內江職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）任務書題目： 195柴油發(fā)動機活塞連桿組設計 時間：從 年 月 日至 年 月 日共 周專 業(yè)： 機械工程系 班 級： 學生姓名： 系 別： 機械工程系 教研室： 指導教師： 職稱： 2015 年 2 月 6 日任務及要求1.設計（研究）內容和要求（包括設計或研究內容、主要指標與技術參數，并根據課題性質對學生提出具體要求） 繪制 195 柴油發(fā)動機活塞連桿組機構總裝配圖；典型零件圖；對柴油發(fā)動機活塞連桿機構各零部件的強度、剛度進行計算和校核；其中計算機繪圖量圖紙不低于四張；不低于 10000 字的論文說明書。進行步驟：①課題調研，查閱文獻資料，明確任務；②方案設計；③總圖設計；④撰寫論文：③畢業(yè)論文答辯。2.原始依據（包括設計或論文的工作基礎、研究條件、應用環(huán)境、工作目的等）柴油機發(fā)動機內部瞬時溫度 2200 攝氏度的高溫氣體接觸，其頂部溫度 300℃~400℃，且溫度分布不均勻；柴油機承受在液體壓力大于或等于 8MP~9MPa；活塞在氣缸內往復運動線速度可達 11m／s~16m／s；3.參考文獻① 《195柴油發(fā)動機工作原理》 浙江科學技術出版社② 《柴油機活塞連桿組機構設計》 機械工業(yè)出版社③ 《柴油機發(fā)動機內部構造》 機械工業(yè)出版社④ 《柴油機發(fā)動機的設計》 人民交通出版社⑤ 徐灝等.機械設計手冊(第2、3冊)[M](第二版）.北京：機械工業(yè)出版社，2003 ⑥ 程悅蓀.柴油機發(fā)動機的總體設計[M].北京：中國農業(yè)出版社，1981 ⑦ 周紀良.柴油機發(fā)動機傳動系統(tǒng)的設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991 ⑧ 李凱[M].柴油機發(fā)動機的構造[M].北京：中國農業(yè)出版社，1982 ⑨ 成大先主編.機械設計手冊——柴油機在的設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999 內江職業(yè)技術學院畢 業(yè) 設 計（論 文）畢業(yè)設計（論文）題目 195 柴油發(fā)動機活塞連桿組設計 指導教師 職稱 所屬教研室 教研室主任 學生姓名 專業(yè) 班 級 學號 2015 年 2 月 日 內江職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）開題報告系 別 機械工程系 班 級姓 名 學 號課題名稱 195 柴油發(fā)動機活塞連桿組設計選擇本課題的意義當今社會，特別是在車輛工程行業(yè)，柴油機的應用非常廣泛，在一些特定的工作場合，柴油機體積小，輸出功率大，價格成本低廉很受歡迎，越來越多的汽車、工程車輛選擇柴油機發(fā)動機作為動力源。根據市場調查發(fā)現，柴油機發(fā)動機必須滿足當今人們對柴油機馬力輸出方面的靈活性操控等需求，能夠在不改變發(fā)動機的扭矩和轉速的情況下，改變柴油機的驅動力和行駛速度；在發(fā)動機曲軸旋轉方向不變的情況下，使車輛前進或后退；在發(fā)動機不熄滅的情況下，可使柴油機長時間停車或進行固定作業(yè)。國內外同類設計（或同類研究）的概況綜述現代先進的發(fā)動機，其活塞的設計相當復雜，已發(fā)展成為集輕質高強度新材料、異形外圓復合型面(裙部為中凸變橢圓型面 )、異形銷孔等多項新技術于一體的高技術含量的產品?；钊募庸ぞ纫蟾?，其裙部橫向橢圓度精度達 0.005mm，縱向中凸曲線精度達 0.005-0.01mm。目前國內外輕、中型汽車汽、柴油發(fā)動機以及轎車發(fā)動機活塞大多采用了共晶(亞共晶) 型 Al-S 合金。該類合金含 Si 量一般在 8．5％-13％，為了提高合金的室溫及高溫性能在其中加入了 Cu、Mg、Mn 、Ni 等合金元素進行多元合金化。國外著名發(fā)動機制造廠 (如 Cummins、Renault 等)和國內玉柴、錫柴等發(fā)動機制造廠均采用此類材料制造的活塞。隨著發(fā)動機對功率、扭矩、噪聲、排放的要求越來越高，人們把目光投向另一種更為理想的活塞材料 ——過共晶型 A1-Si 合金。這類合金含Si 量高達 17％~26％，而隨著 Si 含量的增加，合金的線脹系數減小，耐磨性和體積穩(wěn)定性相應提高，且合金密度也隨之減小，用其制造發(fā)動機活塞，可在設計上縮小氣缸筒內壁與活塞之間的間隙，從而提高發(fā)動機效率。國外對過共晶型 Al-Si 合金的研究應用較早，使用范圍已從摩托車活塞擴大到載貨汽車的活塞上。國內近些年也對該類活塞材料進行了大量的研究，但實際應用的還較少。隨著大馬力汽車發(fā)動機快速發(fā)展，尤其是重型柴油發(fā)動機渦輪增壓、中冷技術的應用以及大缸徑高壓縮比、低排放要求的不斷提高。傳統(tǒng)鋁合金活塞材料已無法滿足其使用要求，因而國內外眾多活塞材料研究機構和制造商推出了許多新型活塞材料目前市面上的柴油機發(fā)動機大多都是采用傳統(tǒng)的活塞搖桿結構，在某些特定的區(qū)域，這種結構形式的柴油機發(fā)動機非常不受歡迎。由于以往的柴油機發(fā)動機采用傳統(tǒng)的結構形式，這樣就造成傳動精度不好控制，保養(yǎng)維護費用較高;同時存在一定的安全隱患。因此，對整機的安全性要求較高，操作時也會給工作人員帶來強烈的震動，使得操作很不舒服。雖然傳動的柴油機傳動效率較高，動力輸出效果較好，但是價格也較昂貴，對于一般的用戶難以接受。所以研究一種新式的柴油機發(fā)動機勢在必行！所以本課題在主要任務是設計 195 柴油機發(fā)動機曲柄連桿組，通過此類設計，進一步完善柴油機發(fā)動機的工藝性能，期望能夠給柴油機發(fā)動機在進一步發(fā)展做出貢獻，并起到一定在參考價值。本課題的基本內容1：查閱相關資料，確定總設計方案；2：根據總體布局，繪制柴油發(fā)動機活塞連桿組結構的總體方案布局圖；3：利用 AUTOCAD 軟件完成活塞連桿組結構在設計；繪制活塞連桿組結構中零件在圖紙。4：活塞連桿組結構中活塞，連桿，活塞銷等等零件的設計和繪制，圖紙符合國家標準規(guī)范。5：撰寫設計說明書（10000 字） ；主要技術問題及解決方案設計（或研究）方法柴油機發(fā)動機活塞連桿組設計應隨生產規(guī)模，生產設備及用途的不相同，進行小組成員過仔細討論，確定主要各零部件的結構方案，分配好任務，進行總體布置設計，在設計過程中，要查閱相關書籍資料和各種期刊國內外論文，以及有關 195 柴油機的相關知識，并了解一下國內外該機型的一些主要設計參數以及基本要求，憑所學理論知識和經驗進行類比，有依據的加入一些自己的想法，擬定幾種方案，進行多方案討論、分析和比較，經過反復修訂后得出初步方案，確定自己設計的主要結構參數，確定之后即可主要零部件的初步設計，再設計的過程中應多與小組成員交流討論，避免設計最后出現部件不能配套使用的情況。畢業(yè)設計計劃(根據畢業(yè)設計實施方案，結合本課題做出合理安排)第 5~7 周：查閱柴油機相關資料，設計小組確定總體設計方案。第 8~14 周：各種計算；繪制零件圖、柴油機發(fā)動機活塞連桿組裝配圖。第 15~16 周：撰寫設計說明書；第 17 周：完成畢業(yè)答辯。指導教師審查意見（對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計結果的預測）指導教師簽字: 年 月 日教研室審查意見教研室主任簽字: 年 月 日I摘 要本文以 195 柴油發(fā)動機的相關參數作為參考，對 195 柴油發(fā)動機的活塞連桿組機構的主要零部件進行了結構設計計算，并對活塞連桿組進行了有關運動學和動力學的理論分析與計算機仿真分析。首先，以運動學和動力學的理論知識為依據，對活塞連桿組的運動規(guī)律以及在運動中的受力等問題進行詳盡的分析，并得到了精確的分析結果。其次分別對活塞組、連桿組以及曲軸進行詳細的結構設計，并進行了結構強度和剛度的校核。再次，應用三維 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 軟件的機構分析模塊，建立活塞連桿組的多剛體動力學模型，進行運動學分析和動力學分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉動的情況下，活塞和連桿的運動規(guī)律以及活塞連桿組的運動包絡。仿真結果的分析表明，仿真結果與發(fā)動機的實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)化設計提供了一種新思路。關鍵詞：發(fā)動機；活塞連桿組；受力分析；仿真建模；運動分析；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 國內外的研究現狀 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.3 設計研究的主要內容 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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 活塞連桿組運動學 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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 氣缸內工質的作用力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.2.2 機構的慣性力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.3 本章小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14第 3 章 活塞組的設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1 活塞的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1.1 活塞的工作條件和設計要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1.2 活塞的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.1.3 活塞頭部的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.1.4 活塞裙部的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????213.2 活塞銷的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.2.1 活塞銷的結構、材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.2.2 活塞銷強度和剛度計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.3 活塞銷座 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.3.1 活塞銷座結構設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.3.2 驗算比壓力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.4 活塞環(huán)設計及計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????253.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????253.4.2 活塞環(huán)強度校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????253.5 本章小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26第 4 章 連桿組的設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????274.1 連桿的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????274.1.1 連桿的工作情況、設計要求和材料選用 ????????????????????????????????????????????????274.1.2 連桿長度的確定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????274.1.3 連桿小頭的結構設計與強度、剛度計算 ????????????????????????????????????????????????274.1.4 連桿桿身的結構設計與強度計算 ????????????????????????????????????????????????????????????304.1.5 連桿大頭的結構設計與強度、剛度計算 ????????????????????????????????????????????????334.2 連桿螺栓的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????354.2.1 連桿螺栓的工作負荷與預緊力 ????????????????????????????????????????????????????????????????354.2.2 連桿螺栓的屈服強度校核和疲勞計算 ????????????????????????????????????????????????????354.3 本章小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????36第 5 章 曲軸的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1 曲軸的結構型式和材料的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1.1 曲軸的工作條件和設計要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1.2 曲軸的結構型式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.1.3 曲軸的材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????375.2 曲軸的主要尺寸的確定和結構細節(jié)設計 ????????????????????????????????????????????????????????????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 曲軸兩端的結構 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????405.2.7 曲軸的止推 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????405.3 曲軸的疲勞強度校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????415.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩 ????????????????????????????????????????????????????????????????415.3.2 名義應力的計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????455.4 本章小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56結論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????57參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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)動機的傳遞運動和動力的機構，通過它把活塞的往復直線運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動而輸出動力。因此，活塞連桿組是發(fā)動機中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動機工作的可靠性。隨著發(fā)動機強化指標的不斷提高，機構的工作條件更加復雜。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設計過程中保證機構具有足夠的疲勞強度和剛度及良好的動靜態(tài)力學特性成為活塞連桿組設計的關鍵性問題[1]。通過設計，確定發(fā)動機活塞連桿組的總體結構和零部件結構，包括必要的結構尺寸確定、運動學和動力學分析、材料的選取等，以滿足實際生產的需要。在傳統(tǒng)的設計模式中，為了滿足設計的需要須進行大量的數值計算，同時為了滿足產品的使用性能，須進行強度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設計和校核計算，同時要滿足校核計算，還需要對活塞連桿組進行動力學分析。為了真實全面地了解機構在實際運行工況下的力學特性，本文采用了多體動力學仿真技術，針對機構進行了實時的，高精度的動力學響應分析與計算，因此本研究所采用的高效、實時分析技術對提高分析精度，提高設計水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解活塞連桿組在運行過程中的受力狀態(tài)，便于進行精確計算，對進一步研究發(fā)動機的平衡與振動、發(fā)動機增壓的改造等均有較為實用的應用價值。1.2 國內外的研究現狀多剛體動力學模擬是近十年發(fā)展起來的機械計算機模擬技術，提供了在設計過程中對設計方案進行分析和優(yōu)化的有效手段，在機械設計領域獲得越來越廣泛的應用。它是利用計算機建造的模型對實際系統(tǒng)進行實驗研究，將分析的方法用于模擬實驗，充分利用已有的基本物理原理，采用與實際物理系統(tǒng)實驗相似的研究方法，在計算機上運行仿真實驗。目前多剛體動力學模擬軟件主要有 Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS 等。多剛體動力學模擬軟件的最大優(yōu)點在于分析過程中無需編寫復雜仿真程序，在產品的設計分析時無需進行樣機的生產和試驗。對內燃機產品的部件裝配進行機構運動仿真，可校核部件運動軌跡，及時發(fā)現運動干涉；對部件裝配進行動力學仿真，可校核機構受力情況；根據機構運動約束及保證性能最優(yōu)的目標進行機構設計優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對設計提供指導和修正 [2]。目前國內大學和企業(yè)已經已進行了機構運動、動力學仿真方面的研究和局部應用，能在設計初期及時2發(fā)現內燃機活塞連桿組干涉，校核配氣機構運動、動力學性能等，為設計人員提供了基本的設計依據 [3-4]。目前國內外對發(fā)動機活塞連桿組的動力學分析的方法很多，而且已經完善和成熟。其中機構運動學分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動，即位移、速度和加速度的變化關系：動力學則是研究產生運動的力。發(fā)動機活塞連桿組的動力學分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉矩等的分析，傳統(tǒng)的內燃機工作機構動力學、運動學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件逐個列出方程，通過各個構件之間的聯立線性方程組來求解運動副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標法等。2、圖解法圖解法形象比較直觀，機構各組成部分的位移、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，可用于對計算機結果的判斷和選擇。解析法取點數值較少，繪制曲線精度不高。不經任何計算，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，但方法十分復雜 [6]。 3、復數向量法復數向量法是以各個桿件作為向量，把在復平面上的連接過程用復數形式加以表達，對于包括結構參數和時間參數的解析式就時間求導后，可以得到機構的運動性能。該方法是機構運動分析的較好方法。通過對機構運動學、動力學的分析，我們可以清楚了解內燃機工作機構的運動性能、運動規(guī)律等，從而可以更好地對機構進行性能分析和產品設計。但是過去由于手段的原因，大部分復雜的機械運動盡管能夠給出解析表達式，卻難以計算出供工程設計使用的結果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數據。近年來隨著計算機的發(fā)展，可以利用復雜的計算表達式來精確求解各種運動過程和動態(tài)過程，從而形成了機械性能分析和產品設計的現代理論和方法。通過對機構運動學和動力學分析，我們可以清楚了解內燃機工作機構的運動性能、運動規(guī)律等，從而可以更好地對機構進行性能分析和產品設計。但是過去由于手段的原因，大部分復雜的機構運動盡管能夠給出解析式，卻難以計算出供工程使用的計算結果，不得不用粗糙的圖解法求得數據。隨著計算機的發(fā)展，可以利用復雜的計算表達式來精確求解各種運動過程和動態(tài)過程，從而形成機械性能分析和產品設計的現代理論和方法。機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術的核心是利用計算機輔助技術進行機械系統(tǒng)的運動學和動3力學分析，以確定系統(tǒng)各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，進而確定系統(tǒng)及其及其各構件運動所需的作用力 [5]。目前，在對內燃機活塞連桿組進行動力學分析時，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機商業(yè)軟件，如 ADAMS 等。這些軟件的功能重點是在力學分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對這些復雜的活塞連桿組零部件的三維建模很難實現。因而在其仿真分析過程中對于結構復雜的模型就要借助 CAD 軟件來完成，如 Solidworks、UG、Solidworks 等 [4]。當考慮到對多柔體系統(tǒng)進行動力學分析時，有時還需要結合 Ansys 等專業(yè)的有限元分析軟件來進行 [7]。這一過程十分復雜，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據傳輸問題，而且軟件使用成本也很高。1.3 設計研究的主要內容對內燃機運行過程中活塞連桿組受力分析進行深入研究，其主要的研究內容有：（1）對活塞連桿組進行運動學和動力學分析，分析活塞連桿組中各種力的作用情況，并根據這些力對活塞連桿組的主要零部件進行強度、剛度等方面的計算和校核，以便達到設計要求；（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計要求，進行合理選材，確定出主要的結構尺寸，并進行相應的尺寸檢驗校核，以符合零件實際加工的要求；（3）應用 Solidworks 軟件對活塞連桿組的零件分別建立實體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應的連接關系，最后裝配成完整的機構，并進行運動仿真分析，檢測其運動干涉，獲取分析結果；（4）應用 Solidworks 軟件將零件模型圖轉化為相應的工程圖，并結合使用AutoCAD 軟件，系統(tǒng)地反應工程圖上的各類信息，以便實現對機構的進一步精確設計和檢驗。 4第 2 章 活塞連桿組受力分析研究活塞連桿組的受力，關鍵在于分析活塞連桿組中各種力的作用情況，并根據這些力對活塞連桿組的主要零件進行強度、剛度、磨損等方面的分析、計算和設計，以便達到發(fā)動機輸出轉矩及轉速的要求。2.1 活塞連桿組的類型及方案選擇內燃機中采用活塞連桿組的型式很多，按運動學觀點可分為三類，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是氣缸中心線通過曲軸的旋轉中心，并垂直于曲柄的回轉軸線。這種型式的活塞連桿組在內燃機中應用最為廣泛。一般的單列式內燃機，采用并列連桿與叉形連桿的 V 形內燃機，以及對置式活塞內燃機的活塞連桿組都屬于這一類。2、偏心活塞連桿組其特點是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉中心線，但不通過曲軸的回轉中心，氣缸中心線距離曲軸的回轉軸線具有一偏移量 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壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時作用在氣缸壁兩側的側壓力大小比較均勻。 3、主副連桿式活塞連桿組其特點是內燃機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“關節(jié)式”運動，所以這種機構有時也稱為“關節(jié)活塞連桿組” 。在關節(jié)活塞連桿組中，一個曲柄可以同時帶動幾套副連桿和活塞，這種結構可使內燃機長度縮短，結構緊湊，廣泛的應用于大功率的坦克和機車用 V 形內燃機 [8]。經過比較，本設計的型式選擇為中心活塞連桿組。2.2 活塞連桿組運動學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。當曲柄按等角速度 旋轉時，曲柄 OB 上任意點都以 O 點為圓心做等速旋轉運?動，活塞 A 點沿氣缸中心線做往復運動，連桿 AB 則做復合的平面運動，其大頭 B點與曲柄一端相連，做等速的旋轉運動，而連桿小頭與活塞相連，做往復運動。在實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集中質量，認為它們分別做旋轉和往復運動，這樣就不需要對連桿的運動規(guī)律進行單獨研究 [9]。圖 2.1 活塞連桿組運動簡圖活塞做往復運動時，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數值以及變化規(guī)律對活塞連桿組以及發(fā)動機整體工作有很大影響，因此，研究活塞連桿組運動規(guī)律的主要任務就是研究活塞的運動規(guī)律。2.1.1 活塞位移假設在某一時刻，曲柄轉角為 ，并按順時針方向旋轉，連桿軸線在其運動平面?內偏離氣缸軸線的角度為 ，如圖 2.1 所示。?當 = 時，活塞銷中心 A 在最上面的位置 A1，此位置稱為上止點。當 =180??0 ?時， A 點在最下面的位置 A2，此位置稱為下止點。?此時活塞的位移 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）是計算活塞位移 x 的精確公式,為便于計算，可將式（2.3）中的根號按牛頓二項式定理展開，得：…???? ????? 6422 sin1si8sin1sin1考慮到 ≤ 1∕3，其二次方以上的數值很小，可以忽略不計。只保留前兩項，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）對時間 t 進行微分，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簡諧運動所組成。當 或 時，活塞速度為零，活塞在這兩點改變運動方向。當 時，??0??18 ??907，此時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簡諧運動加速度之和，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：缸內氣壓力、運動質量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動機曲軸上的負載阻力。由于摩擦力的數值較小且變化規(guī)律很難掌握，受力分析時把摩擦阻力忽略不計。而負載阻力與主動力處于平衡狀態(tài)，無需另外計算，因此主要研究氣壓力和運動質量慣性力變化規(guī)律對機構構件的作用。計算過程中所需的相關數據參照 EA1113 汽油機，如附表 1 所示。2.2.1 氣缸內工質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、下兩面的空間內氣體壓力差 ，對于四沖程發(fā)動機來說，一般取 =0.1 ， ,對于p??p?MPamD985.0?缸內絕對壓力 ，在發(fā)動機的四個沖程中，計算結果如表 2.1 所示：則由式（2.10）計算氣壓力 如表 2.2 所示。gP2.2.2 機構的慣性力慣性力是由于運動不均勻而產生的，為了確定機構的慣性力，必須先知道其加速度和質量的分布。加速度從運動學中已經知道，現在需要知道質量分布。實際機構質量分布很復雜，必須加以簡化。為此進行質量換算。1、機構運動件的質量換算質量換算的原則是保持系統(tǒng)的動力學等效性。質量換算的目的是計算零件的運動質量，以便進一步計算它們在運動中所產生的慣性力 [9]。表 2.1 缸內絕對壓力 計算結果p四個沖程終點壓力 計算公式 計算結果/ MPa進氣終點壓力 dep')90.~75.(ppde?0.08壓縮終點壓力 co 1nedco?1.46膨脹終點壓力 exp2maxnexp??0.45排氣終點壓力 r '15.r 0.115注： —平均壓縮指數， =1.32 1.38； —壓縮比， =9.3； —平均膨脹指數，1n1n~??2n=1.2 1.30； ； —最大爆發(fā)壓力， =3 5 ，取 =4.5 ；此時壓2~????maxpmaxp~MPmaxpP力角 = ，取 = 。??50??3表 2.2 氣壓力 計算結果g四 個 沖 程 /gPN進氣終點 77.239壓縮終點 -102.97膨脹終點 7001.933排氣終點 1801.968（1）連桿質量的換算連桿是做復雜平面運動的零件。為了方便計算，將整個連桿（包括有關附屬零件）的質量 用兩個換算質量 和 來代換，并假設是 集中作用在連桿小頭中心處，Lm1m21m并只做往復運動的質量； 是集中作用在連桿大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉運動的質量，如圖 2.2 所示：圖 2.2 連桿質量的換算簡圖為了保證代換后的質量系統(tǒng)與原來的質量系統(tǒng)在力學上等效，必須滿足下列三個條件：① 連桿總質量不變，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）往復直線運動部分的質量 jm活塞（包括活塞上的零件）是沿氣缸中心做往復直線運動的。它們的質量可以看作是集中在活塞銷中心上，并以 表示。質量 與換算到連桿小頭中心的質量 之hh 1m和，稱為往復運動質量 ，即 。j 1j??（3）不平衡回轉質量 rm曲拐的不平衡質量及其代換質量如圖 2.4 所示： 圖 2.4 曲拐的不平衡質量及其代換質量曲拐在繞軸線旋轉時，曲柄銷和一部分曲柄臂的質量將產生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質量。為了便于計算，所有這些質量都按離心力相等的條件，換算到回轉半徑為 的連桿軸頸中心處，以 表示，換算質量 為：rkmkm11rembgk2??式中： —曲拐換算質量， ；km—連桿軸頸的質量， ；g k—一個曲柄臂的質量， ；b g—曲柄臂質心位置與曲拐中心的距離， 。e m質量 與換算到大頭中心的連桿質量 之和稱為不平衡回轉質量 ，即km2 rm2kr??由上述換算方法計算得：往復直線運動部分的質量 =0.583 ，不平衡回轉質量 =0.467 。jmgrkg2、活塞連桿組的慣性力把活塞連桿組運動件的質量簡化為二質量 和 后，這些質量的慣性力可以從jmr運動條件求出，歸結為兩個力。往復質量 的往復慣性力 和旋轉質量 的旋轉慣j jPrm性力 。rP（1）往復慣性力??????2coscos)2coscs( 22 rrmrrma jjjj ?????（2.11）式中： —往復運動質量， ；j kg—連桿比；?—曲柄半徑， ；rm—曲柄旋轉角速度， ；?srad/—曲軸轉角。?是沿氣缸中心線方向作用的，公式（2.11）前的負號表示 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： —曲軸轉數， ；nmin/r已知額定轉數 =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??機工作循環(huán)表，將每一工況的曲軸轉角 代入式（2.11） ，計算得往復慣性力 ，結?jP果如表 2.3 所示：表 2.3 往復慣性力 計算結果jP四 個 沖 程 /jN進氣終點 -10519.68壓縮終點 6324.5膨脹終點 -10519.68排氣終點 6324.51（2）旋轉慣性力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，同時作用著氣體作用力 和往復慣性力 ，由gPjP于作用力的方向都沿著中心線，故只需代數相加，即可求得合力jg???（2.14）計算結果如表 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 分解成兩個分力：沿連桿軸線作用的力 ，和把活K塞壓向氣缸壁的側向力 ，N13其中沿連桿的作用力 為：K?cos1??PK（2.15）而側向力 為：N?tan??PN（2.16）表 2.4 作用在活塞上的總作用力 ?四個沖程 氣壓力 /gPN往復慣性力 /jPN總作用力 /?PN進氣終點 77.23 681.059?45.102?壓縮終點 -102.97 6324.5 6膨脹終點 7001.933 . 7.3排氣終點 1801.968 6324.5 4812圖 2.5 作用在機構上的力和力矩連桿作用力 的方向規(guī)定如下：使連桿受壓時為正號，使連桿受拉時為負號，缸K14壁的側向力 的符號規(guī)定為：當側向力所形成的反扭矩與曲軸旋轉方向相反時，側N向力為正值，反之為負值。當 = 時，根據正弦定理，可得：??13 ??sinirl?求得 ????48.3192.40arcsnarcil?將 分別代入式（2.15） 、式（2.16） ，計算結果如表 2.5 所示：?表 2.5 連桿力 、側向力 的計算結果KN四個沖程 連桿力 / 側向力 /N進氣終點 128.07?83.2410?壓縮終點 6385.19 1436.356膨脹終點 .366.排氣終點 8340.237 1896.923力 通過連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也分解成兩個力，即推動曲軸旋轉的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 的計算結果TZ四個沖程 切向力 / N徑向力 /ZN15進氣終點 24.30?856.1027?壓縮終點 1811.355 6122.8789膨脹終點 17. 94.3排氣終點 2365.96 7997.612.3 本章小結本章首先分析了活塞連桿組的運動情況，重點分析了活塞的運動，在此基礎上分析了每個工作過程的氣體壓力變化情況，進一步推導出各過程氣體力的理論計算公式，進行了機構中運動質量的換算，并根據 EA113 型汽油機的具體結構參數計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據的依據。16第 3 章 活塞組的設計3.1 活塞的設計活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作往復運動的零件，它們是發(fā)動機中工作條件最嚴酷的組件。發(fā)動機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。3.1.1 活塞的工作條件和設計要求1、活塞的機械負荷在發(fā)動機工作中,活塞承受的機械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復慣性力以及由此產生的側向作用力。在機械載荷的作用下，活塞各部位了各種不同的應力：活塞頂部動態(tài)彎曲應力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應力；環(huán)岸承受彎曲及剪應力。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。為適應機械負荷，設計活塞時要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強度、剛