【正文】 （ 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，以便實現(xiàn)對機構(gòu)的進一步精確設(shè)計和檢驗。這種型式的曲柄連桿機構(gòu)在內(nèi)燃機中應(yīng)用最為廣泛。在關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)中，一個曲柄可以同時 帶動 幾 套 副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使內(nèi)燃機長度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機車用 V 曲柄連連桿機構(gòu)簡圖如圖 所示，圖 中氣缸中心線通過曲軸中心 O，OB 為曲柄， AB 為連桿， B 為曲柄銷中心， A 為連桿小頭孔中心或活塞銷中心。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對曲柄連桿機構(gòu)以及發(fā)動機整體 工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機構(gòu)運本科生畢業(yè)設(shè)計 5 動規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運動規(guī)律。 此時活塞的位移 x 為 : x= AA1 ==(r+l ) )co sco s( ?? lr ?? = )]c os1(1)c os1[( ??? ???r （ ） 式中 ： ? — 連桿比。 活塞的加速度 將式（ ）對時間 t 微分，加速度的精確值為 ： ]c os 2s i n4c os 2c os[c os 3232 ???????? ?????? rdtdadadvdtdva （ ） 將式（ ）對時間 t 為微分，可求得活塞加速度的近似值為 ： 21222 2c o sc o s)2c o s( c o s aarrra ?????? ????????? （ ） 因此，活塞加速度也可以視為兩個簡 諧運動加速度之和，即由 ?? cos21 ra ? 與??? 2cos22 ra ? 兩部分組成。 計算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照 EA1113 汽油機，如附表 1 所示。加速度從運動學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。質(zhì)量換算的目的是計算零件的運動質(zhì)量，以便進一步計算它們 進氣終點壓力dep 39。為了方便計算，將整個連桿（包括有關(guān)附屬零件）本科生畢業(yè)設(shè)計 8 的質(zhì)量 Lm 用兩個換算質(zhì)量 1m 和 2m 來代換，并假設(shè)是 1m 集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)運動的質(zhì)量； 2m 是集中作用在連桿大頭中心處，并只沿著圓 周做旋轉(zhuǎn)運動的質(zhì)量 ， 如圖 所示 ： 圖 連桿質(zhì)量的換算簡圖 為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效，必須滿足下列三個條件： ① 連桿總質(zhì)量不變，即 21 mmmL ?? 。由條件可得下列換算公式： lllmm L 11 ??? llmm L 12 ?? 用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置 G 。 （ 3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖 所示 ： 圖 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量 曲拐在繞軸線旋轉(zhuǎn)時，曲柄銷和一部分曲柄臂的質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質(zhì)量。往復(fù)質(zhì)量 jm 的往復(fù)慣性力 jP 和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm 的旋轉(zhuǎn)慣性力 rP 。 活塞上的總作用力 ?P 分解與傳遞 如圖 所示， 首先，將 ?P 分解成兩個分力：沿連桿軸線作用的力 K ，和把活塞壓向氣缸壁的側(cè)向力 N ， 其中沿連桿的作用力 K 為： ?cos1??PK （ ） 而側(cè)向力 N 為： ?tan??PN （ ） 表 作用在活塞上的總作用力 ?P 四個沖程 氣壓力 gP /N 往復(fù)慣性力 jP /N 總作用力 ?P /N 本科生畢業(yè)設(shè)計 12 進氣終點 ? ? 壓縮終點 膨脹終點 ? ? 排氣終點 圖 作用在機構(gòu)上的力和力矩 連桿作用力 K 的方向規(guī)定如下：使連桿受壓時為正號，使連桿受拉時為負號，缸 壁的側(cè)向力 N 的符號規(guī)定為：當側(cè)向力所形成的反扭矩與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反時，側(cè)向力為正值，反之為負值。發(fā)動機的工作可靠性與使用耐久性，在很大程度上與活塞組的工作情況有關(guān)。 為適應(yīng)機械負荷，設(shè)計活塞時要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強度、剛度前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡單、輕巧 ， 截面變化處的過渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中。 磨損強烈 發(fā)動機在工作中所產(chǎn)生的側(cè) 向 作用力是較大的，同時，活塞在氣缸中的高速往復(fù)運動，活塞組與氣缸表面之間 會 產(chǎn)生強烈磨損 ， 由于此處潤滑條件較差，磨損情況比較嚴重。即在 C?400~300 高溫下仍有足夠的機械性能，使零件不致?lián)p壞； （ 2） 導(dǎo)熱性好，吸熱性差。 在發(fā)動機中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強度高、成本低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。鋁合金另一突出優(yōu) 點是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的 4~3 倍，使活塞溫度顯著下降。 綜合分析， 該發(fā)動機活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。 壓縮高度的確定 活塞壓縮高度的選取將直接影響發(fā)動機的總高度，以及氣缸套、機體的尺寸和質(zhì)量。因此火力岸高度的選取原則是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。 該發(fā)動機采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱之為壓縮環(huán)（氣環(huán)），第三環(huán)稱之為油環(huán)。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。 （ 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。對于汽油機 DH )~ 5(1 ? ，所以mmDH ????? 。大多數(shù)汽油機正是采用平頂活塞，由于 EA113 5V 發(fā)動機為高壓縮比 ?? ，因而采用近似于平頂?shù)幕钊?。所以活塞頂厚?? 應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過渡圓角 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)的熱負荷，并降低了最高溫度 [9]。? 使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過多地集中本科生畢業(yè)設(shè)計 18 在最高一環(huán)，其平均值為 39。槽底圓角一般為 ~?；钊h(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?對降低機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 : 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。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直徑 mmDD ????? ，環(huán)槽深 t? 為： mmDt ????? 于是作用在岸根的彎矩為 3m a x2221 )(4)( DptDDpp ????? ? （ ） 而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 DcDc 3121 ??? 所以環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應(yīng)力 21m a x213m a x )(0 0 2 cDpDcDp ??? （ ） ) ( 2 ???? 2/cmN 同理得剪切應(yīng)力 為： 1m a x ????? cDp? 2/cmN （ ） 接合成應(yīng)力公式 為： 本科生畢業(yè)設(shè)計 20 2222 ??????? ??? 2/mmN （ ） 考慮到鋁合金在高溫下的強度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力40~30][ ?? 2/mmN ， ][?? ?? ，校核合格 。 分析活塞在發(fā)動機中工作時裙部的變形情況。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時沿銷座方向漲大，使裙部截面的形狀變成為 “ 橢圓 ” 形，使得在橢圓形長軸方向上的兩個端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。解決這個問題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少從活塞頭部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最??；活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小 等相適應(yīng) [12]。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計的 ： )2c os1(4 ?? ???? dD （ ） 式中 D 、 d 分別為橢圓的長短軸，如圖 所示 。因此，在決定活塞裙部長度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。 銷孔的位置 活塞銷與活塞裙軸線不相交，而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面（稱為主推力面，相對的一面稱為次推力面?zhèn)葔毫ψ饔梅较蚋淖儠r，活塞 從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個地橫掃過來變到主推力面貼緊氣缸壁的另一面，與氣缸發(fā)生 “ 拍擊 ” ，產(chǎn)生噪音，有損活塞耐久性?；钊N的外直徑Dd )~(1 ? ，取 mmDd ?? ， 活塞銷的內(nèi)直徑 12 )~( dd ? ，取mmdd 12 ?? 活塞銷長度 Dl )~(? ，取 mmDl 7 8 ?? 活塞銷的材料 活塞銷材料為低碳合金鋼，表面滲碳處理，硬度高、耐磨、內(nèi)部沖擊韌性好。橫斷截面的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中性層上 [14]，其值按下式計算： )1( )1( 4212m a x ? ??? ? ??? ?dP （ ） )(22 )( 422? ???? ? 已知許用彎曲應(yīng)力 M Pa500~230][ ?? ； 許用剪切應(yīng)力 M Pa220~120][ ?? ， 那么校核合格。 驗算比壓力 銷座比壓力為： )(2 0 Plld Pq ?? ? )(222 ???? ? ][q? （ ） 一般 MPaq 60~40][ ? 。 本科生畢業(yè)設(shè)計 24 第二道活塞環(huán)為鼻形環(huán)，材料為鑄鐵，鼻形環(huán)可防止泵油現(xiàn)象，活塞向上運動時潤滑效果好?；钊h(huán)的徑向厚度 t ，一般推薦值為：當缸徑 D 為 mm100~50 時， ~?Dt ，取 mmDt ?? 。 套裝應(yīng)力 活塞環(huán)往活塞上套裝時，要把切口扳得比自由狀態(tài)的間隙還大，對于均壓環(huán)，此時的正對切口處