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由前述可知，在活塞销中心处，同时作用着气体作用力Pg和往复惯性力Pj，由于作用力的方向都沿着中心线，故只需代数相加，即可求得合力
P??Pg?Pj （2.14）
计算结果如表2.4所示。
4、活塞上的总作用力P?分解与传递
如图2.5所示，首先，将P?分解成两个分力：沿连杆轴线作用的力K，和把活塞压向气缸壁的侧向力N，
其中沿连杆的作用力K为：
K?P?而侧向力N为：
N?P?tan? （2.16）
表2.4 作用在活塞上的总作用力P?
四个冲程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点 气压力Pg/N 77.23 -102.97 7001.933 1801.968
往复惯性力Pj/N 总作用力P?/N 1 （2.15） cos??10519.681 6324.5 ?10442.45 6221.54 ?3517.747 8126.478 ?10519.681 6324.5 12
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图2.5 作用在机构上的力和力矩
连杆作用力K的方向规定如下：使连杆受压时为正号，使连杆受拉时为负号，缸
壁的侧向力N的符号规定为：当侧向力所形成的反扭矩与曲轴旋转方向相反时，侧向力为正值，反之为负值。
当?=13时，根据正弦定理，可得：
?lr? sin?sin?求得 ??arcsinrsin?40.23?sin13??arcsin?3.48? l149将?分别代入式（2.15）、式（2.16），计算结果如表2.5所示：
表2.5 连杆力K、侧向力N的计算结果
四个冲程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点
力K通过连杆作用在曲轴的曲柄臂上，此力也分解成两个力，即推动曲轴旋转的切向力T，
连杆力K/N 侧向力N/N ?10717.128 6385.19 ?2410.83 1436.356 ?3610.278 8340.237 ?812.136 1896.923 13
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即 T?Ksin(???)?P?和压缩曲柄臂的径向力Z，即
sin(???) （2.17）
cos? Z?Kcos(???)?P?cos(???) （2.18）
cos?规定力T和曲轴旋转方向一致为正，力Z指向曲轴为正。 求得切向力T、径向力Z见如表2.6所示:
表2.6 切向力T、径向力Z的计算结果
四个冲程 进气终点 压缩终点 膨胀终点 排气终点 切向力T/N 径向力Z/N ?3040.242 1811.355 ?10276.856 6122.8789 ?1024.17 2365.96 ?346.964 7997.61 2.3 本章小结
本章首先分析了曲柄连杆机构的运动情况，重点分析了活塞的运动，在此基础上分析了每个工作过程的气体压力变化情况，进一步推导出各过程气体力的理论计算公式，进行了机构中运动质量的换算，并根据EA113型汽油机的具体结构参数计算出了各过程的气体力，为后面章节的动力仿真提供了理论数据的依据。
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第3章 活塞组的设计
3.1 活塞的设计
活塞组包括活塞、活塞销和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 活塞的工作条件和设计要求
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括周期变化的气体压力、往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。在机械载荷的作用下，活塞各部位了各种不同的应力：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。此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。
为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，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
2000?C~2500?C。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[9]。
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，磨损情况比较严重。
4、活塞组的设计要求
（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）有合理的形状和壁厚。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损失； （4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；
（5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收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。
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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300~400?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和平衡配重； （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和导热性差两个根本缺点而逐渐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50~70%。因此其惯性小，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3~4倍，使活塞温度显著下降。对汽油机来说，采用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。
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，适应大量生产工艺的要求，应用也很广。
综合分析，该发动机活塞采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
活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，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，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；
（2）保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；
（3）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度H1缩短1单位，整个发动机高度就可以缩短1.5~2单位，并显著减轻活塞重量。而H1则直接受头部尺寸的影响。
2、压缩高度的确定
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