《發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（49頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 目錄 第1章 緒論 4 1.1 選題的目的和意義 4 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 4 第2章 整體設(shè)計(jì)方案 6 2.2活塞組設(shè)計(jì)方案 6 2.3連桿組設(shè)計(jì)方案 7 2.3 柴油機(jī)動(dòng)力計(jì)算 8 2.3.1已知原始數(shù)據(jù) 8 2.3.2動(dòng)力計(jì)算 9 2.4本章小結(jié) 12 第3章活塞組的設(shè)計(jì) 13 3.1 活塞的設(shè)計(jì) 13 3.1.1活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 13 3.1.2活塞的材料 14 3.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì) 14 3.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì) 18 3.2 活塞銷的設(shè)計(jì) 19 3.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 19 3.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算

2、20 3.3 活塞銷座 21 3.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.4活塞環(huán)的設(shè)計(jì) 21 3.5 本章小結(jié) 23 第4章 連桿組的設(shè)計(jì) 24 4.1 連桿的設(shè)計(jì) 24 4.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 24 4.1.2 連桿長(zhǎng)度的確定 24 4.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 24 4.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 27 4.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 30 4.2 本章小結(jié) 31 5曲軸組的設(shè)計(jì) 32 5.1 曲軸的選型 32 5.2 曲軸主要尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算 32 5.3 曲柄的選擇 33 5.4 平衡重的

3、設(shè)計(jì) 33 5.5 油道設(shè)計(jì)及油孔位置 33 5.4 本章小結(jié) 34 第6章 活塞連桿組的創(chuàng)建 34 6.1 對(duì)Solidworks軟件基本功能的介紹 35 6.2 活塞的創(chuàng)建 35 6.2.1 活塞的建模步驟 35 6.3 連桿的創(chuàng)建 37 6.3.3 連桿蓋的建模 38 6.4 活塞連桿組其它零件的創(chuàng)建 39 6.4.1 活塞銷的創(chuàng)建 39 6.4.2 活塞銷卡環(huán)的創(chuàng)建 39 6.4.3 連桿小頭襯套的創(chuàng)建 39 6.4.4 大頭軸瓦的創(chuàng)建 39 6.4.5 連桿螺栓的創(chuàng)建 40 6.5 本章小結(jié) 40 第7章有限元分析 41 7.1連桿模態(tài)分析 41

4、7.1.1數(shù)字化建模 41 7.1.2導(dǎo)入外部幾何模型 41 7.1.3網(wǎng)格劃分 41 7.1.4邊界條件的施加 42 7.1.5求解 42 7.2本章小結(jié) 43 1緒論 1.1 選擇該題的目的與意義 活塞連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出以及傳遞運(yùn)動(dòng)的重要組成部分，內(nèi)燃機(jī)通過(guò)活塞連桿組把活塞頂部所受到的燃?xì)獗l(fā)力通過(guò)活塞銷和小頭串聯(lián)傳遞給桿身，小頭和曲軸銷串聯(lián)曲軸把力變成轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也能順帶著將活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)巧妙的變?yōu)榍S地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。活塞連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先保證機(jī)

5、構(gòu)整體上具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，如何減少活塞連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)力集中的同時(shí)又能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊重量輕的機(jī)構(gòu)是此次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 通過(guò)此次設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)我們對(duì)大學(xué)四年已學(xué)知識(shí)總結(jié)和綜合應(yīng)用，熟悉各參數(shù)對(duì)活塞連桿組計(jì)算結(jié)果的影響和變化規(guī)律，鍛煉自己對(duì)數(shù)據(jù)的分析能力，從而達(dá)到在復(fù)雜數(shù)據(jù)的情況下能快速挑選有用參數(shù)的目的。 同時(shí)也能讓自己對(duì)活塞連桿組之間的各個(gè)工作過(guò)程的相互的影響有一個(gè)清楚的認(rèn)知，通過(guò)使用繪圖軟件繪制活塞連桿機(jī)構(gòu)零件圖、三維圖、裝配圖，能培養(yǎng)我們的快速識(shí)圖和迅速制圖的能力，使我們能夠掌握如何利用有限元分析軟件模擬活塞連桿組的實(shí)際工作過(guò)程。從而能看出所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理，結(jié)構(gòu)是否存在運(yùn)動(dòng)干涉，設(shè)計(jì)參

6、數(shù)能否達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求等問(wèn)題都能在零件圖三維圖以及應(yīng)力云圖上得到不同程度的反映，同時(shí)它還能鍛煉我們綜合大學(xué)所學(xué)知識(shí)對(duì)整體機(jī)構(gòu)中各零部件以及各附件系統(tǒng)之間的配合關(guān)系進(jìn)行一個(gè)充分的探究，培養(yǎng)了自己畢業(yè)后能夠從事設(shè)計(jì)工作增加了優(yōu)勢(shì)。 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 自十九世紀(jì)六十年代年首臺(tái)內(nèi)燃機(jī)誕生以來(lái)，德國(guó)人魯?shù)婪虻胰麪栍X(jué)得當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率低下，經(jīng)過(guò)一系列挫折終于在一八九二年研發(fā)出了世界第一臺(tái)可以正常實(shí)現(xiàn)扭力輸出的壓燃式柴油發(fā)送機(jī)，至今發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)了近160年的發(fā)展，它改變了人類的出行方式，極大的提高了人類出行效率，同時(shí)給各大機(jī)器提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，極大地促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展，間接的豐富了人們的物質(zhì)追求

7、，提高了人們的生活質(zhì)量，已經(jīng)成為人類發(fā)展不可或缺的一部分。但是，隨著人類對(duì)機(jī)械動(dòng)力的需求不斷增加，工作環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)酷，到目前為止內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到其極限，在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等方面依然存在很大研究發(fā)展空間。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比較于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)其熱效率更高和經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，柴油機(jī)點(diǎn)火方式很獨(dú)特，采用的是壓燃點(diǎn)火，結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，點(diǎn)火原理就是在壓縮空氣的同時(shí)噴入柴油，使空氣分子劇烈擠壓使空氣溫度瞬間達(dá)到柴油的燃點(diǎn)，同時(shí)和空氣混合完成點(diǎn)火燃燒，較汽油機(jī)來(lái)說(shuō)柴油機(jī)無(wú)需點(diǎn)火系統(tǒng)。大量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)表明，在現(xiàn)在各種動(dòng)力機(jī)械中，柴油機(jī)不僅熱效率最高，而且能量利用率最好 。 進(jìn)入21世紀(jì)，由于人們環(huán)保

8、意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)家對(duì)柴油車廢氣污染物的要求和汽油車一樣日漸嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性也提出了更高的要求，面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題，如何提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和減少?gòu)U氣排放，如今已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。 目前發(fā)動(dòng)機(jī)柴油化呈現(xiàn)全球化趨勢(shì)，尤其在北美、歐洲日本等地區(qū)這種發(fā)展趨勢(shì)最為明顯。據(jù)調(diào)查顯示，在歐美日這些國(guó)家的重型機(jī)械全部以柴油機(jī)作為動(dòng)力，美國(guó)和歐洲商用車百分之九十為柴油車，百分之三十左右的小轎車為柴油車，據(jù)專家預(yù)測(cè)，在今后十年甚至是更長(zhǎng)時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)柴油化將成為主流趨勢(shì)。歐洲在柴油機(jī)上擁有大量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性較好，供油充分，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊[2]。我國(guó)雖然在世界上單缸柴油機(jī)產(chǎn)量，廠家和

9、品種最多，但是整體水平仍讓落后于西方國(guó)家10~20年，比起汽油機(jī)，國(guó)家對(duì)柴油機(jī)也不夠重視，有些城市甚至對(duì)柴油車限行處理，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)工藝水平和規(guī)模發(fā)展及自主開(kāi)發(fā)能力的提高[3]。在大多數(shù)人的印象里，柴油機(jī)充斥著嚴(yán)重的噪聲，刺鼻的氣味和濃濃的黑煙，社會(huì)整體呈現(xiàn)出“厭柴”心理。隨著一些先進(jìn)柴油機(jī)和技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)柴油機(jī)自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)有了較快的發(fā)展，整體技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)外八十年代末九十年代初的水平，誕生了如常柴、玉柴、濰柴等優(yōu)秀柴油機(jī)研發(fā)制造企業(yè)，隨著高壓共軌噴射、增壓中冷技術(shù)、廢棄再循環(huán)等技術(shù)的使用，國(guó)內(nèi)某些最新柴油機(jī)產(chǎn)品排放水準(zhǔn)甚至能達(dá)到歐洲的最高排放標(biāo)準(zhǔn)。 2 整體設(shè)計(jì)方案

10、 2.1原始參數(shù) 1) 所選柴油機(jī)：S195柴油機(jī); 2) 燃燒室類型：渦流式； 3) 氣缸數(shù)目Z：1; 4) 柴油機(jī)沖程數(shù)t : 4; 5) 氣缸直徑D: 95mm； 6) 活塞行程S: 115mm； 7) 排量： 0.815L; 8) 標(biāo)定功率 Ne : 8.8kw (12PS)； 9) 標(biāo)定轉(zhuǎn)速： 2000 rpm; 10) 怠速轉(zhuǎn)速： <800 rpm； 11) 壓縮比s: 20; 12) 冷卻方式：水冷； 13) 凈質(zhì)量： 145kg; 14) 潤(rùn)滑方式：壓力潤(rùn)滑+飛濺潤(rùn)滑； 15) 啟動(dòng)方式：電啟

11、動(dòng)； 16) 最高爆發(fā)壓力pz: 75kgf /cm2 ； 17) 壓力升高比：1.50 18) 平均有效壓力pc：6.78 kgf/cm2 19) 最高燃燒溫度: 2230 K 2.2 活塞組總體設(shè)計(jì)方案 2.2.1對(duì)活塞頭部進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 活塞頭部這一塊區(qū)域主要由頂部和環(huán)帶部?jī)蓚€(gè)小區(qū)域組成，作用很簡(jiǎn)單就是，承受高溫高壓燃?xì)鈮毫?，然后通過(guò)活塞銷座把運(yùn)動(dòng)從連桿小頭傳遞到連桿大頭，推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。同時(shí)活塞頭部還與汽缸蓋、汽缸壁三者共同組成燃燒室，活塞環(huán)一起打配合保證氣缸氣密性。因此，在設(shè)計(jì)柴油機(jī)活塞頭部時(shí)要特別關(guān)注以下幾個(gè)方面：其一：所選擇制作活塞頭部的材

12、料一定要具有充分的強(qiáng)度與剛度，防止頭部因應(yīng)力集中開(kāi)裂或者明顯的變形，因?yàn)轭^部的變形最終會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)槽的空間受到壓縮，活塞環(huán)的空間變小受到擠壓，破化了活塞環(huán)的正常工作；其二：一定要減小頭部的最高溫度，同時(shí)溫差梯度要均勻，一頭溫度高一頭溫度低就會(huì)形成大的熱應(yīng)力以及熱變形，引起頭部疲勞損傷，嚴(yán)重時(shí)能導(dǎo)致熱疲勞開(kāi)裂，不好的地方能避免的盡量去避免，活塞環(huán)嘛，也需要一個(gè)好的工作條件；其三：在保證活塞頭部有足夠的強(qiáng)度及剛度的情況下結(jié)構(gòu)盡可能輕巧，尺寸盡可能緊湊，因?yàn)轭^部對(duì)壓縮高度的影響還是蠻大的，比如說(shuō)頭部尺寸縮小量最大甚至能達(dá)到壓縮高度尺寸縮短的兩倍，同時(shí)還能顯著減小活塞重量，降低活塞往復(fù)慣性質(zhì)量。

13、2.2.2活塞環(huán) 為保證機(jī)構(gòu)具有足夠氣密性，本次社稷的活塞環(huán)打算設(shè)計(jì)成四道，打算設(shè)計(jì)三道氣環(huán)，一道油環(huán)。第一道活塞環(huán)打算使用梯形環(huán)，材料預(yù)選用球墨鑄鐵，表面鍍多孔性鉻，活塞壽命長(zhǎng)。第二、三道活塞環(huán)打算使用錐形環(huán)，材料為灰鑄鐵，表面壓力高，有利于磨合密封，布油效果也好。第四道是油環(huán)，使用彈簧膨脹環(huán)，選用優(yōu)質(zhì)鋼，質(zhì)量小，基礎(chǔ)比壓高，回油通路大刮油能力強(qiáng)。 2.2.3活塞裙部 活塞裙部指的是活塞油環(huán)槽以下的部分[9]。當(dāng)活塞受到氣壓力下行，受凸輪慣性力上行時(shí)，主要靠裙部起導(dǎo)向作用，在這個(gè)過(guò)程中由于連桿快速擺動(dòng)，導(dǎo)致氣缸壁會(huì)給裙部一個(gè)氣體側(cè)壓力。所以設(shè)計(jì)裙部時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，第一務(wù)必要保證活塞能

14、夠以最小摩擦往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能得到正確的導(dǎo)向，同時(shí)具有足夠大實(shí)際承壓面積，減小來(lái)自氣缸壁的側(cè)應(yīng)力沖擊；第二裙部表面要有足夠厚的潤(rùn)滑油膜，既不因間隙過(guò)小而導(dǎo)致活塞卡住拉傷，造成拉毛，也不因間隙過(guò)大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速磨損。為了避免出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部與氣缸之間必需留有適當(dāng)?shù)拈g隙。由于活塞頭部距離高溫燃?xì)庾罱瑢?dǎo)致活塞外表面上下溫度分布很不均勻，活塞頂溫度最高可達(dá)兩百甚至五百度，所以環(huán)帶溫度梯度要比裙部更明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多加考慮如何加速塞頭部流向裙部的熱量，使活塞頭部迅速冷卻；把活塞外圓面制成有不同錐度的圓錐面，盡最大的努力縮小活塞裙部膨脹；活塞裙部形狀要與活塞本身的溫度變化相對(duì)應(yīng)起來(lái)、還要

15、和裙部壁厚薄厚度等對(duì)應(yīng)起來(lái)[10]。翻了一下柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)這本書，對(duì)于共晶硅鋁合金活塞頂部間隙?0、垂直銷孔方向裙部間隙?⊥的推薦值為： ?0D=0.006,?⊥D=0.0014 2.3連桿組設(shè)計(jì)方案 連桿組實(shí)際上就是住在活塞組和曲軸組中間，起到一個(gè)紐帶橋梁的作用，一方面連桿小頭與活塞攜手做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，另一方面連桿大頭和曲柄銷聯(lián)合起來(lái)，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)這個(gè)過(guò)程中，連桿本身會(huì)做一個(gè)復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，此時(shí)連桿不僅要承受往復(fù)慣性力與氣壓力聯(lián)合拉壓疲勞交變載荷

16、，同時(shí)也會(huì)由于連桿受力不均時(shí)引起的橫向彎曲載荷以及與襯套軸過(guò)盈壓入時(shí)的裝配靜載荷，要想結(jié)構(gòu)輕巧，還想有足夠的剛度強(qiáng)度，根據(jù)發(fā)送機(jī)制造工廠的老師傅推薦，這次設(shè)計(jì)預(yù)選中碳結(jié)構(gòu)鋼 2.3.1連桿小頭 由于薄壁圓環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，材料利用率高，常用于工廠中大批量生產(chǎn)，所以在小頭設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮薄壁圓環(huán)結(jié)構(gòu)。小頭到桿身的過(guò)度為單圓弧過(guò)渡，小頭和活塞銷座之間要保留一定間隙，可以彌補(bǔ)溫度升高時(shí)材料熱膨脹系數(shù)不一樣時(shí)引起零件之間裝配關(guān)系的變化，小頭要有足夠的承壓面積減小單位面積上所承受的應(yīng)力，使用耐磨連桿襯套減小活塞銷對(duì)小頭的磨損。兩者之間采用過(guò)盈配合，并在小頭上面開(kāi)機(jī)集油孔，利用從曲軸箱飛濺來(lái)的油霧來(lái)

17、進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)還能把熱量帶走，起到降溫作用。 2.3.2連桿桿身預(yù)設(shè)計(jì)方案 連桿桿身在連桿組這個(gè)小家庭里面起到一個(gè)頂梁柱的作用，做功行程時(shí)連桿小頭像它的肩膀扛著來(lái)自活塞的氣體壓力，引起連身壓縮，同時(shí)在吸氣行程時(shí)大頭就像腿陷在了往復(fù)慣性這個(gè)泥塘里拉伸，連桿桿身采用工字形截面，這種截面對(duì)材料的利用最為合理，對(duì)于中高速柴油機(jī)，截面平均高度和氣缸直徑的比值一般取值范圍在0.3~0.4，截面高寬比取值略大，一般取值范圍在1.4-1.8，平均截面積和活塞面積之比在0.03-0.05，在對(duì)桿身進(jìn)行校核時(shí)，主要考慮拉壓交變載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力。 2.3.3連桿大頭 為了保持運(yùn)動(dòng)連續(xù)性，連桿大頭蓋的尺寸參

18、數(shù)連桿大頭的尺寸參數(shù)要保持一致，一般對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭蓋可使用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)來(lái)減小慣性載荷所造成的影響，為了保證連桿大頭能通過(guò)氣缸，螺釘?shù)闹行木€盡量向軸瓦靠近，為了能在連桿體通過(guò)氣缸的同時(shí)增大曲柄銷直徑，把連桿大頭的剖分面做成斜切口，斜切口還能減小連桿螺釘所承受的拉伸負(fù)荷。斜切口也有不足之處，如連桿只能使用螺釘或者螺柱連接，不能使用螺栓連接，會(huì)增加連個(gè)螺釘之間的距離，削弱了連桿體，連桿螺釘還要承受剪切力，綜合考慮，斜切口的斜角一般在300-600。 2.3 柴油機(jī)動(dòng)力計(jì)算 2.3.1已知原始數(shù)據(jù) 活塞面積FP=πD24=78.65cm2 曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度比； 曲軸旋轉(zhuǎn)角速度

19、; 活塞平均速度； 2.3.2 活塞頭部運(yùn)動(dòng)分析 (1)各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算公式如下： 活塞位移： 活塞速度： 活塞加速度： 連桿擺角： 具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2.1，活塞1個(gè)循環(huán)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律見(jiàn)表2.1。 活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的曲線見(jiàn)圖2.2。 圖2.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 表2.1柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律表 曲軸轉(zhuǎn)角 連桿擺角 位移m 速度ms 加速度ms2 0 0.00 0.00 0.00 3230.02 10 2.64 1.22 2.37 3219.64 20 5.73 4.28 520 2920.10 30 7.91 9.70

20、 7.51 2543.21 40 10.20 16.74 9.39 2063.06 50 12.11 25.21 10.88 1509.39 60 13.72 34.74 11.89 920.73 70 14.91 44.90 12.41 335.42 80 15.64 55.29 12.50 -210.98 90 15.90 65.49 12.10 -695.01 100 15.70 75.32 11.29 -1092.81 110 14.20 84.32 10.30 -1400.12 120 13.82

21、 92.30 9.10 -1625.11 130 12.22 100.12 7.75 -1760.21 140 10.21 104.90 6.21 -1822.00 150 7.90 110.11 4.59 -1849.11 160 5.51 111.50 2.99 -1851.00 170 2.81 114.41 1.61 -1845.18 180 0.00 115.00 0.00 -1841.5 190 -2.73 114.36 -1.53 -1844.81 200 -5.37 112.46 -3.07

22、-1850.97 210 -7.87 109.27 -4.61 -1848.88 220 -10.14 104.83 -6.13 -1821.94 230 -12.11 99.13 -7.62 -1750.51 240 -13.72 92.24 -9.03 -1615.02 250 -14.91 84.24 -10.28 -1399.13 260 -15.64 75.26 -11.33 -1092.75 270 -15.89 65.53 -12.08 -694.29 280 -15.64 55.29 -12.46

23、-212.09 290 -14.91 44.90 -12.41 335.42 300 -13.72 34.74 -11.89 920.73 310 -12.11 25.21 -10.88 1509.39 320 -10.14 16.73 -9.39 2063.06 330 -7.87 9.68 -7.47 2543.17 340 -5.37 4.39 -5.19 2914.68 350 -2.73 1.11 -2.66 3149.64 360 0.00 0.00 0.00 3230.04 圖2.2

24、 S195柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線 2.3.3質(zhì)量換算 往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mj 實(shí)驗(yàn)室拆卸測(cè)得195發(fā)動(dòng)機(jī)活塞組實(shí)際總重G0=1.36kg。包括活塞重0.9kg，活塞銷重0.36kg，，油環(huán)重0.03kg，氣環(huán)重0.065kg，擋圈重0.005kg，。 連桿組質(zhì)量換算：195連桿組拆卸測(cè)得實(shí)際重量GC=2.315kg。包括連桿體1.89kg，連桿螺釘0.124kg，連桿軸瓦0.11kg。依據(jù)稱重法原理得到，連桿體實(shí)際重量分配取值為0.600 : 1.293。所以Gca=1.293+0.11+0.124+0.008=1.535kg,mj=mp+mca=1g1.36+0.6==0.2005

25、(kg.s2m),mj=mjFP=0.200570.88=0.00283(0.00283kgs2mcm2) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mr2.3曲柄質(zhì)量換算圖 因?yàn)榍垡詸E圓曲軸旋轉(zhuǎn)中心為對(duì)稱中心，見(jiàn)圖2.3，所以只用考慮橢圓部分質(zhì)量換算 曲柄部分重量及其重心至曲軸旋轉(zhuǎn)中心線距離計(jì)算如下： GΙ=0.71kg,ρΙ=7.6cm GΙΙ=0.108kg,ρΙΙ=7.5cm GΙΙΙ=0.563kg,ρΙΙΙ=5.7cm 其中Ι部分表示平衡塊，即Gb=0.71kg,ρ=7.6cm 所以Gb=GΙΙΙρΙΙΙ-GΙΙρΙΙR =0.5635.7-0.1087.525.75=0.276kg

26、 mr=md+mcb=1g0.276+1.535=0.1847kg.s2m 2.4本章小結(jié) 本章對(duì)活塞頭部、活塞環(huán)活塞裙部，連桿小頭，連桿桿身，連桿大頭等主要零部件進(jìn)行了在正式詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算之前制定了一個(gè)大概方向，并對(duì)話塞進(jìn)行了動(dòng)力計(jì)算和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探討 3活塞組個(gè)零部件結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì) 3.1 對(duì)于活塞結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì) 活塞組由活塞、活塞銷和活塞環(huán)以及彈性擋圈組成,頂部與高溫高壓腐蝕性燃?xì)饨佑|，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)活塞表面和汽缸壁不斷摩擦，冷卻潤(rùn)滑困難，是內(nèi)燃機(jī)中工作環(huán)境最為惡劣的組件。活塞組的工作狀態(tài)越好，內(nèi)燃機(jī)的使用壽命更長(zhǎng)。 3.1.1工作環(huán)境 1、高壓環(huán)境下--沖擊

27、性機(jī)械負(fù)荷高 柴油機(jī)在工作時(shí),在壓縮上止點(diǎn)附近活塞頂部受到最大爆發(fā)壓力，產(chǎn)生很大的機(jī)械負(fù)荷。可能出現(xiàn)活塞銷斷裂，環(huán)岸斷裂以及活塞卡環(huán)卡死斷裂。把活塞設(shè)計(jì)成合理的結(jié)構(gòu)形狀來(lái)適應(yīng)高壓沖擊性負(fù)荷，減少應(yīng)力集中，保證活塞能正常工作。 2、高溫環(huán)境下--熱負(fù)荷大 活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂部和熊熊燃燒的火焰接觸，燃?xì)馑查g最高溫度能達(dá)到。由于處在高溫密閉導(dǎo)熱不良的工作環(huán)境，沿軸線各部分的溫度變化極大，容易積累熱應(yīng)力，給活塞表面變心甚至開(kāi)裂埋下了不良隱患 3高速環(huán)境下—強(qiáng)烈摩擦 本次設(shè)計(jì)的柴油發(fā)送機(jī)規(guī)劃短軸連桿發(fā)動(dòng)機(jī)一類，在工作時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力比長(zhǎng)軸連桿發(fā)動(dòng)機(jī)大很多，加劇了側(cè)向拍擊引起裙部變形，甚至

28、缸套振動(dòng)造成缸套腐蝕，與此同時(shí)活塞環(huán)以極高的上下行速度緊貼汽缸壁運(yùn)動(dòng)，原本活塞和汽缸壁之間的配合間隙就小難以潤(rùn)滑，容易加活劇塞表面與氣缸壁表面之間磨損。 4、活塞組設(shè)計(jì)要求 （1）選擇受熱膨脹量小、耐磨、穩(wěn)定性導(dǎo)熱性好、較高的屈服強(qiáng)度 （2）重量輕任何情況下活塞都能和缸套保持最佳配合； （3）保證燃燒室氣密性好，減少活塞組的摩擦同時(shí)不發(fā)生竄氣、竄油現(xiàn)象； （4）有合理的形狀和壁厚，保證活塞有足夠強(qiáng)度和剛度，避免應(yīng)力集中； （5）活塞吸熱能力差導(dǎo)熱能力好，保證頭部吸收的熱量能夠順利地散走； 3.1.2 活塞的材料 在發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨耐熱性好、廉價(jià)等原因，很早之前就開(kāi)始大

29、范圍使用。但是近年來(lái)，人們對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力要求不斷增加，越來(lái)越期待高轉(zhuǎn)速高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求不斷提高，材料密度小質(zhì)量輕和導(dǎo)熱性好的鋁合金活塞逐漸占領(lǐng)了灰鑄鐵活塞的市場(chǎng)。 鋁合金活塞相對(duì)于灰鑄鐵活塞材料性能要高，在比重上鋁合金比灰鑄鐵小很多，比灰鑄鐵活塞小的三分之二，結(jié)構(gòu)重量要比鑄鐵活塞要青百分之四十左右，但是鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)要比鑄鐵的導(dǎo)熱系數(shù)大三到四倍，所以其導(dǎo)熱性好慣性力也小，可使活塞快速散熱。鋁合金也有不足之處，受熱時(shí)硬度和強(qiáng)度會(huì)大幅度下降，同時(shí)膨脹量卻大幅度增加，常常在鋁合金活塞中適量加入其它合金元素改善活塞整體性能 綜合考慮，活塞選用鋁合金中添加硅元素也就是人們常說(shuō)的共晶鋁硅

30、合金。 3.1.3 頭部尺寸設(shè)計(jì) 1、確定壓縮高度 壓縮高度是由頂岸高度、環(huán)帶高度和上裙高度組成的，設(shè)計(jì)時(shí)總的原則是在保證活塞能正常工作的前提下，盡量縮短頂岸高度，環(huán)帶高度和上群高度這三部分的尺寸，尺寸愈小，往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量越低，同時(shí)也能夠使得發(fā)送機(jī)布局更緊湊 （1）計(jì)算火力岸高度 火力岸高度即第一氣環(huán)上表面到活塞頂部燃燒室邊緣的尺寸高度。火力岸高度選擇要遵守以下原則：第一：氣環(huán)槽要布置在頂部厚度的下方；第二：第一環(huán)工作溫度不超過(guò)允許極限溫度，避免第一環(huán)出現(xiàn)彈性松弛、粘結(jié)等問(wèn)題；因此滿足上述選取條件的基礎(chǔ)上頂岸高度取的越小越好。一般柴油機(jī)h1=0.07~0.2D，也就

31、是活塞直徑的意思，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞直徑D=95mm，所以頂岸高度取值為： （2）計(jì)算環(huán)帶高度值 對(duì)于小型中速柴油機(jī)機(jī)，一般氣環(huán)高b可取范圍在2~4mm，油環(huán)高b可取范圍在4~6mm。環(huán)槽高度能取多小值就取多小值高度高了慣性靈力大，取小值可以減小活塞環(huán)慣性力對(duì)環(huán)槽側(cè)面撞擊，能夠提高環(huán)槽使用壽命。 本次設(shè)計(jì)的單缸柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)采用四道活塞環(huán)。氣環(huán)高取b1=b2=b3=2.5mm，油環(huán)高b4=5mm 環(huán)岸的高度，必須保證受到最大燃?xì)鈮毫ψ饔脮r(shí)不會(huì)破壞。第二、三環(huán)第四環(huán)不不像第一環(huán)那樣與燃?xì)庵苯咏佑|，所以這幾個(gè)環(huán)的環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)的環(huán)岸要小很多很多，只有當(dāng)在第一環(huán)岸遭到破壞時(shí)，余下環(huán)岸才

32、有被破壞的可能。因此，在設(shè)計(jì)之前就要給第一環(huán)岸預(yù)先留出較大高度，其它環(huán)岸可以取較小值。根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，c1=0.035~0.04D，c2=c3=(1~2)b1，柴油機(jī)取值接近上限。 則 c1=o.o37D=3.5mm， c2=c3=1b1=13=3mm。 因此，環(huán)帶高度h2=b1+b2+b3+c1+c2+c3=24.5mm。 （3）上裙高度的計(jì)算 上裙高度h3即活塞銷軸線與油環(huán)槽之間的的距離。由于油環(huán)和油環(huán)槽在設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)計(jì)的裝配間隙非常小的，因?yàn)榭梢詼p小慣性力沖擊，本來(lái)活塞開(kāi)槽槽跟就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，油環(huán)槽厚度本來(lái)就不是特別厚，要是還受到機(jī)械載荷劇烈沖擊的話，環(huán)槽就容易變形時(shí)

33、，導(dǎo)致間隙變小，槽上下兩個(gè)面就會(huì)夾住油環(huán)導(dǎo)致工作失效。所以在設(shè)計(jì)上裙高度時(shí)，油環(huán)槽的位置應(yīng)該布置在活塞銷座外徑之上，并且保證銷座的強(qiáng)度不會(huì)對(duì)油環(huán)正常工作造成影響。 綜合火力岸高度、環(huán)帶高度以及上群高度，可以確定活塞的上群高度。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)于柴油機(jī)H1=0.6~0.8D，所以 H1=0.63D=0.6395=60mm 則 h3=H1-h1-h2=60-14-24.5=21.5mm。 2、對(duì)活塞頂厚度經(jīng)行計(jì)算和環(huán)帶斷面進(jìn)行計(jì)算 （1）活塞頂厚度計(jì)算 活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)[14]。由于S195 0.815L發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓縮比發(fā)動(dòng)

34、機(jī)ε=20，同時(shí)其燃燒室結(jié)構(gòu)為渦流式結(jié)構(gòu)，為了使燃燒室中空氣和燃料充分混合，活塞頂制成w形。根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，活塞頂部最小厚度，柴油機(jī)為δ=0.1~0.2D，取δ=0.15D=0.1595=14mm?；钊敳克盏臒崃?，主要通過(guò)活塞環(huán)傳遞給汽缸壁從冷去水套導(dǎo)出。為了加快活塞頂部熱量的散出，減小第一環(huán)收到的熱應(yīng)力，在設(shè)計(jì)時(shí)把活塞頂厚度應(yīng)從活塞中心面到燃燒室邊緣慢慢加厚，并過(guò)渡圓角設(shè)計(jì)的足夠大， （2）環(huán)帶斷面設(shè)計(jì)計(jì)算 在塞環(huán)岸附近所有銳邊都要開(kāi)適量的倒角，減少第一環(huán)所受熱量。環(huán)岸和汽缸壁的間隙不能太小，太小會(huì)造成活塞卡住過(guò)熱，間隙又不能太否則將會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)失去密封作用，所以要選擇活塞環(huán)

35、與環(huán)槽之間有一個(gè)恰當(dāng)?shù)牡呐浜祥g隙，減少應(yīng)力集中，保證活塞環(huán)能在環(huán)槽中正常工作。一般該倒角為，槽底圓角通常控制在0.2~0.5個(gè)毫米。 （3）環(huán)岸尺寸設(shè)計(jì)及環(huán)槽的設(shè)計(jì)計(jì)算 為了保證活塞及活塞環(huán)之間的配合能長(zhǎng)時(shí)間處于正常工作狀態(tài)，要對(duì)環(huán)岸和活塞槽間隙進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，側(cè)間太大，則會(huì)加劇活塞環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊，太小容易導(dǎo)致活塞容易黏著失去密封作用，氣環(huán)槽下平面應(yīng)垂直于活塞軸線，防止機(jī)油上竄?；钊h(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生劇烈沖擊和黏著卡死情況下盡量取小值，依據(jù)柴油機(jī)制造手冊(cè)，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般取0.05到0.1個(gè)毫米，二、三環(huán)熱應(yīng)力小，取值可以適當(dāng)小些，為0.03到0.07個(gè)毫米，油環(huán)取值可以更小，有利于減少

36、應(yīng)力集中給活塞一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境延長(zhǎng)使用壽命還可以減小機(jī)油消耗，油環(huán)槽側(cè)隙中必需均勻布置回油孔，可以減少機(jī)油損耗，降低局部溫度，四道環(huán)的開(kāi)口間隙、側(cè)隙祥見(jiàn)表2.1 為了讓活塞有較高的抗粘性，氣環(huán)和油環(huán)的背隙取值相對(duì)于其它間隙來(lái)說(shuō)要去的比較大，減小活塞環(huán)與活塞槽底圓角出現(xiàn)干涉的幾率。氣環(huán)背隙可取0.5毫米，油環(huán)的背隙取值則更大些，具體分析見(jiàn)圖3.1。 （4）對(duì)活塞環(huán)岸強(qiáng)度校核 在膨脹上止點(diǎn)，柴油和空氣混合瞬間被壓燃，在燃?xì)獗l(fā)壓力作用下，氣環(huán)死死的壓著環(huán)岸，環(huán)岸上壓力比下壓力大得多，導(dǎo)致岸根出現(xiàn)較大的彎曲和剪切應(yīng)力，造成環(huán)岸根部裂開(kāi)。依據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，當(dāng)氣缸出現(xiàn)最

37、高爆發(fā)壓力時(shí)，，，見(jiàn)圖2.2 已知=7.5，則p1=0.97.5=6.75，p2=0.27.5=1.5， 圖3.1 環(huán)與環(huán)槽之間的配合間隙 圖3.2環(huán)岸受力分析 環(huán)岸固定面比較復(fù)雜，難以計(jì)算出應(yīng)力的精確值。一般情況下，可假定岸根直徑，環(huán)槽深為： t=0.08D=0.0895=7.7mm 作用在活塞環(huán)岸根的彎矩計(jì)算 （3.1） 活塞環(huán)岸根部斷面的抗彎斷面系數(shù)計(jì)算： 活塞環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面彎曲應(yīng)力計(jì)算：

38、 （3.2） 同理計(jì)算剪切應(yīng)力： （3.3） 因此合成應(yīng)力等于： （3.4） 因?yàn)楣桎X合金的許用應(yīng)力[σ]=300~400，，所以校核合格。 3.1.4 活塞裙部設(shè)計(jì)計(jì)算 （3.5） 式中的意思是指橢圓長(zhǎng)軸，就是橢圓短軸的意思，見(jiàn)圖3.3。 依據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，當(dāng)缸徑小于時(shí)，活塞裙部橢圓度的取值通常在Δ=0.25~1.45mm。取Δ=1mm = 一般高速柴油機(jī)裙部比壓5~8 圖3.3

39、 活塞銷裙部的橢圓形狀 活塞冷卻方式依據(jù)據(jù)活塞比功率選取 其值小于 無(wú)油冷方式的上限值 0.3 ，因此無(wú)需對(duì)話塞進(jìn)行冷卻處理。 3.2 活塞銷設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 話塞銷的尺寸計(jì)算、對(duì)進(jìn)行材料選用 1、話塞銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及尺寸計(jì)算 空心圓柱體的相對(duì)于實(shí)心體來(lái)說(shuō)質(zhì)量很輕，可以減少往復(fù)慣性質(zhì)量，同時(shí)有足夠的承壓面積足夠大，表面光滑圓潤(rùn)，壓強(qiáng)小，應(yīng)力集中不明顯，實(shí)際安裝到活塞上時(shí)采用偏心布置，縮小熱膨脹時(shí)帶來(lái)的誤差。活塞銷、活塞銷座、襯套孔三者之間的連接配合方式選用“全浮式”配合。采用圓形形彈性擋圈定位，防止活塞軸向串動(dòng)，彈性擋圈按GB893.1-1986選用，銷座采用寬體整體

40、支撐筋式，并對(duì)銷孔加以潤(rùn)滑 據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，活塞銷的外徑d1=0.31~0.40D，取d1=0.37D=35mm，內(nèi)徑d2=0.45~0.65d1,取d2=0.57d1=20mm,活塞銷長(zhǎng)度，L=0.8~0.9D,取L=0.8D=80mm，一般情況下當(dāng)外徑為35毫米時(shí)，活塞銷和銷座的配合間隙取5μm 2、活塞銷的材料 由于活塞銷自身和連桿小頭以及活塞串聯(lián)起來(lái)，在工作時(shí)受到各種沖擊載荷，過(guò)盈裝配時(shí)使得摩擦更加劇烈，徑向變形不協(xié)調(diào)油膜難以形成潤(rùn)滑條件差，所以優(yōu)先選擇耐磨、韌性高、抗沖擊性好，綜合考慮活塞銷材料選用含碳量為百分之二十的低碳鎘合金鋼， 同時(shí)滲碳處理，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度

41、 3.2.2 活塞銷強(qiáng)度計(jì)算以及剛度計(jì)算 圖3.4活塞銷的計(jì)算簡(jiǎn)圖 1、彎曲變形計(jì)算f f=160pzD2a2(2a-b)E(d4-do4) (3.6) =160759.525.8225.8-3.32.21063.54-24 =1.0710-4cm f<[f]=1.4310-4cm,校核合格 2、橢圓變形?d

42、?d=pzD2d+d03EId-d03 (3.7) =5.9310-3cm ?d<[?d]= 13.710-5cm,校核合格 3、縱向彎曲應(yīng)力σ1 σ1=（2a-b）pzD2dd4-d04

43、 (3.8) =1467kgf/cm2 σ1<σ1=3500~5000kgf/cm2,校核合格 4、橫向彎曲應(yīng)力σ2 σ2=3π16pzd2D(d+d0)I（d-d0）2 (3.9) =1219kgf/cm2 σ2<σ2=3500~5000kgf/cm2,校核合格 總應(yīng)力σ=σ12+σ22=1

44、907kgf/cm2,σ<σ=3500~5000kgf/cm2,所以校核合格 3.3 話塞銷座設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) 話塞銷座的作用是支承活塞，與活塞銷一起組成一隊(duì)摩擦副傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力，工作時(shí)受到周期性氣體壓力和銷座以上活塞慣性力；銷座要有足夠的剛度和強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì)活塞銷的變形，在受到特別大的應(yīng)力不得不變形甚至是斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要比活塞銷的大，讓活塞稍先損壞，保護(hù)銷座，因?yàn)殇N座和活塞是一體的，更換過(guò)程復(fù)雜，更換成本也比更換話塞銷成本高。銷座的內(nèi)徑d0=22mm，查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，活塞銷座外徑通常比內(nèi)徑大1.4－1.6倍[17]。取d=1.5d0=33mm,話塞銷沿徑向方向

45、的彎曲變形量肉眼看上去越不明顯，證明設(shè)計(jì)出來(lái)的銷座系統(tǒng)可靠性就越好，兩者之間是一個(gè)正比關(guān)系。根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，連桿小頭與活塞銷座之間的間隙控制在4~5mm，如果制造機(jī)器越先進(jìn)，技術(shù)工人制造水平夠高時(shí)，兩邊取2~3mm就可以了，綜合考慮兩邊取間隙為3mm。 3.3.2 驗(yàn)算銷座比壓力 計(jì)算活塞銷座比壓力結(jié)果為： ==21N （3.10） 柴油機(jī)活塞銷許用比壓力 3.4活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)及選型設(shè)計(jì) 參考195單缸柴油機(jī)，話塞選用四道話塞環(huán)，前三環(huán)為氣環(huán)，最后一個(gè)為油環(huán)。 第一道氣環(huán)選用梯形環(huán)，梯形的意思

46、就是把活塞環(huán)切斷，觀察到此時(shí)的話塞環(huán)的截面為梯形材料選用球墨鑄鐵，所以較梯形環(huán)并在表面鍍多孔性鉻。梯形環(huán)隨活塞側(cè)壓力的變化位置不斷改變，環(huán)槽中的積炭容易被擠出避免環(huán)在槽中豁起折斷延長(zhǎng)環(huán)壽命。第二、三道氣環(huán)為錐面形環(huán)[18]，材料為灰鑄鐵，外表面錐角1。30’，錐面環(huán)可防止泵油現(xiàn)象，活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)布油效果好，向下運(yùn)動(dòng)時(shí)表面接觸壓力高，刮油和密封效果好。第四道是油環(huán)，選用彈簧膨脹油環(huán)，外側(cè)制有倒角，活塞上行時(shí)可以形成油鍥，布油均勻，下行時(shí)刮油能力很是優(yōu)秀。 活塞環(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度b、環(huán)的徑向厚度t0。 [19] 在柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中氣環(huán)高度取值范圍一般在一點(diǎn)五到三個(gè)毫米，油環(huán)高取值范圍則在四

47、到七個(gè)毫米，綜合考慮，取b1=2.5mm,b2=b3=2.75mm，b4=5mm。四個(gè)環(huán)的徑向厚度t做等厚處理，使用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦值：當(dāng)缸徑D處于50~100mm范圍內(nèi)時(shí)，tD=0.05~0.06，取t=6mm。本次 3.3.1 話塞環(huán)的校核 盡管活塞環(huán)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生的剪應(yīng)力和軸向力，但是這兩個(gè)力對(duì)環(huán)本身并不會(huì)造成太大的影響，所以可以忽略不計(jì)。只要考慮彎曲應(yīng)力和裝配是的應(yīng)力。 1、工作狀態(tài)下活塞斷面的彎曲應(yīng)力 最大彎矩： （3.11） 最大彎曲應(yīng)力σmax：

48、 （3.12） 話塞環(huán)開(kāi)口間隙與話塞環(huán)接觸壓力兩者關(guān)系如下： （3.13） 將式（3.13）和（3.12）聯(lián)立方程式： （3.14） 式中：—材料的彈性模量，對(duì)合金鑄鐵； —話塞環(huán)開(kāi)口間隙，，參考設(shè)計(jì)手冊(cè)??； —話塞環(huán)的徑向厚度， 則 σ=，[σmax]<[σ],所以校核合格。 2、套裝應(yīng)力 當(dāng)活塞環(huán)裝配活塞上時(shí)，要把切口間隙進(jìn)行擴(kuò)張，導(dǎo)致切口處會(huì)出現(xiàn)最大的彎曲應(yīng)力，即：

49、 （3.15） 式中：—意思就是說(shuō)裝配時(shí)的套裝系數(shù)，但是選的裝配方式不同，取值也不一樣，取值范圍為，參考195柴油機(jī)設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)裝配系數(shù)， 則 活塞環(huán)是在常溫環(huán)境下瞬間裝配到活塞上，此時(shí)套裝應(yīng)力的許用值可以大于許用應(yīng)力百分之十到百分之三十左右，所以校核合格。 3.5 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)活塞組主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和尺寸上的設(shè)計(jì)，首先分析了零部件的工作條件，幾乎所有零件的工作環(huán)境都很嚴(yán)酷，然后根據(jù)各零部件不同的工作環(huán)境和工況總結(jié)了設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)原則和要求挑選了合適的材料，依次確定了各零件的主要的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸

50、參數(shù)，最后都進(jìn)行了校核，達(dá)到了生產(chǎn)技術(shù)要求[21]。  4 連桿組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 1、工作情況 連桿小頭通過(guò)活塞銷和活塞串聯(lián)在一起，三者共同沿氣缸周線一起做上下高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)連桿大頭通過(guò)曲柄銷和曲軸串聯(lián)在一起，他們?nèi)吖餐鲎鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以，連桿體是由上下運(yùn)動(dòng)結(jié)合左右擺動(dòng)共同形成一個(gè)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 2、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 連桿工作時(shí)主要受兩個(gè)力，一個(gè)就是氣體壓力另一個(gè)就是往復(fù)慣性力，他們這兩個(gè)力結(jié)合形成一個(gè)時(shí)時(shí)變化的叫便利。在面對(duì)這種極為復(fù)雜的載荷時(shí)不能輕易的選擇材料，所挑選的材料一定要具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度，使得連桿以足夠高的強(qiáng)度和剛度從容面復(fù)雜的工作

51、環(huán)境維持正常工作，然后再考慮尺寸緊湊和結(jié)構(gòu)上的輕巧。 3、選擇材料 綜合考慮本次連桿設(shè)計(jì)選用45優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼 4.1.2 計(jì)算連桿長(zhǎng)度l 在設(shè)計(jì)連桿之前要先要確定連桿大頭和連桿小頭兩個(gè)孔的圓心之間間的距離，也就是平時(shí)經(jīng)常使用到的連桿長(zhǎng)度l，往往連桿常常不用連桿長(zhǎng)度l來(lái)表示具體長(zhǎng)度值，長(zhǎng)度通常是用連桿比λ=r/l來(lái)進(jìn)行具體說(shuō)明的[25]。根據(jù)柴油機(jī)手冊(cè)，0.325，取，r=s2=57mm，則l=rλ=210mm。 4.1.3 連桿小頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主要結(jié)構(gòu)尺寸圖見(jiàn)4.1，小頭內(nèi)徑d和活塞銷外徑做等大處理，取d=35mm 根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，小頭寬度B

52、1在（0.9~1.2）d,取B1=0.97d=34mm，為了避免連桿小頭出現(xiàn)劇烈磨損，選用錫青銅材料襯套，小頭孔和襯套采用輕微過(guò)盈配合，，小頭外徑D1在（1.2~1.4）d，取D1=1.28d=50mm,襯套厚度δ在（0.04~0.08）d，取δ=0.06d=2mm,小頭襯套外徑d2=d+2δ=39mm,一般情況下，襯套寬度和小頭寬度等寬。 2、強(qiáng)度校核 在裝配時(shí)采用過(guò)盈配合保證連桿小頭和襯套在工作保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致性，但是過(guò)盈配合會(huì)產(chǎn)生額外拉伸壓力。雖然錫銅襯套耐磨性好，但是錫銅材料的膨脹系數(shù)要比結(jié)構(gòu)鋼膨脹系數(shù)大很多，伴隨著隨著溫度升高，兩個(gè)材料彼此會(huì)壓的越來(lái)越緊，小頭斷面中的應(yīng)力隨著

53、壓得越緊應(yīng)力會(huì)激增。同時(shí)，連桿小頭上表面和下表面在還會(huì)受到活塞慣性力的拉伸作用，上面說(shuō)的那計(jì)中力會(huì)結(jié)合起來(lái)形成另外一種新的應(yīng)力，受力情況會(huì)特別復(fù)雜，所以用校核來(lái)做一個(gè)對(duì)比驗(yàn)證。 圖4.1 主要尺寸圖 （1）過(guò)盈裝配時(shí)小頭徑向壓力產(chǎn)生應(yīng)力： 　?。?.1） 內(nèi)表面應(yīng)力 （4.2） 外表面應(yīng)力 （4.3） 內(nèi)外兩個(gè)應(yīng)力的允許值通常在范圍內(nèi)，所以校核合格，強(qiáng)度和剛度就不用擔(dān)心了。 （2）屬于連桿小頭的疲勞安全系數(shù) 連桿小頭上出現(xiàn)的應(yīng)力屬于交變應(yīng)力，應(yīng)力集中在連桿小頭和桿身的過(guò)渡處的外表面上為，所以只校核此處安

54、全系數(shù)： （4.4） 則 連桿小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)，參考柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，系數(shù)取值通常在在范圍以內(nèi)[27]。 3、剛度計(jì)算 話塞變形公式為: （4.5） 式中：—意思就是小頭直徑變形量的意思，單位； —指的是小頭平均直徑的意思，單位； —意思就是小頭在斷面的慣性矩； 則 一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)許可變形量要比活塞銷直徑方向間隙的小二分之一，標(biāo)準(zhǔn)間隙取值范圍在，則校核合格，滿足社稷要求。

55、 4.1.4 連桿桿身設(shè)計(jì)與校核 1、桿身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工字形斷面由于抗彎曲性好，容易鍛造，所以選用工字形斷面，據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，桿身截面寬度H取值范圍在（0.3~0.4）D，取H=0.32D=30mm,連桿厚度B，一般HB在1.4-1.8之間，取B=20mm, 為了避免應(yīng)力集中，小頭和桿身以及桿身和小頭的過(guò)度處。 2、桿身的強(qiáng)度校核 （1）最大拉伸應(yīng)力： （4.6） 公式中：—桿身斷面面積[28]，依據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，柴油機(jī)fm=0.03~0.05A，意思就是活塞腦袋面積大小，

56、取。 所以最大拉伸應(yīng)力為： （2）桿身的壓縮彎曲應(yīng)力與縱向彎曲應(yīng)力 當(dāng)活塞位于壓縮上止點(diǎn)時(shí)桿身受到最大壓縮力，此時(shí)最大燃?xì)庾饔昧υO(shè)為，則最大壓縮力： （4.7） 當(dāng)活塞處于壓縮上止點(diǎn)時(shí)連桿受到最大壓縮力的加載，引起桿身中間斷面縱向彎曲，發(fā)生這種情況時(shí)可以把桿身簡(jiǎn)單視為一個(gè)為鉸支[29]， ；平面內(nèi)的合成應(yīng)力： （4.8） 式中：—指的是此時(shí)材料的使用系數(shù)，，??； —值得就是斷面慣性矩的意思，。 ； 將式（4.8）化簡(jiǎn)： 　　　　

57、　　　　　　　 　　　　　　　　　　　（4.9） 式中 —俗稱連桿系數(shù)意思， ； 擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為一下計(jì)算： 同里垂直擺動(dòng)平面內(nèi)合成應(yīng)力為： （4.10） 　　 將式（4.10）改寫 （4.11） 式中：—同k1的意思，。 則在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： σx=129.33和σy=124.79,垂直平面內(nèi)和擺動(dòng)平面內(nèi)的應(yīng)力

58、許用值在 范圍內(nèi)，兩者都小于其許用應(yīng)力值，因此校核合格，滿足設(shè)計(jì)要求。 （3）桿身的安全系數(shù) 桿身承受的是非常復(fù)雜的而且還是不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷，在這個(gè)不對(duì)稱循環(huán)中的最大應(yīng)力用表示，最小因力用表示。 計(jì)算處于連桿擺動(dòng)的平面內(nèi)的應(yīng)力為： （4.12） （4.13） 計(jì)算處于垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的應(yīng)力為： （4.13） （4.14） 計(jì)算桿身的安全系數(shù)計(jì)算：

59、 （4.15） 垂直平面內(nèi)桿身的安全系數(shù)計(jì)算： 桿身安全系數(shù)許用值的范圍內(nèi)，因此本次校核合格，不用擔(dān)心開(kāi)裂。 4.1.5 連桿大頭設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸的確定 大頭寬度b2=0.5D1=38mm，，大頭孔直徑D1=0.7D=70mm,dM=0.13D=12.5mm。大頭凸臺(tái)H1=0.19~0.24)D1,取H1=23mm,小頭凸臺(tái)H2=(0.41~0.58)D1,取H2=32mm,連桿大頭與連桿蓋的分開(kāi)面采用450斜切口，，連桿螺栓孔間距離t1=(1.2~1.3)D1，

60、取t1=1.28D1=90mm，據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，螺釘孔外側(cè)壁厚要大于兩毫米，因此本次設(shè)計(jì)取三毫米，在保證連桿大頭有足夠結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性的情況下螺釘頭支承面到桿身的過(guò)渡圓角盡量取大值。 2、強(qiáng)度校核 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口打開(kāi)處于進(jìn)氣行程時(shí)連桿蓋上會(huì)出現(xiàn)最大載荷，計(jì)算結(jié)果如下： 參考經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算危險(xiǎn)斷面上的彎矩和法向力，計(jì)算結(jié)果如下： （4.16） 計(jì)算大頭蓋中間斷面的彎矩： （4.17） 計(jì)算大頭蓋中間斷面的法向力： （4.18） 公式式

61、中：，—意思就是大頭蓋和軸瓦的慣性矩大小，單位， ， ，—意思是大頭蓋斷面及軸瓦斷面的面積，單位， ， ， 計(jì)算出現(xiàn)在中間斷面的應(yīng)力，公式如下： （4.19） 式中：—意思是大頭蓋斷面的抗彎能力，不帶單位，計(jì)算過(guò)程如下 連桿大頭蓋的應(yīng)力計(jì)算，過(guò)程如下： 依據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，連桿大頭蓋的應(yīng)力許用值通常在范圍門內(nèi)，所以強(qiáng)度剛度滿足要求，可以克服全部由加載產(chǎn)生的應(yīng)力，故校核合格。 4.2 本章小結(jié) 本章對(duì)連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭依次進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)具體尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)，緊接著設(shè)計(jì)內(nèi)容下方

62、及時(shí)進(jìn)行了校核，然后研究了連桿在復(fù)雜工作環(huán)境下的具體負(fù)荷對(duì)本身的影響，參考結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，最后?shí)際尺寸參數(shù)都能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求 5曲軸組的設(shè)計(jì) 5.1曲軸的選型 (1) 曲軸材料：45鋼； (2) 鍛造方法：模制鍛造； (3) 曲軸結(jié)構(gòu)形式：整體式曲軸 5.2 曲軸主要尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算 (1)曲軸軸頸直徑D1 D1=(0.65-0.80)D,D=95mm，選擇系數(shù)為0.75，所以D1=0.75D=71.25mm； (2)曲柄銷直徑D2 D2=(0.55-0.70)D，選擇系數(shù)0.61，則D2=0.6

63、1D=57mm； (3)曲柄臂尺寸L （等于寬度厚度=bt） 寬度 b=（1-1.3)D, 選擇系數(shù)1.0，所以b=D=95mm； 厚度t=（0.2-0.3)D, 選擇系數(shù)0.25，則t=0.25D=23.75mm； (4)曲軸軸頸長(zhǎng)度L1 L1=(0.45-0.6) D1,選擇系數(shù)0.48，則L1=0.48D1=45.6mm; (5)曲柄銷長(zhǎng)度L2 L2=(0.65-0.70)D2，選擇系數(shù)0.7，則L2=0.7D2=39.9mm； 軸瓦的直徑和寬度，在連桿和曲軸的設(shè)計(jì)中就已經(jīng)決定了具體的尺寸參數(shù)，在設(shè)計(jì)軸瓦時(shí)只要考慮設(shè)計(jì)計(jì)算自己的厚

64、度就可以啦。參考柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的經(jīng)驗(yàn)公式:t1=(0.02-0.05)(D+2t1),選擇系數(shù)0.3，得t1=2.3mm，同理可得t2=1.8mm,式中t1為上軸瓦厚度，t2為下周哇厚度 5.3 選擇曲柄 為了減小曲軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，保證由于承受載荷產(chǎn)生的應(yīng)力均勻分布在表面，所以本次設(shè)計(jì)選擇橢圓形曲柄。祥見(jiàn)下圖 圖5-1曲柄示意圖 5.4平衡塊設(shè)計(jì) 平衡塊的徑向尺寸通常不超過(guò)曲柄底部，兩塊平衡塊之間的寬度不用設(shè)計(jì)的太寬，只要連桿大頭能夠正常通過(guò)就行。曲柄上的兩個(gè)平衡塊的質(zhì)徑應(yīng)該滿足關(guān)系式 mprp= 式中，ε為平衡率，據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，曲軸一般ε=0.65-0.85,本

65、次設(shè)計(jì)取0.7。 5.5 油道參數(shù)設(shè)計(jì)以及油孔位置的具體布置 油孔的布置應(yīng)該由曲軸強(qiáng)度，軸承負(fù)荷分布和加工工藝綜合確定[33]。 本次油孔布置如下圖所示 圖5-2油孔 5.4 本章小結(jié) 本章對(duì)曲軸主要部分進(jìn)行了具體尺寸設(shè)計(jì)，在滿足曲軸強(qiáng)度剛度的基礎(chǔ)上，合理選擇材料，使其達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求 第6章 活塞連桿組的創(chuàng)建 運(yùn)用Solidworks三維軟件依次對(duì)活塞連桿組的各零部件建模，具體步驟如下： 6.1 對(duì)Solidworks軟件基本功能的介紹 SolidWork

66、s軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，具有三弟實(shí)體建模，大型裝配體設(shè)計(jì)，大型設(shè)計(jì)審閱、鈑金設(shè)計(jì)以及摸具設(shè)計(jì)等功能模塊。更可以和其它制圖軟件、有限元分析軟件實(shí)現(xiàn)自由導(dǎo)入導(dǎo)出及其方便，加快了設(shè)計(jì)效率 6.4 剩余零件的三維建模 其余零件參考活塞連桿主要零件建模過(guò)程 6.5 本章小結(jié) 本章在活塞連桿組各個(gè)零部件三維建模的過(guò)程中的過(guò)程中，主要采用了去除、拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像、除料、開(kāi)孔、輔助拔模以及倒角等進(jìn)行特征創(chuàng)建，繪制了活塞連桿組各零部件的三維模型，為第七章有限元分析奠定了基礎(chǔ)。 第7章有限元分析 7.1連桿的模態(tài)分析 連桿是承受沖擊載荷、作為傳遞交變動(dòng)力的重要構(gòu)件，其工作時(shí)承受拉、壓、彎、扭等交多個(gè)變載荷聯(lián)合起來(lái)的復(fù)雜應(yīng)力作用，工作環(huán)境極為惡劣[36]。振動(dòng)是做機(jī)械結(jié)構(gòu)分析時(shí)必須直接面對(duì)的問(wèn)題，無(wú)論如何，只要是機(jī)械，在運(yùn)動(dòng)時(shí)就一定會(huì)中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，輕微振動(dòng)對(duì)機(jī)械整體影響不大，最怕的就是，外界震源和零部件的固有振動(dòng)屬性在頻率上形成共鳴，形成共振，引起機(jī)構(gòu)失效甚至觸發(fā)事故，故每個(gè)機(jī)械的