汽車曲柄連桿機(jī)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 目錄目錄1第1章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析11.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇11.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)11.1.1 活塞位移21.1.2 活塞的速度31.1.3 活塞的加速度31.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力41.2.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力41.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力41.3 本章小結(jié)11第2章 活塞組的設(shè)計(jì)122.1 活塞的設(shè)計(jì)122.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求122.1.2 活塞的材料132.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì)132.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì)182.2 活塞銷的設(shè)計(jì)202.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料202.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算202.3 活塞銷座212.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)212.3.2 驗(yàn)算比壓力212.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算222.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)222.4.2 活塞環(huán)強(qiáng)度校核222.5 本章小結(jié)23第3章 連桿組的設(shè)計(jì)243.1 連桿的設(shè)計(jì)243.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用243.1.2 連桿長度的確定243.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算243.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算273.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算303.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì)323.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力323.2.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算323.3 本章小結(jié)33第4章 曲軸的設(shè)計(jì)344.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型

3、式和材料的選擇344.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求344.1.2 曲軸的結(jié)構(gòu)型式344.1.3 曲軸的材料344.2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)354.2.1 曲柄銷的直徑和長度354.2.2 主軸頸的直徑和長度354.2.3 曲柄364.2.4 平衡重364.2.5 油孔的位置和尺寸374.2.6 曲軸兩端的結(jié)構(gòu)374.2.7 曲軸的止推374.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核384.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩384.3.2 名義應(yīng)力的計(jì)算424.4 本章小結(jié)44第5章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建455.1 對(duì)Pro/E軟件基本功能的介紹455.2 活塞的創(chuàng)建455.2.1 活塞的特點(diǎn)分析

4、455.2.2 活塞的建模思路455.2.3 活塞的建模步驟465.3 連桿的創(chuàng)建475.3.1 連桿的特點(diǎn)分析475.3.2 連桿的建模思路475.3.3 連桿體的建模步驟485.3.4 連桿蓋的建模495.4 曲軸的創(chuàng)建495.4.1 曲軸的特點(diǎn)分析495.4.2 曲軸的建模思路495.4.3 曲軸的建模步驟505.5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)其它零件的創(chuàng)建525.5.1 活塞銷的創(chuàng)建525.5.2 活塞銷卡環(huán)的創(chuàng)建525.5.3 連桿小頭襯套的創(chuàng)建525.5.4 大頭軸瓦的創(chuàng)建525.5.5 連桿螺栓的創(chuàng)建535.6 本章小結(jié)53第6章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝配546.1 活塞及連桿的裝配546.1.1 組

5、件裝配的分析與思路546.1.2 活塞組件裝配步驟546.1.3 連桿組件的裝配步驟556.2 定義曲軸連桿的連接56參考文獻(xiàn)584第1章 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。1.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(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

6、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“

7、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)8。經(jīng)過比較，本設(shè)計(jì)的型式選擇為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)。1.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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

8、，為使問題簡(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)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9。圖2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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。1.1.1 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

9、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(jiǎn)化，由圖2.1可以看出：即 又由于 （2.2）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）1.1.2 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）

10、可以看出，活塞速度可視為由與兩部分簡(jiǎn)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。1.1.3 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(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由與兩部分組成。1.2 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)，

11、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EA1113汽油機(jī)，如附表1所示。1.2.1 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 （2.10）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（2.10）計(jì)算氣壓力如表2.2所示。1.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力慣性力是由于

12、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(jiǎn)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9。表1.1 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

13、=，取=。表1.2 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2.2所示：圖1.2 連桿質(zhì)量的換算簡(jiǎn)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

14、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(jiǎn)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2.3所示：圖1.3 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。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2.4所示： 圖1.4 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

15、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=0.583，不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量=0.467。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(jiǎn)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 （2.11）式中：

16、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（2.11）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： （2.12）式中：曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，；已知額定轉(zhuǎn)數(shù)=5800，則；曲柄半徑=40.23，連桿比=0.250.315，取=0.27，參照附錄表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（2.11），計(jì)算得往復(fù)慣性力，結(jié)果如表2.3所示：表1.3 往復(fù)慣性力計(jì)算結(jié)果四 個(gè) 沖 程/進(jìn)氣終點(diǎn)-10519.68壓縮終點(diǎn)6324.5膨脹終點(diǎn)-10519.68排氣終點(diǎn)6324.51（2）旋轉(zhuǎn)慣性力 （2.13） 3、作用在活塞上的總作

17、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 （2.14）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： （2.15）而側(cè)向力為： （2.16）表1.4 作用在活塞上的總作用力四個(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)-102.976324.5膨脹終點(diǎn)7001.933排氣終點(diǎn)1801.9686324.5圖1.5 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)

18、，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（2.15）、式（2.16），計(jì)算結(jié)果如表2.5所示：表1.5 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)6385.191436.356膨脹終點(diǎn)排氣終點(diǎn)8340.2371896.923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 （2.17）和壓縮曲柄臂的徑向力，即 （2.18）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2.6所示:表1.6 切向力、

19、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)壓縮終點(diǎn)1811.3556122.8789膨脹終點(diǎn)排氣終點(diǎn)2365.967997.611.3 本章小結(jié)本章首先分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，重點(diǎn)分析了活塞的運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上分析了每個(gè)工作過程的氣體壓力變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出各過程氣體力的理論計(jì)算公式，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的換算，并根據(jù)EA113型汽油機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出了各過程的氣體力，為后面章節(jié)的動(dòng)力仿真提供了理論數(shù)據(jù)的依據(jù)。第2章 活塞組的設(shè)計(jì)2.1 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

20、程度上與活塞組的工作情況有關(guān)。2.1.1 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(jiǎn)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；?/p>

21、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。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

22、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。2.1.2 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)

23、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。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?jī)H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)

24、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。2.1.3 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(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

25、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

26、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

27、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(jiǎn)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EA113 5V 1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓

28、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6.16mm，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

29、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?，否則當(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

30、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2.1 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

31、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3.2所示。已知=4.5，則， 圖2.1 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu) 圖2.2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(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)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

32、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，校核合格。2.1.4 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)

33、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

34、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： （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，

35、橢圓度（）的大小，一般為。圖2.3 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： （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

36、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。2.2 活塞銷的設(shè)計(jì)2.2.1 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

37、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。2.2.2 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 （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

38、么校核合格。2.3 活塞銷座2.3.1 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)膭偠龋逛N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?；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。2.3.2 驗(yàn)算比壓力銷座比壓力為： （3.9）一般。2.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算2.4.1 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

39、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，。活塞環(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當(dāng)缸徑為時(shí)，取。2.4.2 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： （

40、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，

41、所以校核合格。2.5 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3章 連桿組的設(shè)計(jì)3.1 連桿的設(shè)計(jì)3.1.1 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

42、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。3.1.2 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。3.1.3 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，

43、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3.1 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

44、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： （4.1）式中：襯套壓入時(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??；連桿材料的彈性模數(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 （4.2）內(nèi)表面應(yīng)力 （4.3）的允許值一般為，校核合格。（2）連桿小頭的疲勞安全系數(shù)連桿小頭的應(yīng)力變化為非對(duì)稱循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到連桿小頭的

45、過渡處的外表面上為： （4.4）式中：材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），??； 材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取=0.2； 應(yīng)力幅， ； 平均應(yīng)力，；工藝系數(shù)，取0.5；則 連桿小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)，一般約在范圍之內(nèi)4。3、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: （4.5）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。3.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算1、連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)連桿桿身從

46、彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度約等于(為氣缸直徑)，取，截面高度，取。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。2、連桿桿身的強(qiáng)度校核連桿桿身在不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計(jì)算斷面以上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃?xì)鈮毫蛻T性力差值的壓縮，為了計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，必須現(xiàn)求出計(jì)算斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力。（1）最大拉伸應(yīng)力由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為： （4.6）式中：連桿桿身的斷面面積，汽油機(jī)，為活塞投影面積，取。則最大拉伸應(yīng)力為： （2）桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在做功行程中

47、最大燃?xì)庾饔昧r(shí)，并可認(rèn)為是在上止點(diǎn)，最大壓縮力為： （4.7）連桿承受最大壓縮力時(shí)，桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時(shí)連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲，可認(rèn)為連桿兩端為鉸支，長度為；在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn)，長度為，因此在擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： （4.8）式中：系數(shù)，對(duì)于常用鋼材，??；計(jì)算斷面對(duì)垂直于擺動(dòng)平面的軸線的慣性矩，。 ；將式（4.8）改為： （4.9）式中 連桿系數(shù)，；則擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為：同理，在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： （4.10） 將式（4.10）改成 （4.11）式中：連桿系數(shù)，。則在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 和的許用值為 ，所以校核合格。（3）連

48、桿桿身的安全系數(shù)連桿桿身所受的是非對(duì)稱的交變循環(huán)載荷，把或看作循環(huán)中的最大應(yīng)力，看作是循環(huán)中的最小應(yīng)力，即可求得桿身的疲勞安全系數(shù)。循環(huán)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，在連桿擺動(dòng)平面為： （4.12） （4.13）在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)為： （4.13） （4.14）連桿桿身的安全系數(shù)為： （4.15）式中：材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），?。徊牧蠈?duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取=0.2；工藝系數(shù)，取0.45。則在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)連桿桿身的安全系數(shù)為：在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)連桿桿身的安全系數(shù)為：桿身安全系數(shù)許用值在的范圍內(nèi)，則校核合格。3.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算1、連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑、長度、連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。其中在、在曲軸設(shè)計(jì)中確定，則大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺(tái)高度，取，取，為了提高連桿大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。2、連桿大頭的強(qiáng)度校核假設(shè)通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個(gè)整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的連桿體上，固定角為，通常取，作用力通過曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規(guī)律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小