【正文】 ......................... 10 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力 ................................. 12 4 活塞、連桿組的設(shè)計(jì) ............................ 22 活塞的設(shè)計(jì) ............................................. 22 活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì) ........................................... 33 活塞銷(xiāo)座 ............................................... 34 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 ....................................... 35 連桿 的設(shè)計(jì) ............................................. 37 連桿螺栓的設(shè)計(jì) ......................................... 47 5 曲軸的設(shè)計(jì) ................................... 49 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 ............................. 49 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) ..................... 50 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 ..................................... 54 6 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 ............................ 62 活塞的創(chuàng)建 ............................................. 62 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 IV 連桿的創(chuàng)建 ............................................. 65 曲軸的創(chuàng)建 ............................................. 68 曲柄連桿機(jī)構(gòu)其它零件的創(chuàng)建 ............................. 71 7 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 .......................... 73 活塞及連桿的裝配 ....................................... 73 定義曲軸連桿的連接 ..................................... 76 定義伺服電動(dòng)機(jī) ......................................... 78 建立運(yùn)動(dòng)分析 ........................................... 78 進(jìn)行干 涉檢驗(yàn)與視頻制作 ................................. 79 獲取分析結(jié)果 ........................................... 81 對(duì)結(jié)果的分析 ........................................... 83 經(jīng)濟(jì)可行性分析 ................................. 84 總結(jié) .......................................... 85 參考文獻(xiàn) ...................................... 87 致謝 .......................................... 89 附錄 .......................................... 90 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒論 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為水冷、四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，其中汽油機(jī)多用于轎車(chē)和輕型客貨車(chē)上，而大客車(chē)和中、重型貨車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)多為柴油機(jī)。 分析研究的主要模塊分 為以下三個(gè)部分：第一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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，著重分析活塞的位移、速度、加速度以及工質(zhì)的作用力和機(jī)構(gòu)的慣性力；第二，進(jìn)行曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞組、連桿組以及曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核；第三，應(yīng)用 Pro∕ Engineer 建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零部件的幾何模型，并利用 Pro/Mechanism進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真。 Third, the application of Pro / Engineer to establish the main ponents crank geometric model and the use of Pro / Mechanism institutional emulation. Keywords: engine。 發(fā)動(dòng)機(jī) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外三大組成部分還是沒(méi)有變，現(xiàn)在還是應(yīng)用 于 內(nèi)燃機(jī) 領(lǐng)域， 曲柄連桿機(jī)構(gòu)從數(shù)量方面來(lái)說(shuō)，會(huì)朝著多 連桿機(jī)構(gòu) 方向發(fā)展；從材料方面看，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材質(zhì)有球墨鑄鐵和鋼兩類(lèi)。 從研究方向來(lái)看，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，其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系，動(dòng)力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較好方法。在作功沖程中，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞通過(guò)連桿帶動(dòng)曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能而對(duì)外輸出動(dòng)力；在其它沖程中，則依靠曲柄和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性、通過(guò)連桿帶動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng) ，為下一次作功創(chuàng)造條件。m) 155(3800 r/min) 點(diǎn)火順序 1— 3— 4— 2 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 表 2 四缸機(jī)工作循環(huán)表 曲軸轉(zhuǎn)角（ 176。 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)包括四個(gè)活塞行程：進(jìn)氣行程、壓縮沖程、作功行程、和排氣行程。 結(jié)構(gòu)性方案設(shè)計(jì) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多，按運(yùn)動(dòng)學(xué)觀(guān)點(diǎn)可分為三類(lèi)，即 :中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 設(shè)計(jì)方案的確定 經(jīng)過(guò)比較，設(shè)計(jì)的型式選擇為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 所示，圖 中氣缸中心線(xiàn)通過(guò)曲軸中心 O， OB 為曲柄， AB 為連桿， B為曲柄銷(xiāo)中心， A為連桿小頭孔中心或活塞銷(xiāo)中心。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。當(dāng)??90? 時(shí)， ?rv? ，此時(shí)活塞得速 度等于曲柄銷(xiāo)中心的圓周速度。 由于活塞直徑是一定的，活塞上的氣體作用力取決于活塞上、下兩面的山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 空間內(nèi)氣體壓力差 pp ?? ，對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，一般取 p? = ，mmD ? ,對(duì)于缸內(nèi)絕對(duì)壓力 p ，在發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)沖程中，計(jì)算結(jié)果如表 所示： 則由式（ ）計(jì)算氣壓力 gP 如表 所示。)~( pp de ? 壓縮終點(diǎn)壓力 cop 1nedeco pp ?? 膨脹終點(diǎn)壓力 exp 2maxnex pp ?? 排氣終點(diǎn)壓力 rp 39。將連桿分成若干簡(jiǎn)單的幾何圖形，分別計(jì)算出各段連桿重量和它的重心位置，再按照索多邊形作圖法，求出整個(gè)連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量 1G 和2G ，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 16 圖 索多邊形法 （ 2）往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量 jm 活塞（包括活塞上的零件）是沿氣缸中心做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。 （ 1）往復(fù)慣性力 ????????? 2c o sc o s)2c o sc o s( 2222 rmrmrrmamP jjjj ????????，（ ） 式中： jm — 往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量， kg； ? — 連桿比； r — 曲柄半徑， m ； ? — 曲柄旋轉(zhuǎn)角速度， srad/ ； ? — 曲軸轉(zhuǎn)角。在機(jī)械載荷的作用下，活塞各部位了各種不同的應(yīng)力：活塞頂部動(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盏臒崃浚盐盏臒崃縿t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 ?? ， mmbc 12 ???? 。僅從活塞設(shè)計(jì)角度，為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀，即平頂。 （ 2）環(huán)帶斷面 為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚 39。 （ 3）環(huán)岸和環(huán)槽 環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計(jì)應(yīng)保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機(jī)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(xiàn)垂直，以保證環(huán)工作時(shí)下邊與缸桶接觸，減小向上竄機(jī)油的可能性。 活塞裙部的設(shè)計(jì) 活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞。在這些因素中，機(jī)械變形影響一般來(lái)說(shuō)并不嚴(yán)重，主要還是受熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比較大 [11]。 缸徑小于 mm100 的裙部開(kāi)槽的活塞，橢圓度（ ? ）的大小，一般為~?? 。 銷(xiāo)孔的位置 活塞銷(xiāo)與活塞裙軸線(xiàn)不相交，而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面（稱(chēng)為主推力面，相對(duì)的一面稱(chēng)為次推力面）偏移了 mm2~1 ，這是因?yàn)?，如果活塞銷(xiāo)中心布置，即銷(xiāo)軸線(xiàn)與活塞軸線(xiàn)相交，則在活塞越過(guò)上止點(diǎn)，側(cè)壓力作用方向改變時(shí)，活塞從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個(gè)地橫掃過(guò)來(lái)變到主推力面貼緊氣缸壁的另一面，與氣缸發(fā)生“拍擊”，產(chǎn)生噪音，有損活塞耐久性。橫斷截面的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中性層上 [14]，其值按下式計(jì)算： )1( )1( 4212m a x ? ??? ? ??? ?dP （ ） )( )( 5 5 1 422?? ????? ? 已 知 許 用 彎 曲 應(yīng) 力 M P a500~230][ ?? ； 許 用 剪 切 應(yīng) 力M P a220~120][ ?? ， 那么校核合格。 第二道活塞環(huán)為鼻形環(huán)，材料為鑄鐵，鼻形環(huán)可防止泵油現(xiàn)象，活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑效果好。 套裝應(yīng)力 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 37 活塞環(huán)往活塞上套裝時(shí)，要把切口扳得比自 由狀態(tài)的間隙還大，對(duì)于均壓環(huán)，此時(shí)的正對(duì)切口處的最大套裝彎曲應(yīng)力為： 20m a x)1(311?????tDtSEm ?? （ ） 式中： m — 與套裝方法有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)套裝方法的不同，其值為 2~1 ，一般取 ?m ， 則 M P ) ()311( 25m a x ???????? ?? 因環(huán)的套裝時(shí)在常溫下進(jìn)行的，承受的應(yīng)力時(shí)間甚短，所以套裝應(yīng)力的許用值大于工作應(yīng)力的許用值 %30~10 ，所以校核合格。 連桿長(zhǎng)度的確定 設(shè)計(jì)連桿時(shí)首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長(zhǎng)度 l 它通常是用連桿比 lr/?? 來(lái)說(shuō)明的，通常 ~?? ，取 ?? ， mmr ? ，則 mml ?? 。 ?? ； 計(jì)算小頭承受的徑向壓力為： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 40 ] [ 1] [ 1p22225222255????????????????）（ ? N 由徑向均布力 p 引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計(jì)算，表面應(yīng)力 2dp 2222212 ??????? da? 2/mmN （ ） 內(nèi)應(yīng)力 dDp 2222221221 ???????? di? 2/mmN （ ） i??和a 的允許值一般為 150~100 2/mmN ，校核