And because the reciprocating motion of the piston group caused by reciprocating inertia force and rotational speed of crank and connecting rod mechanism is proportional to the square, with the increase of rotational speed, inertial load bearing on the increase, and because of the inertia force unbalance and produce strong vibration.Key words：Crankshaft piston mechanism; internal combustion engine; combustion; assembly前 言曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，它尺寸的合理与否又对内燃机的性能起着至关重要的决定性因素，往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等，转换为功率输出轴的转动。这种内燃机热具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点，现在技术比较成熟。但是该种内燃机机构复杂，尤其是一套复杂的气门控制机构。且由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力与转速的平方成正比，即随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。曲轴活塞机构的设计对于一个内燃机的性能好坏有这至关重要的因素，我们应该合理的设计曲轴、活塞的尺寸以及用料的选择，从这一方面来尝试着减小轴承上的惯性载荷及由其引起的强烈震动现象。本次设计主要包含了内燃机曲轴活塞机构的运动分析、内燃机曲轴活塞机构的装配图与零件图设计、内燃机曲轴活塞机构的零件三维造型以及内燃机曲轴活塞机构的组件装配。1 绪论1.1 本课题研究的目的与意义选题意义 1.1.1 课题研究的目的内燃机是一种能量转换装置，将汽油、柴油、天然气等物质的化学能通过在汽缸中燃烧转化为热能，热能通过膨胀转化为机械能，对外做功。目前在商品汽车上普遍使用往复活塞式内燃机。现有往复活塞式内燃机机多为四冲程内燃机机，四冲程内燃机机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在做功冲程中活塞连杆组将活塞往复运动的能量转化成曲轴及飞轮转动的转矩。在其他3个冲程，活塞依靠飞轮的转动惯性作往复运动。曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，它尺寸的合理与否又对内燃机的性能起着至关重要的决定性因素。1.1.2 课题研究的意义轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。对曲轴的曲颈精度要求非常高，否则会影响轴的定位。提高曲轴的位置精度会减小摩擦提高有效率，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。所以就要求对曲轴加工工艺有更高的要求，通过改进加工工艺来提高曲轴的精度。往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等，转换为功率输出轴的转动。这种内燃机热具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点，现在技术比较成熟。但是该种内燃机机构复杂，尤其是一套复杂的气门控制机构。且由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力与转速的平方成正比，即随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。所以曲轴活塞机构的设计对于一个内燃机的性能好坏有这至关重要的因素，我们应该合理的设计曲轴、活塞的尺寸以及用料的选择，从这一方面来尝试着减小轴承上的惯性载荷及由其引起的强烈震动现象。1.2 国内外发展概况目前车用发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁曲轴成本只有调制曲轴成本的1/3左右，且球墨铸铁的切屑性能良好，可获得较理想的机构形式，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国为90%，英国为85%，日本为60%，此外，德国、比利时等国家也已经大批量采用。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴85%以上采用球墨铸铁，而功率在160KW以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。 美国、德国、日本等汽车工业发达国家都致力于开发绿色环保、高性能发动机，目前各个厂家采用发动机增加、扩缸及提高转速来提高功率的方法，使得曲轴各轴颈要在很高的比压下高速转动，发动机正向着增压、增压中冷、大功率、高可靠性、低排放方向发展。曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统材料和制造工艺无法满足其功能要求，市场对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求十分严格。如果其中任何一个环节质量没有保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工工艺十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。随着WTO的加入，国内曲轴生产厂家已经意识到形式的紧迫性，引进了不少先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴制造技术水平有了大幅提高。1.3 设计要求与设计思路1.3.1 设计要求设计一个四冲程内燃机的曲轴活塞机构。所选用机器的功能与设计要求：该机器的功能是把化学能转化成机械能。须完成的动作为：活塞的吸气，压缩，做功，排气4个过程，进，排气门的开关与关闭、燃料喷射。曲轴活塞机构是内燃机的重要机构之一，主要控制内燃机的吸气、压缩、做功、排气4个冲程。也在内燃机的性能上起着重要作用。1.3.2 设计思路 设计四冲程内燃机的关键点在于活塞的吸气，压缩，做功，排气以及气门的开闭几个动作的完成。而怎样将这个几个动作完成并按照运动循环图结合起来这是我们完成这次课程设计所需要解决的问题。所以，我将从这些方面入手，依据这些需要来选择机构。2 内燃机的结构与运动分析2.1 内燃机的工作原理内燃机在四个活塞行程内完成进气、压缩、做功和排气等四个过程，即在一个活塞行程内只进行一个过程。活塞走过四个过程才能完成一个工作循环的内燃机成为4冲程内燃机。2.1.1 吸气行程活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。2.1.2 压缩行程进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时，进、排气门均关闭。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，其压力和温度同时升高。作用:1.提高空气的温度,为燃料的自行发火做准备.2.为气体膨胀做功创造条件。2.1.3做功行程压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转作功。这时，进、排气门仍旧关闭。2.1.4 排气行程.排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体(或称废气)在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。2.2 内燃机结构的分解了解内燃机完成相应动作所对应的零件，有利于我们选择与之对应的机构。这有利于设计的完成。内燃机主要由活塞，气缸，两个气门，火花塞，喷油嘴组成。本次主要设计活塞，汽缸，连杆和曲轴。2.2.1 活塞活塞可以说是内燃机中最主要的一个零件，它主要完成对气体的压缩，吸气，排气也是又活塞的开闭所带动的，做功也是燃气膨胀对活塞做功。活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸 内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连 杆联接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作 旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。2.2.2 气缸 气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。活塞可在气缸套内往 复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化的密封空间。燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作 旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。3 活塞机构的设计3.1活塞机构的作用 （1）传力、导向。承受燃烧室内气体的压力，将压力传递给连杆，并保证活塞在气缸内顺畅运动。 （2）密封。通过活塞和活塞密封气体，保证缸内工质不泄露或很少泄漏。 （3）传热。在密封的基础上，通过活塞环和活塞裙部向缸壁传递热量。（4）配气。完成进气、压缩和排气功能，在二冲程发动机中还起到配气滑阀的作用。3.2活塞的设计要求 活塞是内燃机中最重要的一个部件，它在气缸中做往复运动，并且有一定的行程，受到比较大的压力，所以活塞要求有一定的强度，不宜磨损、可靠，最重要的是能够保证持续的往复运动。在设计活塞的机构时，必须循依照它的设计要求来对机构进行筛选，以获得最满意的机构。综上所述，活塞机构的设计要求可归结如下：（1）选用散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好减摩性和工艺性的材料。（2）形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度、刚度符合要求，尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙。（3）密封性好。（4）摩擦损失小。图3-1 活塞三维实体图3.3活塞机构的选定活塞在内燃机的气缸中做往复运动，完成对气体的压缩过程，气体膨胀也是对活塞做功，再通过与活塞相连的机构将由化学能转化成的机械能输出。可以说，活塞是内燃机设计中最为主要的一个部件。3.3.1 活塞机构方案的比较用来完成往复运动的机构有很多，比如连杆机构，凸轮机构完成往复运动，我最先想到的就是连杆机构中的曲柄滑块机构，如图4-1所示 图3-2 曲柄滑块机构曲柄滑块机构是我们在机械原理学习中最常见的一种机构。它由曲柄的转动带动滑块的往复运动，曲柄是整周副，而与曲柄相连的另一根杆是一个摆动副，摆动副与滑块相连，整体构成了曲柄滑块机构。而且图3-1所示的是一个对心曲柄滑块机构，同时极位夹角=0,因而不存在急回特性，可以保证稳定的输出。在我们所学过的机构中还有凸轮机构也能够完成往复运动，如图3-2所示 图3-3 凸轮机构 此凸轮机构为一个滚子从动件的凸轮机构，凸轮是一个具有曲线轮廓的构建，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。而且只要设计出适当的凸轮轮廓，便可以使从动件得到任意的预期运动，并且机构简单、紧凑、设计方便。但是凸轮也有不足：1）凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合；2）凸轮轮廓加工比较困难；3）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。以上就是我们最常用的两种实现往复运动的机构，两者各有自己的优点与不足。要选择出一种合适的机构必须综合各个方面的因素，如制造成本、工艺性、寿命3.3.2 活塞机构的选定曲柄滑块机构和凸轮机构两者先比较，凸轮机构不能不适用于行程较大的从动件，且不能受到过大的力，它是点、线接触也易磨损，并且凸轮轮廓加工困难，加工成本高。内燃机的活塞有一定的运动行程，同时当气体被压缩以及膨胀时都给了活塞很大的压力。同时，活塞在气缸中不停的做往复运动，使用凸轮机构很容易使凸轮被磨损，导致严重的后果。而曲柄滑块机构则克服了这些缺点，它可以经受住很大的力，同时也不会被磨损，也能够保证一定的行程，因而对于活塞机构，我选择了曲柄滑块机构，它符合活塞的设计要求的。并且在加工成本上也相对便宜3.4 活塞机构选择的结论由于柄滑块机构则克服了这些缺点，它可以经受住很大的力，同时也不会被磨损，也能够保证一定的行程而且在加工成本上也相对的便宜。本次设计的是汽缸容积为2L的汽油发动机活塞。活塞机构我们选择采用曲柄滑块机构。4 曲轴零件的设计4.1 曲轴的类型 图41 曲轴的组成图1、右主轴颈 2、连杆轴径 3、前端轴4、平衡块 5、曲柄 6、功率输出端（1）曲轴前端3（自由端）（2）若干个曲柄销2；左、右曲柄5（包括平衡块4）、左右主轴径一组成的曲轴拐。（3）曲轴后端6（功率输出端）。4.2 曲轴的工作情况曲轴是发动机的重要机件之一，它的尺寸参数在很大程度上不但影响着发动机的整体尺寸和质量，而且影响着发动机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起其他零部件的严重损坏，在发动机的改进中，曲轴的改进也占有重要的地位。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加苛刻。4.3 曲轴的工作条件曲轴是在不断周期变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力及力矩（转矩和弯矩）共同作用下工作的，这使曲轴既弯曲又扭转，总而产生疲劳应力状态。实践表明，对于各曲轴，弯曲疲劳载荷具有决定性作用，而扭转载荷仅占其次要位（不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏）。关于曲轴破坏的统计分析表明，80%左右的破坏是由于弯曲疲劳产生的。因此，弯曲结构强度研究的终点是弯曲疲劳强度。 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，曲轴既弯曲又扭转，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，因此应力集中严重，特别是在曲柄与轴径过度的圆角部分。（3）曲轴轴径比压大，摩擦磨损严重。4.4 曲轴的设计要求(1)有足够的疲劳载荷强度，以耐弯曲疲劳载荷为主。（2）有足够的承压面积，轴径表面要耐磨。（3）尽量减少应力集中。（4）刚度要好，变形小，否则会是其他零件的工作条件恶化。4.5 曲轴的材料曲轴材料要根据用途和强化材料正确选择。（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、W等合金元素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情况下，使用球墨铸铁材料能够减少制造成本，而且由于材料本肾的阻尼特性，还能够减小扭转振动的幅值。 所有这些要求，再高速内燃机的条件下，都应该在比较轻的结构质量下实现。同时，随着内燃机的不断发展和各项指标的不断强化，曲轴结构也应该留有发展的余地。不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。例如，为了提曲轴的刚度而增大主轴径和曲柄销的直径，对轴承而言，可以降低轴承比压，但高速转速下轴径圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增大、轴承温度升高，降低了轴承工作的可靠性。 此外，曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷增大。这时，可能会采用些切口连杆，但这种连杆的刚性较差，而且制造成本较高。曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量的加大，可能会使刚度给扭转带来的好处得而复失。正是这些内在的矛盾推动着曲轴设计的发展，而且在曲轴强度矛盾的总体中，应立集中处的最大应力与该力作用点的材料抗力的矛盾是其主要矛盾。影响主要矛盾的主要因素有：曲轴的结构、材料和加工工艺，这三种因素各有独立的作用，相互又影响，必须综合的进行分析，在设计曲轴时，不应该只注重结构尺寸的设计。曲轴材料一般使用45，40Cr，35Mn2等中碳钢和中碳合金钢。轴颈表面经高频淬火或氮化处理，最后进行精加工。目前球磨铸铁由于性能优良，加工方便，价格便宜广泛地用于曲轴材料。本设计采用QT800.4.6 曲轴的结构设计曲轴的结构与其制造方法有直接的关系，在进行曲轴的结构设计时必须同时考虑。曲轴分整体式和组合式两大类。（1）组合式曲轴组合式曲轴是指先把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。按划分单元体的不同，又可分为全组合式曲轴和半组合式曲轴。大功率柴油机和小功率发动机上采用这种组合式结构的曲轴。（2）整体式曲轴整体式曲轴的结构是整体的，它的毛胚有整根材料锻造或用铸造方法浇注而成。整体式曲轴具有工作可靠、质量小的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少，是中小型发动机曲轴广为应用的结构形式。图4-1 四拐平面曲轴三维实体图图42 所设计的曲轴三维实体图综上说述本次设计选用整体式曲轴进行设计4.7 曲轴的相关计算 设计要：设计一个2L的内燃机所需用的曲轴。与此相关的需要计算的数据以及计算时需要用到的参数主要有以下这些: 发动机机型：汽油机 冷却方式：水冷 气缸数与气缸布置的方式:直列四缸发动机冲程数的选择：四冲程表4-1 中小功率内燃机的主要评价参数范围参数车用柴油机增压柴油机农用柴油机车用汽油机活塞平均速度Vm/(m/s)8.5 12.58 116 1010 15平均有效压力Pme/(Mpa)0.65 1.41 2.90.6 8.50.9 1.8升功率PL/(kW/L)11 25.815 408.8 14.722 70比质量（m/Pe）/(kg/kW)4 65 242 3转速n/(r/min)20005000150025001500250028006000行程缸径比S/D0.75 1.20.91.30.91.260.71.2 根据表4-1可以初步选定一些基本参数； 发动机的转速 5000r/m 平均有效压力 1.0 S/D行程缸径比 1.0 发动机的气缸数目 4 发动机的行程数 4 活塞平均速度 14.33m/s 气缸的工作容积 发动机活塞的行程 发动机气缸直径 Z1与曲轴相连的齿轮的齿数 汽缸容积V=2L ， 缸数Z=4 ， 冲程数=4 工作容积：=S S=D 得到： D= =0.86025=86mm S=D=86mm ,根据查表得取值在0.250.33，这里我取0.3。 =43mm得到：=143mm = 14.33m/s 通过上述的计算我们可以得到发动机的一些参数： 气缸直径D=86mm， 活塞行程S=86mm，活塞平均速度=14.33m/s ，曲轴半径R=43mm,连杆长度L=143mm 综合以上考虑，确定主要尺寸如下：主轴颈直径 D1=(0.600.70)D=56mm主轴颈长度 L1=(0.350.45)D=34mm 曲柄销长度L2=(0.350.45)D=34mm 曲柄臂厚度h=（0.20.25）D=22mm 曲柄臂宽度b=（0.81.2）D=85mm 曲轴轴长根据查书和网上参阅初步选值：L=650mm4.8 四缸发动机的工作循环图43 曲轴的三维简图工作的时间间隔 点火顺序可以分为两种：第一种：1