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Crank rod system
Crank rod system is the main mechanisms reciprocating internal combustion engine. Crank rod system is realizing work cycle engine, and complete the energy conversion major sports parts. In doing work stroke, it will fuel burning the heat energy produced is the piston reciprocating motion, crankshaft rotation movement into mechanical energy, foreign power output; In other stroke, relies on the rotation of the flywheel crank and inertia, through the connecting rod driving the piston movement up and down, to create the conditions for the next to do work.
The function of the crank rod system
Crank rod system role is to provide burning the place, after burning fuel gas in the piston top role inflationary pressure in the rotation of the crankshaft into torque, and constantly power output.
(1) will gas pressure into crankshaft of torque
(2) the reciprocating movement of the piston to the rotary motion of the crankshaft
The composition of the crank rod system
Crank rod system by the body's group, the piston connecting rod group, crankshaft fly wheel of three parts.
(1) the body groups: the cylinder block, cylinder cushion, the cylinder, and the crankcase oil sump
(2) the piston linkage groups: the piston, piston, piston pins, connecting rod
(3) the crankshaft fly wheel: the crankshaft flywheel
1. The group
The body is a skeleton of the engine, is the engine agencies and the system installation, which the foundation, the installation of all the major engine parts and accessories, under various load. Therefore, the body must have the enough strength and rigidity.
The cylinder block
The cylinder block is the engine of all agencies and system, is in the engine assembly was one of the most important components. The cylinder block have water-cooled air-filled type cylinder and the cylinder block.
Water-cooled the cylinder block in general and cast integrative crankcase. The cylinder block upper took out all cylinder, air cylinder surrounding cavity mutual connected make water sets. The lower part is used to support of the crankshaft crankcase.
The cylinder block have inline, V and level to the three kinds of forms, in cars and V inline commonly used two. The lower part of the cylinder block structure general type, gantry gate, and tunnel type three forms of the air-filled type the cylinder block and the crankcase adopt fission style structure, the cylinder block and the crankcase separate, then assembled into casting together. The cylinder block and the surface of cylinder head cast has many heat sink to ensure sufficient heat dissipation, the cylinder block of materials with grey cast iron, in order to improve the general the wear resistance of the cylinder, and sometimes in cast iron to add a small amount of alloy elements such as nickel, molybdenum, chromium, phosphorus, etc. But, in fact, besides the piston and cylinder wall surface with the other part, to request is not high wear resistance. In order to the economy of the material, widely used the cylinder inserted into the cylinder liner to form in cylinder surface. So, cylinder liner wear resistance can better alloy cast iron or steel alloy manufacture, in order to prolong the service life, and cylinder cylinder of low price can be used ordinary cast iron and aluminum alloy materials manufacturing. The cylinder liner is dry and wet type two kinds.
Dry cylinder liner outside surface are not direct with cold water contact, the wall thickness general for 1 ~ 3 mm. On the surface of the cylinder liner and assembly of the cylinder body surface using interference fitted.
Wet cylinder liner surface directly contact with the cooling water and good cooling effect. The wall thickness than dry cylinder liner, generally for 5 to 9 mm.
Cylinder head
The cylinder head is the main purpose of the piston and cylinder, closed the top and cylinder walls together make up the combustion chamber.
General water-cooled engine within the cylinder head cast a jacket, under the cylinder head end and cylinder for top corresponding to the water jacket is the same, use water to cool the circulation of the combustion chamber wall of high temperature, such as part; The air-filled type engine cylinder head on many heat sink, cast by increasing heat area to reduce the temperature of the combustion chamber.
The engine cylinder head shall have the exhaust port a catheter hole and into the exhaust passage, etc. The gasoline engine cylinder head also should have the spark plug hole, and also has installed the diesel engine injector do holes.
Cylinder cushion
The cylinder and the cylinder block with cylinder liner, the between the role is to ensure that the cylinder and the cylinder block of between sealed to prevent leakage of combustion chamber, water leaking.
Oil pan is
The oil pan is main effect is to be stored and sealed the crankcase oil. The oil pan is force is small, generally USES the thin stamping steel and into.
2. The pistons connecting rod group
The piston connecting rod group of piston, piston, piston pins, connecting rod, connecting rod bearings etc.
piston
The piston is the role of cylinder head, cylinder walls with together, and heirs of the combustion chamber of gas cylinder pressure, through the piston pins will force to the connecting rod, in order to promote the rotation of the crankshaft.
The piston can be divided into the head, ring groove department and the skirt three parts.
The piston head the piston is part of the combustion chamber, its shape depends on the form of the combustion chamber. Common piston head shape has flattened type, concave and convex roof top type type.
Piston ring grooves installed in the ring grooves inside. The gasoline engine is general by 2 ~ 3 word ring groove, above 1 ~ 2 way used to install the gas ring, realize the cylinder seal; The most the following a used to install the oil. In oil ring ring groove bottom drilling has many radial return oil hole, when the pistons downward motion, oil the cylinder wall of redundant ring scratched off the oil back to KongLiu oil pan. If the temperature too high, a the ring easy to produce carbon, overheating jammed phenomenon.
The piston skirt piston skirt up guiding role.
Piston rings
Piston ring installation in the ring grooves inside, used to seal between piston and cylinder walls, prevent channeling the clearance between the piston and make the gas, and the movement along. Piston ring are divided into gas ring and oil ring two kinds.
Piston pins
The piston pin role is to connect the piston and rod assembly small head, and by the gas forces the pistons to the connecting rod.
The piston pin for hollow cylinder, usually sometimes to make the required strength tubular body structure section.
The piston pin generally USES low carbon steel or low carbon alloy.
The piston pin and piston pins a hole and connecting rod small head bushing of hole is used to connect the whole serving and half serving the connection. Adopts full serving the connection, the piston pin can be in the hole of the free rotation; Using half a serving the connection, pin and connecting rod between small head, work with full term is not happen relatively rotation; Pin and piston pins between a hole for clearance fit.
Connecting rod
The connecting rod is the role of the piston inherit the crankshaft the force, and make the reciprocating movement of the piston into the rotary motion of the crankshaft.
By connecting rod connecting rod body, connecting rod, connecting bolts and cover bearing parts, such as connecting rod connecting rod body and cover is divided into small head, connecting rod connecting rod body and the big end.
The connecting rod small head used to install the piston pins to link the piston. Rod body usually make it "workers" or "H" form, in order to meet in section strength and rigidity requirements under the premise of reducing quality.
The big end and of the crankshaft connecting rod shaft neck linked. Generally do component open type, and stem body cut half called connecting rod cover, both by connecting rod bolt connection as one.
The connecting rod axle bush installed in the big end in a hole, and the crankshaft connecting rod shaft neck outfit and together, is the most important in the engine with one of vice. Commonly used reduce integration mainly white gold alloy, copper alloy and aluminum alloy lead.
3. The crankshaft fly wheel
The crankshaft fly wheel mainly by the crankshaft, flywheel and some accessories composition.
crankshaft
Fly wheel mainly by the crankshaft and the flywheel and other different parts and the role of the flywheel and other different role of parts and accessories.
The crankshaft is the most important part of one of the engine. Its role is to group the gas from the piston connecting rod force into the rotation of the crankshaft foreign output torque, and drive the engine of the gas distribution institution and other auxiliary devices work.
The front of the crankshaft is mainly used to drive the gas distribution institution, water pump and fan etc subsidiary, front axle are installed on timing gear (or synchronous belt wheel), fan and pump pulley, reverse shock absorber and start claw, etc.
After the end of the crankshaft lugs structure, used to install the flywheel.
Spindle neck and neck in the engine connecting rod shaft is the most critical slip fits, vice general surface are quenched, shaft neck transition occurred at the shall also rolling process, the strengthening to improve its anti-fatigue strength.
The crankshaft axial orientation general use of the thrust piece or turn over the side bearings, positioning device installed in front a the main bearing place or a bearing place.
The crankshaft general selection high strength, high impact toughness and wear resistance of high quality carbon steel, good quality of carbon steel alloy or high strength nodular cast iron to forging or casting.
The crankshaft assembly must pass before dynamic balance of the calibration, balance the crankshaft, often in its emphasis on one side of the balance weight or crank drilling to part of the quality, in order to achieve the requirements of balance.
flywheel
The flywheel is a rotating inertia big disc, pressure on the outer circle, and a tooth of starter gear drive, for the starter when the engine use.
The flywheel is often the first cylinder ignition timing marks with, so that the calibration ignition moment.
Many of the cylinder engines should go into crankshaft and the action balance tests. In order to guarantee the disassembling the process does not damage the flywheel transfers to the assembly relation between, the pins or asymmetric bolt arrangement, when installation should be pay attention to.
曲柄連桿機(jī)構(gòu)
曲柄連桿機(jī)構(gòu)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)。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)零件。在作功沖程，它將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，對外輸出動(dòng)力；在其他沖程，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)的功用
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。
?。?）將氣體的壓力變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩
?。?）將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組成
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
?。?）活塞連桿組：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿
?。?）曲軸飛輪組：曲軸飛輪
1.機(jī)體組
機(jī)體是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，是發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)的所有主要零件和附件，承受各種載荷。因此，機(jī)體必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度。
氣缸體
氣缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的裝配基體，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的一個(gè)部件。氣缸體有水冷式缸體和風(fēng)冷式氣缸體。
水冷式氣缸體一般與上曲軸箱鑄成一體。氣缸體上部拍了出所有氣缸，氣缸周圍的空腔相互連通構(gòu)成水套。下半部分是用來支承曲軸的曲軸箱。
氣缸體有直列、V形和水平對置三種形式，在汽車上常用直列和V形兩種。氣缸體下部的結(jié)構(gòu)有一般式、龍門式、和隧道式三種形式風(fēng)冷式氣缸體和曲軸箱采用分體式結(jié)構(gòu)，氣缸體和曲軸箱分開鑄造，然后再裝配到一起。氣缸體和氣缸蓋外表面鑄有許多散熱片來保證充分散熱，缸體的材料一般用灰鑄鐵，為提高氣缸的耐磨性，有時(shí)在鑄鐵中加入少量合金元素如鎳、鉬、鉻、磷等。但是，實(shí)際上除了與活塞配合的氣缸壁表面外，其他部分對耐磨性要求并不高。為了材料上的經(jīng)濟(jì)性，廣泛采用缸體內(nèi)鑲?cè)霘飧滋讈硇纬蓺飧坠ぷ鞅砻?。這樣，缸套可用耐磨性較好的合金鑄鐵或合金鋼制造，以延長氣缸使用壽命，而缸體可用價(jià)格較低的普通鑄鐵或鋁合金材料制造。氣缸套有干式和濕式兩種。
干式氣缸套外表面不直接與冷水接觸，其壁厚一般為1～3mm。缸套外表面與其裝配的氣缸體內(nèi)表面采用過盈配合。
濕式缸套外表面直接與冷卻水接觸，冷卻效果好。其壁厚比干式缸套，一般為5～9mm。
氣缸蓋
氣缸蓋的主要作用是封閉氣缸上部，與活塞頂部和氣缸壁一起構(gòu)成燃燒室。
一般水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋內(nèi)鑄有冷卻水套，缸蓋下端面與缸體上端面向所對應(yīng)的水套是相通的，利用水的循環(huán)來冷卻燃燒室壁等高溫部分；風(fēng)冷式發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上鑄有許多散熱片，靠增大散熱面積來降低燃燒室的溫度。
發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋上應(yīng)有進(jìn)排氣門座導(dǎo)管孔和進(jìn)排氣通道等。汽油機(jī)氣缸蓋還應(yīng)有火花塞孔，而柴油機(jī)則設(shè)有安裝噴油器的做孔。
氣缸墊
氣缸蓋與氣缸體之間裝有氣缸襯墊，其作用是保證氣缸蓋與氣缸體間的密封，防止燃燒室漏氣、水套漏水。
油底殼
油底殼的主要作用是儲存機(jī)油并封閉曲軸箱。油底殼受力很小，一般采用薄鋼板沖壓而成。
2.活塞連桿組
活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸瓦等組成。
活塞
活塞的作用是與氣缸蓋、氣缸壁等共同組成燃燒室，并承受氣缸中氣體壓力，通過活塞銷將作用力傳給連桿，以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。
活塞可分為頭部、環(huán)槽部和裙部三部分。
活塞頭部 活塞是燃燒室的組成部分，其形狀取決于燃燒室的形式。常見的活塞頭部形狀有平頂式、凹頂式和凸頂式。
活塞環(huán)槽 活塞環(huán)安裝在活塞環(huán)槽內(nèi)。汽油機(jī)一般由2～3道環(huán)槽,上面1～2道用來安裝氣環(huán),實(shí)現(xiàn)氣缸的密封;最下面的一道用來安裝油環(huán).在油環(huán)槽底面上鉆有許多徑向回油孔,當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí),油環(huán)把氣缸壁上多余的機(jī)油刮下來經(jīng)回油孔流回油底殼。若溫度過高，第一道環(huán)容易產(chǎn)生積碳，出現(xiàn)過熱卡死現(xiàn)象。
活塞裙部 活塞裙部起導(dǎo)向作用。
活塞環(huán)
活塞環(huán)安裝在活塞環(huán)槽內(nèi)，用來密封活塞與氣缸壁之間的間隙，防止竄氣，同時(shí)使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)便順捷?；钊h(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩種。
活塞銷
活塞銷的作用是連接活塞和連桿小頭，并將活塞所受的氣體作用力傳給連桿。
活塞銷通常為空心圓柱體，有時(shí)也按等強(qiáng)度要求做成截面管狀體結(jié)構(gòu)。
活塞銷一般采用低碳鋼或低碳合金制造。
活塞銷與活塞銷座孔和連桿小頭襯套孔的連接采用全浮式和半浮式連接。采用全浮式連接，活塞銷可以在孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；采用半浮式連接，銷與連桿小頭之間為過盈配合，工作中不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)；銷與活塞銷座孔之間為間隙配合。
連桿
連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，并使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
連桿由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸瓦等零件組成，連桿體與連桿蓋分為連桿小頭、桿身和連桿大頭。
連桿小頭用來安裝活塞銷，以連接活塞。桿身通常做成“工”或“H”形斷面，以求在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下減少質(zhì)量。
連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連。一般做成分開式，與桿身切開的一半稱為連桿蓋，二者靠連桿螺栓連接為一體。
連桿軸瓦 安裝在連桿大頭孔座中，與曲軸上的連桿軸頸裝和在一起，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的配合副之一。常用的減磨合金主要有白合金、銅鉛合金和鋁基合金。
3.曲軸飛輪組
曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪和一些附件組成。
曲軸
飛輪組主要由曲軸和飛輪以及其他不同作用的零件和飛輪以及其他不同作用的零件和附件組成。
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的機(jī)件之一。其作用是將活塞連桿組傳來的氣體作用力轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)力矩對外輸出，并驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)及其他輔助裝置工作。
曲軸前端主要用來驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)、水泵和風(fēng)扇等附屬機(jī)構(gòu)，前端軸上安裝有正時(shí)齒輪(或同步帶輪)、風(fēng)扇與水泵的帶輪、扭轉(zhuǎn)減振器以及起動(dòng)爪等。
曲軸后端采用凸緣結(jié)構(gòu)，用來安裝飛輪。
主軸頸和連桿軸頸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的滑動(dòng)配合副，一般均進(jìn)行表面淬火，軸頸過渡圓角處還須進(jìn)行滾壓強(qiáng)化等化等工藝，以提高其抗疲勞強(qiáng)度。
曲軸的軸向定位一般采用止推片或翻邊軸瓦，定位裝置裝在前端第一道主軸承處或中部某軸承處。
曲軸一般選用強(qiáng)度高、耐沖擊韌度和耐磨性能好的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)中碳合金鋼或高強(qiáng)度球墨鑄鐵來鍛造或鑄造。
曲軸在裝配前必須經(jīng)過動(dòng)平衡校驗(yàn)，對不平衡的曲軸，常在其偏重的一側(cè)平衡重或曲柄上鉆去一部分質(zhì)量，以達(dá)到平衡的要求。
飛輪
飛輪是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的圓盤，外緣上壓有一個(gè)齒圈，與起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，供起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)使用。
飛輪上通常還刻有第一缸點(diǎn)火正時(shí)記號，以便校準(zhǔn)點(diǎn)火時(shí)刻。
多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪應(yīng)與曲軸一起進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。為了保證在拆裝過程中不破壞飛輪與曲軸間的裝配關(guān)系，采用定位銷或不對稱螺栓布置方式，安裝時(shí)應(yīng)加以注意。
（學(xué)號）：
長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）譯文
曲柄連桿機(jī)構(gòu)
The crank a body of practical applications
姓 名
學(xué) 院
長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)電工程分院
班 級
指導(dǎo)教師
2010年
年
6月
月
7日
日
摘 要
本文以捷達(dá)EA113汽油機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考，對四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析與計(jì)算機(jī)仿真分析。
首先，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識為依據(jù)，對曲柄連桿機(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。其次分別對活塞組、連桿組以及曲軸進(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：CATIA建立了曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零部件的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用CATIA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，然后利用CATIA軟件的機(jī)構(gòu)分析模塊，建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，活塞和連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。仿真結(jié)果的分析表明，仿真結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況基本一致，文章介紹的仿真方法為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新思路。
關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；受力分析；仿真建模；運(yùn)動(dòng)分析；CATIA
STRACTAB
This article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engine’s related parameter achievement, it has carried on the structural design compution for main parts of the crank link mechanism in the gasoline engine with four cylinders, and has carried on theoretical analysis and simulation analysis in computer in kinematics and dynamics for the crank link mechanism.
First, motion laws and stress in movement about the crank link mechanism are analyzed in detail and the precise analysis results are obtained. Next separately to the piston group, the linkage as well as the crank carries on the detailed structural design, and has carried on the structural strength and the rigidity examination. Once more, applys three-dimensional CAD software Pro/Engineer establishing the geometry models of all kinds of parts in the crank link mechanism, then useing the CATIA software assembling function assembles the components of crank link into the piston module, the connecting rod module and the crank module, then using Pro/E software mechanism analysis module , establishes the multi-rigid dynamics model of the crank link, and carries on the kinematics analysis and the dynamics analysis simulation, and it studies the piston and the connecting rod movement rule as well as crank link motion gear movement envelopment. The analysis of simulation results shows that those simulation results are meet to true working state of engine. It also shows that the simulation method introduced here can offer a new efficient and convenient way for the mechanism choosing and optimized design of crank-connecting rod mechanism in engine.
Key words: Engine；Crankshaft-Connecting Rod Mechanism；Analysis of Force；Modeling
of Simulation；Movement Analysis；CATIA
目錄
摘 要
ABSTRACT
第1章 緒 論 1
1.1 選題的目的和意義 1
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1
1.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 3
2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇 5
2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 5
2.2.1 活塞位移 6
2.2.2 活塞的速度 7
2.2.3 活塞的加速度 8
2.3 本章小結(jié) 8
第3章 活塞組的設(shè)計(jì) 9
3.1 活塞的設(shè)計(jì) 9
3.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 9
3.1.2 活塞的材料 10
3.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì) 11
3.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì) 16
3.2 活塞銷的設(shè)計(jì) 18
3.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 18
3.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算 19
3.3 活塞銷座 19
3.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.3.2 驗(yàn)算比壓力 20
3.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 20
3.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 20
3.4.2 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 20
3.5 本章小結(jié) 22
第４章 連桿組的設(shè)計(jì) 23
4.1 連桿的設(shè)計(jì) 23
4.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 23
4.1.2 連桿長度的確定 23
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 23
4.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 26
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 29
4.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 31
4.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 31
4.2.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 31
4.3 本章小結(jié) 32
第5章 曲軸的設(shè)計(jì) 33
5.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 33
5.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求 33
5.1.2 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 33
5.1.3 曲軸的材料 34
5.2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 34
5.2.1 曲柄銷的直徑和長度 34
5.2.2 主軸頸的直徑和長度 35
5.2.3 曲柄 35
5.2.4 平衡重 35
5.2.5 油孔的位置和尺寸 36
5.2.6 曲軸兩端的結(jié)構(gòu) 36
5.2.7 曲軸的止推 37
5.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 37
5.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩 38
5.4 本章小結(jié) 42
第6章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 43
6.1 對CATIA軟件基本功能的介紹 43
6.2 活塞的創(chuàng)建 43
6.2.1 活塞的特點(diǎn)分析 43
6.2.2 活塞的建模思路 43
6.3 連桿的創(chuàng)建 44
6.3.1 連桿的特點(diǎn)分析 44
6.3.2 連桿的建模思路 44
6.4 曲軸的創(chuàng)建 44
6.4.1 曲軸的特點(diǎn)分析 44
6.4.2 曲軸的建模思路 44
6.5 本章小結(jié) 45
結(jié) 論 46
致 謝 50
附 錄 51
II
第1章 緒 論
1.1 選題的目的和意義
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。
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，因此本研究所采用的高效、實(shí)時(shí)分析技術(shù)對提高分析精度，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。
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
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CATIA ,Pro/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，對設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正。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)。
目前國內(nèi)外對發(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。
通過對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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)構(gòu)運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析式，卻難以計(jì)算出供工程使用的計(jì)算結(jié)果，不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)。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，從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。
機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，進(jìn)而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力。目前，在對內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機(jī)商業(yè)軟件，如ADAMS等。這些軟件的功能重點(diǎn)是在力學(xué)分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對這些復(fù)雜的曲柄連桿機(jī)構(gòu)零部件的三維建模很難實(shí)現(xiàn)。因而在其仿真分析過程中對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助CAD軟件來完成，如CATIA,Pro/E,UG等。當(dāng)考慮到對多柔體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，有時(shí)還需要結(jié)合Ansys等專業(yè)的有限元分析軟件來進(jìn)行。這一過程十分復(fù)雜，不僅需要對這些軟件有一定了解，還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，而且軟件使用成本也很高。
1.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容
對內(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CATIA軟件對曲柄連桿機(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CATIA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)對機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。
第2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。
2.1 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)。
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)。
2.2 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。
2.2.1 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 （2.2）
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）中的根號按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得：
…
考慮到≤ 1∕3，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）
2.2.2 活塞的速度
將活塞位移公式（2.1）對時(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周速度。
2.2.3 活塞的加速度
將式（2.6）對時(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。
2.3 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??；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)重量僅占鑄鐵活塞的。因此其慣性小，這對高速發(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。
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，會減輕對環(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EA113 5V 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，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，對無強(qiáng)制冷卻的活塞來說，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占70～80%，經(jīng)活塞本身傳到氣缸壁的占10～20%，而傳給曲軸箱空氣和機(jī)油的僅占10%左右。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)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0.05~0.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.03~0.07mm，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)?，回油孔對降低機(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。
（3）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??；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)。
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
1、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（稱為主推力面，相對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。
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?；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。
3.2.2 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。
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。
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，對合金鑄鐵；
—活塞環(huán)的開口間隙，，取為；
—?dú)飧字睆?，?
—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，對于均壓環(huán)，此時(shí)的正對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４章 連桿組的設(shè)計(jì)
4.1 連桿的設(shè)計(jì)
4.1.1 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，也會對曲柄連桿機(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。
4.1.2 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。
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
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4.1 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：
?。?.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)，對于鋼 ；
—襯套材料的線膨脹系數(shù)，對于青銅；
、—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)力變化為非對稱循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到連桿小頭的過渡處的外表面上為：
（4.4）式中：—材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，
（合金鋼），?。?
—材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(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。
4.1.4 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)，對于常用鋼材，，??；
—計(jì)算斷面對垂直于擺動(dòng)平面的軸線的慣性矩，。
；
將式（4.8）改為：
?。?.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）連桿桿身的安全系數(shù)
連桿桿身所受的是非對稱的交變循環(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：—材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），??；
—材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(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。
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
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，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為。
連桿蓋的最大載荷是在進(jìn)氣沖程開始的，計(jì)算得：
作用在危險(xiǎn)斷面上的彎矩和法向力由經(jīng)驗(yàn)公式求得：
（4.16）
由此求得作用于大頭蓋中間斷面的彎矩為：
（4.17）
作用于大頭蓋中間斷面的法向力為：
（4.18）
式中：，—大頭蓋及軸瓦的慣性矩，，
，
，—大頭蓋及軸瓦的斷面面積，，
，
，
在中間斷面的應(yīng)力為：
（4.18）
式中：—大頭蓋斷面的抗彎斷面系數(shù)，
計(jì)算連桿大頭蓋的應(yīng)力為：
一般發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭蓋的應(yīng)力許用值為，則校核合格。
4.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì)
4.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力
根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，取。
發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿螺栓受到兩種力的作用：預(yù)緊力和最大拉伸載荷，預(yù)緊力由兩部分組成：一是保證連桿軸瓦過盈