目录
第1章 绪 4
11 选题目意义 4
12 国外研究现状 4
第2章 整体设计方案 6
22活塞组设计方案 6
23连杆组设计方案 7
23 柴油机动力计算 8
231已知原始数 8
232动力计算 9
24章结 12
第3章活塞组设计 13
31 活塞设计 13
311活塞工作条件设计求 13
312活塞材料 14
313 活塞头部设计 14
314 活塞裙部设计 18
32 活塞销设计 19
321 活塞销结构材料 19
322 活塞销强度刚度计算 20
33 活塞销座 21
331 活塞销座结构设计 21
34活塞环设计 21
35 章结 23
第4章 连杆组设计 24
41 连杆设计 24
411 连杆工作情况设计求材料选 24
412 连杆长度确定 24
413 连杆头结构设计强度刚度计算 24
414 连杆杆身结构设计强度计算 27
415 连杆头结构设计强度刚度计算 30
42 章结 31
5曲轴组设计 32
51 曲轴选型 32
52 曲轴尺寸设计计算 32
53 曲柄选择 33
54 衡重设计 33
55 油道设计油孔位置 33
54 章结 34
第6章 活塞连杆组创建 34
61 Solidworks软件基功介绍 35
62 活塞创建 35
621 活塞建模步骤 35
63 连杆创建 37
633 连杆盖建模 38
64 活塞连杆组零件创建 39
641 活塞销创建 39
642 活塞销卡环创建 39
643 连杆头衬套创建 39
644 头轴瓦创建 39
645 连杆螺栓创建 40
65 章结 40
第7章限元分析 41
71连杆模态分析 41
711数字化建模 41
712导入外部模型 41
713网格划分 41
714边界条件施加 42
715求解 42
72章结 43
1绪
11 选择该题目意义
活塞连杆机构燃机中实现动力输出传递运动重组成部分燃机通活塞连杆组活塞顶部受燃气爆发力通活塞销头串联传递杆身头曲轴销串联曲轴力变成转矩时带着活塞复运动巧妙变曲轴旋转运动活塞连杆机构设计时优先保证机构整体具足够结构强度刚度减少活塞连杆机构应力集中时设计出结构紧凑重量轻机构次设计关键
通次设计够促进学四年已学知识总结综合应熟悉参数活塞连杆组计算结果影响变化规律锻炼数分析力达复杂数情况快速挑选参数目 时活塞连杆组间工作程相互影响清楚认知通绘图软件绘制活塞连杆机构零件图三维图装配图培养快速识图迅速制图力够掌握利限元分析软件模拟活塞连杆组实际工作程出设计结构否合理结构否存运动干涉设计参数否达实际生产求等问题零件图三维图应力云图程度反映时锻炼综合学学知识整体机构中零部件附件系统间配合关系进行充分探究培养毕业够事设计工作增加优势
12 国外研究现状
十九世纪六十年代年首台燃机诞生德国鲁道夫狄塞尔觉时发动机效率低系列挫折终八九二年研发出世界第台正常实现扭力输出压燃式柴油发送机发动机160年发展改变类出行方式极提高类出行效率时机器提供强动力极促进社会生产力发展间接丰富物质追求提高生活质量已成类发展缺部分着类机械动力需求断增加工作环境越越严酷目前止燃机发展远远没达极限动力性济性排放性等方面然存研究发展空间柴油发动机相较汽油机说热效率更高济性较等优点柴油机点火方式独特采压燃点火结构
较简单点火原理压缩空气时喷入柴油空气分子剧烈挤压空气温度瞬间达柴油燃点时空气混合完成点火燃烧较汽油机说柴油机需点火系统量数实验表明现种动力机械中柴油机仅热效率高量利率
进入21世纪环保意识增强国家柴油车废气污染物求汽油车样日渐严格时柴油机济性提出更高求面源危机环境污染等问题提高燃机济性减少废气排放已成国外研究重点
目前发动机柴油化呈现全球化趋势尤北美欧洲日等区种发展趋势明显调查显示欧美日国家重型机械全部柴油机作动力美国欧洲商车百分九十柴油车百分三十左右轿车柴油车专家预测十年甚更长时间发动机柴油化成流趋势欧洲柴油机拥量技术优势柴油机燃油济性较供油充分寿命长结构紧凑[2]国然世界单缸柴油机产量厂家品种整体水落西方国家10~20年起汽油机国家柴油机够重视城市甚柴油车限行处理严重制约生产工艺水规模发展开发力提高[3]数印象里柴油机充斥着严重噪声刺鼻气味浓浓黑烟社会整体呈现出厌柴心理着先进柴油机技术引进国柴油机二十世纪八十年代较快发展整体技术水达国外八十年代末九十年代初水诞生常柴玉柴潍柴等优秀柴油机研发制造企业着高压轨喷射增压中冷技术废弃循环等技术国某新柴油机产品排放水准甚达欧洲高排放标准
2 整体设计方案
21原始参数
1) 选柴油机：S195柴油机
2) 燃烧室类型：涡流式
3) 气缸数目Z：1
4) 柴油机程数t 4
5) 气缸直径D 95mm
6) 活塞行程S 115mm
7) 排量： 0815L
8) 标定功率 Ne 88kw (12PS)
9) 标定转速： 2000 rpm
10) 怠速转速： <800 rpm
11) 压缩s 20
12) 冷方式：水冷
13) 净质量： 145kg
14) 润滑方式：压力润滑+飞溅润滑
15) 启动方式：电启动
16) 高爆发压力pz 75kgf cm2
17) 压力升高：150
18) 均效压力pc：678 kgfcm2
19) 高燃烧温度 2230 K
22 活塞组总体设计方案
221活塞头部进行结构尺寸设计
活塞头部块区域顶部环带部两区域组成作简单承受高温高压燃气压力然通活塞销座运动连杆头传递连杆头推动曲轴转动实现动力输出时活塞头部汽缸盖汽缸壁三者组成燃烧室活塞环起配合保证气缸气密性设计柴油机活塞头部时特关注方面：：选择制作活塞头部材料定具充分强度刚度防止头部应力集中开裂者明显变形头部变形终会导致活塞环槽空间受压缩
活塞环空间变受挤压破化活塞环正常工作二：定减头部高温度时温差梯度均匀头温度高头温度低会形成热应力热变形引起头部疲劳损伤严重时导致热疲劳开裂方避免量避免活塞环嘛需工作条件三：保证活塞头部足够强度刚度情况结构轻巧尺寸紧凑头部压缩高度影响蛮说头部尺寸缩量甚达压缩高度尺寸缩短两倍时显著减活塞重量降低活塞复惯性质量
222活塞环
保证机构具足够气密性次社稷活塞环算设计成四道算设计三道气环道油环第道活塞环算梯形环材料预选球墨铸铁表面镀孔性铬活塞寿命长第二三道活塞环算锥形环材料灰铸铁表面压力高利磨合密封布油效果第四道油环弹簧膨胀环选优质钢质量基础压高回油通路刮油力强
223活塞裙部
活塞裙部指活塞油环槽部分[9]活塞受气压力行受凸轮惯性力行时裙部起导作程中连杆快速摆动导致气缸壁会裙部气体侧压力设计裙部时应注意点第务必保证活塞够摩擦复运动时正确导时具足够实际承压面积减气缸壁侧应力击第二裙部表面足够厚润滑油膜间隙导致活塞卡住拉伤造成拉毛间隙发生敲缸引起噪音加速磨损避免出现拉毛现象活塞裙部气缸间必需留适间隙活塞头部距离高温燃气导致活塞外表面温度分布均匀活塞顶温度高达两百甚五百度环带温度梯度裙部更明显设计时应加考虑加速塞头部流裙部热量活塞头部迅速冷活塞外圆面制成锥度圆锥面努力缩活塞裙部膨胀活塞裙部形状活塞身温度变化相应起裙部壁厚薄厚度等应起[10]翻柴油机设计手册书晶硅铝合金活塞顶部间隙∆0垂直销孔方裙部间隙∆⊥推荐值：
∆0D0006∆⊥D00014
23连杆组设计方案
连杆组实际住活塞组曲轴组中间起纽带桥梁作方面连杆头活塞携手做复运动方面连杆头曲柄销联合起做旋转运动复运动转变旋转运动程中连杆身会做复杂面运动时连杆仅承受复惯性力气压力联合拉压疲劳交变载荷时会连杆受力均时引起横弯曲载荷衬套轴盈压入时装配静载荷想结构轻巧想足够刚度强度根发送机制造工厂老师傅推荐次设计预选中碳结构钢
231连杆头
薄壁圆环结构简单制造方便材料利率高常工厂中批量生产头设计中优先考虑薄壁圆环结构头杆身度单圆弧渡头活塞销座间保留定间隙弥补温度升高时材料热膨胀系数样时引起零件间装配关系变化头足够承压面积减单位面积承受应力耐磨连杆衬套减活塞销头磨损两者间采盈配合头面开机集油孔利曲轴箱飞溅油雾进行润滑时热量带走起降温作
232连杆杆身预设计方案
连杆杆身连杆组家庭里面起顶梁柱作做功行程时连杆头肩膀扛着活塞气体压力引起连身压缩时吸气行程时头腿陷复惯性泥塘里拉伸连杆杆身采工字形截面种截面材料利合理中高速柴油机截面均高度气缸直径值般取值范围03~04截面高宽取值略般取值范围1418均截面积活塞面积003005杆身进行校核时考虑拉压交变载荷产生应力
233连杆头
保持运动连续性连杆头盖尺寸参数连杆头尺寸参数保持致般四程发动机连杆头盖加强筋结构减惯性载荷造成影响保证连杆头通气缸螺钉中心线量轴瓦连杆体通气缸时增曲柄销直径连杆头剖分面做成斜切口斜切口减连杆螺钉承受拉伸负荷斜切口足处连杆螺钉者螺柱连接螺栓连接会增加连螺钉间距离削弱连杆体连杆螺钉承受剪切力综合考虑斜切口斜角般300600
23 柴油机动力计算
231已知原始数
活塞面积FPπD247865cm2
曲柄半径连杆长度
曲轴旋转角速度
活塞均速度
232 活塞头部运动分析
(1)运动参数计算公式：
活塞位移：
活塞速度：
活塞加速度：
连杆摆角：
具体计算结果见图21活塞1循环运动规律见表21
活塞运动规律曲线见图22
图21曲柄连杆机构简图
表21柴油机活塞运动规律表
曲轴转角
连杆摆角
位移m
速度ms
加速度ms2
0
000
000
000
323002
10
264
122
237
321964
20
573
428
520
292010
30
791
970
751
254321
40
1020
1674
939
206306
50
1211
2521
1088
150939
60
1372
3474
1189
92073
70
1491
4490
1241
33542
80
1564
5529
1250
21098
90
1590
6549
1210
69501
100
1570
7532
1129
109281
110
1420
8432
1030
140012
120
1382
9230
910
162511
130
1222
10012
775
176021
360
000
000
000
323004
350
273
111
266
314964
340
537
439
519
291468
330
787
968
747
254317
320
1014
1673
939
206306
310
1211
2521
1088
150939
300
1372
3474
1189
92073
290
1491
4490
1241
33542
280
1564
5529
1246
21209
270
1589
6553
1208
69429
260
1564
7526
1133
109275
250
1491
8424
1028
139913
240
1372
9224
903
161502
230
1211
9913
762
175051
220
1014
10483
613
182194
210
787
10927
461
184888
200
537
11246
307
185097
190
273
11436
153
184481
180
000
11500
000
18415
170
281
11441
161
184518
160
551
11150
299
185100
150
790
11011
459
184911
140
1021
10490
621
182200
130
1222
10012
775
176021
120
1382
9230
910
162511
110
1420
8432
1030
140012
100
1570
7532
1129
109281
90
1590
6549
1210
69501
80
1564
5529
1250
21098
70
1491
4490
1241
33542
60
1372
3474
1189
92073
50
1211
2521
1088
150939
40
1020
1674
939
206306
30
791
970
751
254321
20
573
428
520
292010
10
264
122
237
321964
0
000
000
000
323002
曲轴转角
连杆摆角
位移m
速度ms
加速度ms2
140
1021
10490
621
182200
150
790
11011
459
184911
160
551
11150
299
185100
170
281
11441
161
184518
180
000
11500
000
18415
190
273
11436
153
184481
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537
11246
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185097
210
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10927
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220
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230
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1372
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1088
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1673
939
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330
787
968
747
254317
340
537
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519
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273
111
266
314964
360
000
000
000
323004
图22 S195柴油机活塞运动规律曲线
233质量换算
复运动质量mj
实验室拆卸测195发动机活塞组实际总重G0136kg包括活塞重09kg活塞销重036kg油环重003kg气环重0065kg挡圈重0005kg
连杆组质量换算：195连杆组拆卸测实际重量GC2315kg包括连杆体189kg连杆螺钉0124kg连杆轴瓦011kg称重法原理连杆体实际重量分配取值0600 1293Gca1293+011+0124+00081535kgmjmp+mca1g136+0602005 (kgs2m)mj＇mjFP020057088000283(000283kgs2mcm2)
旋转运动质量mr23曲柄质量换算图
曲柄臂椭圆曲轴旋转中心称中心见图23考虑椭圆部分质量换算
曲柄部分重量重心曲轴旋转中心线距离计算：
GΙ071kgρΙ76cm
GΙΙ0108kgρΙΙ75cm
GΙΙΙ0563kgρΙΙΙ57cm
中Ι部分表示衡块Gb071kgρ76cm
GbGΙΙΙρΙΙΙGΙΙρΙΙR
0563×570108×75×25750276kg
mrmd+mcb1g0276+153501847kgs2m
24章结
章活塞头部活塞环活塞裙部连杆头连杆杆身连杆头等零部件进行正式详细设计计算前制定概方话塞进行动力计算运动规律探讨
3活塞组零部件结构尺寸设计
31 活塞结构尺寸设计
活塞组活塞活塞销活塞环弹性挡圈组成顶部高温高压腐蚀性燃气接触高速运动时活塞表面汽缸壁断摩擦冷润滑困难燃机中工作环境恶劣组件活塞组工作状态越燃机寿命更长
311工作环境
1高压环境击性机械负荷高
柴油机工作时压缩止点附活塞顶部受爆发压力产生机械负荷出现活塞销断裂环岸断裂活塞卡环卡死断裂活塞设计成合理结构形状适应高压击性负荷减少应力集中保证活塞正常工作
2高温环境热负荷
活塞气缸工作时活塞顶部熊熊燃烧火焰接触燃气瞬间高温度达处高温密闭导热良工作环境轴线部分温度变化极容易积累热应力活塞表面变心甚开裂埋良隐患
3高速环境—强烈摩擦
次设计柴油发送机规划短轴连杆发动机类工作时产生侧力长轴连杆发动机加剧侧拍击引起裙部变形甚缸套振动造成缸套腐蚀时活塞环极高行速度紧贴汽缸壁运动原活塞汽缸壁间配合间隙难润滑容易加活剧塞表面气缸壁表面间磨损
4活塞组设计求
（1）选择受热膨胀量耐磨稳定性导热性较高屈服强度
（2）重量轻情况活塞缸套保持佳配合
（3）保证燃烧室气密性减少活塞组摩擦时发生窜气窜油现象
（4）合理形状壁厚保证活塞足够强度刚度避免应力集中
（5）活塞吸热力差导热力保证头部吸收热量够利散走
312 活塞材料
发动机中灰铸铁耐磨耐热性廉价等原早前开始范围年发动机动力求断增加越越期高转速高压缩发动机发动机求断提高材料密度质量轻导热性铝合金活塞逐渐占领灰铸铁活塞市场
铝合金活塞相灰铸铁活塞材料性高重铝合金灰铸铁灰铸铁活塞三分二结构重量铸铁活塞青百分四十左右铝合金导热系数铸铁导热系数三四倍导热性惯性力活塞快速散热铝合金足处受热时硬度强度会幅度降时膨胀量幅度增加常常铝合金活塞中适量加入合金元素改善活塞整体性
综合考虑活塞选铝合金中添加硅元素常说晶铝硅合金
313 头部尺寸设计
1确定压缩高度
压缩高度顶岸高度环带高度裙高度组成设计时总原保证活塞正常工作前提量缩短顶岸高度环带高度群高度三部分尺寸尺寸愈复运动质量越低时够发送机布局更紧凑
（1）计算火力岸高度
火力岸高度第气环表面活塞顶部燃烧室边缘尺寸高度火力岸高度选择遵守原：第：气环槽布置顶部厚度方第二：第环工作温度超允许极限温度避免第环出现弹性松弛粘结等问题满足述选取条件基础顶岸高度取越越般柴油机h1007~02D活塞直径意思该发动机活塞直径D95mm顶岸高度取值：
（2）计算环带高度值
型中速柴油机机般气环高b取范围2~4mm油环高b取范围4~6mm环槽高度取值取值高度高惯性灵力取值减活塞环惯性力环槽侧面撞击够提高环槽寿命
次设计单缸柴油机活塞设计采四道活塞环气环高取b1b2b325mm油环高b45mm
环岸高度必须保证受燃气压力作时会破坏第二三环第四环第环样燃气直接接触环环岸负荷第环环岸第环岸遭破坏时余环岸破坏设计前第环岸预先留出较高度环岸取较值根柴油机设计手册c10035~004Dc2c3(1~2)b1柴油机取值接限
c1oo37D35mm c2c31b11×33mm
环带高度h2b1+b2+b3+c1+c2+c3245mm
（3）裙高度计算
裙高度h3活塞销轴线油环槽间距离油环油环槽设计时设计装配间隙非常减惯性力击活塞开槽槽会出现应力集中油环槽厚度特厚受机械载荷剧烈击话环槽容易变形时导致间隙变槽两面会夹住油环导致工作失效设计裙高度时油环槽位置应该布置活塞销座外径保证销座强度会油环正常工作造成影响
综合火力岸高度环带高度群高度确定活塞群高度根设计手册柴油机H106~08D
H1063D063×9560mm
h3H1h1h26014245215mm
2活塞顶厚度行计算环带断面进行计算
（1）活塞顶厚度计算
活塞顶形状取决燃烧室选择设计[14]S195 0815L发动机高压缩发动机ε20时燃烧室结构涡流式结构燃烧室中空气燃料充分混合活塞顶制成w形根柴油机设计手册活塞顶部厚度柴油机δ01~02D取δ015D015×9514mm活塞顶部吸收热量通活塞环传递汽缸壁冷水套导出加快活塞顶部热量散出减第环收热应力设计时活塞顶厚度应活塞中心面燃烧室边缘慢慢加厚渡圆角设计足够
（2）环带断面设计计算
塞环岸附锐边开适量倒角减少第环受热量环岸汽缸壁间隙太太会造成活塞卡住热间隙太否会导致活塞环失密封作选择活塞环环槽间恰配合间隙减少应力集中保证活塞环环槽中正常工作般该倒角槽底圆角通常控制02~05毫米
（3）环岸尺寸设计环槽设计计算
保证活塞活塞环间配合长时间处正常工作状态环岸活塞槽间隙进行详细设计侧间太会加剧活塞环环槽击太容易导致活塞容易黏着失密封作气环槽面应垂直活塞轴线防止机油窜活塞环侧隙产生剧烈击黏着卡死情况量取值柴油机制造手册第环环槽侧隙般取00501毫米二三环热应力取值适003007毫米油环取值更利减少应力集中活塞稳定工作环境延长寿命减机油消耗油环槽侧隙中必需均匀布置回油孔减少机油损耗降低局部温度四道环开口间隙侧隙祥见表21
活塞较高抗粘性气环油环背隙取值相间隙说较减活塞环活塞槽底圆角出现干涉率气环背隙取05毫米油环背隙取值更具体分析见图31
（4）活塞环岸强度校核
膨胀止点柴油空气混合瞬间压燃燃气爆发压力作气环死死压着环岸环岸压力压力导致岸根出现较弯曲剪切应力造成环岸根部裂开柴油机设计手册气缸出现高爆发压力时见图22
已知75p109×75675p202×7515
图31 环环槽间配合间隙 图32环岸受力分析
环岸固定面较复杂难计算出应力精确值般情况假定岸根直径环槽深：
t＇008D008×9577mm
作活塞环岸根弯矩计算
（31）
活塞环岸根部断面抗弯断面系数计算：
活塞环岸根部危险断面弯曲应力计算：
（32）
理计算剪切应力：
（33）
合成应力等：
（34）
硅铝合金许应力[σ]300~400校核合格
314 活塞裙部设计计算
（35）
式中意思指椭圆长轴椭圆短轴意思见图33
柴油机设计手册缸径时活塞裙部椭圆度取值通常Δ025~145mm取Δ1mm
般高速柴油机裙部压5~8
图33 活塞销裙部椭圆形状
活塞冷方式活塞功率选取
值 油冷方式限值 03 需话塞进行冷处理
32 活塞销设计计算
321 话塞销尺寸计算进行材料选
1话塞销结构设计尺寸计算
空心圆柱体相实心体说质量轻减少复惯性质量时足够承压面积足够表面光滑圆润压强应力集中明显实际安装活塞时采偏心布置缩热膨胀时带误差活塞销活塞销座衬套孔三者间连接配合方式选全浮式配合采圆形形弹性挡圈定位防止活塞轴串动弹性挡圈GB89311986选销座采宽体整体支撑筋式销孔加润滑
柴油机设计手册活塞销外径d1031~040D取d1037D35mm径d2045~065d1取d2057d120mm活塞销长度L08~09D取L08D80mm般情况外径35毫米时活塞销销座配合间隙取5μm
2活塞销材料
活塞销身连杆头活塞串联起工作时受种击载荷盈装配时摩擦更加剧烈径变形协调油膜难形成润滑条件差优先选择耐磨韧性高抗击性综合考虑活塞销材料选含碳量百分二十低碳镉合金钢 时渗碳处理进步提高强度
322 活塞销强度计算刚度计算
图34活塞销计算简图
1弯曲变形计算f
f160pzD2a2(2ab)E(d4do4) (36)
16075×952×582×2583322×10635424
107×104cm
f<[f]143×104cm校核合格
2椭圆变形∆d
∆dpzD2d+d03EIdd03 (37)
593×103cm
∆d<[∆d] 137×105cm校核合格
3弯曲应力σ1
σ1（2ab）pzD2dd4d04 (38)
1467kgfcm2
σ1<σ13500~5000kgfcm2校核合格
4横弯曲应力σ2
σ23π16pzd2D(d+d0)I（dd0）2 (39)
1219kgfcm2
σ2<σ23500~5000kgfcm2校核合格
总应力σσ12+σ221907kgfcm2σ<σ3500~5000kgfcm2校核合格
33 话塞销座设计计算
331结构进行设计
话塞销座作支承活塞活塞销起组成队摩擦副传递运动动力工作时受周期性气体压力销座活塞惯性力销座足够刚度强度应活塞销变形受特应力变形甚断裂时结构强度刚度活塞销活塞稍先损坏保护销座销座活塞体更换程复杂更换成更换话塞销成高销座径d022mm查柴油机设计手册活塞销座外径通常径14－16倍[17]取d15d033mm话塞销径方弯曲变形量肉眼越明显证明设计出销座系统性越两者间正关系根柴油机设计手册连杆头活塞销座间间隙控制4~5mm果制造机器越先进技术工制造水够高时两边取2~3mm综合考虑两边取间隙3mm
332 验算销座压力
计算活塞销座压力结果：
21N （310）
柴油机活塞销许压力
34活塞环结构选型设计
参考195单缸柴油机话塞选四道话塞环前三环气环油环
第道气环选梯形环梯形意思活塞环切断观察时话塞环截面梯形材料选球墨铸铁较梯形环表面镀孔性铬梯形环活塞侧压力变化位置断改变环槽中积炭容易挤出避免环槽中豁起折断延长环寿命第二三道气环锥面形环[18]材料灰铸铁外表面锥角1±30’锥面环防止泵油现象活塞运动时布油效果运动时表面接触压力高刮油密封效果第四道油环选弹簧膨胀油环外侧制倒角活塞行时形成油锲布油均匀行时刮油力优秀
活塞环尺寸环高度b环径厚度t0 [19] 柴油机设计手册中气环高度取值范围般点五三毫米油环高取值范围四七毫米综合考虑取b125mmb2b3275mmb45mm四环径厚度t做等厚处理柴油机设计手册推荐值：缸径D处50~100mm范围时tD005~006取t6mm次
331 话塞环校核
活塞环工作时会产生剪应力轴力两力环身会造成太影响忽略计考虑弯曲应力装配应力
1工作状态活塞断面弯曲应力
弯矩：
（311）
弯曲应力σmax：
（312）
话塞环开口间隙话塞环接触压力两者关系：
（313）
式（313）（312）联立方程式：
（314）
式中：—材料弹性模量合金铸铁
—话塞环开口间隙参考设计手册取
—话塞环径厚度
σ[σmax]<[σ]校核合格
2套装应力
活塞环装配活塞时切口间隙进行扩张导致切口处会出现弯曲应力：
（315）
式中：—意思说装配时套装系数选装配方式取值样取值范围参考195柴油机设计次设计装配系数
活塞环常温环境瞬间装配活塞时套装应力许值许应力百分十百分三十左右校核合格
35 章结
章活塞组部件进行结构尺寸设计首先分析零部件工作条件零件工作环境严酷然根零部件工作环境工况
总结设计原设计求然根原求挑选合适材料次确定零件结构形状尺寸参数进行校核达生产技术求[21]
4 连杆组结构设计计算
1工作情况
连杆头通活塞销活塞串联起三者气缸周线起做高速运动时连杆头通曲柄销曲轴串联起三者做做旋转运动连杆体运动结合左右摆动形成复杂运动
2设计注意事项
连杆工作时受两力气体压力复惯性力两力结合形成时时变化便利面种极复杂载荷时轻易选择材料挑选材料定具足够疲劳强度结构钢度连杆足够高强度刚度容面复杂工作环境维持正常工作然考虑尺寸紧凑结构轻巧
3选择材料
综合考虑次连杆设计选45优质结构钢
412 计算连杆长度l
设计连杆前先确定连杆头连杆头两孔圆心间间距离时常连杆长度l连杆常常连杆长度l表示具体长度值长度通常连杆λrl进行具体说明[25]根柴油机手册0325取rs257mmlrλ210mm
413 连杆头结构设计强度校核
1结构设计
结构尺寸图见41头径d活塞销外径做等处理取d35mm
根柴油机设计手册头宽度B1（09~12）d取B1097d34mm避免连杆头出现剧烈磨损选锡青铜材料衬套头孔衬套采轻微盈配合头外径
D1（12~14）d取D1128d50mm衬套厚度δ（004~008）d取δ006d2mm头衬套外径d2d+2δ39mm般情况衬套宽度头宽度等宽
2强度校核
装配时采盈配合保证连杆头衬套工作保持运动状态致性盈配合会产生额外拉伸压力然锡铜衬套耐磨性锡铜材料膨胀系数结构钢膨胀系数伴着着温度升高两材料彼会压越越紧头断面中应力着压越紧应力会激增时连杆头表面表面会受活塞惯性力拉伸作面说计中力会结合起形成外种新应力受力情况会特复杂校核做验证
图41 尺寸图
（1）盈装配时头径压力产生应力：
（41）
表面应力 （42）
外表面应力 （43）
外两应力允许值通常范围校核合格强度刚度担心
（2）属连杆头疲劳安全系数
连杆头出现应力属交变应力应力集中连杆头杆身渡处外表面校核处安全系数：
（44）
连杆头疲劳强度安全系数参考柴油机设计手册系数取值通常范围[27]
3刚度计算
话塞变形公式
（45）
式中：—意思头直径变形量意思单位
—指头均直径意思单位
—意思头断面惯性矩
般情况发动机许变形量活塞销直径方间隙二分标准间隙取值范围校核合格满足社稷求
414 连杆杆身设计校核
1杆身结构设计
工字形断面抗弯曲性容易锻造选工字形断面柴油机设计手册杆身截面宽度H取值范围（03~04）D取H032D30mm连杆厚度B般HB1418间取B20mm
避免应力集中头杆身杆身头度处
2杆身强度校核
（1）拉伸应力：
（46）
公式中：—杆身断面面积[28]柴油机设计手册柴油机fm003~005A意思活塞脑袋面积取
拉伸应力：
（2）杆身压缩弯曲应力弯曲应力
活塞位压缩止点时杆身受压缩力时燃气作力设压缩力：
（47）
活塞处压缩止点时连杆受压缩力加载引起杆身中间断面弯曲发生种情况时杆身简单视铰支[29] 面合成应力：
（48）
式中：—指时材料系数取
—值断面惯性矩意思
式（48）化简：
（49）
式中 —俗称连杆系数意思
摆动面合成应力计算：
里垂直摆动面合成应力：
（410）
式（410）改写
（411）
式中：—k1意思
垂直摆动面合成应力：
σx12933σy12479垂直面摆动面应力许值 范围两者许应力值校核合格满足设计求
（3）杆身安全系数
杆身承受非常复杂称交变循环载荷称循环中应力表示力表示
计算处连杆摆动面应力：
（412）
（413）
计算处垂直摆动面应力：
（413）
（414）
计算杆身安全系数计算：
（415）
垂直面杆身安全系数计算：
杆身安全系数许值范围次校核合格担心开裂
415 连杆头设计强度校核
1结构设计尺寸确定
头宽度b205D138mm头孔直径D107D70mmdM013D125mm头凸台H1019~024)D1取H123mm头凸台H2(041~058)D1取H232mm连杆头连杆盖分开面采450斜切口连杆螺栓孔间距离t1(12~13)D1取t1128D190mm柴油机设计手册螺钉孔外侧壁厚两毫米次设计取三毫米保证连杆头足够结构刚度紧凑性情况螺钉头支承面杆身渡圆角量取值
2强度校核
发动机进气口开处进气行程时连杆盖会出现载荷计算结果：
参考验公式计算危险断面弯矩法力计算结果：
（416）
计算头盖中间断面弯矩：
（417）
计算头盖中间断面法力：
（418）
公式式中：—意思头盖轴瓦惯性矩单位
—意思头盖断面轴瓦断面面积单位
计算出现中间断面应力公式：
（419）
式中：—意思头盖断面抗弯力带单位计算程
连杆头盖应力计算程：
柴油机设计手册连杆头盖应力许值通常范围门强度刚度满足求克服全部加载产生应力校核合格
42 章结
章连杆头连杆杆身连杆头次进行结构设计具体尺寸参数设计紧接着设计容方时进行校核然研究连杆复杂工作环境具体负荷身影响参考结果选择适材料实际尺寸参数满足实际生产需求
5曲轴组设计
51曲轴选型
(1) 曲轴材料：45钢
(2) 锻造方法：模制锻造
(3) 曲轴结构形式：整体式曲轴
52 曲轴尺寸设计计算
(1)曲轴轴颈直径D1
D1(065080)DD95mm选择系数075D1075D7125mm
(2)曲柄销直径D2
D2(055070)D选择系数061D2061D57mm
(3)曲柄臂尺寸L （等宽度厚度bt）
宽度 b（113)D 选择系数10bD95mm
厚度t（0203)D 选择系数025t025D2375mm
(4)曲轴轴颈长度L1
L1(04506) D1选择系数048L1048D1456mm
(5)曲柄销长度L2
L2(065070)D2选择系数07L207D2399mm
轴瓦直径宽度连杆曲轴设计中已决定具体尺寸参数设计轴瓦时考虑设计计算厚度啦参考柴油机设计手册中验公式t1(002005)(D+2t1)选择系数03t123mm理t218mm式中t1轴瓦厚度t2周哇厚度
53 选择曲柄
减曲轴旋转质量保证承受载荷产生应力均匀分布表面次设计选择椭圆形曲柄祥见图
图51曲柄示意图
54衡块设计
衡块径尺寸通常超曲柄底部两块衡块间宽度设计太宽连杆头够正常通行曲柄两衡块质径应该满足关系式
mprp
式中ε衡率柴油机设计手册曲轴般ε065085次设计取07
55 油道参数设计油孔位置具体布置
油孔布置应该曲轴强度轴承负荷分布加工工艺综合确定[33]
次油孔布置图示
图52油孔
54 章结
章曲轴部分进行具体尺寸设计满足曲轴强度刚度基础合理选择材料达实际生产求
第6章 活塞连杆组创建
运Solidworks三维软件次活塞连杆组零部件建模具体步骤：
61 Solidworks软件基功介绍
SolidWorks软件世界第基Windows开发三维CAD系统具三弟实体建模型装配体设计型设计审阅钣金设计摸具设计等功模块更制图软件限元分析软件实现导入导出方便加快设计效率
64 剩余零件三维建模
余零件参考活塞连杆零件建模程
65 章结
章活塞连杆组零部件三维建模程中程中采拉伸旋转镜料开孔辅助拔模倒角等进行特征创建绘制活塞连杆组零部件三维模型第七章限元分析奠定基础
第7章限元分析
71连杆模态分析
连杆承受击载荷作传递交变动力重构件工作时承受拉压弯扭等交变载荷联合起复杂应力作工作环境极恶劣[36]振动做机械结构分析时必须直接面问题机械运动时定会中会产生振动轻微振动机械整体影响怕外界震源零部件固振动属性频率形成鸣形成振引起机构失效甚触发事机械重机构部位进行振动分析解固频率振型找出结构动态响应时易产生破坏部位（称作振动响应节点）振兴图中显示出缺陷进行合理改进
711数字化建模
启动软件建立名Modal(ANSYS)_example工作项目工具箱Modal拖项目规划区双击A2Engineering Data输入材料数名称steel属性栏里输入材料弹性模量20E+11pa 泊松03 Physical Properties展开项Density选择质量密度7830kgm3
712导入外部模型
找静力学分析模块Static structural拖入项目规划区双击Geometry开软件开点击点击文件file弹出拉菜单选择import external geometry file选择导入连杆体三维图文件返回界面界面出现import文件点击Generate生成文件
713划分网格
连杆限元网格划分首先点击设置类型四面体单元结构 然选择动划分网格 材料属性选择合金钢选20节点Solid92单元生成单元总数9 862节点总数15081活塞销曲轴密度取零弹性模量泊松取实际数值[37]
714施加边界条件
连杆机构言连杆头曲柄销接触面保留绕连杆头孔中心线转动度头全部约束度予约束[38]
715求解
发动机遇振动频率高频率时中等频率反应更加淡定发动机身带种工作属性
高频率振动造成破坏反更考虑高频率振动]次模态分析取会形成振频率 超2 500 赫兹 进行连杆模态分析计算频率阶段包括五模态表 71图 72
阶段
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
频率
93
214
322
917
1768
2598
3551
5477
5789
5825
6069
7025
71 12阶固频率表
连杆第二阶振型图连杆中部出现绕Y轴弯曲节点出现连杆螺钉连杆头盖连接度处螺钉头部
连杆第 四阶振型连杆中部绕Z轴弯曲振动应力集中较明显节点连杆头度连接部位
连杆第 五阶振型表现绕X轴弯曲振动节点出现连杆中部
结：阶振型均出现失圆现象连杆弯曲振动导致连杆产生附加应力出现裂纹损坏性
72活塞应力分析
首先建立静力学分析项目次定义材料属性晶硅铝合金ZL661弹性模量E71×104MPa密度ρ27×103kgm2泊松μ031然外部导入三维模型
活塞类型采四面体单元格网格点击动划分 定义材料材料SAl(硅铝合金)选
20节点Solid92单元 活塞划分产生节点总数19562单元总数10901活塞顶部施加均布载荷均效压力P：678kgfcm2活塞加速度a3230ms2活塞销座侧节点进行约束径位移0活塞侧节点轴位移0求解出应力云图73示
73应力云图
活塞销表面表面应力明显活塞销孔变形量处应采耐压材料
74矢量位移图
活塞位移出现活塞顶面燃烧室附活塞附合适倒角燃烧室边缘耐热钢者等离子喷镀陶瓷
72章结
章连杆进行模态分析活塞进行应力分析结果显示连杆中部头接触区应力集中处振动程中变形高危部位设计时着重考虑避免连杆体头接触区产生弯曲振动 活塞销处抗压材料顶部燃烧室边缘耐热钢等进行强化
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第1章 绪 4
11 选题目意义 4
12 国外研究现状 4
第2章 整体设计方案 6
22活塞组设计方案 6
23连杆组设计方案 7
23 柴油机动力计算 8
231已知原始数 8
232动力计算 9
24章结 12
第3章活塞组设计 13
31 活塞设计 13
311活塞工作条件设计求 13
312活塞材料 14
313 活塞头部设计 14
314 活塞裙部设计 18
32 活塞销设计 19
321 活塞销结构材料 19
322 活塞销强度刚度计算 20
33 活塞销座 21
331 活塞销座结构设计 21
34活塞环设计 21
35 章结 23
第4章 连杆组设计 24
41 连杆设计 24
411 连杆工作情况设计求材料选 24
412 连杆长度确定 24
413 连杆头结构设计强度刚度计算 24
414 连杆杆身结构设计强度计算 27
415 连杆头结构设计强度刚度计算 30
42 章结 31
5曲轴组设计 32
51 曲轴选型 32
52 曲轴尺寸设计计算 32
53 曲柄选择 33
54 衡重设计 33
55 油道设计油孔位置 33
54 章结 34
第6章 活塞连杆组创建 34
61 Solidworks软件基功介绍 35
62 活塞创建 35
621 活塞建模步骤 35
63 连杆创建 37
633 连杆盖建模 38
64 活塞连杆组零件创建 39
641 活塞销创建 39
642 活塞销卡环创建 39
643 连杆头衬套创建 39
644 头轴瓦创建 39
645 连杆螺栓创建 40
65 章结 40
第7章限元分析 41
71连杆模态分析 41
711数字化建模 41
712导入外部模型 41
713网格划分 41
714边界条件施加 42
715求解 42
72章结 43
1绪
11 选择该题目意义
活塞连杆机构燃机中实现动力输出传递运动重组成部分燃机通活塞连杆组活塞顶部受燃气爆发力通活塞销头串联传递杆身头曲轴销串联曲轴力变成转矩时带着活塞复运动巧妙变曲轴旋转运动活塞连杆机构设计时优先保证机构整体具足够结构强度刚度减少活塞连杆机构应力集中时设计出结构紧凑重量轻机构次设计关键
通次设计够促进学四年已学知识总结综合应熟悉参数活塞连杆组计算结果影响变化规律锻炼数分析力达复杂数情况快速挑选参数目 时活塞连杆组间工作程相互影响清楚认知通绘图软件绘制活塞连杆机构零件图三维图装配图培养快速识图迅速制图力够掌握利限元分析软件模拟活塞连杆组实际工作程出设计结构否合理结构否存运动干涉设计参数否达实际生产求等问题零件图三维图应力云图程度反映时锻炼综合学学知识整体机构中零部件附件系统间配合关系进行充分探究培养毕业够事设计工作增加优势
12 国外研究现状
十九世纪六十年代年首台燃机诞生德国鲁道夫狄塞尔觉时发动机效率低系列挫折终八九二年研发出世界第台正常实现扭力输出压燃式柴油发送机发动机160年发展改变类出行方式极提高类出行效率时机器提供强动力极促进社会生产力发展间接丰富物质追求提高生活质量已成类发展缺部分着类机械动力需求断增加工作环境越越严酷目前止燃机发展远远没达极限动力性济性排放性等方面然存研究发展空间柴油发动机相较汽油机说热效率更高济性较等优点柴油机点火方式独特采压燃点火结构
较简单点火原理压缩空气时喷入柴油空气分子剧烈挤压空气温度瞬间达柴油燃点时空气混合完成点火燃烧较汽油机说柴油机需点火系统量数实验表明现种动力机械中柴油机仅热效率高量利率
进入21世纪环保意识增强国家柴油车废气污染物求汽油车样日渐严格时柴油机济性提出更高求面源危机环境污染等问题提高燃机济性减少废气排放已成国外研究重点
目前发动机柴油化呈现全球化趋势尤北美欧洲日等区种发展趋势明显调查显示欧美日国家重型机械全部柴油机作动力美国欧洲商车百分九十柴油车百分三十左右轿车柴油车专家预测十年甚更长时间发动机柴油化成流趋势欧洲柴油机拥量技术优势柴油机燃油济性较供油充分寿命长结构紧凑[2]国然世界单缸柴油机产量厂家品种整体水落西方国家10~20年起汽油机国家柴油机够重视城市甚柴油车限行处理严重制约生产工艺水规模发展开发力提高[3]数印象里柴油机充斥着严重噪声刺鼻气味浓浓黑烟社会整体呈现出厌柴心理着先进柴油机技术引进国柴油机二十世纪八十年代较快发展整体技术水达国外八十年代末九十年代初水诞生常柴玉柴潍柴等优秀柴油机研发制造企业着高压轨喷射增压中冷技术废弃循环等技术国某新柴油机产品排放水准甚达欧洲高排放标准
2 整体设计方案
21原始参数
1) 选柴油机：S195柴油机
2) 燃烧室类型：涡流式
3) 气缸数目Z：1
4) 柴油机程数t 4
5) 气缸直径D 95mm
6) 活塞行程S 115mm
7) 排量： 0815L
8) 标定功率 Ne 88kw (12PS)
9) 标定转速： 2000 rpm
10) 怠速转速： <800 rpm
11) 压缩s 20
12) 冷方式：水冷
13) 净质量： 145kg
14) 润滑方式：压力润滑+飞溅润滑
15) 启动方式：电启动
16) 高爆发压力pz 75kgf cm2
17) 压力升高：150
18) 均效压力pc：678 kgfcm2
19) 高燃烧温度 2230 K
22 活塞组总体设计方案
221活塞头部进行结构尺寸设计
活塞头部块区域顶部环带部两区域组成作简单承受高温高压燃气压力然通活塞销座运动连杆头传递连杆头推动曲轴转动实现动力输出时活塞头部汽缸盖汽缸壁三者组成燃烧室活塞环起配合保证气缸气密性设计柴油机活塞头部时特关注方面：：选择制作活塞头部材料定具充分强度刚度防止头部应力集中开裂者明显变形头部变形终会导致活塞环槽空间受压缩
活塞环空间变受挤压破化活塞环正常工作二：定减头部高温度时温差梯度均匀头温度高头温度低会形成热应力热变形引起头部疲劳损伤严重时导致热疲劳开裂方避免量避免活塞环嘛需工作条件三：保证活塞头部足够强度刚度情况结构轻巧尺寸紧凑头部压缩高度影响蛮说头部尺寸缩量甚达压缩高度尺寸缩短两倍时显著减活塞重量降低活塞复惯性质量
222活塞环
保证机构具足够气密性次社稷活塞环算设计成四道算设计三道气环道油环第道活塞环算梯形环材料预选球墨铸铁表面镀孔性铬活塞寿命长第二三道活塞环算锥形环材料灰铸铁表面压力高利磨合密封布油效果第四道油环弹簧膨胀环选优质钢质量基础压高回油通路刮油力强
223活塞裙部
活塞裙部指活塞油环槽部分[9]活塞受气压力行受凸轮惯性力行时裙部起导作程中连杆快速摆动导致气缸壁会裙部气体侧压力设计裙部时应注意点第务必保证活塞够摩擦复运动时正确导时具足够实际承压面积减气缸壁侧应力击第二裙部表面足够厚润滑油膜间隙导致活塞卡住拉伤造成拉毛间隙发生敲缸引起噪音加速磨损避免出现拉毛现象活塞裙部气缸间必需留适间隙活塞头部距离高温燃气导致活塞外表面温度分布均匀活塞顶温度高达两百甚五百度环带温度梯度裙部更明显设计时应加考虑加速塞头部流裙部热量活塞头部迅速冷活塞外圆面制成锥度圆锥面努力缩活塞裙部膨胀活塞裙部形状活塞身温度变化相应起裙部壁厚薄厚度等应起[10]翻柴油机设计手册书晶硅铝合金活塞顶部间隙∆0垂直销孔方裙部间隙∆⊥推荐值：
∆0D0006∆⊥D00014
23连杆组设计方案
连杆组实际住活塞组曲轴组中间起纽带桥梁作方面连杆头活塞携手做复运动方面连杆头曲柄销联合起做旋转运动复运动转变旋转运动程中连杆身会做复杂面运动时连杆仅承受复惯性力气压力联合拉压疲劳交变载荷时会连杆受力均时引起横弯曲载荷衬套轴盈压入时装配静载荷想结构轻巧想足够刚度强度根发送机制造工厂老师傅推荐次设计预选中碳结构钢
231连杆头
薄壁圆环结构简单制造方便材料利率高常工厂中批量生产头设计中优先考虑薄壁圆环结构头杆身度单圆弧渡头活塞销座间保留定间隙弥补温度升高时材料热膨胀系数样时引起零件间装配关系变化头足够承压面积减单位面积承受应力耐磨连杆衬套减活塞销头磨损两者间采盈配合头面开机集油孔利曲轴箱飞溅油雾进行润滑时热量带走起降温作
232连杆杆身预设计方案
连杆杆身连杆组家庭里面起顶梁柱作做功行程时连杆头肩膀扛着活塞气体压力引起连身压缩时吸气行程时头腿陷复惯性泥塘里拉伸连杆杆身采工字形截面种截面材料利合理中高速柴油机截面均高度气缸直径值般取值范围03~04截面高宽取值略般取值范围1418均截面积活塞面积003005杆身进行校核时考虑拉压交变载荷产生应力
233连杆头
保持运动连续性连杆头盖尺寸参数连杆头尺寸参数保持致般四程发动机连杆头盖加强筋结构减惯性载荷造成影响保证连杆头通气缸螺钉中心线量轴瓦连杆体通气缸时增曲柄销直径连杆头剖分面做成斜切口斜切口减连杆螺钉承受拉伸负荷斜切口足处连杆螺钉者螺柱连接螺栓连接会增加连螺钉间距离削弱连杆体连杆螺钉承受剪切力综合考虑斜切口斜角般300600
23 柴油机动力计算
231已知原始数
活塞面积FPπD247865cm2
曲柄半径连杆长度
曲轴旋转角速度
活塞均速度
232 活塞头部运动分析
(1)运动参数计算公式：
活塞位移：
活塞速度：
活塞加速度：
连杆摆角：
具体计算结果见图21活塞1循环运动规律见表21
活塞运动规律曲线见图22
图21曲柄连杆机构简图
表21柴油机活塞运动规律表
曲轴转角
连杆摆角
位移m
速度ms
加速度ms2
0
000
000
000
323002
10
264
122
237
321964
20
573
428
520
292010
30
791
970
751
254321
40
1020
1674
939
206306
50
1211
2521
1088
150939
60
1372
3474
1189
92073
70
1491
4490
1241
33542
80
1564
5529
1250
21098
90
1590
6549
1210
69501
100
1570
7532
1129
109281
110
1420
8432
1030
140012
120
1382
9230
910
162511
130
1222
10012
775
176021
360
000
000
000
323004
350
273
111
266
314964
340
537
439
519
291468
330
787
968
747
254317
320
1014
1673
939
206306
310
1211
2521
1088
150939
300
1372
3474
1189
92073
290
1491
4490
1241
33542
280
1564
5529
1246
21209
270
1589
6553
1208
69429
260
1564
7526
1133
109275
250
1491
8424
1028
139913
240
1372
9224
903
161502
230
1211
9913
762
175051
220
1014
10483
613
182194
210
787
10927
461
184888
200
537
11246
307
185097
190
273
11436
153
184481
180
000
11500
000
18415
170
281
11441
161
184518
160
551
11150
299
185100
150
790
11011
459
184911
140
1021
10490
621
182200
130
1222
10012
775
176021
120
1382
9230
910
162511
110
1420
8432
1030
140012
100
1570
7532
1129
109281
90
1590
6549
1210
69501
80
1564
5529
1250
21098
70
1491
4490
1241
33542
60
1372
3474
1189
92073
50
1211
2521
1088
150939
40
1020
1674
939
206306
30
791
970
751
254321
20
573
428
520
292010
10
264
122
237
321964
0
000
000
000
323002
曲轴转角
连杆摆角
位移m
速度ms
加速度ms2
140
1021
10490
621
182200
150
790
11011
459
184911
160
551
11150
299
185100
170
281
11441
161
184518
180
000
11500
000
18415
190
273
11436
153
184481
200
537
11246
307
185097
210
787
10927
461
184888
220
1014
10483
613
182194
230
1211
9913
762
175051
240
1372
9224
903
161502
250
1491
8424
1028
139913
260
1564
7526
1133
109275
270
1589
6553
1208
69429
280
1564
5529
1246
21209
290
1491
4490
1241
33542
300
1372
3474
1189
92073
310
1211
2521
1088
150939
320
1014
1673
939
206306
330
787
968
747
254317
340
537
439
519
291468
350
273
111
266
314964
360
000
000
000
323004
图22 S195柴油机活塞运动规律曲线
233质量换算
复运动质量mj
实验室拆卸测195发动机活塞组实际总重G0136kg包括活塞重09kg活塞销重036kg油环重003kg气环重0065kg挡圈重0005kg
连杆组质量换算：195连杆组拆卸测实际重量GC2315kg包括连杆体189kg连杆螺钉0124kg连杆轴瓦011kg称重法原理连杆体实际重量分配取值0600 1293Gca1293+011+0124+00081535kgmjmp+mca1g136+0602005 (kgs2m)mj＇mjFP020057088000283(000283kgs2mcm2)
旋转运动质量mr23曲柄质量换算图
曲柄臂椭圆曲轴旋转中心称中心见图23考虑椭圆部分质量换算
曲柄部分重量重心曲轴旋转中心线距离计算：
GΙ071kgρΙ76cm
GΙΙ0108kgρΙΙ75cm
GΙΙΙ0563kgρΙΙΙ57cm
中Ι部分表示衡块Gb071kgρ76cm
GbGΙΙΙρΙΙΙGΙΙρΙΙR
0563×570108×75×25750276kg
mrmd+mcb1g0276+153501847kgs2m
24章结
章活塞头部活塞环活塞裙部连杆头连杆杆身连杆头等零部件进行正式详细设计计算前制定概方话塞进行动力计算运动规律探讨
3活塞组零部件结构尺寸设计
31 活塞结构尺寸设计
活塞组活塞活塞销活塞环弹性挡圈组成顶部高温高压腐蚀性燃气接触高速运动时活塞表面汽缸壁断摩擦冷润滑困难燃机中工作环境恶劣组件活塞组工作状态越燃机寿命更长
311工作环境
1高压环境击性机械负荷高
柴油机工作时压缩止点附活塞顶部受爆发压力产生机械负荷出现活塞销断裂环岸断裂活塞卡环卡死断裂活塞设计成合理结构形状适应高压击性负荷减少应力集中保证活塞正常工作
2高温环境热负荷
活塞气缸工作时活塞顶部熊熊燃烧火焰接触燃气瞬间高温度达处高温密闭导热良工作环境轴线部分温度变化极容易积累热应力活塞表面变心甚开裂埋良隐患
3高速环境—强烈摩擦
次设计柴油发送机规划短轴连杆发动机类工作时产生侧力长轴连杆发动机加剧侧拍击引起裙部变形甚缸套振动造成缸套腐蚀时活塞环极高行速度紧贴汽缸壁运动原活塞汽缸壁间配合间隙难润滑容易加活剧塞表面气缸壁表面间磨损
4活塞组设计求
（1）选择受热膨胀量耐磨稳定性导热性较高屈服强度
（2）重量轻情况活塞缸套保持佳配合
（3）保证燃烧室气密性减少活塞组摩擦时发生窜气窜油现象
（4）合理形状壁厚保证活塞足够强度刚度避免应力集中
（5）活塞吸热力差导热力保证头部吸收热量够利散走
312 活塞材料
发动机中灰铸铁耐磨耐热性廉价等原早前开始范围年发动机动力求断增加越越期高转速高压缩发动机发动机求断提高材料密度质量轻导热性铝合金活塞逐渐占领灰铸铁活塞市场
铝合金活塞相灰铸铁活塞材料性高重铝合金灰铸铁灰铸铁活塞三分二结构重量铸铁活塞青百分四十左右铝合金导热系数铸铁导热系数三四倍导热性惯性力活塞快速散热铝合金足处受热时硬度强度会幅度降时膨胀量幅度增加常常铝合金活塞中适量加入合金元素改善活塞整体性
综合考虑活塞选铝合金中添加硅元素常说晶铝硅合金
313 头部尺寸设计
1确定压缩高度
压缩高度顶岸高度环带高度裙高度组成设计时总原保证活塞正常工作前提量缩短顶岸高度环带高度群高度三部分尺寸尺寸愈复运动质量越低时够发送机布局更紧凑
（1）计算火力岸高度
火力岸高度第气环表面活塞顶部燃烧室边缘尺寸高度火力岸高度选择遵守原：第：气环槽布置顶部厚度方第二：第环工作温度超允许极限温度避免第环出现弹性松弛粘结等问题满足述选取条件基础顶岸高度取越越般柴油机h1007~02D活塞直径意思该发动机活塞直径D95mm顶岸高度取值：
（2）计算环带高度值
型中速柴油机机般气环高b取范围2~4mm油环高b取范围4~6mm环槽高度取值取值高度高惯性灵力取值减活塞环惯性力环槽侧面撞击够提高环槽寿命
次设计单缸柴油机活塞设计采四道活塞环气环高取b1b2b325mm油环高b45mm
环岸高度必须保证受燃气压力作时会破坏第二三环第四环第环样燃气直接接触环环岸负荷第环环岸第环岸遭破坏时余环岸破坏设计前第环岸预先留出较高度环岸取较值根柴油机设计手册c10035~004Dc2c3(1~2)b1柴油机取值接限
c1oo37D35mm c2c31b11×33mm
环带高度h2b1+b2+b3+c1+c2+c3245mm
（3）裙高度计算
裙高度h3活塞销轴线油环槽间距离油环油环槽设计时设计装配间隙非常减惯性力击活塞开槽槽会出现应力集中油环槽厚度特厚受机械载荷剧烈击话环槽容易变形时导致间隙变槽两面会夹住油环导致工作失效设计裙高度时油环槽位置应该布置活塞销座外径保证销座强度会油环正常工作造成影响
综合火力岸高度环带高度群高度确定活塞群高度根设计手册柴油机H106~08D
H1063D063×9560mm
h3H1h1h26014245215mm
2活塞顶厚度行计算环带断面进行计算
（1）活塞顶厚度计算
活塞顶形状取决燃烧室选择设计[14]S195 0815L发动机高压缩发动机ε20时燃烧室结构涡流式结构燃烧室中空气燃料充分混合活塞顶制成w形根柴油机设计手册活塞顶部厚度柴油机δ01~02D取δ015D015×9514mm活塞顶部吸收热量通活塞环传递汽缸壁冷水套导出加快活塞顶部热量散出减第环收热应力设计时活塞顶厚度应活塞中心面燃烧室边缘慢慢加厚渡圆角设计足够
（2）环带断面设计计算
塞环岸附锐边开适量倒角减少第环受热量环岸汽缸壁间隙太太会造成活塞卡住热间隙太否会导致活塞环失密封作选择活塞环环槽间恰配合间隙减少应力集中保证活塞环环槽中正常工作般该倒角槽底圆角通常控制02~05毫米
（3）环岸尺寸设计环槽设计计算
保证活塞活塞环间配合长时间处正常工作状态环岸活塞槽间隙进行详细设计侧间太会加剧活塞环环槽击太容易导致活塞容易黏着失密封作气环槽面应垂直活塞轴线防止机油窜活塞环侧隙产生剧烈击黏着卡死情况量取值柴油机制造手册第环环槽侧隙般取00501毫米二三环热应力取值适003007毫米油环取值更利减少应力集中活塞稳定工作环境延长寿命减机油消耗油环槽侧隙中必需均匀布置回油孔减少机油损耗降低局部温度四道环开口间隙侧隙祥见表21
活塞较高抗粘性气环油环背隙取值相间隙说较减活塞环活塞槽底圆角出现干涉率气环背隙取05毫米油环背隙取值更具体分析见图31
（4）活塞环岸强度校核
膨胀止点柴油空气混合瞬间压燃燃气爆发压力作气环死死压着环岸环岸压力压力导致岸根出现较弯曲剪切应力造成环岸根部裂开柴油机设计手册气缸出现高爆发压力时见图22
已知75p109×75675p202×7515
图31 环环槽间配合间隙 图32环岸受力分析
环岸固定面较复杂难计算出应力精确值般情况假定岸根直径环槽深：
t＇008D008×9577mm
作活塞环岸根弯矩计算
（31）
活塞环岸根部断面抗弯断面系数计算：
活塞环岸根部危险断面弯曲应力计算：
（32）
理计算剪切应力：
（33）
合成应力等：
（34）
硅铝合金许应力[σ]300~400校核合格
314 活塞裙部设计计算
（35）
式中意思指椭圆长轴椭圆短轴意思见图33
柴油机设计手册缸径时活塞裙部椭圆度取值通常Δ025~145mm取Δ1mm
般高速柴油机裙部压5~8
图33 活塞销裙部椭圆形状
活塞冷方式活塞功率选取
值 油冷方式限值 03 需话塞进行冷处理
32 活塞销设计计算
321 话塞销尺寸计算进行材料选
1话塞销结构设计尺寸计算
空心圆柱体相实心体说质量轻减少复惯性质量时足够承压面积足够表面光滑圆润压强应力集中明显实际安装活塞时采偏心布置缩热膨胀时带误差活塞销活塞销座衬套孔三者间连接配合方式选全浮式配合采圆形形弹性挡圈定位防止活塞轴串动弹性挡圈GB89311986选销座采宽体整体支撑筋式销孔加润滑
柴油机设计手册活塞销外径d1031~040D取d1037D35mm径d2045~065d1取d2057d120mm活塞销长度L08~09D取L08D80mm般情况外径35毫米时活塞销销座配合间隙取5μm
2活塞销材料
活塞销身连杆头活塞串联起工作时受种击载荷盈装配时摩擦更加剧烈径变形协调油膜难形成润滑条件差优先选择耐磨韧性高抗击性综合考虑活塞销材料选含碳量百分二十低碳镉合金钢 时渗碳处理进步提高强度
322 活塞销强度计算刚度计算
图34活塞销计算简图
1弯曲变形计算f
f160pzD2a2(2ab)E(d4do4) (36)
16075×952×582×2583322×10635424
107×104cm
f<[f]143×104cm校核合格
2椭圆变形∆d
∆dpzD2d+d03EIdd03 (37)
593×103cm
∆d<[∆d] 137×105cm校核合格
3弯曲应力σ1
σ1（2ab）pzD2dd4d04 (38)
1467kgfcm2
σ1<σ13500~5000kgfcm2校核合格
4横弯曲应力σ2
σ23π16pzd2D(d+d0)I（dd0）2 (39)
1219kgfcm2
σ2<σ23500~5000kgfcm2校核合格
总应力σσ12+σ221907kgfcm2σ<σ3500~5000kgfcm2校核合格
33 话塞销座设计计算
331结构进行设计
话塞销座作支承活塞活塞销起组成队摩擦副传递运动动力工作时受周期性气体压力销座活塞惯性力销座足够刚度强度应活塞销变形受特应力变形甚断裂时结构强度刚度活塞销活塞稍先损坏保护销座销座活塞体更换程复杂更换成更换话塞销成高销座径d022mm查柴油机设计手册活塞销座外径通常径14－16倍[17]取d15d033mm话塞销径方弯曲变形量肉眼越明显证明设计出销座系统性越两者间正关系根柴油机设计手册连杆头活塞销座间间隙控制4~5mm果制造机器越先进技术工制造水够高时两边取2~3mm综合考虑两边取间隙3mm
332 验算销座压力
计算活塞销座压力结果：
21N （310）
柴油机活塞销许压力
34活塞环结构选型设计
参考195单缸柴油机话塞选四道话塞环前三环气环油环
第道气环选梯形环梯形意思活塞环切断观察时话塞环截面梯形材料选球墨铸铁较梯形环表面镀孔性铬梯形环活塞侧压力变化位置断改变环槽中积炭容易挤出避免环槽中豁起折断延长环寿命第二三道气环锥面形环[18]材料灰铸铁外表面锥角1±30’锥面环防止泵油现象活塞运动时布油效果运动时表面接触压力高刮油密封效果第四道油环选弹簧膨胀油环外侧制倒角活塞行时形成油锲布油均匀行时刮油力优秀
活塞环尺寸环高度b环径厚度t0 [19] 柴油机设计手册中气环高度取值范围般点五三毫米油环高取值范围四七毫米综合考虑取b125mmb2b3275mmb45mm四环径厚度t做等厚处理柴油机设计手册推荐值：缸径D处50~100mm范围时tD005~006取t6mm次
331 话塞环校核
活塞环工作时会产生剪应力轴力两力环身会造成太影响忽略计考虑弯曲应力装配应力
1工作状态活塞断面弯曲应力
弯矩：
（311）
弯曲应力σmax：
（312）
话塞环开口间隙话塞环接触压力两者关系：
（313）
式（313）（312）联立方程式：
（314）
式中：—材料弹性模量合金铸铁
—话塞环开口间隙参考设计手册取
—话塞环径厚度
σ[σmax]<[σ]校核合格
2套装应力
活塞环装配活塞时切口间隙进行扩张导致切口处会出现弯曲应力：
（315）
式中：—意思说装配时套装系数选装配方式取值样取值范围参考195柴油机设计次设计装配系数
活塞环常温环境瞬间装配活塞时套装应力许值许应力百分十百分三十左右校核合格
35 章结
章活塞组部件进行结构尺寸设计首先分析零部件工作条件零件工作环境严酷然根零部件工作环境工况
总结设计原设计求然根原求挑选合适材料次确定零件结构形状尺寸参数进行校核达生产技术求[21]
4 连杆组结构设计计算
1工作情况
连杆头通活塞销活塞串联起三者气缸周线起做高速运动时连杆头通曲柄销曲轴串联起三者做做旋转运动连杆体运动结合左右摆动形成复杂运动
2设计注意事项
连杆工作时受两力气体压力复惯性力两力结合形成时时变化便利面种极复杂载荷时轻易选择材料挑选材料定具足够疲劳强度结构钢度连杆足够高强度刚度容面复杂工作环境维持正常工作然考虑尺寸紧凑结构轻巧
3选择材料
综合考虑次连杆设计选45优质结构钢
412 计算连杆长度l
设计连杆前先确定连杆头连杆头两孔圆心间间距离时常连杆长度l连杆常常连杆长度l表示具体长度值长度通常连杆λrl进行具体说明[25]根柴油机手册0325取rs257mmlrλ210mm
413 连杆头结构设计强度校核
1结构设计
结构尺寸图见41头径d活塞销外径做等处理取d35mm
根柴油机设计手册头宽度B1（09~12）d取B1097d34mm避免连杆头出现剧烈磨损选锡青铜材料衬套头孔衬套采轻微盈配合头外径
D1（12~14）d取D1128d50mm衬套厚度δ（004~008）d取δ006d2mm头衬套外径d2d+2δ39mm般情况衬套宽度头宽度等宽
2强度校核
装配时采盈配合保证连杆头衬套工作保持运动状态致性盈配合会产生额外拉伸压力然锡铜衬套耐磨性锡铜材料膨胀系数结构钢膨胀系数伴着着温度升高两材料彼会压越越紧头断面中应力着压越紧应力会激增时连杆头表面表面会受活塞惯性力拉伸作面说计中力会结合起形成外种新应力受力情况会特复杂校核做验证
图41 尺寸图
（1）盈装配时头径压力产生应力：
（41）
表面应力 （42）
外表面应力 （43）
外两应力允许值通常范围校核合格强度刚度担心
（2）属连杆头疲劳安全系数
连杆头出现应力属交变应力应力集中连杆头杆身渡处外表面校核处安全系数：
（44）
连杆头疲劳强度安全系数参考柴油机设计手册系数取值通常范围[27]
3刚度计算
话塞变形公式
（45）
式中：—意思头直径变形量意思单位
—指头均直径意思单位
—意思头断面惯性矩
般情况发动机许变形量活塞销直径方间隙二分标准间隙取值范围校核合格满足社稷求
414 连杆杆身设计校核
1杆身结构设计
工字形断面抗弯曲性容易锻造选工字形断面柴油机设计手册杆身截面宽度H取值范围（03~04）D取H032D30mm连杆厚度B般HB1418间取B20mm
避免应力集中头杆身杆身头度处
2杆身强度校核
（1）拉伸应力：
（46）
公式中：—杆身断面面积[28]柴油机设计手册柴油机fm003~005A意思活塞脑袋面积取
拉伸应力：
（2）杆身压缩弯曲应力弯曲应力
活塞位压缩止点时杆身受压缩力时燃气作力设压缩力：
（47）
活塞处压缩止点时连杆受压缩力加载引起杆身中间断面弯曲发生种情况时杆身简单视铰支[29] 面合成应力：
（48）
式中：—指时材料系数取
—值断面惯性矩意思
式（48）化简：
（49）
式中 —俗称连杆系数意思
摆动面合成应力计算：
里垂直摆动面合成应力：
（410）
式（410）改写
（411）
式中：—k1意思
垂直摆动面合成应力：
σx12933σy12479垂直面摆动面应力许值 范围两者许应力值校核合格满足设计求
（3）杆身安全系数
杆身承受非常复杂称交变循环载荷称循环中应力表示力表示
计算处连杆摆动面应力：
（412）
（413）
计算处垂直摆动面应力：
（413）
（414）
计算杆身安全系数计算：
（415）
垂直面杆身安全系数计算：
杆身安全系数许值范围次校核合格担心开裂
415 连杆头设计强度校核
1结构设计尺寸确定
头宽度b205D138mm头孔直径D107D70mmdM013D125mm头凸台H1019~024)D1取H123mm头凸台H2(041~058)D1取H232mm连杆头连杆盖分开面采450斜切口连杆螺栓孔间距离t1(12~13)D1取t1128D190mm柴油机设计手册螺钉孔外侧壁厚两毫米次设计取三毫米保证连杆头足够结构刚度紧凑性情况螺钉头支承面杆身渡圆角量取值
2强度校核
发动机进气口开处进气行程时连杆盖会出现载荷计算结果：
参考验公式计算危险断面弯矩法力计算结果：
（416）
计算头盖中间断面弯矩：
（417）
计算头盖中间断面法力：
（418）
公式式中：—意思头盖轴瓦惯性矩单位
—意思头盖断面轴瓦断面面积单位
计算出现中间断面应力公式：
（419）
式中：—意思头盖断面抗弯力带单位计算程
连杆头盖应力计算程：
柴油机设计手册连杆头盖应力许值通常范围门强度刚度满足求克服全部加载产生应力校核合格
42 章结
章连杆头连杆杆身连杆头次进行结构设计具体尺寸参数设计紧接着设计容方时进行校核然研究连杆复杂工作环境具体负荷身影响参考结果选择适材料实际尺寸参数满足实际生产需求
5曲轴组设计
51曲轴选型
(1) 曲轴材料：45钢
(2) 锻造方法：模制锻造
(3) 曲轴结构形式：整体式曲轴
52 曲轴尺寸设计计算
(1)曲轴轴颈直径D1
D1(065080)DD95mm选择系数075D1075D7125mm
(2)曲柄销直径D2
D2(055070)D选择系数061D2061D57mm
(3)曲柄臂尺寸L （等宽度厚度bt）
宽度 b（113)D 选择系数10bD95mm
厚度t（0203)D 选择系数025t025D2375mm
(4)曲轴轴颈长度L1
L1(04506) D1选择系数048L1048D1456mm
(5)曲柄销长度L2
L2(065070)D2选择系数07L207D2399mm
轴瓦直径宽度连杆曲轴设计中已决定具体尺寸参数设计轴瓦时考虑设计计算厚度啦参考柴油机设计手册中验公式t1(002005)(D+2t1)选择系数03t123mm理t218mm式中t1轴瓦厚度t2周哇厚度
53 选择曲柄
减曲轴旋转质量保证承受载荷产生应力均匀分布表面次设计选择椭圆形曲柄祥见图
图51曲柄示意图
54衡块设计
衡块径尺寸通常超曲柄底部两块衡块间宽度设计太宽连杆头够正常通行曲柄两衡块质径应该满足关系式
mprp
式中ε衡率柴油机设计手册曲轴般ε065085次设计取07
55 油道参数设计油孔位置具体布置
油孔布置应该曲轴强度轴承负荷分布加工工艺综合确定[33]
次油孔布置图示
图52油孔
54 章结
章曲轴部分进行具体尺寸设计满足曲轴强度刚度基础合理选择材料达实际生产求
第6章 活塞连杆组创建
运Solidworks三维软件次活塞连杆组零部件建模具体步骤：
61 Solidworks软件基功介绍
SolidWorks软件世界第基Windows开发三维CAD系统具三弟实体建模型装配体设计型设计审阅钣金设计摸具设计等功模块更制图软件限元分析软件实现导入导出方便加快设计效率
64 剩余零件三维建模
余零件参考活塞连杆零件建模程
65 章结
章活塞连杆组零部件三维建模程中程中采拉伸旋转镜料开孔辅助拔模倒角等进行特征创建绘制活塞连杆组零部件三维模型第七章限元分析奠定基础
第7章限元分析
71连杆模态分析
连杆承受击载荷作传递交变动力重构件工作时承受拉压弯扭等交变载荷联合起复杂应力作工作环境极恶劣[36]振动做机械结构分析时必须直接面问题机械运动时定会中会产生振动轻微振动机械整体影响怕外界震源零部件固振动属性频率形成鸣形成振引起机构失效甚触发事机械重机构部位进行振动分析解固频率振型找出结构动态响应时易产生破坏部位（称作振动响应节点）振兴图中显示出缺陷进行合理改进
711数字化建模
启动软件建立名Modal(ANSYS)_example工作项目工具箱Modal拖项目规划区双击A2Engineering Data输入材料数名称steel属性栏里输入材料弹性模量20E+11pa 泊松03 Physical Properties展开项Density选择质量密度7830kgm3
712导入外部模型
找静力学分析模块Static structural拖入项目规划区双击Geometry开软件开点击点击文件file弹出拉菜单选择import external geometry file选择导入连杆体三维图文件返回界面界面出现import文件点击Generate生成文件
713划分网格
连杆限元网格划分首先点击设置类型四面体单元结构 然选择动划分网格 材料属性选择合金钢选20节点Solid92单元生成单元总数9 862节点总数15081活塞销曲轴密度取零弹性模量泊松取实际数值[37]
714施加边界条件
连杆机构言连杆头曲柄销接触面保留绕连杆头孔中心线转动度头全部约束度予约束[38]
715求解
发动机遇振动频率高频率时中等频率反应更加淡定发动机身带种工作属性
高频率振动造成破坏反更考虑高频率振动]次模态分析取会形成振频率 超2 500 赫兹 进行连杆模态分析计算频率阶段包括五模态表 71图 72
阶段
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
频率
93
214
322
917
1768
2598
3551
5477
5789
5825
6069
7025
71 12阶固频率表
连杆第二阶振型图连杆中部出现绕Y轴弯曲节点出现连杆螺钉连杆头盖连接度处螺钉头部
连杆第 四阶振型连杆中部绕Z轴弯曲振动应力集中较明显节点连杆头度连接部位
连杆第 五阶振型表现绕X轴弯曲振动节点出现连杆中部
结：阶振型均出现失圆现象连杆弯曲振动导致连杆产生附加应力出现裂纹损坏性
72活塞应力分析
首先建立静力学分析项目次定义材料属性晶硅铝合金ZL661弹性模量E71×104MPa密度ρ27×103kgm2泊松μ031然外部导入三维模型
活塞类型采四面体单元格网格点击动划分 定义材料材料SAl(硅铝合金)选
20节点Solid92单元 活塞划分产生节点总数19562单元总数10901活塞顶部施加均布载荷均效压力P：678kgfcm2活塞加速度a3230ms2活塞销座侧节点进行约束径位移0活塞侧节点轴位移0求解出应力云图73示
73应力云图
活塞销表面表面应力明显活塞销孔变形量处应采耐压材料
74矢量位移图
活塞位移出现活塞顶面燃烧室附活塞附合适倒角燃烧室边缘耐热钢者等离子喷镀陶瓷
72章结
章连杆进行模态分析活塞进行应力分析结果显示连杆中部头接触区应力集中处振动程中变形高危部位设计时着重考虑避免连杆体头接触区产生弯曲振动 活塞销处抗压材料顶部燃烧室边缘耐热钢等进行强化
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