汽车发动机曲柄连杆机构特点及优化设计
2017年11月13日 13:50 作者:郭思敏【摘要】汽车发动机的曲柄连杆机构作为汽车发动机的主要机构，对汽车的动力传递发挥着极为重要的作用，汽车发动机是汽车的动力源，了解其主要构成特点及工作原理，对其进行合理的优化设计，可有效提高传动的效率，确保传动的稳定性。本文主要通过介绍汽车发动机曲柄连杆机构的特点，阐述其设计要求及工作原理，为汽车发动机曲柄连杆机构的优化设计提供重要依据。
【关键词】发动机；曲柄连杆机构；特点；优化设计
曲柄连杆机构是汽车发动机的重要组成部分，主要由活塞组、连杆组和曲轴组。其中活塞组的作用主要是可通过活塞将燃气的推理传递给连杆，连杆组的作用主要是可改变所传递运动的形式，可将活塞的往复运动传递给曲轴的旋转运动，而曲轴组可将多余的能量存储到飞轮中，从而为汽车提供行驶过程中所需的动力，进而确保其稳定工作[1]。目前，由于汽车行业的生产效率及产品质量不断提高，优化设计已进入市场，通过对曲柄连杆机构进行结构优化设计，可有效降低生产成本，提高生产效率及企业竞争力。因此，本文主要以汽车发动机曲柄连杆机构为研究对象，根据其特点分析对其进行结构优化设计。
1 曲柄连杆机构特点及优化设计
曲柄连杆机构是发动机完成能量转换，以实现工作有效循环的重要装置，可将燃料燃烧过程中所产生的热能通过活塞和曲轴的往复运动及旋转运动转变为机械能，并为汽车提供行驶所需的动力。汽车发动机曲柄连杆机构的优化设计应具有使用性、动力性、环境性、结构紧凑性、燃料经济性、可靠性等要求[2]。在进行结构优化设计时，首先应分析主要零部件的特点，并了解零部件的要求，然后对发动机曲柄连杆机构的材料进行选择，最后确定零部件的主要尺寸，并对其刚度进行校核。
1.1活塞的结构优化设计
活塞主要是由顶部、头部和裙部组成的。主要的工作原理是在高温、高压的条件下，作高速往复直线运动的，其工作条件比较恶劣，要在这种恶劣的环境下进行工作，必须具有以下几点结构：①活塞头部的外面有四道环形槽。②活塞的裙部在活塞往复运动时起导向作用。③活塞的顶部外表面应设计成凹面，使燃烧室内的气体形成涡流，从而使燃料能更充分的燃烧。④活塞裙部应设计成鼓形，裙部的横截面设计成圆形。
1.1.1活塞的载荷
活塞主要的载荷有以下几点：①具有很大的机械载荷。在发动机工作中，由于发动机的转速不断提高，可增大活塞的往复运动。由于发动机的加速度较大，可使活塞在运动过程中产生较大的惯性力。因而对于汽车发动机曲柄连杆机构而言，具有很大的冲击作用。②具有较高的热载荷。在内燃机工作中，燃气的最高温度通常可达2000℃，其温度很高的原因主要是活塞顶是直接和燃气接触的，除此之外，还有摩擦生成的热量[3]。内燃机活塞温度状况和内燃机的类型、功率大小及材料等因素有关。
1.1.2活塞的优化设计要点
活塞是由顶部、头部和裙部组成的，主要有以下几点设计要点：①为减少汽车的热负荷，通常应减少活塞的受热面积。因此，大部分的汽车发动机的活塞顶部为平顶结构。可采用凹顶活塞，以调节汽车发动机的压缩比；可采用凸顶活塞，以提高汽车发动机的压缩比及动力性能。汽车发动机活塞顶部可渡上陶瓷，不锈钢等，以减少汽车发动机活塞顶部的热负荷。②活塞头部通常安装有三道环，分为为上、下气环及油环，气环和气缸壁接触，可有效保证活塞上的热量能有效传递到气缸壁上，以减少活塞的热负荷。而气环还可保证气体不下窜，是气缸具有密封性，以防止机油燃烧产生爆震。油环具有密封的作用，同时还可有效清除气缸壁上多余的机油。由于汽车发动机活塞的上气环热量较高，易于损坏，从而是发动机的寿命减少，因此，在发动机上气环上方通常设置一道隔热槽，使更多的热量传递到下面的环上，从而达到减少热负荷的目的。为有效保证传热的稳定性与均匀性，应将活塞环槽的断面设计得比较圆滑，以提高发动机的使用寿命[4]。③活塞裙部可对活塞具有较好的导向作用。活塞群补应与气缸壁有合理均匀的间隙。若间隙过大，可增大发动机的噪音，使得活塞和气缸壁的使用寿命下降；若间隙过小，易导致活塞与气缸壁之间的油膜被破坏，从而使汽车发动机受到严重损坏。对于活塞裙部的设计，可通过加强散热，以保证发动机平稳的进行工作。由于活塞上部的温度较高，膨胀较为严重，因此，活塞应采取半拖鞋式群部和拖鞋式裙部，从而减少活塞的惯性力，保证气缸壁和活塞的顺利进行。
1.1.3活塞的表面处理及材料选择
对于活塞顶部，通常应进行硬膜阳级氧化处理，以减少活塞顶部的吸热量，保证活塞受热均匀。活塞裙部可使用镀锡处理，以防止拉缸现象的产生[5]。由于活塞的环槽受力复杂，磨损较严重，因此，应采取渡铬处理，以降低环槽的磨损量，提高环槽寿命。由于活塞的工作条件较为复杂，因此，对材料的要求相对也较为严格，目前，大部分汽车发动机的活塞大多使用铝合金制造而成，其具有质量轻、惯性力小，工作平稳的优势，能有效使活塞温度保持在较低水平，但铝合金材料发生热膨胀的系数较大，当工作温度升高时，其强度和硬度就会显著下降。今后的汽车发动及活塞顶部温度将超过4500℃，因此，对于活塞的材料要求应更加严格。
1.2连杆的结构优化设计
1.2.1连杆的特点
连杆是曲柄连杆机构的零部件之一，在发动机工作的过程中，连杆可将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，连杆的特点具有以下几点：①连杆体和连杆盖需要同步加工，在装配和工作时具有唯一性。②连杆有两个对称面互相垂直，一个通过两端圆孔的轴线，另一个平行于连杆的圆环形端面。③连杆毛坯成形后，加工的重点主要放在两端面和孔上。
1.2.2连杆的材料选择
连杆在做复杂的平面运动时，由于受到拉伸、压缩、弯曲等交变负荷的作用，因此，连杆应具有较强的刚度、强度及抗疲劳能力。连杆的材料应选择中碳合金钢，由于连杆螺栓受力条件极其复杂，因而通常采用优质合金钢制造。目前，部分新型铝合金材料的运用，可使连杆刚度和强度下降幅度减少，使其质量大大降低，但由于其成本较高，只应用于转速较高的汽车发动机当中[6]。
1.2.3连杆优化设计的要点
连杆的长度，大、小头孔直径及宽度等是连杆的基本尺寸，连杆长度的选择可直接影响汽车发动机的全面设计，是汽车发动机重要的尺寸参数之一。连杆的长度越短越好，若连杆长度较短，其内燃机的总高度也会随之缩短，可达到增强连杆的结构刚度的目的[7]。连杆的杆身可设计成工字形断面，连杆的杆身平均断面积通常是活塞面积的1.5%-3.5%。在对连杆进行设计时，应注意连杆小头孔壁厚，注意减少小头到杆身过渡的圆滑性。在进行连杆大头孔形状设计时，应降低应力集中，并采用平切口结构，具有操作简单、工作可靠的特点。可大大降低汽车发动机曲柄连杆机构的重量，降低成本。因此，应特别注重对连杆大头孔形状的设计，实现对曲柄连杆机构的优化设计。
1.3曲轴的结构优化设计
1.3.1曲轴的特点
为提高汽车发动机的使用寿命，曲轴的特点应具有以下几点：①曲轴上的连杆轴颈应在曲轴的中心线上，并在连杆轴颈上设置平衡重，以避免曲轴在旋转时，产生较大振动。②曲轴上应设有油孔，并通过油道，对连杆轴颈进行润滑。
1.3.2曲轴的优化设计要点
曲轴主要分为整体式和组合式两种，目前，由于整体式曲轴具有加工便捷、结构简单的特点，因此，大部分小功率高速内燃机均采用整体式曲轴。现代多缸内燃机的曲轴都采用支撑结构，以提高曲轴的弯曲刚度和强度[8]。由众多曲拐装配组成的曲轴叫做组合式曲轴，当组合式的一个曲拐损坏时，只需要将损坏的曲轴更换，不需要将整轴更换，从而可有效降低维修成本，但其中不足之处在于其结构较复杂，装拆的过程中较麻烦。
1.3.3曲轴的形状系数
曲轴的形状系数与曲轴各部分的结构都有密切的相关性，其主要是通常实验应力分析法得出的。
①圆角弯曲形状系数定义如下：
σ＝
umax/n式中
umax表示曲轴圆角处的弯曲应力，n表示弯曲应力。②圆角扭转形状系数定义如下：
τ＝
umax/n式中
umax表示曲轴圆角出实测的最大剪切应力。2 曲柄连杆机构设计算例
2.1活塞的主要尺寸
根据活塞的主要尺寸比例，以确定活塞的主要尺寸，见表1。
表1 活塞主要的尺寸比例
尺寸比例
汽油机
H/D
0.65-1.00
H1/D
0.40-0.60
H2/D
0.40-0.75
h/D
0.05-0.10
d/D
0.25-0.30
活塞高度H＝D＝86mm；压缩高度H1＝0.9D＝67mm；顶部高度h＝0.08D＝59；环带高度为15mm。活塞顶部厚度为 0.07-0.10D，取为 6mm。活塞头部应安装或塞环，通常取0.1D，厚度为9mm。为改善散热，活塞顶与侧壁之间可设计为过度圆角，一般取圆角半径为5mm。
2.3连杆主要的尺寸
根据本文研究对象的参数，选择＝0.25，取L＝135mm。连杆大头孔内径R11为0.11-0.15D，本文为13mm。连杆大头孔内径R12为0.40-0.65D，本文为48mm。
2.4曲轴主要的尺寸
曲轴半径R＝38.5mm，连杆长度L＝132.45mm。因此，曲轴的主要参数为连杆轴颈的外径D3＝0.55D＝50，1max＝0.55D＝43.5mm。曲柄壁的厚度h＝0.2D＝16mm。
3 结论
汽车发动机的曲柄连杆机构是汽车发动机的重要组成，在保证曲柄连杆机构的刚度及强度的条件下，实现其质量化，提高其使用寿命，对汽车发动机的整体性能具有极为重要的作用。根据汽车发动机曲柄连杆机构的结构特点，对其进行结构优化设计是极为重要的，采用新材料、新工艺，可有效使曲柄连杆机构在复杂的情况下仍具有优越的性能。因此，加强对汽车发动机曲柄连杆机构组成的了解，是实现曲柄连杆机构优化设计的前提，本文主要是通过对汽车发动机曲柄连杆机构的特点进行分析，实现对其结构的优化，可有效降低成本及运动重量，提高发动机的使用寿命，以确保其工作的稳定性，为今后发动机转速、性能强化的提高具有重要意义。
参考文献
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[4]陈国华,张根保,李冬英,等.一种改进的发动机曲柄连杆机构的可靠性分配算法[J].计算机应用研究,2013,(04):1021-1023.
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