车用活塞发动机三维建模中的应用设计

欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 1 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 题目题目 Pro E 在车用活塞发动机建模中的应用在车用活塞发动机建模中的应用 院 系部 院 系部 万方科技学院机械与动力工程系万方科技学院机械与动力工程系 专业名称专业名称 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 年级班级年级班级 08 机设机设 1 班班 学生姓名学生姓名 闫闫 华华 伟伟 指导教师指导教师 周周 龙龙 年年 月月 日日 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 2 摘要摘要 发动机作为车辆的动力来源 其性能的好坏直接影响到车辆的动力 性 经济性 排放性及工作的可靠性和耐久性 随着汽车新技术的不断 涌现 人们对发动机性能的要求也越来越高 要求其能够在更宽的工作 范围具有更好的性能表现 Pro E 软件是目前国内外应用十分广泛的一 款三维建模的软件 应用 Pro E 软件实现该建模过程 其结果可用于直 接生成工程图 生成加工用的 NC 刀轨控制文件 通过用该软对发动机 各主要部件进行建模更有助于我们对车用发动机进行研究和改造 关键词关键词 发动机 Pro E 建模 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 3 AbstractAbstract Vehicle engine as the power source its performance directly affects the vehicle s power and economy performance emission performance and working reliability and durability Along with automobile new technology is ceaseless emerge in large numbers people on the engine performance requirements are also getting higher and higher the requirement is to in the wider scope of work has better performance The Pro E software at home and abroad are very broad application of a 3D modeling software the application of Pro E software to realize the process of modeling the results can be used to directly generate engineering drawing processing generation of NC tool path control file By using the soft of engine main parts modeling is more helpful for our team to conduct research and reconstruction of vehicle engine KeyKey words words Engine Pro E Modeling 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 4 目录目录 TOC o 1 3 h u 前言 5 1 Pro E 软件的介绍及其在三维建模中的作用 6 1 1 Pro E 具有以下主要特点 6 1 2 基于 Pro E 的零件模型构建 8 2 发动机简介 10 2 1 发动机的现状和发展方向 10 2 2 新型发动机的研究现状 10 2 3 四冲程发动机的工作原理 12 3 发动机主要零部件的设计建模 14 3 1 发动机的设计概念 14 3 2 活塞的建模 15 3 3 连杆的设计与建模 24 3 4 曲轴的设计与建模 29 3 5 活塞销的设计和建模 33 3 6 活塞环的设计和建模 36 3 7 小结 38 4 汽车活塞发动机零部件的装配 39 4 1 装配的概念和基本知识 39 4 3 汽车发动机主要零部件的装配过程及其步骤 40 4 4 小结 50 5 总结 51 参考文献 53 附录 54 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 5 前言前言 机械制造业是国家工业体系中的基础行业 在信息化快速发展的今 天 作为计算机辅助设计中的 PRO E 在产品的研发与生产中 起到了重 要的作用 同时该类软件的应用使传统的产品设计方法与生产模式发生 了深刻的变化 产生了巨大的经济和社会效益 美国 PTC 公司的 PRO E 软件自诞生那一天起 就引领机械行业的发 展 将一场深刻的变化带进了工业生产的各个方面 其优势在航空航天 汽车工业 生物医学 桥梁 建筑 电子产品 重型机械 微机电系统 运动器械等制造业的广泛 深入应用就能得到生动的说明 相关联的数 据库 参数化设计基于特征的实体模型化 以及多兼容的数据接口等 都是 PRO E 的最大特点 建立在统一基层上的数据库上的特点令数据结 构与工程设计结合 使得一件产品的设计能够在各个阶段称为一个完整 一体的过程 工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成 模型 如腔 壳 倒角及圆角等特征 可以轻易改变模型 这一功能特 性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活 该软件的多数 据的接口可以与多种 CAE CAM 软件的的连接应用 而我国的三维设计起 步较晚 但是经过近几年的发展 正在世界繁荣的设计环境下蓬勃的发 展着 本课题通过应用 Pro E 的三维建模功能和装配功能等方法阐述了 PRO E 在三维设计领域里的应用价值 总之在信息化的今天 在设计手段不断更新 发展的国际大环境里 像 PRO E 这类三维软件肯定会向着更加智能 功能更加全面 更加具有 人性化的的方向发展 从事机械行业的工作者 要不断关注其发展 使 其在自己的发展中起到应有的作用 6 1 1 Pro EPro E 软件的介绍及其在三维建模中的作用软件的介绍及其在三维建模中的作用 Pro E 是美国参数技术公司 PTC 的一款非常流行和优秀的工业 设计软件 于 1988 年问世 20 多年来 经历 20 余次的改版 已成为 全世界最普及的 3D CAD CAM 系统的标准软件之一 作为 PTC 公司的 旗舰产品 从诞生之日即引起业界的极大轰动 其参数化 全相关 基 于特征的设计思想改变了工业三维设计的传统观念 带动了整个行业的 发展 参数化的设计模式 不仅能够清楚的表达设计对象的几何尺寸 而且具有实际的物理意义 Pro E 机械设计软件的应用领域包括 零件 设计 工程图制作 钣金设计 模具设计和工业设计等 在家电生产企 业 汽车零部件生产企业 汽车发动机生产企业 航空 航天所需部件 的生产制造企业 医疗器械生产企业 模具生产企业 重型机械生产企 业 军工生产企业等都有广泛应用 1 11 1 Pro EPro E 具有以下主要特点具有以下主要特点 1 数据管理 产品设计过程中会产生大量的数据 要缩短产品的开发周期 需要 将此类数据进行共享 以便多个设计者可以协作处理一种产品 在此情 况下 不但要将数据分发给需要的用户 而且要加强对数据的控制能力 否则 每个设计者都可能使用同一数据的不同版本 导致重复设计或者 设计不一致 Pro E 可对 PDM 产品数据管理软件进行访问 这样用户可控制数 据并能充分利用并行工作环境 为实现这一点 PDM 系统将用户的所 有数据都保存在中央服务器中 在此服务器中 系统将监控 Pro E 将 PDM 操作与所有 Windchill 应用程序和 Pro INTRALINK 无缝的集成在 7 一起 利用集成的 PDM 功能 用户可在 Pro E 内管理和控制产品数据 控制和记录对数据的所有更改 2 三维实体造型 三维实体造型可以将使用者的设计概念最真实的模型在计算机上 呈现出来 随时计算出产品的体积 面积 质心 重量 惯性矩等属性 解决复杂产品之间的干涉 提高效率 降低成本 便于设计人员与管理 人员之间的交流 它避免了传统的二维模式点 线 面设计的不足 三 维实体设计形象 逼真 直观 而二维设计需要用户进行空间想象 3 基于特征的建模 Pro E 是一个基于特征的实体建模工具 以特征作为组成模型的基 本单元 实体模型是通过特征完成设计的 即实体模型是特征的叠加 即利用每次个别构建模型 设计者根据美国加工过程 在模型上构建一 个单独特征 特征是最小的构建区块 若以简单的特征构建模型 在修 改模型时 更有弹性 4 参数化设计 参数化设计是 CAD 技术在实际应用中提出的课题 他可以使 CAD 系统具有交互式与自动绘图功能 利用参数化设计方法开发的专用产品 设计系统 可以使设计人员从大量繁重的绘图工作中解脱出来 大大提 高设计速度 并减少信息的存储量 5 全相关性 Pro E 中所有模块都是完全关联的 而且采用单一的数据管理 用 户在二维工程图 三维建模 装配部件 模具 仿真 加工等模块中的 任何一个环节进行修改 都将被传送到整个设计中 同时自动将数据更 新到整个设计中 如创建的三维模型可随时产生二维工程图 并自动标 注尺寸 而且它们之间具有双向关联的特征 即不论在三维或是二维图 形上修改尺寸时 其相关的二维图形或三维模型均自动修改 同时装配 8 制造等相关设计也会自动修改 确保工程数据的完整与设计修改的高效 6 系列化设计 族表功能是 Pro E 里面非常重要和有用的功能 在产品系列化设计 中具有重要的作用 族表本质上是电子数据表 由行和列组成 包括 3 个部分组成 基对象 族的所有成员都建立在其基础上 尺寸 参数 自定义特征名和组件成员名都被选作是表驱动的 由表产生的所有族成 员名和每一个表驱动项目的相应值 Pro E 能够依据创建的原始模型 通过族表的改变模型组成对象的 数量或尺寸参数 建立系列化的模型 能够有效地提高效率 达到事半 功倍的作用 另外此系列化特点可以建立国家标准零件 7 在装配图中构建模型 在 Pro E 软件里面可根据已建好的实体模型 在装配图中利用其特 征作为基准 直接构建新的实体模型 通过这种方法建立的实体模型便 于装配 可在系统默认的状态下完成装配 1 21 2 基于基于 Pro EPro E 的零件模型构建的零件模型构建 参数化设计技术是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸 或 修改已定义好的零件参数 自动完成对图形中相关部分的改动 从而实现 对图形的驱动 Pro E 软件可以很方便地进行复杂三维零件的特征参数化 造型 完成的参数化模型能根据按人机交互形式输入的设计变量来控制 特征的有无 形成新的尺寸 从而再生出新的三维零件采用参数式的设计 方式 用户可运用强大的数学运算方式 建立各尺寸参数间最优化的关系 使 模型自动计算出应有的外形 避免尺寸逐个修改的烦琐 并减少错误的发 生 同时 用户可以应用它提供的各种工具进行二次开发 把繁杂的菜单 9 运用和重复性的设计过程简化为对几个变量数值的输入 根据不同的需 求 通过选择 输入不同的零件尺寸 特征参数 快速生成新的符合要求 的零件 10 2 2 发动机简介发动机简介 2 12 1 发动机的现状和发展方向发动机的现状和发展方向 随着汽车新技术的发展和排放标准的日益严格 社会对汽车动力性 经济性和排放性等的要求也越来越高 这就促使汽车各个部分向完美协 调的方向发展 但由于作为汽车心脏的发动机在各种工况下的表现并非 都十分理想 发动机性能的提升成为目前研究的重点 经过努力 车用 发动机在电子控制燃油喷射技术 可变配气定时技术 废气三元催化技 术 废气再循环技术 等方面已经取得了很大的成果 汽油机缸内直喷 技术 和无凸轮轴气门驱动技术的诞生 又给车用发动机性能的大幅度 提升带来了新的生机 特别是现在市场对高性能 低磨损 油耗低 乘 坐舒适的车辆需求很高 因此开发适合市场需求的车辆及与其相匹配的 高性能发动机是今后的方向 2 22 2 新型发动机的研究现状新型发动机的研究现状 随着社会对车辆性能的要求越来越高 车辆发动机的改进和开发工 作进行的也越来越快 世界各国已经有不少对新型发动机的研究和开发 引起了人们的重视 47 岁的澳大利亚农场主 Malcolm Bearc 自行设计 制造了一台将二冲程与四冲程相结合的发动机 被人们称作 六冲程 发动机 其结构是将二冲程气缸倒置放在上面 下面为一个四冲程气缸 上面气缸壁上设置有进 排气口 当活塞上下滑动时 可打开或关闭它 们 该机由两个化油器通过一套舌簧阀供应混合气 在压缩和燃烧行程 上面活塞封闭两气口 两个活塞同时吸收燃烧压力 从而增加功率 这 项技术最大的好处是舍弃了四冲程传统的蘑菇状气门 从而省去了气门 11 振动变形带来的麻烦 Beare 用杜卡迪 900ss 车进行改造 将转速提高 至 9000r min 实际功率可达到 63 2kw 而原车仅为 515kw 其优点 至少有三个 即减少振动 增加扭矩和提高节气门开度的灵敏性 而且 经济性能也可得到改善 瑞士的 Roger 工程师发明了一种六冲程发动机 这种发动机的气缸 盖设有辅助燃烧室 燃烧室的四周有空气预热室 除了正常的进 排气 门之外 还有两个独立工作的气门 一个气门连通辅助燃烧室 另一个 气门连通预热室 凸轮轴转速为曲轴的 1 3 第一行程进气 第二行程 被压缩的空气进入预热室 并使辅助燃烧室燃烧 第三行程燃烧物由辅 助燃烧室进入正在膨胀过程的气缸中 完成第一工作行程 第四行程排 气 第五行程加热后的空气进入气缸 并完成第二工作行程 第六行程 空气进入预热室 并重复上述工作循环 往复活塞式六行程发动机是应 用于汽车 火车 船舶及工程机械的动力装置 它是将现有四冲程发动 机的工作过程加以扩展 增加进空气和排空气两个行程 其工作顺序为 进气 压缩 作功 排气 进空气 排空气 其有益效果是 清除残余 废气 提高可燃混合气品质 使燃烧更完全 降低进气行程之前气缸内 温度 提高充气效率 并避免混合进入气缸时不正常燃烧 可不设置复 杂的冷却机构 减少热量损失 有利于陶瓷材料在发动机上的应用 综 合效果是 减少燃料消耗 降低有害气体排放 美国通用电气公司雅安博士发明了一种新型发动机 被称之为发动 机技术 的一场革命 其容积效率和有效压力都比典型的四冲程发幼机高一倍 而燃料消耗 排放污染和热量损失又较低 其独特的结构是活塞头部与 活塞体分开 活塞头部带有油环与气环 起密封与润滑作用 活塞体则 起承载作用 并且活塞头部与活塞体还不完全同步运动 工作时活塞头 12 部单独完成进气行程 然后再与活塞体结合起来共同完成压缩与爆发行 程 最后又由活塞头部单独完成排气行程 各行程的工作速度也与传统 的不同 其压缩与爆发行程的速度要慢 50 使燃烧更充分 排放污染 更低 而进气 排气行程则要快 50 因此热量损失少 动力性好 目 前这一发明己投入小排量摩托循环发动机的试生产 澳大利亚生产的澳必托发动机采用燃料直接喷入气缸的电控燃油供 给系统 正确的选择喷油时间程序 以解决在传统二冲程发动机换气过 程中燃油通过排气口跑掉的损失 其次是采用独特的燃烧室设计和优化 燃油喷射特性曲线来控制分层燃烧过程中 CO 和 HC 的排放量 由于其 特有的技术 湍流燃烧室 分层燃烧 电子控制排气门及进气门 电控 润滑系统 全电子点火系统 使澳必托发动机保留了二冲程机的优点 克服了其缺点 使燃料的经济性和排放获得了重大改善 并优于电控四 冲程发动机的水平 曾获得了很多项专利 为二冲程发动机的广泛应用 创造了条件 目前对现代化发动机的改进 主要集中在凸轮轴调节装置 进气系 统的切换装置 废气再循环 燃烧方法以及传统的减少摩擦等方面 这 些措施已经在许多成批生产的汽车中得到了成功的应用 但对基于单工 作模式的发动机而言 想实现在较大工况范围内提升发动机性能 还是 具有一定难度 2 32 3 四冲程发动机的工作原理四冲程发动机的工作原理 第一行程 进气行程 活塞从上止点开始下行 此时进气门开启 顶排气门和缸侧排气门关闭 直至活塞到达下止点为止 见图 2 1 13 图 2 1 发动机结构示意图 第二行程 压缩行程 活塞从下止点开始上行 此时进气门 顶排 气门和缸侧排气门关闭 高压缩比工作模式 直至活塞到达上止点为止 如果在此过程中 从下止点开始缸侧排气门打开 活塞密封缸侧排气口 之后 缸侧排气门关闭 则为低压缩比四冲程工作模式 第三行程 作功行程 火花塞点火 活塞从上止点开始下行作功 此时进气门 顶排气门关闭 缸侧排气门关闭 直至活塞到达下止点为 止 第四行程 排气行程 活塞从下止点开始上行 此时进气门关闭 顶排气门打开 缸侧排气门关闭 高压排气 直至活塞到达上止点为止 如果在此过程中 活塞密封缸侧排气口之前缸侧排气门打开 之后关闭 则为低压排气 14 3 3 发动机主要零部件的设计建模发动机主要零部件的设计建模 本文用到的参数符号含义见附录 A 设计及校核的详细理论见汽车 工程手册相关内容 本文采用广州本田汽车有限公司 98 款美国版本田 雅阁轿车的 F23A1 型发动机作为原型机 原型机各零部件参数见附录 B 3 13 1 发动机的设计概念发动机的设计概念 发动机设计是从发动机的使用要求开始的 然后确定其排量 要确 定发动机排量 首先要初定发动机的平均有效压力 其根据是 和同类 先进机型进行比较 燃烧系统的开发能力 是否采用增压及中冷技术 柴油机 每缸气门数和采用的供油系统 满足排放法规 排量确定之 后需要确定发动机的缸径及行程 这时需要综合考虑以下因素 1 活塞平均速度 近年来 由于整车对发动机的动力性要求越来 越高 通过提高发动机转速来提高升功率已被广泛采用 特别是随着四 气门技术的推广 通过提高发动机转速来提高升功率显得更为有效 但 是随着发动机转速的提高 发动机主要摩擦副的摩擦损失迅速上升 磨 损量也随之加大 提高发动机转速在很大程度上取决于发动机主要摩擦 副的加工工艺水平 而能将发动机转速和主要摩擦副的磨损联系起来的 参数就是活塞平均速度 2 排气净化性能 长行程可以保证气缸内燃烧较完全 降低冷却 损失 减少 HC 的排放量 但会使活塞平均速度较高 因此要根据能够 接受的活塞平均速度确定合理的行程 3 气缸轴距及发动机高度 行程缸径比 S D 值越大 气缸轴距 15 越小 但发动机高度尺寸要增加 概念设计时要根据发动机在整车上的 实际安装情况确定一合理的 S D 值 一般 S D 值不应超过 1 2 4 压缩比 在相同 S D 值条件下 如果需要给定几种压缩比 S D 值越小 改变压缩比越容易 活塞顶面形状变化越小 从而增大了 活塞顶面燃烧室的设计自由度 同时能降低活塞的热负荷及热应力 但 是 如果 S D 值太小 会增加燃烧室的面容比 对排放和燃油经济性不 利 在发动机的概念设计中 确定发动机最高燃烧压力是发动机设计中 的关键一环 初定最高燃烧压力的主要目的是 在概念设计之初为发动 机主要零部件的机械设计提供一先决条件 以确保在满足发动机性能要 求的前提下对影响发动机主要零部件结构的机械负荷进行限制 其关键 是要在保证发动机性能及排放标准的同时确保气缸盖衬垫的密封 梯形 框架和机体的连接强度 另外要保证气缸盖 气缸 活塞 气门座及气 门等不过热 初定最高燃烧压力的过程 是以拟开发发动机的性能指标 及排放水平 以往的经验并和同类机型进行比较 然后使用发动机性能 模拟软件确认其是否能够满足发动机的性能要求 最高爆发压力得以确 定 发动机主要零部件的结构设计就可以此为基础进行 但最高燃烧压 力最后要经过实验验证 3 23 2 活塞的建模活塞的建模 3 2 13 2 1 设计要求设计要求 发动机工作时 在机械负荷与热负荷的交变作用下 活塞会产生变 形及磨损 为了避免变形及磨损过大 以及顶部熔化 环岸断裂 销座 疲劳破坏 裙部拉缸等严重故障发生 设计时应遵循如下要求 1 选用热强度高 耐磨 密度小 热膨胀系数小 导热性 减磨 16 性 工艺性良好的材料 国内汽车发动机活塞材料基本上是共晶硅铝合 金 ZLl09 2 有合理的形状和壁厚 尽量轻量化 3 保证燃烧室气密封性好 窜气 窜油要少 回油舒畅 4 设计合理的活塞裙部型线 保证活塞与缸孔的最佳间隙和贴合 5 减少活塞从燃气吸收的热量 吸收的热量应能顺利地散走 6 确保贴合面的良好润滑 本活塞模型主要依据模型机的活塞参数 并结合德国马勒 Mahle 活塞有限公司推荐的四冲程汽油机活塞主要尺寸参数 见表 3 1 和图 3 1 构 建 3 2 23 2 2 活塞设计要点主要包括以下几方面活塞设计要点主要包括以下几方面 表 3 1 活塞的主要尺寸参数 项目 与直径 D 的比值 四冲程汽油机 直径 D mm 65 105 全长 GL D0 70 1 00 压缩高度 KH D0 35 0 60 销孔直径 BO D0 25 0 30 火力岸高度 F D0 06 0 12 第一环岸高度 St D0 04 0 05 上气环高度 mm 1 50 2 50 裙部长度 SL D0 40 0 70 销座间距 AA D0 25 0 40 顶部厚度 S D0 70 0 10 17 质量系数 GN D g cm3 0 50 0 80 1 压缩高度 压缩高度是影响发动机总体布置 活塞质量的重要 尺寸之一 尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原 则 为了降低压缩高度 应在保证强度的基础上尽量压缩环岸 环槽的 高度及销孔的直径 2 活塞顶部 活塞顶部与气缸盖组成燃烧室 要能把燃烧热量有 效的传向四周 所以活塞顶部的几何形状与燃烧室有关 汽油机活塞顶 部可能是平顶的 凸起的或是凹坑状的 高速柴油机因混合气形成的需 要 活塞顶部的形状是碗状的 3 环岸和环槽 环岸和环槽的设计应保持活塞 活塞环正常工作 降低机油消耗量 防止活塞环粘着卡死和异常磨损 随着活塞与活塞环 材料性能的提高 为降低活塞质量 降低污染物排放 目前汽油机活塞 火力岸高度一般控制在 4 8mm 之间 轿车发动机活塞火力岸高度一般 不超过 6mm 由于火力岸工作温度较高 为避免拉伤火力岸 目前普 遍采用锥度结构的火力岸 油环环岸直径应比第二环环岸直径略小 这 种结构有利于降低机油消耗量 气环槽下平面应与活塞环轴线垂直或略 向上翘 以保证工作时环下边与缸简接触 减小向上窜机油的可能性 活塞环侧隙在不产生上述磨损的情况下越小越好 这有利于活塞环工作 稳定和降低机油消耗量 油环槽中必须设有回油孔 并均匀地布置在主 次推力面侧 回油孔对降低机油消耗量有重要意义 18 图 3 1 活塞的主要结构尺寸 F 火力岸 s 顶部高度 St 环 0 岸 D 活塞直径 DL 顶部距销孔距离 GL 活塞高度 BO 销孔和活塞销直径 SL 裙部长度 UL 活塞销轴线以下的裙部长度 AA 销座间距 KH 压缩高度 4 活塞销座及偏心活塞销座是活塞与连杆总成连接的中枢 承受 着燃烧压力和惯性力的交变作用 是活塞负荷最高的区域之一 销座设 计必须与活塞销统一考虑 设计时应使两者具有足够的强度 刚度 和 耐磨性 其中活塞销的刚度有决定意义 如果纵向刚度不足 引起负荷 分布不均匀 会造成销座疲劳破坏 导致销座纵向开裂 横向刚度不足 使活塞销失圆 变形过大 润滑油膜遭到破坏 具体设计活塞时可以用 如下方法来保证销座的承载能力 尽量缩小销座的间距 不仅可以减小活塞销弯曲变形 而且保 证活塞结构紧凑 降低活塞质量 将销孔内缘加工成圆角 倒角 以减小销孔内边缘的应力集中 19 用楔形销座和阶梯形销座代替平行型销座 通过降低销座的温度 机油喷射 加机油冷却油腔 使用可锻 活塞材料或更高强度特性材料 销孔衬套 等方法提高强度 对销孔几何形状进行局部的修改 可以减小由于活塞销变形而 引起的应力 比如加工成带有卸压槽的销孔 锥形销孔 椭圆销孔都可 以更加适应活塞销的变形 现代发动机活塞销轴线与活塞轴线之间偏心 量一般控制在 0 4 1 2mm 轿车发动机活塞的偏心量控制在 0 4 0 8mm 偏心量可以保证活塞运动更稳定 并可以降低活塞敲缸声 5 活塞裙部 现代发动机活塞裙部不是一个完全的圆柱体 而是 中凸椭圆体 活塞裙部横截面是椭圆 长轴和短轴之差称为椭圆度 这 种椭圆结构补偿了由于活塞在高温和气体压力作用下产生的裙部失圆 即在活塞销方向裙部直径增加 在主 次推力面方向直径减小 不同 的活塞对椭圆结构的选择不同 有的是定椭圆结构 即任意截面的椭圆 度都是定值 有的是变椭圆结构 即不同截面椭圆度不同 有的是非对 称椭圆结构 即主次推力面椭圆度不同 活塞裙部纵向结构采用中凸型 线 其配缸间隙取较小的值 活塞上下运动时均能形成润滑油楔 保证 了良好的润滑 降低了活塞和缸孔的磨损 为了避免磨料磨损和活塞拉 缸 建立起初期的润滑油膜 活塞裙部和研磨缸孔的粗糙度要达到一定 要求 对活塞而言 粗糙度一般在 1 5 3 0um 范围内比较合适 总之 确定复杂的活塞裙部桶面参数和合理的配缸间隙的工作比较复杂 目前 尚无完整的理论公式可供计算 一般通用的方法是通过对活塞的温度和 刚度的测量 采用有限元进行分析 并根据经验先确定进一初步的桶面 形状和间隙 然后再根据实验的结果进行修正 3 2 33 2 3 活塞的主要结构尺寸活塞的主要结构尺寸 20 根据以上要求和附录取活塞各结构尺寸如下 活塞直径 D 84 98mm GL D 1 0 所以 GL 84 98mm KH D 0 6 所以 KH 50 99mm BO D 0 25 所以 BO 21 25mm F D 0 12 所以 F 10 20mm St D 0 04 所以 St 3 40mm 上气环的高度取 2 50mm SL D 0 6 则 SL 50 99mm AA D 0 25 则 AA 21 25mm S D 0 08 则 S 6 80mm 活塞环槽宽度 第一道气环宽度 1 23mm 第二道气环宽度 1 23mm 油环宽度 2 81mm 3 2 43 2 4 利用利用 Pro EPro E 软件建立活塞的三维模型软件建立活塞的三维模型 3 2 4 1开 Pro E 软件 单击 新建 按钮打开新建窗口 选择 零件 名称设为 huosai 去除 使用缺省模板 单击 确定 打开零件窗口 利用 旋转 对活塞进行初步建模 如图 3 2 21 图 3 2 3 2 4 2 如上图单击 确定 按钮 结果如下图 3 3 图 3 3 22 3 2 4 3 用旋转去除材料建立活塞内部构造 如下图 3 4 图 3 4 3 2 4 4 如上图所示单击 确定 按钮 结果如下图 3 5 图 3 5 23 3 2 4 5 拉伸和去除材料建立活塞销孔和裙部结构 结果如下图 图 3 6 3 2 4 6 活塞的边进行倒圆角 最终活塞的模型如下图 3 7 图 3 7 24 3 33 3 连杆的设计与建模连杆的设计与建模 3 3 13 3 1 结构设计结构设计 设计连杆时 必须保证连杆具有足够的结构刚度和疲劳强度 在 力的作用下 杆身应该不致被显著压弯 连杆大 小头孔应不致显著失 圆 同时长期工作后不致疲劳破坏 具体设计应注意以下几方面 1 连杆比入 连杆长度 L 指大 小头孔中心距 是发动机总布置 设计的一个重要结构参数 通常用连杆比入 R L 来表示 入的常用范 围为 l 3 2 1 4 入值减小 连杆加长 二级往复惯性力和活塞侧压力都 可减小 但实际上由于连杆的长度加长时 质量也随着增大 而连杆质 量对往复惯性力的影响甚至可能比长度 L 的影响还要更大些 此外 当 采用长连杆时 内燃机总体高度和质量都要增加 这非常不利 所以在 现代高速内燃机的设计实践中 一般尽量压缩连杆长度 L 采用较大的 入值 2 连杆小头 连杆小头多采用薄壁圆环形结构 这种结构形状简 单 制造方便 受力时应力分布均匀 连杆小头活塞销配合方式分为全 浮式和半浮式 全浮式结构的活塞销在活塞销座和连杆小头中都能自由 转动 为了减小磨擦 需要在连杆小头压入青铜衬套 半浮式结构活塞 销与连杆小头是过盈配合 活塞销固定于连杆小头之中 连杆工作时纵 向歪斜较小 3 连杆杆身 连杆杆身一般采用工字形截面 杆身截面高度 h 一 般是截面宽度 的 1 5 1 8 倍 而宽度 大约等于 0 26 0 3 D 为使杆 身能与小头和大头圆滑过渡 有些杆身截面是由上向下逐渐加大的 杆 身的最小截面面积与活塞面积之比 对钢连杆来说大约在 1 25 1 30 之 间 25 4 连杆大头连杆 大头孔的直径取决于曲轴连杆轴径的直径 大 头必须具有足够的刚度 否则 易导致抱轴 烧瓦 连杆螺栓断裂等故 障 杆身和大头之间应平滑过渡 尽量减小连杆螺栓之间的跨度 为了 减小螺栓的跨度通常在螺栓孔与大头孔之间留出约 1 0 1 5mm 的壁厚 而螺栓孔外侧的壁厚应较厚 一般不小于 2mm 3 3 23 3 2 连杆的主要结构尺寸连杆的主要结构尺寸 如图 3 8 和图 3 9 图 3 8 曲轴的主视图 26 图 3 9 曲轴的剖面图 3 3 33 3 3 根据上述连杆结构尺寸利用根据上述连杆结构尺寸利用 Pro EPro E 进行连杆建模 进行连杆建模 主要利用 Pro E 拉伸 和 去除材料 及 倒圆角 等功能进行 曲轴建模 其三维模型如下图 3 10 27 图 3 10 连杆三维模型 3 3 43 3 4 连杆盖的三维模型如下图连杆盖的三维模型如下图 3 113 11 所示所示 图 3 11 连杆盖三维模型 3 3 53 3 5 连杆螺栓的建模连杆螺栓的建模 28 主要利用 拉伸 和 螺旋扫描 及 去除材料 和 倒圆角 等 功能进行螺栓建模 其三维模型如下图 3 12 所示 图 3 12 螺栓三维模型 3 3 63 3 6 螺母的建模螺母的建模 29 图 3 13 螺母三维模型 主要利用拉伸去除材料螺旋扫描和旋转去除材料等功能进行螺母 进行三维建模 其三维模型如上图 3 13 3 43 4 曲轴的设计与建模曲轴的设计与建模 3 4 13 4 1 曲轴的作用曲轴的作用 将发动机做功行程中作用在活塞上的压力通过连杆变成转矩 带动 发动机各辅助机件运动和汽车输出动力 3 4 23 4 2 结构设计结构设计 曲轴在低转速时主要受到燃烧压力的作用 在高转速时主要受到惯 性力和弯曲振动 扭转振动合成的附加力的作用 振动引起的附加力的 精确计算非常复杂 所以常和实测并用 具体选择曲轴的主要尺寸 见 图 3 14 和图 3 15 时必须考虑到以下几点 1 非增压直列式发动机应首先根据气缸的设计 无缸套 干缸套 或湿缸套 水冷 或风冷 确定气缸轴距 l 然后将 l 合理分配给曲轴各段 一般不会在 30 曲轴强度和承载能力方面发生困难 而且还不需要采用斜切口连杆 增 压发动机和 V 型发动机 则往往需要由曲轴长度决定其气缸轴距 2 多缸机曲轴各连杆轴径等长 各主轴径则不一定都等长 有些 四缸机和六缸机的中央主轴径因离心力载荷较大 做得比其他主轴颈长 一些 这时气缸轴距不等 不便在同一生产线上加工同一系列的不同缸 数的机体 因此 只要轴承的承载能力允许 仍采用等缸距 即中间几 个主轴径长度相等 第一主轴径和最后一个主轴径的长度不受缸距的限 制 可只根据曲轴首段和尾段的结构需要决定其长度 安装上止推轴承 的主轴径要长一些 但主轴径长度相等便于采用先进的内铣加工工艺 3 主轴径直径 d1一般都比连杆轴颈直径 d2稍大一些 d1 1 05 1 25 d2 4 从滑动轴承形成承压油膜的条件考虑 曲轴长径比 L d 以 0 4 为最佳 L 为轴承有效宽度 L 比轴径的有效承压长度 L 2r 略小些 并 且长径比不得低于 0 3 同时轴承的最大比压应为复合轴承材料的许用 值 5 曲轴的重叠度 0 5 d1 d2 R 如果主轴径和连杆轴径不重叠 值为负值 连杆轴颈过渡圆角和主轴径过渡圆角几乎在曲柄臂的两边 相互对着 这时应力集中最严重 随着重叠度的加大 应力向曲拐平面 两侧转移而峰值减小 对曲轴疲劳强度有利 刚度也提高 不过 的大 小主要决定于发动机的行程缸径比 S D 因为从减小旋转惯性力 转 动惯量 摩擦损失等方面考虑 都要求 d2 尽可能小 6 曲柄臂的厚度 h 宽度 b 既可使曲柄臂的名义应力水平降低 曲柄名义断面的抗弯系数 W bh2 h 又可使应力分布均匀 这两者的 综合影响使过渡圆角处的应力峰值下降 其中又以加大 h 的效果更为明 显 试验表明 h 提高 10 W 可提高 20 此外 加大 h 还可以提高 31 曲柄的刚度 因此适当加大 h 而缩短主轴径是合适的 尽量使曲柄臂和 连杆轴径的名义抗弯断面系数相等 V 型发动机因连杆轴颈上并列两个 连杆 h 相对较小 就要用较大的轴径重叠度和较大的圆角来弥补 另 外 连接主轴颈和连杆轴径的凸肩的厚度 只有 0 5 1mm 而连杆轴径 和主轴径至曲柄臂凸肩的过渡圆角对应力集中程度影响较大 加大半径 r 可使应力峰值下降 故 r 至少不得小于 0 05d2或 2 5mm 7 平衡块的质心应尽可能远离曲轴旋转轴线 形状多为扇形圆环 状 以求用最小的质量达到最大的平衡率 四缸和六缸直列发动机的常 规平衡率在 50 100 范围内 平衡块既可和曲柄臂做成一体 也可以 制成单独结构用柔性螺钉固定在曲柄上 前种结构简单 成本低 但需 要照顾到锻造和铸造的分型 图 3 14 曲轴主视图 32 图 3 15 曲轴左视图 8 空心轴径和卸载槽 采用空心轴径 既可以提高曲轴的弯曲强度 又可以减小曲轴的质量和连杆轴径的离心力 从而降低主轴承的载荷 在连杆轴径下方或主轴径上方曲柄内挖取的凹槽成为卸载槽 挖取卸载 槽可以使连杆轴颈圆角最大应力降低 10 20 3 4 33 4 3 曲轴的主要尺寸参数曲轴的主要尺寸参数 根据以上取曲轴的主要尺寸如下 d1 55 90mm d2 44 72mm L1 30 60mm L2 29 38mm r 2 5mm b 94 87mm 1 00mm h 20 47mm R 47 31mm 3 00mm 3 4 43 4 4 Pro EPro E 进行曲轴建模进行曲轴建模 其三维模型如下图 3 16 33 图 3 16 曲轴三维模型 3 53 5 活塞销的设计和建模活塞销的设计和建模 3 5 13 5 1 工作条件和设计要求工作条件和设计要求 活塞销是连接活塞和连杆的零件 作用在活塞上的气体压力和惯 性力就是通过活塞销传至连杆的 由于受周期性变化的载荷作用 活塞 销易产生疲劳破坏 由于销座温度较高 并且活塞销在销座中作摇摆运 动 因此不利于实现良好润滑 为此 在设计活塞销时应保证具有足够 高的刚度和耐磨性 同时还要有较高的疲劳强度 对高速发动机来说 销的结构质量还应该尽量小 以减小惯性力 3 5 23 5 2 强度与刚度计算强度与刚度计算 活塞销的计算工况为最大转矩工况 需要计算的载荷分布状况见图 四 除活塞销外 全班活塞组零件产生的惯性力为 P0 Mk Ml Mv 2R 1 入 10 3 3 12 气体压力 Pc Pz Fp 3 13 34 活塞销压力 P Pc P0 3 14 d0 d 3 15 弯曲应力 P 1 2lp 1 5lx 1 2d3 1 4 3 16 最大剪应力 max 0 85P 1 2 d2 1 4 3 17 活塞销的最大椭圆变形 即其直径在垂直载荷作用平面方向上的最大增 量 出现子啊活塞销中部长度为 0 2l 的范围内 dmax 0 09P 1 1 3 lE 3 18 1 点的应力 如图 3 17 1 P ld 0 19 2 1 1 2 1 K 3 19 2 点的应力 2 P ld 0 19 1 2 1 1 2 1 K 3 20 3 点的应力 3 P ld 0 174 2 1 2 0 636 1 K 3 21 4 点的应力 4 P ld 0 174 2 1 1 2 0 636 1 K 3 22 式中 修正系数 K 1 5 15 0 4 3 1 260 许用弯曲应力 230 500N mm2 许用剪切应力 120 220N mm2 35 失圆许用应力 120 230N mm2 最大椭圆变形 dmax 0 001 0 002 d 不能超过工作间隙 图 3 17 活塞销应力点分布位置简图 3 5 33 5 3 利用利用 Pro EPro E 进行活塞销建模进行活塞销建模 主要利用拉伸 去除材料和倒圆角等功能进行活塞销建模 其三维 模型如下图 3 18 图 3 18 活塞销三维模型 3 63 6 活塞环的设计和建模活塞环的设计和建模 3 6 13 6 1 活塞环的作用和设计要求活塞环的作用和设计要求 36 活塞环一般分为气环 密封环 和油环 刮油环 两类 气环的主要作 用是密封和散热 活塞顶部大约 70 80 的热量是经过活塞环组传给 气缸散发出去的 其中第一道环传出的热量占环组总散热量的 50 油 环的主要作用是使气缸壁上的润滑油分布均匀 避免多余的机油窜入燃 烧室内燃烧 产生积炭和增加机油消耗 以降低排放量 活塞环 尤其 是气环 不仅在应力状态下承受高温 高压气体的作用 而且在气缸中 作高速往复运动 活塞环的设计要求如下 1 适当的弹力 以利于密封 2 有较高的机械强度 热稳定性好 3 易磨合且有足够的耐磨性和抗结胶能力 4 有良好的控油能力 3 6 23 6 2 活塞环的设计活塞环的设计 对径向厚度 t 的要求 一般上气环的 D t 为 20 22 中气环 D t 为 22 25 从活塞组结构紧凑及降低活塞压缩高度和质量考虑 应尽量降 低环的轴向高度 另外 减小轴向高度还有利于环的初期磨合 提高密 封性能 提高抗拉缸能力 一般轿车发动机铸铁活塞环轴向高度 h 为 1 2 1 5mm 钢质活塞环轴向高度可降低到 1mm 根据以上对活塞环的 设计要求设计活塞环的尺寸 上气环 D t 22 则 t 3 863mm 高度 h 1 220mm 中气环 D t 24 则 t 3 541mm 高度 h 1 220mm 油环 D t 24 则 t 3 541mm 高度 h 2 510mm 3 6 33 6 3 利用利用 Pro EPro E 进行活塞环建模进行活塞环建模 上气环的三维模型 如图 3 19 37 图 3 19 上气环三维模型 中气环的三维模型 3 20 图 3 20 中气环三维模型 油环的三维模型 3 21 38 图 3 22 油环三维模型 3 73 7 小结小结 通过以上应用 Pro E 对活塞 曲轴 连杆 连杆盖 螺栓 螺母 活塞销和活塞环的建模 使我了解到了汽车发动机内部结构和发动机的 工作原理 通过对 Pro E 的应用 更加熟练的掌握 Pro E 建模板块的应 用 以上的工作为下面的装配工作做了充足的准备 39 4 4 汽车活塞发动机零部件的装配汽车活塞发动机零部件的装配 4 14 1 装配的概念和基本知识装配的概念和基本知识 零件的装配的功能是 Pro E 的重要功能之一 Pro E 提供了基本的装 配工具 可以通过多种方法添加元件并定义其装配约束 使各个零件或 子组件构成一个有机整体 4 2 14 2 1 组件的概念组件的概念 组件就是将创建好的多个零件按照一定的配合关系和位置约束组合 在一起而形成的一个整体 通过指定零件之间的相互关系 确定零件之 间的相对位置 从而将零件组装在一起 成为一个组件 多个零件经过装配后形成的相对位置固定的组件 它可以作为另一 个组件的部件进行新的装配 从而形成更为复杂的装配体 在这个过程 中 子组件可以当作一个零件进行装配 在实际装配过程中 对于比较 复杂的组件 往往是按照功能或者结构分为若干个子组件 先进行子组 件的装配 最后将这些子组件装配到一起 形成最终的装配体 4 2 24 2 2 元件的封装元件的封装 元件的封装是用来放置元件的一种临时措施 插入到组件中的元件 处于部分约束和不约束的状态 一般来说 将一个元件或组件放置到一 个装配体中的确定位置 最少需要对组件或元件配置一个装配约束 也 有可能配置多个装置约束 如果放置一个元件需要两个装配约束 但在 装配过程只配置一个装配约束 则元件处于部分约束状态 不设置装配 约束 则元件处于不也约束状态 只有完全设置装配所需要的约束 才 能使元件或组件处于完全约束状态 元件的封装是一种不精确的装配技术 也可以理解为约束不足 40 其在模型树中显示为装配约束不足的图标 4 2 34 2 3 元件的包括元件的包括 包括也是一种装配方法 与采用 取消放置 方法装配零部件的 效果完全一样 它们的区别在于 包括方法适用于已存在的文件 而 取消放置 方法适用于新建零部件的装配 包括命令的适用方法 选择 插入 元件 包括 命令 在打开的对话框中选择需要包括的零部件 点击 打开 按钮完成包括 4 2 44 2 4 装配体基本设计方法装配体基本设计方法 零件装配的装配方法主要有两种 基本方法和高级方法 本文主要 使用零件装配的基本方法 装配的基本方法即约束法 它是通过设置元 件间的安装关系来进行零件装配的一种方法 在开始进行装配时 需要 合理地选择一个元件作为 起始元件 起始元件应为整个装配体中最 重要的一个部件 在装配过程中 各个零部件以一定的装配约束与起始 元件组装到一起 各个零部件就和起始元件之间形成了 父子关系 起始元件是整个装配体的父元件 在装配过程中绝对不可以删除起始元 件 否则整个装配体就会被删除 在指定了起始元件后 再选取其余需 要装配的零部件 使其按照一定的装配约束关系与起始元件组合在一起 这样就形成了完整的装配体 4 34 3 汽车发动机主要零部件的装配过程及其步骤汽车发动机主要零部件的装配过程及其步骤 4 3 1 打开 Pro E 软件 单击 新建 按钮打开新建对话框 选择 组件 名称 为 zhuangpei 取消默认的 使用缺省模板 单击 确定 打开 新文件选项 选择 mmns asm design 选项 单 击 确定 打开装配窗口 其过程如下图所示 41 42 4 3 2 设置工作目录 单击 文件 选择 设置工作目录 找到 上文创建的模型所在的位置 单击 确定 图示如下 43 44 4 3 3 单击 装配 按钮 选择 quzhou 文件 打击 打开 在窗口中出现曲轴模型 在 自动 约束中选择 缺省 点击 确定 图示如下图 4 3 4 单击 装配 按钮打开 liangan 组件 单击 打开 按钮 使用 自动 约束使连杆大头内径曲面和曲轴装配在一起 这时 状态 显示 部分约束 单击 放置 从下拉列表中单击 新设置 再进行 连杆侧面和曲轴平面之间的约束 这时 状态 显示 完全约束 单