【正文】 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）371特種發(fā)動機氣缸體的強度分析及其結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文1 特種發(fā)動機簡介（TCR）的結(jié)構(gòu)組成本文所指的371特種發(fā)動機氣缸體部分主要由氣缸體、活塞、主連桿、擺桿、驅(qū)動桿、曲柄等部件組成。其中主連桿、擺桿、驅(qū)動桿、曲柄稱為擺桿機構(gòu)。圖11所示： 圖 11OR————曲柄 RL————驅(qū)動桿DLQ————擺桿 PD————主連桿 O————曲軸中心點 P————活塞銷中心Q————擺桿支點 D————主連桿與擺桿的節(jié)點 如圖11所示，ED為氣缸中心偏移量，單位為mm；QX、QY分別為Q點的X和Y坐標(biāo)；β為主連桿對垂直坐標(biāo)的右偏角；γ為驅(qū)動桿對垂直坐標(biāo)的右偏角；θ為擺桿相對水平坐標(biāo)的下擺角；Φ為曲柄相對垂直坐標(biāo)的右轉(zhuǎn)角；λ為擺桿結(jié)構(gòu)角；L點為擺桿與驅(qū)動桿之間的節(jié)點。為了求得活塞中心點P的運動規(guī)律，這里采用從下到上的分析方法，即：先求得R點的運動規(guī)律，再求得驅(qū)動桿與擺桿的節(jié)點L的運動規(guī)律，再求得主連桿與擺桿的節(jié)點D的運動規(guī)律，最后求得活塞中心點P的運動規(guī)律。 R點的運動規(guī)律以O(shè)點為原點中心點建立直角坐標(biāo)系，則R點的X坐標(biāo)Rx和Y坐標(biāo)Ry可以表示為： Rx=OR?sinΦ (21) Ry=OR?cosΦ (22) 點R的運動速度的兩個分量Rvx和Rvy分別可以表示為： Rvx= OR?cosΦ?ω (23) Rvy= OR?sinΦ?ω (24) 點R的加速度的兩個分量Rax和Ray分別可以表示為： Rax= OR?sinΦ?ω2 （25） Ray= OR?cosΦ?ω2 （26） L點的運動規(guī)律及γ角的表示 L點的位移及γ角的表示如圖11所示，點L的X和Y坐標(biāo)有兩種表示方法，可以分別表示為：Lx=RxLR?sinγ (27)Ly=Ry+LR?cosγ (28) 和： Lx=QXLQ?cosθ (29) Ly=QY+LQsinθ (210) 由(27)和(29)兩式可得： LQ?cosθ=（QXRX）+LR?sinγ (211) 由(28)和(210)兩式可得： LQsinθ=（RyQy）+LR?cosγ (212)將兩式平方后相加、并經(jīng)整理有：2?LR?（QXRx）?sinγ 2?LR?（QyRy）?cosγ=（LQ２－LR２）－(QXRx)2（QYRy）2 (213)由于（213）式有點復(fù)雜，為使其形式簡單，這里引進(jìn)中間變量，故令： SX=2?LR?（QXRx） SY=2?LR?（QyRy） RQ= SS=LQ2LR2RQ2 SR=則（213）式 可以改寫為： SX?sinγ－SY?cosγ－SS＝0　　　　　　　　 （214）由（214）可得出γ角的表達(dá)式，但由此方程很難得到γ角的表出式，因此，根據(jù)倍角公式做如下的變換：　　　　 sinγ= (215) cosγ= (216)對于以上兩式，再令tan(γ/2)=μ，在將其帶入（214）式，經(jīng)整理得： （SYSS）?μ2+2??SX ?μ(SY+SS)=0 (217)解一元一次方程（217）得 μ1，2 = （218）將μ還原成tan(γ/2)，且對本結(jié)構(gòu)而言，只能用其正號解，故得： γ=2?arctan (219)公式（219）為γ角與點R的軌跡之間、也即與Φ角之間的關(guān)系式。另外，由點L和點Q的坐標(biāo)也可以確定θ和Φ之間的間接關(guān)系式，由于sinθ=，故有：θ=arcsin （220） 點L的速度表示 將（27）、（28）、（29）、（210）各式對時間求導(dǎo)可以分別得： Lvx=RvxLR??cosγ (220) Lvy=RvxLR? ?sinγ (221)和： Lvx=LQ??sinθ (222) Lvy=LQ??cosθ (223)為了使以上各式的表達(dá)更加簡潔清楚，這里引進(jìn)中間變量，令： LS= LR??sinγ ； LC= LR?cosγ ； QS= LQ?sinθ ； QC= =LQ?cosθ； 由式（220）和式（222）可得：Rvx=LC?+QS? (224)由式（221）和式（222）可得： Rvy=LS?+QC?? (225)將式（224）和（225）分別求導(dǎo)可得： Rax=QC?2+QS?LS?2+LC? (226) Ray=LC?2 +LS?QS?2 +QC? (227)由式（224）和（225）可得： = （228） = （229）由式（226）和式（227）可得： = （230） = （231） 點L的加速表示 將點L的速度表達(dá)式（220）至（223）對時間求導(dǎo)可得加速度的表達(dá)式如下： Lax=Rax+LS?2LC?=QC?2 +QS? (232)按活塞的實際運動方向，L點的垂直加速度Lay應(yīng)該反向，所以有： Lay= QS?2 QC? (234) 點D的運動規(guī)律 三角形擺桿中之夾角δ的確定由于擺桿的邊長LD、LQ及結(jié)構(gòu)角λ已經(jīng)確定，故三角形已經(jīng)確定，即角DQL也確定，由余弦定理可得：δ=arccos （235） 點D位移、速度、加速度的表示由圖11可知：Dx=QXDQ?cos(δ+θ) (236)Dy=Qy+DQ?sin(δ+θ) (237))將以上兩式對時間求導(dǎo)可得D點速度的表達(dá)式：Dvx=DQ??sin(δ+θ) (238)Dvy= DQ??cos(δ+θ) (239)將以上兩式再對時間求導(dǎo)可得D點的加速度表達(dá)式：Dax=DQ?( ?sin(δ+θ))+ 2 ?cos(δ+θ) (240)Day=DQ?( ?cos(δ+θ)) 2?sin(δ+θ) (241)同理，D的加速度也應(yīng)該像L點的加速度一樣反向，即：Day= 2?sin(δ+θ) DQ?( ?cos(δ+θ)) (241) 點P的運動規(guī)律．1 點P的位移公式及主連桿的擺角β表示 由圖11可知點P的X坐標(biāo)始終為ED,而其X坐標(biāo)又可以由D點的X坐標(biāo)表示為： Px=DxDP?sinβ=ED (242) 因此，由上式可以確定β的公式為： β=arcsin (243) 點P的Y坐標(biāo)可以表示為： Py=Dy+DP?cosβ (244)而實際上，活塞位移 hs 的約定方向與py的方向是相反的，且其度量單位為 mm。所以，活塞的實際位移公式為： HS[i]=(Py[0]Py[i])?1000 ,mm其中，Py[0]表示曲柄轉(zhuǎn)角為0度時P在Y方向的位移； Py[i]表示曲柄轉(zhuǎn)角為i度時P在Y方向的位移； HS[i]表示曲柄轉(zhuǎn)角為i度時活塞在Y方向的位移。 點P的速度Pvy及活塞的速度Hvy 將（224）對時間求導(dǎo)得： Pvx=DvxDP??cosβ=0 因此，主連桿的角速度為： = （245） 在將（244）對時間求導(dǎo)，可得點P的運動速度為： Pvy=DvyDP??sinβ 同樣，活塞速度的方向應(yīng)該與其位移的方向一致，所以，活塞速度的計算公式應(yīng)為： Hv=Pvy=DP??sinβDvy (246) 點P的加速度Pay及活塞的加速度Ha 將（245）對時間求導(dǎo)得： = （247） 將活塞速度公式（246）對時間求導(dǎo)可得活塞的往復(fù)運動加速度： Ha=Pay=DP?2?cosβ+DP???sinβDay (248)3 特種發(fā)動機的動力學(xué)分析以上已經(jīng)做完了對特種發(fā)動機的運動學(xué)分析，得到了各個節(jié)點的運動規(guī)律，以加速度為紐帶，現(xiàn)在對該擺桿機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。由于力的最終來源是氣缸內(nèi)氣體的膨脹，因此，采取從上到下的分析順序，也就是先分析活塞銷的受力情況，再分析主連桿與擺桿的節(jié)點D的受力情況，接著是驅(qū)動桿與擺桿的節(jié)點L的受力情況，由D和L的受力可以知道Q點的受力，接著通過C語言編程就可以知道Q點軸承的受力分布，進(jìn)而對Q點軸承的強度有針對性的加強。了解對驅(qū)動桿的受力后，可以分析出曲柄的受力，也就可以得出對整個特種發(fā)動機的受力分析了。 點P的受力分析 如圖31所示，活塞銷P點受到活塞上部的氣體壓力Pg，活塞族的往復(fù)慣性力Pj，及曲軸箱內(nèi)的背壓Pf，三個力點的方向均在Y軸上，當(dāng)活塞向下運動時，P點的受力如圖31所示，Pf的大小為常量，取Pf=。 圖31 氣體力Pg的模擬求解 氣體力的方向始終是向下的，為方便分析就取該方向為Pg的正方向，由于Pg的變化十分的復(fù)雜，很難通過數(shù)學(xué)建模找到一個函數(shù)來比較精確的表示，因此，對常規(guī)371發(fā)動機缸內(nèi)氣體壓力測量的示功圖，用分段函數(shù)來進(jìn)行模擬，再將模擬出來的結(jié)果用于對特種發(fā)動機的分析。 當(dāng)氣缸活塞從上止點到進(jìn)氣門關(guān)閉開始壓縮的這個過程，也就是曲軸轉(zhuǎn)角為0?i?ic度時，缸內(nèi)的壓力變化很小，但變化的趨勢是減小的，因此用以下的函數(shù)進(jìn)行模擬： Pg[i]=Pkdp? (31)其中，ic為進(jìn)氣門關(guān)閉角；io為進(jìn)氣門打開角；Pk為進(jìn)氣壓力，；dp為進(jìn)氣壓力損失。 當(dāng)氣缸壓力從進(jìn)氣門關(guān)閉時的壓力變化到開始燃燒時的壓力時，也就是ic?i?kr時，用以下函數(shù)【1】來模擬： Pg[i]=Pa?