【正文】 。 驗(yàn)算比壓力銷座比壓力為： （）一般。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。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： （） 已知許用彎曲應(yīng)力；許用剪切應(yīng)力，那么校核合格。 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算由運(yùn)動學(xué)知，活塞銷表面受到氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用，總的作用力，活塞銷長度，連桿小頭高度，活塞銷跨度?；钊N的外直徑，取，活塞銷的內(nèi)直徑，取活塞銷長度，取活塞銷的材料 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。 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。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，相對的一面稱為次推力面）偏移了，這是因?yàn)椋绻钊N中心布置，即銷軸線與活塞軸線相交，則在活塞越過上止點(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。取。在確定裙部長度時(shí)，首先根據(jù)裙部比壓最大的允許值，決定需要的最小長度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤滑油膜，其表面比壓不應(yīng)超過一定的數(shù)值。缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長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。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。當(dāng)然間隙也不能留得過大，否則又會產(chǎn)生敲缸現(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]。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。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。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。 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。已知=，則， 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 環(huán)岸是一個(gè)厚、內(nèi)外圓直徑為、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，可以將其簡化為一個(gè)簡單的懸臂梁進(jìn)行大致的計(jì)算。（4）環(huán)岸的強(qiáng)度校核在膨脹沖程開始時(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?；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，~，二、三環(huán)適當(dāng)小些，~，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档蜋C(jī)油消耗量有重要意義，: 活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙活塞環(huán)開口間隙/側(cè)隙/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。一般該倒角為。~。（2）環(huán)帶斷面為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過多地集中在最高一環(huán)，其平均值為?；钊^部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角，一般取，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對無強(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。實(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，即。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、加工最簡單的活塞頂形狀，即平頂。則 。綜上所述，可以決定活塞的壓縮高度。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。則 ， 。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。環(huán)岸的高度，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會破壞。該發(fā)動機(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)。但太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。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。（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。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(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。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高度縮短1單位，整個(gè)發(fā)動機(jī)高度就可以縮短單位，并顯著減輕活塞重量。綜合分析，該發(fā)動機(jī)活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。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。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)約為鑄鐵的倍，使活塞溫度顯著下降。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)重量僅占鑄鐵活塞的。在發(fā)動機(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。使活塞與氣缸間能保持較小間隙；（4）比重小。即在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。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，保證滑動面上有足夠的潤滑油。磨損強(qiáng)烈發(fā)動機(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，活塞組與氣缸表面之間會產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損，由于此處潤滑條件較差，磨損情況比較嚴(yán)重。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?。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)要盡量簡單、輕巧，截面變化處的過渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中。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。發(fā)動機(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)。當(dāng)=時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得：求得 將分別代入式（）、式（），： 連桿力、側(cè)向力的計(jì)算結(jié)果四個(gè)沖程連桿力/側(cè)向力/進(jìn)氣終點(diǎn)壓縮終點(diǎn)33682 .132273 .30膨脹終點(diǎn)排氣終點(diǎn)35591 .43 力通過連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也分解成兩個(gè)力，即推動曲軸旋轉(zhuǎn)的切向力，即 （）和壓縮曲柄臂的徑向力，即 （）規(guī)定力和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為正，力指向曲軸為正。其中曲柄的角速度為： （）式中：—曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，；已知額定轉(zhuǎn)數(shù)=5200，則；曲柄半徑=，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)算得單位活塞面積上往復(fù)慣性力，： 往復(fù)慣性力計(jì)算結(jié)果四 個(gè) 沖 程/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 （） 作用在活塞上的總作用力由前述可知，在活塞銷中心處，同時(shí)作用著氣體作用力和往復(fù)慣性力，由于作用力的方向都沿著中心線，故只需代數(shù)相加，即可求得合力 （）。（1）往復(fù)慣性力（）式中：—往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量，； —連桿比； —曲柄半徑，； —曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，； —曲軸轉(zhuǎn)角。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力把曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的質(zhì)量簡化為二質(zhì)量和后，這些質(zhì)量的慣性力可以從運(yùn)動條件求出，歸結(jié)為兩個(gè)力。為了便于計(jì)算，所有這些質(zhì)量都按離心力相等的條件，換算到回轉(zhuǎn)半徑為的連桿軸頸中心處，以表示，換算質(zhì)量為：式中：—曲拐換算質(zhì)量，； —連桿軸頸的質(zhì)量，； —一個(gè)曲柄臂的質(zhì)量，；—曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離。質(zhì)量與換算到連桿小頭中心的質(zhì)量之和，稱為往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量，即。將連桿分成若干簡單的幾何圖形，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和 ，： 索多邊形法（2）往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量活塞（包括活塞上的零件）是沿氣缸中心做往復(fù)直線運(yùn)動的。其中，連桿長度，為連桿重心至小頭中心的距離。② 連桿重心的位置不變，即。 氣壓力計(jì)算結(jié)果四 個(gè) 沖 程/進(jìn)氣終點(diǎn)壓縮終點(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)動的零件。質(zhì)量換算的目的是計(jì)算零件的運(yùn)動質(zhì)量，以便進(jìn)一步計(jì)算它們在運(yùn)動中所產(chǎn)生的慣性力。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。加速度從運(yùn)動學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。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、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差，對于四沖程發(fā)動機(jī)來說，一般取=，,對于缸內(nèi)絕對壓力，在發(fā)動機(jī)的四個(gè)沖程中，：則由式（）。計(jì)算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照桑塔納2000AJR型發(fā)動機(jī)，如附表1所示。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)。 活塞的加速度將式（）對時(shí)間微分，可求得活塞加速度的精確值為： （）將式（）對時(shí)間為微分，可求得活塞加速度的近似值為：（）因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡諧運(yùn)動加速度之和，即由與兩部分組成。當(dāng)或時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動方向。式（）可進(jìn)一步簡化，：即 又由于 （）將式（）帶入式（）得： X= （）式（）是計(jì)算活塞位移x的精確公式,為便于計(jì)算，可將式（）中的根號按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得：…考慮到≤ 1∕3，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。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)。 活塞位移假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄轉(zhuǎn)角為，并按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，連桿軸線在其運(yùn)動平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為， 所示?；钊鐾鶑?fù)運(yùn)動時(shí)，其速度和加速度是變化的。 設(shè)方案主要圍繞以下內(nèi)容展開：以活塞的位移、速度、加速度為主對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析；曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力主要以氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力和機(jī)構(gòu)的慣性力展開；連桿組的設(shè)計(jì)分為連桿的工作情況、材料選取、小頭和大頭的強(qiáng)度及剛度計(jì)算、螺栓的負(fù)荷與預(yù)緊力的計(jì)算機(jī)強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算；曲軸設(shè)計(jì)方面主要以曲軸結(jié)構(gòu)型式、材料的選取、尺寸的確定及疲勞強(qiáng)度校核為主；應(yīng)用ProE建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零件模型并進(jìn)行裝配，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動分析。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖計(jì)活塞做往復(fù)運(yùn)動時(shí)，其速度和加速度是變化的。當(dāng)曲柄按等角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄OB上任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動，連桿AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動，其大頭B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動。在關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，一個(gè)曲柄可以同時(shí)帶動幾套副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使內(nèi)燃機(jī)長度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機(jī)車用V形內(nèi)燃機(jī)。這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以減小膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側(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。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用并列連桿與叉形連桿的V形內(nèi)燃機(jī)，以及對置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、燃燒作功、排氣四個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)。排氣行程：可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)，當(dāng)膨脹接近終了時(shí)，排氣門丌啟，靠廢氣的壓力進(jìn)行自由排氣，活塞到達(dá)下止點(diǎn)后再向上止點(diǎn)移動時(shí)，繼續(xù)將廢氣強(qiáng)制排到大氣中。在這個(gè)過程中，進(jìn)、排氣門全部關(guān)閉，曲軸推動活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動一個(gè)行程，稱為壓縮行程，壓縮前氣缸中氣體的最大容積與壓縮后的最小容積之比稱為壓縮比。進(jìn)氣行程：汽油機(jī)將空氣與燃料先在氣缸的外部的化油器中、節(jié)氣門體處或進(jìn)氣道內(nèi)進(jìn)行混合，形成可燃混合氣后被吸入氣缸。曲軸與連桿下端的連接中心至曲軸中心的垂直距離月稱為曲柄半徑?；钊鶑?fù)運(yùn)動時(shí)，其頂面從一個(gè)方向轉(zhuǎn)為相反方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置稱為止點(diǎn)。工作原理就是：燃料燃燒后的能量推動活塞上下運(yùn)動，再由連桿帶動曲軸作圓周運(yùn)動。）第一缸第二缸第三缸