【正文】 內(nèi)氣體壓力差，對于四沖程發(fā)動機來說，一般取=，,對于缸內(nèi)絕對壓力，在發(fā)動機的四個沖程中，：則由式（）。當或時，活塞速度為零，活塞在這兩點改變運動方向。 曲柄連桿機構(gòu)運動簡圖活塞做往復(fù)運動時，其速度和加速度是變化的。偏心曲柄連桿機構(gòu)其特點是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線，但不通過曲軸的回轉(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。當考慮到對多柔體系統(tǒng)進行動力學(xué)分析時，有時還需要結(jié)合Ansys等專業(yè)的有限元分析軟件來進行[7]。近年來隨著計算機的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計算表達式來精確求解各種運動過程和動態(tài)過程，從而形成了機械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計的現(xiàn)代理論和方法。圖解法圖解法形象比較直觀，機構(gòu)各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢均能通過圖解一目了然。目前多剛體動力學(xué)模擬軟件主要有Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS等。因此，曲柄連桿機構(gòu)是發(fā)動機中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動機工作的可靠性。為了真實全面地了解機構(gòu)在實際運行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動力學(xué)仿真技術(shù)，針對機構(gòu)進行了實時的，高精度的動力學(xué)響應(yīng)分析與計算，因此本研究所采用的高效、實時分析技術(shù)對提高分析精度，提高設(shè)計水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機構(gòu)在運行過程中的受力狀態(tài)，便于進行精確計算，對進一步研究發(fā)動機的平衡與振動、發(fā)動機增壓的改造等均有較為實用的應(yīng)用價值。其中機構(gòu)運動學(xué)分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系：動力學(xué)則是研究產(chǎn)生運動的力。該方法是機構(gòu)運動分析的較好方法。目前，在對內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)進行動力學(xué)分析時，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機商業(yè)軟件，如ADAMS等。中心曲柄連桿機構(gòu)其特點是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。 曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)，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。此時活塞的位移x為:x===(r+) = （）式中：—連桿比。而負載阻力與主動力處于平衡狀態(tài)，無需另外計算，因此主要研究氣壓力和運動質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對機構(gòu)構(gòu)件的作用。機構(gòu)運動件的質(zhì)量換算質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動力學(xué)等效性。由條件可得下列換算公式：用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置。往復(fù)質(zhì)量的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)慣性力。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)。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。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。綜合分析，該發(fā)動機活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。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。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。對于汽油機，所以。所以活塞頂厚度應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過渡圓角應(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]。（3）環(huán)岸和環(huán)槽環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計應(yīng)保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機油消耗量，防止活塞環(huán)粘著卡死和異常磨損，氣環(huán)槽下平面應(yīng)與活塞軸線垂直，以保證環(huán)工作時下邊與缸桶接觸，減小向上竄機油的可能性?；钊貧飧淄鶑?fù)運動時，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受由于連桿擺動所產(chǎn)生的側(cè)壓力。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。 活塞銷裙部的橢圓形狀[9]裙部的尺寸活塞裙部是側(cè)壓力的主要承擔者。如果把活塞銷偏心布置，則能使瞬時的過渡變成分布的過渡，并使過渡時刻先于達到最高燃燒壓力的時刻，因此改善了發(fā)動機的工作平順性[13]。 活塞銷座 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計 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。 本章小結(jié) 在活塞的設(shè)計過程中，分別確定了活塞、活塞銷、活塞銷座和活塞環(huán)的主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了其工作條件，總結(jié)了設(shè)計要求，選擇合適的材料，并分別進行了相關(guān)的強度和剛度校核，使其符合實際要求。 連桿長度的確定 設(shè)計連桿時首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長度它通常是用連桿比來說明的，取，則。（2）連桿小頭的疲勞安全系數(shù)連桿小頭的應(yīng)力變化為非對稱循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到連桿小頭的過渡處的外表面上為： （）式中：—材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），??； —材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，取=； —應(yīng)力幅， ； —平均應(yīng)力，；—工藝系數(shù)，；則 連桿小頭的疲勞強度的安全系數(shù)，一般約在范圍之內(nèi)[4]。 ；將式（）改為： 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　?。ǎ┦街?—連桿系數(shù)，；則擺動平面內(nèi)的合成應(yīng)力為：同理，在垂直于擺動平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： （） 　　 將式（）改成 （）式中：—連桿系數(shù)。連桿大頭的強度校核假設(shè)通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的連桿體上，固定角為，通常取，作用力通過曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規(guī)律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為。第5章 曲軸的設(shè)計 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 曲軸的工作條件和設(shè)計要求曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。為了提高曲軸的彎曲剛度和強度，采用全支撐半平衡結(jié)構(gòu)[11]，即四個曲拐，每個曲拐的兩端都有一個主軸頸，： 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 曲軸的材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強度決定著曲軸的體積、重量和壽命，作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機械性能以外，還要求高度的耐磨性、耐疲勞性和沖擊韌性。 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計 曲柄銷的直徑和長度 在考慮曲軸軸頸的粗細時，首先是確定曲柄銷的直徑。從曲軸各部分尺寸協(xié)調(diào)的觀點，建議取，取==54。~1，取=1。通過安裝平衡重可以抵消一部分離心慣性力，從而使軸頸表面的載荷分布比較均勻些，與此同時軸頸和軸承表面的平均載荷也可以相應(yīng)下降。從主軸頸向曲柄銷供油采用斜油道，主軸頸上的油孔入口應(yīng)保證向曲柄銷供油足夠充分，曲柄銷上油孔的出口應(yīng)設(shè)在負荷較低區(qū)，用以提高向曲柄銷的供油能力。一方面防止曲軸箱中的機油由這里漏出去，另一方面也防止外面的塵土等進入。這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。連續(xù)梁計算方法為：把曲軸簡化為支承在剛性支承上的圓柱形連續(xù)直梁，根據(jù)連續(xù)梁支承處偏轉(zhuǎn)角相等的變形協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)出各支承偏轉(zhuǎn)角變化總和為零的連續(xù)方程，這種方法在各單位曲拐長度相等的情況下認為它們的剛度相等，免去繁雜的曲拐剛度計算，同時又由于不考慮支座彈性等，得到三彎矩方程，借助三彎矩方程進行計算，得各支承處在曲拐平面和曲拐平面的垂直面內(nèi)的彎矩，然后把第支承和第支承點處的主軸頸截面的彎矩（曲拐平面內(nèi)）、（曲拐平面的垂直面內(nèi)）和、再根據(jù)此新模型確定各支反力、各危險截面的內(nèi)力矩，進而計算各名義應(yīng)力[17]。 各工況下載荷數(shù)據(jù) （單位：）工況一二三四 各工況下曲拐平面內(nèi)彎矩計算結(jié)果 （單位：）工況一二三四25 （單位：）工況一二三四 曲拐平面的垂直平面內(nèi)彎矩計算結(jié)果 （單位：）工況一二三四支反力計算求得各支承彎矩后。 本章小結(jié)本章首先分析了曲軸的工作條件和設(shè)計要求，在合理選擇材料的基礎(chǔ)上，對曲軸的各個部分進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，并進行有關(guān)的尺寸校核，使其符合實際加工的要求，還對曲軸的一些細節(jié)進行了設(shè)計，如油孔的位置以及曲軸的軸向定位等問題，給予了合理的解釋，最后對曲軸進行了疲勞強度校核。要適應(yīng)這樣惡劣的工作條件，必須具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。（2）鏡像生成活塞的整個輪廓。（4）運用【拉伸工具】，拉伸方式為“通孔”，選擇【去除材料】，創(chuàng)建裙部特征。創(chuàng)建頂部凹槽運用【拉伸工具】，拉伸方式為【盲孔】，選擇【去除材料】，生成頂部凹槽。（2）連桿毛坯通過鍛造成型，因此，連桿體和連桿蓋都具有模鍛斜度，包括連桿體上的槽和凸臺。鏡像生成完整連桿體特征運用【鏡像工具】，選擇所有特征，生成完整的連桿體特征。 曲軸的建模步驟創(chuàng)建第Ⅰ平衡塊（1）運用【拉伸工具】創(chuàng)建曲軸主軸頸的1/2部分。細化曲軸兩端特征在曲軸兩端平面上，運用【孔工具】，【陣列工具】，添加螺紋孔。（2）運用【拉伸工具】創(chuàng)建螺母輪廓，然后選擇【去除材料】，并運用【旋轉(zhuǎn)工具】創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)切削特征，然后運用【螺旋掃描】創(chuàng)建螺紋。利用伺服電動機驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動。： 活塞組裝配結(jié)果 連桿組件的裝配步驟向組件。（4）干涉檢驗與視頻制作。第7章 曲柄連桿機構(gòu)運動分析四缸發(fā)動機曲軸、連桿和活塞的運動是較復(fù)雜的機械運動。 　 曲軸前端特征 　 曲軸后端特征創(chuàng)建倒圓角及油孔（1）運用“倒圓角”命令，分別對曲軸主軸頸、連桿軸頸與平衡塊連接處的邊進行圓角修整。（3）選取上一步完成的凸肩曲面作為草繪平面，并拉伸為實體。創(chuàng)建連桿體小頭凸臺及孔（1）新建基準平面，完成拉伸草繪，拉伸方式為【拉伸到下一個曲面】。 連桿的建模思路連桿由連桿體和連桿蓋組成，所以可以對連桿體和連桿蓋分別建模，完成后進行裝配。（2）選擇【陣列工具】，對上一步創(chuàng)建的特征進行再生，生成一些活塞環(huán)槽護圈。（2）選取草繪平面，運用【拉伸工具】，拉伸方式為【至曲面】，生成凸臺。（4）創(chuàng)建活塞頭部的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。（2）在活塞的頭部有三道環(huán)形槽，上邊兩道環(huán)形槽為氣環(huán)槽，下邊一條為油環(huán)槽。無論是造型設(shè)計、工程出圖，以及3D裝配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可動態(tài)修改的特點。 （單位：）工況一二3635三四 （單位：）工況一0二0三0四0可見，各支座在曲拐平面內(nèi)的值比曲拐平面的垂直面內(nèi)的值大得多。由材料力學(xué)知：在支承處左端梁轉(zhuǎn)角和右端梁轉(zhuǎn)角為（若）： （） （）由變形協(xié)調(diào)條件=， 連續(xù)梁受力圖=又因為，所以 （）設(shè)第一支承和最后一個支承處的彎矩為零，即。 曲軸的止推曲軸由于受熱膨脹而伸長或受斜齒輪即離合器等的軸向力會產(chǎn)生軸向移動，為了控制發(fā)動機在工作時曲軸的軸向竄動，在曲軸上設(shè)置有軸向定位裝置，同時為了保證曲軸在受熱膨脹時有一定的自由伸長量，所以曲軸上只能有一處軸向定位。所謂迷宮槽是在軸上或在曲軸箱的對應(yīng)孔壁上制出螺紋，螺紋的螺旋方向與軸的螺旋方向相反。由于油道位于曲拐平面內(nèi)，油道出口處應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴重，當油道中心線與軸頸中心線的夾角時，最大應(yīng)力增加很快，因此油孔設(shè)在小于處[10]。設(shè)計平衡重時，應(yīng)盡可能使平衡重的重心遠離曲軸旋轉(zhuǎn)中心，即用較輕的重量達到較好的效果，以便盡可能減輕曲軸重量。 平衡重對四拐曲軸來說，作用在第2拐和第4拐上的離心慣性力互成力偶。據(jù)統(tǒng)計，取==。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力增大，隨曲軸及軸承的工作帶來不利，對于汽油機，為氣缸直徑，已知=，則，曲柄銷直徑取為==。在保證曲軸有足夠強度的前提下，盡可能采用一般材料。特別在曲柄至軸頸的圓角過渡區(qū)、潤滑油孔附近以及加工粗糙的部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。 連桿螺栓的設(shè)計 連桿螺栓的工作負荷與預(yù)緊力根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計，取。（3）連桿桿身的安全系數(shù)連桿桿身所受的是非對稱的交變循環(huán)載荷，把或看作循環(huán)中的最大應(yīng)力，看作是循環(huán)中的最小應(yīng)力，即可求得桿身的疲勞安全系數(shù)。 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度約等于(為氣缸直徑)，取，截面高度，取。為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為，取，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。因此，連桿體除有上下運動外，還左右擺動，做復(fù)雜的平面運動。氣環(huán)，油環(huán)，取。活塞銷座的內(nèi)徑，活塞銷座外徑一般等于內(nèi)徑的倍，取，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)計成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為，但當制造精