【正文】 ，如圖 所示。因此，在決定活塞裙部長(zhǎng)度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。 則 6 3 1 5 ???q MPa 一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比壓值約為 ~ ，所以設(shè)計(jì)合適?；钊N與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采用“全浮式”。 最大彎曲應(yīng)力計(jì)算 活塞銷中央截面的彎矩為 )(121lllPM P ??? ? （ ） 空心銷的抗彎斷面系數(shù)為 314 )1( dW ??? ， 其中 ??? dd? 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 34 所以彎曲應(yīng)力為 WM?? 即 )1( )( 431 1?? ???? ? d lllP P （ ） )( )( 5 5 1 0 43 ??? ?????? ? 最大剪切應(yīng)力計(jì)算 最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭之間的截面上。 活塞銷座的內(nèi)徑 mmd ? ， 活塞銷座外徑 d 一般等于內(nèi)徑的~ 倍，取 mmdd 0 ?? ， 活塞銷的彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷 — 銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設(shè)計(jì)成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為 mm5~4 ，山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 35 但當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共 mm3~2 就足夠了，取間隙 為 mm3 。桶形環(huán)與缸筒為圓弧接觸 ，對(duì)活塞擺動(dòng)適應(yīng)性好，并容易形成楔形潤(rùn)滑油膜。氣環(huán) mmb ~? ，油環(huán) mmb 5~3? ，取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? 。 工作狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 36 活塞斷面的最大彎矩為： )(40m a x tDbDpM ?? （ ） 由此可得最大彎曲應(yīng)力 max? 為： 6)(220m a xm a x bttDbDpWM ???? （ ） 對(duì)于斷面均壓環(huán)其開口間隙 0S 與活塞環(huán)平均接觸壓力 0p 之間有如下關(guān)系： tDtDtSEp300)1(1 4 1 ?? （ ） 將式（ ）帶入（ ）并整理得： M P atDtSE20m a x)1(??? （ ） 式中： E — 材料的彈性模量，對(duì)合金鑄鐵 ??E MPa ； 0S — 活塞環(huán)的開口間隙， mmS ~ ? ，取為 mmS ? ； D — 氣缸直徑， mm； t — 活塞環(huán)徑向厚度， mm 則 M P ) 9 6 ( 2 25m a x ?????? 活塞環(huán)工作時(shí)的許用彎曲應(yīng)力為 MPa450~200 ，則校核合格。 設(shè)計(jì)要求 連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有在足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。 材料的選擇 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 38 為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼 45模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。 連桿小頭的強(qiáng)度校核 以過(guò)盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓 力。 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 39 圖 連桿小頭主要結(jié)果尺寸 （ 1）襯套過(guò)盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力 計(jì)算時(shí)把連桿小頭和襯套當(dāng)作兩個(gè)過(guò)盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過(guò)盈及受熱膨脹，小頭所受的徑向壓力為： M P adddEdDdDEdd t]d[1][1)(p212212221221 ??????????????????? （ ） 式中： ? — 襯套壓入時(shí)的過(guò)盈， mm； 一般青銅襯套 ~ 1 ?? ，取 mm0 1 7 . 0 0 0 8 ???? ， 其中： t? — 工作后小頭溫升 ,約 C 150~100 ? ； ? — 連桿材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于鋼 )/1( 5 C??? ?? ； ?? — 襯套材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅 )/1( 5 C???? ?? ； ? 、 ?? — 連桿材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可取 ????? ； E — 連桿材料的彈性模數(shù)，鋼 42MPaE? ； E? — 襯套材料的彈性 模數(shù)，青銅 M Pa539。 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度 B 約等于 D)~( (D 為氣缸直徑 )，取 mmDB ?? ，截面高度 BH )~(? ，取 mmBH ?? 。 則最大拉伸應(yīng)。 連桿桿身的強(qiáng)度校核 連桿桿身在不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計(jì)算斷面以上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃?xì)鈮毫蛻T性力差值的壓縮，為了計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，必須現(xiàn)求出計(jì)算斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力。 （ 2）連桿小頭的疲勞安全系數(shù) 連桿小頭的應(yīng)力變化為非對(duì)稱循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到連桿小頭的過(guò)渡處的外表面上為： ma ????????? 1n （ ） 式中： 1? — 材料在對(duì)稱循環(huán) 下的拉壓疲勞極限， 21 ~ ??? 2N/mm （合金鋼），取 21 103??? 2/mmN ； ?? — 材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取 ?? =； a? — 應(yīng)力幅， 532 ???a?2/mmN ； m? — 平均應(yīng)力， ???m?2/mmN ； ?? — 工藝系數(shù)， ~??? ，取 ； 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 41 則 103n 2 ????? 連桿小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)，一般約在 ~ 范圍之內(nèi)。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖 ， 小頭襯套內(nèi)徑 1d 和小頭寬度 1B 已在活塞組設(shè)計(jì)中確定， ? ， ? 。 所以設(shè)計(jì)連桿的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。 連桿的設(shè)計(jì) 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 工作情況 連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 活塞環(huán)在工作時(shí)，因剪應(yīng)力和軸向力影響較小，所以只計(jì)算彎矩。 第三道是油環(huán)，是鋼帶組成環(huán)，重量輕，比壓高，刮油能力強(qiáng)。 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。 活塞銷座 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞銷座用以支承活塞，并由此傳遞功率。表面加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好。如果把活塞銷偏心布置，則能使瞬時(shí)的過(guò)渡變成分布的過(guò)渡，并使過(guò)渡時(shí)刻先于達(dá)到最高燃燒壓力的時(shí)刻 ，因此改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作平順性 [13]。 裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計(jì)算： 2maxDHNq? （ ） 式中： maxN — 最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得， maxN = D — 活塞直徑， mm； 2H — 裙部高度， mm 。 圖 活塞銷裙部的橢圓形狀 [9] 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 裙部的尺寸 活塞裙部是側(cè)壓力 N 的主要承擔(dān)者。 把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 31 因此，為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部與氣缸之間必須預(yù)先流出較大的間隙。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面?；钊貧飧淄鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力 N 。 已知 maxp = MPa ，則 M P ap ??? ，M P ap ??? ， 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 圖 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 圖 第一環(huán)岸的受力 環(huán)岸是一個(gè)厚 1c 、內(nèi)外圓直徑為 39。活塞環(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生上述損傷的情況下愈小愈好，目前，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為 ~，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為 ~，油環(huán)則更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機(jī)油消耗量，側(cè)隙確定油環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)?，回油孔?duì)降低機(jī)油消耗量有重要意義，三道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙如表 所示 : 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 表 活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙 活塞環(huán) 開口間隙 /mm 側(cè)隙 /mm 第一道環(huán) ~ ~ 第二道環(huán) ~ ~ 第三道環(huán) ~ ~ 活塞環(huán)的背隙 ?? 比較大，以免環(huán)與槽底圓角干涉。槽底圓角一般為 ~。? 使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過(guò)多地集中在最 高一環(huán)，其平均值為 39。所以活塞頂厚度 ? 應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過(guò)渡圓角 r應(yīng)足夠大，使活塞頂吸收的熱量能順利地被導(dǎo)至第二、三環(huán)，以減輕第一環(huán)山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度 [9]。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用平頂活塞，由于 AJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓縮比 ?? ，因而采用近似于平頂?shù)幕钊?對(duì) 于 汽 油 機(jī)DH )~(1 ? ，所以 mmDH 3 8 6 ????? 。 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 因此，環(huán)帶高度 mmbcbcbh ???????????（ 3）上裙尺寸 確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，壓縮高度 H1最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽 （油環(huán)槽）的距離 h1。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高 mmb ~? ，油環(huán)高mmb 5~2? 。為縮小 1H ，當(dāng)然希望 1h 盡可能小，但 1h 過(guò)小會(huì)使第一環(huán)溫度過(guò)高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。而 1H 則直接受頭部尺寸的影響。含硅 9%左右的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣。因此其慣性小，這對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 大意義。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重； （ 5）有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。湍?、耐蝕； （ 6）工藝性好，低廉。 活塞的材料 根據(jù)上述對(duì)活塞設(shè)計(jì)的要求，活塞材料應(yīng)滿足 如下要求： （ 1）熱強(qiáng)度高。活塞不僅溫度高，而且溫度分布不均勻，各點(diǎn)間有很大的溫度梯度，這就成為熱應(yīng)力的根源，正是這些熱應(yīng)力對(duì)活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用 [9]。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。 求得切向力 T 、徑向力 Z 見如表 所示 : 表 切向力 T 、徑向力 Z 的計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程 切向力 T /N 徑向力 Z /N 進(jìn)氣終點(diǎn) — ? 壓縮終點(diǎn) 膨脹終點(diǎn) .7120840? .1968724? 排氣終點(diǎn) 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 4 活塞、連桿組的設(shè)計(jì) 活塞的設(shè)計(jì) 活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，它們是發(fā)動(dòng) 機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 ，jP 是沿氣缸中心線方向作用的，公式（ ）前的負(fù)號(hào)表示 ，jP 方向與活塞加速度 a 的方向相反。 質(zhì)量 km 與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量 2m 之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm ，即 2mmm kr ?? 由上述換算方法計(jì)算得： 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量 jm =，不平 衡回轉(zhuǎn) rm =。它們的質(zhì)量可以看作是集中在活塞銷中心上，并以 hm 表示。 ③ 連桿相對(duì)重心 G的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GI 不變，即 GIllmlm ??? 222211 )( 。 ppr ? 注： 1n — 平均壓縮指數(shù)， 1n =~ ； ? — 壓縮比， ? =； 2n — 平山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 均膨脹指數(shù)， 2n =~ ；????； maxp — 最大爆發(fā)壓力， maxp