小型风冷柴油机曲轴与活塞连杆设计

小型风冷柴油机曲轴与活塞连杆设计

摘要柴油机有着很广泛的作用，尤其在交通运输和工农业生产中有着广泛应用，柴油机关键零部件对发动机性能影响重大，因此对柴油机关键零部件进行设计以及校核是必不可少的。曲柄连杆机构在发动机中发挥着很大的用途，活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动就是通过该构件实现的，本文通过对其进行设计校核以满足生产和生活上的需求。

本文选取186F单缸风冷柴油机作为研究对象，对其关键零部件曲轴、活塞以及连杆进行讨论。本文主要从五个方面进行论述。第一部分引言主要是叙述海内外的研究近况；第二部分的内容主要是活塞、曲轴、连杆的工作条件分析和提高各零件强度的措施；第三部分是各零部件的强度校验；第四部分是利用ANSYS对曲轴进行疲劳强度分析；最后就是总结、分析本篇论文的内容等。

在对曲轴、活塞、连杆进行校核之前还需要进行一部分的动力学计算，以确定在计算过程中所需要的一些力和力矩，设计过程中还要能根据机械手册、内燃机书籍等其他资料查出计算中所需要的参数、许用力等。除此之外还要结合图纸得到所需尺寸。最终完成关键零部件的强度计算和校验。在对活塞曲轴连杆校核中，关键部位的校核都合格，在用ANSYS对曲轴进行疲劳校核时发现最大应力发生在左右两端的轴肩处，最大值为56.7MPa；曲轴与连杆接触处最容易发生形变，形变最大量为0.015mm；由寿命分布图可知曲轴是安全的。通过这些设计,对活塞连杆曲轴提供基础数据并指明了研究方向。

关键词：活塞；曲轴；连杆；强度计算；ANSYS

Design of crankshaft and piston and connecting rod for small air cooled diesel engine

Abstract Diesel engine has a relatively wide range of applications in the transportation and industrial and agricultural production, the key components of the engine has a great influence in the engine performance, so the design and strength checking to the key components of diesel engine is essential. The crank link mechanism is the main force part of the engine components, through the mechanism，the reciprocating motion of the piston change into the rotary motion of the crankshaft, and through its design check to meet the production and life needs.

In this paper, 186F small air-cooled diesel engine is selected as the research object, and its key parts crankshaft, piston and connecting rod are designed. This article mainly includes five parts. The first part mainly discusses the research status at home and abroad The second part mainly includes the piston, crankshaft, connecting rod working conditions analysis and the measures to improve the strength; the third part is the calculation and verification to these parts ; The fourth part is the use of ANSYS to analyze the crankshaft fatigue strength ; the last part is the analysis to the design content.

Before the calibration of the crankshaft, piston, connecting rods, a certain part of the kinetic calculation is required to determine the force and torque that required in the calculation process. In addition we should use the drawings to get the required size. And at last , complete the key components of the strength calculation and verification.In the piston crankshaft link check, the key parts of the check are qualified,and it can found that the maximum stress occurred in the left and right ends of the shoulder, the maximum value is 56.7MPa.The maximum deformation occurs at the crankshaft and rod contact.By the life profile,we can know that the crankshaft is safe.

Key words: Piston; Crankshaft; Connecting rod; Strength calculation; ANSYS

1引言 1

1.1研究背景 1

1.2国内外发展现状 1

1.2.1国外柴油机发展现状 1

1.2.2我国小型风冷柴油机发展现状 1

1.2.3小型风冷柴油机曲柄连杆机构设计要点 2

1.3课题研究内容 2

1.4课题研究方法 3

1.5课题研究意义与目的 3

2活塞、连杆、曲轴的工作条件、故障形式、提高寿命措施 4

2.1活塞 4

2.1.1活塞的工作条件 4

2.1.2 活塞的故障形式 4

2.1.3提高活塞寿命的措施 4

2.2连杆 6

2.2.1连杆的工作条件 6

2.2.2连杆的故障形式 6

2.2.3提高连杆寿命的措施 6

2.3 曲轴 8

2.3.1曲轴的工作条件 8

2.3.2曲轴的故障形式 8

2.3.3提高曲轴寿命的措施 9

2.4 本章小结 11

3 活塞、连杆、曲轴的强度计算以及校核 12

3.1 186F的基本参数 12

3.2 186F活塞强度计算和校核 12

3.2.1 已知条件 12

3.2.2 第一环岸强度校核 13

3.2.3活塞销座比压 q1估算 14

3.2.4裙部比压校核 14

3.2.5活塞销强度校核 14

3.3 186F连杆强度计算与校核 16

3.3.1连杆小头强度计算与校核 16

3.3.2连杆杆身的强度计算和校核 17

3.3.3连杆大头的强度计算和校核 18

3.4 186F曲轴的强度计算和校核 18

3.4.1连杆轴颈的强度计算和校核 18

3.4.2曲轴的静力计算 19

3.4.3 曲柄的应力校核 20

3.4.4 曲轴疲劳强度校核 20

3.5 本章小结 21

4 基于ANSYS的曲轴疲劳强度分析 23

4.1 将CAD绘制的曲轴二维图形导入ANSYS 23

4.2 曲轴实体模型的建立 24

4.3 载荷处理 24

4.4 边界约束条件 25

4.4.1 位移边界条件 25

4.4.2 载荷边界条件 25

4.5计算结果 26

4.5.1 有限元图 26

4.5.2 固定约束图 27

4.5.3 施加拉力图 27

4.5.6求解结果 27

4.6 本章小结 29

全文总结 30

致谢 31

参考文献 32

1引言

1.1研究背景

柴油机比汽油机热效率高，燃油经济性都更好，但也导致柴油机燃烧过程过于粗暴，零部件的摩擦磨损更为严重，因此对零部件具有更高的要求，再者从环保角度考虑柴油发动机应考虑以清洁能源作为燃料减少排放中的污染物，但这对柴油机零部件的材质、性能、结构也要求更高，故此对柴油机的零件强度校核应更加严谨。

曲柄连杆机构是发动机中不可或缺的一部分，对发动机使用性能起着重要的影响，很大程度上决定了发动机可以使用的年限。而且随着内燃机的发展与强化，曲轴、活塞以及连杆上各个关键部位承受的载荷也更加复杂，他们的工作条件、工作环境也越来越差。因此在设计过程中，要选择合理的尺寸外形、结构布置、材料、制造工艺等，以保证有足够的强度和刚度来承受较高的摩擦磨损并且使实际经济效益实现最大化。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外柴油机发展现状

柴油机烟度和噪声问题为各国困扰，但国外在这两方面已经取得很大的突破。国外柴油机使用了很多前沿技术：（1）共轨与四气门技术即用涡轮增压中冷技术，共轨新技术和四气门技术相结合, 发动机性能得到较好的提高，废气污染物的排放也会降低；（2）高压喷射和电控喷射技术是使燃油充分雾化, 气缸内空气燃油混合达到最佳比例；（3）增压中冷技术提高进入燃烧室的空气量, 很好地改进发动机的燃烧；（4）排气再循环( E G R )技术的应用是将少量废气得到再次利用降低废气量,并能抑制NOx的生成；（5）后处理技术；（6）柴油；（7）使用乳化柴油，降低废气的排放，提高性能;（8）降低机油消耗[1]。以上内容也为此后设计与研究提供了新的思绪与方法。

风冷柴油机冷却系统很简单，没有水泵、水箱以及复杂的管路，便于携带，也更加环保节能，适用于比较缺水的高原、丘陵等地区。因为它的节能性、环保性使其在国内外市场上成为比较热门的产品[2]。

国外工业发达的国家对风冷柴油机研究的热潮还没有褪去，他们不断改进其结构和材质，致力于降低燃油消耗率，提高尾气性能排放水平。

1.2.2我国小型风冷柴油机发展现状

在我们国家，体型小、质量小、运转稳定、对环境危害小的风冷柴油机是农业、林业、牧业等使用的机械的理想配套动力。

风冷柴油机传热系数是水冷的左右，有些部位散热困难导致较高的热负荷。而且风冷柴油机气缸盖温度较高，进气时进入气缸内的混合气被加热，因而充量系数低于水冷5%左右。平均有效压力和升功率也较低[3]。所以，对于风冷柴油机的研发我国还有很大的发展和提升的空间。

近年来，我国也紧跟国外改良内燃机的热潮，提高了整机的性能，但离国际水平还相差甚远。但随着计算机的发展以及一些ANSYS有限元软件的应用为优化设计提供了许多便利，使很多不可能的事成为了可能，内燃机的发展也越来越迅速。此外随着工业文明的进步，人们对发动机使用性能要求、排放方面要求越来越多，希望其能在高速环境下稳定运行，又希望它的寿命更长一些，所以对于提高发动机零部件的性能以满足人们的希冀我们还有很长的一段路要走。

1.2.3小型风冷柴油机曲柄连杆机构设计要点

曲柄连杆机构是的主要运转和传力构件，对内燃机性能有很大的影响，所以要求曲柄连杆机构高性能、轻量化、低成本。因此像活塞这些零部件应该选择质量较轻、强度较高、价格较低、较易加工的材料。除此之外，还需要对零部件进行动力学计算、组件强度的计算和校验以保证足够的结构强度，并对机构运动进行仿真得到机构主要的动力学参数，最终依据机构主要的动力学参数进行必要的分析以及优化设计，才能完整的完成一个的风冷柴油机的设计[4]。

1.3课题研究内容

本课题选用的是186F小型风冷柴油机作为研究对象，主要是对曲柄连杆机构中的主要零部件包括活塞里的活塞销、曲轴里过渡圆角处、连杆杆身等部位进行研究。

曲轴部分：先选择最不利的使用工况即转动周期最短和受扭转力最大的时候作为校核依据工况，曲轴部分的校核主要内容包括主轴颈、曲柄臂、曲柄销的强度计算，此外还包括安全系数计算和校验。还要运用Auto CAD绘制曲轴零件图，并使用ANSYS分析软件进行有限元分析。

活塞连杆部分：由于活塞运动是周期性运动所以最大速度和最大加速度非常好找，可以通过动力学计算得到。活塞连杆部分的校验主要内容是通过对活塞、连杆部分的强度计算和校验以及各零件材料的合理选择，以此提高活塞连杆组的强度，延长零件的使用寿命，从材料或结构方面降低成本，故本课题在内燃机的设计中有着重要意义。

1.4课题研究方法

本文选用186F小型风冷柴油机作为讨论和校验对象，对柴油机的曲轴、活塞、连杆从材料、故障形式到工艺措施等一一进行说明，并进行强度计算及对曲轴进行安全系数的校核，校验所各项设计的数据是否符合设计规范。利用Auto CAD绘制186F曲轴图并将曲轴二维模型导入ANSYS分析软件，用其前处理器进行网格划分，生成有限元模型。

1.5课题研究意义与目的

本课题对186F小型单缸风冷柴油机的关键零部件进行强度计算与校核，充分说明了各零部件结构尺寸以及材质对机构运行安全的重要意义，了解了许多关于柴油机设计的重点，积累了小型风冷柴油机设计方面的相关知识，也加深了四年来所学知识的理解，为日后的设计提供了宝贵的经验。

此外，通过对这些零部件的校核，也能将大学里所学的知识进行一次梳理，增强了我们发现、分析、解决问题的能力，也让这些知识落实到生产中而不是只出现在课本里。

全文总结

小型风冷柴油机应用在越来越多的地方，对于它的研究和改良也有很多。柴油机的曲柄连杆机构是内燃机中比较重要的机构，而随着发动机工作环境的愈来愈恶劣，工作条件的愈来愈苛刻，人们对于曲轴、活塞、连杆的研究也一直在进行。所以本文就对186F小型风冷柴油机的活塞曲轴连杆进行了分析以及强度计算，论文研究的主要结论如下：

（1）了解内燃机设计的基本要求、运作流程，以及各零部件设计的要求、步骤、计

算方法、校核方法；

（2）对186F柴油机各零部件的工作条件、易发生故障和提高零件寿命的措施详细

的进行介绍，清楚地反映了各部件承受载荷的情况、各部件容易发生故障的部位以及具体的措施包括选材到选择每个零部件结构形式布置以及一些工艺措施等方面；

（3）对活塞连杆曲轴进行强度计算和校核，对于活塞来说主要就是对活塞销进行强度校核；对于连杆来说主要是对连杆杆身进行校核；而对于曲轴来说除了对曲轴进行静力计算还要对轴颈与曲柄臂处的过渡圆角进行安全系数的校核；最后校核结果都是合格；

（4）运用ANSYS软件对曲轴进行疲劳强度的计算，发现轴颈与曲柄臂过渡圆角处的应力分布最不均匀，最容易发生疲劳破坏，最大值为0.015mm，由寿命分布图可知曲轴是安全的。

通过以上的研究工作，我们发现小型风冷柴油机有着自身的优点，了解了小型风冷柴油机曲轴、活塞、连杆的大致内容，也清楚该对哪些重要部件进行校核以及如何计算，最后也简单地熟悉了ANSYS的一些操作方法，了解了它的强大功能，及在零件设计中的重要地位，为今后小型风冷柴油机的改进和进一步研究奠定了基础。

参考文献

[1] 张泽雷. 国内外柴油机技术发展及车辆新技术应用[c]. 中国交通教育研究会.2008年度交通教育科学优秀论文集. 北京：人民交通出版社，2008：673-680.

[2] 倪科, 于帅, 朱俊生. 立式单缸风冷柴油机市场分析[J]. 农业机械,2011(9):24-30.

[3] 唐维新,杨建华.小型风冷柴油机研制中的几项关键技术[J].内燃机工程,2003，24(2)：22-24.

[4] 王吉忠，刘福平，杨俊杰.柴油机曲柄连杆机构动力学分析[J].机械工程师,2013（11）： 72-73.

[5] Yaohui Lu&Zhang Xing&Xiang Penglin.Analysis of thermal temperature field and thermal stress under steady temperature field of diesel engine piston[J].Applied ThermalEngineering 2017，113:796-812.

[6] 吕彩琴,苏铁熊,赵振峰.柴油机活塞在复杂载荷条件下的强度研究[J].车辆与动力技术，2009(2):31-36.

[7] 王凯, 周娜,苏铁熊,等 .柴油机活塞设计分析及强度校核研究 [J]. 内燃机与配件,2013 (1):10-14.

[8] Junchao Zhu,&Zhu Hanhua & Fan Shidong.A study on the influence of oil film lubrication to the strength of engine connecting rod components[J].Engineering Failure Analysis,2016, 63:94-105.

[9] 叶年业, 申立中, 毕玉华,等. 490QBZL柴油机连杆强度与刚度分析[J]. 内燃机与动力装置, 2007（3）:1-4.

[10] 王明强, 朱彤. 应用ANSYS概率有限元法的连杆结构强度可靠性分析[J].现代制造工程, 2008（3）：54-57.

[11] Pandey R.K.Failure of diesel-engine crankshafts[J].Engineering Failure Analysis,2003，10:165-175.

[12] Zhiwei Yu&Xu Xiaolei . Failure analysis of a diesel engine crankshaft[J] . Engineering Failure Analysis, 2005，12:487-495.

[13] Wei Li ,&Yan Qing&Xue Jianhua. Analysis of a crankshaft fatigue failure[J]. Engineering Failure Analysis, 2015，55:139-147.

[14] 丁宇.柴油机曲轴性能分析及曲轴强度计算方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2006：86.

[15] 迟志伟，宋希庚，薛冬新,等. 基于Ansys的6110柴油机曲轴有限元分析[J]. 小型内燃机与摩托车, 2009，38（3）：1-4.

[16] 许岩．基于纳什均衡的管理者薪酬分析[J].会计之友,2008,( 3) : 96 － 97．