195柴油發(fā)動機(jī)活塞連桿組設(shè)計(jì)【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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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 ； 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 to by 95 s it on of in on in in in in to as as on on AD of of in of of on it as as of to of It a of in 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 目 錄 摘要 ······································································································ ······························································································· 1 章 緒論 ·························································································· 1 題的目的和意義 ········································································· 1 內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ········································································· 1 計(jì)研究的主要內(nèi)容 ······································································ 3 第 2 章 活塞連桿組 受力分析 ································································· 4 塞連桿組 的類型及方案選擇 ·························································· 4 塞連桿組 運(yùn)動學(xué) ········································································· 4 塞位移 ············································································ 5 塞的速度 ········································································· 6 塞的加速度 ······································································ 6 塞連桿組 中的作用力 ··································································· 7 缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 ····························································· 7 構(gòu)的慣性力 ······································································ 7 章小結(jié) ···················································································· 14 第 3 章 活塞組的設(shè)計(jì) ··········································································· 15 塞的設(shè)計(jì) ················································································· 15 塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 ··················································· 15 塞的材料 ········································································ 16 塞頭部的設(shè)計(jì) ·································································· 16 塞裙部的設(shè)計(jì) ·································································· 21 塞銷的設(shè)計(jì) ·············································································· 23 塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 ···························································· 23 塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算 ························································· 23 塞銷座 ···················································································· 24 塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ······························································· 24 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 算比壓力 ········································································ 24 塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 ········································································ 25 塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) ··················································· 25 塞環(huán)強(qiáng)度校核 ·································································· 25 章小結(jié) ···················································································· 26 第 4 章 連桿組的設(shè)計(jì) ··········································································· 27 桿的設(shè)計(jì) ················································································· 27 桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 ···································· 27 桿長度的確定 ·································································· 27 桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 ···································· 27 桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 ············································· 30 桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 ···································· 33 桿螺栓的設(shè)計(jì) ··········································································· 35 桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 ················································ 35 桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 ······································· 35 章小結(jié) ···················································································· 36 第 5 章 曲軸的設(shè)計(jì) ·············································································· 37 軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 ························································· 37 軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求 ··················································· 37 軸的結(jié)構(gòu)型式 ·································································· 37 軸的材料 ········································································ 37 軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) ············································· 38 柄銷的直徑和長度 ···························································· 38 軸頸的直徑和長度 ···························································· 38 柄 ················································································· 39 衡重 ·············································································· 39 孔的位置和尺寸 ······························································· 40 軸兩端的結(jié)構(gòu) ·································································· 40 軸的止推 ········································································ 40 軸的疲勞強(qiáng)度校核 ····································································· 41 用于單元曲拐上的力和力矩 ················································ 41 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 義應(yīng)力的計(jì)算 ·································································· 45 章小結(jié) ···················································································· 47 第 6 章 活塞連桿組 的創(chuàng)建 ···································································· 48 件基本功能的介紹 ··················································· 48 塞的創(chuàng)建 ················································································· 48 塞的特點(diǎn)分析 ·································································· 48 塞的建模思路 ·································································· 48 塞的建模步驟 ·································································· 49 桿的創(chuàng)建 ················································································· 50 桿的特點(diǎn)分析 ·································································· 50 桿的建模思路 ·································································· 50 桿體的建模步驟 ······························································· 51 桿蓋的建模 ····································································· 52 軸的創(chuàng)建 ················································································· 52 軸的特點(diǎn)分析 ·································································· 52 軸的建模思路 ·································································· 52 軸的建模步驟 ·································································· 53 塞連桿組 其它零件的創(chuàng)建 ···························································· 55 塞銷的創(chuàng)建 ····································································· 55 塞銷卡環(huán)的創(chuàng)建 ······························································· 55 桿小頭襯套的創(chuàng)建 ···························································· 55 頭軸瓦的創(chuàng)建 ·································································· 55 桿螺栓的創(chuàng)建 ·································································· 56 章小結(jié) ···················································································· 56 結(jié)論 ····································································································· 57 參考文獻(xiàn) ······························································································ 56 致謝 ····································································································· 56 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 1 第 1 章 緒 論 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 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。 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 D， 。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)初期及時發(fā) 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 2 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 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)分析是研究兩個或兩個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)件逐個列出方程，通過各個構(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)和時間參數(shù)的解析式就時間求導(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 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 3 力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時刻的位置、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 ，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機(jī)商業(yè)軟件 ， 如 。 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 件來完成 ， 如 [4]。 當(dāng)考慮到對多柔體系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析時 ， 有時還需要結(jié)合 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 。 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 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 件將零件模型圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用件， 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)。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 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。 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，一個曲柄可以同時 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 。 塞連桿組 運(yùn)動學(xué) 中心 活塞連桿組 簡圖如 圖 示， 圖 氣缸中心線通過曲軸中心 O， 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，曲柄 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 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)際分析 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 5 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(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 塞連桿組 運(yùn)動簡圖 活塞做往復(fù)運(yùn)動時，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。 塞位移 假設(shè)在某一時刻， 曲柄轉(zhuǎn)角為 ? ，并按順時針方向旋轉(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 示 。 當(dāng) ? = ?0 時，活塞銷中心 A 在最上面的位置 位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng) ? =180? 時，A 點(diǎn)在最下面的位置 位置稱為下止點(diǎn)。 此時活塞的位移 x 為 : x= 1 =(r+l ) )c ?? ? = )]c o )c o ??? ???r（ 式中 ： ? — 連桿比。 式（ 進(jìn)一步簡化，由圖 以看出 ： ?? 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 6 即 ???? s ? ???? 222 s i i o s ???? （ 將 式 （ 帶入式（ ： x= )]s c 22 ???? ???r（ 式 （ 是計(jì)算活塞位移 x 的精確公式 ,為便于計(jì)算，可將式（ 的根號按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得 ： ?????? ???????? 6642222 s i i i i 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 ???? 2222 s i i ??（ 將式（ 入式（ )s o 2 ??? ??? （ 塞的速度 將活塞位移公式（ 時間 t 進(jìn)行微分，即可求得活塞 速度 v 的精確值為 ?v )c o i s i n ????? ???? 將式（ 時間 t 微分，便可求得活塞速度得近似公式為 ： 212s i i n)2s i s i n ????? ?????????（ 從式 （ 可以看出，活塞速度可視為由 ?? 與 ??? 2s (2 兩部分簡諧運(yùn)動所組成。 當(dāng) ??0? 或 ?180 時，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動方向。當(dāng) ??90? 時，?，此時活塞得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。 塞的加速度 將式（ 時間 t 微分，可求得活塞加速度的精確值為 ： ]c o s 2s i o s 2c o s[ c o s 3232 ???????? ?????? （ 將式（ 時間 t 為微分，可求得活塞加速度的近似值為 ： 21222 2c o sc o s)2c o s( c o s ????? ????????? （ 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 7 因此，活塞加速度也可以視為兩個簡諧運(yùn)動加速度之和，即由 ?? 與??? 2 兩部分組成。 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 油機(jī)，如附表 1 所示。 缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 作用在活塞上的氣體作用力兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活塞頂面積的乘積，即 )(4 '2 ?? （ 式中 ：活塞上的氣體作用力 ， N ； p — 缸內(nèi)絕對壓力 ， p? — 大氣壓力 ， D — 活塞直徑 ， 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 p? = ,對于缸內(nèi)絕對壓力 p ， 在發(fā)動機(jī)的四個沖程中， 計(jì)算結(jié)果 如 表 示 ： 則 由式（ 計(jì)算氣壓力 示 。 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 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 8 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 內(nèi)絕對壓力 p 計(jì)算結(jié)果 四個沖程終點(diǎn)壓力 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 /進(jìn)氣終點(diǎn)壓力縮終點(diǎn)壓力? 脹終點(diǎn)壓力? 氣終點(diǎn)壓力 '15.1 ： 1n — 平均壓縮指數(shù)， 1n = ? — 壓縮比， ? =2n — 平均膨脹指數(shù)，2n =???? ； 最大爆發(fā)壓力， 3~ 5取 此時壓力角 ? = ?? 15~10 ，取 ? = ?13 。 表 壓力四 個 沖 程 N 進(jìn)氣終點(diǎn) 縮終點(diǎn) 脹終點(diǎn) 氣終點(diǎn) 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，將整個連桿（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量 兩個換算質(zhì)量 1m 和 2m 來代換，并假設(shè)是 1m 集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動的質(zhì)量； 2m 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 示 ： 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 9 圖 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，必須滿足下列三個條件： ① 連桿總質(zhì)量不變，即 21 ?? 。 ② 連桿重心 G 的位置不變，即 )( 1211 ? 。 ③ 連桿相對重心 G 的轉(zhuǎn)動慣量?? 222211 )(。 其中， l 連桿長度， 1l 為連桿重心 G 至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公式： l 11 ??? 12 ??用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置 G 。 將連桿分成若干簡單的幾何圖形，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，求出整個連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量 1G 和 2G ， 如圖 示 ： 圖 多邊形法 [4] 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 10 （ 2） 往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量括活塞上的零件）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，并以量m 之和，稱為往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量1?。 （ 3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖 示 ： 圖 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，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 r 的連桿軸頸中心處，以 換算質(zhì)量 ??式中 ：曲拐換算質(zhì)量， 連桿軸頸的質(zhì)量， 一個曲柄臂的質(zhì)量， e — 曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離， m 。 質(zhì)量m 之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 即 2?由上述換算 方法 計(jì) 算 得 ： 往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 11 2、 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，這些質(zhì)量的慣性力可以從運(yùn)動條件求出，歸結(jié)為兩個力。往復(fù)質(zhì)量旋轉(zhuǎn)慣性力 （ 1） 往復(fù)慣性力 ????????? 2c o sc o s)2c o sc o s( 2222 ???????（ 式 中 ：往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量， ? — 連桿比； r — 曲柄半徑 ， m ； ? — 曲柄旋轉(zhuǎn)角速度， ； ? — 曲軸轉(zhuǎn)角 。 式 （ 前的負(fù)號表示a 的方向相反。 其中曲柄的角速度 ? 為 ： 30602 ?? ??（ 式中 ： n — 曲軸轉(zhuǎn) 數(shù)， r ； 已知 額定轉(zhuǎn)數(shù) n =5800 r ，則 3058 00 ??? ??； 曲柄半徑 r =連桿比 ? = ? =參照 附錄 表 2： 四缸機(jī)工作循環(huán)表，將每一工況的曲軸轉(zhuǎn)角 ? 代入式（ 計(jì)算得往復(fù)慣性力果如表 示 ： 表 復(fù)慣性力四 個 沖 程 進(jìn)氣終點(diǎn) 縮終點(diǎn) 脹終點(diǎn) 氣終點(diǎn) 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 12 （ 2） 旋轉(zhuǎn)慣性力 2?? （ ?????? N 3、 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 ??（ 計(jì)算結(jié)果 如 表 示 。 4、 活塞上的總作用力?如圖 示， 首先，將?連桿軸線作用的力 K ，和把活塞壓向氣缸壁的側(cè)向力 N ， 其中沿連桿的作用力 K 為： ? 而側(cè)向力 N 為： ? 表 用在活塞上的總作用力?氣壓力 N 往復(fù)慣性力 N 總作用力 ?P /N 進(jìn)氣終點(diǎn) 壓縮終點(diǎn) 膨脹終點(diǎn) 排氣終點(diǎn) 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 13 圖 用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩 連桿作用力 K 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(fù)號，缸 壁的側(cè)向力 N 的符號規(guī)定為：當(dāng)側(cè)