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材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)
計(jì)算說明書
設(shè)計(jì)題目：單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核
數(shù)據(jù)號：7.2-15
學(xué)號：42100214
姓名：鄧文哲
指導(dǎo)教師：魏媛
目錄
一、設(shè)計(jì)目的··················································3二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求···········································3
2.1、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求···········································3
2.2、分析討論及說明書部分的要求·····································4
2.3、程序計(jì)算部分的要求·············································4
三、設(shè)計(jì)題目·····················································4
3.1、數(shù)據(jù)15-Ⅰ
1）畫出曲軸的內(nèi)力圖················································6
2）設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D·······································8
3） 校核曲柄臂的強(qiáng)度················································9
4）校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度································· 12
5）用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角 ，······························· 13
3.2數(shù)據(jù)15-Ⅱ
1）畫出曲軸的內(nèi)力圖···············································17
2） 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D······································19
3)校核曲柄臂的強(qiáng)度················································20
4）校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度·································23
5）用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角 ，·······························24
四、分析討論及必要說明······································27
五、設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施及方法··································28
六、設(shè)計(jì)體會····················································28
七、參考文獻(xiàn)···················································29
附錄
一． 程序框圖······················································30
二． C語言程序·····················································31
三． 計(jì)算輸出結(jié)果··················································35
四． 標(biāo)識符························································36
一、 設(shè)計(jì)目的
本課程設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識解決工程實(shí)際問題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)算方法及手段融為一體，既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代計(jì)算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有一下六項(xiàng)：
(1).使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完整化。
(2).在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識解決工程實(shí)際中的問題。
(3).由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可把材料力學(xué)與專業(yè)需要結(jié)合起來。
(4).綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。
(5).初步了解和掌握工程實(shí)際中的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。
(6).為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。
二、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求
參加設(shè)計(jì)者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算機(jī)程序，通過計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。
2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求
設(shè)計(jì)計(jì)算說明書是該題目設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：
1) 設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖。
2) 畫出結(jié)構(gòu)的受力分析計(jì)算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。
3) 靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求和過程。
4) 畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險(xiǎn)截面。
5) 危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。
6) 選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。
7) 列出全部計(jì)算過程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明。
8) 對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計(jì)算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。
9) 疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說明循環(huán)特性， ， ，r ， ， 的計(jì)算，所查，，各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果。
2.2、分析討論及說明部分的要求
1) 分析計(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。
2) 提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。
3) 提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。
2.3、程序計(jì)算部分的要求
1) 計(jì)算機(jī)程序。
2) 打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計(jì)計(jì)算說明書上）。
三、設(shè)計(jì)題目
某柴油機(jī)曲軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（QT450—5）彈性常數(shù)為E、，許用應(yīng)力[]，G處輸入轉(zhuǎn)矩為 ，曲軸頸中點(diǎn)受切向力、徑向力的作用，且 。曲柄臂簡化為矩形截面，1.41.6 , 2.54 ,,有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：
要求：
0.11
0.18
150
0.27
120
180
0.05
0.78
（一） 畫出曲軸的內(nèi)力圖。
（二） 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d ，主軸頸直徑D 。
（三） 校核曲柄臂的強(qiáng)度。
（四） 校核主軸頸 H-H 截面處的疲勞強(qiáng)度，取疲勞強(qiáng)度系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。
（五） 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角 θy , θz 。
3.1數(shù)據(jù)15-Ⅰ
12.0
240
0.06
（一）畫出曲軸的內(nèi)力圖
（1） . 外力分析
畫出曲軸的計(jì)算簡圖（上圖），計(jì)算外力偶矩。
∴
由平衡條件計(jì)算反力
在XOY平面內(nèi):
在XOZ平面內(nèi)：
（2） 內(nèi)力分析
內(nèi)力圖如下，不計(jì)彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在纖維受壓側(cè)，根據(jù)內(nèi)力圖確定危截面。(單位：力-N 力矩N·m)
1） 主軸頸的EF左端 （1-1）截面為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲
2）曲柄臂DE段下端（2-2）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮
3） 曲軸頸CD段中間截面（3-3）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲
（2） 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D
（1） 主軸頸的危險(xiǎn)截面為EF段的最左端1-1截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲,可用第三強(qiáng)度理論計(jì)算：
∴
故D取。
（2）曲軸頸CD屬于彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論可得：
∴
故d取。
（三）校核曲柄臂的強(qiáng)度
曲柄臂的危險(xiǎn)截面為矩形截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力的作用。為確定危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，畫出曲柄臂上（2-2）截面應(yīng)力分布圖。
曲柄臂的強(qiáng)度計(jì)算:
根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為，，。
1） 對點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。
點(diǎn)處于單向壓縮，所以正應(yīng)力
2）對點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。
點(diǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：
正應(yīng)力由軸力、繞Z軸的彎矩共同引起。
由于點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，故選用第三強(qiáng)度理論：
3）對點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。
同理可得：
應(yīng)用第三強(qiáng)度理論：
。
綜上，曲柄臂滿足強(qiáng)度要求時(shí)必須有：
點(diǎn)：
點(diǎn)：
點(diǎn)：
出于經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)該盡量使截面積最小。
根據(jù)以上分析可以編寫計(jì)算機(jī)程序，取遍、所有值，計(jì)算出、的最優(yōu)值。
由附錄中C程序子函數(shù)hb（）可以求出、的最優(yōu)值如下。
h=57.39 mm
b=22.95 mm
現(xiàn)在取h=57.39 mm，b=22.95mm對曲柄臂強(qiáng)度進(jìn)行校核：
當(dāng)h=57.39 mm，b=22.95mm時(shí)，查表3-1，利用插入法得：
1）點(diǎn)：
所以點(diǎn)安全。
2) 點(diǎn)：
由第三強(qiáng)度理論
所以點(diǎn)也滿足強(qiáng)度條件。
3)點(diǎn)：
由第三強(qiáng)度理論：
也安全。
所以說，曲柄臂的強(qiáng)度是足夠的。
（四） 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度
由《材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)》附錄得球墨鑄鐵（QT450-5）強(qiáng)度極限。
查《材料力學(xué)》得有效應(yīng)力集中系數(shù)，表面質(zhì)量系數(shù)。
已知，，。
FH 處只受扭轉(zhuǎn)作用。
忽略鍵槽對抗扭截面系數(shù)的影響，H-H截面抗扭截面系數(shù)：
曲軸工作時(shí)，在不變扭矩作用下，
曲軸不工作時(shí)，
∴ 故該循環(huán)為脈動循環(huán)。
安全系數(shù)：
所以，H-H截面的疲勞強(qiáng)度是足夠的。
（五）、 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角。
采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)角。
Ⅰ、求：
1） 在截面A加一單位力偶矩。
由平衡方程得：
B點(diǎn)的彎矩為：
E點(diǎn)的彎矩為：
2） 單位力偶矩作用下的內(nèi)力圖與外載荷作用下的內(nèi)力圖如下（彎矩畫在受壓的一側(cè)）： 單位:N·m
當(dāng)h=57.39 mm，b=22.95mm時(shí)，查表可得：
桿件的抗扭剛度：
方向與單位力偶相同。
Ⅱ、求：
1） 在截面A加一單位力偶矩。
2）單位力偶矩作用下的內(nèi)力圖與外載荷作用下的內(nèi)力圖如下（彎矩畫在受壓的一側(cè)）：
方向與單位力偶相同。
3.2、數(shù)據(jù)15-Ⅱ
16.0
400
0.05
（一）畫出曲軸的內(nèi)力圖
（1） . 外力分析
畫出曲軸的計(jì)算簡圖（上圖），計(jì)算外力偶矩。
∴
由平衡條件計(jì)算反力
在XOY平面內(nèi):
在XOZ平面內(nèi)：
（2） 內(nèi)力分析
內(nèi)力圖如下，不計(jì)彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在纖維受壓側(cè)，根據(jù)內(nèi)力圖確定危截面。(單位：力-N 力矩N·m)
1） 主軸頸的EF左端 （1-1）截面為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲
2）曲柄臂DE段下端（2-2）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮
3)曲軸頸CD段中間截面（3-3）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲
（二）設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D
（1） 主軸頸的危險(xiǎn)截面為EF段的最左端1-1截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲,可用第三強(qiáng)度理論計(jì)算：
∴
故D取。
（2）曲軸頸CD屬于彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論可得：
∴
故d取。
（三）校核曲柄臂的強(qiáng)度
曲柄臂的危險(xiǎn)截面為矩形截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力的作用。為確定危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，畫出曲柄臂上（2-2）截面應(yīng)力分布圖。
根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為，，。
1） 對點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。
點(diǎn)處于單向壓縮，所以正應(yīng)力
2）對點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。
正應(yīng)力由軸力、繞Z軸的彎矩共同引起。
點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，由第三強(qiáng)度理論：
3）對點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。
同理可得：
應(yīng)用第三強(qiáng)度理論：
綜上，曲柄臂滿足強(qiáng)度要求時(shí)必須有：
點(diǎn)：
點(diǎn)：
點(diǎn)：
出于經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)該盡量使截面積最小。
根據(jù)以上分析可以編寫計(jì)算機(jī)程序，取遍h，b所有值，計(jì)算出、的最優(yōu)值。
由附錄中C程序子函數(shù)hb（）可以求出h, b的最優(yōu)值如下。
h=57.38 mm
b=22.95 mm
現(xiàn)在取h=57.38mm，b=22.95mm對曲柄臂強(qiáng)度進(jìn)行校核：
當(dāng)h=57.38mm，b=22.95mm時(shí)，查表3-1，利用插入法得： 1）點(diǎn)：
所以點(diǎn)安全。
2）點(diǎn)：
由第三強(qiáng)度理論
所以點(diǎn)也滿足強(qiáng)度條件。
3）點(diǎn)：
由第三強(qiáng)度理論：
也安全。
所以說，曲柄臂的強(qiáng)度是足夠的。
（四）校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度
由《材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)》附錄得球墨鑄鐵（QT450-5）強(qiáng)度極限。
查《材料力學(xué)》得有效應(yīng)力集中系數(shù)，表面質(zhì)量系數(shù)。
已知，，。
FH 處只受扭轉(zhuǎn)作用。
忽略鍵槽對抗扭截面系數(shù)的影響，H-H截面抗扭截面系數(shù):
曲軸工作時(shí)，在不變扭矩作用下，
曲軸不工作時(shí)，
∴ 故該循環(huán)為脈動循環(huán)。
安全系數(shù)：
所以，H-H截面的疲勞強(qiáng)度是足夠的。
（五）用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角
采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)角。
Ⅰ、求：
1） 在截面A加一單位力偶矩。
由平衡方程得：
B點(diǎn)的彎矩為：
E點(diǎn)的彎矩為：
2） 單位力偶矩作用下的內(nèi)力圖與外載荷作用下的內(nèi)力圖如下（彎矩畫在受壓的一側(cè)）： 單位N·m
當(dāng)h=57.38mm，b=22.95mm時(shí)，查表可得：
桿件的抗扭剛度：
方向與單位力偶相同。
Ⅱ、求：
1)在截面A加一單位力偶矩。
2） 單位力偶矩作用下的內(nèi)力圖與外載荷作用下的內(nèi)力圖如下（彎矩畫在受壓的一側(cè)）：
方向與單位力偶相同。
4、 分析討論及必要說明
在本次設(shè)計(jì)中，做以下幾點(diǎn)說明：
1) 在外力分析時(shí)，在設(shè)定未知力的時(shí)候，由于已知沒有x方向的外力，故未設(shè)。
2) 在畫內(nèi)力圖時(shí)，不計(jì)彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。
3) 在強(qiáng)度計(jì)算方面，由于材料是球墨鑄鐵（QT450-5），其性質(zhì)與塑性材料相近，故用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論。
4) 在校核曲柄臂時(shí)，畫內(nèi)力分布時(shí)，把曲柄臂的危險(xiǎn)截面看成矩形，忽略了圓孔對其的影響。
5) 在疲勞強(qiáng)度校核H-H截面時(shí)，忽略鍵槽對的影響。
五、設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見及措施
1、提高曲軸的彎曲強(qiáng)度
提高彎曲強(qiáng)度的主要措施有：合理安排構(gòu)件的受力情況及設(shè)計(jì)合理的截面，但對于該曲軸只能采用合理安排曲軸的受力情況。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取合理設(shè)計(jì)和布置支座或?qū)⒓休d荷適當(dāng)分散。
2、 提高曲軸的彎曲剛度
提高彎曲剛度的主要措施有：改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值、選擇合理的截面及合理選材等。對于該曲軸可以改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值并且合理選材，選擇合適的材料。
3、 提高曲軸的疲勞強(qiáng)度
1） 減緩應(yīng)力集中。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應(yīng)采用半徑較大的過度圓角
2） 提高構(gòu)件表面強(qiáng)度等。提高曲軸表面的強(qiáng)度可通過兩方面實(shí)現(xiàn),一是從加工入手提高表面加工質(zhì)量。可采用精細(xì)加工，降低表面粗糙度，尤其對高強(qiáng)度鋼更重要；二是增加表層強(qiáng)度，對曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、氮化等或表層用滾壓、噴丸等冷加工辦法。
六、設(shè)計(jì)體會
通過這次的課程設(shè)計(jì)，我對材料力學(xué)有了進(jìn)一步的認(rèn)識：材料力學(xué)的任務(wù)就是在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)，為構(gòu)件確定合理的形狀和尺寸，選擇適宜的材料，為構(gòu)件設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)使我將材料力學(xué)的理論與工程實(shí)際結(jié)合起來，讓我深知理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，初步了解和掌握了工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。
這次課程設(shè)計(jì)鍛煉了自己的實(shí)際動手能力，基本學(xué)會了運(yùn)用所學(xué)材料力學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的能力，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。同時(shí)加強(qiáng)了對上學(xué)期所學(xué)材料力學(xué)知識的理解以及對AutoCAD、C++等軟件的運(yùn)用能力，使相關(guān)學(xué)科思想和知識有機(jī)的聯(lián)系起來。
此外，我深深的體會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工程實(shí)際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多，有很多的知識等待著我去學(xué)習(xí)。只有將理論與實(shí)際結(jié)合起來，才能以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)、最合理的方法解決遇到的難題。
本次設(shè)計(jì)中還有很多不足，希望老師能夠批評指正。
七、參考文獻(xiàn)
1、材料力學(xué)/聶毓琴，孟光偉主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社。
2、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)/聶毓琴、吳宏主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社。
3、C程序設(shè)計(jì)/第四版，譚浩強(qiáng)主編，北京：清華大學(xué)出版社。
附錄
一、程序框圖：
計(jì)算外力及支座反力
確定危險(xiǎn)截面并輸出變量
M1x, M1y, M1z, M2x, M2y
M2z, FN2, M3x, M3y, M3z
由第三強(qiáng)度理論計(jì)算D，d
計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)主應(yīng)力并輸出
計(jì)算n，校核疲勞強(qiáng)度
圖乘法計(jì)算轉(zhuǎn)角
調(diào)子程序進(jìn)行強(qiáng)度校核并計(jì)算轉(zhuǎn)角
定義已知量
輸入原始數(shù)據(jù)
曲柄臂安全
曲柄臂不安全
開始
n>2
調(diào)子程序計(jì)算h,, b
疲勞強(qiáng)度安全
疲勞強(qiáng)度不安全
輸出結(jié)果
結(jié)束
Y
N
Y
N
二、c語言程序
#include
#include
#define PI 3.1415926
double Me,FAy,FAz,FFy,FFz,M1x,M1y,M1z,M2x,M2y,M2z,FN2,M3x,M3y,M3z;
double h,b,S=120e6,S1,S2,S3,E=150e9,u=0.27,r;
double L1,L2,L3;
int D,d;
int main() //主函數(shù)
{
double hb();
double jhqbb();
double jhplqd();
double zhuanjiao();
double P,n,Ft,Fr;
double DD,dd,Sigma3,BB;
printf("enter the data:P,n,r\n");
scanf("%lf,%lf,%lf",&P,&n,&r);
L1=0.11,L2=0.18;
L3=1.2*r;
printf("L1=%lf,L2=%lf,L3=%lf,P=%lf,n=%lf,r=%lf\n",L1,L2,L3,P,n,r);
Me=9549*P/n;
Ft=Me/r;
Fr=Ft/2;
FAy=Fr*L2/(L1+L2);
FAz=Ft*L2/(L1+L2);
FFy=Fr*L1/(L1+L2);
FFz=Ft*L1/(L1+L2);
M1x=Me;M1y=FFz*(L2-L3/2);M1z=FFy*(L2-L3/2);
M2x=Me;M2y=FFz*(L2-L3/2);M2z=FFy*(L2-L3/2);FN2=FFy;
M3x=FAz*r;M3y=FAz*L1;M3z=FAy*L1;
printf("Me=%.2lfN·m,Ft=%.2lfN,Fr=%.2lfN\n",Me,Ft,Fr);
printf("FAy=%.1lfN,FAz=%.1lfN,FFy=%.1lfN,FFz=%.1lfN\n",FAy,FAz,FFy,FFz);
printf("M1x=%.2lfN·m,M1y=%.1lfN·m,M1z=%.1lfN·m\n",M1x,M1y,M1z);
printf("M2x=%.2lfN·m,M2y=%.1lfN·m,M2z=%.1lfN·m,FN2=%.1lfN\n",M2x,M2y,M2z,FN2);
printf("M3x=%.1lfN·m,M3y=%.1lfN·m,M3z=%.1lfN·m\n",M3x,M3y,M3z);
Sigma3=sqrt(M3x*M3x+M3y*M3y+M3z*M3z);
BB=32*Sigma3/(PI*S);
dd=pow(BB,1.0/3.0);
Sigma3=sqrt(M1x*M1x+M1y*M1y+M1z*M1z);
BB=32*Sigma3/(PI*S);
DD=pow(BB,1.0/3.0);
printf("D=%.4lfm,d=%.4lfm\n",DD,dd);
D=(int)(1000*DD);
d=(int)(1000*dd);
if(d%2==0)
d=d+2;
else d=d+1;
if(D%2==0)
D=D+2;
else D=D+1;
printf("故D取%dmm,d取%dmm \n",D,d);
hb(); //調(diào)用求解h，b子函數(shù)
jhqbb(); //調(diào)用校核曲柄臂子函數(shù)
jhplqd(); //調(diào)用校核疲勞強(qiáng)度子函數(shù)
zhuanjiao(); //調(diào)用求轉(zhuǎn)角子函數(shù)
return 0;
}
double hb() //求解h，b子函數(shù)
{
double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3;
double h1,b1;
double a,r;
double s,m=(1.6*D)*(0.4*1.6*D);
for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h+=0.01)
for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b+=0.01)
{ if(h/b>=2.5&&h/b<=3) //查表3-1，利用插入法確定a,r
{a=0.213+0.018*h/b;
r=0.837-0.028*h/b;}
else
{a=0.222+0.015*h/b;
r=0.777-0.008*h/b; }
Z1=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h)+6e9*M2z/(b*b*h);
Z2=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2z/(b*b*h);
Z3=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h);
Q2=1e9*M2y/(b*b*h*a);
Q3=r*Q2;
S1=Z1;
S2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); //應(yīng)用第三強(qiáng)度理論
S3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);
if(S1=2.5&&h/b<=3)
{a=0.213+0.018*h/b;
r=0.837-0.028*h/b;}
else
{a=0.222+0.015*h/b;
r=0.777-0.008*h/b; }
Z1=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h)+6e3*M2z/(b*b*h);
Z2=FN2/(b*h)+6e3*M2z/(b*b*h);
Z3=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h);
Q2=1e3*M2y/(b*b*h*a);
Q3=r*Q2;
printf("Z1=%.2lfMPa,Z2=%.2lfMPa,Z3=%.2lfMPa,Q2=%.2lfMPa,Q3=%.2lfMPa\n",Z1,Z2,Z3,Q2,Q3);
S1=Z1;
S2=(sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2));
S3=(sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3));
printf("S1=%.2lfMPa,",S1);
if((S1-S)/S<0.05)
printf("所以D1點(diǎn)安全\n");
printf("S2=%.2lfMPa，",S2);
if((S2-S)/S<0.05)
printf("所以D2點(diǎn)安全\n");
printf("S3=%.2lfMPa，",S3);
if((S3-S)/S<0.05)
printf("所以D3點(diǎn)安全\n");
if((S1-S)/S<0.05&&(S2-S)/S<0.05&&(S3-S)/S<0.05)
printf("故曲柄臂強(qiáng)度是足夠的\n");
else
printf("曲柄臂強(qiáng)度不符合要求\n");
return 0;
}
double jhplqd() //校核疲勞強(qiáng)度子函數(shù)
{
double Kt=1.29,B=0.9438,Wp,Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt;
double t_1=180e6,Fai=0.05,Et=0.78;
Wp=PI*D*D*D/16e9;
Qmin=(-1e-6)*Me/Wp;
Qmax=0;
Qa=(Qmax-Qmin)/2;
Qm=(Qmax+Qmin)/2;
nt=t_1/(Kt*Qa*1e6/(Et*B)+Fai*Qm*1e6);
printf("Qmin=%.1lfMPa,Qmax=%.1lfMPa,Qa=%.1lfMPa,Qm=%.1lfMPa,nt=%.2lf\n",Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt);
if (nt>2)
printf("H-H截面疲勞強(qiáng)度是足夠的\n");
else
printf("H-H截面疲勞強(qiáng)度不足夠\n");
return 0;
}
double zhuanjiao() //求轉(zhuǎn)角子函數(shù)
{
double _FAz,_FFz,_FAy,_FFy,_Mb,_Me,EI1,EI2,EI3,EA,GIt,B1,ZJy,ZJz,X;
if(h/b>=2.5&&h/b<=3)
{B1=0.179+0.028*h/b;}
else
{B1=0.209+0.018*h/b;}
_FAz=1/(L1+L2);
_FFz=_FAz;
_FAy=_FAz;
_FFy=_FAz;
_Mb=1-_FAz*(L1-L3/2);
_Me=_FFz*(L2-L3/2);
X=(_Mb+_Me)/2;
EI1=E*PI*D*D*D*D*(1e-12)/64;
EI2=E*PI*d*d*d*d*(1e-12)/64;
GIt=E*B1*h*b*b*b*(1e-12)/(2*(1+u));
EI3=E*h*b*b*b*(1e-12)/12;
EA=E*h*b*(1e-6);
printf("EI1=%.2lf,EI2=%.2lf,EI3=%.2lf,GIt=%.2lf，EA=%.2lf\n",EI1,EI2,EI3,GIt,EA);
ZJy=1/EI1*(0.5*(L1-L3/2)*FAz*(L1-L3/2)*((1-_Mb)/3+_Mb)+0.5*(L2-L3/2)*FFz*(L2-L3/2)*2/3*_Me)+1/EI2*(FAz*(L1-L3/2)*L3/2*(_Mb+X)/2+1/2*L3/2*(FAz*L1-FAz*(L1-L3/2))*((_Mb-X)/3+X)+L3/2*FFz*(L2-L3/2)*(X+_Me)/2+0.5*L3/2*(FAz*L1-FFz*(L2-L3/2))*(X-(X-_Me)/3))+1/GIt*(FAz*(L1-L3/2)*r*_Mb+FFz*(L2-L3/2)*r*_Me);
printf("y方向的轉(zhuǎn)角θy=%.6lfrad\n",ZJy);
ZJz=1/EI1*(0.5*(L1-L3/2)*FAy*(L1-L3/2)*((1-_Mb)/3+_Mb)+0.5*(L2-L3/2)*FFy*(L2-L3/2)*2/3*_Me)+1/EI2*(FAy*(L1-L3/2)*L3/2*(_Mb+X)/2+1/2*L3/2*(FAy*L1-FAy*(L1-L3/2))*((_Mb-X)/3+X)+L3/2*FFy*(L2-L3/2)*(X+_Me)/2+0.5*L3/2*(FAy*L1-FFy*(L2-L3/2))*(X-(X-_Me)/3))+1/EI3*(FAy*(L1-L3/2)*r*_Mb+FFy*(L2-L3/2)*r*_Me)+1/EA*(FFy*r*_FFy-FAy*r*_FAy);
printf("z方向的轉(zhuǎn)角θz=%.6lfrad\n",ZJz);
return 0;
}
三、計(jì)算輸出結(jié)果
數(shù)據(jù)15-Ⅰ：
數(shù)據(jù)15-Ⅱ
四、標(biāo)識符
標(biāo)識符對照表
程序中的標(biāo)識符
對應(yīng)說明書中的標(biāo)識符
Me,Ft,Fr,FAy,FAz,FFy,FFz
M1x,M1y,M1z,M2x,M2y,M2z,FN2,M3x,M3y,M3z
L1,L2,L3,S,E,u
h,b,D,d
P,n,r
Kt,B,Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt,t_1,Fai,Et
_FAz,_FFz,_FAy,_FFy,_Mb,_Me,ZJy,ZJz
39
煙臺大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
[摘要]
內(nèi)燃機(jī)市場的激烈競爭，促使產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短；發(fā)動機(jī)朝著增壓、高功率、輕量化械，環(huán)境往往較為惡劣，需要內(nèi)燃機(jī)具有較好的動力性能。這次設(shè)計(jì)是在495柴油機(jī)基礎(chǔ)上加大了活塞的工作行程，將球形燃燒室為W形燃燒室，但由于工作行程的加大，平衡性變差，噪音與震動加大，在設(shè)計(jì)時(shí)對其采取一定的措施。燃燒系統(tǒng)采用直噴型，易啟動，節(jié)能效果明顯，提高經(jīng)濟(jì)性和動力性?；钊鳛榘l(fā)動機(jī)的心臟，是一種技術(shù)含量比較高的零部件。在本次設(shè)計(jì)中慮到495柴油機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的中小型機(jī)。通過參數(shù)及工藝性能的控制可使燃油消耗率保持在245g/kW.h以內(nèi)。
主要任務(wù)是設(shè)計(jì)495柴油機(jī)的活塞連桿組，首先根據(jù)柴油機(jī)的性能指標(biāo)對柴油機(jī)主要的性能參數(shù)進(jìn)行了選擇。然后在參照495柴油機(jī)的活塞連桿組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在闡述活塞連桿組設(shè)計(jì)過程的同時(shí)也對主要零部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了總結(jié)。重點(diǎn)論述了495柴油機(jī)活塞連桿組的設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；活塞；連桿
Abstract
The great competition of diesel engine market has shorten the product development time; with the development of turbo, high power and light engine, the researchers have paid more attentions on the structure than the past. In this design, considering the 387 diesel engines are mainly applied in small and medium-sized machinery, agricultural production environment is bad, need often has better performance for internal machinery products provide enough power. The Diesel 495 which designed this time is on the basis of the old Diesel 495 and increasing the piston stroke, with its power performance and economical efficiency enhanced. However, because of the work itinerary increased, its balance became worse, noise and vibration also increased. So in this design, I have to take some certain measures. Combustion Chamber using injection type, easy to start, energy saving effect, and can make the efficiency and performance improved greatly. Through the parameters and process performance control can make fuel consumption in 245g/kW.
This paper discusses the design requirements and characteristics of the
cylinder important parts。My main task is to design 495engine parts of piston group. On the first, according to the diesels performance target, I should to choose the main performance mark of the diesel. Then in the light of the design of 495 diesel parts of piston group to design the structure. When explained the process of the parts of piston group design, I also summarized the main parts. This thesis focused on expounding the foundation and process of the 495 diesel engine parts of piston group design.
Key words：diesel engine； the piston；the connecting rod
52
目錄
第一章 緒論 3
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)活塞連桿組的意義 5
第二節(jié) 國內(nèi)外的發(fā)展趨勢 5
第三節(jié) 研究的內(nèi)容 6
第二章 內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡介 7
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu) 7
第二節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的工作原理 8
一、進(jìn)氣過程 10
二、壓縮過程 10
三、燃燒過程 11
四、膨脹過程 12
五、排氣過程 13
第三章活塞組的設(shè)計(jì) 13
第一節(jié) 活塞設(shè)計(jì)的外界因素及影響 14
一、活塞的功用及工作條件 14
二、活塞組的影響 14
三、活塞的工作條件 14
四、設(shè)計(jì)要求 15
五、活塞的材料 15
第二節(jié) 活塞的結(jié)構(gòu) 15
一、活塞頭部的設(shè)計(jì) 15
二、活塞頂和環(huán)帶斷面 17
三、活塞裙部的設(shè)計(jì) 19
四、裙部與缸套的配合間隙 20
第四章 活塞銷的設(shè)計(jì)及活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇 20
第一節(jié) 結(jié)構(gòu)和尺寸 21
第二節(jié) 活塞銷的固定方式 21
第三節(jié) 活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇 22
第五章 活塞的受力 24
第一節(jié) 活塞的校核 24
第二節(jié) 活塞銷的受力與校核 25
第三節(jié) 活塞環(huán)的校核 27
第六章 連桿組零件及襯套的設(shè)計(jì) 28
第一節(jié) 連桿的材料 29
第二節(jié) 連桿長度的確定 29
第三節(jié) 連桿小頭的設(shè)計(jì) 29
一、小頭結(jié)構(gòu)形式 29
二、小頭尺寸 30
三、連桿襯套 30
第四節(jié) 連桿桿身的設(shè)計(jì) 30
第五節(jié) 連桿大頭的設(shè)計(jì) 31
一、連桿大頭的剖分形式 31
二、連桿大頭的定位方式 31
三、連桿大頭的主要尺寸 32
第六節(jié) 連桿組的重量及慣性力 32
第七章 連桿的受力分析和校核 32
第一節(jié) 連桿小頭 33
第二節(jié) 連桿大頭 36
第三節(jié) 連桿桿身 36
第八章 曲軸的設(shè)計(jì) 37
第一節(jié) 曲軸的受力分析 39
第二節(jié) 曲軸頸直徑d和主軸頸D 41
第三節(jié) 校核曲柄臂的強(qiáng)度 42
所以說，曲柄臂的強(qiáng)度是足夠的。 45
結(jié)論 46
致謝 47
參考文獻(xiàn) 48
附錄1 49
附錄2 50
第一章 緒論
內(nèi)燃機(jī)的不斷改進(jìn)，是建立在主要零部件性能與壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上的，隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率與轉(zhuǎn)速的增加，對零部件的要求不斷提高。直噴、渦流式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境很惡劣，活塞的結(jié)構(gòu)影響活塞的溫度分布與熱應(yīng)力分布，所以有必要對活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測與改進(jìn)，連桿的承載能力也是研究的方向。
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)活塞連桿組的意義
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明帶動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給世人在距離上帶來極大的便利，使人與人之間的距離縮短。 活塞是發(fā)動機(jī)的心臟，為內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動力，汽車的動力、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性，是建立在活塞的改進(jìn)上，活塞燃燒室的不同促使燃料的燃燒率不同，工作的行程不同使內(nèi)燃機(jī)的功率也就不同。發(fā)動機(jī)就是一個能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，是將柴油或天然氣的熱能，通過在密封氣缸內(nèi)燃燒氣體膨脹時(shí)，推動活塞作功，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。發(fā)動機(jī)所有結(jié)構(gòu)都是為能量轉(zhuǎn)換服務(wù)的，活塞是啟動系統(tǒng)，連桿是推動系統(tǒng)的一部分，所以說活塞連桿是內(nèi)燃機(jī)的重要部件，活塞伴隨著發(fā)動機(jī)走過了100多年，在設(shè)計(jì)、制造、工藝還是在性能、控制都有很大的提高，但其基本原理仍然沒有改變，在這個創(chuàng)新的年代，發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)者們，不斷地將最新科技與發(fā)動機(jī)融為一體，把發(fā)動機(jī)變成一個復(fù)雜的機(jī)電一體化器件，然而活塞連桿性能達(dá)到近乎完善的程度，在世界著名發(fā)動機(jī)廠家將活塞的性能與潔凈的作為競爭亮點(diǎn)，現(xiàn)在的發(fā)動機(jī)不僅注重汽車動力的體現(xiàn)，而且注重能源消耗、尾氣排放等與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的方面。在快速發(fā)展的社會里，也能是人們呼吸較為新鮮的空氣。
第二節(jié) 國內(nèi)外的發(fā)展趨勢
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平取決于其零部件的發(fā)展水平，而內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平是由生產(chǎn)制造技術(shù)等因素來決定的。也就是說，內(nèi)燃機(jī)的零部件的制造技術(shù)水平，對主機(jī)的性能、壽命及可靠性有決定性的影響。進(jìn)入21世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會異常迅猛，新設(shè)備的研制周期將越來越短，因此新世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)必將形成迅速發(fā)展的局面。
活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的零件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變的載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，不同的行業(yè)對內(nèi)燃機(jī)的活塞連桿組要求不同，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個突出問題?；钊兔婧突钊N座的改變、活塞頂部的增厚、活塞高度的縮短等，正逐漸向“矮胖”方向發(fā)展，為了提高剛性，發(fā)動機(jī)的整個高度在縮短變“矮”主要措施是縮短活塞裙部和減少環(huán)槽數(shù)，后者可使壓縮高度減小發(fā)動機(jī)本身在不斷強(qiáng)化，所以活塞的性能必須相應(yīng)增強(qiáng)變“胖” 主要是指各部分的壁厚都在不斷增加，過渡圓角處的r也在增大因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，活塞必須減輕重量，以減小慣性力盡管壁厚在增大，活塞的整個重量卻在不斷減輕，整個活塞高度縮短所引起的重量將大于因壁厚增加引起的增重。由于活塞結(jié)構(gòu)變“矮胖”，使活塞的表面積對于整個體積來說比例縮小了，所以不利于活塞的散熱。為保證活塞不被燒熔和正常潤滑，除了在設(shè)計(jì)方面必須采取一些措施外，以減輕其熱負(fù)荷；活塞在制造方面也必須有所改變和提高，如活塞的材料、鑄造和機(jī)加工，以滿足其對熱負(fù)荷的要求。另外，還通過對活塞進(jìn)行一些表面處理來提高儲油性，改善潤滑條件。
連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動形式多樣，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動、擺動、移動和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動規(guī)律和已知軌跡。低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機(jī)構(gòu)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動副單位面積所受壓力較小，面接觸便于潤滑，故磨損減??；制造方便，易獲得較高的精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來保持接觸。平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)往往較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中作復(fù)雜運(yùn)動和作往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動和動載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場合。
隨著連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)有關(guān)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)精度有了較大的提高，而且在滿足運(yùn)動學(xué)要求的同時(shí)，還可考慮到動力學(xué)特性。特別是微電子技術(shù)及自動控制技術(shù)的引入，多自由度連桿機(jī)構(gòu)的采用，使連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)大為簡化，使用范圍也更為廣泛。
第三節(jié) 研究的內(nèi)容
這次研究的內(nèi)容是：先分析內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)與原理其目的是為表明活塞工作的環(huán)境及所受到的力，再次在495柴油機(jī)基礎(chǔ)上加大了活塞的工作行程，改球形燃燒室為W形燃燒室，使其動力性與經(jīng)濟(jì)性都有所提高。由于工作行程的加大，平衡性變差，噪音與震動加大，在設(shè)計(jì)時(shí)對其采取一定的措施。燃燒系統(tǒng)采用直噴型。符合當(dāng)今低速汽車對轉(zhuǎn)速及功率的需求方向的迅速發(fā)展，又使研究員更加注重發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)?；钊鳛榘l(fā)動機(jī)的心臟，是一種技術(shù)含量比較高的零部件。在本次設(shè)計(jì)中慮到495柴油機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的中小型機(jī)。通過參數(shù)及工藝性能的控制可使燃油消耗率保持在245g/kW.h以內(nèi)。本文著重討論了活塞連桿組部位的設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)。主要任務(wù)是設(shè)計(jì)495柴油機(jī)的活塞連桿組，首先根據(jù)柴油機(jī)的性能指標(biāo)對柴油機(jī)主要的性能參數(shù)進(jìn)行了選擇。然后在參照495柴油機(jī)的活塞連桿組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在闡述活塞連桿組設(shè)計(jì)過程的同時(shí)也對主要零部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了總結(jié)，本說明書中重點(diǎn)論述了495柴油機(jī)活塞連桿組的設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)過程。
第二章 內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡介
發(fā)動機(jī)是將某種形式的能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。是將液體或氣體的化學(xué)能通過燃燒后轉(zhuǎn)化為熱能，再把熱能通過膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并對外輸出動力?，F(xiàn)如今許多動力機(jī)構(gòu)的動力來自發(fā)動機(jī)。
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)
內(nèi)燃機(jī)是由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的機(jī)器。汽油機(jī)還是柴油機(jī)；四行程還是二行程發(fā)動機(jī)；單缸還是多缸發(fā)動機(jī)。要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，保證長時(shí)間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。
曲柄連桿機(jī)構(gòu)：曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)完成能量轉(zhuǎn)換的主要零件。它由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功時(shí)，活塞承受燃?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作直線運(yùn)動，通過連桿轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并從曲軸對外輸出動力。而在進(jìn)氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成活塞的直線運(yùn)動。
配氣機(jī)構(gòu)：配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作順序和工作過程，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使可空氣進(jìn)入氣缸適時(shí)時(shí)噴油，充分燃燒后使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。配氣機(jī)構(gòu)大多采用頂置氣門式配氣機(jī)構(gòu)，一般由氣門組、氣門傳動組和氣門驅(qū)動組組成。
燃料供給系統(tǒng)：汽油機(jī)燃料供給系的功用是根據(jù)發(fā)動機(jī)的要求，配制出一定數(shù)量和濃度的混合氣，噴進(jìn)氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內(nèi)排出到大氣中；柴油機(jī)燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別噴入、排進(jìn)氣缸，在燃燒室內(nèi)形成混合氣體并燃燒，最后將燃燒后的氣體排出。
潤滑系統(tǒng)：潤滑系的功用是向作相對運(yùn)動的零件表面輸送定量的潤滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨損。潤滑系通常由潤滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和一些閥門等組成。
冷卻系統(tǒng)：冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動機(jī)的冷卻系通常由冷卻油、水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組成。
點(diǎn)火系統(tǒng)：氣缸內(nèi)的可燃混合氣是靠電火花點(diǎn)燃的，因此在汽油機(jī)的氣缸蓋上裝有噴油器，噴油器頭部伸入燃燒室內(nèi)。能夠按時(shí)在噴油器電極間產(chǎn)生電火花的全部設(shè)備稱為點(diǎn)火系，點(diǎn)火系通常由蓄電池、發(fā)電機(jī)、分電器、點(diǎn)火線圈等組成
起動系統(tǒng)：要使發(fā)動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)的曲軸，使活塞作往復(fù)運(yùn)動，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動活塞向下運(yùn)動使曲軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機(jī)才運(yùn)轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才自動進(jìn)行。
活塞是曲軸機(jī)構(gòu)的重要零件，氣體受熱膨脹推動活塞上下循環(huán)的運(yùn)動，活塞與連桿連接，所以活塞的上下運(yùn)動帶動連桿上下運(yùn)動，在其他機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)的相互配合下完成內(nèi)燃機(jī)的做功。
第二節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的工作原理
柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是按進(jìn)氣過程、壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程的順序循環(huán)反復(fù)的。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min左右，額定功率約27kW，符合當(dāng)今低速汽車對轉(zhuǎn)速及功率的需求方向的迅速發(fā)展，又使研究員更加注重發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
根據(jù)實(shí)習(xí)地生產(chǎn)的柴油內(nèi)燃機(jī)型號簡述內(nèi)燃機(jī)的工作原理。
配置形式
單缸
排量
2.716cc
缸徑×行程
98mm×90mm
功率（kw/r/min)
27/3000
最大扭矩
14.4/2400
燃油消耗率（g/(kw.h)）
300
平均有效壓力（kpa)
498
凈質(zhì)量（kg)
37
比質(zhì)量（kg/kw)
8.54
進(jìn)氣方式
增壓/中冷
汽缸體
鑄鐵
汽缸蓋
整體式鋁缸蓋
排放裝置
催化轉(zhuǎn)換器排氣再循環(huán)裝置
冷卻方式
水冷、油冷
燃油噴射系統(tǒng)
電控共軌
氣門機(jī)構(gòu)
雙頂置凸輪軸、４氣門、氣缸
表2.1原機(jī)型有關(guān)參數(shù)
發(fā)動機(jī)參數(shù)確定:氣缸容積：V=2.7L
缸數(shù)：n=1
沖程數(shù)：=4
行程缸徑比：S/D=1.45
由公式：V=/4
得行程：S=138mm
缸徑：D=95mm
曲柄半徑：R=S/2=69mm
連桿長度：L=R/=69/0.3230mm
表2.1實(shí)際工作循環(huán)計(jì)算選取參數(shù)表格
柴油燃料成分
C=0.870 H=0.126 O=0.004
柴油低發(fā)熱值
=42860KJ/kg
行程缸徑比
S/D=1.45
外界壓力
=0.1MPa
外界溫度
=300K
壓縮比
=17.5
壓縮始點(diǎn)溫度
=320
空氣進(jìn)入氣缸的溫度升高
=6K
充氣系數(shù)
=0.9
燃燒過量空氣系數(shù)
a=1.7
增壓器增壓比
=2.5
壓力升高比
1=1.5
示功圖豐滿系數(shù)
=0.98
平均壓縮多變指數(shù)
=1.36
平均膨脹多變指數(shù)
=1.2
機(jī)械效率
=0.9
殘余廢氣系數(shù)
=0.04
一、進(jìn)氣過程
從進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉，內(nèi)燃機(jī)吸入新鮮充量的整個過程稱為進(jìn)氣過程。為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸入上止點(diǎn)前要提前開啟，在吸氣下止點(diǎn)后應(yīng)推遲關(guān)閉。進(jìn)氣門提前開啟的角度稱為進(jìn)氣提前角。進(jìn)氣時(shí)進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動。盡管進(jìn)氣門提前開啟，新鮮充量的真正吸入還是要等到氣缸中的殘余廢氣膨脹，壓力降至低于進(jìn)氣壓力后才開啟，然后新鮮空氣才能吸入氣缸，由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力一般小于環(huán)境壓力，用來克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)受到發(fā)動機(jī)高溫零件及殘余廢氣的加熱，進(jìn)氣終點(diǎn)溫度總是高于大氣溫度。進(jìn)氣過程中進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力0～0.095Mpa和溫度的范范圍為0.08圍300~430K增壓壓力： =1.8×0.1=0.18Mpa
增壓器出口溫度：==300×（0.18/0.1）×（1.4-1）/1.4=355K
進(jìn)氣箱壓力： ==0.18-0.02=0.16Mpa
進(jìn)氣箱溫度： =355-40=315K
進(jìn)氣終點(diǎn)壓力：1.1×0.16=0.176Mpa
進(jìn)氣終點(diǎn)溫度：
充量系數(shù)：
二、壓縮過程
活塞從下止點(diǎn)向上運(yùn)動，這時(shí)，進(jìn)氣門和排氣門均關(guān)閉，吸入氣缸內(nèi)的空氣受到活塞的壓縮，壓力提高，溫度也隨之升高。工作時(shí)壓縮的程度用壓縮比表示。壓縮過程的作用是增大做工過程的溫差獲得最大限度地膨脹比，提高熱工轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也為燃燒過程創(chuàng)造條件。在柴油機(jī)中，壓縮后氣體的高溫還是保證燃燒著火的必要條件。
工程熱力學(xué)中，滿足方程為常數(shù)的過程統(tǒng)稱為多變過程，發(fā)動機(jī)的壓縮過程實(shí)際上是一個復(fù)雜的多變過程。壓縮開始時(shí)，新鮮空氣的溫度較低受氣缸壁加熱，>K，隨著工作溫度升高，某一時(shí)刻與氣缸壁溫度相同，=K，此后，由于工作溫度高于氣缸壁溫度，向缸壁傳熱k。不過，如同壓縮過程，為了簡便起見，在計(jì)算中用一個不變的平均膨脹多變指數(shù)代替，只要以這個指數(shù)計(jì)算的多變過程，其起點(diǎn)和終點(diǎn)的狀態(tài)與實(shí)際膨脹過程始、終狀態(tài)相似。 柴油機(jī)的范圍為1.15～1.28。 取=1.2
后膨脹比：==27.5÷1.44=12.15
膨脹終點(diǎn)的壓力和溫度可用下式計(jì)算：
==12.95÷=0.647Mpa
k
式中：是膨脹終點(diǎn)的壓力（Mpa);
是最高爆發(fā)壓力（Mpa)；
是膨脹終點(diǎn)的溫度（K);
是最高爆發(fā)壓力是對應(yīng)點(diǎn)的溫度（K);
是平均膨脹多變指數(shù)。
五、排氣過程
當(dāng)膨脹過程接近終了時(shí)，排氣門打開，廢氣開始靠自身壓力自由排氣，膨脹過程結(jié)束時(shí)，活塞由下止點(diǎn)返回上止點(diǎn)移動，將氣缸內(nèi)的廢氣排出。由于排氣系統(tǒng)有阻力，排氣終了的壓力大于環(huán)境壓力，壓力差-用來克服排氣系統(tǒng)的阻力。排氣系統(tǒng)阻力越大，排氣終了的壓力越大，殘留在氣缸里的廢氣就越多。排氣終了的壓力(Mpa)范圍為0.103～0.108，溫度（K）范圍為700～900
排氣終了壓力：=0.105Mpa
排氣終了溫度：=800K
四沖程柴油機(jī)的循環(huán)過程因壓力、溫度的不斷變化直接影響到活塞的功能與壽命，因此要對活塞組連桿進(jìn)行分析確定。當(dāng)柴油機(jī)完成排氣行程后，在曲軸飛輪總成的慣性力作用下，又重復(fù)上述工作循環(huán)過程，使柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)對外輸出功率
第三章活塞組的設(shè)計(jì)
發(fā)動機(jī)鋁活塞的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)，選擇利用合適的機(jī)床加工發(fā)動機(jī)活塞，通過這次設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過程。
第一節(jié) 活塞設(shè)計(jì)的外界因素及影響
一、活塞的功用及工作條件
活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件，功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉(zhuǎn)對外作功。活塞又是燃燒室的組成部分，是內(nèi)燃機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件，作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時(shí)作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時(shí)側(cè)壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側(cè)部磨損等。由此可見，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。
活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，活塞各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫必然會引起活塞材料的強(qiáng)度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。另外，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象。所以要求活塞應(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止過大的熱變形?；钊\(yùn)動速度和工作溫度高，潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。
二、活塞組的影響
隨著發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性的要求越來越嚴(yán)格，活塞已發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料、異型外圓復(fù)合型面、異型銷孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品，以保證活塞的耐熱性、耐磨性、平穩(wěn)的導(dǎo)向性和良好的密封功能，減少發(fā)動機(jī)的摩擦功損失，降低油耗、噪聲和排放。通常將活塞的外圓設(shè)計(jì)成異型外圓(中凸變橢圓)，即垂直于活塞軸線的橫剖面為橢圓或修正橢圓，且橢圓度沿軸線方向按一定的規(guī)律變化，橢圓度精度達(dá)0.005mm；活塞縱剖面的外輪廓為高次函數(shù)的擬合曲線，輪廓精度為0.005～0.01mm；為提高活塞的承載能力，以提高發(fā)動機(jī)的升功率，通常將高負(fù)荷活塞的銷孔設(shè)計(jì)成微內(nèi)錐型或正應(yīng)力曲面型(異型銷孔),銷孔尺寸精度達(dá)IT4級，輪廓精度為0.003mm。
活塞作為典型的內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件，在切削加工方面具有很強(qiáng)的工藝特點(diǎn)。國內(nèi)活塞制造行業(yè)通常是由通用機(jī)床和結(jié)合活塞工藝特點(diǎn)的專用設(shè)備組成機(jī)加工生產(chǎn)線，因此，用設(shè)備就成為活塞切削加工的關(guān)鍵設(shè)備，其功能和精度將直接影響最終產(chǎn)品的關(guān)鍵特性的質(zhì)量指標(biāo)。
三、活塞的工作條件
（1）高溫—導(dǎo)致熱負(fù)荷大：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)2000～2500℃，因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?，溫度分布不均勻有很大的熱?yīng)力。
（2）高壓—沖擊性的高機(jī)械負(fù)荷：高壓包括兩面性?活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，氣壓力（Mpa)一般在膨脹沖程開始的上止點(diǎn)后～達(dá)到最大；?活塞組在氣缸力作高速往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。
（3)高速滑動：內(nèi)燃機(jī)在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向力是比較大的，特別是在短連桿內(nèi)燃機(jī)中。
(4)交變的側(cè)壓力：活塞上下行程時(shí)活塞要改變壓力面，側(cè)向力方向不斷改變，造成了活塞在工作時(shí)承受交變的側(cè)向載荷。
四、設(shè)計(jì)要求
（1）選用強(qiáng)度好、散熱性好，膨脹系數(shù)小、耐磨；（2）形狀和壁厚合理，吸熱好、散熱好，剛度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中，與缸套有最佳的配合間隙；（3）密封性好、摩擦損失?。唬?）重量輕、質(zhì)量小，盡量減小往復(fù)慣性力。
五、活塞的材料
對活塞設(shè)計(jì)根據(jù)上述的要求，活塞材料應(yīng)滿足下列要求：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；導(dǎo)熱性好、吸熱性差。以降低頂部與環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力；使活塞與氣缸間保持較小間隙；以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而減低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重；有良好的耐磨性，耐磨、耐蝕；公益性好低廉。
在發(fā)動機(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、成本高、工藝性好等原因，曾廣泛的被作為活塞的材料。但近幾年來，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因比重大和導(dǎo)熱差兩個根本缺點(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，約占有灰鑄鐵的1/3，結(jié)構(gòu)重量約占灰鑄鐵活塞的50～70％，其慣性小這對高速發(fā)動機(jī)具有重大意義。鋁合金另一優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約占灰鑄鐵的3～4倍，使活塞溫度顯著下降。采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。
第二節(jié) 活塞的結(jié)構(gòu)
整個活塞主要可以分為活塞頂、活塞頭和活塞裙3個部分。
活塞的主要作用是承受汽缸中的燃燒壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與汽缸蓋、汽缸壁共同組成燃燒室。活塞頂是燃燒室的組成部分，因而常制成不同的形狀.汽油機(jī)活塞頂多采用平頂或凹頂，以便使燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，制造工藝簡單。凸頂活塞常用于二行程汽油機(jī)。柴油機(jī)的活塞頂常制成各種凹坑。
一、活塞頭部的設(shè)計(jì)
由活塞頂至最下面一道活塞環(huán)槽之間的部分稱為活塞頭。作用是承受氣體壓力，防止漏氣.將熱量通過活塞環(huán)傳給汽缸壁?；钊^切有若干環(huán)槽，用以安置活塞環(huán)。上面的1、2道槽用來安置氣環(huán)，下面的3道槽用來安裝油環(huán)。油環(huán)槽的底部鉆有若干小孔，可使油環(huán)從汽缸壁刮下的多余潤滑油經(jīng)此小孔流回油底殼。
（一） 壓縮高度的確定
活塞壓縮高度的選取直接影響發(fā)動機(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個重要原則，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)槽的高度及銷空的直徑。1、第一環(huán)位置
根據(jù)活塞環(huán)的位置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂的火力岸高度。為減小,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。因此火力岸高度選擇的原則是：在滿足第一槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般柴油機(jī)=（0.15～0.25)D,D為活塞直徑，該發(fā)動機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑D=95，確定火力岸高度為：
=0.15D=0.15×95=15mm
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b太小，會致環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高b=2～3mm,油環(huán)高b=4～6mm。
該發(fā)動機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。
?。?2.5mm ， =2.75mm ， =5mm 。
環(huán)岸高度c，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會被破壞。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，其他較小。實(shí)際發(fā)動機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明:=(1.5～2.5)，=(1～2),柴油機(jī)接近下限。
則 =2=2×2.5=5mm
=1.5=1.5×2.5=3.75mm 。
因此，環(huán)帶高度
=++ + +=2.5+5+2.75+3.75+5=19mm 。
3、上裙尺寸
確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，壓縮高度最后決定與活塞銷軸線到最低環(huán)槽的距離，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)度不致因開槽而消弱，同時(shí)也不致因銷座處材料分布不均勻引起變形，影響油環(huán)工作。
綜上所述，可以確定油環(huán)的壓縮高度。對于柴油機(jī)=（0.6～0.8）D ，
所以， =0.74D=0.74×95=70mm則 ：
=-- =70-15-19=31mm 。
二、活塞頂和環(huán)帶斷面
（一）活塞頂
活塞頂部承受氣體壓力，是燃燒室的組成部分，其形狀、位置、大小、都和燃燒室的具體形式有關(guān)，都是為滿足可燃混合氣體形成和燃燒的要求，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)的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。非直接噴射式的柴油機(jī)正是采用平頂活塞，而這次設(shè)計(jì)的是凹頂活塞。
中小型的柴油機(jī)活塞頂?shù)暮穸仁歉鶕?jù)結(jié)構(gòu)考慮決定的，主要從活塞向外傳熱條件和活塞的剛度出發(fā)，一般強(qiáng)度是足夠的，通常并不對鋁活塞頂部進(jìn)行強(qiáng)度校核。實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，柴油機(jī)為=（0.1~0.2)D，即=（0.16×95）=15mm，活塞頂接近的熱量，主要經(jīng)過活塞環(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)活塞本身傳到活塞比的熱量占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r應(yīng)足夠大（一般取r=(0.05～0.1)D，取0.053D為r=5mm）。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。為了減少積炭和受熱，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個別情況下甚至拋光。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。
W燃燒室的尺寸是根據(jù)活塞的受力情況在球型的基礎(chǔ)上進(jìn)行確定的如下圖
圖3.1燃燒室尺寸
（二）環(huán)帶斷面
為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚'使導(dǎo)熱良好，不讓熱量多地集中在最高一環(huán)，其平均值為=(2～3) 。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。槽底圓角一般為0.2～0.5mm。活塞環(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇?，否則當(dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過熱的原因，但倒角過大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為(0.2～0.5)×。
（三）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。
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D則更大些，如圖3.1所示。
圖3.3第一環(huán)岸的受力情況 圖3.2 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu)
（四）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p1比下面壓力p2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)，p1=0.9，p2=0.2，如圖2.2所示。
已知=5.5MPa，則：p1=0.9×5.5=4.95MPa，
p2=0.2×5.5=1.1MPa，
環(huán)岸是一個厚c1、內(nèi)外圓直徑分別為D'、D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：
D=0.95D=0.95×95=90mm，
環(huán)槽深: =0.052D=0.052×95=5mm
于是作用在岸根的彎矩為：
0.0026 (2.1)
而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于：
=0.47×25×95=1175
所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力：
（2.2）
= =0.0055×5.5×(95×95)÷(3.75×3.75)=21.5 N/mm
同理得剪切應(yīng)力為：
t= （2.3）
接合成應(yīng)力公式為：
= 23.44 N/mm （2.4）
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[]=30～40N/,s?=[]，校核合格。
三、活塞裙部的設(shè)計(jì)
活塞裙部是指活塞頭部最低一個環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊貧飧淄鶑?fù)運(yùn)動時(shí)，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受由于連桿擺動所產(chǎn)生的側(cè)壓力N。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。解決這個問題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少從活塞頭部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最小；活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小等相適應(yīng)。
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：。
式中D、d分別為橢圓的長、短軸。
小型高速柴油機(jī)的鋁活塞，在=45o處的半徑收縮量：e=0.045～0.06mm
(一）裙部的尺寸
活塞裙部是側(cè)壓力N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q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。
(二）裙部壁厚bo
鋁活塞(包括鋼頂鋁裙的組合活塞)裙部最小壁厚一般為(0.03～0.06)D。薄壁裙部對減輕活塞重量有利，但又需保證裙部有足夠的剛性，則可沒置加強(qiáng)筋計(jì)算。
(三）銷孔的位置
一般取銷孔高度H5=-=70-26=44mm，這是決定活塞銷孔縱向位置的一個條件?？紤]到磨損，對柴油機(jī)而言，銷孔通常是偏向次推力面一側(cè)布置的。偏心量為1mm。
四、裙部與缸套的配合間隙
裙部受力和變形分析，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，一般只是在兩個銷孔之間的弧形表面，裙部被壓扁。其次，由于活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力聯(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。再次，由于溫度升高引起的熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其他部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。這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，使得裙部截面的形狀變成“橢圓”形，使得在橢圓形長軸方向上的兩個端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。這種現(xiàn)象尤其是受熱膨脹影響比較大。為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部和缸套之間要預(yù)先留出較大的間隙。當(dāng)然如果間隙太大，又會造成敲缸現(xiàn)象。
第四章 活塞銷的設(shè)計(jì)及活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇
活塞銷承受氣體壓力和活塞組慣性力的作用，這些力的大小和方向，在發(fā)動機(jī)工作時(shí)是隨曲軸轉(zhuǎn)角做周期性變化的。這種承載情況易使活塞銷產(chǎn)生疲勞破壞。在設(shè)計(jì)活塞銷時(shí)應(yīng)使銷具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)還要有較高的疲勞強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)是高速柴油機(jī)，所以活塞銷的質(zhì)量要盡量輕，以減小往復(fù)運(yùn)動慣性力?；钊N直徑d和銷座間隔B，d和B的選擇主要是考慮活塞銷座的承載壓力及活塞銷的剛度間題，應(yīng)滿足下列要求:
1）選擇d 和B時(shí)應(yīng)驗(yàn)算銷座比壓和連桿小頭軸承比壓，使這兩項(xiàng)平均比壓均在允許范圍之內(nèi)。
2）校檢活塞銷的彎曲變形和橢圓變形，d的選取應(yīng)保證活塞銷的變形在許可范圍內(nèi)。
3）d的一般范圍中小型高速柴油機(jī)，一般d/D<0.4d，若d/D太大，則使活塞銷外表面至活塞頂內(nèi)表面的距離（即所謂延伸長度）過小，給活塞連桿組設(shè)計(jì)帶來困難。強(qiáng)化柴油機(jī)趨向于用較大的活塞直徑，d≥0.4d。
第一節(jié) 結(jié)構(gòu)和尺寸
圖4.1 活塞銷主要尺寸
活塞銷的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，材料選用20Cr。對于柴油機(jī)活塞銷的尺寸一般為：
外徑d1=（0.31～0.40）D ， 取d1=0.31D 即d1=30mm ，根據(jù)對活塞銷尺寸公差的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取銷子的外徑為。
內(nèi)徑：d2=（0.45～0.65）d1 ，取d2=0.6d1=18。
長度： L=（0.8～0.9）D， 取L=0.85D=80。
第二節(jié) 活塞銷的固定方式
本設(shè)計(jì)的活塞銷用浮式銷，即銷在活塞銷座和連桿小頭中都可轉(zhuǎn)動。浮式銷的工作表面相對滑動速度較小，摩擦產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)減小，磨損較小且均勻，延長了銷的壽命。浮式銷在運(yùn)轉(zhuǎn)中不易被卡住，裝配時(shí)不需要加熱就可以用手推入活塞的銷孔內(nèi)。從而簡化了裝配工藝。為了防止浮式銷的軸向竄動，用彈性擋圈來進(jìn)行軸向固定。擋圈采用矩形截面的，因?yàn)樗膹?qiáng)度高。
圖4.2 第一道氣環(huán)的截面形狀
第一道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu),為提高第一氣環(huán)在高溫時(shí)的抗結(jié)膠能力，第一環(huán)采用桶面梯形環(huán)，梯形頂角為,如圖4.2所示。這樣設(shè)計(jì)有兩個好處。一是因?yàn)樗翘菪蔚模援?dāng)活塞在側(cè)壓力的交替作用下，梯形環(huán)在環(huán)槽內(nèi)徑移動，使環(huán)的側(cè)隙時(shí)大時(shí)小，將環(huán)槽中的結(jié)膠擠出。這樣可以防止在熱負(fù)荷很高時(shí)，第一環(huán)粘結(jié)使環(huán)與缸壁接觸壓力徒增造成拉缸，或者造成竄氣竄油。二是因?yàn)槭峭懊娴?，這樣可保證良好的潤滑，避免棱緣負(fù)荷，密封性和磨合性也好。但梯形環(huán)也有壞處，那就是磨損后高速運(yùn)動中的環(huán)易產(chǎn)生環(huán)振，為此選擇耐振性好的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵有較高的抗彎強(qiáng)度，一般在1300MPa以上，工作時(shí)不易折斷。而且有較高的彈力和較好的熱穩(wěn)定性，這樣的優(yōu)點(diǎn)正好符合活塞環(huán)設(shè)計(jì)所要求的。為了使第一道環(huán)在高溫時(shí)有較高的抗粘著性能，在環(huán)的外表面鍍Cr。
圖4.3 第二道氣環(huán)的截面形狀
第二道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu),第二道氣環(huán)采用錐面環(huán)，外表面錐角是1°±30’，這樣形狀的環(huán)常用作第一道環(huán)以下的活塞環(huán)。其結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。它可以提高表面接觸應(yīng)力，易于磨合，活塞上行易于在氣缸壁上形成油膜，下行刮油作用良好。它兼有氣環(huán)和油環(huán)的作用。而且由于它的接觸面小，所以可以提高與氣缸壁的接觸應(yīng)力，有利于密封和磨合。此道環(huán)用灰鑄鐵制成，表面全部氧化。
油環(huán)的材料和形式采用灰鑄鐵的彈簧脹圈油環(huán)，其內(nèi)襯螺旋彈簧材質(zhì)為彈簧鋼。這種油環(huán)是在開槽油環(huán)背后加置彈簧脹圈，從而環(huán)的徑向壓力Po(一般Po>8kgf/cm2)，保證油環(huán)與氣缸壁均勻而穩(wěn)定的貼合，能減小磨損和降低機(jī)油消耗量。同時(shí)在環(huán)的工作表面鍍Cr,提高它的耐磨性和抗腐蝕性。
第三節(jié) 活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇
活塞環(huán)的主要參數(shù)包括軸向高度h，徑向厚度t，自由開口間隙s，閉口間隙0s。軸向高度h的選擇可參考經(jīng)驗(yàn)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來選擇，潤滑條件越好，轉(zhuǎn)速越高則h值選的小點(diǎn)。采用薄環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)是：減低活塞高度和重量；減少摩擦損失和環(huán)對環(huán)槽的沖擊；對氣缸不均勻磨損的適應(yīng)性好。同時(shí)它也有自己的缺點(diǎn)：易于折斷；影響活塞散熱；制造較困難。所以環(huán)的高度不能做的太低。
第一道氣環(huán)尺寸如圖4.4所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定梯形環(huán)在基準(zhǔn)直徑上的軸向高度h=2mm。一般對于缸徑D=80～150mm的柴油機(jī)，D/t=22～28，取D/t=22則t=4.6mm。因?yàn)榇说拉h(huán)是球墨鑄鐵，對于這種材料S/D=0.08～0.10，取S/D=0.10，則開口間隙S=10mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
圖4.4 活塞環(huán)的尺寸及配合間隙
第二道氣環(huán)選軸向高度h=2.5mm，D/t=22，則t=4.6mm。對于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取
S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
油環(huán)根據(jù)同類型機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定軸向高度h=5mm。取D/t=22，則t=4.6mm。 對于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
環(huán)槽與活塞環(huán)的間隙，活塞環(huán)在環(huán)槽中運(yùn)動，因此在環(huán)槽的徑向和軸向方向上，都應(yīng)該有適當(dāng)?shù)拈g隙。軸向間隙不能過大，因?yàn)楫?dāng)環(huán)在環(huán)槽中上下運(yùn)動時(shí)，環(huán)和環(huán)槽之間發(fā)生碰撞。間隙大，碰撞也大。增加可環(huán)和槽的機(jī)械負(fù)荷。此外，間隙大也不利于密封。同一臺發(fā)動機(jī)上，由于各處溫度不同，各道環(huán)與槽的端面間隙是不相同的，在上面的環(huán)靠近燃燒室，溫度較高，其值應(yīng)取大一些。一般在下列范圍：
第一環(huán)=0.08～0.20 ，取=0.09 mm；第二環(huán)=0.06～0.15 ，取=0.08 mm；
油環(huán)=0.03～0.08 ，取=0.03 mm； 對于徑向間隙，其一般范圍是：
氣環(huán)：=0.3～0.7，取第一、第二環(huán)的徑向間隙均為0.5mm；
油環(huán)：=1.5～0.5，取其D為0.8mm。
活塞組的重量對于四沖程的鋁合金活塞，活塞的比重量是G/=0.9～1.4g/,算取1.1，即活塞重量為1300g,再加上活塞銷和活塞環(huán)等的重量，取活塞組的重量為1600g。
第五章 活塞的受力
活塞的平均速度：Cm=sn/60=(0.138×3000)/60=7m/s
式中：S-活塞行程
n-轉(zhuǎn)速
活