【正文】 真，可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真， 可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿(mǎn)足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正 [2]。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題 [1]。 54 定義伺服電動(dòng)機(jī) 52 活塞及連桿的裝配 48 曲軸的特點(diǎn)分析 43 活塞的特點(diǎn)分析 37 作用于單元曲拐上的力和力矩 35 平衡重 33 本章小結(jié) 1 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 1 選題的目的和意義 Ⅱ 1 前言 首先，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)為依據(jù) ， 對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)中的受力等問(wèn)題進(jìn)行詳盡的分 析 ， 并得到了精確的分析結(jié)果。 4 活塞位移 7 機(jī)構(gòu)的慣性力 14 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 23 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 25 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 33 5 曲軸的設(shè)計(jì) 34 曲軸的材料 34 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 34 曲柄銷(xiāo)的直徑和長(zhǎng)度 50 活塞銷(xiāo)的創(chuàng)建 51 本章小結(jié) 55 建立運(yùn)動(dòng)分析 55 進(jìn)行干涉檢驗(yàn)與視頻制作 61 致謝 62 附錄 63 1 1 前 言 選 題的目的和意義 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是 發(fā)動(dòng) 機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過(guò)它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 解析法 解析法是對(duì)構(gòu)件逐個(gè)列出方程，通過(guò)各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程 組 來(lái)求解運(yùn)動(dòng)副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標(biāo)法等。但是過(guò)去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻 難以計(jì)算出供工程設(shè)計(jì)使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。 3 設(shè)計(jì) 研究的 主要 內(nèi)容 對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 進(jìn)行 深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有 ： （ 1） 對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析， 分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零 部 件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的 計(jì)算和校核 ，以便 達(dá)到設(shè)計(jì)要求； （ 2） 分析 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 中主要零部件如 活塞，曲軸，連桿 等的工作條件和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求 ； （ 3） 應(yīng)用 Pro/E 軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體 模型， 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(cè)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(lèi)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)。 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(xiāo)上，而是通過(guò)副連桿銷(xiāo)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(chēng)為 “ 關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu) ” 。 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 公式 6 對(duì)時(shí)間 t 微分，可求得活塞加速度的精確值為 ： ]c o s 2s in4c o s 2c o s[ c o s 3232 ???????? ?????? rdtdadadvdtdva （ 公式 8） 將式 公式 7 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 ?????? ????????? （ 公式 9） 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(xiāo)中心上，并以 hm 表示。 jP 是沿氣缸中心線方向作用的，公式 （ 211） 前的負(fù)號(hào)表示 jP 方向與活塞加速度 a 的方向相反。 在機(jī)械載荷的作用下，活塞各部位 承受 了各種不同的應(yīng)力：活塞頂部 承受 動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力；活塞銷(xiāo)座承受拉壓及彎曲 應(yīng)力 ；環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。使散熱良好，強(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； （ 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(rùn)滑油。 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?jī)H占鑄鐵活塞的 %70~50 。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(kāi)裂和產(chǎn)生過(guò)大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過(guò)大勢(shì)必影響活塞環(huán)的正常工作； （ 2）保證溫度不過(guò)高，溫差小，防止產(chǎn)生過(guò)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(kāi)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)高度就可以縮短 2~ 單位，并顯著減輕活塞重量。但 b 太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。 則 mmDc 4 ?? ， mmbc 12 ???? 。 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)。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。一般該倒角為?45)~( ? 。在通19 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 0 0 )(4)( DptDDpp ????? ? （ 公式 19） 而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 DcDc 2121 ??? 所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 21m a x213m a x )(05 00 cDpDcDp ??? （ 公式 20） ) ( 2 ???? 2/cmN 同理得剪切應(yīng)力 為 ： 1m a x ????? cDp? 2/cmN （ 公式 21） 接合成應(yīng)力公式 為： 2222 ??????? ??? 2/mmN （ 公式 22） 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 。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷(xiāo)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(zhǎng)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。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的 ： )2c os1(4 ?? ???? dD （ 公式 23） 式中 D 、 d 分別為橢圓的長(zhǎng)短軸，如圖 33 所示 。 則 7 41 0 ???q MPa 一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比壓值。 圖 33 活塞銷(xiāo)裙部的橢圓形狀 [9] Figure33 Piston Skirt oval shape 裙部的尺寸 活塞裙部是側(cè)壓力 N 的主要承擔(dān)者。 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?；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 。活塞環(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 在 主次推力面?zhèn)龋赜涂讓?duì)降低機(jī)油消耗量有重要意義，三道活塞環(huán)的開(kāi)口間隙及側(cè)隙 如 表 所示 : 18 表 31 活塞環(huán)的開(kāi)口間隙及側(cè)隙 Table31 Piston ring opening clearance and backlash 活塞環(huán) 開(kāi)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。? 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。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用平頂活塞，由于 EA113 5V 發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓縮比 ?? ，因而采用近似于平頂?shù)幕钊? （ 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(xiāo)軸線到最低環(huán)槽（油環(huán)槽）的距離 h3。 該發(fā)