山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文摘要 以桑塔納2000AJR型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，基于相關(guān)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的校核，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，以達(dá)到良好的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟，但仍缺乏一種基于良好生產(chǎn)效益、經(jīng)濟(jì)效益上的綜合性分析，本次設(shè)計(jì)在清晰、全面剖析的基礎(chǔ)上，有機(jī)地將各研究模塊聯(lián)系起來，達(dá)到既簡便又清晰的設(shè)計(jì)目的，力求為發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一種綜合全面的思路。 分析研究的主要模塊分為以下三個(gè)部分：第一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，著重分析活塞的位移、速度、加速度以及工質(zhì)的作用力和機(jī)構(gòu)的慣性力；第二，進(jìn)行曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞組、連桿組以及曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核；第三，應(yīng)用ProEngineer 建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零部件的幾何模型，并利用Pro/Mechanism進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真。 關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；受力分析；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；機(jī)構(gòu)仿真 IABSTRACT In Santana 2000AJR engine, for example, based on the relevant parameters of the engine crank main components for structural design calculations, at the same strength, stiffness and other aspects of the check, and associated institutions kinematic analysis and motion simulation analysis, in order to achieve good production cost. At home and abroad on the engine crank dynamics analysis in many ways, and has been perfect and mature, but still lacks a well-based production and economic benefits on a comprehensive analysis of this design in a clear and comprehensive analysis of the based on organically linked to each research module, to achieve both simple and clear design purpose, and strive to provide the engine crank linkage is designed to provide a holistic and comprehensive way of thinking. Analysis of the main module is divided into the following three parts: first, the engine crank kinematic and dynamic analysis, focusing on analysis of piston displacement, velocity, acceleration, as well as the working fluid inertia forces and institutions; Second, the group performed crank piston, connecting rod and crankshaft design group, and its strength and rigidity to be checked; Third, the application of Pro / Engineer to establish the main components crank geometric model and the use of Pro / Mechanism institutional emulation.Keywords: engine; crank linkage; stress analysis; kinematic analysis; mechanism simulation; 目錄摘要IABSTRACTII1緒論11.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.2 研究的目的及意義31.3研究的主要內(nèi)容32 總體方案的設(shè)計(jì)52.1原始參數(shù)的選定52.2原理性方案設(shè)計(jì)62.3 結(jié)構(gòu)性方案設(shè)計(jì)72.4 設(shè)計(jì)方案的確定83 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析103.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)103.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力124 活塞、連桿組的設(shè)計(jì)224.1 活塞的設(shè)計(jì)224.2 活塞銷的設(shè)計(jì)334.3 活塞銷座344.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算354.5 連桿的設(shè)計(jì)374.6 連桿螺栓的設(shè)計(jì)475 曲軸的設(shè)計(jì)495.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇495.2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)505.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核546 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建626.1 活塞的創(chuàng)建626.2 連桿的創(chuàng)建656.3 曲軸的創(chuàng)建686.4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)其它零件的創(chuàng)建717 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析737.1 活塞及連桿的裝配747.2 定義曲軸連桿的連接767.3 定義伺服電動(dòng)機(jī)787.4 建立運(yùn)動(dòng)分析787.5 進(jìn)行干涉檢驗(yàn)與視頻制作797.6 獲取分析結(jié)果817.7 對(duì)結(jié)果的分析83經(jīng)濟(jì)可行性分析84總結(jié)85參考文獻(xiàn)87致謝89附錄90 IV1緒論1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為水冷、四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，其中汽油機(jī)多用于轎車和輕型客貨車上，而大客車和中、重型貨車發(fā)動(dòng)機(jī)多為柴油機(jī)。少數(shù)轎車和輕型客貨車發(fā)動(dòng)機(jī)也有用柴油機(jī)的。還有一種知名度很高，但應(yīng)用很少的發(fā)動(dòng)機(jī)，即三角活塞旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，也叫轉(zhuǎn)子式發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)無論在國內(nèi)還是在國外三大組成部分還是沒有變，現(xiàn)在還是應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，曲柄連桿機(jī)構(gòu)從數(shù)量方面來說，會(huì)朝著多連桿機(jī)構(gòu)方向發(fā)展；從材料方面看，車用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材質(zhì)有球墨鑄鐵和鋼兩類。至于新的發(fā)展趨勢，曲軸應(yīng)該是材料方面的改進(jìn)，比如碳材質(zhì)的，高速、高效加工在曲軸制造業(yè)已有相當(dāng)程度的應(yīng)用，并成為主要發(fā)展方向，相信曲軸制造技術(shù)在將來會(huì)有更新、更快的發(fā)展。從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的發(fā)展趨向可看出：（1）就連桿的使用性能與生產(chǎn)成本來看，C 7 0 鋼錘鍛連桿和鐵基粉末鍛造連桿已日趨接近，市場競爭將白熱化。（2）溫壓連桿的生產(chǎn)成本最低，至于使用性能汽車制造廠家能否接受尚待觀察。毫無疑問，溫壓連桿一旦得到汽車制造廠家認(rèn)可，將很快進(jìn)入市場。（3）鋁基粉末鍛造連桿若開發(fā)成功，一定會(huì)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大沖擊，值得關(guān)注。（4）從連桿的生產(chǎn)開展歷程可看出，粉末冶金零件的開發(fā)與應(yīng)用，和汽車制造業(yè)所追求的輕量化、改進(jìn)零件性能、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)環(huán)境等目標(biāo)息息相關(guān)。因此，汽車制造業(yè)對(duì)粉末冶金零件的生產(chǎn)與發(fā)展應(yīng)給予足夠重視。從研究方向來看，目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟，其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究兩個(gè)或兩個(gè)以上物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系，動(dòng)力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉(zhuǎn)矩等的分析，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法。1、解析法 解析法是對(duì)構(gòu)件逐個(gè)列出方程，通過各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來求解運(yùn)動(dòng)副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標(biāo)法等。2、圖解法圖解法形象比較直觀，機(jī)構(gòu)各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢均能通過圖解一目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇。解析法取點(diǎn)數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。不經(jīng)任何計(jì)算，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復(fù)雜。 3、復(fù)數(shù)向量法復(fù)數(shù)向量法是以各個(gè)桿件作為向量，把在復(fù)平面上的連接過程用復(fù)數(shù)形式加以表達(dá)，對(duì)于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的解析式就時(shí)間求導(dǎo)后，可以得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較好方法。通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻難以計(jì)算出供工程設(shè)計(jì)使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。近年來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來精確求解各種運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)態(tài)過程，從而形成了機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法?？v觀世界汽車產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正以優(yōu)異的性能，更好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性為方向得到日益廣泛的重視和發(fā)展。進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保與節(jié)能將成為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。1.2 研究的目的及意義曲柄連桿機(jī)構(gòu)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。在作功沖程中，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞通過連桿帶動(dòng)曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能而對(duì)外輸出動(dòng)力；在其它沖程中，則依靠曲柄和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性、通過連桿帶動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，為下一次作功創(chuàng)造條件。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是提供燃燒場所，把燃料燃燒后氣體作用在活塞頂上的膨脹壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，不斷輸出動(dòng)力。曲柄連桿機(jī)構(gòu)由機(jī)體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。（1）機(jī)體組：氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋、曲軸箱及油底殼、曲軸箱、汽缸套；（2）活塞連桿組：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿；（3）曲軸飛輪組：曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器、平衡軸。通過設(shè)計(jì)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，為了滿足設(shè)計(jì)的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)為了滿足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，同時(shí)要滿足校核計(jì)算，還需要對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。1.3研究的主要內(nèi)容以桑塔納2000AJR型發(fā)動(dòng)機(jī)為例對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究內(nèi)容有：（1）對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的計(jì)算和校核，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求；（2）分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的工作條件和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求；（3）應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢測其運(yùn)動(dòng)干涉，獲取分析結(jié)果；（4）應(yīng)用Pro/E軟件將零件模型圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用AutoCAD軟件，系統(tǒng)地反應(yīng)工程圖上的各類信息，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。 2 總體方案的設(shè)計(jì)2.1原始參數(shù)的選定表1 桑塔納2000AJR型發(fā)動(dòng)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/L1.781缸徑/mm81.0沖程（行程）/mm86.4沖程/缸徑1.0666連桿長/mm144曲軸半徑/mm 43.2轉(zhuǎn)矩 N.m/r/min150/1300曲軸軸承座5壓縮比9.3額定功率/kW74(5200 r/min)最大扭矩/(Nm)155(3800 r/min)點(diǎn)火順序1342表2 四缸機(jī)工作循環(huán)表曲軸轉(zhuǎn)角（）第一缸第二缸第三缸第四缸0180做功排氣壓縮進(jìn)氣180360排氣進(jìn)氣做功壓縮360540進(jìn)氣壓縮排氣做功540720壓縮做功進(jìn)氣排氣2.2原理性方案設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。由機(jī)體組:氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱體、氣缸套、氣缸墊；活塞連桿組：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿大頭蓋；曲軸飛輪組：曲軸、飛輪、曲軸正時(shí)齒輪三大部分組成。工作原理就是：燃料燃燒后的能量推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，再由連桿帶動(dòng)曲軸作圓周運(yùn)動(dòng)。為了吸入新鮮空氣和排除廢氣，設(shè)有進(jìn)、排氣系統(tǒng)等。活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)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)?；钊斆骐x曲軸中心線最遠(yuǎn)時(shí)的止點(diǎn)，稱為上止點(diǎn)，活塞頂面離曲軸中心線最近時(shí)的止點(diǎn)稱為下止點(diǎn)，活塞運(yùn)行的上、下兩個(gè)止點(diǎn)之間的距離s稱為活塞行程。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。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)包括四個(gè)活塞行程：進(jìn)氣行程、壓縮沖程、作功行程、和排氣行程。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。壓縮行程：為使吸入氣缸的可燃混合氣能迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出較大功率，必須在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積縮小，密度加大，溫度升高，故需要有壓縮過程。在這個(gè)過程中，進(jìn)、排氣門全部關(guān)閉，曲軸推動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)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。作功行程：在這個(gè)行程中，進(jìn)、排氣門關(guān)閉，當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，裝在氣缸體(或氣缸蓋)上的火化塞即發(fā)出電火花，點(diǎn)燃被壓縮的可燃混合氣。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(dòng)時(shí)，繼續(xù)將廢氣強(qiáng)制排到大氣中。活塞到上止點(diǎn)附近時(shí)，排氣行程結(jié)束。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)。2.3 結(jié)構(gòu)性方案設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多，按運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)可分為三類，即:中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。1、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。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。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(duì)置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。2、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線，但不通過曲軸的回轉(zhuǎn)中心，氣缸中心線距離曲軸的回轉(zhuǎn)軸線具有一偏移量e。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。 3、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿，其它各列氣缸則用副連桿，這些連桿的下端不是直接接在曲柄銷上，而是通過副連桿銷裝在主連桿的大頭上，形成了“關(guān)節(jié)式”運(yùn)動(dòng)，所以這種機(jī)構(gòu)有時(shí)也稱為“關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)”。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(dòng)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)。2.4 設(shè)計(jì)方案的確定經(jīng)過比較，設(shè)計(jì)的型式選擇為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖2.1所示，圖2.1中氣缸中心線通過曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿，B為曲柄銷中心，A為連桿小頭孔中心或活塞銷中心。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(dòng)，活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng)，其大頭B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際分析中，為使問題簡單化，一般將連桿簡化為分別集中于連桿大頭和小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需要對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究。圖2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖計(jì)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 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(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)分析。 3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力，關(guān)鍵在于分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、磨損等方面的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，以便達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求。3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3.1.1 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(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為，如圖2.1 所示。當(dāng)=時(shí)，活塞銷中心A在最上面的位置A1，此位置稱為上止點(diǎn)。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)。此時(shí)活塞的位移x為:x=(r+)=（3.1）式中：連桿比。式（3.1）可進(jìn)一步簡化，由圖2.1可以看出：即 又由于 （3.2）將式（3.2）帶入式（3.1）得： X= （3.3）式（3.3）是計(jì)算活塞位移x的精確公式,為便于計(jì)算，可將式（3.3）中的根號(hào)按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得：考慮到 13，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。只保留前兩項(xiàng)，則 （3.4）將式（3.4）帶入式（3.3）得 （3.5）3.1.2 活塞的速度 將活塞位移公式（3.1）對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分，即可求得活塞速度的精確值為 (3.6)將式（3.5）對(duì)時(shí)間微分，便可求得活塞速度得近似公式為： （3.7）從式（3.7）可以看出，活塞速度可視為由與兩部分簡諧運(yùn)動(dòng)所組成。當(dāng)或時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)時(shí)，此時(shí)活塞得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。3.1.3 活塞的加速度將式（3.6）對(duì)時(shí)間微分，可求得活塞加速度的精確值為： （3.8）將式（3.7）對(duì)時(shí)間為微分，可求得活塞加速度的近似值為：（3.9）因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由與兩部分組成。3.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。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)。而負(fù)載阻力與主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)，無需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)件的作用。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(dòng)機(jī)，如附表1所示。3.2.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力作用在活塞上的氣體作用力等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活塞頂面積的乘積，即 （3.10）式中：活塞上的氣體作用力，； 缸內(nèi)絕對(duì)壓力，； 大氣壓力，； 活塞直徑，。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=0.1，,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，計(jì)算結(jié)果如表2.1所示：則由式（3.10）計(jì)算氣壓力如表2.2所示。3.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力慣性力是由于運(yùn)動(dòng)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。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。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡化。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量換算質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)等效性。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。表3.1 缸內(nèi)絕對(duì)壓力計(jì)算結(jié)果四個(gè)沖程終點(diǎn)壓力計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果/進(jìn)氣終點(diǎn)壓力0.08壓縮終點(diǎn)壓力1.46膨脹終點(diǎn)壓力0.45排氣終點(diǎn)壓力0.115注：平均壓縮指數(shù)，=1.321.38；壓縮比，=9.3；平均膨脹指數(shù)，=1.21.30；最大爆發(fā)壓力，=35，取=4.5；此時(shí)壓力角=，取=。表3.2 氣壓力計(jì)算結(jié)果四 個(gè) 沖 程/進(jìn)氣終點(diǎn)77.23壓縮終點(diǎn)-102.97膨脹終點(diǎn)7001.933排氣終點(diǎn)1801.968（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。為了方便計(jì)算，將整個(gè)連桿（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量用兩個(gè)換算質(zhì)量和來代換，并假設(shè)是集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量；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(dòng)的質(zhì)量，如圖3.2所示：圖3.2 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(gè)條件： 連桿總質(zhì)量不變，即。 連桿重心的位置不變，即。 連桿相對(duì)重心G的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，即。其中，連桿長度，為連桿重心至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公式：用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置。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 ，如圖3.3所示：圖3.3 索多邊形法（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。它們的質(zhì)量可以看作是集中在活塞銷中心上，并以表示。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。（3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖3.4所示： 圖3.4 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(shí)，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。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)量與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量，即由上述換算方法計(jì)算得：往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量=0.575，不平衡回轉(zhuǎn)=0.461。2、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。往復(fù)質(zhì)量的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)慣性力。（1）往復(fù)慣性力（3.11）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。是沿氣缸中心線方向作用的，公式（3.11）前的負(fù)號(hào)表示方向與活塞加速度的方向相反。其中曲柄的角速度為： （3.12）式中：曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，；已知額定轉(zhuǎn)數(shù)=5200，則；曲柄半徑=43.2，連桿比=0.250.315，取=0.3，參照附錄表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（3.11），計(jì)算得單位活塞面積上往復(fù)慣性力，結(jié)果如表3.3所示：表3.3 往復(fù)慣性力計(jì)算結(jié)果四 個(gè) 沖 程/進(jìn)氣終點(diǎn)-78652.87壓縮終點(diǎn)33708.3膨脹終點(diǎn)-78652.87排氣終點(diǎn)33708.3（2）旋轉(zhuǎn)慣性力 （3.13） 3、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 （3.14）計(jì)算結(jié)果如表2.4所示。4、活塞上的總作用力分解與傳遞如圖2.5所示，首先，將分解成兩個(gè)分力：沿連桿軸線作用的力，和把活塞壓向氣缸壁的側(cè)向力，其中沿連桿的作用力為： （3.15）而側(cè)向力為： （3.16）四個(gè)沖程氣壓力/往復(fù)慣性力/總作用力/進(jìn)氣終點(diǎn)77.23壓縮終點(diǎn)-102.9733708 .3 33605.33膨脹終點(diǎn)7001.933排氣終點(diǎn)1801.96833708 .3 35510.268表3.4 作用在活塞上的總作用力圖3.5 作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩連桿作用力的方向規(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)=時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得：求得 將分別代入式（3.15）、式（3.16），計(jì)算結(jié)果如表3.5所示：表3.5 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 2402.17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 （3.17）和壓縮曲柄臂的徑向力，即 （3.18）規(guī)定力和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為正，力指向曲軸為正。求得切向力、徑向力見如表3.6所示: 表3.6 切向力、徑向力的計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程切向力/徑向力/進(jìn)氣終點(diǎn)22854.86壓縮終點(diǎn) 9774.5932232.64膨脹終點(diǎn)排氣終點(diǎn)10328.6734059.784 活塞、連桿組的設(shè)計(jì)4.1 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)。4.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求1、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)要盡量簡單、輕巧，截面變化處的過渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中。2、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)。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨摺；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(duì)活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用9。3、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，由于此處潤滑條件較差，磨損情況比較嚴(yán)重。4、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；（5）減少活塞從燃?xì)馕盏臒崃浚盐盏臒崃縿t能順利地散走；（6）在較低的機(jī)油耗條件下，保證滑動(dòng)面上有足夠的潤滑油。4.1.2 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)較小），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)重量僅占鑄鐵活塞的。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。4.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì) 1、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(dòng)機(jī)高度就可以縮短單位，并顯著減輕活塞重量。而則直接受頭部尺寸的影響。2、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。（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。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。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)，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。但太小，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，油環(huán)高。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，。環(huán)岸的高度，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，汽油機(jī)接近下限。則 ， 。因此，環(huán)帶高度（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。對(duì)于汽油機(jī)，所以。則 。3、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AJR型發(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，即?；钊斀邮艿臒崃浚饕ㄟ^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7080%，經(jīng)活塞本身傳到氣缸壁的占1020%，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，取為6.15mm，活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角，一般取，取0.074為5.991mm.為了減少積炭和受熱，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。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0.20.5mm?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇牵駝t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。（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。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，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為0.050.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.030.07mm，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3.1所示:表4.1 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。一般氣環(huán)=0.5毫米，油環(huán)的則更大些，如圖4.1所示。（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。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力比下面壓力大得多，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，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力時(shí)，如圖4.2所示。已知=4.5，則， 圖4.1 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 圖4.2第一環(huán)岸的受力環(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。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直徑，環(huán)槽深為：于是作用在岸根的彎矩為 （4.1）而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力 （4.2）5同理得剪切應(yīng)力為： （4.3）接合成應(yīng)力公式為： （4.4）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，校核合格。4.1.4 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。活塞沿氣缸往復(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。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。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小；活塞裙部形狀應(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： （4.4）式中、分別為橢圓的長短軸，如圖4.3所示。缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。圖4.3 活塞銷裙部的橢圓形狀91、裙部的尺寸活塞裙部是側(cè)壓力的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤滑油膜，其表面比壓不應(yīng)超過一定的數(shù)值。因此，在決定活塞裙部長度是應(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。裙部單位面積壓力（裙部比壓）按下式計(jì)算： （4.5）式中：最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得，=5315.42活塞直徑，；裙部高度，。取。則 一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比壓值約為，所以設(shè)計(jì)合適。2、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。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。4.2 活塞銷的設(shè)計(jì)4.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料1、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，取，活塞銷的內(nèi)直徑，取活塞銷長度，取2、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。4.2.2 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。1、最大彎曲應(yīng)力計(jì)算活塞銷中央截面的彎矩為 （4.6）空心銷的抗彎斷面系數(shù)為，其中 所以彎曲應(yīng)力為 即 （4.7） 2、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： （4.8） 已知許用彎曲應(yīng)力；許用剪切應(yīng)力，那么校核合格。4.3 活塞銷座4.3.1 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，活塞銷座外徑一般等于內(nèi)徑的倍，取，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，但當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共就足夠了，取間隙為。4.3.2 驗(yàn)算比壓力銷座比壓力為： （4.9）一般。4.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算4.4.1 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，并容易形成楔形潤滑油膜。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。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、環(huán)的徑向厚度。氣環(huán)，油環(huán)，取，?；钊h(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當(dāng)缸徑為時(shí)，取。4.4.2 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一般都大于5，所以可按直桿彎曲正應(yīng)力公式計(jì)算9。1、工作狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力活塞斷面的最大彎矩為： （4.10）由此可得最大彎曲應(yīng)力為： （4.11）對(duì)于斷面均壓環(huán)其開口間隙與活塞環(huán)平均接觸壓力之間有如下關(guān)系： （4.12）將式（4.12）帶入（4.11）并整理得： （4.13）式中：材料的彈性模量，對(duì)合金鑄鐵；活塞環(huán)的開口間隙，取為；氣缸直徑，；活塞環(huán)徑向厚度，則 活塞環(huán)工作時(shí)的許用彎曲應(yīng)力為，則校核合格。2、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： （4.14）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。4.5 連桿的設(shè)計(jì)4.5.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用1、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)。因此，連桿體除有上下運(yùn)動(dòng)外，還左右擺動(dòng)，做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。2、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。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會(huì)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作帶來不好的影響。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。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。3、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。4.5.2 連桿長度的確定 設(shè)計(jì)連桿時(shí)首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長度它通常是用連桿比來說明的，通常0.3125，取，則。4.5.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算1、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在活塞組設(shè)計(jì)中確定，。為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為，取，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。2、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。若襯套材料的膨脹系數(shù)比連桿材料的大，則隨工作時(shí)溫度升高，過盈增大，小頭斷面中的應(yīng)力也增大。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。上述載荷的聯(lián)合作用可能使連桿小頭及其桿身過渡處產(chǎn)生疲勞破壞，故必須進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算9。圖4.4 連桿小頭主要結(jié)果尺寸（