【正文】 為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過(guò)渡處用山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 42 足夠大的圓角半徑。若襯套材料的膨脹系數(shù)比連桿材料的大，則隨工作時(shí)溫度升高，過(guò)盈增大，小頭斷面中的應(yīng)力也增大。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成 嚴(yán)重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會(huì)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作帶來(lái)不好的影響?；钊h(huán)的徑向厚度 t ，一般推薦值為：當(dāng)缸徑 D 為 mm100~50 時(shí)， 22~20t/D ? ，取mmDt ?? 。 驗(yàn)算比壓力 銷座比壓力為： )(2 0 Plld Pq ?? ? )( 5 5 1 0 ???? ?（ ） 一般 MPaq 60~40][ ? ?；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(zhǎng)度Dl )~(? ，取 mmDl ?? 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。 在確定裙部長(zhǎng)度時(shí)，首先根據(jù)裙部比壓最大的允許值，決定需要的最小長(zhǎng)度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改。 本文采用托板式裙部，這樣不僅可以減小活塞質(zhì)量，而且裙部具有較大的彈性，可使裙部與氣缸套裝配間隙減小很多，也不會(huì)卡死。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力 1p 比下面壓力 2p 大得多，不平衡力會(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力 maxp 時(shí)， max1 pp ? ， max2 pp ? ，如圖 所示。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對(duì)于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)無(wú)強(qiáng)制冷卻的活塞來(lái)說(shuō)，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占70～ 80%，經(jīng)活塞本身傳到氣缸壁的占 10～ 20%，而傳給曲軸箱空氣和機(jī)油的僅占 10%左右。 綜 上 所 述 ， 可 以 決 定 活 塞 的 壓 縮 高 度 1H 。 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。 （ 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 。 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。使活塞與氣缸間能保持較小間隙； （ 4）比重小。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨摺? 當(dāng) ? = ?13 時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得： ?? sinsin rl ? 求得 ?????? 13s i r c s i ns i na r c s i n lr ?? 將 ? 分別代入式（ ）、式（ ），計(jì)算結(jié)果如表 所示： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 表 連桿力 K 、側(cè)向力 N 的計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程 連 桿力 K /N 側(cè)向力 N /N 進(jìn)氣終點(diǎn) ? 42 .5315? 壓縮終點(diǎn) 33682 .13 2273 .30 膨脹終點(diǎn) .6971814? .984846? 排氣終點(diǎn) 35591 .43 力 K 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 T ， 即 ? ???? co s )s in ()s in ( ???? ?PKT （ ） 和壓縮曲柄臂的徑向力 Z ，即 ? ???? co s )co s ()co s ( ???? ?PKZ （ ） 規(guī)定力 T 和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為 正，力 Z 指向曲軸為正。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 r 的連桿軸頸中心處，以 km 表示，換算質(zhì)量km 為： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 remmm bgk 2?? 式中： km — 曲拐換算質(zhì)量， kg； gm — 連桿軸頸的質(zhì)量， kg； bm — 一個(gè)曲柄臂的質(zhì)量， kg； e — 曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離， m 。 ② 連桿重心 G 的位置不變，即 )( 1211 llmlm ?? 。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。而負(fù)載阻力與主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)，無(wú)需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)件的作用。 此時(shí)活塞的位移 x 為 : x= AA1 = AOOA ?1 =(r+ l ) )c o sc o s( ?? lr ?? = )]c o s1(1)c o s1[( ??? ???r（ ） 式中： ? — 連桿比。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其特點(diǎn)是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線，但不通過(guò)曲軸的回轉(zhuǎn)中心，氣缸中心線距離曲軸的回轉(zhuǎn)軸線具有一偏移量 e。 作功行程 ： 在這個(gè)行程中，進(jìn)、排氣門關(guān)閉 ， 當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，裝在氣缸體 (或氣缸蓋 )上的火化塞即發(fā)出電火花，點(diǎn)燃被壓縮的可燃混合氣。為了吸入新鮮 空氣 和排除廢氣，設(shè)有進(jìn)、排氣系統(tǒng)等。 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。 縱 觀世界汽車產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正以優(yōu)異的性能，更好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性為方向得到日益廣泛的重視和發(fā)展。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇。毫無(wú)疑問(wèn)，溫壓連桿一旦得到汽車制造廠家認(rèn)可，將很快進(jìn)入市場(chǎng)。 mechanism simulation。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟，但仍缺乏一種基于良好生產(chǎn)效益、經(jīng)濟(jì)效益上的綜合性分析，本次設(shè)計(jì)在清晰、全面剖析的基礎(chǔ)上，有機(jī)地將各研究模塊聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到既簡(jiǎn)便又清晰的設(shè)計(jì)目的，力求為發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一種綜合全面的思路。 crank linkage。至于新的發(fā)展趨勢(shì)， 曲軸 應(yīng)該是材料 方面 的改進(jìn)，比如碳材質(zhì)的，高速、高效加工在曲軸制造業(yè)已有相當(dāng)程 度的應(yīng)用，并成為主要發(fā)展方向，相信曲軸制造技術(shù)在將來(lái)會(huì)有更新、更快的發(fā)展。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。 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)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是提供燃燒場(chǎng)所，把燃料燃燒后氣體作用在活塞頂上的膨脹壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，不斷輸出動(dòng)力。） 第一缸 第二缸 第三缸 第四缸 0～ 180 做功 排氣 壓縮 進(jìn)氣 180～ 360 排氣 進(jìn)氣 做功 壓縮 360～ 540 進(jìn)氣 壓縮 排氣 做功 540～ 720 壓縮 做功 進(jìn)氣 排氣 原理性方案設(shè)計(jì) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。進(jìn)氣行程 ： 汽油機(jī)將空氣與燃料先在氣缸的外部的化油器中、節(jié)氣門體處或進(jìn)氣道內(nèi)進(jìn)行混合，形成可燃混合氣后被吸入氣缸。 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其特點(diǎn)是氣缸中心線通過(guò)曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。 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?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 ? ，如圖 所示。 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： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 ]c os 2s i n4c os 2c os[ c os 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 ?????? ????????? （ ） 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?? cos21 ra ? 與 ??? 2cos22 ra ? 兩部分組成。 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。 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 =3~ 5MPa ，取 maxp = ；此時(shí)壓力角 ? = ?? 15~10 ，取 ? = ?13 。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。 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。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。 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。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。而 1H 則直接受頭部尺寸的影響。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? 。 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。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? 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?；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(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?；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 。 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。 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。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]。 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。 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)。 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)。 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， ? ， ? 。 （ 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)。