【正文】 ） 對(duì)于斷面均壓環(huán)其開(kāi)口間隙 0S 與活塞環(huán)平均接觸壓力 0p 之間有如下關(guān)系 ： tDtDtSEp300)1(?? （ ） 將式（ ）帶入（ ）并整理得 ： M P atDtSE20m a x)1(4 ??? （ ） 式中 ： E — 材料的彈性模量，對(duì)合金鑄鐵 ??E MPa ； 0S — 活塞環(huán)的開(kāi)口間隙， mmS ~ ? ，取為 mmS ? ； D — 氣缸直徑， mm ； 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 t — 活塞環(huán)徑向厚度， mm 則 M P ) (25m a x ?????? 活塞環(huán)工作時(shí)的許用彎曲應(yīng)力為 MPa450~200 ，則校核合格。 最大彎曲應(yīng)力計(jì)算 活塞銷中央截面的彎矩為 )(121lllPM P ??? ? （ ） 空心銷的抗彎斷面系數(shù)為 314 )1( dW ??? ， 其中 ??? dd? 所以彎曲應(yīng)力為 WM?? 即 )1( )( 431 1?? ???? ? d lllP P （ ） )( )( 43 ??? ?????? ? 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 最大剪切應(yīng)力計(jì)算 最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭之間的截面上。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長(zhǎng)軸是在垂直與活塞銷中心線方向上，短軸平行于銷軸方向的橢圓形。D 、 D 的圓環(huán)形板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算固定面的應(yīng)力比較復(fù) 雜，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行大致的計(jì)算。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)無(wú)強(qiáng)制冷卻的活塞來(lái)說(shuō)，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(jī)油的僅占10%左右。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。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?；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(kāi)裂起了重要作 用 [9]。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力 把曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量簡(jiǎn)化為二質(zhì)量 jm 和 rm 后，這些質(zhì)量的慣性力可以從運(yùn)動(dòng)條件求出，歸結(jié)為兩個(gè)力。 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。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)。這一過(guò)程十分復(fù)雜，不僅需要對(duì)這些軟件有一定了解，還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，而且軟件使用成本也很高。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。 65 致謝 44 本章小結(jié) 6 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 5 活塞的加速度 4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 其次分別對(duì)活塞組、連桿組以及曲軸進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)立了曲柄連桿機(jī)構(gòu) 各零部件 的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用 Pro/E 軟件的裝配功能，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各組成零件裝配成活塞組件、連桿組件和曲軸組件，然后利用 Pro/E 軟件的機(jī)構(gòu)分析模塊 (Pro/Mechanism)，建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，活塞和連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò) 。 5 活塞的速度 23 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 26 連桿長(zhǎng)度的確定 34 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 35 第 5 章 曲軸的設(shè)計(jì) 37 主軸頸的直徑和長(zhǎng)度 47 對(duì) Pro/E 軟件基本功能的介紹 49 連桿體的建模步驟 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。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，進(jìn)而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力 [5]。在實(shí)際分析中，為使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)化為分別集中于連桿大頭和小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需要對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究 [9]。2 ppDPg ??? （ ） 式中 ： gP — 活塞上的 ， MPa ； p? — 大氣壓力 ， MPa ； D— 活塞直徑 ， mm 。它們的質(zhì)量可以看作是集中在活塞銷中心上，并以 hm 表示。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；活塞銷座承受拉壓及彎 曲 應(yīng)力 ；環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。 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 。但 b 太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。 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)。 一般該倒角為?45)~( ? 。 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。 活塞銷的設(shè)計(jì) 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(fù)慣性質(zhì)量，有效利用材料。 活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度 b 、環(huán)的徑向厚度 t 。 第一道活塞環(huán)為桶形扭曲環(huán)，材料為球墨鑄鐵，表面鍍鉻。 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 。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。 t?? 。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(kāi)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。 （ 1）第一環(huán)位置 根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂火力岸高度 1h 。使活塞與氣缸間能保持較小間隙； （ 4） 比重小。 求得 切向力 T 、徑向力 Z 見(jiàn) 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) ? ? 排氣終點(diǎn) 本章小結(jié) 本章首先分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，重點(diǎn)分析了活塞的運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上分析了每個(gè)工作過(guò)程的氣體壓力變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出各過(guò)程氣體力的理論計(jì)算公式，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的換算，并根據(jù) EA113 型汽油機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出了各過(guò) 程的氣體力，為后面章節(jié)的動(dòng)力仿真提供了理論數(shù)據(jù)的依據(jù)。 ③ 連桿相對(duì)重心 G 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GI 不變 ，即 GIllmlm ??? 222211 )( 。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)。 偏心曲 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。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來(lái)精確求解各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而形成了機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。目前多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件主要有 Pro/Mechanics， Working model 3D， ADAMS 等。 51 曲軸的創(chuàng)建 47 活塞的建模思路 22 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算 14 活塞的材料 本章小結(jié) 1 選題的目的和意義 29 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 36 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 39 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 58 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 建立運(yùn)動(dòng)分析 為了真實(shí)全面地了解機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，針對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的，高精度的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析與計(jì)算，因此本研究所采用的高效、實(shí)時(shí)分析技術(shù)對(duì)提高分析精度，提高設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計(jì)算， 對(duì)進(jìn)一步研究 發(fā)動(dòng) 機(jī)的平衡與振動(dòng)、 發(fā)動(dòng) 機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較 好方法。 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其 特點(diǎn)是氣缸中心線通過(guò)曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。 當(dāng) ??0? 或 ?180 時(shí)，活塞銷中心的圓周速度。 表 氣壓力 gP 計(jì)算結(jié)果 四 個(gè) 沖 程 gP /N 進(jìn)氣終點(diǎn) 膨脹終點(diǎn) 排氣終點(diǎn) （ 1） 連桿質(zhì)量的換算 連桿是做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的零件。 其中曲柄的角速度 ? 為 ： 30602 nn ??? ?? （ ） 式中 ： n — 曲軸轉(zhuǎn)數(shù)， min/r ； 已知 額定轉(zhuǎn)數(shù) n =5800 min/r ，則 ??? ?? srad/ ； 曲柄半徑 r = ，連桿比 ? =~，取 ? =，參照 附錄 表 2： 四缸機(jī)工作循環(huán)表，將每一工況的曲軸轉(zhuǎn)角 ? 代入式（ ），計(jì)算得往復(fù)慣性力 jP ，結(jié)果如表 所示 ： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 表 往復(fù)慣性力 jP 計(jì)算結(jié)果 四 個(gè) 沖 程 jP /N 進(jìn)氣終點(diǎn) 壓縮終點(diǎn) 膨脹終點(diǎn) 排氣終點(diǎn) （ 2）旋轉(zhuǎn)慣性力 2?rmP rr ??