【正文】 壓縮前氣缸中氣體的最大容積與山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 壓縮后的最小容積之比稱為壓縮比 。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。 圖 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 計(jì)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。當(dāng)? =180? 時(shí)， A 點(diǎn)在最下面的位置 A2，此位置稱為下止點(diǎn)。由于摩擦力的數(shù)值較小且變化規(guī)律很難掌握，受力分析時(shí)把摩擦阻力忽略不計(jì)。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡(jiǎn)化。為了方便計(jì)算， 將整個(gè)連桿（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量 Lm 用兩個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，如圖 所示： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 連桿質(zhì)量的換算簡(jiǎn)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(gè)條件： ① 連桿總質(zhì)量不變，即 21 mmmL ?? 。 （ 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 ： 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(shí)，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。 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(gè)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(gè)沖程 氣壓力 gP /N 往復(fù)慣性力 jP /N 總作用力 ?P /N 進(jìn)氣終點(diǎn) ? ? 壓縮終點(diǎn) 33708 .3 膨脹終點(diǎn) ? ? 排氣終點(diǎn) 33708 .3 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 作用在機(jī)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(shí)為正號(hào)，使連桿受拉時(shí)為負(fù)號(hào)，缸 壁的側(cè)向力 N 的符號(hào)規(guī)定為：當(dāng)側(cè)向力所形成的反扭矩與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，側(cè)向力為正值，反之為負(fù)值。 活塞的熱負(fù)荷 活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔茫細(xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá) CC ?? 2500~20xx 。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力； （ 3）膨脹系數(shù)小。對(duì)汽油機(jī)來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件 。盡量降低活塞壓縮高度是 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，壓縮高度 1H 是由火力岸高度 1h 、環(huán)帶高度 2h 和上裙尺寸 3h 構(gòu)成的，即 1H =1h +2h +3h 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 為了降低壓縮高度，應(yīng)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡 量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? 。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?；钊斀邮艿?熱量，主要通過活塞環(huán)傳出。 t?? 。 （ 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。 分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。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?。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]。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?；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”。 活塞銷座的內(nèi)徑 mmd ? ， 活塞銷座外徑 d 一般等于內(nèi)徑的~ 倍，取 mmdd 0 ?? ， 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(jì)成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為 mm5~4 ，山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 35 但當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共 mm3~2 就足夠了，取間隙 為 mm3 。氣環(huán) mmb ~? ，油環(huán) mmb 5~3? ，取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? 。 設(shè)計(jì)要求 連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有在足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。 連桿小頭的強(qiáng)度校核 以過盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓 力。 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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 B 約等于 D)~( (D 為氣缸直徑 )，取 mmDB ?? ，截面高度 BH )~(? ，取 mmBH ?? 。 連桿桿身的強(qiáng)度校核 連桿桿身在不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計(jì)算斷面以上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃?xì)鈮毫蛻T性力差值的壓縮，為了計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，必須現(xiàn)求出計(jì)算斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。 所以設(shè)計(jì)連桿的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 活塞環(huán)在工作時(shí)，因剪應(yīng)力和軸向力影響較小，所以只計(jì)算彎矩。 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。表面加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好。 裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計(jì)算： 2maxDHNq? （ ） 式中： maxN — 最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得， maxN = D — 活塞直徑， mm； 2H — 裙部高度， mm 。 把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面。 已知 maxp = MPa ，則 M P ap ??? ，M P ap ??? ， 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 圖 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 圖 第一環(huán)岸的受力 環(huán)岸是一個(gè)厚 1c 、內(nèi)外圓直徑為 39。槽底圓角一般為 ~。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 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)山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度 [9]。 對(duì) 于 汽 油 機(jī)DH )~(1 ? ，所以 mmDH 3 8 6 ????? 。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。為縮小 1H ，當(dāng)然希望 1h 盡可能小，但 1h 過小會(huì)使第一環(huán)溫度過高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。含硅 9%左右的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重； （ 5）有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。?，耐磨、耐蝕； （ 6）工藝性好，低廉?；钊粌H溫度高，而且溫度分布不均勻，各點(diǎn)間有很大的溫度梯度，這就成為熱應(yīng)力的根源，正是這些熱應(yīng)力對(duì)活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用 [9]。 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) .7120840? .1968724? 排氣終點(diǎn) 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 4 活塞、連桿組的設(shè)計(jì) 活塞的設(shè)計(jì) 活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，它們是發(fā)動(dòng) 機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。 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) rm =。 ③ 連桿相對(duì)重心 G的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GI 不變，即 GIllmlm ??? 222211 )( 。 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。計(jì)算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照桑塔納 20xxAJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)，如附表 1 所示。 式（ ）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由圖 可以看出： ?? sinsin lr ? 即 ???? s ins ins in ?? lr 又由于 ???? 222 s in1s in1c os ???? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 X= )]s in1(1c o s1[ 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)。 設(shè)方案主要圍繞以下內(nèi)容展開：以活塞的 位移、速度、加速度為主對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析；曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力主要以氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力和機(jī)構(gòu)的慣性力展開；連桿組的設(shè)計(jì)分為連桿的工作情況、材料選取、小頭和大頭的強(qiáng)度及剛度計(jì)算、螺栓的負(fù)荷與預(yù)緊力的計(jì)算機(jī)強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算；曲軸設(shè)計(jì)方面主要以曲軸結(jié)構(gòu)型式、材料的選取、尺寸的確定及疲勞強(qiáng)度校核為主；應(yīng)用 ProE 建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零件模型并進(jìn)行裝配，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以減小膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側(cè)壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時(shí)作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻。排氣行程 ： 可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán) ， 當(dāng)膨脹接近終了時(shí)，排氣門丌啟，靠廢氣的壓力進(jìn)行自由排氣，活塞到達(dá)下止點(diǎn) 后再向上止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，繼續(xù)將廢氣強(qiáng)制排到大氣中?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其頂面從一個(gè)方向轉(zhuǎn)為相反 方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置稱為止點(diǎn)。 在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模 式中，為了滿足設(shè)計(jì)的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)為了滿足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，同時(shí)要滿足校核計(jì)算，還需要對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 機(jī)的環(huán)保與節(jié)能將成為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。解析法取點(diǎn)數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。（ 3）鋁基粉末鍛造連桿若開發(fā)成功，一定會(huì)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大沖擊，值得關(guān)注。 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 摘要 ........................................... I ABSTRACT ...................................... II 1 緒論 ......................................... 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................... 1 研究的目的及意義 ........................................ 3 研究的主要內(nèi)容 ........................................... 3 2 總體方案的設(shè)計(jì) ................................ 5 原始參數(shù)的選定 ........................................... 5 原理性方案設(shè)計(jì) ........................................... 6 結(jié)構(gòu)性方案設(shè)計(jì) .......................................... 7 設(shè)計(jì)方案的確定 .......................................... 8 3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 .......................... 10 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) .............