【正文】 由與兩部分組成。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)。計(jì)算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照EA1113汽油機(jī)，如附表1所示。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(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般取=，,對(duì)于缸內(nèi)絕對(duì)壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)沖程中，：則由式（）。加速度從運(yùn)動(dòng)學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。質(zhì)量換算的目的是計(jì)算零件的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，以便進(jìn)一步計(jì)算它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的慣性力[9]。 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(dòng)的零件。② 連桿重心的位置不變，即。其中，連桿長度，為連桿重心至小頭中心的距離。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[4]（2）往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)的。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(dòng)質(zhì)量，即。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。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)量簡化為二質(zhì)量和后，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。（1）往復(fù)慣性力 （）式中：—往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，； —連桿比； —曲柄半徑，； —曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，； —曲軸轉(zhuǎn)角。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)=5800，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 （）。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)膨脹終點(diǎn)排氣終點(diǎn)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(dòng)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。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。 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。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損?；钊臒嶝?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)。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]?；钊M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。 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。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。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?。湍?、耐蝕；（6）工藝性好，低廉。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。因此其慣性小，這對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。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。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。 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)。而則直接受頭部尺寸的影響。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，壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構(gòu)成的，即=++ 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。為縮小，當(dāng)然希望盡可能小，但過小會(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。一般汽油機(jī)，為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑，確定火力岸高度為：（2）環(huán)帶高度 為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度應(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。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高，油環(huán)高。取。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。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，汽油機(jī)接近下限。因此，環(huán)帶高度。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(huì)使油環(huán)卡住而失效。綜上所述，可以決定活塞的壓縮高度。則 。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。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。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?；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。（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。~。一般該倒角為。活塞環(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)?，回油孔?duì)降低機(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。（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。已知=，則， 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) [10]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。 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。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。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。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。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]。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。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。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。缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。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。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。取。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）偏移了，這是因?yàn)?，如果活塞銷中心布置，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。 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。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。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。 驗(yàn)算比壓力銷座比壓力為： （）一般。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。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)潤滑效果好。 活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度、環(huán)的徑向厚度?；钊h(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當(dāng)缸徑為時(shí)，取?；钊h(huán)的平均半徑與徑向厚度之比一般都大于5，所以可按直桿彎曲正應(yīng)力公式計(jì)算[9]。套裝應(yīng)力活塞環(huán)往活塞上套裝時(shí)，要把切口扳得比自由狀態(tài)的間隙還大，對(duì)于均壓環(huán)，此時(shí)的正對(duì)切口處的最大套裝彎曲應(yīng)力為： （）式中：—與套裝方法有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)套裝方法的不同，其值為，一般取，則 因環(huán)的套裝時(shí)在常溫下進(jìn)行的，承受的應(yīng)力時(shí)間甚短，所以套裝應(yīng)力的許用值大于工作應(yīng)力的許用值，所以校核合格。第４章 連桿組的設(shè)計(jì) 連桿的設(shè)計(jì) 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用工作情況連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)要求 連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有在足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。所以設(shè)計(jì)連桿的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。材料的選擇 為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在活塞組設(shè)計(jì)中確定。連桿小頭的強(qiáng)度校核以過盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓力。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。 連桿小頭主要結(jié)果尺寸（1）襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力計(jì)算時(shí)把連桿小頭和襯套當(dāng)作兩個(gè)過盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過盈及受熱膨脹，小頭所受的徑向壓力為： 　?。ǎ┦街校骸r套壓入時(shí)的過盈，； 一般青銅襯套，取，其中：—工作后小頭溫升,約；—連桿材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于鋼 ；—襯套材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅；、—連桿材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可?。弧B桿材料的彈性模數(shù)，鋼[10]；—襯套材料的彈性模數(shù)，青銅；計(jì)算小頭承受的徑向壓力為：由徑向均布力引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計(jì)算，外表面應(yīng)力 （）內(nèi)表面應(yīng)力 （）的允許值一般為，校核合格。連桿小頭的剛度計(jì)算當(dāng)采用浮動(dòng)式活塞銷時(shí)，必須計(jì)算連桿小頭在水平方向由于往復(fù)慣性力而引起的直徑變形，其經(jīng)驗(yàn)公式為: （）式中：—連桿小頭直徑變形量，；—連桿小頭的平均直徑，； —連桿小頭斷面積的慣性矩，則 對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)，此變形量的許可值應(yīng)小于直徑方向間隙的一半，標(biāo)準(zhǔn)間隙一般為，則校核合格。為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。（1）最大拉伸應(yīng)力由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為：