曲轴设计-毕业设计开题报告

中北大学毕业设计开题报告学生姓名：学号：学院、系：专业：设计题目：492QA发动机曲轴的结构设计及强度分析指导教师:教授2012年03月01日毕业设计开题报告1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述1.1发动机的发展简历蒸汽发动机1765年英国人詹姆斯-瓦特制成了世界上第一台实用的蒸气发动机(外燃机)，较好地解决了从热能到机械能的转换。该蒸气发动机具有效率高、重量轻等优点，并于l769年制造成了世界上第一辆蒸气机汽车。煤气发动机1858年定居法国巴黎的里诺发明了煤气发动机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等，已经初步具备了现代发动机的基本雏形，是内燃机的初级产品，为现代汽车发动机的出现打下了结构设计方面的基础。四冲程理论法国工程师德罗沙1862年提出了著名的等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。1876年，德国人奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为2.21KW、180r/min）。在这部发动机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了气缸盖，使混合气充分形成。这是一部非常成功的发动机，奥托把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体，使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点。在1878年巴黎万国博览会上,被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。等容燃烧四冲程循环由奥托实现,也被称为奥托循环。汽油发动机1886年1月29日，德国人奥姆勒和卡尔.本茨在里诺卧式气压煤气发动机以及四冲程理论的基础上制造出了第一台汽油发动机，使汽车正式进入汽油动力时代，1886年卡尔·本茨制造出世界上第一辆以汽油为动力的三轮汽车。该车已具备了现代汽车的一些基本特点,如电点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬挂、后轮驱动、前轮转向和掣动手把等。其齿轮齿条转向器是现代汽车转向器的鼻祖。柴油发动机柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。它是由德国发明家鲁道夫·狄塞尔于1892年发明的，柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。转子发动机现代汽车的进一步丰富。1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。转子发动机直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，转子发动机取消了无用的直线运动，因而同样功率的转子发动机尺寸较小，重量较轻，而且振动和噪声较低，具有较大优势。[1][2]汽车曲柄连杆机构是属于汽车发动机部分的一大机构。主要由：曲轴，连杆，活塞组成的，作用就是把燃油燃烧的膨胀能量转化为机械能。工作原理就是：燃料燃烧后的能量推动活塞上下运动，再由连杆带动曲轴作圆周运动。曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。[3]曲轴为引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈，。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑．曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个机械系统的源动力。曲轴是汽车发动机的关键零件之一,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命。曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，与驱动汽车车轮转动。曲柄连杆机构由活塞组，连杆组和曲轴飞轮组的零件组成。[1][4]1.1曲柄连杆机构运动学分析概述曲柄连杆机构的作用就是把活塞的上下直线运动改变成曲轴的圆周运动活塞组、连杆小头：上下往复运动；连杆大头、杆身、连杆盖：主要做左右摆动，同时伴有上下往复运动；曲轴、飞轮：主要做旋转运动。以上各零部件均是做变速运动、周期性的。活塞在上、下止点位置时速度为零，加速度最大。活塞在行程中的速度是变化的，从上止点往下止点运动时，上半行程是加速运动，后半行程是减速运动。同理，下半行程到上半行程也如此。[1][3][4][5]1.3曲柄连杆机构动力学分析概述受力类型：气压力、惯性力、摩擦力。气体作用力（主要）作功行程：Fp气压力分解为Fp1和Fp2：Fp2：垂直于缸壁，使活塞与缸壁之间产生侧压力。Fp1：沿着连杆方向，作用在曲柄销上。Fp1继续分解为：Fr：沿着曲柄方向；Fs：为曲柄垂直方向，对曲轴产生一有用力矩：T＝S*R压缩行程：Fp'分解为Fp’1和Fp’2：Fp’2：垂直于缸壁，使活塞与缸壁之间产生侧压力。Fp’1：沿着连杆方向，作用在曲柄销上。Fp’1：继续分解为：Fr’：沿着曲柄方向；Fs’：为曲柄垂直方向，对曲轴产生一阻力矩惯性力（主要）往复惯性力：活塞从上止点到下止点：前半行程：加速度方向向下，往复惯性力方向向上。后半行程：加速度方向向上，往复惯性力方向向下；活塞从下止点到上止点：前半行程：加速度方向向上，往复惯性力方向向下。后半行程：加速度方向向下，往复惯性力方向向上。往复惯性力使发动机产生上下震动。离心力：Fcy：始终与往复惯性力的方向一致，加剧了发动机的上下震动。Fcx：使发动机产生水平方向的震动。摩擦力:曲柄连杆机构中互相接触表面作相对运动时，存在摩擦力。摩擦力大小与摩擦系数、正压力有关，方向与活塞运动方向相反。因为较小，故分析时忽略.[1][6][7]1.4曲轴的结构分析1.4.1作用：承受连杆传来的力，并将此力转换成绕其自身的轴线的力矩。1.4.2结构：前端：正时齿轮、正时链轮、皮带轮端；车用发动机还装有曲轴扭转减震器、启动爪（中、小发动机）。后端：飞轮端（功率输出端）。曲轴轴颈、曲柄（臂）、曲柄销（连杆轴颈）、平衡重等。1.4.3类型按照结构分：整体式和组合式。整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、刚度、强度较高、加工表面较少的特点，中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。组合式曲轴：当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，采用整体式结构将导致加工非常困难，可采用组合式结构。小型单缸发动机也有采用。按照支承形式分：全支承和非非全支承曲轴.全支承曲轴:优点是曲轴刚性好，不易弯曲，缺点是缸心距加大，机体加长，制造成本增加。柴油机多用全支承曲轴。非全支承曲轴:用于中小功率的汽油机1.4.4连杆轴颈（曲柄销）一般采用空心轴颈。连杆轴颈的润滑依靠与主轴颈之间的斜油道来润滑。1.4.5曲柄（臂）和平衡重曲柄臂：多采用椭圆形。衡重：减轻主轴颈负荷；减轻曲轴的内力矩，平衡发动机不平衡的离心力矩，一般不平衡往复惯性力。1.4.6工作条件及材料工作条件：是高速旋转件，承受弯曲和扭转载荷。材料要求：刚度、强度、耐磨性要好。材料：中碳钢（45＃）或中碳合金钢（40Cr等）强化机：稀土球墨铸铁。但刚性差，所以曲轴支承要求较高。另外，曲轴支承受力处都必须进行耐磨处理，消除应力集中。1.4.7BJ492QA是一款汽油发动机的型号四缸、直列、四冲程、缸径92mm、水冷、汽车用，区分符号A表示变型产品，该型号一般为全支撑整体式铸铁曲轴。全支承曲轴刚性好，不易弯曲；整体式曲轴工作可靠、重量轻、刚度、强度较高、加工表面较少；球墨铸铁价【格便宜，耐磨性能好，轴颈不需硬化处理，同时金属消耗量少，机械加工量也少。[1][8]1.5国内外曲柄连杆机构及曲轴设计的发展趋势国内外曲柄连杆机构三大组成部分还是没有变。现在还是应用于内燃机领域，像五大机构两大系统或者六大机构两大系统这样的差别没什么实际意义。曲柄连杆机构从数量发面发展，如双曲柄连杆机构以至于以后的多连杆机构。目前，车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。至于新的发展趋势，曲轴应该是材料方面的改进，比如碳材质的，高速、高效加工在曲轴制造业已有相当程度的应用，并成为主要发展方向，相信曲轴制造技术在将来会有更新、更快的发展。还有从数量发面发展，如果双曲柄连杆机构以至于以后的多连杆机构。[9][10]1.6本次毕业设计的任务1．掌握曲轴各零部件的结构、功用和作用原理；2．对492QA发动机曲柄连杆机构进行运动学动力学分析；3．以492QA发动机为例，对曲轴组的工作载荷进行计算和分析；4．对492QA发动机曲轴进行结构设计和强度校核；5.计算机绘制出零件图，图纸绘制必须符合国家标准；参考文献[1]吉林大学汽车工程系.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2006.2-6，40,73-80[2]关文达，汽车构造（第2版）.北京：清华大学出版社，2009[3]袁兆成.内燃机设计机械工业出版社，2008.26-30[4]赵丽英.内燃机曲柄连杆机构动力学研究.硕士学位论文.天津：天津大学出版社，2004[5]王晓云.曲柄连杆机构动力学分析与设计系统研究.硕士学位论文.西安：西安建筑科技大学出版社，2006[6]束永平，夏长高.汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析.东华大学学报，2005,31（6）：27-30[7]成伟华.汽车概论.重庆：重庆大学出版社，2008.12-19[8]凌凯.汽车原理.北京：北京邮电大学出版社.2005[9]韩凤麟.汽车发动机连杆发展趋向.MC现代汽车零部件，2006，6:48-54[10]房志军.LJ377MV汽油机曲柄连杆机构的设计与有限元分析.硕士学位论文.武汉：华中科技大学出版社，2005[11]王望予.汽车设计（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2005[12]余志生.汽车理论（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2000[13]李瑞琴.机械原理[M].北京：国防工业出版社.2008[7][14]顾柏良等译.BOSCH汽车工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，2004[15]濮良贵,纪名刚主编.机械设计（第八版）[M]．高等教育出版社．2007[16]吴宗泽、罗圣国.机械设计课程设计手册[M].高等教育出版社.2006毕业设计开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1本课题要研究或解决的问题1.完成492QA发动机曲柄连杆机构进行运动学动力学分析和曲轴组的工作载荷的计算和分析；2.对492QA发动机曲轴的主轴颈、连杆轴颈、曲柄臂、润滑油通道、平衡重及曲轴两端等进行结构设计3.完成492QA发动机曲轴的强度分析，并用计算机绘制出零件图；2.2拟采取的研究方法2.2.1文献研究法文献研究法是根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。其作用有：①能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。②能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。③能得到现实资料的比较资料。④有助于了解事物的全貌。2.2.2传统的内燃机工作机构运动学、动力学分析方法主要有图解法和解析法。现代设计理论和方法是动态发展的，从狭义来说是为设计而建立的各种数学模型及求解这些模型的技术。它在内燃机产品设计中应用的范围十分广泛，主要有优化设计、有限元分析、计算机辅助设计、多刚体动力学分析、计算机辅助工程热力学分析等。2.2.3曲轴设计在选定曲轴材料、毛坯制造及其基本结构型式后，便从单位曲拐（包括主轴颈、曲柄销和曲柄等主要部分）着手确定主要尺寸和结构细节。曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴的设计不能孤立地进行。曲轴长度方向的尺寸基本上取决于缸心距L0。并列连杆式V型发动机的L0主要决定于轴承负荷。所以，曲轴的基本尺寸大多根据发动机的总体布置来考虑。曲轴是静不定的多支承空间连续梁，曲