【正文】 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先流出較大的間隙?；钊貧飧淄鶑瓦\動時，依靠裙部起導向作用 ， 并承受由于連桿擺動所產(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)定和降低機油消耗量，側(cè)隙確定油環(huán)槽中必須設有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)?，回油孔對降低機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 : 第 3章 活塞組的設計 11 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。? 使導熱良好，不讓熱量過多地集中在最高一環(huán)，其平均值為 39。大多 柴 柴油機 正是采用 平頂活塞，由于 ?? ，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最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽（油環(huán)槽）的距離 h1。 該發(fā)動機采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱之為壓縮環(huán)（氣環(huán)），第三環(huán)稱之為油環(huán)。 壓縮高度的確定 活塞壓縮高度的選取將直接影響發(fā)動機的總高度，以及氣缸套、機體的尺寸和質(zhì)量。鋁合金另一突出優(yōu)點是導熱性好，其熱傳導系數(shù)約為鑄鐵的 4~3 倍，使活塞溫度顯著下降。即在 C?400~300 高溫下仍有足夠的機械性能，使零件不致?lián)p壞； （ 2） 導熱性好，吸熱性差。 為適應機械負荷，設計活塞時要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強度、剛度前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡單、輕巧 ， 截面變化處的過渡要圓滑，以減少應力集中。 當 ??0? 或 ?180 時，活塞速度為零 ，活塞在這兩點改變運動方向。 圖 曲柄連桿機構(gòu)運動簡圖 活塞做往復運動時，其速度和加速度是變化的。 隨著發(fā)動機強化指標的不斷提高，機構(gòu)的工作條件更加復雜。多剛體動力學模擬軟件的最大優(yōu)點在于分析過程中無需編寫復雜仿真程序，在產(chǎn)品的設計分析時無需進行樣機的生產(chǎn)和試驗。摘要 I（活塞） 進行了結(jié)構(gòu)設計計算，并對 活塞 進行了 有關(guān) 運動學和動力學的理論分析與 實體模型的創(chuàng)建（運用 Pro/E） 。對內(nèi)燃機產(chǎn)品的部件裝配進行機構(gòu)運動仿真，可校核部件運動軌跡，及時發(fā)現(xiàn)運動干涉；對部件裝配進行動力學仿真，可校核機構(gòu)受力情況；根據(jù)機構(gòu)運動約束及保證性能最優(yōu)的目標進行機構(gòu)設計優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對設計提供指導和修正 [2]。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設計過程中保證機構(gòu)具有足夠的疲勞強度和剛度及良好的動靜態(tài)力學特性成為曲柴油機改進 —— 活塞組的設計 2 柄連桿機構(gòu)設計的關(guān)鍵性問題 [1]。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對曲柄連桿機構(gòu)以及發(fā)動機整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機構(gòu)運動規(guī)律的主要任務就是研究活塞的運動規(guī)律。當 ??90? 時，?rv? ，此時活塞得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。 活塞的熱負荷 活塞在氣缸內(nèi)工作時，活塞頂面承受瞬變高溫燃氣的作用，燃氣的最高溫度可達 CC ?? 2500~2021 。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應力； （ 3） 膨脹系數(shù)小。對 柴油機 來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動機性能創(chuàng)造了重要的條件。盡量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動機活塞設計的一個重要原則，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 為了降低壓縮高度，應在保證強度的基礎上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? 。為了保證油環(huán)工作良好，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會使油環(huán)卡住而失效。實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度， 柴油機 為D)~(?? ，即 )( ???? 。)~(39。一般氣環(huán) ?? = 毫米，油環(huán)的 ?? 則更大些，如圖 所示 。所以裙部的設計要求，是保證活塞得到良好的導向，具有足夠的實際承壓面積，能形成足夠厚 的潤滑油膜，既不因間隙過大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過小而導致活塞拉傷。當然間隙也不能留得過大，否則又會產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤滑油膜，其表面比壓 q 不應超過一定的數(shù)值。 活塞銷的設計 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 活塞銷的結(jié)構(gòu)和尺寸 活塞銷的結(jié)構(gòu)為一圓柱體，中空形式，可減少往復慣性質(zhì)量，有效利用材料。銷座應當有足夠的強度和適當?shù)膭偠龋逛N座能夠適應活塞銷的變形，避免銷座產(chǎn)生應力集中而導致疲勞斷裂；同時要有足夠的承壓表面和較高的耐磨性。 活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度 b 、環(huán)的徑向厚度 t 。 柴油機改進 —— 活塞組的設計 20 第 4章 活塞的建模 對 Pro/E軟件基本功能的介紹 Pro/E 軟件是美國 PTC 公司推出的大型 CAD/CAM/CAE 一體化軟件。 （ 1） 活塞頂部外表面設計成凹面形，以利于燃燒室內(nèi)的氣體形成渦流，使燃料與空氣混合得更均勻，燃燒得更充分。 （ 3） 創(chuàng)建活塞的頂部凹槽特征。 （ 4）對生成的活塞銷孔邊和凸臺邊分別進行倒圓角。 在此基礎上，又進行了動力學方面的理論分析，重點分析 了活塞的運動規(guī)律。分析了零部件的工作條件，總結(jié)應滿足的設計要求，合理選擇材料，以滿足強度和剛度的 校核 。 第 4章 活塞的建模 23 圖 創(chuàng)建凸臺 鏡像生成整個活塞 （ 1）選取整個模型，鏡像生成整個活塞 （ 1）運用【旋轉(zhuǎn)工具】，【去除材料】，旋轉(zhuǎn)角度為 “ 360” ，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)剪切特征。 （ 5） 創(chuàng)建各部分的倒圓角。 （ 3） 活塞的裙部在活塞做直線往復運動時起導向作用。 Pro/E 更是以其基于特征的參數(shù)化設計、單一數(shù)據(jù)庫下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世?；钊h(huán)的徑向厚度 t ，一般推薦值為：當缸徑 D 為 mm100~50 時， ~?Dt ，取 mmDt ?? 。 驗算比壓力 銷座比壓力為： )(2 0 Plld Pq ?? ? )(222 ???? ? ][q? （ ） 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 ?? 活塞銷長度 Dl )~(? ，取 mmDl 7 8 ?? 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。 在確定裙部長度時，首先根據(jù)裙部比壓最大的允許值，決定需要的最小長度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當修改。 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，不平衡力會在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應力，當應力值超過鋁合金在其工作溫度下的強度極限或疲勞極限時，岸根有可能斷裂，專門的試驗表明，當活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力 maxp 時， max1 pp ? ， max2 pp ? ， 如圖 所示。正確設計環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。專門的實驗表明，對無強制冷卻的活塞來說，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油的僅占 10%左右。 綜上所述，可以決定活塞的壓縮高度 1H 。當然，第二環(huán)岸負荷要比第一環(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 ，當然希望 1h 盡可能小，但 1h 過小會使第一環(huán)溫度過高，導致活塞環(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，適應大量生產(chǎn)工藝的要求，應用也很廣。以降低活 塞組的往復慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機械負荷和平衡配重； （ 5） 有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較小），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 ，各點間有很大的溫度梯度， 這 就成為熱應力的根源，正是這些熱應力對活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用。 柴油機改進 —— 活塞組的設計 6 第 3章 活塞組的設計 活塞的設計 活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作往復運動的零件，它們是發(fā)動機中工作條件最嚴酷的組件。 當 ? = ?0 時，活塞銷中心 A在最上面的位置 A1，此位置稱為上止點。 在傳統(tǒng)的設計模式中，為了滿足設計的需要須進行大量的數(shù)值計算，同時為了滿足產(chǎn)品的使用性能，須進行強度、剛度、