畢業(yè)設(shè)計--x2110c柴油機運動仿真及活塞設(shè)計

1、<p>　　X2110C柴油機運動仿真及活塞設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在我國，江河湖泊眾多，在這星羅密布的河流上航行著許多小型船舶。特別近幾年來，由于經(jīng)濟體制的改革和市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，運輸行業(yè)也隨著蓬勃發(fā)展。小型船舶的需求量與日俱增，這給小型船用柴油機帶來了無限商機。但與此同時，原來的船用單缸機，由于振動大，噪聲響

2、，排放也較差，已不適合當前經(jīng)濟發(fā)展和客戶需求。此時客戶普遍需求一種振動小，噪音低，排放好，體積小，功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，起動好，煙度小，燃油消耗率低的船用柴油機。 X2110 型柴油機是轉(zhuǎn)速為1500r/min的船用柴油機，可作船用主機。</p><p>　　本選題要完成該柴油機運動機構(gòu)的三維建模及運動仿真，及典型零件活塞的設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞：柴油機；仿真；活塞設(shè)計</p

3、><p>　　The X2110C diesel motion</p><p>　　simulation and piston design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　There are many rivers and lakes in our country, so that

4、 with a number of small ship shipping in the rivers. Especially in recent years, as a result of economic system reform and the rapid development of market economy,the transport industry is alsobooming,and the demand for

5、small ships is increasing , which brought a opportunitiesfor small marine diesel engine.But at the same time, the original single-cylindermachines, as a result of vibration,noise impact and emissions, have not apply thec

6、urren</p><p>　　In this topic, we will complete the 3D modeling and motion simulation of the movement mechanism of the diesel engine, and a typical part of the design of the piston. </p><p>　　Key

7、 words: diesel engine;samulation;piston design</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1&l

8、t;/b></p><p>　　1.1選題的目的與意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1</p><p>　　1.2.1柴油機的發(fā)展1</p><p>　　1 .2 .2 現(xiàn)代設(shè)計方法在柴油機開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀2</p><p><b>　　1.3設(shè)計要求2</b>

9、</p><p>　　第二章 X2110C柴油機的建模4</p><p>　　2.1活塞組的設(shè)計建模4</p><p>　　2.1.1活塞的工作條件與要求4</p><p>　　2.1.2活塞的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計4</p><p>　　2.1.3活塞的常用材料與活塞環(huán)設(shè)計4</p><p>

10、　　2.2連桿的三維建模5</p><p>　　2.2.1連桿小頭設(shè)計5</p><p>　　2.2.2連桿桿身設(shè)計6</p><p>　　2.2.3連桿大頭設(shè)計6</p><p>　　2.3曲軸的建模7</p><p>　　2.3.1曲柄銷的設(shè)計7</p><p>　　2.3.2主

11、軸頸的設(shè)計7</p><p>　　2.4曲軸-連桿-活塞裝配及運動仿真8</p><p>　　第三章 活塞的結(jié)構(gòu)分析與熱分析10</p><p>　　3.1活塞的功用10</p><p>　　3.2活塞的設(shè)計要求與材料10</p><p>　　3.3活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計10</p><p>

12、;　　3.4活塞的結(jié)構(gòu)分析13</p><p>　　3.5活塞的熱分析18</p><p><b>　　結(jié)論22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b

13、>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1選題的目的與意義</p><p>　　活塞組是內(nèi)燃機的主要運動部件,它與氣缸套和氣缸蓋構(gòu)成一個容積變化的密閉空間,直接承受混合氣燃燒的壓力,并將燃氣的作用力通過連桿傳給曲軸,使曲軸旋轉(zhuǎn),從而完成將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的任務(wù)。活塞組是內(nèi)燃機中工作強度最高的組件之一。由于它的工作條件特別嚴酷,所以其工作能力對發(fā)動機的強化、可

14、靠性、耐久性。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機工作機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法。然而解析法需要大量的數(shù)據(jù)計算,作圖法設(shè)計精度較低,常常難以精確地滿足工程需要。隨著計算機技術(shù)和多體系統(tǒng)動力學(xué)理論的迅速發(fā)展,三維實體建模技術(shù)也得到了快速發(fā)展。應(yīng)用三維實體建模技術(shù)進行內(nèi)燃機設(shè)計可以大大縮短產(chǎn)品的研制周期,降低開發(fā)成本,提高研制質(zhì)量。本設(shè)計基于Pro-E動力學(xué)分析軟件建立X2110C柴油機活塞機構(gòu)參數(shù)化樣機模型,進行了內(nèi)燃機動力學(xué)性能運動仿真分析

15、和活塞設(shè)計。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢</p><p>　　1.2.1柴油機的發(fā)展</p><p>　　現(xiàn)代的調(diào)整高性能柴油機由于熱效率比汽油機高、污染物排放比汽油機少， 作為汽車動力應(yīng)用日益廣泛。西歐國家不但載貨汽車和客車使用柴油發(fā)動機， 而且轎車采用柴油機的比例也相當大。最近， 美國聯(lián)邦政府能源部和以美國三大汽車公司為代表的美國汽車研究所理

16、事會正在開發(fā)新一代經(jīng)濟型轎車同樣將柴油機作為動力配置。 經(jīng)過多年的研究、大量新技術(shù)的應(yīng)用，柴油機最大的問題煙度和噪聲取得重大突破，達到了汽油機的水平</p><p><b>　　一、可變配氣定時</b></p><p>　　發(fā)動機轉(zhuǎn)速的高低對進、排氣流動以及氣缸內(nèi)燃燒過程是有影響的。轉(zhuǎn)速高時，進氣流速高，慣性能量大，所以希望進氣門早點打開，晚些關(guān)閉，盡量多一些混合氣或

17、空氣；反之在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，進氣流速低，流動慣性能量也小，如果進氣門過早開啟，由于此時活塞正在上行排氣，很容易把新鮮空氣擠出氣缸，使進氣反而減少，發(fā)動機工作更趨不穩(wěn)定。為了使高速和低速都能得到最佳的配氣定時，在轎車發(fā)動機上出現(xiàn)了一些可變配氣定時的控制機構(gòu)。</p><p><b>　　二、車用增壓系統(tǒng)</b></p><p>　　增壓就是將空氣在供入氣缸之前預(yù)先壓縮

18、，以提高空氣密度、增加進氣量的一項技術(shù)。由于進氣量增加，可相應(yīng)的增加循環(huán)供油量，從而增加發(fā)動機的升功率。同時，增壓不僅可以改善燃油經(jīng)濟性，而且還作為控制排放的有效技術(shù)措施而得到廣泛應(yīng)用。采用增壓后，汽車不僅可以獲得良好的燃油經(jīng)濟性，而且還可以有效的地降低有害排放物的比排放。同時，由于發(fā)動機功率增加，還可以改善車輛的加速性。</p><p>　　1 .2 .2 現(xiàn)代設(shè)計方法在柴油機開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀</p>

19、;<p>　　近年來隨著市場競爭的加劇，產(chǎn)品的開發(fā)周期不斷縮短以增強市場競爭力。但同時，為了提高質(zhì)量、降低成本，需做大量實驗、分析和數(shù)據(jù)處理，需要增加設(shè)計工作量。解決這對矛盾的辦法便是采用先進技術(shù)和工具，將重點放在先期設(shè)計階段，大量應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法?，F(xiàn)代設(shè)計理論和方法是動態(tài)發(fā)展的，從狹義來說是為設(shè)計而建立的各種數(shù)學(xué)模型及求解這些模型的技術(shù)。它在發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用的范圍十分廣泛，主要有優(yōu)化設(shè)計、有限元分析、計算機輔助

20、設(shè)計、多剛體動力學(xué)分析、計算機輔助工程熱力學(xué)分析等。</p><p><b>　　(1)優(yōu)化設(shè)計</b></p><p>　　應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的目的在于改善發(fā)動機產(chǎn)品的性能，減輕零件質(zhì)量、降低應(yīng)力、延長壽命、提高可靠性、降低成本。通過目標函數(shù)和約束條件對這些要求做數(shù)學(xué)描述，最后化為約束條件限定的可行域內(nèi)多元函數(shù)求極值的問題，以求得整體的權(quán)衡折衷。通常采用較多的是有約束

21、非線性規(guī)劃法，國內(nèi)已有不少單位對發(fā)動機零件，如氣門彈簧、活塞、連桿、曲軸等進行優(yōu)化設(shè)計。</p><p><b>　　(2)有限元分析</b></p><p>　　有限元素法是利用變分原理將力學(xué)、熱力學(xué)中的微分方程邊值問題歸結(jié)于泛函求極值問題，并利用計算機求解。從70年代起我國就在發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用有限元技術(shù)，應(yīng)用Systus、ADINA等大型有限元程序系統(tǒng)計算與分

22、析連桿、曲軸及增壓器葉輪等發(fā)動機零部件的靜、動態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變一一結(jié)構(gòu)強度與剛度問題，其成果己在中小型發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計上推廣應(yīng)用。</p><p><b>　　1.3設(shè)計要求</b></p><p>　?。?）X2110柴油機的性能指標為</p><p><b>　　進氣方式:自然吸氣</b></p><p&

23、gt;　　型式：直列、水冷、四沖程、直噴式</p><p><b>　　氣缸數(shù)：2 </b></p><p><b>　　壓縮比:16.4</b></p><p>　　缸徑×行程（mm）：110×130</p><p>　　標定功率/轉(zhuǎn)速（kw/r/min）：22/1500

24、</p><p>　　標定工況燃油消耗率（g/kw.h）:<238</p><p>　　機油消耗率（g/kw.h）：2.04</p><p>　　（2）在滿足上述性能指標的前提下進行柴油機運動部件的三維建模及運動仿真。</p><p>　　（3）在三維建模的基礎(chǔ)上, 因活塞承受周期性的熱負荷和機械負荷的沖擊．活塞的工作狀態(tài)直接決定著柴油

25、機的使用壽命，因此本課題將對活塞進行熱分析。</p><p>　　第二章 X2110C柴油機的建模</p><p>　　2.1活塞組的設(shè)計建模</p><p>　　2.1.1活塞的工作條件與要求</p><p>　　活塞的主要功用是承受燃燒氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊墓ぷ鳝h(huán)境非常惡劣，處于高溫、高壓、高速滑動和交

26、變的側(cè)壓力下。活塞應(yīng)該具有熱強度好，散熱性好，熱膨脹系數(shù)小，耐磨，重量輕的性質(zhì)。常用的材料有灰鑄鐵和鋁基合金?；诣T鐵是較早用于活塞制造的材料。但因為密度大、導(dǎo)熱性差的缺點，只少量用于低速大功率柴油機。而鋁基合金的密度小，導(dǎo)熱性好，因而在中高速內(nèi)燃機上鋁活塞基本完全取代了鑄鐵活塞。</p><p>　　2.1.2活塞的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計</p><p>　　柴油機活塞由頂部、頭部和裙部組成?；钊?/p>

27、部形狀取決于混合氣形成的方式和燃燒室形狀。本文采用深坑形燃燒室，這種燃燒室能形成較大的進氣渦流和擠流，以加強混合氣的形成，燃燒室對燃油系統(tǒng)要求降低?；钊共康男螤顟?yīng)該保證活塞在氣缸內(nèi)得到良好的導(dǎo)向，氣缸與活塞之間任何工況下都應(yīng)保持均勻的、適宜的間隙。間隙過大，活塞敲缸；間隙過小，活塞可能被氣缸卡住。此外裙部應(yīng)有足夠的實際承壓面積，以承受側(cè)壓力。活塞主要尺寸如表2-1</p><p>　　表2-1 活塞主要尺寸（m

28、m）</p><p>　　2.1.3活塞的常用材料與活塞環(huán)設(shè)計</p><p>　　從活塞的工作條件來看，為保證發(fā)動機的良好運行特性，對活塞合金材料性能有如下要求：密度小、熱膨脹系數(shù)小、好的耐磨性、好的力學(xué)性能、好的熱傳導(dǎo)性及好的加工性能。為此，汽車發(fā)動機目前采用的活塞材料是鋁合金，因此，該設(shè)計的活塞也是用鋁合金材料。</p><p>　　油環(huán)用來刮除汽缸壁上多余的

29、機油，并在氣缸壁面上涂布一層均勻的機油膜，這樣防止機油竄入氣缸燃燒，又可以減少活塞、活塞環(huán)與汽缸壁的磨損和摩擦阻力。此外，油環(huán)也起到的輔助作用。我們才有簡單的普通單體油環(huán)，其材料是合金鑄鐵制造。氣環(huán)是保證活塞與汽缸壁間的密封，防止氣缸中得高溫、高壓燃氣大量漏人曲軸箱，同時還將活塞頂部的大部分熱量傳給氣缸壁，再由冷卻液或空氣帶走。我們采用矩形斷面環(huán)，它工藝性好，成本低，工作接觸面積大，導(dǎo)熱效果較好，但耐磨性差、密封性較差。同時氣環(huán)隨活塞作

30、往復(fù)運動時，會把氣缸壁上得機油不斷送人氣缸中，產(chǎn)生氣環(huán)的泵油作用，其材料也是合金鑄鐵。</p><p>　　運用ProeWildfire4.0軟件，先通過旋轉(zhuǎn)特征把活塞的輪廓畫出，然后使用拉伸等一系列的操作將活塞的特征畫出，利用除去材料將燃燒室畫出，并將活塞各部倒角，最后得到活塞的三維建模，如圖2-1。</p><p>　　圖2-1 活塞的三維建模</p><p>

31、　　2.2連桿的三維建模</p><p>　　連桿的功用是連接活塞和曲軸，把活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，并將活塞承受的力傳給曲軸。連桿主要有連桿小頭、桿身和連桿大頭三部分組成。</p><p>　　2.2.1連桿小頭設(shè)計</p><p>　　連桿小頭與活塞銷相連。小頭與銷之間有相對轉(zhuǎn)動。連桿小頭與活塞銷的連接方式有兩種，一種是全浮式，即活塞銷在活塞銷座和連桿

32、小頭中都可以轉(zhuǎn)動；另一種是半浮式，即活塞銷固定于活塞銷座，在連桿小頭中轉(zhuǎn)動，或活塞銷固定于連桿小頭，在活塞銷座中轉(zhuǎn)動。其中，全浮式連接方式的運用最為廣泛。與半浮式連接方式相比，其工作表面相對滑動速度較小，摩擦產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)減少，磨損較小且均勻，延長了活塞銷的壽命。此外，全浮式連接的活塞銷具有運轉(zhuǎn)時不易卡住、裝配方便等優(yōu)點。</p><p>　　2.2.2連桿桿身設(shè)計</p><p>　　

33、桿身承受交變的載荷，可能產(chǎn)生疲勞破壞和變形，連桿高速擺動時的橫向慣性力也會使連桿彎曲變形，因此連桿必須有足夠的斷面積，并消除產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素。桿身斷面為工字型，剛度大，在此要求下減小了質(zhì)量。</p><p>　　2.2.3連桿大頭設(shè)計</p><p>　　連桿大頭魚曲軸的曲柄銷相連，一般做成剖分式的，被分開的部分稱為連桿蓋。連桿大腿按剖分的方向可分為垂直于連桿中心的平切口和相對于連桿中心

34、線傾斜的斜切口兩種。一般來說，斜切口的連桿大頭所連接的曲柄銷直徑比平切口的要大。但是斜切口的連桿不能使用螺栓連接，只能采用螺釘或螺柱連接，這是兩個連桿螺釘距離有所增加，連桿體有所削弱，而且連桿螺釘承受了剪切力。為保證連桿體與連桿蓋之間的安裝容易對正，并不至在作用力影響下相互錯位，在連接部位必須考慮定位問題。平切口連桿一般是利用螺栓中部加工的凸出圓柱體來定位；斜切口連桿考慮到除定位作用外還要承受較大剪切力，往往在分界面上做成之口定位或鋸齒

35、定位，也有采用套筒定位的。該設(shè)計中采用斜切口設(shè)計，采用套筒定位。連桿主要尺寸如圖2-2所示。</p><p>　　表2-2 連桿主要尺寸（mm）</p><p>　　運用ProeWildfire4.0設(shè)計連桿，運用拉伸特征畫出連桿和連桿蓋，并且進行相應(yīng)的倒角。然后將連桿和連桿蓋裝配，如圖2-2。</p><p>　　圖2-2連桿的三維建模</p>&l

36、t;p><b>　　2.3曲軸的建模</b></p><p>　　曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩，是發(fā)動機最重要的機件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性和壽命。曲軸是在不斷周期變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩共同作用下工作的，是曲軸既彎曲又扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。實踐表明，對于各

37、種曲軸，彎曲疲勞載荷具有決定性作用，而扭轉(zhuǎn)載荷僅占次要地位。曲軸應(yīng)有足夠的耐疲勞強度，有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨，盡量減少應(yīng)力集中，剛度要好，變形小。曲軸的材料有中碳鋼，合金鋼，球墨鑄鐵。</p><p>　　曲軸的主要尺寸如下表2-3</p><p>　　圖2-3 曲軸主要尺寸（mm）</p><p>　　2.3.1曲柄銷的設(shè)計</p><

38、;p>　　曲柄銷做成空心的，目的在于減少質(zhì)量和離心力。從主軸頸經(jīng)曲柄孔道輸送來的機油就儲存在此空腔中，曲柄銷與軸瓦上鉆有徑向孔與此油腔相通。從潤滑原理來講，希望曲柄銷長度與直徑比大約為0.4。因為比例過小，潤滑油很容易從滑動軸承兩端泄掉，油膜壓力建立不起來，軸承的承載能力下降。而且曲柄銷長度過大時，容易形成棱緣負荷。但是提高曲柄銷直徑會增加離心力和轉(zhuǎn)動慣量，同時也會受到連桿大頭及剖分面形式的影響。</p><p

39、>　　2.3.2主軸頸的設(shè)計</p><p>　　曲軸分為整體式和組合式。整體式曲軸具有工作可靠、重量輕的特點，而且剛度和強度較高，加工表面也比較少，是中小型發(fā)動機曲軸廣為應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式。但是，當曲軸尺寸較大，曲拐數(shù)較多時，這種曲軸的加工比較困難，需要用大的專用設(shè)備，而且容易某一部分加工不合格或使用中損壞，導(dǎo)致整根曲軸報廢。而大功率柴油機和小型發(fā)動機上常采用組合式曲軸。此設(shè)計中采用整體式設(shè)計。</p&

40、gt;<p>　　按主軸頸數(shù)，可以把曲軸分為全支承和非全支承。在相鄰的兩個曲拐之間，都設(shè)置一個主軸頸的曲軸，稱為全支承曲軸，否則稱為非全支承曲軸。全支承曲軸的優(yōu)點是可以提高曲軸的剛度和彎曲強度，并且可減輕主軸承的載荷，缺點是曲軸的加工表面增多，主軸承增多，使機體加長。設(shè)計中我們采用全支承的曲軸。</p><p>　　曲軸的三維建模中，主要運用的是拉伸特征進行的。在畫平衡重時，我們使用到了鏡像與復(fù)制，

41、選擇性粘貼等功能，使得建模更方便。建模如圖2-3</p><p>　　圖2-3曲軸三維建模</p><p>　　2.4曲軸-連桿-活塞裝配及運動仿真</p><p>　　先新建組件方案，勾除缺省模塊。先添加組件曲軸，用戶定義銷釘約束，約束曲軸在一個固定的軸線上旋轉(zhuǎn)，然后添加連桿，運用銷釘約束，連接在曲柄銷上，約束其運動類型。活塞的裝配則要兩個約束才能定義運動。我們用

42、銷釘與滑動桿約束，使其只能上下在氣缸內(nèi)往復(fù)運動。</p><p>　　組裝后的模型如圖2-4.</p><p>　　圖2-4 裝配后的三維模型</p><p>　　經(jīng)過裝配完成后，我們進行運動仿真。點擊“應(yīng)用程序”，選擇機構(gòu)，首先設(shè)置伺服電機，彈出定義選擇項，先點擊箭頭，選擇運動軸，再點擊輪廓（如圖2-5所示），選擇速度，在A中輸入36，點擊確定（如圖2-6所示）。

43、</p><p>　　圖2.11 圖2.12</p><p>　　第二步，在右邊工具欄中點擊機構(gòu)分析，彈出分析定義選項框，在位置里面選擇運動學(xué)，終止時間改為50，點擊運行（如圖2.12所示）。于是我們就看到了曲柄連桿機構(gòu)的運動學(xué)仿真。</p><p>　　通過包絡(luò)面的觀察，運動仿真過程中，各機構(gòu)并未發(fā)生干涉

44、。</p><p>　　第三章 活塞的結(jié)構(gòu)分析與熱分析</p><p><b>　　3.1活塞的功用</b></p><p>　　活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂部還是燃燒室的組成部分。承受交變的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一。</p><p>　　活塞的工作

45、條件是非常惡劣的，承受高溫，高壓，高速滑動的壓力?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2500K以上，因此，受熱嚴重，而散熱條件又很差，所以活塞工作時溫度很高，頂部高達600～700K，且溫度分布很不均勻，各點間有很大的溫度梯度，這就成為熱應(yīng)力的根源，正是這些熱應(yīng)力對活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用。活塞在工作中承受周期性變化的氣壓力直接作用，氣壓力Pz（Mpa）一般在膨脹沖程開始的上止點后10°～20°達到最大。

46、作用在活塞頂上的壓力載荷Fz（N）為</p><p>　　Fz=A （Pz-P0）=π/4 D²（Pz-P0）</p><p>　　式中，P0為大氣壓（Mpa）；A為活塞頂投影面積（mm²）；D為氣缸直徑（mm）。另外，活塞在氣缸里作高速往復(fù)運動，產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力Fjmax（N）。其最大值為</p><p>　　Fjmax=-m＇rω

47、8;（1+λ）</p><p>　　周期性的往復(fù)慣性力引起發(fā)動機的振動，并使連桿組、曲軸組零件，特別是軸承負荷加重，將會導(dǎo)致發(fā)動機耐久性下降。活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度(8～12m/s)往復(fù)運動，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會產(chǎn)生變形并加速磨損，還會產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時受到燃氣的化學(xué)腐蝕作用。</p><p>　　3

48、.2活塞的設(shè)計要求與材料</p><p><b>　　活塞的設(shè)計要求：</b></p><p>　　(1)要有足夠的剛度和強度，傳力可靠；</p><p>　　(2)導(dǎo)熱性能好，要耐高壓、耐高溫、耐磨損；</p><p>　　(3)質(zhì)量小，重量輕，盡可能地減小往復(fù)慣性力。</p><p>　　鋁合

49、金材料基本上滿足上面的要求，因此，活塞一般都采用高強度鋁合金，但在一些低速柴油機上采用高級鑄鐵或耐熱鋼，此方案采用AL6061材料。</p><p>　　3.3活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　活塞可分為三部分，活塞頂部、活塞頭部和活塞裙部。</p><p><b>　　活塞的基本尺寸：</b></p><p>　　表

50、3-1 活塞主要尺寸（mm）</p><p><b>　　選定</b></p><p>　　火力岸高度：h=20 毫米</p><p>　　喉口與活塞中心線偏移量 4 毫米</p><p>　　喉口直徑：60 毫米</p><p>　　活塞銷至活塞頂部距離：H1=70 毫米</p>

51、<p>　　活塞總長：H=115 毫米</p><p><b>　　1、活塞頂部</b></p><p>　　活塞頂部承受氣體壓力，它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形成和燃燒的要求，其頂部形狀可分為四大類，平頂活塞、凸頂活塞、凹頂活塞和成型頂活塞，此方案為凹頂活塞，設(shè)計成ω型的深坑形狀如圖3-1。<

52、/p><p>　　圖3-1 深坑型燃燒室</p><p>　　深坑型燃燒室結(jié)構(gòu)簡單，燃燒室位于活塞頂，噴油器采用孔式噴油器，混合氣的形成以空間霧化為主。</p><p>　　為了提高鋁合金活塞頂?shù)哪蜔嵝?，此方案采用熱障涂層材料與金屬相復(fù)合</p><p>　　來處理活塞表面，因而起到了熱障的作用，降低冷卻帶走的熱損失、減少了冷卻</p>

53、;<p>　　水量，從而發(fā)動機的體積和重量得到減小。實驗表明，采用熱障涂層材料處理活塞表面，不僅船舶航行平穩(wěn)，噪聲小，馬力強，燃料消耗低。同時也發(fā)現(xiàn)涂有柴油機隔熱涂層的柴油機部件在點火過程中產(chǎn)生了兩個主要變化：</p><p>　　(1)首先縮短了燃料注人和燃油點火之間的延遲時間。</p><p>　　(2)其次點火時產(chǎn)生的峰值明顯減小, 從而減少了氧化氮和未燃燒的碳氫化合物

54、，使油煙進一步完全氧化同時還可以減少由排出尾氣而帶走的熱量損失，降低煙氣，提高點火效率，節(jié)約燃料。并且產(chǎn)生許多其它附加效益。</p><p><b>　　2、活塞頭部</b></p><p>　　活塞頭部指第一道活塞環(huán)槽到活塞銷孔以上部分。它有數(shù)道環(huán)槽，用以安裝活塞環(huán)，起密封作用，又稱為防漏部。柴油機壓縮比高，一般有四道環(huán)槽，上部三道安裝氣環(huán)，下部安裝油環(huán)。第一道環(huán)槽

55、工作條件最惡劣，一般應(yīng)離頂部較遠些。活塞頂部吸收的熱量主要也是經(jīng)過防漏部通過活塞環(huán)傳給氣缸壁，再由冷卻水傳出去?？傊钊^部的作用除了用來安裝活塞環(huán)外，還有密封作用和傳熱作用，與活塞環(huán)一起密封氣缸，防止可燃混合氣漏到曲軸箱內(nèi)，同時還將(70～80)%的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁。為了降低活塞頭部的溫度，此方案在噴油冷卻的活塞環(huán)帶鉆兩個不通孔，可使第一環(huán)槽的溫度下降 20 度左右。</p><p>　　本設(shè)計中采用

56、三道活塞環(huán)的設(shè)計，為了使第一道環(huán)槽能正常地工作而不至過早地損壞，應(yīng)該適當?shù)剡x擇頂岸高度，還可以采取如下措施：</p><p>　　保證活塞在上止點時，第一環(huán)的位置處于冷卻水套中（圖a）。</p><p>　　將第一環(huán)槽安排在活塞頂厚度以下（圖b）。</p><p>　　在第一環(huán)槽之上開一個槽，稱為隔熱槽，其目的是改變活塞頂?shù)降谝画h(huán)槽之間的熱流形式，降低第一環(huán)槽的溫

57、度。其缺點是活塞溫度過高時，槽內(nèi)容易積炭失去隔熱作用（圖c）。</p><p>　　減小頂岸和缸套之間的間隙，減小氣流通往第一環(huán)槽的流通面積，降低第一環(huán)槽處的溫度（圖d）。</p><p>　　在鋁活塞環(huán)槽處加鑲塊，由于第一環(huán)槽底部的磨損最嚴重，因此常在第一環(huán)槽處鑲上一個鑲塊。</p><p>　　圖3-2 保護第一道環(huán)槽措施</p><p>

58、;　　活塞一般為整體式，用金屬模澆注，為減輕活塞熱負荷的設(shè)計措施：</p><p>　　盡量減少頂部的受熱面積；強化頂面，采用不同的材料或?qū)⒈砻孢M行處理。</p><p><b>　　保證熱流暢通。</b></p><p>　　采用適當?shù)鼗鹆Π陡叨取?lt;/p><p><b>　　活塞內(nèi)側(cè)噴油冷卻。</b&

59、gt;</p><p><b>　　頂部設(shè)置油腔冷卻。</b></p><p><b>　　3、活塞裙部</b></p><p>　　指從油環(huán)槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括裝活塞銷的銷座孔?；钊共繉钊跉飧變?nèi)的往復(fù)運動起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。裙部的長短取決于側(cè)壓力的大小和活塞直徑。所謂側(cè)壓力是指在壓縮行程和作功

60、行程中，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。活塞工作時沿銷軸方向脹大，使裙部截面的形狀變成“橢圓”以致發(fā)生拉毛現(xiàn)象。因此，在設(shè)計時進行反橢圓設(shè)計。</p><p><b>　　4、活塞環(huán)設(shè)計</b></p><p>　　活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)，本設(shè)計中設(shè)計兩道氣環(huán)和一道油環(huán)：</p><p>　　第一道為矩形氣環(huán)，矩形環(huán)斷面為矩形

61、，其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，易于生產(chǎn)，應(yīng)用最廣。但是矩形環(huán)隨活塞往復(fù)運動時，會把氣缸壁面上的機油不斷送入氣缸中，這種現(xiàn)象為“氣環(huán)的泵油作用”。</p><p>　　第二道采用扭曲氣環(huán)，扭曲環(huán)裝入氣缸后，由于斷面不對稱，產(chǎn)生不平衡力的作用，使活塞環(huán)發(fā)生扭曲變形。活塞上行時，扭曲環(huán)在殘余油膜上浮，可以減小摩擦，減小磨損?；钊滦袝r，則有刮油效果，避免機油燒掉。同時，由于扭曲環(huán)在環(huán)槽中上、下跳動的行程縮短，可以減輕“泵油”

62、的副作用。</p><p>　　第三道采用組合式油環(huán)，組合環(huán)由上下兩片側(cè)軌環(huán)與中間的擴脹器組成，側(cè)軌環(huán)用鍍鉻鋼片制成，擴脹器的周邊比氣缸內(nèi)圓周略大一些，可裝側(cè)軌環(huán)緊緊壓向氣缸壁。這種油環(huán)接觸壓力高，對氣缸避免適應(yīng)性好，回油通路大，重量小，但成本較高。</p><p>　　3.4活塞的結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　打開Proe5.0，打開文件“huosaifx”，利用

63、拉伸特征將活塞劃分1/4面，如圖3-1。</p><p>　　圖3-1 活塞的1/4面劃分</p><p>　　點擊打開“應(yīng)用程序”的“Mechanica”，添加壓力載荷值9Mpa，并且添加約束。其中銷孔添加“銷釘約束”，去除面添加“對稱約束”，如圖3-2。</p><p>　　圖3-2 約束的添加</p><p>　　約束添加結(jié)束后，點擊“

64、分析”選項的“分析與設(shè)計研究”，如圖3-3. </p><p>　　添加靜態(tài)應(yīng)力分析，點擊“開始運行”，確定診斷，設(shè)置選項參數(shù)等，于是我們得到分析的結(jié)果，如圖3-4.</p><p>　　圖3-3 分析和設(shè)計研究</p><p>　　圖3-4 靜態(tài)應(yīng)力條紋圖</p><p>　　從圖中我們可以直觀的看出靜態(tài)應(yīng)力的分布大小情況，其中靜態(tài)應(yīng)力最大

65、的地方是在活塞上部的銷孔處，其容易發(fā)生靜載變形。其變形曲線為圖3-5。</p><p>　　從圖中我們可以知道，隨著曲線輪廓長度的變化，靜態(tài)變形也跟著變化，當曲線長度越來越長時，靜態(tài)變形就越來越小，于是我們推斷，靜態(tài)變形與活塞的直徑厚度有關(guān)系。</p><p>　　圖3-5靜態(tài)變形曲線</p><p>　　完成靜態(tài)分析后，點擊“文件”，新建“模態(tài)分析”，確定交互診斷

66、，使其進入運行，運行完成后查看結(jié)果定義，設(shè)置選項參數(shù)，確定并顯示。得到模態(tài)變形線框圖，如圖3-6。</p><p><b>　　圖3-6模態(tài)變形圖</b></p><p>　　從圖中我們可以觀察到活塞受受固定頻率的往復(fù)慣性力作用時，會發(fā)生模態(tài)的變形，其中活塞裙部的變形時最大的?；钊淖冃吻€如圖3-7。</p><p>　　由曲線可以知道，活塞

67、的變形與活塞的邊線輪廓是有關(guān)系的，并且成類似余弦函數(shù)關(guān)系。</p><p>　　圖3-7模態(tài)變形曲線</p><p>　　從曲線中我們可以預(yù)測到，活塞工作一段時間后，它的形態(tài)會發(fā)生改變，其圓柱狀會變成橢圓柱狀，從而會影響到活塞的工作性能。</p><p>　　完成模態(tài)分析后，文件新建疲勞分析。交互診斷后運行，查看結(jié)果定義，設(shè)置參數(shù)后，確定并顯示，得到疲勞條紋圖。&l

68、t;/p><p>　　設(shè)置日志壽命疲勞，得到圖3-8。</p><p>　　圖3-8日志壽命疲勞</p><p>　　設(shè)置為日志破壞疲勞參數(shù)，得到圖3-9。</p><p>　　圖3-9日志破壞疲勞</p><p>　　通過四種疲勞性能特征圖的分析，我們可以得出，靜態(tài)變形最大處的活塞銷座上部的疲勞強度最低，因此我們要加強此

69、處的疲勞強度。</p><p>　　通過對活塞的結(jié)構(gòu)分析，我們可以了解到活塞最容易發(fā)生破壞的地方時銷孔的上部，所以我們要改善活塞的性能，必須采取一些措施，提高活塞的工作性能：</p><p>　　1、在一定的活塞直徑下，稍微增加活塞的厚度，使得活塞承受靜載荷能力得到加強，靜態(tài)變形程度降低，增加活塞的使用性能。</p><p>　　2、由于活塞銷孔上部的變形時最大的，

70、所以我們要降低其變形程度，我們可以設(shè)計肋片與活塞內(nèi)壁連接，其提高其剛度，減小受到的靜載荷的分布程度。</p><p>　　3、增加活塞壁的厚度，增強活塞的剛度，使活塞不易變形，減小模態(tài)變形。</p><p>　　4、設(shè)計活塞時，使裙部橫截面的形狀變成為“橢圓”形。</p><p>　　5、活塞各處的倒角要圓滑，不要出現(xiàn)尖角和槽，從而減少應(yīng)力在此處的集中，增加疲勞強度

71、。</p><p>　　6、加工活塞表面時，盡量使得表面的粗糙度降低，從而使疲勞強度增強。</p><p>　　強化活塞表面，進行熱處理，提高疲勞強度。</p><p><b>　　3.5活塞的熱分析</b></p><p>　　打開“編輯”選項，選擇“Mechanica模擬設(shè)置”，在彈出對話框中勾選“熱”，</p

72、><p>　　確定。加載熱載荷，邊界條件和對流條件等。其中，穩(wěn)態(tài)溫度設(shè)置為300℃。</p><p>　　圖3-10熱載荷的加載</p><p>　　點擊分析中的研究結(jié)果項，新建穩(wěn)態(tài)熱分析，運行分析，交互診斷后，完成并查看結(jié)果定義，設(shè)置參數(shù)后得到穩(wěn)態(tài)的分析圖與溫度曲線，穩(wěn)態(tài)熱分析圖3-11。</p><p>　　圖3-11穩(wěn)態(tài)熱分析</p&

73、gt;<p><b>　　熱曲線圖3-12。</b></p><p>　　圖3-12 穩(wěn)態(tài)熱曲線</p><p>　　完成穩(wěn)態(tài)熱分析后，新建瞬態(tài)熱分析，運行并打開結(jié)果定義窗口，選擇溫度參數(shù)，確定并顯示。</p><p>　　我們可以得到瞬態(tài)熱分析的溫度分布圖，如圖3-13</p><p>　　圖3-13瞬態(tài)

74、熱分析</p><p>　　點擊“編輯”窗口，選擇溫度曲線參數(shù)，確定并顯示，我們就得到了瞬態(tài)溫度變形曲線，圖3-14.</p><p>　　圖3-14 瞬態(tài)熱分析</p><p>　　從圖中我們可以了解到活塞頂部的溫度是很高的，通過散熱，由活塞體散熱，使得溫度在活塞由上到下遞減，有曲線可以看出，遠離銷座的活塞裙部散熱是比較快的。</p><p&g

75、t;　　通過進行活塞的結(jié)構(gòu)分析和熱分析，我們可以將兩個分析的狀況結(jié)合在一起，進行一次耦合分析。點擊“Mechanica”，進入結(jié)構(gòu)分析的界面，找到加載全局溫度載荷，設(shè)置適合溫度600℃。加載界面如圖3-15.</p><p>　　圖3-15全局溫度加載</p><p>　　進入分析界面，并運行。設(shè)置結(jié)果參數(shù)，得到耦合的靜態(tài)應(yīng)變圖3-16</p><p>　　圖3-1

76、6耦合靜態(tài)應(yīng)變圖</p><p>　　應(yīng)變曲線為圖3-17.</p><p>　　圖3-17耦合靜態(tài)應(yīng)變曲線</p><p>　　新建模態(tài)分析，設(shè)置參數(shù)要求，耦合后的模態(tài)應(yīng)變圖3-18</p><p>　　3-18耦合模態(tài)應(yīng)變圖</p><p>　　耦合模態(tài)應(yīng)變曲線圖3-19.</p><p>

77、　　3-19耦合模態(tài)應(yīng)變曲線</p><p>　　為了使活塞能盡快的將熱量散發(fā)出去，以致活塞的整體溫度不是太高，從而不會影響到活塞的工作性能，我們要采取一些措施使得活塞散熱較快。</p><p>　　1活塞頭部盡量做的較厚鞋，從活塞頂?shù)江h(huán)槽區(qū)的斷面變化要盡可能的圓滑，過渡圓角應(yīng)足夠大。</p><p>　　2第一道環(huán)上面車出較環(huán)槽窄的隔熱槽，隔斷從活塞頂部流下來的部

78、分熱流通路，把原來應(yīng)由第一道環(huán)散走的熱量，分散到第二、三道環(huán)，加速散熱。</p><p>　　3在油環(huán)上鉆出油孔，使活塞得到更好的冷卻。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文對柴油機的活塞、連桿、曲軸進行三維建模。然后將建好的模型在Proe5.0軟件中進行動力學(xué)仿真分析，得到了活塞的運動情況及活塞、連桿、曲軸上的受

79、力情況，其中的重點是三維模型的建立和和各種約束條件的添加。因為三維模型的建立精確程度直接影響慣性力的大小，而各種約束使得所建立的零件的運動能夠與實際內(nèi)燃機的運行情況一致。</p><p>　　利用Proe5.0的動力學(xué)分析和熱分析功能，本設(shè)計對活塞進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力分析和熱分析。并且可以達到直觀的結(jié)果，能夠直接運動到實際情況中，并且可以為進一步的研究提供條件。這種方法簡單方便，比傳統(tǒng)的計算分析使用的時間要少，精

80、確度高。</p><p>　　盡管本文的研究達到了預(yù)期的目標，但是仍有一些問題有待進一步解決。比如活塞分析時沒有進行優(yōu)化的設(shè)計，不能達到活塞設(shè)計的精確的設(shè)計意圖，因此可能要在零件的實際加工過程中加以解決，所以還有很多能需進一步的研究改進。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊）．北京：機械工業(yè)

81、出版社．2009.2</p><p>　　袁兆成.內(nèi)燃機設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，2008.7</p><p>　　周龍保.內(nèi)燃機學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，2010.8</p><p>　　楊連生.內(nèi)燃機設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1981</p><p>　　H 李斯特，A 匹辛格.內(nèi)燃機設(shè)計總論.北京：機械工業(yè)出版社，1986</

82、p><p>　　柴油機設(shè)計手冊編委會.柴油機設(shè)計手冊.北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1984</p><p>　　范欽滿.Pro/E應(yīng)用教程 東南大學(xué)出版社，2006.11</p><p>　　喬建軍.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0動力學(xué)與有限元分析.機械工業(yè)出版社，2010</p><p>　　劉鴻文.材料力學(xué).北京：高等

83、教育出版社，2004.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在論文結(jié)束之際，謹向我的導(dǎo)師曾文老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。在我大學(xué)期間，對幫助、傳授我專業(yè)上的科學(xué)知識，關(guān)懷和精心指導(dǎo)學(xué)習(xí)的南昌大學(xué)的老師們同樣致以崇高的敬意和衷心的感謝。老師們淵博的學(xué)識、嚴謹求實的科學(xué)精神、科學(xué)的思維方式、敏銳的創(chuàng)新思維都使我受益匪淺，在今后的學(xué)習(xí)、工作和生