机械制造及其自动化课程设计概要.docx

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1、机械制造及其自动化课程设计概要摘要本文对单缸柴油机的要紧零部件（活塞）进行了结构设计计算，并对活塞进行了有关运动学与动力学的理论分析与实体模型的创建（运用PrO/E）。首先，以运动学与动力学的理论知识为根据，对曲柄连杆机构的运动规律与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。其次对活塞组进行全面的结构设计，并进行了结构强度与刚度的校核。再次，应用三维CAD软件：Pro/Enginccr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构成零件装配成活塞组件、连杆组件与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/

2、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进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与优化的有效手段，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，使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。目前多刚体动力学模拟软件要紧有Pro/Mechanics,Workingmode13D,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与试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校

3、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，对设计提供指导与修正。目前国内大学与企业已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究与局部应用，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根据，目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，而且已经完善与成熟。其中机构运动学分析是研究两个或者两个以上物体间的相对运动，即位移、速度与加速度的变化关系：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要紧包含气体力、

4、惯性力、轴承力与曲轴转矩等的分析，传统的内燃机工作机构动力学、运动学分析方法要紧有图解法与解析法。1.2 研究目标与意义曲柄连杆机构是发动机的传递运动与动力的机构，通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要紧的受力部件，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与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U1通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构与零部件结构，包含必要的结构尺寸确定、运动学与动力学分析、材

5、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、稳固性及可靠性等方面的设计与校核计算，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。为了真实全面地熟悉机构在实际运行工况下的力学特性，本文使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，因此本研究所使用的高效、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熟悉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有用的应用价值。1.

6、3 研究要紧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，其要紧的研究内容有：（1）对曲柄连杆机构进行运动学与动力学分析，分析曲柄连杆机构中各类力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的要紧零部件进行强度、刚度等方面的计算与校核，以便达到设计要求；（2）分析曲柄连杆机构中要紧零部件如活塞，曲轴，连杆等的工作条件与设计要求，进行合理选材，确定出要紧的结构尺寸，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中气缸中心线通过曲轴中心0,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者活塞销中心。当曲柄按

7、等角速度。旋转时，曲柄OB上任意点都以0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，通常将连杆简化为分别集中于连杆大头与小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转与往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究9。活塞做往复运动时，其速度与加速度是变化的。它的速度与加速度的数值与变化规律对曲柄连杆机构与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要紧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

8、旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为夕，如图2.1所示。当a=0时，活塞销中心A在最上面的位置A1,此位置称之上止点。当。二180时，A点在最下面的位置A2,此位置称之下止点。如今活塞的位移X*X=A1A=AiO-AO=(r+1)-(rcosa+cos)(2.1)(2.2)(2.3)1.1 (1-CoSa)+(1-cos/7)式中：入一连杆比。式（2.1）可进一步简化，由图2.1能够看出:rsina=Zsin/7即Sin尸=7Sina=4sin又由于CoS6=/1-sin2=V1-Z2sin2a将式(2.2)带入式(2.1)得：X=41-cos+(1-2sin2a)式（2.3）是计

9、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：1-2sin2a=1-2sin2aZ1Sina6sin6a-816考虑到/IW1/3,其二次方以上的数值很小，能够忽略不计。只保留前两项,则yi-isin2aI-A2sin2a（2.4）2将式（2.4）带入式（2.3）得X=r（1-coscr-sin2a）（2.5）1.2 活塞的速度将活塞位移公式(2.1)对时间t进行微分，即可求得活塞速度妙的精确值为dxdxdaz.sin2ax/r.八、v=X=rfy(sma-)(2.6)dtdadt2CoS0将式(2.5)对时间，微分，便可求得活塞速度得近似公式为：V6s

10、incr+sin2a)=rsina+ra-sin2cr=v1+v2(2.7)从式(2.7)能够看出，活塞速度可视为由匕=9Sina与=(2)/TySin2a两部分简谐运动所构成。当。=。或者180时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当。二90。时，=必，如今活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。1.3 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：dvdvda2CCoS2。23sin22rifnzr,八a=rtcos+z(2.8)dtdadtCoSP4cos将式(2.7)对时间f为微分，可求得活塞加速度的近似值为：ar2(cosa-it-cos2a)=r2cosa+

11、r2cos2a=ax+a2(2.9)因此，活塞加速度也能够视为两个简谐运动加速度之与，即由=y2cos与W=口COS20两部分构成。第3章活塞组的设计3.1 活塞的设计活塞组包含活塞、活塞销与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 活塞的工作条件与设计要求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含周期变化的气体压力、往复惯性力与由此产生的侧向作用力。在机械载荷的作用下，活塞各部位了各类不一致的应力：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。此

12、外，在环槽及裙部还有较大的磨损。为习惯机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚与合理的形状，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200(FC250(FC因而活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，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，

13、磨损情况比较严重。（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）有合理的形状与壁厚。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缺失；（4）在不一致工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；（5）减少活塞从燃气汲取的热量，而已汲取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340伊C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

14、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与平衡配重；（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与导热性差两个根本缺点而逐步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5070%.因此其惯

15、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34倍，使活塞温度显著下降。对柴油机来说，使用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能制造了重要的条件。共晶铝硅合金是目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，习惯大量生产工艺的要求，应用也很广。综合分析，该发动机活塞使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含活塞顶与环带部分，其要紧功用是承受气压力，并通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，以免开裂与产生过大变形，由于环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；（2）保证温度只是高，温差小，防止产生过大的热变形与热应力，为活塞环的正常工作制造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；（3）尺寸尽可能紧凑，由于通常压缩高度M缩短1单位，整个发动机高度就能够缩短152单位，并显著减轻活塞重量。而则直同意头部尺寸的影响。2、压缩高度的确定活塞压缩高度的选取将直