（载运工具运用工程专业论文）基于ug二次开发的车用活塞组cad系统.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的发展和市场竞争的日益激烈，各行各业对通用c a d 软件提出了越 来越细化的专业需求，他们希望一种符合他们设计习惯的c a d 软件更快速、更高效的实 现他们的设计要求，而要他们自己开发一种专门软件，不仅耗时，而且成本高，所以选 择一种现有的通用c a d 软件来进行符合他们设计需求的二次开发就成为他们的一个有效 选择。 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。现有的活塞组设 计中也存在这样的问题：先根据经验确定活塞尺寸，校核完了再将这些尺寸逐个转化为 模型数据输入到通用c a d 软件里，建立其三维模型并进行校核等。这是一个重复而繁琐 的过程，但又是活塞设计所必须的过程。所以为了解决这个问题，本论文针对活塞组的 自身设计特点，依据特征建模技术和参数化驱动技术，开发了一套可供用户快速设计和 建立活塞组三维模型的活塞组c a d 系统。 本论文是在w i n d o w s2 0 0 0 的微机操作系统上，用v i s u a lc + + 6 0 作为集成开发环境， 以u gn x 为参数化c a d 系统平台来实现的。本论文主要包括以下内容：首先是确定影响 活塞、活塞销和活塞环主要结构的参数及其尺寸范围，编写活塞组参数选择初始化界 面；其次在v i s u a lc + + 集成开发环境中编写接口程序调用u g o p e na p i 函数来快速建立 活塞组参数化模型，并对其进行必要的校核。 活塞组c a d 系统不仅可以提高设计效率和质量，而且也符合现代技术的发展要 求。 关键词活塞组：二次开发；u g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n g i yf i e r c em a n e t c o m p e t i t i o n , e v e r yw a l ko fl i f ea s k sf o rm o r es o p h i s t i c a t e dd e m a n dt ot h ec o m m o nc a d s o f t w a r e t h e yh o p eak i n do fc a ds o f t w a r et h a t f i t st h e i rd e s i g nh a b i tc a na c h i e v et h e i r d e s i g nr e q u i r e m e n t sf a s t e ra n dm o r ee f f i d e n t b u tt h e yc a n td e v e l o pas p e c i a l i z e ds o f t w a r e ， f o ri t sat i m e c o n s u m i n ga n dc o s t l yw o r k t h e r e f o r e ，t or e d e v e l o pa l le x i s t i n gg e n e r i cc a d b e c o m e st h e i re f f e c t i v eo p t i o n p i s t o na s s e m b l yi n c l u d e sp i s t o n ，p i s t o np i n ，p i s t o nr i n ga n do t h e rp a r t st h a tr e c i p r o c a t ei n t h ec y l i n d e r e x i s t i n gp i s t o na s s e m b l yd e s i g na l s o i d e n t i f i e dt h ep r o b l e m ：f i r s t ，e n s u r et h e p i s t o ns i z eb a s e do l lt h ee x p e r i e n c e ；t h e n ，c h e c kt h es i z ea n dp u tt h e s ed a t ai n t om o d e l so f u n i v e r s a lc a ds o f t w a r e ，b u i l dt h e i rt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l t h i si sac u m b e r s o m ea n dr e p e a t p r o c e s s ，b u ti t san e c e s s a r yp a r to fp i s t o na s s e m b l yd e s i g n t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e r a i m sa tt h ep i s t o na s s e m b l y sd e s i g nf e a t u r e ，d e v e l o pap i s t o na s s e m b l yc a dt h a tc a l lr e a l i z e u s e r s f a s t e rd e s i g na n db u i l d i n go ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ep i s t o na s s e m b l y t h i sp a p e ri sb a s e do nac o m p u t e ro p e r a t i n gs y s t e mi nw i n d o w s2 0 0 0 u s i n gv i s u a l c + + 6 0a si n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t u s i n gu g n xf o rt h ep a r a m e t r i cc a ds y s t e m p l a t f o r m s t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g ：f i r s t ，d e t e r m i n et h e p a r a m e t e r st h a td e t e r m i n et h em a i ns t r u c t u r eo ft h ep i s t o na s s e m b l ya n dt h e i rs i z e sa n dc o m p i l e p i s t o ni n i t i a l i z a t i o ni n t e r f a c e ；s e c o n d c a l lu g o p e na p ii nt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf o rv i s u a lc + + t ob u i l dt h em o d e l sa n dc h e c kt h es i z ei fn e c e s s a r y t h i ss y s t e m 啪n o to n l yi m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y , b u ta l s om e e tt h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s p i s t o na s s e m b l y ；r e d e v e l o p ；u g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特另, j j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤i 鱼盗些叁茔或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：韩嫒 签字日期：2 0 0 7 年6 月污日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔韭盐些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权壅j 垦盎些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权二b ) 学位论文作者签名：韩援 签字日期：2 0 0 3 年6 月9 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名；形：坎饧 签字日期：伽订年石月如日 电话： 邮编： 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 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，它们是活塞式发 动机中工作条件最严酷的组件l u 。活塞组的设计质量直接影响发动机的功率、燃油率、 油耗和排放性能等，而且内燃机的工作可靠性与耐久性也在很大程度上与活塞组的工作 状况有关【2 j ，所以活塞组在内燃机设计中占有十分重要的地位。 然而和发动机整机设计一样，活塞组至今还没有形成一套完整的设计方法。一般活 塞的设计要通过反复试验，反复试制，不断修改才能最后定型，设计周期长，试制费用 高 3 1 。而且在活塞组设计过程中，对于每一个新的活塞组都要进行一次新的实体造型。 如果过去从未造型过类似的活塞组，进行一次实体造型无可厚非，但是如果已进行过类 似产品的造型，再对新活塞组重新造型，无疑会导致大量不必要的重复劳动。为了解决 活塞组设计过程中的多次重复造型问题，迫切需要这样的一个系统：该系统可提示给用 户活塞组各部件主要参数的选择范围，并根据这些参数建立活塞组各部件的三维模型 1 4 1 。 采用c a d 技术在计算机上进行活塞设计、修改、分析计算和运动仿真，不仅可以 提高设计质量，而且可以提高一次设计成功的概率，减少试制次数，缩短设计周期，降 低开发新产品的成本闭。目前，应用较多的三维c a d 软件有p r o e n g i n e e r 、u g 、 c a t i a 、s o l i d w o r k s 等 s l 。这些都是商品化的通用平台，基本上覆盖了整个制造行业， 但是专业针对性差，因而不能满足各种各样具体产品的设计需要，在实际的工程设计中 难以达到理想效果，几乎不能真正实现灵活高效的特点【6 l 。 c a d 软件的开发就是出于这样一个目的：设计出的软件系统作为设计工具来辅助 具体的机械设计，为工程设计人员创造方便、灵活、高效的设计环境。目前对于c a d 系统的开发方法主要有3 种：完全自主版权的开发；基于刚c a m 软件平台的丌 发；基于某个通用c a d 软件的开发。其中第一种方法一切从底层做起，开发周期最 长，适于大型c a d 系统的开发：第二种方法开发周期较短，但开发平台价格昂贵，适 合大中型c a d 系统的开发：第三种方法开发周期最短，开发成本最低，且灵活多变， 适合中小型c a d 系统的开发i 刀。显然活塞组c a d 系统的开发适合用第三种方法进 行，即选取一种先进的且具有丰富参数化造型技术和接口开发技术的c a d 平台进行二 次开发。 u n i g r a p h i c s 是全球主流c a d 系统，是计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程和产 品数据管理( c a m a 卿p d m ) 一体化的软件系统之一。自从u g 推出以来，在 航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其他高科技领域得到了广泛的应 用。该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配及生成工程图等设计功能， 东北林业人学硕卜学位论文 还可以在设计过程中进行有限元分析、动力学分析和仿真模拟，从而提高了设计的可靠 性。同时它还可以通过对三维模型直接生成数控代码，用于产品的h n - r 。另外通过它自 身提供的u g o p e ng r i p 以及u g o p e na p i 等二次开发语言，便于用户开发专用 c a d 系统1 8 l 。 基于这样的背景，本文深入研究了u g 用户定制和二次开发方法，在用户界面设计 和程序设计两方面不断实践，获得了u g 用户定制和二次开发的完整实施方案。同时， 根据活塞组各个部件的设计特点，利用v c + + 开发了基于u g n x 软件的活塞组c a d 系 统。这个系统可自动生成活塞组各部件三维造型，并可对各部件进行一些方面的强度校 核等，这是传统方法所无法比拟的，极大的提高了活塞组的设计效率，使设计者从不必 要的重复性的劳动中解脱出来，更多的关注于后续的有限元分析、运动仿真以及数控加 工生产的需要。 1 2u g 二次开发的现状 u g 应用开发( 又称u g 二次开发) 是指在u g 软件平台上，结合具体的应用需 求，总结行业的设计知识和经验，开发面向行业和设计流程的c a d 系统。虽然在通用 c a d 基础上融入专业知识构建专用c a d 系统是当前深化c a d 应用的潮流，但是由于 一方面目前企业中很少有这方面的开发人才，另一方面企业在这方面的重视和投资力度 不够，所以，目前，利用u g 二次开发技术开发适合专业需求的系统，在国内研究比较 多的还只仅限于高校。 西南交通大学的学者们在u g 的基础上研究和提出了行星减速器三维特征造型系统 及参数化设计系统，针对行星减速器系列化、规格化，建立基于特征参数化的行星减速 器新产品开发的框架；以u g 、v c + + 等软件平台为基础，建立一套行星减速器三维设 计系统，它包括产品性能设计、特征造型、虚拟装配等功能模块p l 。 青岛科技大学的学者们在u g 二次开发基础上构建了一个超声振动c a d 系统。此 系统包括变幅杆设计计算模块、换能器设计计算模块和振动系统装配模块。可自动牛成 这些部件的三维造型，极大的提高了设计效率，缩短了研发周期，减轻了设计人员的劳 动强度i l 。 山东理工大学的学者们通过对u g 进行二次开发，实现了轻型货车车身造型元素的 参数化设计。此系统以数据点的参数化为基础，构建出一种参数化的车身模型。并存整 车参数化的基础上实现了各造型元素的参数化设计，能达到有效、方便的进行车身造型 计算机辅助设计的目的l l ”。 湖南大学的学者们在在对参数化与特征建模基本理论、u g 二次开发相关技术以及 基于u g 的标准件建库方法等进行深入研究的基础上，综合运用u g 各二次开发工具对 u g 进行二次开发的基础上，建立了汽车冲模标准件库i x 2 1 0 虽然在通用软件u g 基础上构建专用c a d 系统，在高校已不罕见，但是在通用软 件基础上开发活塞组c a d 系统，这方面的研究国内还颇有欠缺。本人在总结前人工作 1 绪论 的基础上，开发了一个简单、易学、易用的活塞组c a d 系统。此系统可提示用户快速 进行活塞组各部件参数的选择，并自动建立各部件的三维模型，且可对其进行必要的校 核等。 1 3 主要研究内容 本文在研究u g 二次开发及活塞组设计的理论基础上，就如何建立基于u g 二次开 发的活塞组c a d 系统进行了深入研究，完成了活塞组c a d 系统的设计。具体内容如 下： ( 1 ) 分析研究了u g 二次开发工具和活塞组各部件的设计方法，是本文的理论依 据。 ( 2 ) 分析了活塞组c a d 系统总的设计要求。针对这些设计要求，根据u g 二次 开发工具的特点，制定了活塞组c a d 系统二次方法的完整实施方案。 ( 3 ) 应用u g 开发工具，制定了活塞组c a d 系统的用户界面，包括使用 u g o p e nm e n j u s c r i p t 设计用户菜单、使用u g o p e nu i s t y l e r 制定用户对话框及定制用 户工具栏的具体实现方法：详细说明了活塞组c a d 系统工程环境的设置：活塞组c a d 系统建模及校核功能的具体实现，主要以汽油机活塞为例，介绍了本系统活塞建模的实 现过程。 ( 4 ) 最后给出实例说明活塞组c a d 系统的使用流程。 2 活塞组c a d 系统设计理论依据 由于活塞组c a d 系统是在u g 二次开发的基础上，实现的活塞组设计过程的自动 化，所以本章主要介绍了u g 二次开发技术与活塞组设计技术，为下文系统设计做铺 垫。 2 1u g 二次开发的关键技术 二次开发是指在现有的软件基础上，为了提高和完善软件功能，使之更加符合用户 需求，而对软件傲的开发工作。其目的是提高设计质量和效率，充分发挥通用软件的价 值1 1 3 1 7 。 u g 软件中的应用开发模块提供了较为完整的应用开发工具集，利用该工具集可对 u g 系统进行用户化裁剪和开发，满足用户的专业需求【i 甜。u g o p e n 是一系列u g 开发 工具的总称，是u g 软件为用户提供的最主要的开发工具。它主要由u g o p e na p i 、 u g o p e ng r i p 、u g o p e nm e n u s c d p t 和u g o p e nu i s t y l e r 四个部分组成 1 9 l 。 2 1 1u g ，o p e na p i u g o p e na p i ( 又称u s e rf u n c t i o n ) 是一个允许用户访问且最终改变u g 对象模型 的程序集。u g o p e na p i 中封装了近2 0 0 0 个u g 操作的函数。u g 系统中大部分的操作 都可以通过这些函数的组合和调用来实现，是应用最为广泛的二次开发工具。 u g o p e na p i 程序按其连接方式分为两种，内部模式( i n t e m a ! 环境) 和外部模式 ( e x t e r n a l 环境) 。采用内部模式开发的程序，其优点是可以连接的更快且程序更小并 能与用户交互，该程序以d i l ( 动态链接库) 的方式被调到u g 的进程空i 日j 中，一旦调 进便常驻内存，该类型程序的运行可以从u g 图形界面来调用，另外还可以从u g o p e n m e n u s c r i p t 、u s e rt o o l s 和u g o p e ng r i p 里调用；采用外部模式开发的程序以e x e 方 式可以直接在操作系统下运行，独立于u g 系统，其缺点是无法实时显示图形与用户交 _ e t 删。 u g o p e na p i 程序使用的是c 或c + + 编程语言。基于w i n d o w s 操作系统的u g 二 次开发可以在v c + + 6 0 或v c n e t 环境下进行，v c 提供的各类库函数和丰富的编程资 源进一步提升了u g o p e na p i 的功能，同时也为集成企业原有的c c + + 语言程序提供了 方便1 2 1 1 。这些函数一般放置在u g 安装目录下的文件夹u g o p e n 中。文件夹u g o p e n 中的文件基本包括两种类型：c 文件和h 文件。其中h 文件给出了函数的原型和特 殊数据结构的定义，而t c 文件则是其中一部分函数的应用例子。 2 1 2 u g o p e ng r i p 在o g o p e na p i 工具发布之前，u g 的应用开发工具是u g o p e ng g l p 。u g o p e n g r i p 是一种专门的图形交互编程语言，它同其他的开发语言( 如c 语言) 一样，有其 2 活塞组c a d 系统设计理论依据 自身的语法结构【矧。u g o p e ng r i p 编程语言是面向工程师的语言：具有简单、易学、 易用的特点，但是所编写的程序长、复杂。因此u g o p e ng r i p 语言常用于开发一些规 模比较小的程序。 2 1 3 u g o p e nm e n u s c r i p t u g o p e nm e n u s c r i p t 是创建用户菜单的工具，该工具语法简单。u g o p e n m e n u s c r i p t 支持对u g 主菜单的修改和添加用户自定义的菜单。通过它可以修改u g 菜 单布局，从而由此调用用户自己开发的应用程序。 2 1 4 u g o p e nu i s t y l e r u g o p e nu i s t y l e r 是开发u g 对话框的可视化工具，其生成的对话框与u g 集成， 使用户可以方便、高效的与u g 进行交互操作。直接将对话框中的基本控件进行组合与 布局，可以创建满足不同功能需求的u g 风格对话框。使用u i s t y l e r 创建的对话框时， 系统自动生成三个文件：d i g 、h 和c 2 1 5 各开发工具相互关系 u g 软件为用户提供的各种二次开发工具，不但可以独立使用，而且可以相互调用 其它工具开发的结果，这就大大扩展了工具本身所具有的功能，方便用户进行二次开 发。基于基本菜单制作技术的m e n u s c r i p t 可以调用u i s t y l e r 开发的对话框，m e n u s c r i p t 所开发的菜单和u 1 s t y l e r 开发的对话框均可以调用g r i p 程序和a p i 程序【矧。g r i p 语 言编写的程序和a p i 程序之间也可以相互调用，其相互调用关系如图2 - 1 所示。 图2 - 1 开发工具相互调用关系 考虑到u g o p e ng r i p 有很大的局限性，所以本文选用工具u g o p e na p i 、 u g o p e nm e n u s c r i p t 、u o o p e nu i s t y l e r 进行活塞组c a d 系统的设计。 2 2 活塞组设计的关键技术 在设计活塞组之前，必须对它的应用范围进行基本的设定：柴油机或者汽油机、四 冲程或者二冲程、内燃机的冷却方式水冷或者风冷、内燃机的缸径及最高燃烧压力等 f 川。这些是用户对活塞组的要求，有了这些要求，便可以针对不同要求设计出满足用户 需求的活塞组。 2 2 1 活塞的设计 2 2 1 1 活塞的工作条件和设计要求 ( 1 ) 活塞的机械负荷 东北林业大学硕l 学位论文 内燃机运转过程中，不断变化的燃气压力作用于活塞上，通过活塞、连杆传递给曲 轴而输出功率。作用在活塞上的作用力为： 只。擘【p p t ) ，( n ) ( 2 1 ) | 式中p 气缸内气体压强( p 。) 。 p 曲轴箱内气体压强( p 。) ，一般为大气压强。 d 内燃机活塞直径( r a m ) 。 直径为1 3 5 m m ，p 为9 x 1 0 6p 。的柴油机活塞顶上就作用着高达1 1 8 0 0 0 n 的气压 力。可见活塞的机械负荷很大，它使活塞各部分产生机械应力和变形，严重时会使活塞 销座从内侧开始纵向开裂，第一道环岸断裂等等。有时与它相配合的活塞销也会因此而 卡死或者断裂。 活塞组在气缸里作高速往复运动时，会产生极大的惯性力。目前，发动机向高速发 展，活塞组的最大惯性力一般己达活塞本身重量的10 0 0 2 0 0 0 倍( 汽油机) 和3 0 0 6 0 0 倍( 柴油机) 。周期性变化的惯性力引起发动机的振动，久而久之会导致发动机的耐久 性下降。 由于连杆的摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞会受到一个交变的侧压力， 使气敲打缸套，久而久之会使活塞裙部严重变形，缸套脱落。 为适应严重的机械负荷，活塞应有一个合理的形状和适当的壁厚，活塞各部分应过 渡均匀，以减少应力集中。为减小惯性力，在保证足够的强度和刚度的前提下，活塞组 应尽量轻量化l 矧。 ( 2 ) 活塞的热负荷 活塞在气缸内工作时，活塞顶部承受着高温燃气的作用，燃气的最高温度可达 20 0 0 - 25 0 0 ，所以活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，而且温度分布很不均 匀，各点日j 有很大的温度差异，这些温度梯度就成为活塞热应力的根源。正是这些活塞 热应力成为活塞顶部表面发生的开裂的一个很大诱因【2 6 2 7 l 。 因此在活塞设计时，应该选择导热性能好的材料，并且在3 0 0 枷o 时仍保持足够 好的机械性能：在结构上尽量减小活塞的吸热面积，而已吸收的热量则能保证很好的散 走，适当加大传热断面，使活塞顶和环区的最高温度控制在一定范围内，减小温度梯 度。 ( 3 ) 活塞润滑不良 活塞在气缸内工作时，在侧压力的作用下。高速滑动。而缸壁一般靠飞溅润滑，因 此活塞润滑条件差，摩擦损失严重，易使得活塞和活塞环磨损失效。因此，设计活塞 时，要j 下确选择活塞和活塞环的材料，使它们有足够的减磨性；选择合理的活塞环断 面，使活塞环、活塞裙部与缸套间保持良好的润滑油膜i 丝j 。 ( 4 ) 设计要求 综上所述，活塞是在高负荷、高压力、高温度、润滑不良的条件下工作，因此要求 2 活塞组c a d 系统殴计理论依据 活塞：要有足够的刚度和强度：导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；质量小，重量 轻，尽可能减小往复惯性力。 2 2 1 2 活塞的材料 由于上述要求往往是相互矛盾的，到目前为止还没有一种能满足以上所有要求的单 一材料。所以在选择活塞材料时，一定要综合考虑材料的优缺点，选择符合自己要求的 材料。表2 - 1 为几种活塞材料性能的比较。 表2 1 常见活塞材料的主要性能 由表2 1 可知：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。曾广泛的作为活塞材料。铝合金的优缺点与铸铁正相反，铝合金比重 小，约只有灰铸铁的1 ，3 ，因此其惯性小，这对高速发动机有重大意义。铝合金另一个 突出优点是导热性好，其热传导系数约为灰铸铁的3 倍，使活塞温度显著下降。铝活塞 由于材料强度差，而比重小，所以有必要也有可能加大活塞断面，从而促进了温度场均 匀化，减小活塞热应力冽。铝合金的缺点是热强度不好，即温度升高时抗拉强度和硬度 下降较快；另外一个缺点是线膨胀系数大，为控制其热变形使得结构设计复杂化；还有 其制造成本较高。 近几十年来，随着发动机转速的不断提高，发动机工作强度的日益强化，铸铁活塞 因其比重大和导热性差这两个致命缺点而逐渐被淘汰。而铝合金由于其优越的小比重、 良导热渐渐成为活塞材料的首要选择。 2 2 1 3 活塞头部的设计 虽然影响活塞设计的因素很多，但是活塞的大部分主要尺寸并不是随意给定，这是 由发动机总体设计来决定的。发动机设计之初，首先经计算来确定重要的设计参数，如 缸径、冲程等，再进行总体设计，总体设计对各重要零部件的主要尺寸进行确认，如连 杆长度、气缸高度，同时也确定了活塞的压缩高度，这个尺寸在总体设计后就已经确定 了，活塞设计必须围绕着总体设计时确定的原则来进行【3 0 1 。同时，活塞设计与其它系统 设计也是密不可分的，如活塞上的燃烧室，应与气道的设计、燃烧系统的设计密切联 系，活塞裙部的尺寸应与曲轴平衡块的设计密不可分。图2 - 2 画出了活塞的主要部位及 其结构参数。 图2 - 2 活塞的主要结构尺寸 ( 1 ) 压缩高度的确定 第一环位置舵 根据活塞环的布置确定活塞压缩高度h 3 时，必须先确定出第一环的位置，即所谓 火力岸的高度1 1 2 。为了减小压缩高度h 3 ，当然希望厅2 越小越好。但是砣太小会使得 第一环温度过高，从而容易造成活塞环粘结、松弛等故障。由于柴油机活塞工作条件更 恶劣，所以舵应更大些。至于其确切的数值，一般参考同类比较成熟的发动机确定， 最后再通过样机试验考核。一般：汽油机h 2 = 似0 6 - - o 0 8 ) d ，柴油机 h 2 = ( o 1 5 一o 2 5 ) d 1 。 环槽高度6 j 、6 2 为减小活塞高度，环槽高度当然越小越好，这样活塞环的惯性力也会变小，对环槽 断面的冲击变小，从而会提高活塞环的耐久性。但环槽高度太小，使制环工艺困难。在 小型高速内燃机上，般气环高2 3 m m ，油环高4 - 6 m m 。 环岸高度 实践表明，活塞第一环岸有时会沿着岸根整圈脱落下来。所以环岸高度的选择原则 是：在保证环岸可以承受气体压力的前提下，取尽可能小的环岸高度。当然，第二、三 坏岸承受的负荷要比第一环岸小的多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，才 可能被破坏。所以，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明， c l - - ( 1 5 2 5 ) b j ，c 2 = c 3 可1 - 2 ) b l ，汽油机接近下限，柴油机特别是增压柴油机取上限， 因为后者负荷重。 活塞环数 活塞环的数目对压缩高度有很大的影响。目前高速汽油机一般用2 0 道气环和l 道 油环。事实上只要活塞环工作正常，2 道气环已有足够的密封作用。高速柴油机一般用 3 道气环，以保证可靠的启动。 2 活露组c a d 系统i 殳汁理论依据 综上所述，现代高速内燃机活塞的压缩高度应保证在下述范围内：汽油机1 - 1 3 = ( 0 4 5 - 0 6 0 ) d ，柴油机 r 3 = ( 0 6 - 0 8 ) d 。由于这一尺寸直接影响发动机的压缩比， 又可能造成活塞顶与气门碰撞的故障，所以要严格保证其公差。 ( 2 ) 活塞顶和环槽断面 活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞的设计出发，为了减轻活 塞的应力集中和热负荷，采用受热面积最小和加工最简单的活塞顶形状即平顶。所以， 大部分汽油机的活塞顶都做成平顶，好多非直接喷射的柴油机也采用平顶或者接近平顶 的形状。而对于直接喷射的柴油机，为了混合气形成的需要，需要在活塞顶设有一定深 度的凹坑作为燃烧室。 正确设计环槽断面，对于环和环槽工作的可靠性和耐久性十分重要【3 l j 。如环槽底部 ( 图2 3 ) 圆弧不够大，则可能因应力集中而发生疲劳裂纹；但如果圆弧太大，又会妨 碍环自由缩进活塞环槽。因此槽底圆角一般为0 2 加5 m m 。活塞环岸必须有适当的倒 角，否则岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原 因。但倒角过大又使环漏气增加，一般该倒角为o 2 0 5 4 5 。 活塞环活塞气缸体 圈2 - 3 环与环槽的配合间隙及环槽结构 ( 3 ) 头部与气缸的配合 活塞头部直径的设计原则是：在保证发动机正常运转的前提下，环带不与气缸壁直 接接触，以免磨坏活塞头部。故活塞头部的装配间隙必须考虑活塞材料与气缸壁材料在 工作温度下热膨胀的差别，即活塞头部与缸壁的间隙 d ( 缸；p 一缸；殷) ，( m m ) ( 2 - 2 ) 式中出：和址；分别是活塞头部和缸壁在工作状态下相对于装配状态温度( 一般为 2 0 3 ) 的升高量，称为工作温升。卢。为活塞的线膨胀系数，成为气缸体的线膨胀系 数。初步计算可假定：汽油机缸：一2 5 0 ，柴油机a t ；一3 0 0 ，而气缸工作温升 血：= 1 0 0 。这样即可算出活塞头部与缸壁的最小配合间隙，从而得到活塞头部所允许 的最大直径。由表2 1 中各种材料的线膨胀系数可计算出这些材料的活塞头部与缸套的 最小配缸间隙，如表2 2 所示。 表2 2 活塞头部与缸套的最小间隙 ( 4 ) 环岸的强度校核 做功冲程开始时，在巨大的气体燃烧压力作用下，第一道活塞环紧紧靠在第一环岸 上。由于气体节流作用，作用在环岸上的压力p 。比p ：大的多，巨大的压力差会在环岸 根部产生弯曲和剪切应力，当应力值超过活塞环岸在该温度下的疲劳极限或强度极限 时，环岸有可能沿着根部断裂。有实验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力p ，时， p l 一0 9 p ：，p 2 一o 2 p ： q o 环岸是一个厚c 、内外圆直径分别为d 、d - ( d - 2 t ) 的圆环形板，沿内圆柱面固 定，要精确计算固定面的应力比较复杂，所以可将其简化为悬臂梁进行大致的计算。于 是作用在岸根的弯矩为 m ( p l p 2 ) 手( d 2 一| d 口垮一1 0 9 9 p ：f 2 ( d f ) ，( n m ) ( 2 3 ) 而环岸根部断面的抗弯断面系数近似等于 c 知( d 一2 j ) t o 5 2 c ；( d 一2 t ) ( 2 4 ) 所以环岸根部危险断面上的弯曲应力为 盯一器器警圯，lp：硒(d-面t)t2，(ncm2t c 2 0 2 ) ( 2 - 5 ) 0 5 2 c ? ( d 一) 2 j ( d 一 。7 同理得剪切应力 f 一咖：而( o - t ) t c ，( 2 ) ( 2 6 ) ，( d 一丑) 一 合成应力公式 吒一石2 + 知2 ，( n c m 2 ) ( 2 7 2 2 1 4 活塞裙部的设计 ( 1 ) 裙部的尺寸 活塞裙是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞1 3 2 1 。当活塞裙与气缸之问配合 间隙太大时会敲缸，从而引起噪声过大和加速损伤等一系列问题；太小时会拉缸，从而 易造成重大事故1 3 3 j 。所以活塞裙的设计原则是保证在发动机的任何工况下，活塞裙与气 缸都有合适的间隙。由于铝合金的线膨胀系数大到2 0 左右，而在发动机的不同工况 下，活塞裙的温度差异又很大，所以要满足这个要求是很困难的。从导向角度考虑，裙 部的长度应尽可能长，但这又与内燃机结构紧凑性的要求相矛盾，所以裙部不能太长也 2 活辈组c a d 系统设计理论依据 不能太短。为此，必须综合考虑选择最合理的折衷方案。 ( 2 ) 销孔的大小及位置 实际发动机的统计表明：销孔纵向位黄只要满足这个等式h - ( 0 4 ，0 6 ) d ( 柴油 机) 、h 一( o 4 5 0 5 5 ) d ( 汽油机) ，销孔直径满足等式d ，d to 。3 5 0 3 8 ( 柴油机) d d 一0 2 5 0 3 0 ( 汽油机) 即可满足要求，除了少数例外。 某些发动机，主要是高速汽油机，活塞销轴线与活塞裙轴线并不相交，而是向承受 膨胀侧压力的一面( 称为主推力面，相对的一面称为次推力面) 偏移1 2 r a m 。这是因 为，如果活塞销中心布置，则在活塞越过上止点，侧压力作用方向突然改变时，活塞会 从气缸壁的一面突然整个横扫过来贴到另一面，与气缸发生“拍击”，产生噪音，有损 耐久性。为改善发动机的工作平顺性，可以把活塞销偏心布置，便可使瞬时的过渡变成 分步的过渡。 ( 3 ) 销座的设计 根据经验，活塞销座外径一般等于内径的1 4 - - 1 6 倍。为使活塞承受的巨大气体压 力通过销座传递时，尽量减小活塞的变形，可在销座和顶部之间设置加强筋。汽油机活 塞较好的结构方案如图2 4 a 所示，两撑筋几乎与销座径向连接，筋的斜角等于连杆的 最大摆动角。在高强化而结构又很紧凑的柴油机中，则经常采用完全刚性的实心支撑销 座，如图2 4 b 所示。 ( a ) 汽油机活塞销座的常用结构( b ) 柴油机活塞销座的常用结构 图2 _ 4 活塞销座常用结构图 ( 4 ) 裙部的膨胀控制 活塞裙为了更好的起导向作用，除了要有足够的尺寸外，还必须保证它与气缸间有 尽可能小的间隙，且不随温度变化。但实际使用结果发现，活塞裙部在活塞销直线方向 经常出现拉毛，这表明裙部在工作时，会沿活塞销方向伸长。为了改变这种现象，通常 采取以下两种结构措旅。 横向绝热槽和纵向补偿槽 为了减少从头部传递给裙部的热量，一般都在活塞裙上端加工出横槽。这样的绝热 槽一般开在活塞销座的左右两边，不仅起到绝热作用，对于从活塞顶到活塞销的传力影 响也不大。与此同时，还可以在活塞裙的次推力面上加工出纵向( 带不大的斜度) 直 东北林业大学坝i ：学位论文 槽，使裙部有一定的弹性。这样，裙部便可以采用很小的装配间隙，使得工作平稳。即 使活塞裙受热膨胀使装配间隙被消除，由于直槽的补偿作用，一般也不会发生拉缸。但 是裙部开槽大大削弱了活塞裙的强度和刚度，在负荷大的发动机中容易使裙部出现永久 变形，所以一般只适用于普通汽油机。 椭圆裙 对于负荷较大的柴油机活塞，由于活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多。为使 裙部在工作时具有比较均匀的自j 隙，不致在销孔附近卡住，在设计时可把裙部做成长轴 位于垂直销轴方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆裙。 2 2 2 活塞销的设计 一 活塞销与活塞及连杆小头之| 自j 一般采用全浮动方式连接，即在内燃机运转过程中。 活塞销会缓慢地转动，这样活塞销的磨损较均匀。 2 2 。2 1 活塞销的结构和尺寸 因为在其它相同的条件下，销重量与销直径的平方成正比，弯曲强度与销直径的立 方成正比，弯曲刚度与销直径的四次方成正比，所以挖去芯部可减轻重量，强度降低较 少，而刚度降低更少【弭l 。所以，汽油机活塞销的结构，一般都成中空的圆柱形( 图2 5 a 所示) 。而柴油机活塞销由于负荷大，外径很大，而壁厚考虑到失圆变形不能太薄， 因而往往很笨重。但是由于实际上，销座的负荷是向外逐渐减小的，所以在销座长度内 活塞销的壁厚可以向外逐渐减小，而不致使失圆变形超出许用值。因此，为了减轻重 量，柴油机活塞销内孔应制成锥形的( 图2 - 5 b 所示) 。 ( a ) 汽油机活塞销的典型结构( b ) 柴油机活塞销的典型结构 图2 - 5 活塞销的典型结构 2 2 2 2 销和销座的配合间隙 活塞销当1 日j 隙过大时会引起额外冲击，过小时不能保证润滑，使活塞销被咬死，所 以对销孔的配合精度要求高。经验表明：在工作温度下，活塞销与活塞销座间的配合问 隙最好在i o 0 0 0 3 0 0 0 0 5 ) d ，范围内。活塞销与销座的装配日j 隙可由公式2 8 算出。 2 d 。a 2 d l 一( 纹一反) & ( 2 8 ) 式中，、a i ，装配问隙和工作问隙，单位为m m ； 卢：、几销座和销的线膨胀系数，单位为c m c m ； 缸销和销座的工作温升，假定为1 2 0 0 。 2 2 2 3 活塞销的计算 2 话寒组c a d 系统搜计理论依据 活塞销的计算主要从以下三个方面着手： ( 1 ) 活塞销的弯曲变形 弯曲变形可按下式计算： f - 4 5 ( 1 _ 2 ) j 碲i 1 0 - , ( p m ) ( 2 - 9 ) 式中p ：为最高燃烧压力、a 一盔o 、6 一d 2 d i 。 允许的活塞销弯曲变形，应保证销座不因销的弯曲而损坏，这是与最高燃烧压力p ： 有关的，因压力越高，销座和销座撑筋必须设计的越厚实，结果使销座刚性增加，对销 挠曲的适应性变差。因此，柴油机的许用弯曲变形比汽油机小得多。另外，缸径增大 时，活塞头的高度增加，一般活塞销座的弹性增加，所以可认为许用变形与缸径成正 比。一般：柴油机r o t o 1 2 ，汽油机f o 0 4 。 ( 2 ) 活塞销的失圆变形 活塞销的内径d ，对销弯曲刚度影响很小，但如内径过大，销壁过薄，会使销断面被 压扁( 失圆) ，甚至纵向开裂。失圆变形可按下式计算： a d - 4 7 羞等( 等) 3 枷 协 l 一21 1 6j 一 般，活塞销许用失圆变形削1 2 ( 1 + 0 0 1 d ) m i l l 。 ( 3 ) 活塞销的应力一 活塞销的应力是纵向变形所产生的纵向弯曲应力与销的横断面失圆产生的横向弯曲 应力的组合。活塞销的纵向弯曲应力可表示为： 印0 0 9 3 翻，( n 咖2 ) 晓1 1 ) 活塞销的横向弯曲应力 咿0 0 6 8 5 去吾嚣，( n r a m z ) ( 2 - 1 2 ) 算出的总应力口- 彳+ 盯2 2 应在2 0 0 - 4 0 0 n n u n 2 范围内。 2 2 3 活塞环的设计 活塞环是内燃机关键零件之一，按其功用不同可分为：气环和油环。气环的功用是 密封气缸工作腔以形成燃烧室并将活塞头部的热量导出；油环的功用是使气缸壁上的润 滑油均匀化并防止多余的润滑油窜入燃烧室i 冽。 2 2 3 1 环参数的选择 ( 1 ) 选择径向压力。设计活塞环时首先应确定径向压力，环的弹力一般用 环压向气缸壁的径向压力风来表示。p 。过小，初始密封状态不易建立起来：过大，则 增加摩擦损失和磨损，而且环的工作应力也加大。各种发动机活塞环的最佳径向压力值 东北林业大学硕l ：学位论文 通常根据经验值确定，但须考虑发动机转速、环的直径与轴向高度、环的材料及润滑条 件等。一般，发动机转速越高，气环径向压力应越大；气缸直径越大，气环径向压力应 越小。 ( 2 ) 确定自由端距s o 。自由端距太大时，弹力足够但工作时的应力会变大；自由 端距太小时，虽然最大工作应力会变小，但套装应力变大，有可能使得环在套装时折 断。所以为使活塞环弹力足够而工作应力和套装应力都不至于太大，应谨慎确定自由端 距s 的值。一般，对于灰铸铁可取品d 1 3 1 4 ，球墨铸铁可取d - 8 1 0 。 ( 3 ) 确定径向厚度t 。一般对于汽油机气环来说d t = 2 0 - 2 5 ，对于柴油机气环来 说d t = 2 4 2 8 。 ( 4 ) 环的轴向高度b 。它对环的应力没有影响，但从活塞组结构紧凑及降低环的 质量惯性，提高抗颤振性角度出发，希望选用较小的轴向高度。目前一般汽油机为 2 3 r a m ，柴油机为2 5 - - 4 m m 。 ( 5 ) 环与环槽的配合间隙。环槽的侧隙过大，会勾剧环对环槽的冲击在铝合金 受热后硬度较低的情况下，这将使坏槽变宽，最终导致活塞报废