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1、摘要摘 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建（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：受力分分析；运动分分析；Proo/E建模III目录
2、目录第1章引言11.1 选题背背景11.2 研究目目标和意义11.3 研究主主要内容2第2章活塞运运动规律的研研究32.1 活塞位位移42.2 活塞的的速度52.3 活塞的的加速度5第3章活塞组组的设计63.1 活塞的的设计63.1.1 活活塞的工作条条件和设计要要求63.1.2 活活塞的材料73.1.3 活活塞头部的设设计73.1.4 活活塞裙部的设设计123.2 活塞销销的设计153.2.1 活活塞销的结构构、材料153.2.2 活活塞销强度和和刚度计算153.3 活塞销销座163.3.1 活活塞销座结构构设计163.3.2 验验算比压力173.4 活塞环环设计及计算算173.4.1 活活
3、塞环形状及及主要尺寸设设计173.4.2 活活塞环强度校校核173.5 本章小小结19第4章活塞的的建模204.1 对Prro/E软件件基本功能的的介绍204.2 活塞的的建模204.2.1 活活塞的特点分分析204.2.2 活活塞的建模思思路204.2.3 活活塞的建模步步骤21结束语26参考文献277致谢28第1章 引言第1章 引言1.1 选题背景多刚体动力学模模拟是近十年年发展起来的的机械计算机机模拟技术，提提供了在设计计过程中对设设计方案进行行分析和优化化的有效手段段，在机械设设计领域获得得越来越广泛泛的应用。它它是利用计算算机建造的模模型对实际系系统进行实验验研究，将分分析的方法用用
4、于模拟实验验，充分利用用已有的基本本物理原理，采采用与实际物物理系统实验验相似的研究究方法，在计计算机上运行行仿真实验。目目前多刚体动动力学模拟软软件主要有PPro/Meechaniics，Woorkingg modeel 3D，AADAMS等等。多刚体动动力学模拟软软件的最大优优点在于分析析过程中无需需编写复杂仿仿真程序，在在产品的设计计分析时无需需进行样机的的生产和试验验。对内燃机机产品的部件件装配进行机机构运动仿真真，可校核部部件运动轨迹迹，及时发现现运动干涉；对部件装配配进行动力学学仿真，可校校核机构受力力情况；根据据机构运动约约束及保证性性能最优的目目标进行机构构设计优化，可可最大限
5、度地地满足性能要要求，对设计计提供指导和和修正2。目前国内内大学和企业业已经已进行行了机构运动动、动力学仿仿真方面的研研究和局部应应用，能在设设计初期及时时发现内燃机机曲柄连杆机机构干涉，校校核配气机构构运动、动力力学性能等，为为设计人员提提供了基本的的设计依据3-4。目前国内外对发发动机曲柄连杆机机构的动力学学分析的方法法很多，而且且已经完善和和成熟。其中中机构运动学学分析是研究究两个或两个个以上物体间间的相对运动动，即位移、速速度和加速度度的变化关系系：动力学则是是研究产生运运动的力。发发动机曲柄连连杆机构的动动力学分析主主要包括气体体力、惯性力力、轴承力和和曲轴转矩等等的分析，传传统的内
6、燃机机工作机构动动力学、运动动学分析方法法主要有图解解法和解析法法5。1.2 研究目标和意义义曲柄连杆机构是是发动机的传递递运动和动力力的机构，通通过它把活塞塞的往复直线线运动转变为为曲轴的旋转转运动而输出出动力。因此此，曲柄连杆杆机构是发动动机中主要的的受力部件，其工作可靠靠性就决定了了发动机工作的的可靠性。随随着发动机强强化指标的不不断提高，机机构的工作条条件更加复杂杂。在多种周周期性变化载载荷的作用下下，如何在设设计过程中保保证机构具有有足够的疲劳劳强度和刚度度及良好的动动静态力学特特性成为曲柄柄连杆机构设设计的关键性性问题1。通过设计，确定定发动机曲柄柄连杆机构的的总体结构和和零部件结
7、构构，包括必要要的结构尺寸寸确定、运动动学和动力学学分析、材料料的选取等，以以满足实际生生产的需要。在传统的设计模模式中，为了了满足设计的的需要须进行行大量的数值值计算，同时时为了满足产产品的使用性性能，须进行行强度、刚度度、稳定性及及可靠性等方方面的设计和和校核计算，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。为了真实全面地地了解机构在在实际运行工工况下的力学学特性，本文文采用了多体体动力学仿真真技术，针对对机构进行了了实时的，高高精度的动力力学响应分析析与计算，因因此本研究所所采用的高效效、实时分析析技术对提高高分析精度，提提高设计水平平具有重要意意义，而且可可以更直观清清晰地
8、了解曲曲柄连杆机构构在运行过程程中的受力状状态，便于进进行精确计算算，对进一步步研究发动机的平衡衡与振动、发发动机增压的的改造等均有有较为实用的的应用价值。1.3 研究主要内容对内燃机运行过过程中曲柄连连杆机构受力力分析进行深入研究究，其主要的的研究内容有有：（1）对曲柄连连杆机构进行行运动学和动动力学分析，分分析曲柄连杆杆机构中各种种力的作用情情况，并根据据这些力对曲曲柄连杆机构构的主要零部部件进行强度度、刚度等方方面的计算和和校核，以便达到设设计要求；（2）分析曲柄柄连杆机构中中主要零部件件如活塞，曲曲轴，连杆等等的工作条件件和设计要求求，进行合理理选材，确定定出主要的结结构尺寸，并并进行
9、相应的的尺寸检验校校核，以符合合零件实际加加工的要求；19第2章 活塞运动规律的研究第2章 活塞运动规律的的研究中心曲柄连杆机机构简图如图图2.1所示示，图2.11中气缸中心心线通过曲轴轴中心O，OOB为曲柄，AAB为连杆，BB为曲柄销中中心，A为连连杆小头孔中中心或活塞销销中心。当曲柄按等角速速度旋转时，曲曲柄OB上任任意点都以OO点为圆心做做等速旋转运运动，活塞AA点沿气缸中中心线做往复复运动，连杆杆AB则做复复合的平面运运动，其大头头B点与曲柄柄一端相连，做做等速的旋转转运动，而连连杆小头与活活塞相连，做做往复运动。在在实际分析中中，为使问题题简单化，一一般将连杆简简化为分别集集中于连杆
10、大大头和小头的的两个集中质质量，认为它它们分别做旋旋转和往复运运动，这样就就不需要对连连杆的运动规规律进行单独独研究9。图2.1 曲柄柄连杆机构运运动简图活塞做往复运动动时，其速度度和加速度是是变化的。它它的速度和加加速度的数值值以及变化规规律对曲柄连连杆机构以及及发动机整体体工作有很大大影响，因此此，研究曲柄柄连杆机构运运动规律的主主要任务就是是研究活塞的的运动规律。2.1 活塞位移假设在某一时刻刻，曲柄转角角为，并按顺顺时针方向旋旋转，连杆轴轴线在其运动动平面内偏离离气缸轴线的的角度为，如如图2.1 所示。当=时，活塞销销中心A在最最上面的位置置A1，此位置称称为上止点。当当=180时，A
11、A点在最下面面的位置A22，此位置称称为下止点。此时活塞的位移移x为:x=(r+) = （2.1）式中：连杆比比。式（2.1）可可进一步简化化，由图2.1可以看出出： 即 又由于 （22.2）将式（2.2）带带入式（2.1）得： x= （2.3）式（2.3）是是计算活塞位位移x的精确确公式,为便便于计算，可可将式（2.3）中的根号号按牛顿二项项式定理展开开，得：考虑到 13，其二次次方以上的数数值很小，可可以忽略不计计。只保留前前两项，则 （22.4）将式（2.4）带带入式（2.3）得 （22.5）2.2 活塞的速度 将活塞位移公式式（2.1）对对时间t进行行微分，即可可求得活塞速速度的精确值
12、值为 (2.6)将式（2.5）对对时间微分，便便可求得活塞塞速度得近似似公式为： （22.7）从式（2.7）可可以看出，活活塞速度可视视为由与两部分简谐谐运动所组成成。当或时，活塞速速度为零，活活塞在这两点点改变运动方方向。当时，此时活活塞得速度等等于曲柄销中中心的圆周速速度。2.3 活塞的加速度将式（2.6）对对时间微分，可可求得活塞加加速度的精确确值为： （2.8）将式（2.7）对对时间为微分分，可求得活活塞加速度的的近似值为： （2.99）因此，活塞加速速度也可以视视为两个简谐谐运动加速度度之和，即由由与两部分组成成。第3章 活塞组的设计第3章 活塞组的设计3.1 活塞的设计活塞组包括活
13、塞塞、活塞销和和活塞环等在在气缸里作往往复运动的零零件，它们是是发动机中工工作条件最严严酷的组件。发发动机的工作作可靠性与使使用耐久性，在在很大程度上上与活塞组的的工作情况有有关。3.1.1 活塞的工作条件件和设计要求求1、活塞的机械械负荷在发动机工作中中,活塞承受受的机械载荷荷包括周期变变化的气体压压力、往复惯惯性力以及由由此产生的侧侧向作用力。在在机械载荷的的作用下，活活塞各部位了了各种不同的的应力：活塞塞顶部动态弯弯曲应力；活活塞销座承受受拉压及弯曲曲应力；环岸承承受弯曲及剪剪应力。此外外，在环槽及及裙部还有较较大的磨损。为适应机械负荷荷，设计活塞塞时要求各处处有合适的壁壁厚和合理的的形
14、状，即在在保证足够的的强度、刚度度前提下，结结构要尽量简简单、轻巧，截面变化处处的过渡要圆圆滑，以减少少应力集中。2、活塞的热负负荷活塞在气缸内工工作时，活塞塞顶面承受瞬瞬变高温燃气气的作用，燃燃气的最高温温度可达。因因而活塞顶的的温度也很高高。活塞不仅仅温度高，而而且温度分布布不均匀，各各点间有很大大的温度梯度度，这就成为热应应力的根源，正正是这些热应应力对活塞顶顶部表面发生生的开裂起了了重要作用。3、磨损强烈发动机在工作中中所产生的侧侧向作用力是较较大的，同时时，活塞在气气缸中的高速速往复运动，活活塞组与气缸缸表面之间会会产生强烈磨磨损，由于此处润润滑条件较差差，磨损情况况比较严重。4、活塞组的设设计要求（1）要选用热热强度好、耐耐磨、比重小小、热膨胀系系数小、导热热性好、具有有良好减磨性性、工艺性的的材料；（2）有合理的的形状和壁厚厚。使散热良良好，强度、刚刚度符合要求求，尽量减轻轻重量，避免免应力集中；（3）保证燃烧烧室气密性好好，窜气、窜窜油要少又不不增加活塞组组的摩擦损失失；（4）在不同工工况下都能
