车辆与动力工程学院毕业设计说明书
第一章 前 言
§1.1 选题的目的和意义
活塞连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，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，活塞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活塞连杆机构设计的关键性问题。
通过设计，确定发动机活塞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。
清晰地了解活塞连杆机构在运行过程中的受力状态，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。
§1.2 国内外的研究现状
活塞是发动机的心脏，在汽缸内的活塞暴露在高温、高压的燃烧气体中做高速的往复运动，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键部件之一。在活塞设计中要求活塞具有充分的承受交变爆发压力的强度和高耐磨性，平稳的导向性和良好的密封功能，且质量要轻。 目前，为了优化活塞设计，国内外活塞设计制造机构在活塞的结构上作出了如下创新设计。a.采用推力侧与反推力侧非对称的设计。由于活塞在汽缸内上下运动的过程中，推力侧受力大于反推力侧，因此在设计活塞的过程中，便可以将反推力侧的面积设计的小些，从而达到降重的目的。b.优化活塞销形状，减少活塞销长度，改变活塞销座为楔形，从而使活塞销座的总长度最短。c.对于活塞销座最上面部分，优化其壁厚，以达到减轻质量的目的。d.为进一步保证销孔的安全，销孔中加衬套的设计实例在逐年增加，活塞的
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异形销孔也由以前的单边异形销孔演变为双边异形销孔。e.活塞的冷却方面最新的进展是开发出波浪形的内冷油道，也有个别设计实例，即为了加强对活塞环槽的冷却，将活塞环槽的耐磨镶圈与冷却油道设计为一体，极大地降低了活塞一环槽和活塞顶面的温度。f.为解决燃烧室喉口因爆发压力及火焰的冲刷而产生的开裂，燃烧室喉口采用陶瓷镶圈设计实例已经出现。
汽车发动机的未来发展方向是高动力输出和低燃油耗，因此活塞在保持其高可靠性的同时要求其更轻、摩擦损失更低。对于汽油机活塞而言，采用超短裙部的锻造铝活塞是未来的发展方向和目标。使用铝基复合材料能很好的适应未来轿车柴油机的高爆发压力，高耐磨的设计要求。对于重型车用柴油机而言，由于不能适应高爆发压力的需要，锻钢活塞会逐渐取代铝活塞而成为设计的主流。汽车发动机活塞正朝着高强度、高耐磨、高精度、低膨胀、轻量化、结构复合组合化得方向发展。
随着中国汽车市场的快速发展，特别是随着我国中重型汽车的快速发展和国3排放标准的全面实施，我国中高档发动机活塞市场将迎来历史性的巨大发展契机。据中国汽车协会统计，2010年全年，我国车用柴油机产销分别达到393.6万台和399万台，产销量双双突破历史记录。按照平均每车5缸计算，2010年商用车活塞市场产销量将达到1968万只和1995万只。本次毕业设计的目的就是通过对活塞材质的选取、结构的探究，加工过程的改进，来获得符合要求，拥有尽可能高性能的活塞。
发动机性能的改善，势必也对连杆提出了更高的要求，现代高性能发动机对连杆的要求是重量轻、强度高、刚度好、惯性力小，尽量采用强化工艺等。发展趋势是采用短连杆结构。发动机运动部件重量的减轻，有助于降低能耗和噪声；可以改善发动机的排放。对短连杆的需求是因为发动机正朝着体积小和功率大的方向发展。
§1.3 设计研究的主要内容
对内燃机运行过程中活塞连杆机构受力分析进行深入研究，其主要的研究内容有：
一、对活塞连杆机构进行运动学和动力学分析，分析活塞连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对活塞连杆机构的主要零部件进行强度、刚
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度等方面的计算和校核，以便达到设计要求；
二、分析活塞连杆机构中主要零部件如活塞，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；
三、应用AutoCAD对活塞连杆机构的零件分别建立平面图形系统地反应工程图上的各类信息，以便实现对机构的进一步精确设计。
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第2章 活塞连杆机构的受力分析
§2.1 活塞的分析
研究活塞连杆机构的受力，关键在于分析活塞连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对活塞连杆机构的主要零件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计，以便达到发动机输出转矩及转速的要求。
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，研究活塞连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。 §2.1.1 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?=0?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。
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此时活塞的位移x为:
x=A1A=A1O?AO=(r+l)?(rcos??lcos?)
=r[(1?cos?)?式中：?—连杆比。
式（2-1）可进一步简化，由图2.1可以看出：
rsin??lsin?
1?(1?cos?)] （2-1）
r即 sin??sin???sin?
l又由于 cos??1?sin2??1??2sin2? （2-2） 将式（2-2）带入式（2-1）得： ?=r[1?cos??1? (1??2sin2?)] （2-1）
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：
11 1??2sin2??1??2sin2???4sin???6sin6? （2-3）
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考虑到?≤ 1∕3，其二次方以上的数值很小，可以忽略不计。只保留前两项，则
式（2-4）带入式（2-3）得
x?r(1?cos??1 1??2sin2??1??2sin2? （2-4）
2?2 sin2?) （2-5）
§2.1.2 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v的精确值为
v?dxdxda?sin2????r?(sin??) (2-6) dtdadt2cos?将式（2-5）对时间t微分，便可求得活塞速度得近似公式为：
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