汽车设计课程设计--计算说明书

汽车设计课程设计说明书

题 目： 曲柄连杆机构受力分析

设计者： 侯舟波

指导教师： 刘忠民 吕永桂

2010 年 1 月 18 日

1、课程设计要求

根据转速、缸内压力、曲柄连杆机构结构参数，计算发动机运转过程中曲柄连杆机构受力，完成计算报告，绘制曲柄连杆机构零件图。

1.1 计算要求

掌握连杆往复惯性质量与旋转离心质量折算方法；

掌握曲轴旋转离心质量折算方法；

掌握活塞运动速度一阶、二阶分量计算方法；

分析活塞侧向受力与往复惯性力及相应设计方案；

分析连杆力及相应设计方案；

采用C语言编写曲柄连杆机构受力分析计算程序；

完成曲柄连杆机构受力计算说明书。

1.2 画图要求

活塞侧向力随曲轴转角变化

连杆对曲轴推力随曲轴转角变化

连杆轴承受力随曲轴转角变化

主轴承受力随曲轴转角变化

活塞、连杆、曲轴零件图（任选其中两个）

2、计算参数

2.1 曲轴转角及缸内压力参数

曲轴转速为7000 r/min，缸内压力曲线如图1所示。

图1 缸内压力曲线

2.2发动机参数

本计算过程中，对400汽油机进行运动和受力计算分析，发动机结构及运动参数如表1所示。

表1 发动机主要参数

3、计算内容和分析图

3.1 运动分析

3.1.1曲轴运动

近似认为曲轴作匀速转动，其转角

3.1.2活塞运动规律

图2 中心曲轴连杆机构简图

1）活塞位移 ，其中

活塞位移曲线如图3所示

图3 活塞位移曲线

2）活塞速度

令，

有，

最大活塞速度

平均活塞速度

活塞速度曲线如图4所示

图4 活塞速度曲线

3）活塞加速度

令，有

，

由，即或时，得正、负最大加速度：

个负最大加速度，即

活塞加速度曲线如图5所示

图5 活塞加速度曲线

3.1.3连杆运动规律

1）连杆摆动角

由，得

2）连杆摆动角速度

3）连杆摆动角加速度

3.2 受力分析

3.2.1 活塞气体力

活塞气体力 N

其中：缸内气体压力 bar (1bar=pa)；大气压力 一般取=1bar； cm2

活塞气体力曲线如图6所示

图6 活塞气体力曲线

3.2.2 往复惯性力

往复运动质量 ，

kg

往复惯性力

往复惯性力曲线如图7所示

图7 往复惯性力曲线

3.2.3 活塞侧压力及连杆力

气体压力与往复惯性力作用在气缸中心线上，将往复惯性力用单位活塞面积的力计量，则合成的单位活塞面积的力为：

对曲轴连杆机构的作用如右图所示。

设合成力p作用于活塞销中心A，它可分解为两个力：

垂直气缸中心线将活塞压向缸壁的侧压力

活塞侧向力曲线如图8所示

图8 活塞侧向力曲线

沿连杆轴线作用的连杆力

连杆力曲线如图9所示

图9 连杆力曲线

将沿作用线移至作用点B，可进一步分解为：

对曲轴销切向力

对曲轴销径向力

3.2.4 曲轴连杆机构旋转离心力

旋转运动质量,—曲轴质量

kg

旋转离心力 N

两个分量： ；

曲轴连杆机构旋转离心力如图10所示

图10 曲轴连杆机构旋转离心力

3.2.5 曲轴轴颈和轴承负荷

根据连杆对曲轴推力和旋转离心力，计算曲轴连杆轴颈力。以单位活塞面积计算。

1）连杆大头的旋转离心力

2）曲轴销负荷 ，其中为连杆力，将在x，y方向投影

，

在x、y方向的力的曲线如图11（a)(b)所示

图11-(a)

图11-(b)

3）连杆轴承负荷

连杆轴承负荷是曲轴销对轴承的反作用力。大小相等，方向相反，即

。

的方向角为：

4）主轴颈负荷

的大小为

5）主轴承负荷

主轴承负荷与主轴颈负荷互为反作用，在任何时刻大小相等，方向相反。即

因参考坐标系互相转动角，所以的方位角

3.3 Matlab程序：（见附录1）

4、曲轴和连杆二维出图

曲轴和连杆二维出图 见附录2、附录3。

5、总结

通过本次汽车设计的课程设计，在老师的指导下，我对曲柄连杆机构的结构设计有了进一步的理解。

1）活塞结构：为了减轻活塞质量，减少其往复惯性力，其选用材料为铝；在裙部设计方面，削掉不承受侧向力部分，而在受力部位则延长加厚；活塞销与活塞装配方面，在冷态下，为间隙配合，在工作状态，由于铝的膨胀系数较大，它们的装配为过盈配合。

2）连杆结构：采用工字型设计，既减轻连杆的质量，减小往复惯性力和离心力，同时也增强了抗弯性能。

3）螺栓预紧力：应选择适当值。若预紧力过小，连杆大头盖与轴承会出现缝隙，影响发动机稳定工作；若预紧力过大，则会造成连杆被拉断。

六、参考资料

【1】内燃机设计 杨连生 中国农业机械出版社，1981

【2】汽车发动机现代设计 徐兀 人民交通出版社，1995

【3】MATLAB应用集锦 林雪松等 机械工业出版社，2006

附录1：

Matlab程序

clear;

clc;

DATA=importdata('CylinderPressure.txt');

alpha=DATA(:,1);

p=DATA(:,2);

r=0.063*0.5;%冲程的一半 m

l=0.117;%连杆长 m

n=7000;%转速 r/min

lam=r/l;

w=pi*n/30;%角速度

d=0.091;%缸径 m

fh=pi*d^2/4;%活塞面积 m2

ma=0.425;%活塞质量 kg

mb=0.46;%连杆质量 kg

m1=mb*1/3;

m2=mb*2/3;%按高速内然机公式估算

mk=0.231;%曲轴旋转离心质量

mj=ma+m1;%往复惯性质量

mr=mk+m2;%旋转惯性质量

beta=asin(lam*sin(alpha*pi/180));

x=r*((1+1/lam)-(cos(alpha*pi/180)+cos(beta)/lam));%活塞位移

v=r*w*(sin(alpha*pi/180)+cos(alpha*pi/180).*tan(beta));%活塞速度

j=r*w^2*(cos(alpha*pi/180)-sin(alpha*pi/180).*tan(beta)+lam*cos(alpha*pi/180).^2./cos(beta).^3);%活塞加速度

pg=(p-0.1)*fh*1000000;%气压力

pj=-mj*j;%往复惯性力=往复惯性质量*加速度 方向与加速度相反

P=pg+pj;

pn=P.*tan(beta);%活塞侧向力

pl=P./cos(beta);%连杆力

pr=mr*r*w.^2;%曲轴旋转离心力

pqx=pr.*sin(alpha*pi/180)+pl.*sin(beta);%曲轴连杆轴颈力x = 曲轴旋转离心力*sin(alpha)+连杆力*sin(beta)

pqy=pr.*cos(alpha*pi/180)+pl.*cos(beta);%曲轴连杆轴颈力y = 曲轴旋转离心力*cos(alpha)+连杆力*cos(beta)

pq=sqrt(pqx.^2+pqy.^2);

plot(alpha,p,'linewidth',2);

title('爆压力曲线');

xlabel('曲轴转角 °')

ylabel('爆压力 MPa')

figure

plot(alpha,x,'linewidth',2);

title('活塞位移曲线');

xlabel('曲轴转角 °')

ylabel('活塞位移 m')

figure

plot(alpha,v,'linewidth',2);

title('活塞速度曲线');

xlabel('曲轴转角 °')

ylabel('活塞速度 m/s')

figure

plot(alpha,j,'linewidth',2);

title('活塞加速度曲线');

xlabel('曲轴转角 °')

ylabel('活塞加速度 m/s²')

figure

polar(alpha*pi/180,abs(pn));

title('活塞侧向力曲线')

figure

polar(alpha*pi/180,abs(pl));

title('连杆力曲线');

figure

polar(alpha*pi/180,abs(pqx));

title('曲轴连杆轴径力x方向');

figure

polar(alpha*pi/180,abs(pqy));

title('曲轴连杆轴径力y方向');

figure

polar(alpha*pi/180,abs(P));

title('缸内气压力曲线');

figure

polar(alpha*pi/180,abs(pj));

title('往复惯性力曲线');

figure

plot(alpha,pr,'linewidth',2);

title('曲轴旋转离心力曲线');

xlabel('曲轴转角 °')

ylabel('曲轴旋转离心力 N')

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/056cc94154270722192e453610661ed9ad5155ee.html