I摘 要本文以 195 柴油發(fā)動機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考，對 195 柴油發(fā)動機(jī)的活塞連桿組機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對活塞連桿組進(jìn)行了有關(guān)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的理論分析與計(jì)算機(jī)仿真分析。首先，以運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的理論知識為依據(jù)，對活塞連桿組的運(yùn)動規(guī)律以及在運(yùn)動中的受力等問題進(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：Solidworks 建立了活塞連桿組各零部件的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用 Solidworks 軟件的裝配功能，將活塞連桿組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 Solidworks 軟件的機(jī)構(gòu)分析模塊，建立活塞連桿組的多剛體動力學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析和動力學(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)動的情況下，活塞和連桿的運(yùn)動規(guī)律以及活塞連桿組的運(yùn)動包絡(luò)。仿真結(jié)果的分析表明，仿真結(jié)果與發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作狀況基本一致，文章介紹的仿真方法為活塞連桿組的選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新思路。關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；活塞連桿組；受力分析；仿真建模；運(yùn)動分析；SolidworksIIABSTRACTThis article refers to by the Jeeta 195 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 Solidworks establishing the geometry models of all kinds of parts in the crank link mechanism, then useing the Solidworks software assembling function assembles the components of crank link into the piston module, the connecting rod module and the crank module, then using Solidworks software mechanism analysis module (Pro/Mechanism), 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；Modelingof Simulation；Movement Analysis；Solidworks目 錄摘要 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????IIAbstract????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????III第 1 章 緒論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 選題的目的和意義 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3第 2 章 活塞連桿組受力分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.1 活塞連桿組的類型及方案選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.2 活塞連桿組運(yùn)動學(xué) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.1.1 活塞位移 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.1.2 活塞的速度 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.1.3 活塞的加速度 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.2 活塞連桿組中的作用力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.2.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.3 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14第 3 章 活塞組的設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1 活塞的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1.2 活塞的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????213.2 活塞銷的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.3 活塞銷座 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.3.2 驗(yàn)算比壓力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????253.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????253.4.2 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????253.5 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26第 4 章 連桿組的設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????274.1 連桿的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????274.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 ????????????????????????????????????????????????274.1.2 連桿長度的確定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????274.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????274.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????304.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????334.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????354.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 ????????????????????????????????????????????????????????????????354.2.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????354.3 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????36第 5 章 曲軸的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1.2 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1.3 曲軸的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.2 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????385.2.1 曲柄銷的直徑和長度 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.2.2 主軸頸的直徑和長度 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.2.3 曲柄 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????395.2.4 平衡重 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????395.2.5 油孔的位置和尺寸 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????405.2.6 曲軸兩端的結(jié)構(gòu) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????405.2.7 曲軸的止推 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????405.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????415.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩 ????????????????????????????????????????????????????????????????415.3.2 名義應(yīng)力的計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????455.4 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47第 6 章 活塞連桿組的創(chuàng)建 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????486.1 對 Solidworks 軟件基本功能的介紹 ???????????????????????????????????????????????????????????????????486.2 活塞的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????486.2.1 活塞的特點(diǎn)分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????486.2.2 活塞的建模思路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????486.2.3 活塞的建模步驟 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????496.3 連桿的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????506.3.1 連桿的特點(diǎn)分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????506.3.2 連桿的建模思路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????506.3.3 連桿體的建模步驟 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????516.3.4 連桿蓋的建模 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????526.4 曲軸的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????526.4.1 曲軸的特點(diǎn)分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????526.4.2 曲軸的建模思路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????526.4.3 曲軸的建模步驟 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????536.5 活塞連桿組其它零件的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????556.5.1 活塞銷的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????556.5.2 活塞銷卡環(huán)的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????556.5.3 連桿小頭襯套的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????556.5.4 大頭軸瓦的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????556.5.5 連桿螺栓的創(chuàng)建 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????566.6 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56結(jié)論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????57參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????591第 1 章 緒 論1.1 選題的目的和意義活塞連桿組是發(fā)動機(jī)的傳遞運(yùn)動和動力的機(jī)構(gòu)，通過它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而輸出動力。因此，活塞連桿組是發(fā)動機(jī)中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動機(jī)工作的可靠性。隨著發(fā)動機(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靜態(tài)力學(xué)特性成為活塞連桿組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題[1]。通過設(shè)計(jì)，確定發(fā)動機(jī)活塞連桿組的總體結(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)動學(xué)和動力學(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，還需要對活塞連桿組進(jìn)行動力學(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活塞連桿組在運(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)動機(jī)的平衡與振動、發(fā)動機(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)。目前多剛體動力學(xué)模擬軟件主要有 Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS 等。多剛體動力學(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)動仿真，可校核部件運(yùn)動軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動干涉；對部件裝配進(jìn)行動力學(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 [2]。目前國內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動、動力學(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)2發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)活塞連桿組干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動、動力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù) [3-4]。目前國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)活塞連桿組的動力學(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，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系：動力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動的力。發(fā)動機(jī)活塞連桿組的動力學(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)動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法 [5]。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，對活塞連桿組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 [6]。 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)動性能。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的較好方法。通過對機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、動力學(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)動性能、運(yùn)動規(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)動過程和動態(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)動學(xué)和動力學(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)動性能、運(yùn)動規(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)動過程和動態(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)動學(xué)和動3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)動所需的作用力 [5]。目前，在對內(nèi)燃機(jī)活塞連桿組進(jìn)行動力學(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)雜的活塞連桿組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 Solidworks、UG、Solidworks 等 [4]。當(dāng)考慮到對多柔體系統(tǒng)進(jìn)行動力學(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 [7]。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)行過程中活塞連桿組受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究內(nèi)容有：（1）對活塞連桿組進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，分析活塞連桿組中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對活塞連桿組的主要零部件進(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）分析活塞連桿組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 Solidworks 軟件對活塞連桿組的零件分別建立實(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)動仿真分析，檢測其運(yùn)動干涉，獲取分析結(jié)果；（4）應(yīng)用 Solidworks 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)。 4第 2 章 活塞連桿組受力分析研究活塞連桿組的受力，關(guān)鍵在于分析活塞連桿組中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對活塞連桿組的主要零件進(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)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求。2.1 活塞連桿組的類型及方案選擇內(nèi)燃機(jī)中采用活塞連桿組的型式很多，按運(yùn)動學(xué)觀點(diǎn)可分為三類，即:中心活塞連桿組、偏心活塞連桿組和主副連桿式活塞連桿組。1、中心活塞連桿組其特點(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。這種型式的活塞連桿組在內(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)的活塞連桿組都屬于這一類。2、偏心活塞連桿組其特點(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。這種活塞連桿組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、主副連桿式活塞連桿組其特點(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，所以這種機(jī)構(gòu)有時(shí)也稱為“關(guān)節(jié)活塞連桿組” 。在關(guān)節(jié)活塞連桿組中，一個(gè)曲柄可以同時(shí)帶動幾套副連桿和活塞，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)的型式選擇為中心活塞連桿組。2.2 活塞連桿組運(yùn)動學(xué)中心活塞連桿組簡圖如圖 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 點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)?動，活塞 A 點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動，連桿 AB 則做復(fù)合的平面運(yùn)動，其大頭 B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動。在實(shí)5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，這樣就不需要對連桿的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究 [9]。圖 2.1 活塞連桿組運(yùn)動簡圖活塞做往復(fù)運(yùn)動時(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)律對活塞連桿組以及發(fā)動機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究活塞連桿組運(yùn)動規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動規(guī)律。2.1.1 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??0 ?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+ )1O?l)cos(??lr?= ]cos1()cos[(????r（2.1）式中： —連桿比。?6式（2.1）可進(jìn)一步簡化，由圖 2.1 可以看出： ??sinilr?即 ??snl又由于 ???22sin1sin1cos??（2.2）將式（2.2）帶入式（2.1）得：x= )]sin1(cos1[2?????r（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：…???? ????? 6422 sin1si8sin1sin1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22sisi?（2.4）將式（2.4）帶入式（2.3）得)sinco1(2?????rx（2.5）2.1.2 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v(2.6)?v )cos2in(si???????rdtaxt將式（2.5）對時(shí)間 微分，便可求得活塞速度得近似公式為：21sin2si)2sin(i vrrrv ???????（2.7）從式（2.7）可以看出，活塞速度可視為由 與 兩部分??si1rv????sin)(2rv簡諧運(yùn)動所組成。當(dāng) 或 時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動方向。當(dāng) 時(shí)，??0??18 ??907，此時(shí)活塞得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。?rv?2.1.3 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：t]cos2in4cs2[o32 ?????????rdtavta（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：t21222 coscos)cos( arrra ?????? ?????（2.9）因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡諧運(yùn)動加速度之和，即由 與??cos21r兩部分組成。???2cos2ra?2.2 活塞連桿組中的作用力作用于活塞連桿組的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動機(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)載阻力與主動力處于平衡狀態(tài)，無需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對機(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。2.2.1 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gP頂面積的乘積，即)(4'2pDPg???（2.10）式中： —活塞上的氣體作用力， ；gPN—缸內(nèi)絕對壓力， ；pMPa—大氣壓力， ；?—活塞直徑， 。Dm8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 ，對于四沖程發(fā)動機(jī)來說，一般取 =0.1 ， ,對于p??p?MPamD985.0?缸內(nèi)絕對壓力 ，在發(fā)動機(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。gP2.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力慣性力是由于運(yùn)動不均勻而產(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)動學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡化。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的質(zhì)量換算質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動力學(xué)等效性。質(zhì)量換算的目的是計(jì)算零件的運(yùn)動質(zhì)量，以便進(jìn)一步計(jì)算它們在運(yùn)動中所產(chǎn)生的慣性力 [9]。表 2.1 缸內(nèi)絕對壓力 計(jì)算結(jié)果p四個(gè)沖程終點(diǎn)壓力 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果/ MPa進(jìn)氣終點(diǎn)壓力 dep')90.~75.(ppde?0.08壓縮終點(diǎn)壓力 co 1nedco?1.46膨脹終點(diǎn)壓力 exp2maxnexp??0.45排氣終點(diǎn)壓力 r '15.r 0.115注： —平均壓縮指數(shù)， =1.32 1.38； —壓縮比， =9.3； —平均膨脹指數(shù)，1n1n~??2n=1.2 1.30； ； —最大爆發(fā)壓力， =3 5 ，取 =4.5 ；此時(shí)壓2~????maxpmaxp~MPmaxpP力角 = ，取 = 。??50??3表 2.2 氣壓力 計(jì)算結(jié)果g四 個(gè) 沖 程 /gPN進(jìn)氣終點(diǎn) 77.239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，Lm1m21m并只做往復(fù)運(yùn)動的質(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)動的質(zhì)量，如圖 2.2 所示：圖 2.2 連桿質(zhì)量的換算簡圖為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效，必須滿足下列三個(gè)條件：① 連桿總質(zhì)量不變，即 。21mL??② 連桿重心 的位置不變，即 。G)(1ll?③ 連桿相對重心 G 的轉(zhuǎn)動慣量 不變，即 。GI GIl??22)(其中， 連桿長度， 為連桿重心 至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公l1l式：10lmL11???lL12??用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置 。將連桿分成若干簡單的幾何圖G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：12圖 2.3 索多邊形法 [4]（2）往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量 jm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hh 1m和，稱為往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量 ，即 。j 1j??（3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 rm曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖 2.4 所示： 圖 2.4 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量曲拐在繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄銷和一部分曲柄臂的質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質(zhì)量。為了便于計(jì)算，所有這些質(zhì)量都按離心力相等的條件，換算到回轉(zhuǎn)半徑為 的連桿軸頸中心處，以 表示，換算質(zhì)量 為：rkmkm11rembgk2??式中： —曲拐換算質(zhì)量， ；km—連桿軸頸的質(zhì)量， ；g k—一個(gè)曲柄臂的質(zhì)量， ；b g—曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離， 。e m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km2 rm2kr??由上述換算方法計(jì)算得：往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量 =0.583 ，不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 =0.467 。jmgrkg2、活塞連桿組的慣性力把活塞連桿組運(yùn)動件的質(zhì)量簡化為二質(zhì)量 和 后，這些質(zhì)量的慣性力可以從jmr運(yùn)動條件求出，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j jPrm性力 。rP（1）往復(fù)慣性力??????2coscos)2coscs( 22 rrmrrma jjjj ?????（2.11）式中： —往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量， ；j kg—連桿比；?—曲柄半徑， ；rm—曲柄旋轉(zhuǎn)角速度， ；?srad/—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)號表示 方向與活塞加速度jP jP的方向相反。a其中曲柄的角速度 為： ?123062n???（2.12）式中： —曲軸轉(zhuǎn)數(shù)， ；nmin/r已知額定轉(zhuǎn)數(shù) =5800 ，則 ；7.3058???srad/曲柄半徑 =40.23 ，連桿比 =0.25~0.315，取 =0.27，參照附錄表 2：四缸r??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)?jP果如表 2.3 所示：表 2.3 往復(fù)慣性力 計(jì)算結(jié)果jP四 個(gè) 沖 程 /jN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?rmPr??（2.13）79.630.7430672???N3、作用在活塞上的總作用力由前述可知，在活塞銷中心處，同時(shí)作用著氣體作用力 和往復(fù)慣性力 ，由gPjP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jg???（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?P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K塞壓向氣缸壁的側(cè)向力 ，N13其中沿連桿的作用力 為：K?cos1??PK（2.15）而側(cè)向力 為：N?tan??PN（2.16）表 2.4 作用在活塞上的總作用力 ?四個(gè)沖程 氣壓力 /gPN往復(fù)慣性力 /jPN總作用力 /?PN進(jìn)氣終點(diǎn) 77.23 681.059?45.102?壓縮終點(diǎn) -102.97 6324.5 6膨脹終點(diǎn) 7001.933 . 7.3排氣終點(diǎn) 1801.968 6324.5 4812圖 2.5 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，使連桿受拉時(shí)為負(fù)號，缸K14壁的側(cè)向力 的符號規(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)N向力為正值，反之為負(fù)值。當(dāng) = 時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得：??13 ??sinirl?求得 ????48.3192.40arcsnarcil?將 分別代入式（2.15） 、式（2.16） ，計(jì)算結(jié)果如表 2.5 所示：?表 2.5 連桿力 、側(cè)向力 的計(jì)算結(jié)果KN四個(gè)沖程 連桿力 / 側(cè)向力 /N進(jìn)氣終點(diǎn) 128.07?83.2410?壓縮終點(diǎn) 6385.19 1436.356膨脹終點(diǎn) .366.排氣終點(diǎn) 8340.237 1896.923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，即推動曲軸旋轉(zhuǎn)的K切向力 ，T即 ???cos)in()sin(?????PKT（2.17）和壓縮曲柄臂的徑向力 ，即Z???cos)()cos(?????PKZ（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。T求得切向力 、徑向力 見如表 2.6 所示:Z表 2.6 切向力 、徑向力 的計(jì)算結(jié)果TZ四個(gè)沖程 切向力 / N徑向力 /ZN15進(jìn)氣終點(diǎn) 24.30?856.1027?壓縮終點(diǎn) 1811.355 6122.8789膨脹終點(diǎn) 17. 94.3排氣終點(diǎn) 2365.96 7997.612.3 本章小結(jié)本章首先分析了活塞連桿組的運(yùn)動情況，重點(diǎn)分析了活塞的運(yùn)動，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)的動力仿真提供了理論數(shù)據(jù)的依據(jù)。16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)動的零件，它們是發(fā)動機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。發(fā)動機(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