【正文】 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。 當(dāng) ? = ?13 時(shí)，根據(jù)正弦定理， 可得： ?? sinsin rl ? 求得 ?????? 13s i rc s i ns i na rc s i n lr ?? 將 ? 分別代入式（ ）、式（ ），計(jì)算結(jié)果 如 表 所示： 表 連桿力 K 、側(cè)向力 N 的計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程 連桿力 K /N 側(cè)向力 N /N 進(jìn)氣終點(diǎn) ? ? 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 壓縮終點(diǎn) 膨脹終點(diǎn) ? ? 排氣終點(diǎn) 力 K 通過連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也分解成兩個(gè)力，即推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)的切向力 T ， 即 ? ???? c os )s i n()s i n( ???? ?PKT （ ） 和壓縮曲柄臂的徑向力 Z ，即 ? ???? c os )c os ()c os ( ???? ?PKZ （ ） 規(guī)定力 T 和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為正，力 Z 指向曲軸為正。 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) ? ? 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)工作過程的氣體壓力變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出各過程氣體力的理論計(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)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 第 3 章 活塞組的設(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。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性與使用耐久性，在很大程度 上與活塞組的工作情況有關(guān)。 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 活塞的機(jī)械負(fù)荷 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中 ,活塞承受的機(jī)械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復(fù)慣性力以及由此產(chǎn)生的側(cè)向作用力。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。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。 為適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強(qiáng)度、剛度前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單、輕巧 ， 截面變化處的過渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中。 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?，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)CC ?? 2500~2022 。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?。活塞不僅溫度高，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]。 磨損強(qiáng)烈 發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中所產(chǎn)生的側(cè) 向 作用力是較大的，同時(shí)，活塞在氣缸中的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞組與氣缸表面之間 會(huì) 產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損 ， 由于此處潤(rùn)滑條件較差，磨損情況比較嚴(yán)重。 活塞組的設(shè)計(jì)要求 （ 1）要選用熱強(qiáng)度好、耐磨、比重小、熱膨脹 系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料； （ 2）有合理的形狀和壁厚。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； 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 （ 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。 活塞的材料 根據(jù)上述對(duì)活塞設(shè)計(jì)的要求，活塞材料應(yīng)滿足如下要求： （ 1） 熱強(qiáng)度高。即在 C?400~300 高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞； （ 2） 導(dǎo)熱性好，吸熱性差。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。使活塞與氣缸間能保持較小間隙； （ 4） 比重小。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。 在發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。但近幾十年來，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰 鑄鐵活塞因此比重大和導(dǎo)熱性差兩個(gè)根本缺點(diǎn)而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。 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 。因此其慣性小，這對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。鋁合金另一突出優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的 4~3 倍，使活塞溫度顯著下降。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。 共晶鋁硅合金是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，既可鑄造，也可鍛造。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。 綜合分析， 該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。 活塞頭部的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過銷座把它傳給連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。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，以免開裂和產(chǎn)生過大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過大勢(shì)必影響活塞環(huán)的正常工作； （ 2）保證溫度不過高，溫差小，防止產(chǎn)生過大的熱變形和熱應(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)高度就可本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 以縮短 2~ 單位，并顯著減輕活塞重量。而 1H 則直接受頭部尺寸的影響。 壓縮高度的確定 活塞壓縮高度的選取將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。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 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。 （ 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 。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。因此火力岸高度的選取原則是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般汽油機(jī) Dh )~(1 ? ， D 為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑 mmD ? ，確定火力岸高度為： mmDh ???? （ 2）環(huán)帶高度 為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度 b 應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。但 b 太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高 mmb ~? ，油環(huán)高 mmb 5~2? 。 該發(fā)動(dòng)機(jī)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)。取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? 。 環(huán)岸的高度 c ，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)破壞。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。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，Dc )~(1 ? ， 12 )2~1( bc ? ，汽油機(jī)接近下限。 則 mmDc ?? ， mmbc 12 ???? 。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 因此，環(huán)帶高度 mmbcbcbh ??????????? 。 （ 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。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(huì)使油環(huán)卡住而失效。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。 綜上所述，可以決定活塞的壓縮高度 1H 。對(duì)于汽油機(jī) DH )~ 5(1 ? ，所以mmDH ????? 。 則 mmhhHh 7 6 8 9 ??????? 。 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)。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。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?。?shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，汽油機(jī)為D)~(?? ，即 )( ???? ?；钊斀邮艿臒崃?，主要通過活塞環(huán)傳出。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)無強(qiáng)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(jī)油的僅占10%左右。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)的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度 [9]。 活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取 D)~( ，取 為，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角，一般取 Dr )~(? ，取 為 ，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。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。 （ 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。? 使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過多地集中本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 在最高一環(huán)，其平均值為 39。)~(39。 t?? 。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對(duì)于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。槽底 圓角一般為 ~?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇?，否則當(dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過熱的原因，但倒角過大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為?45)~( ? 。 （ 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?；钊h(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，并均勻地布置再主次推力面?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)的開口間隙及側(cè)隙 如 表 所示 : 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。一般氣環(huán) ?? = 毫 米 ，油環(huán)的 ?? 則 更 大 些 ， 如 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。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(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門 M P ap ??? ， M P ap ??? ， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 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)岸的受力情況 [ 1 0 ] 環(huán)岸是一個(gè)厚 1c 、內(nèi)外圓直徑為 39。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。在通常的尺寸比例下，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 )(4)( DptDDpp ????? ? （ ） 而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于 DcDc 3121 ??? 所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 21m a x213m a x )(0 0 2 cDpDcDp ??? （ ） ) ( 2 ???? 2/cmN 同理得剪切應(yīng)力 為： 1m a x ????? cDp? 2/cmN （ ） 接合成應(yīng)力 公式 為： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 2222 ??????? ??? 2/mmN （ ） 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 。 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?；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 。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，具有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)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(dǎo)致活塞拉傷。 分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。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。這樣，裙部就有被壓偏的傾向，使它在活塞銷座方向上的尺寸增大；其次，由于加在活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形，使整個(gè)活塞 在銷座方向上的尺寸變大；再次，由于溫度升高引起熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其它部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，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。在這些因素中，機(jī)械變形影響一般來說并不嚴(yán)重，主要還是受熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比較大 [11]。 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。當(dāng)然間隙也不能留得過大，否則又會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。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]。 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(huì)卡死。 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。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。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的 ： )2c os1(4 ?? ???? dD （ ） 式中 D 、 d 分別為橢圓的長(zhǎng)短軸，如圖 所示 。 缸徑小于 mm100 的裙部開槽的活塞，橢圓度（ ? ）的大小，一般為 ~?? 。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 活塞銷裙部的橢圓形狀 [9] 裙部的尺寸 活塞裙部是側(cè)壓力 N 的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能 保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其表面比壓 q 不應(yīng)超過一定的數(shù)值。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。 在確定裙部長(zhǎng)度時(shí)，首先根據(jù)裙部比壓最大的允許值，決定需要的最小長(zhǎng)度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改。 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 。 取裙部比壓值約為 ~ ，所以設(shè)計(jì)合適。 銷孔的位置 活塞銷與活塞裙軸線不相交，而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面 （稱為主推力面，相對(duì)的一面稱為次推力面?zhèn)葔毫ψ饔梅较蚋淖儠r(shí)，活塞從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個(gè)地橫掃過來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。如果把活塞銷偏心布置，則能使瞬時(shí)的過渡變成分布的過渡，并使本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 過渡時(shí)刻先于達(dá)到最高燃燒壓力的時(shí)刻，因此改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作平順性 [13]。 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?；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 ” ?；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(zhǎng)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。表面加工精度及粗糙度要求極高，高溫下熱穩(wěn)定性好。 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算 由 運(yùn)動(dòng)學(xué)知，活塞銷表面受到氣體壓力 gP 和往復(fù)慣性力 jP 的共同作用，總的作用力 NP ?? ，活塞銷長(zhǎng)度 mml ? ，連桿小頭高度 mml ? ， 活塞銷跨度 mmlP ? 。 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。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 （ ） )(22 )( 422? ???? ? 已知許用彎曲應(yīng)力 M Pa500~230][ ?? ； 許用剪切應(yīng)力 M Pa220~120][ ?? ， 那么校核合格。 活塞銷座 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞銷座用以支承活塞，并由此傳遞功率。銷座應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?，使銷座能夠適應(yīng)活塞銷的變形，避免銷座產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞斷裂；同時(shí)要有足夠的承壓表面和較高的耐磨性。 活塞銷座的內(nèi)徑 mmd 220 ? ， 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 ，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 。 驗(yàn)算比壓力 銷座比壓力為： )(2 0 Plld Pq ?? ? )(222 ???? ? ][q? （ ） 一般 MPaq 60~40][ ? 。 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)。 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。桶形環(huán)與缸筒為圓弧接觸，對(duì)活塞擺動(dòng)適應(yīng)性好，并容易形成楔形潤(rùn)滑油膜。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 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。 第三道是油環(huán)，是鋼帶組成環(huán)，重量輕，比壓高，刮油能力強(qiáng)。 活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度 b 、環(huán)的徑向厚度 t 。氣環(huán) mmb 3~? ，油環(huán)mmb 5~3? ，取 mmb ? ， mmb ? ， mmb 33 ? ?；钊h(huán)的徑向厚度 t ，一般推薦值為：當(dāng)缸徑 D 為 mm100~50 時(shí)， ~?Dt ，取 mmDt ?? 。 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)的平均半徑與徑向厚度之比 tr/0 一般都大于 5，所以可按直桿彎曲正應(yīng)力公式計(jì)算 [9]。 工作狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力 活塞斷面的最大彎矩為： )(40m a x tDbDpM ?? （ ） 由此 可得最大彎曲應(yīng)力 max? 為 ： 6)(220m a xm a x bttDbDpWM ???? （ ） 對(duì)于斷面均壓環(huán)其開口間隙 0S 與活塞環(huán)平均接觸壓力 0p 之間有如下關(guān)系 ： tDtDtSEp300