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汽车发动机曲柄连杆机构结构设计及其实例分析


龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 汽车发动机曲柄连杆机构结构设计及其实例 分析 作者:王九合 来源:《山东工业技术》2013 年第 08 期 【摘 要】曲柄连杆机构的运动件主要包括活塞组、连杆组、曲轴与轴承组。在进行零部 件设计时,首先,要分析其工作情况及对零件的要求,然后,根据内燃机的总体设计指标以及 工厂生产条件选择适当的材料,并采取适当的措施以

满足提出的要求。最后,决定零件的主要 尺寸,并进行强度、刚度等方面的校核计算。 【关键词】曲柄连杆;结构设计;整体稳定性;空间刚度;疲劳断裂;组合变形;强度校 核;经济性 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/dυ 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。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 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

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