柴油机活塞连杆组的优化设计(编辑修改稿)

柴油机活塞连杆组的优化设计(编辑修改稿)内容摘要：

00 2/cmkgf ，满足要求。 环带的校核 第一环，弯曲应力： 232321/ cmk g fhDP Zw   其中， D 为缸径， 1h 为顶岸高度。 切应力： 222221/ cmk g fhDP Z   其中 zp 为最高爆发压力。 所以总应力。 22222w / cmk g f  总 查表 127 知：铝合金 2k g f / c m400~300总 满足要求。 第二环：因为是灰铸铁，所以弹性模量 E 为 100GPa M p aG p atD tSE 1 1 21 1 )( )1/( /0 4 2 222   2 300~400Mpa,所以满足。 活塞环上的弹力： M p atD DSEp )( 1 2 0/ 0 01 4 )1/( /1 4 330  活塞环的套装应力，手工安装，取 m= M p atD tSEm 1 1 2)( 1 1 0 )1/( /1 1 39。 22    Mpa450~40039。  ,所以满足要求。 裙部校核： 最大 侧压力： KNPDNZ 1 2 22m a x   裙部比压 q1= 81120 32m a x DHN 2/cmkgf 查表知，铝合金的裙部比为 2/8~5 cmkgf 所以裙部合格。 活塞销座比压 2239。 2 / 1 496422 821 2 0439。 2 cmk g fdlpq z    2q 400~600 2/cmkgf 所以满足要求。 活塞销的校核 活塞销的最大剪应力：在销座与连杆的小头的接触面。 )1( )1( 42 2m a x     dp 其中， d 表示销的直径， p= jpN max ， jp 表示除了销以外的活塞组的惯性力：  22 2 3 00 6 )( )1(39。  Rg GGp Pj 所以 p= jpN max == 所以， M P ad p 2 1)( )( 0 8 6 )1( )1( 42 242 2m a x     M p atD DSEp )( 1 2 0/ 0 01 4 )1/( /1 4 330  选择 20Cr 作为活塞销 的材料。 弹性模量： E=198GPa  202 24 /10 cmkgf 如图 42，是活塞销的计算简图 弯曲变形： mmpf z )2442(1020260 )( 444 22     mmDf 0 1 0 00 1  ff ,所以满足。 椭圆变形： mmddEl ddDpd z )2442(9610202320 )2442()(320 )( 34 3230 302       mmD 0 2 7 0 0 )1 0 0( 0 00 2  所以  d ，满足要求。 纵向上的弯曲应力： 244 24042 / 692442 4212 082)()2(39。 cmk gfdd dDpba z   横向上 弯曲应力： 22220022 /)2442(9616 )2442()(16 )(3 cmk gfddl ddDp z     总应力：  = 222222 /39。 cmk gf  许用应力  =3500~5000 2/cmkgf ，满足要求。 4 连杆组的设计： 连杆组的工作情况： 连杆在工作过程中受到两个方面的载荷，一个方面是连杆本身复合运动而导致的横向载荷，另一方面是气体作用和曲柄连杆机构中的往复惯性力引起的纵向载荷。 因为小头是由于压入衬套引起的，在大头拧连杆螺栓时，二者会造成静载荷。 通过动力学分析，cos jgc FFF  N，其中， gF 是气体的作用力 N， jF 是活塞连杆组上的往复惯性力，  是连杆的摆脚。 设计要求： （ 1） 结构要简单，尺寸要紧凑，耐用。 （ 2） 要有足够的强度和刚度，并减少质量。 （ 3） 要缩短长度，有力于减少总体尺寸和重量， （ 4） 螺栓的疲劳强度要强，连接可靠。 （ 5） 易造，钱少。 连杆的材料： 连杆在工作情况是非常恶劣的，所以，连杆的材料选择很关键，在结构轻巧的情况下，还要有足够的强度和刚度。 目前，有如下材料用作连杆： （ 1） 中碳钢，有 40,45 号钢 ，中碳合金钢，有 40Cr,40MnB,以及，机械加工后进行探伤。 而且，现在的辊锻技术成熟，制造的成本变得更低。 （ 2） 球墨铸铁，硬度在 210~250HBW，还有 300~500N/m 2m 得抗弯硬度。 （ 3） 铸铝合金，一般用于小型的发动机。 连杆的尺寸 连杆的小头 连杆的小头是与活塞销连接的，承受着很大的气体作用力，并且工作温度高（ 100~200 C ）。 如图 85，所示。 小头的孔径 d1， d1 的大小由活塞销来确定， d1=d+2 1 ,其中， d是活塞销的直径， 1 是衬套的厚度，我选择的是锡青铜衬套，1 =3mm，所以 d1=42+2 1 =48mm,锡青铜的衬套与活塞销的配合间隙： d)00 ~( ，选取 mmd 0 0  ，小头的宽度 b,在确定 b 时，要注意小头与活塞销座的每侧要留有1~2mm 的间隙 ,这个用来补偿其他零件的制造误差，还有热膨胀引起的位置的变化，合理的设计小头的宽度，保证有强的承受面积。 对于柴油机来说， b=d=42mm。 连杆的杆身 连杆的杆身是连接 小头和大头的细长部分，杆身一般受到交变载荷的作用，会产生变形和疲劳损失。 所以，杆身的重量要小，并且它的强度和刚度要大，结合这些方面，我选择“工”字钢来作为杆身的截面。 而且工字钢可以节省材料，减少重量。 它的截面如图 25 所示，因为，此缸径为 120mm，行程 S 为 132mm，所以，取  查表 mmSr 6621322  ， L= mmr 220 ， H/D=，所以 H=120*=，取 H=38mm, B/H=,所以 B=*38=，取 B=26mm。 t/H=,所以t=*38=,所以，取 t=7mm。 连杆组的重量 连杆组的重量可以根据表 821 的数据，得出本次的连杆组的重量为 2300g。 连杆大小头质量的换算 根据实验经验数 据，可以初步判定，杆身的质量为 300g,现在进行大 小 头 的 质 量 估 算 ， 连 杆 的 小 头 质 量 G1= gH HLM 4 52 2 01 6 02 2 02 0 0 0  ， 则 大 头 的 质 量G2==。 连杆的小头的校核计算 1） 温度过盈量： T =( B )d1t= C  0 4 2 548)( 55 其中， B 是衬套的热膨胀系数 B = 510 ，  — 小头材料的热膨胀系数，  =1 510 ， t 是连杆小头的温升高，通常 t=100~150 C ,取 t=125 C。 而 d1 是小头的内径， d1=48mm。 2） 径向压力 P  Eudd ddEudd dddTP222222221112211M p 4248 5848485222252222  其中， d2 是小头的外径， d2=58mm。 d1 是小头的内径， d1=48mm。 d 为衬套的内径，也是销的直径， 42d mm。 u 表示泊桑系数， u =。 E 是连杆材料 的抗拉弹性模数， E= 510 MPa。 E 是青铜的衬套的抗拉弹性模数， E。  表示衬套装配过盈量。 所以由 P 产生了小头的应力： 1） 外表面的应力： M P add dPa 1 94858 1239。 222222  2） 内应力： M P add ddPi 4 64858 12 2222222  因为   ia  , 在 150~100 MPa ，所以，满足要求。 活塞最大的往复 惯性力： 连杆的小头在进排气过程中要受到活塞组的往复惯性力的作用，并且在上止点的附近会产生最大的惯性力 max39。 jP。 max39。 jP =   KNrgG 2 6662 3 2)1(39。 22   截面弯曲和法向力： 在对小头进行应力分析时，把它简化为固定于杆身截面处，所以固定角为 c ，   c o s9022c o s90 121rdrHc 其中 ,H 为 截 面 宽 ， H=38mm ， r 为 小 头 的 平 均 半 径 ，r= mmdd 58484 21 。 当 c =0 时，弯矩为 0M ，法向力 0N ,按以下公式计算   mNrjPM c   0 20 2 9 2 40 0 0 3 2 6 )0 2 9 0 0 3 (39。 m a x0 mKNjPN c  3 7) 2 40 0 7 ( 2 6)0 0 0 7 (39。 m a x0  所以，弯距为： M= mNrjPrNM ccc   ) ( s i ) os1( )c os( s i n39。 )c os1( m a x00  法向力： N= )c o s( s in39。 o s m a x0 ccc jPN   = KNc 9 7) 2 4c o 2 4( s i 2 o 3 7   所以，固定的表面应力：hbKNhrh hrMaj 11)2(62   =   k    连杆小头的截面积     cmbdds  衬套的截面积   )(139。 cmbdds  系数 K= 39。 39。 666   SEES ES 小头的承受最大的压力： cp 22m a x2 / 8 5 2 64 39。 4 cmk g fjPDpp zc   作辅助函数： rPMC， rPNC 小头的中央截面的弯矩： 20 / cmk g fM  小头的中 央截面的法向力： 20 / 5 8 5 0 3 2 cmk g fN  小头受到压力时的固定截面的弯矩以及法向力： )()c o s1(002 ccc rfprNMM   =2/ 9 90 2 3 8 5 2 4c o 5 cmk g f   202 / o 2 3 8 5 3c o s cmk g fNfPN ccc   受压时表面应力：hbkNhrh hrMac 11)2(62 22   cmk gf / 1)()(5    因为材料选取的 Cr40 钢 ， 所 以 它 的 抗 拉 强 度 极 限 ：2/ cmkgfB  ，所以 1 ~ B ，得21 / cmk g f ， z1 ~ 1 , 所以21 / cmk g fz  ； 0 ~ 1 = 21 / cmk g f。 角系数： 0 01     应力幅：  )(21acaja  2/)(21 cmk g f 平均应力：     2/ 1 0 1 8 2 9 32139。 221 cmk g facajm   1 101  zn  ，所以安全。 小头截面的惯性矩 :J= 233 cmhb  小头横向减少量： 1  EJdp cmj623m a x1 10 9039。  。