发动机连杆设计

发动机连杆设计

（一）主要内容：

本课题分析发动机连杆的工作环境和工作原理，参考当前研发人员的现有成果，对发动机连杆的材料进行选型，对连杆的结构尺寸进行设计和校核，分析当前连杆的加工需求设计连杆的加工工艺流程。

（二）拟解决的主要问题：

1.发动机连杆的工作原理分析；

2.发动机连杆的材料和尺寸设计校核；

3.发动机连杆的生产加工工艺设计；

（三）预期目标：

根据连杆的工作要求设计连杆，获得汽车连杆机构的材料选型已经设计说明，最终完成连杆的三维模型和二维加工图纸，结合现有的连杆加工工艺和本文所设计的连杆的结构材料特性设计连杆的生产工艺流程

（四）研究步骤

本课题的工作步骤分为四个阶段：

第一阶段：查阅文献，市场调研、收集资料、确定课题方案，完成开题报告；

第二阶段：研究连杆工作原理工作要求，设计发动机连杆机构并校核；

第三阶段：发动机连杆的生产加工工艺流程图；

第四阶段：整理技术资料，完成毕业设计论文及答辩。

（五）工作方法及措施：

工作方法：本课题主要采用测绘法。

措施：通过测绘了解前人对发动机连杆机构设计的成果和加工工艺方法，结合新需求和材料对本文的发动机连杆机构进行结构设计和工艺设计。

第一章前言 10

1.1 论文的背景与研究意义 10

1.2 连杆制造发展趋势 12

1.3 连杆的设计方法分析 12

第二章连杆的分析和设计要点 14

2.1 连杆的工作条件 14

2.2 连杆的运动分析 14

2.3 连杆的受力分析 14

2.4 连杆的结构分析 15

2.5 连杆的材料性能及特点 16

2.6 连杆设计要点 16

第三章连杆的设计及强度校核 17

3.1连杆长度的确定 17

3.2 连杆小头的结构设计与强度效核 18

3.3 连杆大头的结构设计及强度效核 20

3.4 杆身的设计及强度效核 22

3.5 连杆的螺栓 23

第四章连杆的生产工艺流程 25

4.1 连杆的机械加工工艺过程分析 25

4.2 连杆的加工生产工艺流程 25

第五章总结 27

结束语 28

参考文献： 29

致谢 30

附件1 30

附件2 31

第一章前言

1.1 论文的背景与研究意义

城镇人口的增加，居民收入的增长，地方道路的建设等等，给我国人民带来了更多的交通出行的机会，而汽车越来越成为普遍的交通工具了，人民无论是工作出行还是自驾游等等都选择了汽车，就我国而言，人均拥有汽车1/9，即九个普通人中就有一人是拥有汽车的，庞大的用户需求，带动着汽车行业磅礴的发展，生产效率越来越高，设计研发水平也是日新月异，不仅在汽车的安全可靠方面较大提升，其尾气的处理等环保技术也慢慢增强，而汽车的动力这一永恒追求的指标，随着技术的进步发展也拥有了显著的提升。汽车的动力来源于汽车的发电机，汽车的发动机中最重要的核心部件之一就是发动机的连杆，在密闭的发电机中，连杆是完成热能到机械能转换的重要一环，由于发动机内部每次的活塞运动都是推动连杆的，所以连杆在工作的过程中所受的应力周期性的剧烈变化，再加上活塞的高速运动，致使连杆也受到非常大的惯性力，这些因素都会致使发动机连杆发生一些变化，对连杆的外形和内部结构都造成很大的考验，当连杆出现问题的时候，就会破坏发动机的密闭性，对发动机来说也就效率更加低了，所以对发动机连杆的设计是实现发动机良好性能的重要因素之一。

发动机的连杆是由大头和小头组成的，两者一般是在螺栓的连接下在发动机内部做周期性的运动，由于发机器内部燃烧室的工作环境，所以发动机的连杆在发动机工作的过程中就会承受着较大应力和应变。对于发动机连杆本身来说，其两个部分的运动方式也是不同的，发动机连杆的小头是随着活塞做活塞运动的，发动机连杆的大头是绕其自身中心做旋转运动的，所以发动机连杆的运动形式就是活塞运动和旋转运动的协同组合。在设计发动机连杆的时候必须考虑发动机连杆的运动形式，依次为依据来对发动机的强度校核。一台发动机的寿命是有一定要求的，而发动机连杆的工作环境也要求其使用寿命得到较长的保证。而发动机连杆主要是由于其长时间反复的运动产生金属疲劳造成的，反复变动的载荷使得发动机连杆容易发生断裂和变形磨损。所以在进行连杆设计的时候必须对其受力和结构进行分析。

发动机连杆的国内外现状分析

发动机连杆主要是由发动机连杆大头、小头和连接螺栓组成，其主要的作用是连接发动机内的活塞的直线往复式的和传递给曲轴的旋转运动。再次过程中发动机连杆不仅被活塞的气体压力作用着，发动机连杆自身在随着活塞往复运动的过程中也会产生较大的惯性，这些都是对发动机连杆的考验，这些力都不是固定不变的，其大小方向随着发动机的运转时刻都在变化着。

由上可知发动机连杆的工作受力和运动都是非常复杂的，所以发动机连杆的故障一般如下所示：

1)发动机的连杆与活塞连接在一起做往复运动，与活塞连接的地方容易开裂和烧融

2)连杆小头与活塞、大头与曲轴连接处发生形变。

3)发动机连杆扭曲导致的大头和小头发生错位。

连杆材料的现状及发展趋势

为了追求发动机的更好性能，其主要部件之一发动机连杆不仅在强度和成本上进行着优化，最重要的是要对其进行轻量化，这也是我国发动机和国外的发动机的差距所在，因为我国发动机中的连杆的轻量化还处于起步阶段。因为发动机的工作原理和工作环境，所以在发动机的连杆不仅要超高的耐疲劳，同时还需要保持不变形等等，也就是说发动机连杆的力学性能和工艺性能都有较高的要求，实现这种要求的目前来说，市场上使用较多的是碳素或合金调质钢这两种。

近些年来，发动机技术飞速的发展，对于发动机生产商的竞争是多方面的，所以更少的机械加工工序和在满足工艺需要的情况下改善其材质成了各个生产商的一个重要的竞争点，结合发动机连杆的分界技术等新的结构，目前对发动机连杆材料的选用主要有一下几种：

1)如上所述，碳素和合金这两种调质钢是比较常见的，前者主要是适用于小功率的发动机，后者适用于大功率的发动机的比较多一些。

2)将中碳钢中添加微合金元素，在其进行轧制或锻造的时候延长其冷却的时间，使得材料有足够的时间来析出碳和氮，以此实现材料的强化。

3)使用粉末冶金法来制造连杆

4) 钦合金的性能不比钢铁差，其密度却是钢铁的一半多一点，所以在汽车发动机的制造过程中，也是其连杆材料的一种重要选择。

1.2 连杆制造发展趋势

科技的进步，市场的需求都是汽车产业发展的动力因素，汽车生产厂家的增多，技术的革新速度加快，对于每一个汽车制造商来说竞争无时无刻不在，所以对于汽车的质量和成本等因素都是重要的提升竞争力的方式。落后的生产和加工方式已经跟不上时代的进步和市场的要求，新的加工工艺新的管理方式新的材料等等使用当前最新的科技成果是制造商保持竞争力的重要方法，所以当前发动机的连杆的设计就是在分析其工作条件和运动受力等方面进行其结构设计，结合当前的新材料和新的加工工艺方法等等对连杆的制造使得性能更优，成本更低，效率更高。

1.3 连杆的设计方法分析

目前市场上发动机的设计趋势是使用较短的连杆，内燃机的速度影响着连杆的长度，发动机的曲轴销的直径限制着连杆的大头，连杆的大头采用平切口，曲轴销的直径与大头直径的比值一般是0.65~ 0.68，大于上限的时候就必须选用斜视的切口，这就是大头的一般设计方式，对于小头来说，主要是采用楔形结构，主要是为了使得大头小头宽度的尺寸保证，但是这种方法的加工工艺十分繁琐，成本也比较高，发动机连杆的杆身主要是工字型的界面，为了减少应力的集中和保持较好的刚度，就增大连接处的圆弧度，同时还能给杆身的锻造降低了要求。

由上文所述，连杆的设计是有强度和疲劳度限制的，不能抗疲劳，杆身会容易发生断裂，造成整个发动机的损坏，不能保证号的刚度，大头连接处就会发生变形，值得连杆进一步的发生扭曲，最终使得发动机损坏。发动机的连杆是随着活塞告诉运转着的，所以要尽可能的轻量化，在连杆材料和结构尺寸这些方面都是需要综合考虑的。在此基础上，还要对考虑到期加工难度，增加连杆过渡区域的尽量为圆角，减少应力集中，当然这些考虑都是基于连杆满足使用要求的基础上的。近些年来计算机技术的发展，使得连杆的设计更加高效科学，使用CAD可以高效的完成产品的设计，CAM技术还能绘制连杆的运动轨迹图，减少了研发费用缩短了研发时间。有限元技术更是对产品性能的分析带来了极大的方便，减少了不必要的实验，通过计算机就可以分析出设计产品的近似性能，也提高了设计精度。

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