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机械制造及其自动化课程设计概要

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2020年4月19日
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摘 要
本文对单缸柴油机的主要零部件(活塞)进行了结构设计计算,并对活塞进行了有关运动学和动力学的理论分析与实体模型的创立(运用Pro/E)。
首先,以运动学和动力学的理论知识为依据,对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析,并得到了精确的分析结果。其次对活塞组进行详细的结构设计,并进行了结构强度和刚度的校核。再次,应用三维CAD软件:Pro/Engineer建立了活塞的几何模型,在此工作的基础上,利用Pro/E软件的装配功能,将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件进行装配并进行运动仿真分析。

关键字:受力分析;运动分析;Pro/E建模

目录

第1章 引言
1.1 选题背景
多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术,提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段,在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究,将分析的方法用于模拟实验,充分利用已有的基本物理原理,采用与实际物理系统实验相似的研究方法,在计算机上运行仿真实验。当前多刚体动力学模拟软件主要有Pro/Mechanics,Working model 3D,ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序,在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真,可校核部件运动轨迹,及时发现运动干涉;对部件装配进行动力学仿真,可校核机构受力情况;根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化,可最大限度地满足性能要求,对设计提供指导和修正[2]。当前国内大学和企业已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用,能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构干涉,校核配气机构运动、动力学性能等,为设计人员提供了基本的设计依据[3-4]。
当前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多,而且已经完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动,即位移、速度和加速度的变化关系:动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯性力、轴承力和曲轴转矩等的分析,传统的内燃机工作机构动力学、运动学分析方法主要有图解法和解析法[5]。
1.2 研究目标和意义
曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构,经过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。因此,曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件,其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高,机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下,如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题[1]。
经过设计,确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构,包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等,以满足实际生产的需要。
在传统的设计模式中,为了满足设计的需要须进行大量的数值计算,同时为了满足产品的使用性能,须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算,同时要满足校核计算,还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。
为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性,本文采用了多体动力学仿真技术,针对机构进行了实时的,高精度的动力学响应分析与计算,因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度,提高设计水平具有重要意义,而且能够更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态,便于进行精确计算,对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。

1.3 研究主要内容
对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析进行深入研究,其主要的研究内容有:
(1)对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析,分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况,并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核,以便达到设计要求;
(2)分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞,曲轴,连杆等的工作条件和设计要求,进行合理选材,确定出主要的结构尺寸,并进行相应的尺寸检验校核,以符合零件实际加工的要求;

第2章 活塞运动规律的研究
中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示,图2.1中气缸中心线经过曲轴中心O,OB为曲柄,AB为连杆,B为曲柄销中心,A为连杆小头孔中心或活塞销中心。
当曲柄按等角速度旋转时,曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动,活塞A点沿气缸中心线做往复运动,连杆AB则做复合的平面运动,其大头B点与曲柄一端相连,做等速的旋转运动,而连杆小头与活塞相连,做往复运动。在实际分析中,为使问题简单化,一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量,认为它们分别做旋转和往复运动,这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究[9]。

图2.1 曲柄连杆机构运动简图
活塞做往复运动时,其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响,因此,研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。
2.1 活塞位移
假设在某一时刻,曲柄转角为,并按顺时针方向旋转,连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为,如图2.1 所示。
当=时,活塞销中心A在最上面的位置A1,此位置称为上止点。当=180时,A点在最下面的位置A2,此位置称为下止点。
此时活塞的位移x为:
x===(r+)
= (2.1)
式中:—连杆比。
式(2.1)可进一步简化,由图2.1能够看出:

即
又由于 (2.2)
将式(2.2)带入式(2.1)得:
x= (2.3)
式(2.3)是计算活塞位移x的精确公式,为便于计算,可将式(2.3)中的根号按牛顿二项式定理展开,得:
…
考虑到≤ 1∕3,其二次方以上的数值很小,能够忽略不计。只保留前两项,则
(2.4)
将式(2.4)带入式(2.3)得
(2.5)
2.2 活塞的速度
将活塞位移公式(2.1)对时间t进行微分,即可求得活塞速度的精确值为
(2.6)
将式(2.5)对时间微分,便可求得活塞速度得近似公式为:
(2.7)
从式(2.7)能够看出,活塞速度可视为由与两部分简谐运动所组成。
当或时,活塞速度为零,活塞在这两点改变运动方向。当时,,此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。
2.3 活塞的加速度
将式(2.6)对时间微分,可求得活塞加速度的精确值为:
(2.8)
将式(2.7)对时间为微分,可求得活塞加速度的近似值为:
(2.9)
因此,活塞加速度也能够视为两个简谐运动加速度之和,即由与两部分组成。

第3章 活塞组的设计
3.1 活塞的设计
活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件,它们是发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性,在很大程度上与活塞组的工作情况有关。
3.1.1 活塞的工作条件和设计要求
1、活塞的机械负荷
在发动机工作中,活塞承受的机械载荷包括周期变化的气体压力、往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。在机械载荷的作用下,活塞各部位了各种不同的应力:活塞顶部动态弯曲应力;活塞销座承受拉压及弯曲应力;环岸承受弯曲及剪应力。另外,在环槽及裙部还有较大的磨损。
为适应机械负荷,设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状,即在保证足够的强度、刚度前提下,结构要尽量简单、轻巧,截面变化处的过渡要圆滑,以减少应力集中。
2、活塞的热负荷
活塞在气缸内工作时,活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用,燃气的最高温度可达。因而活塞顶的温度也很高。活塞不但温度高,而且温度分布不均匀,各点间有很大的温度梯度,这就成为热应力的根源,正是这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用。
3、磨损强烈
发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的,同时,活塞在气缸中的高速往复运动,活塞组与气缸表面之间会产生强烈磨损,由于此处润滑条件较差,磨损情况比较严重。
4、活塞组的设计要求
(1)要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性的材料;
(2)有合理的形状和壁厚。使散热良好,强度、刚度符合要求,尽量减轻重量,避免应力集中;
(3)保证燃烧室气密性好,窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失;
(4)在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合;
(5)减少活塞从燃气吸收的热量,而已吸收的热量则能顺利地散走;
(6)在较低的机油耗条件下,保证滑动面上有足够的润滑油。
3.1.2 活塞的材料
根据上述对活塞设计的要求,活塞材料应满足如下要求:
(1)热强度高。即在高温下仍有足够的机械性能,使零件不致损坏;
(2)导热性好,吸热性差。以降低顶部及环区的温度,并减少热应力;
(3)膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙;
(4)比重小。以降低活塞组的往复惯性力,从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重;
(5)有良好的减磨性能(即与缸套材料间的摩擦系数较小),耐磨、耐蚀;
(6)工艺性好,低廉。
在发动机中,灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本低、工艺性好等原因,曾广泛地被作为活塞材料。但近几十年来,由于发动机转速日益提高,工作过程不断强化,灰铸铁活塞因此比重大和导热性差两个根本缺点而逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。
铝合金的优缺点与灰铸铁正相反,铝合金比重小,约占有灰铸铁的1/3,结构重量仅占铸铁活塞的。因此其惯性小,这对高速发动机具有重大意义。铝合金另一突出优点是导热性好,其热传导系数约为铸铁的倍,使活塞温度显著下降。对柴油机来说,采用铝活塞还为提高压缩比、改进发动机性能创造了重要的条件。
共晶铝硅合金是当前国内外应用最广泛的活塞材料,既可铸造,也可锻造。含硅9%左右的亚共晶铝硅合金,热膨胀系数稍大一些,但由于铸造性能好,适应大量生产工艺的要求,应用也很广。
综合分析,该发动机活塞采用铝硅合金材料铸造而成。
3.1.3 活塞头部的设计
1、设计要点
活塞头部包括活塞顶和环带部分,其主要功用是承受气压力,并经过销座把它传给连杆,同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此,活塞头部的设计要点是:
(1)保证它具有足够的机械强度与刚度,以免开裂和产生过大变形,因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作;
(2)保证温度不过高,温差小,防止产生过大的热变形和热应力,为活塞环的正常工作创造良好条件,并避免顶部热疲劳开裂;
(3)尺寸尽可能紧凑,因为一般压缩高度缩短1单位,整个发动机高度就能够缩短单位,并显著减轻活塞重量。而则直接受头部尺寸的影响。
2、压缩高度的确定
活塞压缩高度的选取将直接影响发动机的总高度,以及气缸套、机体的尺寸和质量。尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原则,压缩高度是由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸构成的,即
=++
为了降低压缩高度,应在保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。
(1)第一环位置
根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时,首先须定出第一环的位置,即所谓火力岸高度。为缩小,当然希望尽可能小,但过小会使第一环温度过高,导致活塞环弹性松弛、粘结等故障。因此火力岸高度的选取原则是:在满足第一环槽热载荷要求的前提下,尽量取得小些。一般柴油机,为活塞直径,该发动机的活塞标准直径,确定火力岸高度为:

(2)环带高度
为减小活塞高度,活塞环槽轴向高度应尽可能小,这样活塞环惯性力也小,会减轻对环槽侧面冲击,有助于提高环槽耐久性。但太小,使制环工艺困难。在小型高速内燃机上,一般气环高,油环高。
该发动机采用三道活塞环,第一和第二环称之为压缩环(气环),第三环称之为油环。取,,。
环岸的高度,应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然,第二环岸负荷要比第一环岸小得多,温度也低,只有在第一环岸已破坏的情况下,它才可能被破坏。因此,环岸高度一般第一环最大,其它较小。实际发动机的统计表明,,,柴油机接近下限。
则 ,
。
因此,环带高度。
(3)上裙尺寸
确定好活塞头部环的布置以后,压缩高度H1最后决定于活塞销轴线到最低环槽(油环槽)的距离h1。为了保证油环工作良好,环在槽中的轴向间隙是很小的,环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。因此在一般设计中,选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外径上面,而且保证销座的强度不致因开槽而削弱,同时也不致因销座处材料分布不均引起变形,影响油环工作。
综上所述,能够决定活塞的压缩高度。对于柴油机,因此 。
则 。
3、活塞顶和环带断面
(1)活塞顶
活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞设计角度,为了减轻活塞组的热负荷和应力集中,希望采用受热面积最小、加工最简单的活塞顶形状,即平顶。大多柴柴油机正是采用平顶活塞,由于1.6L发动机为高压缩比,因而采用近似于平顶的活塞。实际统计数据表明,活塞顶部最小厚度,柴油机为,即。活塞顶接受的热量,主要经过活塞环传出。专门的实验表明,对无强制冷却的活塞来说,经活塞环传到气缸壁的热量占70～80%,经活塞本身传到气缸壁的占10～20%,而传给曲轴箱空气和机油的仅占10%左右。因此活塞顶厚度应从中央到四周逐渐加大,而且过渡圆角应足够大,使活塞顶吸收的热量能顺利地被导至第二、三环,以减轻第一环的热负荷,并降低了最高温度。
活塞头部要安装活塞环,侧壁必须加厚,一般取,取为6.16mm,活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角,一般取,取0.074为5.993mm.为了减少积炭和受热,活塞顶表面应光洁,在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角,所有尖角均应仔细修圆,以免在高温下熔化。
(2)环带断面
为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚使导热良好,不让热量过多地集中在最高一环,其平均值为。正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙,对于环和环槽工作的可靠性与耐久性十分重要。槽底圆角一般为0.2~0.5mm。活塞环岸锐边必须有适当的倒角,否则当岸部与缸壁压紧出现毛刺时,就可能把活塞环卡住,成为严重漏气和过热的原因,但倒角过大又使活塞环漏气增加。一般该倒角为。
(3)环岸和环槽
环岸和环槽的设计应保持活塞、活塞环正常工作,降低机油消耗量,防止活塞环粘着卡死和异常磨损,气环槽下平面应与活塞轴线垂直,以保证环工作时下边与缸桶接触,减小向上窜机油的可能性。活塞环侧隙在不产生上述损伤的情况下愈小愈好,当前,第一环与环槽侧隙一般为0.05~0.1mm,二、三环适当小些,为0.03~0.07mm,油环则更小些,这有利于活塞环工作稳定和降低机油消耗量,侧隙确定油环槽中必须设有回油孔,并均匀地布置再主次推力面侧,回油孔对降低机油消耗量有重要意义,三道活塞环的开口间隙及侧隙如表3.1所示:

表3.1 活塞环的开口间隙及侧隙
活塞环
开口间隙/
侧隙/
第一道环

第二道环

第三道环

活塞环的背隙比较大,以免环与槽底圆角干涉。一般气环=0.5毫米,油环的则更大些,如图3.1所示。
(4)环岸的强度校核
在膨胀冲程开始时,在爆发压力作用下,第一道活塞环紧压在第一环岸上。由于节流作用,第一环岸上面的压力比下面压力大得多,不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪切应力,当应力值超过铝合金在其工作温度下的强度极限或疲劳极限时,岸根有可能断裂,专门的试验表明,当活塞顶上作用着最高爆发压力时,,,如图3.2所示。
已知=4.5,则,,

图3.1 环与环槽的配合间隙及环槽结构 图3.2第一环岸的受力情况[10]
环岸是一个厚、内外圆直径为、的圆环形板,沿内圆柱面固定,要精确计算固定面的应力比较复杂,能够将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致的计算。在一般的尺寸比例下,可假定槽底(岸根)直径,环槽深为:

于是作用在岸根的弯矩为
(3.1)
而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于

因此环岸根部危险断面上的弯曲应力
(3.2)

同理得剪切应力为:
(3.3)
接合成应力公式为:
(3.4)
考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中,铝合金的许用应力,,校核合格。
3.1.4 活塞裙部的设计
活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。活塞沿气缸往复运动时,依靠裙部起导向作用,并承受由于连杆摆动所产生的侧压力。因此裙部的设计要求,是保证活塞得到良好的导向,具有足够的实际承压面积,能形成足够厚的润滑油膜,既不因间隙过大发生敲缸,引起噪音和加速损伤,也不因间隙过小而导致活塞拉伤。
分析活塞在发动机中工作时裙部的变形情况。首先,活塞受到侧向力的作用。承受侧向力作用的裙部表面,一般只是在两个销孔之间的弧形表面。这样,裙部就有被压偏的倾向,使它在活塞销座方向上的尺寸增大;其次,由于加在活塞顶上的爆发压力和惯性力的联合作用,使活塞顶在活塞销座的跨度内发生弯曲变形,使整个活塞在销座方向上的尺寸变大;再次,由于温度升高引起热膨胀,其中销座部分因壁厚较其它部分要厚,因此热膨胀比较严重。三种情况共同作用的结果都使活塞在工作时沿销座方向涨大,使裙部截面的形状变成为”椭圆”形,使得在椭圆形长轴方向上的两个端面与气缸间的间隙消失,以致造成拉毛现象。在这些因素中,机械变形影响一般来说并不严重,主要还是受热膨胀产生变形的影响比较大。
因此,为了避免拉毛现象,在活塞裙部与气缸之间必须预先流出较大的间隙。当然间隙也不能留得过大,否则又会产生敲缸现象。解决这个问题的比较合理的方法应该使尽量减少从活塞头部流向裙部的热量,使裙部的膨胀减低至最小;活塞裙部形状应与活塞的温度分布、裙部壁厚的大小等相适应。
本文采用托板式裙部,这样不但能够减小活塞质量,而且裙部具有较大的弹性,可使裙部与气缸套装配间隙减小很多,也不会卡死。
把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线方向上,短轴平行于销轴方向的椭圆形。常见的椭圆形状是按下列公式设计的:
(3.4)
式中、分别为椭圆的长短轴,如图3.3所示。
缸径小于的裙部开槽的活塞,椭圆度()的大小,一般为。

图3.3 活塞销裙部的椭圆形状[9]
1、裙部的尺寸
活塞裙部是侧压力的主要承担者。为保证活塞裙表面能保持住必要厚度的润滑油膜,其表面比压不应超过一定的数值。因此,在决定活塞裙部长度是应保持足够的承压面积,以减少比压和磨损。
在确定裙部长度时,首先根据裙部比压最大的允许值,决定需要的最小长度,然后按照结构上的要求加以适当修改。
裙部单位面积压力(裙部比压)按下式计算:
(3.5)
式中:—最大侧作用力,由动力计算求得,=2410.83
—活塞直径,;
—裙部高度,。
取。
则
一般发动机活塞裙部比压值约为,因此设计合适。
2、销孔的位置
活塞销与活塞裙轴线不相交,而是向承受膨胀侧压力的一面(称为主推力面,相正确一面称为次推力面)偏移了,这是因为,如果活塞销中心布置,即销轴线与活塞轴线相交,则在活塞越过上止点,侧压力作用方向改变时,活塞从次推力面贴紧气缸壁的一面突然整个地横扫过来变到主推力面贴紧气缸壁的另一面,与气缸发生”拍击”,产生噪音,有损活塞耐久性。如果把活塞销偏心布置,则能使瞬时的过渡变成分布的过渡,并使过渡时刻先于达到最高燃烧压力的时刻,因此改进了发动机的工作平顺性。
3.2 活塞销的设计
3.2.1 活塞销的结构、材料
1、活塞销的结构和尺寸
活塞销的结构为一圆柱体,中空形式,可减少往复惯性质量,有效利用材料。活塞销与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合,采用”全浮式”。活塞销的外直径,取,活塞销的内直径,取活塞销长度,取
2、活塞销的材料
活塞销材料为低碳合金钢,表面渗碳处理,硬度高、耐磨、内部冲击韧性好。表面加工精度及粗糙度要求极高,高温下热稳定性好。
3.2.2 活塞销强度和刚度计算
由运动学知,活塞销表面受到气体压力和往复惯性力的共同作用,总的作用力,活塞销长度,连杆小头高度,活塞销跨度。
1、最大弯曲应力计算
活塞销中央截面的弯矩为
(3.6)
空心销的抗弯断面系数为,
其中
因此弯曲应力为
即
(3.7)

2、最大剪切应力计算
最大剪切应力出现在销座和连杆小头之间的截面上。横断截面的最大剪切应力发生在中性层上[14],其值按下式计算:
(3.8)

已知许用弯曲应力;许用剪切应力,那么校核合格。
3.3 活塞销座
3.3.1 活塞销座结构设计
活塞销座用以支承活塞,并由此传递功率。销座应当有足够的强度和适当的刚度,使销座能够适应活塞销的变形,避免销座产生应力集中而导致疲劳断裂;同时要有足够的承压表面和较高的耐磨性。
活塞销座的内径,活塞销座外径一般等于内径的倍,取,
活塞销的弯曲跨度越小,销的弯曲变形就越小,销—销座系统的工作越可靠,因此,一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为,但当制造精度有保证时,两边共就足够了,取间隙为。
3.3.2 验算比压力
销座比压力为:
(3.9)
一般。
3.4 活塞环设计及计算
3.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计
该发动机采用三道活塞环,第一和第二环为气环,第三环为油环。
第一道活塞环为桶形扭曲环,材料为球墨铸铁,表面镀铬。桶形环与缸筒为圆弧接触,对活塞摆动适应性好,并容易形成楔形润滑油膜。
第二道活塞环为鼻形环,材料为铸铁,鼻形环可防止泵油现象,活塞向上运动时润滑效果好。
第三道是油环,是钢带组成环,重量轻,比压高,刮油能力强。
活塞环的主要尺寸为环的高度、环的径向厚度。气环,油环,取,,。活塞环的径向厚度,一般推荐值为:当缸径为时,,取。
3.4.2 活塞环强度校核
活塞环在工作时,因剪应力和轴向力影响较小,因此只计算弯矩。活塞环的平均半径与径向厚度之比一般都大于5,因此可按直杆弯曲正应力公式计算[9]。
1、工作状态下的弯曲应力
活塞断面的最大弯矩为:
(3.10)
由此可得最大弯曲应力为:
(3.11)
对于断面均压环其开口间隙与活塞环平均接触压力之间有如下关系:
(3.12)
将式(3.12)带入(3.11)并整理得:
(3.13)
式中:—材料的弹性模量,对合金铸铁;
—活塞环的开口间隙,,取为;
—气缸直径,;
—活塞环径向厚度,
则
活塞环工作时的许用弯曲应力为,则校核合格。
2、套装应力
活塞环往活塞上套装时,要把切口扳得比自由状态的间隙还大,对于均压环,此时的正对切口处的最大套装弯曲应力为:
(3.14)
式中:—与套装方法有关的系数,根据套装方法的不同,其值为,一般取,则

因环的套装时在常温下进行的,承受的应力时间甚短,因此套装应力的许用值大于工作应力的许用值,因此校核合格。
3.5 本章小结
在活塞的设计过程中,分别确定了活塞、活塞销、活塞销座和活塞环的主要的结构参数,分析了其工作条件,总结了设计要求,选择合适的材料,并分别进行了相关的强度和刚度校核,使其符合实际要求。

第4章 活塞的建模
4.1 对Pro/E软件基本功能的介绍
Pro/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。无论是造型设计、工程出图,以及3D装配等方面,Pro/E都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。
Pro/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。另外还具有模具设计,动态、静态干涉检查,计算质量特征(如质心、惯性矩)等功能模块。用Pro/E创立的三维参数化零件模型,不但能够在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体,更能够进行方便的动态修改和调整。进行力学分析、运动分析、数控加工等。
4.2 活塞的建模
4.2.1 活塞的特点分析
活塞是在高温、高压、高腐蚀的条件下,在汽缸内做高速往复直线运动的。要适应这样恶劣的工作条件,必须具有相应的结构。
(1)活塞顶部外表面设计成凹面形,以利于燃烧室内的气体形成涡流,使燃料与空气混合得更均匀,燃烧得更充分。
(2)在活塞的头部有三道环形槽,上边两道环形槽为气环槽,下边一条为油环槽。
(3)活塞的裙部在活塞做直线往复运动时起导向作用。裙部顶端有两个往里凸起的销座。
(4)活塞裙部的轴截面应制成鼓形,活塞裙部的横截面应制成椭圆形。由于椭圆的长轴与短轴之间相差极小,因此建模时以圆形代替。
4.2.2 活塞的建模思路
(1)为了快速准确地创立活塞模型,先抽取活塞模型中的对称部分,由列表曲线创立活塞的1/4轮廓。
(2)镜像生成活塞的整个轮廓。
(3)创立活塞的顶部凹槽特征。
(4)创立活塞头部的气环槽和油环槽。
(5)创立各部分的倒圆角。
4.2.3 活塞的建模步骤
1、创立活塞1/4轮廓
运用【拉伸工具】,创立如图4.1所示的活塞4/1轮廓。

图4.1 创立活塞4/1轮廓
2、创立活塞销孔
(1)运用【拉伸工具】创立销座模型并拉伸出通孔,结果如图4.2所示。

图4.2 创立活塞销孔
3、创立凸台
(1)新建基准平面,并设置间距。
(2)选取草绘平面,运用【拉伸工具】,拉伸方式为【至曲面】,生成凸台。
(3)运用【旋转工具】,选择【去除材料】,创立裙部凹面特征。
(4)对生成的活塞销孔边和凸台边分别进行倒圆角。
(5)运用【孔工具】,创立【标准孔】,选择螺纹类型为”M61”生成图4.3。

图4.3 创立凸台
4、镜像生成整个活塞
(1)选取整个模型,镜像生成整个活塞
(1)运用【旋转工具】,【去除材料】,旋转角度为”360”,创立旋转剪切特征。
(2)选择【阵列工具】,对上一步创立的特征进行再生,生成一些活塞环槽护圈。
(3)运用【旋转工具】,【去除材料】,创立气环槽和油环槽。结果如图4.4所示:

图4.4 镜像生成整个活塞及建立活塞环槽
5、创立顶部凹槽
运用【拉伸工具】,拉伸方式为【盲孔】,选择【去除材料】,生成顶部凹槽。

图5.4 创立顶部凹槽及活塞环
结束语
本文以柴油机作为参照,确定了相关参数,以便进行下一步的设计计算。以传统运动学和动力学的理论知识为依据,对曲柄连杆机构的受力进行了系统的分析,并以此作为零件强度、刚度和和磨损等问题的依据。在此基础上,又进行了动力学方面的理论分析,重点分析了活塞的运动规律。对曲柄连杆机构的主要零部件之一的活塞进行了主要结构参数的设计计算,并经过校核检验尺寸选取的是否合适。分析了零部件的工作条件,总结应满足的设计要求,合理选择材料,以满足强度和刚度的校核。应用三维CAD软件Pro/ENGINEER建立了活塞模型,当模型建立完成后,运用Pro/E软件完成与曲柄连杆机构的装配。设定曲轴的转速n rad/s,仿真时间为 t秒,开始仿真。

参考文献
[1]黄圣杰．Proe/E Wildfire3.0基础入门与工程应用．北京:机械工业出版社, ．7．
[2]关文达．汽车构造第2版．北京:机械工业出版社, ．6．
[3]濮良贵,纪名刚.机械设计．高等教育出版社． .5．
[4]王春燕,陆凤仪．机械原理．北京:机械工业出版社, ．11．

致谢
致谢在本文完成之际,首先向给予这次锻炼机会的机电学院及给予帮助的牟萍老师表示感谢,同时也要感谢给予帮助的同学,经过这次毕业论文的模拟练习,自己得到了很大锻炼,学会了利用各种资源(书籍,网络等)来完成课题。