機(jī)械制造及其自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)

1、摘要摘 要本文對(duì)單缸柴油機(jī)的主要零部件（活塞）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)活塞進(jìn)行了有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析與實(shí)體模型的創(chuàng)建（運(yùn)用Pro/E）。首先，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)為依據(jù)，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)中的受力等問題進(jìn)行詳盡的分析，并得到了精確的分析結(jié)果。其次對(duì)活塞組進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的校核。再次，應(yīng)用三維CAD軟件：Pro/Engineer建立了活塞的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用Pro/E軟件的裝配功能，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各組成零件裝配成活塞組件、連桿組件和曲軸組件進(jìn)行裝配并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。關(guān)鍵字：受力分析；運(yùn)動(dòng)分析；Pro/E建模III目錄目錄第

2、1章引言11.1 選題背景11.2 研究目標(biāo)和意義11.3 研究主要內(nèi)容2第2章活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究32.1 活塞位移42.2 活塞的速度52.3 活塞的加速度5第3章活塞組的設(shè)計(jì)63.1 活塞的設(shè)計(jì)63.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求63.1.2 活塞的材料73.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì)73.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì)123.2 活塞銷的設(shè)計(jì)153.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料153.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算153.3 活塞銷座163.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)163.3.2 驗(yàn)算比壓力173.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算173.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)173.4.2 活塞環(huán)強(qiáng)度校核173.5 本

3、章小結(jié)19第4章活塞的建模204.1 對(duì)Pro/E軟件基本功能的介紹204.2 活塞的建模204.2.1 活塞的特點(diǎn)分析204.2.2 活塞的建模思路204.2.3 活塞的建模步驟21結(jié)束語26參考文獻(xiàn)27致謝28第1章 引言第1章 引言1.1 選題背景多剛體動(dòng)力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。目前多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件主要有Pro/

4、Mechanics，Working model 3D，ADAMS等。多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)。對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正2。目前國內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù)3-4。目前國內(nèi)

5、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5。1.2 研究目標(biāo)和意義曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。在多種周期

6、性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計(jì)過程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題1。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。為了真實(shí)全面地了解機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，針對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的，高精度的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析與計(jì)算，因此本

7、研究所采用的高效、實(shí)時(shí)分析技術(shù)對(duì)提高分析精度，提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計(jì)算，對(duì)進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡與振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。1.3 研究主要內(nèi)容對(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

8、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；29第2章 活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究第2章 活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究中心曲柄連桿機(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)

9、律進(jìn)行單獨(dú)研究9。圖2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖活塞做往復(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。2.1 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+) = （2.1）式中：連桿比。式（2.1）可進(jìn)一步簡化，由圖2.1可以看出： 即 又由于 （2.

10、2）將式（2.2）帶入式（2.1）得： x= （2.3）式（2.3）是計(jì)算活塞位移x的精確公式,為便于計(jì)算，可將式（2.3）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 （2.4）將式（2.4）帶入式（2.3）得 （2.5）2.2 活塞的速度 將活塞位移公式（2.1）對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分，即可求得活塞速度的精確值為 (2.6)將式（2.5）對(duì)時(shí)間微分，便可求得活塞速度得近似公式為： （2.7）從式（2.7）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

11、周速度。2.3 活塞的加速度將式（2.6）對(duì)時(shí)間微分，可求得活塞加速度的精確值為： （2.8）將式（2.7）對(duì)時(shí)間為微分，可求得活塞加速度的近似值為： （2.9）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。第3章 活塞組的設(shè)計(jì)第3章 活塞組的設(shè)計(jì)3.1 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)。3.1.1 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

12、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?。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。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

13、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?，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(dòng)面上有足夠的潤滑油。3.1.2 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

14、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?。湍?、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。

15、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)柴油機(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。3.1.3 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

16、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(shì)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

17、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。一般柴油機(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

18、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，柴油機(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

19、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)于柴油機(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。大多柴柴油機(jī)正是采用平頂活塞，由于1.6L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，柴油機(jī)為，即?；钊斀邮艿臒崃?，主要通過活塞環(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%，

20、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。活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取，取為6.16mm，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5.993mm.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

21、。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?；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，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

22、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，三道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙如表3.1所示:表3.1 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3.1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

23、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3.2所示。已知=4.5，則， 圖3.1 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 圖3.2第一環(huán)岸的受力情況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。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 （3.1）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 （3.2） 同理得剪切應(yīng)力為： （3.3）接合成應(yīng)力公式為： （3.4）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

24、合格。3.1.4 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?；钊貧飧淄鶑?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

25、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。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?。换钊共啃螤顟?yīng)與活塞的溫度分布

26、、裙部壁厚的大小等相適應(yīng)。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： （3.4）式中、分別為橢圓的長短軸，如圖3.3所示。缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。圖3.3 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

27、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： （3.5）式中：最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得，=2410.83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

28、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。3.2 活塞銷的設(shè)計(jì)3.2.1 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。活塞銷與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采用“全浮式”。活塞銷的外直徑，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。3.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算由運(yùn)動(dòng)學(xué)

29、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 （3.6）空心銷的抗彎斷面系數(shù)為，其中 所以彎曲應(yīng)力為 即 （3.7） 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： （3.8）已知許用彎曲應(yīng)力；許用剪切應(yīng)力，那么校核合格。3.3 活塞銷座3.3.1 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

30、面和較高的耐磨性?；钊N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。3.3.2 驗(yàn)算比壓力銷座比壓力為： （3.9）一般。3.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算3.4.1 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

31、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，。活塞環(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當(dāng)缸徑為時(shí)，取。3.4.2 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?；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。1、工作狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力活塞斷面的最大彎矩為： （3.10）由此可得最大彎曲應(yīng)力為： （3.11）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： （3.12）將式（3.12）帶入（3.11）并整理得： （3.13）式中：材料的彈性模量，對(duì)合金鑄鐵；活

32、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： （3.14）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。3.5 本章小結(jié) 在活塞的設(shè)計(jì)過程中，分別確定了活塞、活塞銷、活塞銷座和活塞環(huán)的主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了其工作條件，總結(jié)了設(shè)計(jì)要求，選擇合適的材料，并分別進(jìn)行了相關(guān)的強(qiáng)度和剛度校核，使其符合實(shí)際要求。第

33、4章 活塞的建模第4章 活塞的建模4.1 對(duì)Pro/E軟件基本功能的介紹Pro/E軟件是美國PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一體化軟件。無論是造型設(shè)計(jì)、工程出圖，以及3D裝配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可動(dòng)態(tài)修改的特點(diǎn)。Pro/E更是以其基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)、單一數(shù)據(jù)庫下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世。另外還具有模具設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，計(jì)算質(zhì)量特征（如質(zhì)心、慣性矩）等功能模塊。用Pro/E創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)觀察結(jié)構(gòu)形體，更可以進(jìn)行方便的動(dòng)態(tài)修改和調(diào)整。進(jìn)行力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、數(shù)控加工等。4.2 活塞的建模4.2.1 活塞的特點(diǎn)分析活塞是在高溫、高壓、高腐蝕的條件下，在汽缸內(nèi)做高速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的。要適應(yīng)這樣惡劣的工作條件，必須具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。（1）活塞頂部外表面設(shè)計(jì)成凹面形，以利于燃燒室內(nèi)的氣體形成渦流，使燃料與空氣混合得更均勻，燃燒得更充分。（2）在活塞的頭部有三道環(huán)形槽，上邊兩道環(huán)形槽為氣環(huán)槽，下邊一條為油環(huán)槽。（3）活塞的裙部在活塞做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)起導(dǎo)向作用。裙部頂端有兩個(gè)往里凸起的銷座。（4）活塞裙部的軸截面應(yīng)制成鼓形，活塞裙部的橫截面應(yīng)制成橢圓形。由于橢圓的長軸與短軸之間相差極小，所以建模時(shí)以圓形代替。4.2.2 活塞的建模思路（1）為了快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建活塞模型，先抽取活塞模型中的對(duì)