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中 北 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院、系： 專 業(yè)： 設(shè) 計(jì) 題 目： 492QA發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析 指導(dǎo)教師: 教授 2012 年 03月 01日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 1.1發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)歷 蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī) 1765年英國(guó)人詹姆斯-瓦特制成了世界上第一臺(tái)實(shí)用的蒸氣發(fā)動(dòng)機(jī)(外燃機(jī))，較好地解決了從熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。該蒸氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有效率高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，并于l 769年制造成了世界上第一輛蒸氣機(jī)汽車。 煤氣發(fā)動(dòng)機(jī) 1858年定居法國(guó)巴黎的里諾發(fā)明了煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)（單缸、二沖程、無(wú)壓縮和電點(diǎn)火的煤氣機(jī)這種發(fā)動(dòng)機(jī)有氣缸、活塞、連桿、飛輪等，已經(jīng)初步具備了現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的基本雛形，是內(nèi)燃機(jī)的初級(jí)產(chǎn)品，為現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)打下了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)。 四沖程理論 法國(guó)工程師德羅沙1862年提出了著名的等容燃燒四沖程循環(huán)：進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。 1876年，德國(guó)人奧托制成了第一臺(tái)四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)（單缸、臥式、以煤氣為燃料、功率大約為2.21KW、180r/min）。在這部發(fā)動(dòng)機(jī)上，奧托增加了飛輪，使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，把進(jìn)氣道加長(zhǎng)，又改進(jìn)了氣缸蓋，使混合氣充分形成。這是一部非常成功的發(fā)動(dòng)機(jī)，奧托把三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃?xì)?、四沖程融為一體，使這種內(nèi)燃機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和功率大等一系列優(yōu)點(diǎn)。在1878年巴黎萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上,被譽(yù)為“瓦特以來(lái)動(dòng)力機(jī)方面最大的成就”。等容燃燒四沖程循環(huán)由奧托實(shí)現(xiàn),也被稱為奧托循環(huán)。 汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 1886年1月29日，德國(guó)人奧姆勒和卡爾.本茨在里諾臥式氣壓煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及四沖程理論的基礎(chǔ)上制造出了第一臺(tái)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，使汽車正式進(jìn)入汽油動(dòng)力時(shí)代，1886年卡爾本茨制造出世界上第一輛以汽油為動(dòng)力的三輪汽車。該車已具備了現(xiàn)代汽車的一些基本特點(diǎn),如電點(diǎn)火、水冷循環(huán)、鋼管車架、鋼板彈簧懸掛、后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn) 向和掣動(dòng)手把等。其齒輪齒條轉(zhuǎn)向器是現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向器的鼻祖。 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是燃燒柴油來(lái)獲取能量釋放的發(fā)動(dòng)機(jī)。它是由德國(guó)發(fā)明家魯?shù)婪虻胰麪栍?892年發(fā)明的，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程其實(shí)跟汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的，每個(gè)工作循環(huán)也經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)行程。但由于柴油機(jī)用的燃料是柴油，因此可燃混合氣的形成及點(diǎn)火方式都與汽油機(jī)不同。 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 現(xiàn)代汽車的進(jìn)一步豐富。1957年，德國(guó)人汪克爾發(fā)明了轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，這是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是利用內(nèi)轉(zhuǎn)子圓外旋輪線和外轉(zhuǎn)子圓內(nèi)旋輪線相結(jié)合的機(jī)構(gòu)，無(wú)曲軸連桿和配氣機(jī)構(gòu)，可將三角活塞運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它的零件數(shù)比往復(fù)活塞式汽油少40%，質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速高、功率大。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)直接將可燃?xì)獾娜紵蛎浟D(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)扭矩。與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)取消了無(wú)用的直線運(yùn)動(dòng)，因而同樣功率的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸較小，重量較輕，而且振動(dòng)和噪聲較低，具有較大優(yōu)勢(shì)。[1][2] 汽車曲柄連桿機(jī)構(gòu)是屬于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部分的一大機(jī)構(gòu)。主要由：曲軸，連桿，活塞組成的，作用就是把燃油燃燒的膨脹能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。工作原理就是：燃料燃燒后的能量推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，再由連桿帶動(dòng)曲軸作圓周運(yùn)動(dòng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。[3] 曲軸為引擎的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)件，裝上連桿后，可承接連桿的上下(往復(fù))運(yùn)動(dòng)變成循環(huán)(旋轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)。是發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)重要的機(jī)件，其材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個(gè)重要部位：主軸頸，連桿頸，。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個(gè)典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲軸的潤(rùn)滑主要是指與搖臂間軸瓦的潤(rùn)滑和兩頭固定點(diǎn)的潤(rùn)滑． 曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源。也是整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的源動(dòng)力。曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一,其性能好壞直接影響到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和壽命。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其功用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將作用于活塞上的力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)矩，與驅(qū)動(dòng)汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞組，連桿組和曲軸飛輪組的零件組成。[1] [4] 1.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析概述 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用就是把活塞的上下直線運(yùn)動(dòng)改變成曲軸的圓周運(yùn)動(dòng) 活塞組、連桿小頭：上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連桿大頭、桿身、連桿蓋：主要做左右擺動(dòng)，同時(shí)伴有上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；曲軸、飛輪：主要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。以上各零部件均是做變速運(yùn)動(dòng)、周期性的。 活塞在上、下止點(diǎn)位置時(shí)速度為零，加速度最大?；钊谛谐讨械乃俣仁亲兓模瑥纳现裹c(diǎn)往下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上半行程是加速運(yùn)動(dòng)，后半行程是減速運(yùn)動(dòng)。同理，下半行程到上半行程也如此。[1] [3] [4] [5] 1.3曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析概述 受力類型：氣壓力、慣性力、摩擦力。 氣體作用力（主要） 作功行程：Fp氣壓力分解為Fp1 和Fp2：Fp2：垂直于缸壁，使活塞與缸壁之間產(chǎn)生側(cè)壓力。Fp1：沿著連桿方向，作用在曲柄銷上。Fp1 繼續(xù)分解為：Fr：沿著曲柄方向；Fs：為曲柄垂直方向，對(duì)曲軸產(chǎn)生一有用力矩：T＝S*R 壓縮行程：Fp分解為Fp’1 和Fp’2：Fp’2：垂直于缸壁，使活塞與缸壁之間產(chǎn)生側(cè)壓力。Fp’1：沿著連桿方向，作用在曲柄銷上。 Fp’1 ：繼續(xù)分解為：Fr’：沿著曲柄方向；Fs’：為曲柄垂直方向，對(duì)曲軸產(chǎn)生一阻力矩 慣性力（主要）往復(fù)慣性力：活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)：前半行程：加速度方向向下，往復(fù)慣性力方向向上。后半行程：加速度方向向上，往復(fù)慣性力方向向下；活塞從下止點(diǎn)到上止點(diǎn)：前半行程：加速度方向向上，往復(fù)慣性力方向向下。后半行程：加速度方向向下，往復(fù)慣性力方向向上。往復(fù)慣性力使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生上下震動(dòng)。離心力： Fcy：始終與往復(fù)慣性力的方向一致，加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)的上下震動(dòng)。Fcx：使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生水平方向的震動(dòng)。 摩擦力:曲柄連桿機(jī)構(gòu)中互相接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在摩擦力。 摩擦力大小與摩擦系數(shù)、正壓力有關(guān)，方向與活塞運(yùn)動(dòng)方向相反。因?yàn)檩^小，故分析時(shí)忽略.[1][6][7] 1.4曲軸的結(jié)構(gòu)分析 1.4.1作用：承受連桿傳來(lái)的力，并將此力轉(zhuǎn)換成繞其自身的軸線的力矩。 1.4.2結(jié)構(gòu)： 前端：正時(shí)齒輪、正時(shí)鏈輪、皮帶輪端；車用發(fā)動(dòng)機(jī)還裝有曲軸扭轉(zhuǎn)減震器、啟動(dòng)爪（中、小發(fā)動(dòng)機(jī)）。 后端：飛輪端（功率輸出端）。 曲軸軸頸、曲柄（臂）、曲柄銷（連桿軸頸）、平衡重等。 1.4.3 類型 按照結(jié)構(gòu)分：整體式和組合式。整體式曲軸：具有工作可靠、重量輕、剛度、強(qiáng)度較高、加工表面較少的特點(diǎn)，中小型發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用。一般配合滑動(dòng)軸承（有的單缸機(jī)采用滾動(dòng)軸承）。組合式曲軸：當(dāng)曲軸尺寸較大，曲拐數(shù)較多時(shí)，采用整體式結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致加工非常困難，可采用組合式結(jié)構(gòu)。小型單缸發(fā)動(dòng)機(jī)也有采用。 按照支承形式分：全支承和非非全支承曲軸.全支承曲軸:優(yōu)點(diǎn)是曲軸剛性好，不易彎曲，缺點(diǎn)是缸心距加大，機(jī)體加長(zhǎng)，制造成本增加。柴油機(jī)多用全支承曲軸。非全支承曲軸:用于中小功率的汽油機(jī) 1.4.4 連桿軸頸（曲柄銷）一般采用空心軸頸。連桿軸頸的潤(rùn)滑依靠與主軸頸之間的斜油道來(lái)潤(rùn)滑。 1.4.5 曲柄（臂）和平衡重曲柄臂：多采用橢圓形。衡重：減輕主軸頸負(fù)荷；減輕曲軸的內(nèi)力矩，平衡發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡的離心力矩，一般不平衡往復(fù)慣性力。 1.4.6 工作條件及材料工作條件：是高速旋轉(zhuǎn)件，承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。材料要求：剛度、強(qiáng)度、耐磨性要好。材料：中碳鋼（45＃）或中碳合金鋼（40Cr等）強(qiáng)化機(jī)：稀土球墨鑄鐵。但剛性差，所以曲軸支承要求較高。 另外，曲軸支承受力處都必須進(jìn)行耐磨處理，消除應(yīng)力集中。 1.4.7 BJ492QA是一款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)四缸、直列、四沖程、缸徑92mm、水冷、汽車用，區(qū)分符號(hào)A表示變型產(chǎn)品，該型號(hào)一般為全支撐整體式鑄鐵曲軸。全支承曲軸剛性好，不易彎曲；整體式曲軸工作可靠、重量輕、剛度、強(qiáng)度較高、加工表面較少；球墨鑄鐵價(jià)【[1][12]