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第三章平面连杆机构平面连杆机构是由若干构件和低副组成的平面机构，又称平面低副机构。
这种机构可以实现预期的运动规律及位置、轨迹等要求。
平面连杆机构用于各种机械中，常与机器的工作部分相连，起执行和控制的作用，在工程实际中应用十分广泛。
平面连杆机构的主要优点有：1、低副为面接触，所以压强小，易润滑，磨损少，可以承受较大的载荷。
2、构件结构简单，便于加工，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，故工作可靠。
3、在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求。
其主要的缺点有：1、运动副中存在间隙，当构件数目较多时，从动件的运动累计误差较大。
2、不容易精确地实现复杂的运动规律，机构设计相对复杂。
3、连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡，所以不适用于高速场合。
平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的平面四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。
因此本章着重讨论平面四杆机构的基本形式及在实际中的应用，理解四杆机构的运动特性及设计平面四杆机构的基本设计方法。
3.1 平面连杆机构及其应用连杆机构有平面连杆机构和空间连杆机构。
其中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，则称为平面连杆机构。
若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。
平面连杆机构较空间连杆机构应用更为广泛，在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最广泛的是由四个构件所组成的平面四杆机构，其它多杆机构可看成在此基础上依次增加杆件而组成。
故本章着重介绍平面四杆连杆机构。
3.1.1铰链四杆机构的类型所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构。
它是平面四杆机构的基本形式。
如图3-1所示。
图中固定不动的构件AD是机架；与机架相连的构件AB、CD称为连架杆；不与机架直接相连的构件BC称为连杆。
连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，只能作往复摆动的构件称为摇杆。
图3-1 铰链四杆机构根据两连架杆中曲柄(或摇杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。
第三章连杆的基本设计3.1连杆结构及长度的确定单列式汽油机的连杆，根据大头的结构一般可分为平切口、斜切口连杆及分体式连杆。
多列式柴油机的连杆有并列连杆、叉形连杆、主副连杆等类型。
连杆的长短直接影响到柴油机的高度及侧压力的大小,较长的连杆能使惯性力增加,而同时在侧压力方面的改善却不明显。
因此在柴油机设计时,当运动件不与有关零部件相碰时,都力求缩短连杆的长度。
连杆长度L（即连杆大小头孔中心距）与结构参数九=-（R为曲柄半径）有关。
连杆l长度越短，即九越大，则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对高速化有利，但九大，使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸相碰的可能性。
在现代高速内燃机中，连杆长度的下限大约是1=3.2，即九=1/3.2,上限大约是l=4R。
连杆长度的确定必须与所设计的内燃机整体相适应，连杆设计完成后应进行零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最小距离都不应小于2〜5毫米h］。
在机体的设计中，已经根据要求设计出连杆长度为168mm。
3.2连杆小头的设计3.2.1小头结构型式现代内燃机绝大多数采用浮式活塞销，也就是说，在运转过程中活塞的销座中和在连杆的小头中都是能够自由转动的。
本连杆的小头的设计采用薄壁圆环形结构，优点是构形简单、制造方便，材料能充分应用，受力时应力分布较均匀h］。
连杆小头的构造如图3-1所示：图3-1连杆小头结构型式3.2.2小头结构尺寸小头主要尺寸为连杆衬套内径d和小头宽度b（通常小头和衬套制成同样的宽度）。
b11取决于活塞销座间隔b。
连杆小头主要尺寸比例范围大致如下：D=（0.28〜0.42）DS=（04〜0.08）dd=（0.9〜1.2）d1d=（1.2〜1.4）d21根据《内燃机设计》要求皿，初步设计连杆小头的主要尺寸为：连杆小头衬套内径d=25mm,小头衬套厚度S=3mm宽度同小头同宽小头孔径d=28mm1小头外径d=34mm2小头宽度b=30mm1小头油孔直径d=3mm3.2.3连杆衬套衬套与连杆小头孔为过盈配合，青铜衬套与活塞销的配合间隙A大致在（0.0004〜0.0015）d的范围内，在采用粉末冶金衬套时，由于衬套压入后，内径会缩小，因此配合间隙应适当放大，一般A大致在（0.0015〜0.0020）d。
第三章平面连杆机构3.1概述3.2平面四杆机构的基本型式和应用3.2 平面四杆机构的运动特性3.3 平面四杆机构的设计3.1概述一、基本概念平面四杆机构：由四个构件通过低副连接而成的平面连杆机构称为。
铰链四杆机构：低副均为转动副的平面四杆机构。
3.2平面四杆机构的基本型式和应用一、四杆机构的基本形式下图所示为铰链四杆机构, 其中AD杆为机架, 与机架相连的AB杆和CD杆称为连架杆, 与机架相对的BC杆称为连杆。
其中能作整周回转运动的连架杆称为曲柄；只能在小于360°的范围内摆动的连架杆称为摇2. 双曲柄机构定义：两连架杆均为曲柄的四杆机构平行双曲柄机构：在双曲柄机构中分别相等。
作用：等速转变为变速转动MBB′C′M′ADC例2：鹤式起重机应用：曲柄滑块机构用途很广, A当曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的速度不同，返回速度较大。
称为机构的，通常用行程速度变化传动角γ:压力角的余角，γ角更便于观察和测量。
在机构运动过程中，压力角和传动角的大小是随机构位置而变化的，为保证机构的传力性能良好，设计时须限定最小传动角或最大压力角αmax 。
通常取γmin ≥40°～50°。
为此，必须确定γ = γmin 时机构的位置并检验γmin 的值是否小于上述的最小允许值。
对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置，如图所示。
导杆机构，由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆受力的速度方向始终一致，所以传动角始终等于90°2．死点定义：传动角为90度。
表现：倒、顺转向不定（图a ）或者从动件卡死不动（图b ）的现象。
曲柄滑块机构中，以滑块为主动件、曲柄为从动件时，死点位置是连杆与曲柄共线位置。
摆动导杆机构中，导杆为主动件、曲柄为从动件时，死点位置是导杆与曲柄垂直的位置。
克服死点方法：利用惯性法使机构渡过死点；当一个机构处于死点位置时，可借助死点。
第一章绪论1.1 课题的意义及主要工作1.1.1 课题的背景和意义近百年来，柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低，在各型民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了其主导地位。
新材料、新工艺、新技术的不断开发使用，为柴油机注入了新的活力，使其在动力机械，尤其在船舶动力方面依然发挥着无法替代的作用。
据统计，在 2000吨以上的船舶中，柴油机作为动力的超过 95％，预计这一情况仍将持续下[]1去。
受油价的影响，以及一些柴油机的缺点（比如烟度和噪声）被一一克服，现在在乘用车市场，柴油动力开始渐渐显示其独特魅力。
但是，由于受各种因素的影响，我国的柴油机研究还是落后于世界先进水平。
经历多年的市场实践，国内柴油发动机生产企业已不再满足于凭借引进产品获得市场上的暂时领先，而认识到核心技术是最关键的，只有通过引进、消化、吸收的途径，自己掌握了核心技术，企业才会有发展后劲并获得可持续发展的条件。
随着我国造船事业的进一步发展，作为船舶配套中最重要的一个环节，柴油机技术的发展瓶颈已日益凸显。
因此，必须研发具有我国自主知识产权的柴油机，以提高我国船舶制造的国产率。
发动机是船舶的心脏，而发动机连杆则是承受强烈冲击力和动态应力最高的动力学负荷部件，其在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生的惯性力,会使连杆杆身发生形变，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作,使机械效率下降。
重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦，使发动机无法正常工作。
因此对其刚度和强度提出了很高的要求。
以往，连杆的的制造以铸造法和锻造法为主；20世纪80年代以来，由于采用粉末锻造法大批量生产的粉锻连杆具有力学性能优、尺寸精度高、质量较轻及质量偏差很小等特点，因而相继在发达国家快速发展，逐渐取代铸造和锻造连杆[]2。
而高密度烧结法制造连杆也快速发展，并具有良好的力学性能。
1.1.2 主要工作本课题的工作可以分为三大部分。
第一部分为连杆的结构和基本尺寸的设计过程；第二部分为运用UG对所设计的连杆进行三维建模装配；第三部分为柴油机连杆的有限元分析及强度校核。
第三章 连杆的基本设计
3.1 连杆结构及长度的确定
单列式汽油机的连杆，根据大头的结构一般可分为平切口、斜切口连杆及分体式连杆。
多列式柴油机的连杆有并列连杆、叉形连杆、主副连杆等类型。
连杆的长短直接影响到柴油机的高度及侧压力的大小,较长的连杆能使惯性力增加,而同时在侧压力方面的改善却不明显。
因此在柴油机设计时,当运动件不与有关零部件相碰时,都力求缩短连杆的长度。
连杆长度L （即连杆大小头孔中心距）与结构参数l R
=λ（R 为曲柄半径）有关。
连杆
长度越短，即λ越大，则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对高速化有利，但λ大，使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸相碰的可能性。
在现代高速内燃机中，连杆长度的下限大约是l=3.2，即λ=1/3.2，上限大约是l=4R 。
连杆长度的确定必须与所设计的内燃机整体相适应，连杆设计完成后应进行零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最小距离都不应小于2～5毫米[]4。
在机体的设计中，已经根据要求设计出连杆长度为
168mm 。
3.2连杆小头的设计
3.2.1 小头结构型式
现代内燃机绝大多数采用浮式活塞销，也就是说，
在运转过程中活塞的销座中和在连杆的小头中都 是能够自由转动的。
本连杆的小头的设计采用薄壁圆环形结构，优点是构形简
单、制造方便，材料能充分应用，受力时应力分布较均匀[]4。
连杆小头的构造如图3-1所示： 图 3-1 连杆小头结构型式
3.2.2 小头结构尺寸
小头主要尺寸为连杆衬套内径d 和小头宽度b 1（通常小头和衬套制成同样的宽度）。
b 1取决于活塞销座间隔b 。
连杆小头主要尺寸比例范围大致如下：
D=(0.28～0.42)D
δ=(04～0.08)d
d 1=(0.9～1.2)d
d 2=(1.2～1.4)d 1
根据《内燃机设计》要求[]1，初步设计连杆小头的主要尺寸为：
连杆小头衬套内径 d=25mm,
小头衬套厚度 δ=3mm 宽度同小头同宽
小头孔径 d 1=28mm
小头外径 d 2=34mm
小头宽度 b 1=30mm
小头油孔直径 d 0=3mm
3.2.3 连杆衬套
衬套与连杆小头孔为过盈配合，青铜衬套与活塞销的配合间隙∆大致在（0.0004～0.0015）d 的范围内，在采用粉末冶金衬套时，由于衬套压入后，内径会缩小，因此配合间隙应适当放大，一般∆大致在（0.0015～0.0020）d 。
在四冲程柴油机中，为减少小头轴承的冲击负荷，间隙应尽量取小些，以不发生咬合为原则[]4。
在小头上方开有集油孔或集油槽，靠曲轴箱中飞溅的油雾进行润滑。
润滑油的均匀分布可通过衬套上开布油槽来达到。
设计衬套宽度与连杆小头等宽，厚度为3mm ，选用铅青铜材料。
3.3 连杆杆身
连杆杆身的截形十分重要,它应能在保证强度的前提下有尽量较轻的重量,此外,还要有利于该截面形状向大端、小端的过渡,因此柴油机连杆杆身常采用工字形截面。
连杆杆身采用工字形截面，其长轴位于连杆摆动平面，这种截面对材料利用得最为合理。
连杆杆身截面的高H 一般大约是截面宽度的1.5～1.8倍，而B 大约等于（0.26～0.3）D(D 为气缸直径)。
为了使杆身能与小头和大头圆滑过渡，杆身截面是由上向下逐渐增大的。
杆身的最小截面积与活塞面积之比，对于钢制连杆来说大约是在1
1
2530 的范围内[]4。
根据《柴油机设计手册》要求，本连杆设计的杆身尺寸为：
杆身高度H=25mm
杆身宽度B=12mm
3.4 连杆大头
3.4.1 大头结构型式
连杆大头为了与曲轴相配，都用剖分式结构。
从结构简单、对称和刚度、强度出发，连杆体与连杆盖的剖分面一般均垂直连杆轴线，称为平切口连杆。
不过，从内燃机装拆方便性出发，要求连杆大头在拆卸连杆盖后应能通过所缸孔，即B
<D(最小空隙应为0.5mm左右)。
实践表明，当曲柄销的直径大于0.65D时，具有足够强度的平切口连杆大头一般就不能满足上述要求。
这时就不得不采用斜切口连杆。
平切口连杆结构型式如图 3-2 所示：
图
3-2
平切
口连
杆的
基本
型式
在
本
设
计
中
的某船艇用柴油机中，由于曲柄销的直径D
2=58mm,缸径D=92mm,
D
D
2=0.63＜0.65，所以采
用平切口连杆。
3.4.2 大头尺寸
大端孔径主要取决于曲柄销直径及连杆轴瓦厚度，根据《内燃机设计》要求[]1，本连杆设计的大头主要尺寸为：
连杆大头轴瓦厚度 δ=2mm,
大头孔径 D 1=58+2×2=62mm
大头宽度 b 2=36mm
螺栓矩 L 1=(1.20～1.30)D 1 取 L 1=76=1.222D 1
螺栓孔外侧边厚不小于（2～4）mm 取螺栓孔外侧边厚4mm
连杆大头高度 H 1=H 2=0.50D 1=29mm
3.4.3 大头定位方式
平切口连杆采用螺栓定位方式，可防止连杆体和连杆盖安装错位，连杆螺栓不承受剪切作用。
本设计所采用的连杆是M10类型。
3.5 过渡区
连杆的过渡区域需要较大的过渡半径。
连杆小端工作时,下半部主要承受燃气的爆发压力,而上半部则承受着活塞组的往复惯性力,所以连杆小端到杆身的过渡结构对小端的强度有很大的影响,其切点处常常是应力高峰值的所在地,因此小端和大端与杆身连接处采用大圆弧过渡,一方面提高小端与大端的刚度,另一方面也减少了这些地方的应力集中。
3．6连杆螺栓的设计
连杆上的螺栓数目是2，根据汽缸直径D 粗算螺栓螺杆的螺纹直径M d 根据统计
D d M )12.01.0(-=,取mm D d M 12.1011.0==，根究国家标准，选用M10的标准六角螺
栓。
连杆螺栓一般用45Mn2、40Cr 、35CrMoVA 、18CrNiWA ，螺母用35、45、40Cr 、40MnB 等。
本连杆螺栓采用40Cr 制造，螺母采40MnB 制造。
具有良好的抗拉强度和硬度。
3.7 本章小结
本章内容是本论文的关键部分，概据已知的BJ492QA 型汽油机性能特点，严格按照《内燃机设计》（杨连生版），进行该汽油机连杆的设计，选定了连杆的结构型式、大小头及杆身的结构和尺寸，以及润滑方式、定位方式等，是以下几章三维建模和计算校核的基础。
