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鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2014
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書
YG390汽油機(jī)活塞連桿、
曲軸飛輪總成設(shè)計(jì)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)生姓名
班 級 B機(jī)制
學(xué) 號 全學(xué)號
指導(dǎo)教師
完成日期 2014年 月 日
YG390汽油機(jī)活塞連桿、曲軸飛輪總成設(shè)計(jì)
摘 要：1882年德國人狄賽爾（Rudolf Diesel）提出了汽油機(jī)工作原理，1896年制成了第一臺四沖程汽油機(jī)。一百多年來，汽油機(jī)技術(shù)得以全面的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。大量研究成果表明，汽油機(jī)是目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。
本文主要介紹了YG390型汽油機(jī)活塞連桿、曲軸飛輪總成的設(shè)計(jì)，其中活塞的設(shè)計(jì)包括：活塞頭部的設(shè)計(jì)，活塞銷座的設(shè)計(jì)，活塞裙部及其側(cè)面形狀的設(shè)計(jì)。連桿（組）的設(shè)計(jì)包括連桿體、大頭蓋、連桿螺栓、軸瓦和連桿小頭襯套等。曲軸組的設(shè)計(jì)包括：曲柄銷，主軸頸，曲柄，平衡重，油孔的位置和尺寸的設(shè)計(jì)以及飛輪的設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)過程中首先是分析了內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展現(xiàn)況及存在的問題，找出汽油機(jī)活塞連桿、曲軸飛輪總成的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，接著分析了YG390型汽油機(jī)活塞連桿、曲軸飛輪總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后對各組成部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核，最后應(yīng)用AutoCAD繪圖軟件繪制了各總成和主要零部件圖紙。
關(guān)鍵詞：汽油機(jī)，活塞，連桿，曲軸，飛輪
YG390 gasoline engine piston connecting rod, crankshaft flywheel assembly design
Abstract：1882 German Di Saier (Rudolf Diesel) raised gasoline engine works, in 1896 made ??the first four-stroke gasoline engine . One hundred years, the gasoline engine technology to fully develop applications more widely. A large number of studies show that gasoline is currently a variety of power machinery in the industrial application of the highest thermal efficiency , energy efficiency best, most energy-efficient models.
This paper describes the YG390 gasoline engine piston connecting rod , crankshaft flywheel assembly design , including design of the piston comprises: a piston head design, piston pin design, the side of the piston skirt and the shape of the design . Rod ( set ) design includes linkage body , large head cover , connecting rod bolts, bearings and connecting rod small end bushing and so on. Crankshaft Design group comprising: a crank pin , the main journal , a crank , a counterweight , the position and size of the hole and the design of the flywheel design .
The design process is to analyze the development of the first current situation and problems of the internal combustion engine to find gasoline engine piston connecting rod, crankshaft flywheel assembly design should pay attention to the problem , and then analyzes the YG390 gasoline engine piston connecting rod , crankshaft flywheel assembly of structural features , and then each of the components for the design and verification, the final application of AutoCAD drawing software to draw the main components of each assembly and drawings .
Keywords: Gasoline engine, Piston, Connecting rod, Crankshaft, Flywheel
目 錄
1 緒論 1
1.1 選題背景及意義 1
1.2國內(nèi)（外）發(fā)展概況及存在的問題 1
1.3設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題 3
2 總體設(shè)計(jì) 4
2.1 結(jié)構(gòu)分析 4
2.1.1活塞 4
2.1.2連桿 4
2.1.3曲軸飛輪組 5
2.2 方案設(shè)計(jì) 5
2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)要求 5
2.2.2 方案選定 5
3 活塞連桿組設(shè)計(jì) 6
3.1活塞組的設(shè)計(jì) 6
3.1.1活塞的材料 6
3.1.2活塞主要尺寸設(shè)計(jì) 6
3.1.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì) 8
3.1.4活塞頭的質(zhì)量計(jì)算 8
3.2活塞銷的設(shè)計(jì) 9
3.2.1活塞銷的材料 9
3.2.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.2.3活塞銷與銷座的配合 9
3.2.4活塞銷質(zhì)量m3 10
3.2.5活塞銷剛度和強(qiáng)度的校核 10
3.3活塞環(huán)設(shè)計(jì) 11
3.3.1氣環(huán)的設(shè)計(jì) 11
3.3.2油環(huán)的設(shè)計(jì) 13
3.3.3活塞環(huán)強(qiáng)度校核 13
3.4連桿的設(shè)計(jì) 14
3.4.1連桿主要尺寸的設(shè)計(jì) 14
3.4.2連桿強(qiáng)度的計(jì)算 15
4 曲軸飛輪組設(shè)計(jì) 19
4.1曲軸設(shè)計(jì) 19
4.1.1曲軸主要尺寸的確定 19
4.1.2 曲軸材料選擇及毛坯制造 20
4.1.3曲軸的平衡 20
4.1.4曲軸疲勞強(qiáng)度校核 22
4.2飛輪設(shè)計(jì) 28
4.3主軸承的設(shè)計(jì) 30
4.3.1軸承材料選定 30
4.3.2軸瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸的確定 30
5 結(jié) 論 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 34
33
1 緒論
1.1 選題背景及意義
活塞式內(nèi)燃機(jī)自19世紀(jì)60年代問世以來，經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，已是比較完善的機(jī)械。它熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機(jī)動性好，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。全世界各種類型的汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、小型移動電站和戰(zhàn)車等都以內(nèi)燃機(jī)為動力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇，以及某些小型飛機(jī)也都由內(nèi)燃機(jī)來推進(jìn)。世界上內(nèi)燃機(jī)的保有量在動力機(jī)械中居首位，它在人類活動中占有非常重要的地位。
近年來隨著社會的發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體制和規(guī)模發(fā)生了很大改變，交通運(yùn)輸以及城鄉(xiāng)物流業(yè)的迅速發(fā)展，使中小功率汽油機(jī)銷量持續(xù)上升。由于不受爆燃的限制以及汽油自燃的需要，汽油機(jī)壓縮比很高。熱效率和經(jīng)濟(jì)性都要好于汽油機(jī)，同時(shí)在相同功率的情況下，汽油機(jī)的扭矩大，最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速低，因此，汽油機(jī)在配套使用中將更進(jìn)一步顯示出其優(yōu)越性。到目前為止，汽油機(jī)也已成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動力。在歐洲，汽油車銷量已占汽車總銷量的40%多，美國市場的汽油車銷量也在逐漸增加。目前我國農(nóng)用車行業(yè)內(nèi)外環(huán)境，包括社會認(rèn)識、市場供求關(guān)系、產(chǎn)品和制造技術(shù)，都發(fā)生了許多新的變化。農(nóng)用車是我國一個(gè)特色的運(yùn)輸車品種，其投資少、運(yùn)輸能力強(qiáng)、產(chǎn)出大，正好滿足建設(shè)節(jié)約型社會、提高資源使用效率的需求，從整個(gè)國家來講，具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。目前我國中東部地區(qū)對農(nóng)用車仍然大量需要，并且西部經(jīng)濟(jì)有待進(jìn)一步發(fā)展的地區(qū)隨著發(fā)展農(nóng)民收入的增加，潛在的市場非常大，農(nóng)村運(yùn)輸工具的不足帶動了輕型和低速載貨汽車的發(fā)展，而汽油機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性拉動了輕型汽油汽車的迅速發(fā)展，以及在農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家政策的調(diào)整潮流下，國內(nèi)小型農(nóng)用工程機(jī)械市場前景非常好，產(chǎn)銷量迅趨火爆，發(fā)展前景廣闊。
1.2國內(nèi)（外）發(fā)展概況及存在的問題
1882年德國人狄賽爾（Rudolf Diesel）提出了汽油機(jī)工作原理，1896年制成了第一臺四沖程汽油機(jī)。一百多年來，汽油機(jī)技術(shù)得以全面的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。大量研究成果表明，汽油機(jī)是目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。裝備了最先進(jìn)技術(shù)的汽油機(jī)，升功率可達(dá)到30～50kW/l，扭矩儲備系數(shù)可達(dá)到0.35以上，最低燃油耗可達(dá)到198g/kW·h，標(biāo)定功率油耗可達(dá)到204g/kW·h；汽油機(jī)被廣泛應(yīng)用于船舶動力、發(fā)電、灌溉、車輛動力等廣闊的領(lǐng)域，尤其在車用動力方面的優(yōu)勢最為明顯，全球車用動力“柴油化”趨勢業(yè)已形成。在美國、日本以及歐洲100%的重型汽車使用汽油機(jī)為動力。 在歐洲，90%的商用車及33%的轎車為柴油車。在美國，90%的商用車為柴油車。在日本，38%的商用車為柴油車，9.2%的轎車為柴油車。據(jù)專家預(yù)測，在今后20年，甚至更長的時(shí)間內(nèi)汽油機(jī)將成為世界車用動力的主流。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家政府對汽油機(jī)發(fā)展也給予了高度重視，從稅收、燃料供應(yīng)等方面采取措施促進(jìn)汽油機(jī)的普及與發(fā)展。
現(xiàn)代高性能汽油機(jī)由于熱效率比汽油機(jī)高、污染物排放比汽油機(jī)少，作為汽車動力應(yīng)用日益廣泛。西歐國家不但載貨汽車和客車使用柴油發(fā)動機(jī)，而且轎車采用汽油機(jī)的比例也相當(dāng)大。最近，美國聯(lián)邦政府能源部和以美國三大汽車公司為代表的美國汽車研究所理事會正在開發(fā)的新一代經(jīng)濟(jì)型轎車同樣將汽油機(jī)作為動力配置。 經(jīng)過多年的研究、大量新技術(shù)的應(yīng)用，汽油機(jī)最大的問題煙度和噪聲取得重大突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平[4]。
現(xiàn)在，科技的發(fā)展日新月異，汽油機(jī)新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用所需要的時(shí)間也越來越短。
我國汽油機(jī)產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，但是自20世紀(jì)80年代以來有了較快的發(fā)展。隨著一批先進(jìn)機(jī)型和技術(shù)的引進(jìn)，我國汽油機(jī)總體技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國外80年代末90年代初水平，一些國外汽油機(jī)近幾年開始采用的排放控制技術(shù)在少數(shù)國產(chǎn)汽油機(jī)上也有應(yīng)用。最新開發(fā)投產(chǎn)的汽油機(jī)產(chǎn)品的排放水平已經(jīng)達(dá)到歐Ⅲ排放限值要求，一些甚至可以達(dá)到歐Ⅳ排放限值要求。但我國汽油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展仍然面臨著許多問題，與國外汽油機(jī)相比還有一定的差距。
我國汽油機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展面臨著許多問題：
（1）汽油機(jī)行業(yè)投入不足，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)工藝水平、規(guī)模發(fā)展和自主開發(fā)能力的提高；
（2）柴油品質(zhì)差、柴油標(biāo)準(zhǔn)的修訂嚴(yán)重滯后于汽車工業(yè)發(fā)展的需要，對汽油機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種新技術(shù)、改善汽油機(jī)排放措施的應(yīng)用造成障礙；
（3）我國汽油機(jī)技術(shù)的落后、產(chǎn)品質(zhì)量差以及車輛使用中維修保養(yǎng)措施不力，導(dǎo)致低性能高排放汽油機(jī)在使用中對城市環(huán)境和大氣質(zhì)量造成不良的影響。
隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，光靠增壓中冷技術(shù)已不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，這就需要更新的汽油機(jī)電控噴射技術(shù)來支持?，F(xiàn)在國內(nèi)的汽油機(jī)電控噴射系統(tǒng)正處在開發(fā)階段。比如上海內(nèi)燃機(jī)研究所、無錫油泵油嘴研究所等正在積極研究之中。無錫油泵油嘴研究所已把部分成果應(yīng)用到雙燃料機(jī)上實(shí)現(xiàn)了天然氣和液化石油氣的電控化，目前正進(jìn)行匹配試驗(yàn)。
根據(jù)目前我國發(fā)動機(jī)的狀況，提高我國汽油機(jī)技術(shù)水平急需解決下列的關(guān)鍵技術(shù)：
（1） 關(guān)鍵零部件技術(shù)：如油泵油嘴和增壓中冷。
（2）燃油品質(zhì)：優(yōu)質(zhì)低硫的柴油是汽油機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的前提。
（3）電控技術(shù)：汽油機(jī)電控技術(shù)對于發(fā)動機(jī)綜合性能的優(yōu)化和提高至關(guān)重要。
（4）排放后處理關(guān)鍵技術(shù)： 如廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR），微粒捕集技術(shù)以及NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。
（5）整機(jī)開發(fā)及匹配技術(shù)： 如汽油機(jī)燃油、進(jìn)氣及燃燒系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化技術(shù)，重型車用及轎車用汽油機(jī)技術(shù)。
（6）汽油機(jī)的制造、工藝及材質(zhì)等技術(shù)。
隨著中國機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，特別是制造工藝水平的提高，相信中國的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)也會有一個(gè)很大的提高。
1.3設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
內(nèi)燃機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置緊湊的機(jī)器。它有許多零件組成，各個(gè)零件之間不但必須以一定的配合關(guān)系聯(lián)系成一個(gè)整體，而且必須在作相對運(yùn)動的過程中互不干涉。因此，在設(shè)計(jì)每一個(gè)零件時(shí)，必須把它看作是整個(gè)內(nèi)燃機(jī)的一部分。并注意該零件與其它零件之間的關(guān)系。考慮到這一特點(diǎn)，通常內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)設(shè)計(jì)要按一定的程序進(jìn)行，即先從內(nèi)燃機(jī)的全局出發(fā)確定出各個(gè)局部結(jié)構(gòu)的輪廓尺寸，再根據(jù)給定的輪廓尺寸設(shè)計(jì)各零部件的細(xì)節(jié)，然后再將各個(gè)局部匯合在一起，從總體結(jié)構(gòu)上審查各個(gè)局部的設(shè)計(jì)是否正確。通常這個(gè)設(shè)計(jì)程序分三個(gè)階段：草圖設(shè)計(jì)、工作圖設(shè)計(jì)和繪制裝配圖。
在設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)的過程中需要確定出主要零件的結(jié)構(gòu)，尺寸和材料。在這里考慮問題的主要出發(fā)點(diǎn)是保證由這些零件組成的內(nèi)燃機(jī)能夠有效的實(shí)現(xiàn)將燃料中的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械功的過程。這就必須使零件的結(jié)構(gòu)，尺寸和所用材料適應(yīng)工作過程的需要。除此之外，還要考慮另一方面的問題，這就是：
（1）受力問題
零件在工作過程中要承受機(jī)械負(fù)荷的作用，在力的作用下零件將產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和變形。機(jī)械應(yīng)力超過一定的限度時(shí)零件將發(fā)生斷裂性的破壞，變形超過一定的限度時(shí)零件之間的相互配合關(guān)系將被破壞。所有這些都使零件失去工作能力。因此，在設(shè)計(jì)每一個(gè)零件時(shí)都要充分了解該零件在工作過程中所受力的大小和力的作用情況。在本次設(shè)計(jì)中，充分的考慮了這個(gè)問題，在必要時(shí)進(jìn)行了力的校核計(jì)算。
（2）磨損問題
內(nèi)燃機(jī)的許多零件在力的作用下相互摩擦運(yùn)動，如活塞與汽缸壁，軸頸與軸承等。本次設(shè)計(jì)中比較注意零件的磨損問題，對受到磨損的部位注意正確地供給潤滑油和采取其它措施來延長零件的使用壽命。
（3）熱負(fù)荷問題
內(nèi)燃機(jī)的許多零件，如活塞，汽缸和汽缸蓋等在工作中要與高溫氣體相接觸，在此情況下零件被破壞。本次設(shè)計(jì)為水冷汽油機(jī)，在必要處都布置有冷卻水道或利用潤滑油進(jìn)行冷卻散熱。
上面這三個(gè)問題是在內(nèi)燃機(jī)的過程中經(jīng)常遇到并必須注意解決的問題,總括起來說就是:零件必須有足夠的強(qiáng)度和剛度,以便能夠隨力的作用必須注意減小零件的磨損和提高耐磨性,以便行長零件的使用壽命;必須澺零件的熱強(qiáng)度、熱變形與熱應(yīng)力的問題以便使零件能夠然高溫條件下可靠工作。
2 總體設(shè)計(jì)
2.1 結(jié)構(gòu)分析
2.1.1活塞
活塞是在惡劣的條件下工作的。首先，它承受著很大的機(jī)械負(fù)荷?；钊斏献饔糜胁粩嘧兓臍怏w壓力。對于汽油機(jī)來說，氣體壓力的最大值Pmax一般是在7～8MPa。目前，由于高增壓強(qiáng)化，汽油機(jī)的最高氣體爆發(fā)壓力已達(dá)到17～18MPa，有的甚至更高。同時(shí)，在高速內(nèi)燃機(jī)中，循環(huán)的變化頻率很高。這樣就使作用在活塞上的載荷是具有沖擊性的?；钊跉飧桌镒龈咚龠\(yùn)動，還會產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。為了減小活塞組的往復(fù)慣性力，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要盡量減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選用密度小、強(qiáng)度高的材料。其次，活塞在工作中承受著很高的熱負(fù)荷。活塞頂與燃燒室中最高溫度為1800～2600℃，熱量通過對流以及熱輻射等方式傳到活塞頂。由于汽油機(jī)燃燒的特點(diǎn)，使活塞受熱強(qiáng)度分布不均勻，此外還因?yàn)樵谟行紵谥袣怏w介質(zhì)具有較高的密度和紊流的作用，也使得燃?xì)鈧鹘o活塞的熱量增加。為了防止活塞受熱部分溫度過高，一般都力求減小燃?xì)庀蚧钊膫鳠崃坎⑹沽魅牖钊臒崃磕芎芎玫纳⒆?。再次，活塞沿氣缸作高速滑動，活塞裙部受?cè)向力的作用，在潤滑不良的情況下，常常造成活塞、活塞環(huán)和氣缸之間的劇烈磨檫和磨損。
所以，活塞的設(shè)計(jì)任務(wù)就是根據(jù)活塞的功用，適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度提高的需要，從活塞各部分結(jié)構(gòu)尺寸的選定和造型設(shè)計(jì)、活塞的材料和表面處理、必要的計(jì)算和試驗(yàn)等方面入手，正確解決活塞的工作能力、可靠性、壽命和機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、磨損之間的矛盾，并在實(shí)踐中不斷加以考核和改進(jìn)。
活塞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：活塞頭部的設(shè)計(jì)，活塞銷座的設(shè)計(jì)，活塞裙部及其側(cè)面形狀的設(shè)計(jì)。
2.1.2連桿
連桿（組）一般由連桿體、大頭蓋、連桿螺栓、軸瓦和連桿小頭襯套等組成。連桿把活塞和曲軸連接起來。連桿小頭與活塞銷連接，并與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動；連桿大頭與曲軸的曲柄銷連接，和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；連桿的其余部分作復(fù)雜的平面運(yùn)動。作用在活塞上的力經(jīng)連桿傳給曲軸。
連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。連桿必須具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。也就是說在力的作用下，桿身應(yīng)該不致被顯著壓彎；連桿大小頭孔不致顯著失圓。在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)遵循以下的原則[14]：
（1）在保證具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減輕重量，以降低慣性力；
（2）盡量縮短長度，以降低發(fā)動機(jī)的總體尺寸和總重量；
（3）結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，可靠耐用；
（4）大小頭軸承工作可靠，耐磨性好；
（5）連桿螺栓疲勞強(qiáng)度高，連接可靠；
（6）易于制造，成本低。
很顯然，為了增加連桿的強(qiáng)度和剛度，不能簡單地依靠加大結(jié)構(gòu)尺寸來達(dá)到，因?yàn)檫B桿重量的增加使慣性力增加。必須從材料選用、構(gòu)形設(shè)計(jì)、熱處理及表面強(qiáng)化等方面采取措施。
2.1.3曲軸飛輪組
曲軸組由曲軸、飛輪、平衡重以及傳動齒輪等構(gòu)成。曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要的機(jī)件之一，是由一個(gè)或者多個(gè)彼此間錯(cuò)開一定角度的曲柄，加上功率輸出端和自由端組成，它是發(fā)動機(jī)最主要的部件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動機(jī)的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的功用是把活塞的往復(fù)運(yùn)動通過連桿轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以輸出汽油機(jī)所產(chǎn)生的功率，并驅(qū)動汽油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)、噴油泵、機(jī)油泵、水泵及其他的附件。
在曲軸的設(shè)計(jì)方面有幾點(diǎn)要注意，首先，因?yàn)榍S在工作中要承受扭轉(zhuǎn)力矩的作用，因此曲軸在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的解決的主要問題是保證軸頸與軸承工作可靠并且耐用，再者要有足夠的抗彎剛度，還有在工藝上也應(yīng)注意，設(shè)計(jì)盡量簡單，只要保證足夠的轉(zhuǎn)動慣量的情況下減小飛輪的質(zhì)量。
飛輪的主要功用是儲存做功沖程的能量，克服輔助沖程的阻力以保證曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的均勻性，是內(nèi)燃機(jī)工作平穩(wěn)。
曲軸組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：曲柄銷，主軸頸，曲柄，平衡重，油孔的位置和尺寸的設(shè)計(jì)以及飛輪的設(shè)計(jì)。
2.2 方案設(shè)計(jì)
2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)要求
本次設(shè)計(jì)的是YG390型汽油機(jī)活塞連桿、曲軸飛輪總成其參數(shù)如下：
缸徑：88mm
行程：64mm
排量：389cc
功率：13kW/3600rpm
扭矩：26.4N·m/2500rpm
2.2.2 方案選定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求選定方案為YG390型汽油機(jī)的活塞連桿、曲軸飛輪總成
3 活塞連桿組設(shè)計(jì)
3.1活塞組的設(shè)計(jì)
3.1.1活塞的材料
制造活塞的材料應(yīng)有小的密度、足夠的高溫強(qiáng)度、高的熱導(dǎo)率、低的線脹系數(shù)以及良好的摩擦性能(減摩性和耐磨性)。常用材料為鋁硅合金，。共晶鋁硅合金具有滿意的綜合性能，工藝性良 好，應(yīng)用最為廣泛。過共晶鋁硅合金中的初生硅晶體使耐熱性、耐磨性改善，膨脹系數(shù)減小，但加工工藝性惡化。過共晶鋁硅合金廣泛用于高熱負(fù)荷活塞。
本次活塞的材料選用共晶硅鋁合金。
3.1.2活塞主要尺寸設(shè)計(jì)
（1）活塞高度H
按照上表取H/D=0.755
則H=0.755×D=0.755×88=66.44mm，圓整取H=66.5 mm
（2）壓縮高度H1
按照上表取H1/D=0.4
則H1=0.4×D=0.4×88=35.2mm，圓整取H1=35 mm
（3）火力岸高度h
按照上表取h/D=0.05
則h=0.4×D=0.06×88=5.28mm，圓整取h=5mm
（4）環(huán)帶高度
現(xiàn)代四行程發(fā)動機(jī)一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。
氣環(huán)的厚度一般為2.0～3.0mm(《汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)》p308)。
環(huán)岸要求有足夠的強(qiáng)度，使其在最大氣壓下不致被損壞。
第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1 一般為1.5～2.5c（c指環(huán)槽高度）
第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為1～2c。
第一環(huán)岸高 C1=0.03～0.04D=0.04×88=3.52mm 取4mm
環(huán)高b1 為2.0～3.0mm取2.0mm
環(huán)高b2 為2.0～3.0mm取2.0mm
環(huán)高b3 油環(huán)為2.0～4.0mm取2.8mm
環(huán)岸高C2 為2b1取4.0mm
b1=2,b2=2, b3=2.8,C1=4, C2=4。
則環(huán)帶高度為14.8mm
（5）活塞頂部厚度δ
通常汽油機(jī)為0.05~0.10D
δ=0.05D=0.05×88=4.4，取δ＝5mm。
（6）活塞側(cè)壁厚度及內(nèi)部過渡圓角
活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般?。?.05~0.1）D，取0.06D，厚度則為5.5mm
為改善散熱狀況，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過度圓角，一般取R=0.05~0.1D
則圓角半徑取為8mm
（7）活塞銷座間距
B=0.3-0.40D
取0.35則活塞銷座間距為30.8mm取30mm
有關(guān)活塞的尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果：
名稱
數(shù)值
單位
壓縮高度取H1
35
mm
環(huán)帶高度H3
12.8
mm
火力岸高度H4
5
mm
總高度
66.5
mm
壁厚
5
mm
內(nèi)圓直徑D’
77
mm
外圓直徑D
88
mm
第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1
2
mm
第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2
2
mm
第一道環(huán)槽高度C1
2
mm
第二道環(huán)槽高度C2
2
mm
環(huán)槽深度
4.4
mm
3.1.3活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì)
活塞裙部及其側(cè)表面形狀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于保證裙部有足夠的貼切合面積和良好的潤滑條件，以及保證發(fā)動機(jī)在不同工況下都具有最小的活塞間隙。
（1）裙部橢圓
1）將裙部設(shè)計(jì)成橢圓。
2）將銷座附近的裙部外側(cè)部位設(shè)計(jì)成凹陷狀。
裙部橢圓的規(guī)律：
為了使活塞在正常工作溫度下于氣缸壁之間保持右比較均勻的間隙，不至于在氣缸內(nèi)卡死或是引起局部磨損，必須在常溫下預(yù)先把活塞裙部的橫斷面加工成橢圓形，其長軸垂直于活塞銷軸線方向，其矩軸于長軸的差值視發(fā)動機(jī)的不同而不同，一般為0.08～0.025mm。
為了視鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個(gè)圓柱形，害必須把活塞做成上小下大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動機(jī)的不同而不同，一般為0.05～0.1mm。
實(shí)際取Δ：對活塞下下部和頭部取0.1mm；對活塞裙中部取0.08mm
（2）配缸間隙
為了使鋁合金活塞在工作狀態(tài)下（熱態(tài)）接近一個(gè)圓柱形，還必須把活塞做成上小下大的近似圓錐形。其錐度視發(fā)動機(jī)的不同而不同，一般為0.05～0.1mm。
活塞頂部間隙：0.240mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.210mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi)
活塞裙部間隙：0.09mm（活塞銷中心平面內(nèi)）；0.04mm垂直于活塞銷中心線平面內(nèi)
3.1.4活塞頭的質(zhì)量計(jì)算
對活塞進(jìn)行簡化變成可計(jì)算體積的幾何體，從而計(jì)算出其體積和質(zhì)量。簡化圖如下。
H4
H3
D
H
H2
H1
活塞銷孔軸線
V
V
V
活塞的質(zhì)量在估算時(shí)，將活塞當(dāng)作薄壁圓筒處理。
活塞
其中D——為活塞的外徑，D=88mm
t——為活塞的厚度， t=5mm
H——為活塞的高度，H=66.5mm
——為活塞的密度，在此處用共晶鋁硅合金66-1，密度為2.7g/cm3
故可知活塞的質(zhì)量為m活塞=120.51g
3.2活塞銷的設(shè)計(jì)
活塞工作時(shí)頂部承受很大的大氣壓力，這些力通過銷座傳給活塞銷，再傳給連桿。因而活塞銷座和活塞銷的設(shè)計(jì)必須保證足夠的強(qiáng)度、足夠的承壓面積和耐磨性。
3.2.1活塞銷的材料
活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼（如20Cr）制造，經(jīng)表面參碳淬火處理，以提高表面硬度，使中心具有一定的沖擊韌性。表面需進(jìn)行精磨和拋光。
3.2.2活塞銷與銷座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
d=（0.22~0.3）D=0.22D=19.36mm取20mm
d0=(0.6~0.79)d=0.6d=12mm
l=(0.8~0.9)D=0.8D=70.4取70mm
活塞銷外徑d=20,活塞銷內(nèi)徑d=12?；钊N長度l=70mm。
3.2.3活塞銷與銷座的配合
活塞頂所承受的氣壓力通過活塞銷座和活塞銷傳給連桿。由于結(jié)構(gòu)上的限制，活塞銷的 直徑d不可能超過0.4D(表11-1)，活塞銷的長度不可能超過0.85D，因此活塞銷總的承壓面積極為有限，還要在活塞銷座與連桿小頭襯套之間合理分配。所以，不論在銷與銷座之間，還是在銷與連桿之間，承壓面積都很小，表面比壓很高。加上活塞銷與銷座或活塞銷與連桿襯套之間相對運(yùn)動速度很低，液體潤滑油膜不易形成。在這種高壓低速條件下，要保證可靠的液體潤滑，配合副的工作間隙要盡可能小。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)活塞銷與銷座以及活塞銷與連桿小頭襯套之間的工作狀態(tài)(熱態(tài))間隙在(1~3) 10-4d時(shí)，可以可靠工作。于是，在裝配狀態(tài)(冷態(tài))，銷與銷座則有(1~3) 10-4d的過盈，以補(bǔ)償鋁合金活塞銷孔在工作時(shí)較大的熱膨脹。為了穩(wěn)定地保持極小的間隙而又轉(zhuǎn)動靈活，活塞銷外圓、活塞銷孔和連桿小頭襯套孔都應(yīng)有極高的加工精度。不但尺寸公差要嚴(yán)格，尤其要保證嚴(yán)格的圓柱度和表面粗糙度。如果尺寸公差偏大，而圓柱度和表面粗糙度值足夠小，則可以按尺寸分組選配的辦法保證配合副的理想間隙。
3.2.4活塞銷質(zhì)量m3
m=110g
3.2.5活塞銷剛度和強(qiáng)度的校核
為保證活塞銷和銷座的可靠工作，需校核活塞銷的彎曲變形，失圓變形，銷座上的表面壓力和活塞銷的應(yīng)力。
δ=d2/d1=0.6
活塞銷的彎曲變形：
許用變形：
滿足要求。
失圓變形：
許用失圓變形：
滿足要求。
作用在銷孔上的表面壓力：
小于極限值560bar，滿足要求。
活塞銷的縱向彎曲應(yīng)力：
活塞銷的橫向彎曲應(yīng)力：
所以總彎曲應(yīng)力：
=354.4N/mm2
在許用應(yīng)力200到400 N/mm2之間，滿足要求。
經(jīng)以上計(jì)算可知設(shè)計(jì)的活塞銷滿足剛度和強(qiáng)度要求。
3.3活塞環(huán)設(shè)計(jì)
活塞與活塞環(huán)一起防止氣缸內(nèi)的高壓氣體下竄到曲軸箱，同時(shí)把很大一部分活塞頂接收的熱量傳給氣缸壁，起這種作用的活塞環(huán)稱為氣環(huán)。此外，還設(shè)置專門的油環(huán)，在活塞下行時(shí)把氣缸壁上多余的機(jī)油刮回油底殼，以減少上竄機(jī)油量。一般要求通過環(huán)組的竄氣量不超過總進(jìn)氣量的0.5%，機(jī)油消耗量不超過燃油消耗量的0.5%。
3.3.1氣環(huán)的設(shè)計(jì)
（1）氣環(huán)的斷面形狀
根據(jù)活塞環(huán)的密封機(jī)理，形狀簡單、加工方便的矩形(斷面)環(huán)完全可以滿足要求。但這種環(huán)磨合性較差，作用在活塞環(huán)上的力及其密封面密封性不理想。
桶面環(huán)(圖11-9b)的外周面是直徑等于缸徑的球面的中段，其特點(diǎn)是能適應(yīng)活塞的擺動，并且活塞上行和下行時(shí)均能在環(huán)的外周面上形成潤滑油膜，摩擦面不易燒傷。環(huán)與氣缸接觸面積小，比壓大，密封性好。桶面環(huán)廣泛用作高速、高負(fù)荷的強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)的第一環(huán)。
圖11-9 常用的活塞環(huán)斷面形狀
a)矩形環(huán) b)桶面環(huán) c)錐面環(huán)。d)梯形環(huán) e)內(nèi)切正扭曲環(huán) f)錐面內(nèi)倒角反扭曲環(huán)
錐面環(huán)(圖11-9c)外周面具有很小的斜角(一般為)，它新裝入氣缸時(shí)與氣缸線接觸，磨合快，下行時(shí)有良好的刮油作用。安裝時(shí)不能上下裝反，否則使竄機(jī)油加劇。這種環(huán)適用于第二、三氣環(huán)。
梯形環(huán)(圖11—9d)兩側(cè)面夾角多為150左右。裝這種環(huán)的活塞在氣缸中工作時(shí)的側(cè)向位移使環(huán)與環(huán)槽側(cè)面間的間隙不斷變化，可防止環(huán)槽中機(jī)油結(jié)膠甚至碳化，適用于熱負(fù)荷較高的汽油機(jī)作為第一環(huán)。
扭曲環(huán)(圖11-9e)采用內(nèi)切或倒角造成斷面相對彎曲中性軸不對稱，使環(huán)裝入氣缸發(fā)生彎曲變形后發(fā)生不超過10的盤狀正扭曲。它有與錐面環(huán)類似的作用，但加工容易些，不過扭曲環(huán)的扭曲角沿環(huán)周是不均勻的。
反扭曲環(huán)(圖11—9f)工作時(shí)扭曲成蓋子狀，配合外圓的錐面，具有很強(qiáng)的密封性和刮油能力，常用于緊挨油環(huán)的那道氣環(huán)。
（2）氣環(huán)的尺寸參數(shù)
在保證密封的前提下，活塞環(huán)的數(shù)目應(yīng)盡可能少，因?yàn)闇p少環(huán)數(shù)可縮小活塞高度，減輕活塞質(zhì)量，減小發(fā)動機(jī)總高度，降低發(fā)動機(jī)摩擦損失。現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)大多采用2道氣環(huán)(另有1油環(huán))，重型強(qiáng)化汽油機(jī)則用3道氣環(huán)。
氣環(huán)的尺寸參數(shù)主要有環(huán)的徑向厚度、軸向高度(圖11-8)以及環(huán)的自由狀態(tài)形狀和自由開口端距S0。
減小環(huán)高b有利于縮短活塞高度，減小環(huán)的顫振傾向，目前已達(dá)到1mm左右的極限。過小的使環(huán)和環(huán)槽的加工困難。
徑向厚度較大的環(huán)彎曲剛度大，對氣缸表面畸變的跟隨性差，但耐磨性相對較好。剛性環(huán)在較小的端距S0下就可得出要求的平均徑向壁壓，但在套裝到活塞頭部上時(shí)易于折斷。對合金鑄鐵的活塞環(huán)來說，=0.1~0.2MPa，。
環(huán)槽深度取0.05d=4.4mm
（3）活塞環(huán)的材料
活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中磨損最快的零件，因此適當(dāng)選擇材料和表面處理工藝十分重要。
活塞環(huán)一般是由合金鑄鐵鑄造，高強(qiáng)度環(huán)用球墨鑄鐵，經(jīng)熱處理以改善材料的熱穩(wěn)定性。少數(shù)活塞環(huán)用合金鋼制造。
活塞環(huán)的工作表面通常用各種鍍層或涂層，以提高其耐磨性、耐蝕性或改善磨合性。最常用的耐磨層為鍍鉻和噴鉬。松孔鍍鉻不僅硬度高，耐磨耐蝕，而且儲油，抗膠合，廣泛用于汽油機(jī)和自然吸氣汽油機(jī)。鉬熔點(diǎn)高，噴鉬層抗膠合、抗磨損性能好，能適應(yīng)高溫下工作。噴涂法能造成一定多孔性，也有一定儲油能力。噴鉬環(huán)主要用于增壓強(qiáng)化汽油機(jī)的第一環(huán)。
所有活塞環(huán)都要進(jìn)行磷化、鍍錫或氧化處理，以改善磨合性和防銹。
3.3.2油環(huán)的設(shè)計(jì)
氣缸與活塞運(yùn)動副用飛濺的機(jī)油潤滑。油環(huán)的作用是把飛濺到氣缸壁上的多余潤滑油刮下來，回到油底殼，以減少發(fā)動機(jī)的機(jī)油消耗量。
為了能在高速運(yùn)動中對抗機(jī)油的流體動壓力刮下機(jī)油，只留下很薄的油膜，油環(huán)工作面的著壁壓力應(yīng)足夠大。因?yàn)橛铜h(huán)沒有環(huán)背氣壓力幫助壓向氣缸壁，著壁壓力完全靠本身的彈力產(chǎn)生。單體鑄鐵油環(huán)(圖11-10a)，由于材料強(qiáng)度所限，只能通過減小與氣缸接觸的工作面積來提高壁壓，最高只能達(dá)到0.5MPa左右。如用高強(qiáng)度材料，用較大的徑向厚度，壁壓可能進(jìn)一步提高，但環(huán)剛性大，對氣缸變形的追隨性差，刮油能力不好。用具有切向彈力的螺旋襯簧的鑄鐵油環(huán)(圖11-10b)可使壁壓達(dá)到0.8MPa以上，即使環(huán)的外圓磨損，壁壓也比較穩(wěn)定，因?yàn)楸趬褐饕梢r簧產(chǎn)生。這種環(huán)厚度小，柔性好，在氣缸變形較大的條件下也能很好地刮油。這種油環(huán)目前應(yīng)用很廣，尤其在高速汽油機(jī)上。鑄鐵環(huán)表面要通體鍍鉻。
上述兩種單體油環(huán)與環(huán)槽不可避免地有側(cè)向間隙，在環(huán)正常軸向移動或顫振而懸浮在環(huán)槽中間時(shí)，機(jī)油可能通過側(cè)隙上竄。這種影響在高轉(zhuǎn)速時(shí)更大，所以現(xiàn)代高速汽油機(jī)常用無側(cè)隙鋼片組合式油環(huán)。
為了使油環(huán)刮油有效，除了油環(huán)結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)注意活塞的配合。用單體油環(huán)時(shí)必須保持環(huán)槽側(cè)隙盡可能小，這意味著環(huán)槽加工精度要高，變形要小。還應(yīng)注意環(huán)槽須有面積足夠的泄油通道，以免回油受節(jié)流造成過高動壓，使油環(huán)浮起。一般希望在油環(huán)槽底和槽下都加工出很多泄油孔，使泄油通暢。
3.3.3活塞環(huán)強(qiáng)度校核
為了確定任意斷面 BB中的彎矩，可把活塞環(huán)看成是開口對面的對稱面AA固定的懸臂梁，因?yàn)榛钊h(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)時(shí)AA斷面不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。于是作用在單元環(huán)上rd的單元力dp=p0br0d對斷面BB產(chǎn)生的彎矩可寫成
環(huán)從=到段上的壓力對BB斷面的總彎矩M為
式中：
材料確定后E為常數(shù)，P0也為常數(shù)，對結(jié)構(gòu)參數(shù)D一定的均壓環(huán)，自然狀態(tài)的曲率半徑ρ隨α而變，故活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是圓形。
3.4連桿的設(shè)計(jì)
連桿是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，主要由連桿大頭、大頭蓋、連桿軸瓦及連桿螺栓等部分組成。其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸。連桿小頭與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動，連桿大頭與曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，連桿桿身作復(fù)雜的平面擺動。連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。由于受力比較復(fù)雜并且需要實(shí)驗(yàn)來指導(dǎo)，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。
3.4.1連桿主要尺寸的設(shè)計(jì)
（1）連桿長度的確定
連桿長度由桿比來說明，而，值越大，連桿越短，則發(fā)動機(jī)的總高度越小。參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，值范圍為。取，則
（2）連桿小頭尺寸的確定
連桿小頭位于活塞內(nèi)腔，尺寸小、軸承比壓高、溫度較高。本次設(shè)計(jì)汽油機(jī)的連桿材料選取為45鋼，密度=7.85g/cm.
連桿小頭的內(nèi)徑，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，，取，
連桿小頭的外徑，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，，取取28mm
連桿小頭的寬度，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，， 取
襯套外徑，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，， 取
（3）連桿大頭尺寸的確定
連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定了曲柄銷直徑D2、長度B2、連桿軸瓦厚度等等，對曲軸的強(qiáng)度、剛度和承壓能力有很大的 影響。大頭的外形尺寸又決定了凸輪軸位置和曲軸箱形狀，大頭的重量產(chǎn)生的離心力會使連桿軸承、主軸承負(fù)荷增大，磨損加劇，有時(shí)還不得不為此而增加平衡重，給曲軸設(shè)計(jì)帶來困難，因此在設(shè)計(jì)連桿大頭時(shí)，應(yīng)在保證強(qiáng)度和剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。
連桿大頭內(nèi)徑，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)
，取Q取44mm
連桿大頭外徑，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，
， 取D′2 =0.6D=52.8mm
連桿螺栓孔間距離，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，
C/ D′2 =1.2～1.25, 取C=1.2D′2 =70mm
高度H3，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，
H3 / D′2 =0.35～0.4，取H3 =0.38D′2=20mm
高度H4 ，參考楊連生版《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)，
H4/ D′2 =0.38～0.44，取H4=0.4D′2=21mm
3.4.2連桿強(qiáng)度的計(jì)算
（1）連桿小頭強(qiáng)度的計(jì)算
襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫升產(chǎn)生的應(yīng)力
式中—小頭外徑，為28mm；
—小頭內(nèi)徑，為22mm；
—襯套材料的線膨脹系數(shù)，對于青銅，可取=1.81/；
—連桿小頭材料的線膨脹系數(shù)，對于鋼可取=1.010（1/）；
μ,—泊桑比，一般可取μ==0.3；
E—連桿小頭材料的彈性模數(shù)對于剛，E=2.2N/mm
—襯套材料的彈性模數(shù)，對于青銅，=1.15N/mm
計(jì)算得0.065mm.
計(jì)算可得：
把小頭視為內(nèi)壓厚壁圓筒，在壓力P的作用下外表面的切向應(yīng)力為
內(nèi)表面==101.8 N/mm2
外表面=79.3 N/mm2
經(jīng)檢驗(yàn)小于100-150 N/mm2
小頭應(yīng)力的校核
當(dāng)發(fā)動機(jī)處于額定工況時(shí)，連桿小頭的最大拉伸作用力為：
當(dāng)發(fā)動機(jī)處于起動工況時(shí)
固定角
在的截面上
–(0.5723213.26
–=2.63
計(jì)算截面拉伸力引起的法向力和彎矩為：
小頭壁厚為；
由拉伸作用在外表上產(chǎn)生的應(yīng)力為：
取點(diǎn)火提前角為：
連桿小頭的合力為：
計(jì)算截面中由壓縮力引起的法向力和彎矩：
==
=
不對稱循環(huán)的最大與最小應(yīng)力為：
平均應(yīng)力及應(yīng)力幅：
又由n
——材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，取=200
——應(yīng)力幅；
——平均應(yīng)力；
——考慮表面加工情況的工藝系數(shù)，其值在0.4～0.6之間，取
——角系數(shù)，
——材料在對稱循環(huán)下的彎曲疲勞極限，對于鋼，
則取
算得n=2.2 〉1.5 則小頭合格
（2）連桿大頭的強(qiáng)度計(jì)算
連桿大頭受慣性力拉伸載荷：
式中、、、分別是活塞組、連桿組往復(fù)部分、連桿旋轉(zhuǎn)部分及連桿大頭下半部分的重量。
取
則彎曲應(yīng)力為：
式中—計(jì)算斷面的抗彎曲斷面模數(shù)，取
—計(jì)算圓環(huán)的曲率半徑，計(jì)算可得
、—大頭及軸承中央截面面積，計(jì)算可得
查楊連生《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》σ的值在15000~20000N·m之間，合格。
4 曲軸飛輪組設(shè)計(jì)
4.1曲軸設(shè)計(jì)
4.1.1曲軸主要尺寸的確定
（1）曲柄銷的直徑和長度
在考慮曲軸軸頸的粗細(xì)時(shí)，首先是確定曲柄銷的直徑。在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中，一般趨向于采用較大的值，以降低曲柄銷的比壓，提高連桿軸承工作的可靠性，提高曲軸的剛度。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力增大，對曲軸及軸承的工作帶來不利。因?yàn)殡S曲柄銷直徑增大帶來的軸系自振頻率增加，會被旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增加引起的自振頻率下降所抵消，可能增加扭轉(zhuǎn)振動的危害。此外，曲柄銷直徑增大也會增加軸承摩擦功率損失，導(dǎo)致軸承溫度升高，增加潤滑油熱負(fù)荷。為此，曲柄銷直徑不應(yīng)取得較大。曲柄銷的長度是再選定的基礎(chǔ)上考慮的。
初步選取
曲柄銷的直徑=（0.4~0.45）D=35.2~39.6mm, 取=36mm;
曲柄銷的長度=（0.3~0.35）D=26.4~30.8mm, 取=28mm。
（2）主軸頸的直徑和長度
從軸承負(fù)荷出發(fā)，主軸頸可以比曲柄銷細(xì)些，因?yàn)橹鬏S承最大負(fù)荷小于連桿軸承。但是為了最大限度地增加曲軸的剛度，加粗主軸徑是有很大好處的。因?yàn)榈谝唬哟种鬏S徑不同于加粗曲柄銷那樣有很多副作用，加粗主軸頸能增加曲柄軸頸的重疊度，從而提高曲軸剛度，但幾乎不增加曲軸的轉(zhuǎn)動慣量，故可提高自振頻率，減輕扭振危害；第二，加粗主軸頸后可以相對縮短其長度，從而給加厚曲柄臂，提高其強(qiáng)度提供可能。
根據(jù)表3-1，初步選取
主軸頸直徑=（0.35~0.40）D=30.8~35.2mm取=35mm;
主軸頸長度=（0.16~0.20）D=14.1~17.6mm 取=16mm。
（3）曲柄臂
曲柄臂是曲軸中最薄弱的部分之一，它在曲柄平面內(nèi)的抗彎剛度和強(qiáng)度都較差。實(shí)踐表明：由交變彎曲應(yīng)力造成的曲柄臂斷裂是曲軸的主要損壞型式。曲柄臂應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸?，寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。曲柄形狀應(yīng)合理，以改善應(yīng)力分布?，F(xiàn)代高速汽油機(jī)曲柄的形狀大多采用橢圓形和圓形。試驗(yàn)證明：橢圓形曲柄具有最好的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。其優(yōu)點(diǎn)是盡量去掉了受力小或不受力的部分，其重量減輕，應(yīng)力分布均勻。但加工方法較復(fù)雜，采用模鍛或鑄造的方法可以直接成型。
根據(jù)表3-1, 初步選取
曲柄臂厚度h=（0.2~0.25）D=17.6~22mm 取h=19mm；
曲柄臂寬度b=（0.5~1.0）D=44~88mm 取b=50mm。
（4）曲軸圓角
曲軸主軸頸和曲柄臂連接的圓角稱為主軸頸圓角，曲柄銷和曲柄臂連接的圓角稱為曲柄銷圓角。
由于曲柄銷圓角和主軸頸圓角是曲軸應(yīng)力最大的部位，且應(yīng)力沿圓角輪廓分布也極不均勻，故圓角的輪廓設(shè)計(jì)十分重要。
曲軸圓角半徑r應(yīng)足夠大，根據(jù)表3-1, r/=0.025~0.04,r=2.2~3.52mm，圓角半徑過小會使應(yīng)力集中嚴(yán)重。為了增大曲軸圓角半徑，且不縮短軸頸有效工作長度，可采用沉割圓角，設(shè)計(jì)沉割圓角時(shí)應(yīng)該保證曲柄臂有足夠厚度。曲軸圓角也可由半徑不同的二圓弧和三圓弧組成。當(dāng)各段圓弧半徑選擇適當(dāng)時(shí)可提高曲軸疲勞強(qiáng)度，增加軸頸有效承載長度。
本次設(shè)計(jì)遵循以上原則，選取圓角半徑 r=2.5mm。
4.1.2 曲軸材料選擇及毛坯制造
常用的曲軸材料有可鍛鑄鐵，合金鑄鐵，球墨鑄鐵，碳素鋼和合金鋼等，相應(yīng)的毛坯也分為鑄造與鍛造。
鍛造曲軸一般采用中碳鋼或者合金鋼制造，毛坯生產(chǎn)需要大型鍛壓設(shè)備，雖然毛坯尺寸比較精確，減少了加工余量，提高了材料利用率，此外，鍛造能夠使材料的金屬纖維成方向性排列，纖維方向和曲軸形狀大致相符，這大大提高了曲軸的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。但是鍛造曲軸成本過高，大約是球鐵曲軸的3-7倍。
雖然鑄造曲軸主要是球鐵曲軸有很多缺點(diǎn)，例如彎曲疲勞強(qiáng)度比較低，較容易發(fā)生斷裂，相同尺寸的球鐵曲軸與鍛造曲軸相比，剛度差。但它的優(yōu)點(diǎn)也相當(dāng)明顯，例如球墨鑄鐵曲軸經(jīng)正火處理后的機(jī)械性能已接近蔌超過一般的中碳鋼，盡管鋼的疲勞強(qiáng)度比球墨鑄鐵高，但曲軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼曲軸難免會有油孔、過渡圓角和材質(zhì)上留有缺陷面造成應(yīng)力集中，從面降低了曲軸的疲勞強(qiáng)度。球鐵可以鑄造出復(fù)雜的曲軸形狀，使其應(yīng)力分布均勻，且球墨鑄鐵對缺口敏感度低、變形小，使球墨鑄鐵曲軸的實(shí)際彎曲的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度與正火中碳鋼相近。球鐵曲軸的耐磨性好，吸振能力強(qiáng)，有較好的自潤滑和抗氧化性能。
綜上分析，本次設(shè)計(jì)采用球墨鑄鐵曲軸。
4.1.3曲軸的平衡
（1）曲軸的平衡性分析
對曲曲軸軸平衡性的分析可以采用兩種方法,矢量圖法和數(shù)學(xué)分析法,此次設(shè)計(jì)中我采用的是數(shù)學(xué)分析法:
（a）分析
因?yàn)樗?
取通過第二氣缸中心線且垂直于曲軸中心線的平面為力矩的計(jì)算基準(zhǔn)平面。
令
得即
因?yàn)楹偷墓叫螒B(tài)一樣
所以
可知，
令 得2α=30°
即，
由上得知一、二級往復(fù)慣性力矩的正、反轉(zhuǎn)矢量
（b）慣性力矩的平衡方法
一般,只采用曲軸附加偏角(或扇形)平衡塊的方法將全部平衡掉。其中，K值需要與汽油機(jī)的配套裝置一道試驗(yàn)確定。對一、二級往復(fù)慣性力，不另添置平衡軸，而讓其自行存在。由此收起的振動是許可的。為了獲得良好的外部平衡性能，應(yīng)對帶平衡塊的曲軸進(jìn)行仔細(xì)地靜、動平衡，并把活塞組、連桿組的重量嚴(yán)格控制在誤差范圍內(nèi)。
（2）曲軸平衡塊的布置方式
曲軸平衡塊的作用是用來平衡曲軸不平衡的旋轉(zhuǎn)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力矩，有時(shí)也可以平衡往復(fù)慣性力及其力矩，并可以減速小主軸承的負(fù)荷。隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，多數(shù)離心慣性力和離心慣性力矩已自行平衡的曲軸也配置平衡塊，這主要是為了減輕主軸承的最大負(fù)荷，保證軸承有良好的潤滑條件，減小曲軸和曲軸箱所受的離心慣性力矩。但曲軸配置平衡塊后，重量增加，制造工藝復(fù)雜，曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動自振頻率降低。因此，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速，曲軸結(jié)構(gòu)，曲柄排列，軸承負(fù)荷以及對平衡的要求等因素綜合考慮是否配置平衡塊。一般低速汽油機(jī)不需要配置平衡塊，高度汽油機(jī)則需要配置平衡塊。平衡方案的選擇，平衡塊重量的計(jì)算與布置，應(yīng)該仔細(xì)考慮。
平衡塊的重心應(yīng)盡量遠(yuǎn)離曲軸中心線，以提高平衡效果。但平衡塊一般不超過曲軸旋轉(zhuǎn)所掃過的范圍。平衡塊厚度一般與曲柄臂相同。
4.1.4曲軸疲勞強(qiáng)度校核
本計(jì)算采用Ricardo計(jì)算方法,該計(jì)算方法有兩點(diǎn)假設(shè)。
曲軸的每一曲拐是相互獨(dú)立的，不受曲軸其他部分受力的影響，并以
簡支梁的形式支撐在主軸承上。
曲軸所受力是以點(diǎn)負(fù)荷的形式作用在曲軸上的。如圖5-1
圖5-1 曲拐受力分析圖
（1）已知條件
缸徑D=88,行程S=64,連桿長L=112,氣缸數(shù)i=1,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)=3600r/min,最大平均有效壓力Pme=0.5MPa,活塞連桿組往復(fù)質(zhì)量m1=1.2Kg,活塞連桿組旋轉(zhuǎn)質(zhì)量m2=1.5Kg。
（2）彎曲應(yīng)力計(jì)算
1）曲軸受力計(jì)算
（a）壓縮上止點(diǎn)時(shí)的曲軸作用力：
(5-2)
式中，—活塞連桿組往復(fù)質(zhì)量力；—活塞連桿組旋轉(zhuǎn)質(zhì)量力；
（b）燃?xì)庾饔昧Γ?
則
（c）排氣上止點(diǎn)時(shí)的曲軸作用力：
2）單個(gè)曲拐危險(xiǎn)截面上的彎矩
（a）圓角處
（b）連桿軸頸中央油孔處
式中，、、、分別為曲拐危險(xiǎn)截面的最大和最小彎矩。
3）名義彎曲應(yīng)力
，
式中，—為彎矩，
、為截面的最大、最小名義彎曲應(yīng)力。
（a）圓角處
（b）連桿軸頸中央油孔處
4）名義彎曲平均應(yīng)力及名義應(yīng)力幅為
，
（a）圓角處
（b）連桿軸頸中央油孔處
5）彎曲應(yīng)力
，；
式中，—應(yīng)力集中系數(shù),
、—為彎曲平均應(yīng)力及彎曲應(yīng)力幅；
根據(jù)理論應(yīng)力集中系數(shù)由式（5-3）計(jì)算。
式中， ；
式中，—連桿軸徑，—曲柄臂厚度。
式中，—主軸頸直徑。
則
，則。
=
圓角處
=
桿軸頸中央油孔處
取連桿軸頸中央油孔處的應(yīng)力集中系數(shù)，帶入（5-4）得，則
（3）切應(yīng)力計(jì)算
1）扭矩計(jì)算
式中，—為發(fā)動機(jī)平均扭矩；
將已知條件代入得；最大扭矩
式中為系數(shù)，兩缸機(jī)取=10。最小扭矩
2）名義應(yīng)力
連桿軸頸的抗彎截面系數(shù)
， =63，則
式中，，—分別為名義最大，最小切應(yīng)力。
名義平均切應(yīng)力及名義切應(yīng)力幅分別為
3）切應(yīng)力
（a）圓角處
理論應(yīng)力集中系數(shù)
式中，為圓角半徑，為重疊度，連桿軸頸直徑。將代入式（5-4）中得，，則切應(yīng)力集中系數(shù)
則
式中，、—為平均切應(yīng)力及切應(yīng)力幅。
（b）連桿軸頸中央油孔處
理論應(yīng)力集中系數(shù)，將其代入式（5-4）中得，，
切應(yīng)力集中系數(shù) 則
根據(jù)以上計(jì)算數(shù)值參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)值[14] 此次設(shè)計(jì)的曲軸可采用材料40Cr此材料的強(qiáng)度完全滿足以上要求。
4.2飛輪設(shè)計(jì)
在飛輪的設(shè)計(jì)中，我們先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定出其外徑、內(nèi)徑和厚度b，然后在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對其進(jìn)行校核。
圖4-1（《汽油機(jī)設(shè)計(jì)》 楊連生圖5-45）
尺寸的初步確定：
飛輪外徑＝（2.5~3.5）S=160~224mm 取=200mm；
輪緣厚度h=()=10~20mm取h=18.5mm
=-2h=163mm；
取 b=58mm；
飛輪的圓周速度：
v===37.7m/s
由于v50~80 m/s 因此選取的合格。
表4-1 不同缸數(shù)i四沖程發(fā)動機(jī)的扭矩不均勻系數(shù)和盈虧功系數(shù)
（《汽油機(jī)設(shè)計(jì)》 袁兆成 表6-1）
i
1
10~20
1.1~1.8
2
8~15
0.5~0.8
3~4
5~10
0.2~0.4
6
1.5~3.5
0.06~0.1
8
0.6~1.2
0.01~0.03
12
0.2~0.4
0.005~0.01
由任務(wù)給定的數(shù)據(jù)，選取各種相關(guān)系數(shù)：
運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)=；
飛輪轉(zhuǎn)動慣量占汽油機(jī)總轉(zhuǎn)動慣量的分?jǐn)?shù)=0.85；
盈虧功系數(shù)=1.5；
飛輪的轉(zhuǎn)動慣量：
= 0.5172802404（kg）
由初步確定的尺寸按5-2式可計(jì)算出飛輪的重量：
HT250的密度，取7.34
再由式5-3可計(jì)算出假設(shè)飛輪的轉(zhuǎn)動慣量：
=0.342663218（kg）
由于，所以，此飛輪合格。
4.3主軸承的設(shè)計(jì)
4.3.1軸承材料選定
（1）材料要求
1）有很高的機(jī)構(gòu)攻耐熱性。
2）有足夠的減摩性能，抗咬粘性、順應(yīng)性、嵌藏性。
3）有較好的耐蝕性。
4）瓦背與減摩層有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，不因剪切力和熱應(yīng)力而分層。
（2）常用軸承材料
白合金（巴氏合金）
1) 錫基白合金 該合金含銅3%~5%，含銻7%~12%，其余是錫。錫的主要目