【正文】 燃機(jī)上，一般氣環(huán)高 mmb ~? ，油環(huán)高mmb 5~2? 。一般汽油機(jī)Dh )~(1 ? ， D 為 活 塞 直 徑 ， 該 發(fā) 動 機(jī) 的 活 塞 標(biāo) 準(zhǔn) 直 徑mmD ? ，確定火力岸高度為： mmDh 6 ???? （ 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，會減輕對環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。為縮小 1H ，當(dāng)然希望 1h 盡可能小，但 1h 過小會使第一環(huán)溫度過高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。盡量降低活塞壓縮高度是 現(xiàn)代發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計(jì)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 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 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。而 1H 則直接受頭部尺寸的影響。 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，同時與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。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。對汽油機(jī)來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件 。因此其慣性小，這對高速發(fā)動機(jī)具有重山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 大意義。但近幾十年來，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因比重大和導(dǎo)熱性差兩個根本缺點(diǎn)而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。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。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。 活塞的材料 根據(jù)上述對活塞設(shè)計(jì)的要求，活塞材料應(yīng)滿足 如下要求： （ 1）熱強(qiáng)度高。 活塞組的設(shè)計(jì)要求 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 （ 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?；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)力對活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用 [9]。 活塞的熱負(fù)荷 活塞在氣缸內(nèi)工作時，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 ?? 2500~20xx 。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。 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。 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) .7120840? .1968724? 排氣終點(diǎn) 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 4 活塞、連桿組的設(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)動的零件，它們是發(fā)動 機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。 活塞上的總作用力 ?P 分解與傳遞 如圖 所示，首先，將 ?P 分解成兩個分力：沿連桿軸線作用的力 K ，和把活塞壓向 氣缸壁的側(cè)向力 N ， 其中沿連桿的作用力 K 為： ?cos1?? PK （ ） 而側(cè)向力 N 為： ?tan??PN （ ） 表 作用在活塞上的總作用力 ?P 四個沖程 氣壓力 gP /N 往復(fù)慣性力 jP /N 總作用力 ?P /N 進(jìn)氣終點(diǎn) ? ? 壓縮終點(diǎn) 33708 .3 膨脹終點(diǎn) ? ? 排氣終點(diǎn) 33708 .3 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 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：使連桿受壓時為正號，使連桿受拉時為負(fù)號，缸 壁的側(cè)向力 N 的符號規(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，側(cè)向力為正值，反之為負(fù)值。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 ，jP 是沿氣缸中心線方向作用的，公式（ ）前的負(fù)號表示 ，jP 方向與活塞加速度 a 的方向相反。往復(fù)質(zhì)量 jm 的往復(fù)慣性力 jP 和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm 的旋轉(zhuǎn)慣性力 rP 。 質(zhì)量 km 與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量 2m 之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm ，即 2mmm kr ?? 由上述換算方法計(jì)算得： 往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量 jm =，不平 衡回轉(zhuǎn) rm =。 （ 3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖 ： 圖 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量 曲拐在繞軸線旋轉(zhuǎn)時，曲柄銷和一部分曲柄臂的質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質(zhì)量。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。由條件可得下列換算公式： lllmm L 11 ??? llmm L 12 ?? 用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置 G 。 ③ 連桿相對重心 G的轉(zhuǎn)動慣量 GI 不變，即 GIllmlm ??? 222211 )( 。為了方便計(jì)算， 將整個連桿（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量 Lm 用兩個換算質(zhì)量 1m 和 2m 來代換，并假設(shè)是 1m 集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動的質(zhì)量； 2m 是集中作用在連桿大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的質(zhì)量，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 15 圖 連桿質(zhì)量的換算簡圖 為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效，必 須滿足下列三個條件： ① 連桿總質(zhì)量不變，即 21 mmmL ?? 。 ppr ? 注： 1n — 平均壓縮指數(shù)， 1n =~ ； ? — 壓縮比， ? =； 2n — 平山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 均膨脹指數(shù)， 2n =~ ；????； maxp — 最大爆發(fā)壓力， maxp =3~ 5MPa ，取 maxp = ；此時壓力角 ? = ?? 15~10 ，取 ? = ?13 。 表 缸內(nèi)絕對壓力 p 計(jì)算結(jié)果 四個沖程終點(diǎn)壓力 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 /MPa 進(jìn)氣終點(diǎn)壓力 dep 39。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的質(zhì)量換算 質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動力學(xué)等效性。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡化。 機(jī)構(gòu)的慣性力 慣性力是由于運(yùn)動不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機(jī)構(gòu)的慣性力，必須先知道其加速度和質(zhì)量的分布。2 ppDPg ?? ? （ ） 式中： gP — 活塞上的氣體作用力， N ； p — 缸內(nèi)絕對壓力， MPa ； p? — 大氣壓力， MPa ； D — 活塞直徑， mm。計(jì)算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照桑塔納 20xxAJR 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，受力分析時把摩擦阻力忽略不計(jì)。 活塞的加速度 將式（ ）對時間 t 微分，可求得活塞加速度的精確值為： 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 ]c os 2s i n4c os 2c os[ c os 3232 ???????? ?????? rdtdadadvdtdva （ ） 將式（ ）對時間 t 為微分，可求得活塞加速度的近似值為： 21222 2c o sc o s)2c o s( c o s aarrra ?????? ????????? （ ） 因此，活塞加速度也可以視為兩個簡諧運(yùn)動加速度之和，即由?? cos21 ra ? 與 ??? 2cos22 ra ? 兩部分組成。 當(dāng) ??0? 或 ?180 時，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，由圖 可以看出： ?? sinsin lr ? 即 ???? s ins ins in ?? lr 又由于 ???? 222 s in1s in1c os ???? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得： 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 X= )]s in1(1c o s1[ 22 ???? ???r （ ） 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： ?????? ???????? 6642222 s i n161s i n81s i n1s i n1 ? 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， 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)在某一時刻，曲柄轉(zhuǎn)角為 ? ，并按順時針方向旋轉(zhuǎn)，連桿軸線在其運(yùn)動平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為 ? ，如圖 所示。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué) 活塞做往復(fù)運(yùn)動時，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，同時進(jìn)行運(yùn)動分析。 圖 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 計(jì)活塞做往復(fù)運(yùn)動時，其速度和加速度是變化的。 當(dāng)曲柄按等角速度 ? 旋轉(zhuǎn)時，曲柄 OB 上任意點(diǎn)都以 O 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，一個曲柄可以同時帶動幾套副連桿和活塞，這種結(jié)山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 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、排氣四個行程，完成一個工作循環(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)行下一個工作循環(huán) ， 當(dāng)膨脹接近終了時，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，繼續(xù)將廢氣強(qiáng)制排到大氣中。在這個過程中，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)移動一個行程，稱為壓縮行程 ， 壓縮前氣缸中氣體的最大容積與山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 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 。活塞往復(fù)運(yùn)動時，其頂面從一個方向轉(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 第四缸 0～ 180 做功 排氣 壓縮 進(jìn)氣 180～ 360 排氣 進(jìn)氣 做功 壓縮 360～ 540 進(jìn)氣 壓縮 排氣 做功 540～ 720 壓縮 做功 進(jìn)氣 排氣 原理性方案設(shè)計(jì) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)中的動力傳遞系統(tǒng)，是發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動部分。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 2 總體方案的設(shè)計(jì) 原始參數(shù)的選定 表 1 桑塔納 20xxAJR 型發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù) 氣缸排列方式 直列四缸 供油方式 電控燃油 噴射 排量 /L 缸徑 /mm 沖程（行程） /mm 沖程 /缸徑 連桿長 /mm 144 曲軸半徑 /mm 轉(zhuǎn)矩 曲