【正文】 ，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 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)針方向旋轉(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 ? ，如圖 所示 。 式（ ）可進(jìn)一步簡化，由圖 可以看出： ?? sinsin lr ? 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 即 ???? s i ns i ns i n ?? lr 又由于 ???? 222 s i n1s i n1c o s ???? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得： x= )]s in1(1c os1[ 22 ???? ???r （ ） 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： ?????? ???????? 6642222 s i n161s i n81s i n1s i n1 … 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 t 微分，可求得活塞加速度的精確值為 ： ]c os 2s i n4c os 2c os[c o s 3232 ???????? ?????? rdtdadadvdtdva （ ） 將式（ ）對(duì)時(shí)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 ?????? ????????? （ ） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由 ?? cos21 ra ? 與??? 2cos22 ra ? 兩部分組成。 計(jì)算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照 EA1113 汽油機(jī)，如附表 1 所示。 機(jī)構(gòu)的慣性力 慣性力是由于運(yùn)動(dòng)不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機(jī)構(gòu)的慣性力，必須先知道其加速度和質(zhì)量的分布。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量換算 質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)等效性。 ppr ? 注： 1n —平均壓縮指數(shù)， 1n = ~ ； ? —壓縮比， ? =； 2n —平均膨脹指數(shù)，2n =~ ； ???? ； maxp —最大爆發(fā)壓力， maxp =3~ 5MPa ，取 maxp = ； 此時(shí)壓力角 ? = ?? 15~10 ，取 ? = ?13 。 ③ 連桿相對(duì)重心 G 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GI 不變，即 GIllmlm ??? 222211 )( 。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。 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)質(zhì)量 rm = 。 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。 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) ? ? 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)工作過程的氣體壓力變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出各過程氣體力的理論計(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)。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。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?。使散熱良好，?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； 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 （ 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)面上有足夠的潤滑油。使活塞與氣缸間能保持較小間隙； （ 4） 比重小。 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)重量僅占鑄鐵活塞的 %70~50 。 共晶鋁硅合金是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。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)生過大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過大勢必影響活塞環(huán)的正常工作； （ 2）保證溫度不過高，溫差小，防止產(chǎn)生過大的熱變形和熱應(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 1H 縮短 1 單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度就可黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 以縮短 2~ 單位，并顯著減輕活塞重量。 （ 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 1h 。但 b 太 小，使制環(huán)工藝?yán)щy。 環(huán)岸的高度 c ，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)破壞。 則 mmDc ?? ， mmbc 12 ???? 。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。 活塞頂和環(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)?；钊斀邮艿臒崃?，主要通過活塞環(huán)傳出。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。 t?? 。一般該倒角為?45)~( ? 。 （ 4）環(huán)岸的強(qiáng)度校核 在膨脹沖程開始時(shí)，在爆發(fā)壓力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。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(xiǎn)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： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 2222 ??????? ??? 2/mmN （ ） 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40~30][ ?? 2/mmN ， ][?? ?? ，校核合格 。 分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)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(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。解決這個(gè)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小；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(jì)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。 則 ???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? 所以彎曲應(yīng)力為 WM?? 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 即 )1( )( 431 1?? ???? ? d lllP P （ ） )( )( 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 220 ?