【正文】 （） 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?；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”。則 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。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。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的： （）式中、分別為橢圓的長(zhǎng)短軸。解決這個(gè)問(wèn)題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少?gòu)幕钊^部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最?。换钊共啃螤顟?yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小等相適應(yīng)[12]。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使裙部截面的形狀變成為“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直徑，環(huán)槽深為：于是作用在岸根的彎矩為 （）而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 （） 同理得剪切應(yīng)力為： （）接合成應(yīng)力公式為： （）考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力，校核合格。一般氣環(huán)=，油環(huán)的則更大些?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇牵駝t當(dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過(guò)熱的原因，但倒角過(guò)大又使活塞環(huán)漏氣增加。復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角，所有尖角均應(yīng)仔細(xì)修圓，以免在高溫下熔化?；钊斀邮艿臒崃浚饕ㄟ^(guò)活塞環(huán)傳出?；钊敽铜h(huán)帶斷面（1）活塞頂活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。所以在一般設(shè)計(jì)中，選取活塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面，并且保證銷座的強(qiáng)度不致因開槽而削弱，同時(shí)也不致因銷座處材料分布不均引起變形，影響油環(huán)工作。則 ， 。環(huán)岸的高度，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)破壞。但太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。（1）第一環(huán)位置根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂火力岸高度。因此，活塞頭部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：（1）保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛度，以免開裂和產(chǎn)生過(guò)大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過(guò)大勢(shì)必影響活塞環(huán)的正常工作；（2）保證溫度不過(guò)高，溫差小，防止產(chǎn)生過(guò)大的熱變形和熱應(yīng)力，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件，并避免頂部熱疲勞開裂；（3）尺寸盡可能緊湊，因?yàn)橐话銐嚎s高度縮短1單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度就可以縮短單位，并顯著減輕活塞重量。共晶鋁硅合金是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵正相反，鋁合金比重小，約占有灰鑄鐵的1/3，結(jié)構(gòu)重量?jī)H占鑄鐵活塞的。使活塞與氣缸間能保持較小間隙；（4）比重小。使散熱良好，強(qiáng)度、剛度符合要求，盡量減輕重量，避免應(yīng)力集中；（3）保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失；（4）在不同工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合；（5）減少活塞從燃?xì)馕盏臒崃?，而已吸收的熱量則能順利地散走；（6）在較低的機(jī)油耗條件下，保證滑動(dòng)面上有足夠的潤(rùn)滑油。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?。在機(jī)械載荷的作用下，活塞各部位了各種不同的應(yīng)力：活塞頂部動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應(yīng)力；環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。求得切向力、: 切向力、徑向力的計(jì)算結(jié)果四個(gè)沖程切向力/徑向力/進(jìn)氣終點(diǎn)壓縮終點(diǎn)膨脹終點(diǎn)排氣終點(diǎn) 本章小結(jié)本章首先分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，重點(diǎn)分析了活塞的運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上分析了每個(gè)工作過(guò)程的氣體壓力變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出各過(guò)程氣體力的理論計(jì)算公式，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的換算，并根據(jù)EA113型汽油機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出了各過(guò)程的氣體力，為后面章節(jié)的動(dòng)力仿真提供了理論數(shù)據(jù)的依據(jù)。是沿氣缸中心線方向作用的，公式（）前的負(fù)號(hào)表示方向與活塞加速度的方向相反。質(zhì)量與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量，即由上述換算方法計(jì)算得：往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量=，不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量=。它們的質(zhì)量可以看作是集中在活塞銷中心上，并以表示。③ 連桿相對(duì)重心G的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，即。 缸內(nèi)絕對(duì)壓力計(jì)算結(jié)果四個(gè)沖程終點(diǎn)壓力計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果/進(jìn)氣終點(diǎn)壓力壓縮終點(diǎn)壓力膨脹終點(diǎn)壓力排氣終點(diǎn)壓力注：—平均壓縮指數(shù)，=；—壓縮比，=；—平均膨脹指數(shù)，=；；—最大爆發(fā)壓力，=35，取=；此時(shí)壓力角=，取=。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡(jiǎn)化。 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力作用在活塞上的氣體作用力等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活塞頂面積的乘積，即 （）式中：—活塞上的氣體作用力，； —缸內(nèi)絕對(duì)壓力，； —大氣壓力，； —活塞直徑。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。只保留前兩項(xiàng)，則 （）將式（）帶入式（）得 （） 活塞的速度 將活塞位移公式（）對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分，即可求得活塞速度的精確值為 ()將式（）對(duì)時(shí)間微分，便可求得活塞速度得近似公式為： （）從式（）可以看出，活塞速度可視為由與兩部分簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所組成。當(dāng)=時(shí)，活塞銷中心A在最上面的位置A1，此位置稱為上止點(diǎn)。在實(shí)際分析中，為使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)化為分別集中于連桿大頭和小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需要對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究[9]。在關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，一個(gè)曲柄可以同時(shí)帶動(dòng)幾套副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機(jī)車用V形內(nèi)燃機(jī)[8]。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用并列連桿與叉形連桿的V形內(nèi)燃機(jī)，以及對(duì)置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。 第2章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力，關(guān)鍵在于分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、磨損等方面的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，以便達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求。因而在其仿真分析過(guò)程中對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助CAD軟件來(lái)完成，如Pro/E、UG、Solidworks等[4]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來(lái)精確求解各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。但是過(guò)去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻難以計(jì)算出供工程設(shè)計(jì)使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。不經(jīng)任何計(jì)算，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復(fù)雜[6]。解析法 解析法是對(duì)構(gòu)件逐個(gè)列出方程，通過(guò)各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來(lái)求解運(yùn)動(dòng)副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標(biāo)法等。目前國(guó)內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù)[34]。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第1章 緒　　論 選題的目的和意義曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過(guò)它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題[1]。 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀多剛體動(dòng)力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來(lái)的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉(zhuǎn)矩等的分析，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法[5]。解析法取點(diǎn)數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過(guò)去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析式，卻難以計(jì)算出供工程使用的計(jì)算結(jié)果，不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)。這些軟件的功能重點(diǎn)是在力學(xué)分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對(duì)這些復(fù)雜的曲柄連桿機(jī)構(gòu)零部件的三維建模很難實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有：（1）對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的計(jì)算和校核，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求；（2）分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的工作條件和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求；（3）應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)干涉，獲取分析結(jié)果；（4）應(yīng)用Pro/E軟件將零件模型圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用AutoCAD軟件，系統(tǒng)地反應(yīng)工程圖上的各類信息，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。 主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿，其它各列氣缸則用副連桿，這些連桿的下端不是直接接在曲柄銷上，而是通過(guò)副連桿銷裝在主連桿的大頭上，形成了“關(guān)節(jié)式”運(yùn)動(dòng)，所以這種機(jī)構(gòu)有時(shí)也稱為“關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)”。當(dāng)曲柄按等角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄OB上任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng)，其大頭B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 活塞位移假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄轉(zhuǎn)角為，并按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，連桿軸線在其運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為， 所示。式（）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，：即 又由于 （）將式（）帶入式（）得： x= （）式（）是計(jì)算活塞位移x的精確公式,為便于計(jì)算，可將式（）中的根號(hào)按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得：…考慮到≤ 1∕3，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。 活塞的加速度將式（）對(duì)時(shí)間微分，可求得活塞加速度的精確值為： （）將式（）對(duì)時(shí)間為微分，可求得活塞加速度的近似值為： （）因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由與兩部分組成。計(jì)算過(guò)程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照EA1113汽油機(jī)，如附表1所示。加速度從運(yùn)動(dòng)學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。質(zhì)量換算的目的是計(jì)算零件的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，以便進(jìn)一步計(jì)算它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的慣性力[9]。② 連桿重心的位置不變，即。將連桿分成若干簡(jiǎn)單的幾何圖形，分別計(jì)算出各段連桿重量和它的重心位置，再按照索多邊形作圖法，求出整個(gè)連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量和 ，： 索多邊形法[4]（2）往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量活塞（包括活塞上的零件）是沿氣缸中心做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的。為了便于計(jì)算，所有這些質(zhì)量都按離心力相等的條件，換算到回轉(zhuǎn)半徑為的連桿軸頸中心處，以表示，換算質(zhì)量為：式中：—曲拐換算質(zhì)量，； —連桿軸頸的質(zhì)量，； —一個(gè)曲柄臂的質(zhì)量，；—曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離。（1）往復(fù)慣性力 （）式中：—往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，； —連桿比； —曲柄半徑，； —曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，； —曲軸轉(zhuǎn)角。當(dāng)=時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得：求得 將分別代入式（）、式（），： 連桿力、側(cè)向力的計(jì)算結(jié)果四個(gè)沖程連桿力/側(cè)向力/進(jìn)氣終點(diǎn)壓縮終點(diǎn)膨脹終點(diǎn)排氣終點(diǎn)力通過(guò)連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也分解成兩個(gè)力，即推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)的切向力，即 （）和壓縮曲柄臂的徑向