活塞组包括活塞、活塞销和活塞环设计说明书

目 录

第1章 活塞组的设计 ········································································· - 3 -

1.1 活塞的设计 ··············································································· - 3 - 1.1.1 活塞头部的设计 ·································································· - 3 - 1.1.2 活塞裙部的设计 ·································································· - 5 -

1.2 活塞销的设计 ············································································ - 6 -

1.2.1 活塞销的结构、材料 ·························································· - 6 - 1.3 活塞销座 ·················································································· - 6 -

1.3.1 活塞销座结构设计 ····························································· - 6 - 1.4 活塞环设计及计算 ······································································ - 7 -

1.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计 ················································· - 7 - 1.5 本章小结 ·················································································· - 7 -

第2章 连杆组的设计 ········································································· - 8 -

2.1 连杆的设计 ··············································································· - 8 -

2.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用 ·································· - 8 - 2.1.2 连杆长度的确定 ································································ - 8 - 2.1.3 连杆小头的结构设计 ·························································· - 8 - 2.1.4 连杆杆身的结构设计 ·························································· - 8 - 2.1.5 连杆大头的结构设计 ·························································· - 8 - 2.2 连杆螺栓的设计 ········································································· - 9 -

2.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力 ·············································· - 9 - 2.3 本章小结 ·················································································· - 9 -

第3章 曲轴的设计 ·········································································· - 10 -

3.1 曲轴的结构型式和材料的选择 ····················································· - 10 -

3.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 ··············································· - 10 - 3.1.2 曲轴的结构型式 ······························································ - 10 - 3.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 ········································· - 10 -

3.2.1 曲柄销的直径和长度 ························································ - 10 -

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3.2.2 主轴颈的直径和长度 ························································ - 10 - 3.2.3 曲柄 ············································································· - 11 - 3.3 本章小结 ················································································ - 11 -

第4章 曲柄连杆机构的创建 ···························································· - 12 -

4.1 活塞的创建 ············································································· - 12 - 4.2 连杆的创建 ············································································· - 12 - 4.3曲轴的创建 ··························································· 错误!未定义书签。

参考文献 ······························································································ 66

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第1章 活塞组的设计

1.1 活塞的设计

活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。 1.1.1 活塞头部的设计

1、设计要点

活塞头部，活塞头部的设计要点是：

（1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；

2、压缩高度的确定

压缩高度H1是由火力岸高度h1、环带高度h2和上裙尺寸h3构成的，即

H1=h1+h2+h3

为了降低压缩高度，应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。

（1）第一环位置

火力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。一般汽油机h1(0.06~0.12)D，D为活塞直径，该发动机的活塞标准直径D80mm，确定火力岸高度为：

h10.09D0.09807.2mm

（2）环带高度

一般气环高b1.5~2.5mm，油环高b2~5mm。

该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称之为油环。取b11.5mm，b22mm，b33mm。

环岸的高度c，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，

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c1(0.04~0.05)D，c2(1~2)b1，汽油机接近下限。 则 c10.045D3.6mm，

c21.5b11.522.25mm。

因此，环带高度h2b1c1b2c2b31.53.622.25310.85mm。

（3）上裙尺寸

对于汽油机H1(0.35~0.6)D，所以H10.4D0.48032mm。 则 h3H1h1h2327.210.8513.95mm。 3、活塞顶和环带断面 （1）活塞顶

)D，即大多数汽油机正是采用平顶活塞，汽油机为(0.06~0.1(0.0780)5.6mm。

活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取(0.05~0.1)D，取0.07D为5.6mm，活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取r(0.05~0.1)D，取0.07D为5.6mm.为了减少积炭和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角，所有尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。

（2）环带断面

为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚'使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，其平均值为'(1.5~2.0)t'。一般该倒角为(0.2~0.5)45。

（3）环岸和环槽

活塞环侧隙在不产生上述损伤的情况下愈小愈好，目前，第一环与环槽侧隙一般为0.05~0.1mm，二、三环适当小些，为0.03~0.07mm，油环则更小些，这有利于活塞环工作稳定和降低机油消耗量，侧隙确定油环槽中必须设有回油孔，并均匀地布置再主次推力面侧，回油孔对降低机油消耗量有重要意义，

（4）环岸的强度校核

专门的试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力pmax时，p10.9pmax，

p20.2pmax，

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已知pmax=4.5MPa，则p10.94.54.05MPa，p20.24.50.9MPa， 环岸是一个厚c1、内外圆直径为D'、D的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计算固定面的应力比较复杂，可以将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致的计算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直径D0.9D0.98072mm，环槽深t为：

t0.05D0.05804mm 于是作用在岸根的弯矩为

(p1p2)4(D2D2)t0.0026pmaxD3 （3.1） 2而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于

12c10.9D0.47c13D 6所以环岸根部危险断面上的弯曲应力

0.0026pmaxD3D20.055p()max2 0.47c1Dc1 （3.2）

802)1.22 N/cm2 3.60.0554.5(同理得剪切应力为：

0.37pmax接合成应力公式为：

2321.2223372.09 N/mm2 （3.4） 考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力

[]60~70N/mm2，[]，校核合格。

D800.374.537 N/cm2 （3.3） c13.61.1.2 活塞裙部的设计

把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线方向上，短轴平行于销轴方向的椭圆形。常用的椭圆形状是按下列公式设计的： 式中D、d分别为椭圆的长短轴

缸径小于100mm的裙部开槽的活塞，椭圆度（）的大小，一般为0.1~0.25mm。

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Dd(1cos2) （3.4） 41、裙部的尺寸

裙部单位面积压力（裙部比压）按下式计算： qNmax （3.5） DH2式中：Nmax—最大侧作用力，由动力计算求得，Nmax=2410.83N

D—活塞直径，mm；

H2—裙部高度，mm。

取H20.46D0.468436.8mm。 则 q2410.830.818MPa

8036.8一般发动机活塞裙部比压值约为0.5~1.5MPa，所以设计合适。

1.2 活塞销的设计

1.2.1 活塞销的结构、材料

1、活塞销的结构和尺寸

活塞销的结构为一圆柱体，中空形式，可减少往复惯性质量，有效利用材料。活塞销与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合，采用“全浮式”。活塞销的外直径

d1(0.25~0.3)D，取d10.27D21.6mm，活塞销的内直径d2(0.65~0.75)d1，取d20.7d115.12mm活塞销长度l(0.8~0.9)D，取l0.8Dmm

2、活塞销的材料

活塞销材料为低碳合金钢，表面渗碳处理，硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。表面加工精度及粗糙度要求极高，高温下热稳定性好。

1.3 活塞销座

1.3.1 活塞销座结构设计

活塞销座的内径d022mm，活塞销座外径d一般等于内径的1.4~1.6倍，取

d1.5d033mm，

活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销—销座系统的工作越可靠，所以，一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为4~5mm，但当制造精度有保证时，两边共2~3mm就足够了，取间隙为3mm。

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1.4 活塞环设计及计算

1.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计

该发动机采用三道活塞环，第一和第二环为气环，第三环为油环。

活塞环的主要尺寸为环的高度b、环的径向厚度t。气环b1.5~3mm，油环

b3~5mm，取b11.5mm，b21.75mm，b33mm。活塞环的径向厚度t，一般推

荐值为：当缸径D为50~100mm时，t/D0.45~0.6，取t0.5D4.05mm。

1.5 本章小结

在活塞的设计过程中，分别确定了活塞、活塞销、活塞销座和活塞环的主要的结构参数，分析了其工作条件，总结了设计要求，选择合适的材料，并分别进行了相关的强度和刚度校核，使其符合实际要求。

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第2章 连杆组的设计

2.1 连杆的设计

2.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用

1、工作情况

连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除有上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动。

2、设计要求

设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。为此，必须选用高强度的材料；合理的结构形状和尺寸。 2.1.2 连杆长度的确定

设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度l它通常是用连杆比

r/l来说明的，通常0.25~0.3125，取0.27，r40.23mm，则

l0.2740.23149mm。

2.1.3 连杆小头的结构设计

1、连杆小头的结构设计

连杆小头主要结构尺寸如图4.1所示，小头衬套内径d1和小头宽度B1已在活塞组设计中确定，d122mm，B126.388mm。

为了改善磨损，小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套，衬套大多用耐磨锡青铜铸造，这种衬套的厚度一般为2~3mm，取2.2mm，则小头孔直径d24.2mm，小头外径D1(1.2~1.35)d，取D11.2724.230.734mm。 2.1.4 连杆杆身的结构设计

1、连杆杆身结构的设计

连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身截面宽度B约等于

(0.26~0.3)D(D为气缸直径)，取B0.28D22.4mm，截面高度H(1.5~1.8)B，

取H1.6B35.84mm。

2.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算

1、连杆大头的结构设计与主要尺寸

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连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径D2、长度B2、连杆轴瓦厚度2和连杆螺栓直径dm。其中在D2、B2在曲轴设计中确定，D248mm，B226.73mm，则大头宽度b226.73mm，轴瓦厚度2（1.5~3）mm，取22mm，大头孔直径

d250.3mm。

连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度H1H2(0.35~0.5)d2，取H10.45d222.mm，取H20.43d221.63mm，为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离C(1.24~1.31)d2，取C1.27d263.881mm，一般螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。

2.2 连杆螺栓的设计

2.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力

根据气缸直径D初选连杆螺纹直径dM，根据统计dM(0.1~0.12)D，取

dM0.1D8mm。

2.3 本章小结

本章在设计连杆的过程中，首先分析了连杆的工作情况，设计要求，并选择了适当的材料，然后分别确定了连杆小头、连杆杆身、连杆大头的主要结构参数，并进行了强度了刚度的校核，使其满足实际加工的要求，最后根据工作负荷和预紧力选择了连杆螺栓，并行检验校核。

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第3章 曲轴的设计

3.1 曲轴的结构型式和材料的选择

3.1.1 曲轴的工作条件和设计要求

曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。 3.1.2 曲轴的结构型式

曲轴的设计从总体结构上选择整体式，它具有工作可靠、质量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少。为了提高曲轴的弯曲刚度和强度，采用全支撑半平衡结构[11]，即四个曲拐，每个曲拐的两端都有一个主轴颈，如图3.1所示：

图3.1 曲轴的结构型式

3.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计

3.2.1 曲柄销的直径和长度

对于汽油机，D2/D0.60~0.65，D为气缸直径，已知D=80.985mm，则，曲柄销直径取为D2=0.60D=48mm。

曲柄销的长度l2是在选定的基础上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发，应使l2控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调，根据统计

l2/D2=0.50~0.70，取l2=0.6D2=28.8mm。 3.2.2 主轴颈的直径和长度

从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取D1(1.05~1.25)D2，取

D1=1.2D2=57.6mm。

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由于主轴承的负荷比连杆轴承轻，主轴颈的长度l1一般比曲柄销的长度短，这样可满足增强刚性及保证良好润滑的要求。

据统计l1/D0.3~0.4，取l1=0.3mm=24mm。 3.2.3 曲柄

为了能最大限度地减轻曲轴的重量，并减小曲柄相对于主轴颈中心的不平衡旋转质量，将曲柄上肩部多余的金属削去。根据统计，曲柄的宽度b/D0.75~1.2，取

b1D80mm，厚度h/D0.18~0.25，取h0.2D16mm。

曲柄臂以凸肩接主轴颈和曲柄销。凸肩的厚度根据曲轴加工工艺决定。全加工曲轴的只有0.5~1mm，取=1mm。

曲柄销和主轴颈至曲柄臂凸肩的过渡圆角对应力集中程度影响最大，加大圆角半径可使圆角应力峰值降低，故宜取大，至少不能小于0.05D2或2.5mm，取

=3mm。

3.3 本章小结

本章首先分析了曲轴的工作条件和设计要求，在合理选择材料的基础上，对曲轴的各个部分进行结构参数的设计，并进行有关的尺寸校核，使其符合实际加工的要求，还对曲轴的一些细节进行了设计，如油孔的位置以及曲轴的轴向定位等问题，给予了合理的解释，最后对曲轴进行了疲劳强度校核。

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第4章 曲柄连杆机构的创建

运用UG软件分别对曲柄连杆机构的各个零件进行模型的建立，具体步骤如下： 4.1 活塞的创建

（1）创建草图； （2）旋转； （3）打孔；

（4）制作倒角； （5）得到活塞图。

4.2 连杆的创建

（1）创建草图 ； （2）拉伸；

（3）通过拉伸打孔； （4)得到连杆图。

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4.3 曲轴的创建

（1）创建草图； （2）拉伸得到平衡块；

（3）创建草图并拉伸得到主轴颈； （4）依次拉伸得到曲轴。

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参考文献

[1]高秀华．内燃机[M]．北京：化学工业出版社，2005．9．

[2]杨连生．内燃机设计[M]．北京：中国农业机械出版社，1980．6． [3]陈家瑞．汽车构造[M]．北京：人民交通出版社，2002．4． [4]臧 杰．汽车构造：上册[M]．北京：机械工业出版社，2005．7．

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