【正文】 .......................................................................... 24 大頭剖分形式及定位 ............................................................................... 25 ................................................................ 25 連桿小頭的結(jié)構(gòu)尺寸及其強(qiáng)度校核 ........................................................................ 25 連桿桿身的結(jié)構(gòu)尺寸及其強(qiáng)度校核 ................................................................. 29 感謝詞 ........................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 35 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 4 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 引言 概述 汽油機(jī)的不斷發(fā)展，是建立在 內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)和創(chuàng)新，對內(nèi)燃機(jī)內(nèi)主要零部件性能和壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上，特別是隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率的增加和轉(zhuǎn)速的增大，使的各種汽油機(jī)的使用范圍更加廣闊，可以適應(yīng)的環(huán)境更加多變 。 本次設(shè)計主要的完成 KG160 小型汽油機(jī)中活塞連桿的設(shè)計與校核。活塞組件與氣缸一起保障發(fā)動機(jī)工質(zhì)的可靠密封，否則活塞式發(fā)動機(jī)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，活塞組件的壽命決定了發(fā)動機(jī)的修理間隔，在大功率強(qiáng)化發(fā)動機(jī)中，活塞組的熱負(fù)荷往往限制了發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化潛力。 設(shè)計目的 選擇具有代表性的 KG160 作為樣機(jī)。避免盲目設(shè)計，給設(shè)計和生產(chǎn)帶來困難。 預(yù)期結(jié)果和意義 預(yù)期結(jié)果：設(shè)計的 KG160 小型汽油機(jī)活塞連桿滿足強(qiáng)度與生產(chǎn)應(yīng)用要求，符小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 5 合當(dāng)前制造廠家生產(chǎn)制造要求，具有良好的經(jīng)的活塞連桿，掌握了活塞連桿的設(shè)計要領(lǐng)，學(xué)習(xí)到一般設(shè)計方法、思路和流程， 濟(jì)性和適用性，有利于企業(yè)的應(yīng)用。 設(shè)計方法 選擇具有代表性的 小型 單缸汽油機(jī) KG160 作為樣機(jī)。避免盲目設(shè)計，給設(shè)計和生產(chǎn)帶來困難。完成 KG160 內(nèi)燃機(jī)中活塞連桿的 三維建模與二維圖形的設(shè)計，并進(jìn)行相關(guān)強(qiáng)度校核?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬間溫度可達(dá) 2500K 以上。如此，活小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 7 塞在這樣惡劣的條件按下工作，會產(chǎn)生變形并加速磨損，還會產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕作用。銷座孔內(nèi)側(cè)受力嚴(yán)重。 3） 高速增壓柴油機(jī)最高燃?xì)鉁囟仍?2021 攝氏度左右，循環(huán)平均有效傳熱溫度在 800 攝氏度左右。 綜上所述，活塞是在高負(fù)荷，高溫，高速，潤滑不良的條件下工作的，對它的 設(shè)計要求 ： 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，具有良好耐磨性、工藝性的材料； 2） 有合理的形狀和壁厚。 活塞銷工作條件和設(shè)計要求 活塞銷在高溫下周期地承受很大的沖擊載荷，其本身又作擺轉(zhuǎn)運(yùn)動，而且處于潤滑條件很 差的情況下工作，因此，要求活塞銷具有足夠的強(qiáng)度和剛度，表面韌性好，耐磨性好，重量輕。 活塞銷承受銷座傳來的燃?xì)鈶?yīng)力、活塞比較容易磨損。由于相對轉(zhuǎn)動角度小。 活塞環(huán)工作條件和設(shè)計要求 活塞環(huán)在高溫、高壓、高速和潤滑極其困難的條件下工作，尤其是第一道環(huán)最為困難，長期以來，活塞環(huán)一直是發(fā)動機(jī)上使用壽命最短的零件。另外，由于氣缸壁的錐度和橢圓度，活塞環(huán)隨活塞往復(fù)運(yùn)動時，沿徑向會產(chǎn)生一張一縮運(yùn)動，使環(huán)受到交變應(yīng)力而容易折斷。目前廣泛采用的活塞環(huán)材料是合金鑄鐵 （在優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵中加入少量銅、鉻、鉬等合金元素 )，第一道環(huán)鍍鉻，其余環(huán)一般鍍錫或磷化。 根據(jù)發(fā)動機(jī)的類型和使用工況，決定所需活塞環(huán)的數(shù)目。目前總的趨勢是減少活塞環(huán)的數(shù)目，本次所研究的小型汽油機(jī) KG160 使用 3道環(huán)，兩道氣環(huán)，一道油環(huán)。第一道環(huán)的工作條件最惡劣，它的好壞對活塞組竄氣、竄油將產(chǎn)生影響 。第一道環(huán)普遍采用鍍 鉻 ，其次噴鉬。 油環(huán)，為第三環(huán)，主要起控制潤滑油作用。 中間環(huán)，輔助密封燃?xì)?；主要起刮油作用并確保頂環(huán)必要的潤滑。后者具有耐熱、耐磨及膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，但工藝性較差，我國曾采用有稀 土元素的合金，不過由于稀土元素的純凈度難以保證，會影響鋁合金性能，所以現(xiàn)在采用的不多。 活塞銷材料及熱處理 通用材料： 15Cr、 20Cr、 20Mn2，一般采用 20Cr。 活塞銷外圓表面經(jīng)滲碳 淬火后的硬度約為 58~64HRC,外圓表面粗糙度應(yīng)控制在 以內(nèi) 。對于鋁合金活塞，冷態(tài)時活塞銷和銷座配合大多是過盈，因此，在裝配時，需將活塞銷座加熱到 60℃ — 120℃。 一般為合金鑄鐵，合金成分主要有： 鉻 鉬、銅 鉻 鉬、鎢 鉻 鉬、鎢釩鈦等，高強(qiáng)度的汽油機(jī)頂環(huán)多采用球墨鑄鐵。 表面鍍 鉻 可分為鍍硬 鉻 和松孔鍍 (即在鍍 鉻 后再進(jìn)行表面松孔處理，以改善儲油 )，鍍 鉻 層厚度約為 ~ 孔鍍 鉻 層厚度約為 ~ 孔層厚度為 。 傳統(tǒng)活塞加工工藝流程 粗車止口 — 粗車外圓、頂面 — 精車止口 — 粗鏜銷孔 — 精車環(huán)槽 — 半精車外圓 — 精鏜銷孔 — 車擋圈槽 — 車內(nèi)角 — 粗精車燃燒室 — 精車外圓 。在本次設(shè)計與校核中，所應(yīng)用的思路是采用工藝流程。現(xiàn)代先進(jìn)的發(fā)動機(jī)，其活塞的設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜，已發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料、異形外圓復(fù)合型面（裙部為中凸變橢圓形面）、異形銷孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品。 從上世 紀(jì) 80 年代開始，數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅，國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)及汽油機(jī)公司對活塞都進(jìn)行了深入的研究。對活塞的熱沖擊、耦合傳熱、瞬態(tài)分析、滑油傳熱以及積碳等方面都做了大量的研究。國內(nèi)對活塞熱負(fù)荷的研究主要在高校進(jìn)行，對于由經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式得出平均邊界換熱系數(shù)，再根據(jù)平均燃?xì)鉁囟葘钊M(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析的研究，國內(nèi)研究的比較深入。是發(fā)動機(jī)的功率不斷增加，尾氣的排放相對以前得到很大的改小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 11 善，提高設(shè)計的效率和科學(xué)性。在實(shí)驗(yàn)上，國外在 20 世紀(jì) 70 年代到 80年代就已經(jīng)開始熱沖擊研究。俄羅斯在發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷的研究上既有穩(wěn)態(tài)研究，也有最新的瞬態(tài)研究手段，在燃燒室的應(yīng)力分析方面，已經(jīng)完成了對燃燒室零件的穩(wěn)態(tài)熱彈性應(yīng)力，準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力以及熱彈性應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力疊加的分析。國外目前研究的的重點(diǎn)是瞬態(tài)傳熱、整機(jī)熱分析和絕熱發(fā)動機(jī)。 1984~1994 年期間，康明斯生產(chǎn)線用調(diào)制剛毛胚)855216(40 ?GBBHM n ， 1995 年全面轉(zhuǎn)用非調(diào)制剛材料毛胚 VMn38 。 在加工工藝方面，國內(nèi)外連桿生產(chǎn)方式大致有：鍛造、鑄造、粉末冶金等，傳統(tǒng)鍛造有將連桿體和蓋分開鍛造，連桿體和蓋整體鍛造兩種。在連桿體和連桿蓋分離工藝方面大部分采用的是鋸斷、洗鍛等工藝，最新工藝是使用斷裂分開，即脹斷工藝（或者斷裂工藝），該工藝是用切口（或用機(jī)械方法或用激光束制造欲裂紋）斷裂，使大端連桿蓋從連桿體移去。 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 12 活塞的結(jié)構(gòu)型式 活塞頭部 活塞頭部的結(jié)構(gòu)主要取決于內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)化程度。環(huán)帶的位置與結(jié)構(gòu)還影響到了整機(jī)的排放和活塞的使用壽命?；钊^部經(jīng)常設(shè)計成導(dǎo)熱良好的 “ 熱流型 ” ，即根據(jù)活塞的熱流通道，采用大圓弧過渡，以增加從頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部的熱流迅速傳出，使活塞頭部的溫度得以降低。由于活塞頭部需承受高溫高壓作用，因此活塞頭部易產(chǎn)生的疲勞裂紋，多數(shù)發(fā)生在氣門凹坑、燃燒室喉口邊緣、活塞頂內(nèi)壁與銷座根部連接處。 避免加工尖角，采用較大的過渡圓角，消除應(yīng)力集中。其中凹頂式活塞頂部，淺凹坑用來改善混合氣形成和燃燒質(zhì)量，或?yàn)榱朔乐箽忾T碰撞和調(diào)整壓縮比。為了控制熱膨脹，盡量保持最佳缸配間隙，裙部可以開槽，鑲鋼小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 13 片盒中凸橢圓等結(jié)構(gòu)。所謂的異型銷孔，包括橢圓銷孔、帶卸載槽銷孔和錐形銷孔?；钊N座的應(yīng)力分布取決于銷座和活塞銷兩者變形是否相互適應(yīng)， 如果活塞銷剛度較大而銷座剛度較小，或者活塞銷剛度小而銷座剛度大，則二者不能相互適應(yīng)。因此，活塞銷座的設(shè)計應(yīng)與活塞銷統(tǒng)一考慮，要求活塞銷有較高的剛度，減少活塞銷的彎曲變形，而活塞銷座能承受很高的壓力，又要具有一定彈性，使之適應(yīng)活塞銷的變形。 因此，在活塞銷座的設(shè)計中，采用雙筋彈性銷座，即在銷孔的側(cè)上方設(shè)置兩條支承筋，筋間的凹穴，可以使銷座具有良好的彈性，能在一定程度上適 應(yīng)活塞銷的變形，從而減少銷孔的點(diǎn)的應(yīng)力集中。 結(jié)構(gòu)參數(shù) 取決于以下因素：轉(zhuǎn)速、燃燒室的形狀和活塞裙部承壓面積。 數(shù)據(jù)范圍：根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計手冊 》 《機(jī)械設(shè)計手冊》 知： H/D=，推薦值在 左右，故選擇 ，即活塞高度 H=74mm； 活塞壓縮高度； 在保證氣環(huán)良好的工作條件下，宜縮短 H1，力求降低整機(jī)高度尺寸。 環(huán)槽底徑 ： 可根據(jù)以下公式計算得到 氣環(huán)槽： ? ? ???? KDtDD ， 得 1D =64mm； 油環(huán)槽； ? ? ???? KDtDD ，得 2D =64mm； 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 15 D— 活塞名義直徑 t— 活塞環(huán)的徑向厚度，氣環(huán)槽 21?t ，油環(huán)槽 ?t ； K— 系數(shù)，鋁活塞 K= 環(huán)岸高度 第一環(huán)岸溫度較高，承受氣體壓力大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂，故第一環(huán)岸高度 h1比其余環(huán)岸高度大一些。第二、三環(huán)岸高度h2(h3)/D=，取 ，即第二、三環(huán)岸高度 h2(h3)=。 2） 第 一環(huán)岸： 已知條件： az MPP 10? ， mmh ? 材料鋁合金， ? ? 2/260 cmkgf?? 彎曲應(yīng)力： 321 ??????????? hDPZw? 根據(jù)已知條件得： 180 2/cmkgf 剪切應(yīng)力： 2212 ??????????? hDP? 根據(jù)已知條件得： 2/cmkgf 總應(yīng)力： 22 3??? ?? w 根據(jù)已知條件得： 2/cmkgf ????? ，合格。 活塞銷的主要結(jié)構(gòu)尺寸及其強(qiáng)度校核 1) 活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，并把活塞承受的氣體壓力傳給連桿。 根據(jù)活塞銷的工作條件和設(shè)計要求，銷的工作表面應(yīng)具有高硬度，內(nèi)部應(yīng)富有韌性和較高的強(qiáng)度，但是硬的表層和內(nèi)部必需緊密結(jié)合，保 證銷在沖擊載荷作用下沒有金屬剝落和金屬層之間分離的現(xiàn)象。根據(jù)不同銷的尺寸大小，滲碳層的深度一般在 ~2mm 之間。銷經(jīng)熱處理后，其外表面硬度為 HRC=58~65，內(nèi)部硬度約HRC=36。根據(jù)高功率強(qiáng)化發(fā)動機(jī)的活塞銷而言，可知： 許用彎曲應(yīng)力 ? ? a500~230 MP?? ； 許用剪切應(yīng)力 ? ? aMP220~120?? ； 彎曲應(yīng)力計算：活塞銷表面受到氣體壓力 ZP 和往復(fù)慣性力 ,jpinP 的共同作用。 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計與校核 18 空心銷的抗彎斷面系數(shù)為 ? ? daW ?? 其中 0/dda? 所以彎曲應(yīng)力為 WM/?? 即 ? ?? ?43 ad lllP xp ????? 根據(jù)已知條件得： aMP 最大剪切應(yīng)力計算 最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭的截面上，橫斷面上的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中性層上，其值按下式計算： ? ?? ?422m a x ad aaP ? ???? 根據(jù)已知條件得： aMP 所以 ,所測得的應(yīng)力是符合條件得。