董建伟

摘 要：曲轴对发动机来说很重要。发动机的大小跟质量，甚至于可靠性和寿命都受到了曲轴尺寸的影响。在发动机的结构设计与改进的过程中，曲轴的设计与改进亦占据着无可替代的地位。通过对发动机整体结构的认识，剖析发动机曲轴在发动机上的功能，通过计算发动机运作时热力学、运动学、动力学的曲线图像变化直管地观察曲轴的运动规律。

关键词：曲柄连杆机构；曲轴；P-V图；动力学计算

1 概述

曲轴作为发动机的主要旋件主要的作用就是为了将活塞的上下往复运动以及飞轮的惯性选择转化为发动机的动能，因此它也是整个机械系统的动力源。在设计曲轴的时候需要注意跟整车性能相匹配。这也为如何设计出质量优良的曲轴提供了方向。因此，如何设计出符合结合当代环保的观点的曲轴，具有十分重大的研究意义。

曲轴的前端（又名自由端），若干个由主轴颈、连杆轴颈和曲柄组成的曲拐，曲轴的后端（也被称为功率输出端），都是曲轴的基本结构的重要组成部分。

整体式曲轴和组合式曲轴是最常见的两种类型。整体式曲轴的各曲拐及前后端为一个整体，其刚性好。当代的汽车发动机不少都采整体式曲轴用来提高发动机结构的紧凑性。组合式曲轴的各曲拐用连接件衔接成一体，使用时必须搭配隧道式气缸体。它的制造成本低，因此便于系列化生产。

2 参数计算分析

2.1 发动机的基本参数

（1）平均有效压力Pm的确定：

式中：Vf-气缸工作容积（单缸），4Vf=1.6L，pem-平均有效压力，kPa，Pm-发动机有效功，81kW，n-曲轴转速，r/min，i-气缸数，值为4，？子-冲程数，值为4，可以求得平均有效压力pm=1.05MPa

（2）缸径D、活塞行程S、活塞平均速度cm的确定

式中：D-发动机缸径，mm，S-发动机行程，mm，n-曲轴转速，r/min，Sh-活塞面积，mm2，S-发动机行程，m，cm-活塞平均速度，m/s。

查阅资料得知，S/D的取值范围为0.7～1.0，同时汽油机活塞平均速度范围在12m/s～18m/s之间，经过多次取值运算后，最终取定S/D=0.95。圆整得缸径D=81mm，行程S=77mm。圆整后求得活塞平均速度cm=14.8m/s。

（3）角速度？棕的计算及曲轴半径rq的计算

带入已知数据，圆整后得到角速度？棕=607 rad/s，曲轴半径rq=40.5mm。

（4）气缸中心距及其与缸径的比值Lx /D、曲柄半径与连杆长度比值？姿=rq/l的计算

式中：l-连杆长度，mm，rq-曲轴半径，mm。

根据发动机参数，选取=0.28。带入已求数据，通过计算得到气缸中心距Lx=1.18D=94mm，连杆长度l=144mm。

（5）压缩比？着的选取

一定范围内，汽油机热效率与压缩比成正比，但是压缩比的提高会增加机械负荷，影响汽油机的使用寿命。查阅资得知车用汽油机压缩比在6～12之间，而使用93号汽油的汽油机压缩比在7.5～9.0之间，取？着=8.3。

（6）气体体积Vq及燃烧室容积Vr的计算，？着=V1/Vr=1+Vf /Vr

式中：V1-气体体积，mL，Vr-燃烧室容积，mL

根据已知条件，将数据带入上述公式后得到气体体积Vr=54.79mL，V1=454.76mL。

2.2 P-V图的绘制

2.2.1 P-V图参数计算

（1）压缩行程

压缩行程起始点的压力P1值为发动机进气终点压力P0的0.8～0.9，而P0的范围为0.080～0.092MPa，选定压缩始点压强P0=0.091MPa，P1=0.83P0，则始点压力P1=0.075MPa将压缩过程简化为绝热过程，此过程的绝热指数一般在1.32～1.38之间，最终确定取绝热指数n1=1.33。由热力学知识可知： 初始状态下P1=0.075MPa，V1=454.76mL，压缩终点气体体积Vr=54.79mL，求得Pr=1.25MPa。

（2）膨脹过程

2.2.2 理论P-V图与实际P-V图的绘制

根据绝热压缩过程初始和终了的体积与压力、绝热膨胀过程初始和终了的体积与压力，取20个值；压缩增压过程和膨胀减压过程各取11个值，并根据数值用excel软件画出P-V图如图1所示。

3 理想P-V图向实际P-V图的转化

实际上，发动机运行过程比理想的繁杂，它的最高压力不在上止点，另外点火提前角、排气提前角都需要修正，所以曲线图也需要做一些适当的修正。

最大爆发压力：实际压力一般为理论值的2/3，则具体加热终点压力值为

点火提前角导致压缩终点的压力相对于原来提高，取原来的3/2；排气提前角导致在膨胀终点压力小于原先的压力，取原来的2/3。调整后的得到数据记录在附表2中，实际P-V图如图2所示。

4 曲柄连杆机构动力学计算

中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构是最常见的三种曲柄连杆机构。其中，中心曲柄连杆机构应用的频率最高，并且最常见，所以本次设计选择中心曲柄连杆机构作为曲柄连杆机构的类型。在发动机参数的计算中，已选取？姿=0.28，且求得连杆长度l=144mm。按照活塞运动时做圆周运动的规律，每隔10°取一次曲轴转角？椎，运用Excel软件分别计算得出活塞的位移、速度和加速度分别相对应的数值，并用绘制出它们分别对应的曲线图。

4.1 活塞位移量X

由活塞位移公式为：

其中：r-曲柄半径，已求得数值为40.5mm，？姿-连杆比，已取为0.28，？椎、？茁-曲轴转角，单位为度（°）因为连杆比小于1/3，因此活塞位移公式可以简化为：

经计算后，得活塞位移量，运用Excel软件算出活塞位移的数据记录在附录3，作出图如图3所示。

4.2 活塞速度V

由资料可知，活塞速度公式为：

其中：r-曲柄半径，已求得数值为40.5mm；？姿-连杆比，已取为0.28，？椎-曲轴转角，单位为度（°）

运用Excel算出各转角时刻的活塞速度数据，记录在附录3中，并作出图如图4。

5 结束语

通过本设计取得的主要结论有：（1）汽油机的缸径最好在100mm以内，否则发动机会容易发生爆震。（2）曲轴在结构上是采用整体式能保证其拥有足够的强度和刚度；同时，采取平衡块措施，曲轴不会使发动机发生振动，可以加长发动机和曲轴自身的使用寿命。（3）连杆以及活塞的部分尺寸影响着曲轴的尺寸。（4）往复惯性力只与缸径、初始气压以及瞬时气压有关。（5）虽然装配式的平衡块更加容易更换损坏件，但是容易因为旋转而导致曲轴的磨损加剧。对装配时候的螺丝要求很高。

参考文献

[1]王敬，张蕾，陈希林.基于多体动力学的发动机曲柄连杆机构平衡性研究[J].内燃机，2013（06）.

[2]奚鸣杰，石秀勇，卢学文，等.发动机气缸密封垫压纹结构对密封性能影响的研究[J].汽车工程，2013（12）.

[3]刘学荣，张翼，卢鹏，等.发动机活塞温度优化控制[J].计算机仿真，2013（12）.

[4]王洋.基于ANSYS的495Q发动机活塞模态分析[J].湖南农机，2013（11）.

[5]黄若，尚文涛，余志毅.Design and study on variable nozzle mixed

-flow turbocharger[J].Journal of Beijing Institute of Technology，2013 （04）.