基于UG的摩托车发动机相关零部件的设计【说明书+CAD+UG】
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目 录摘 要IIIAbstractIV目 录V1 绪论11.1 本课题研究的科学意义11.2 发动机的发展史及国内外的发展概况11.3 本课题的主要内容22 气缸体的设计32.1 气缸体的结构设计32.2 气缸体材料的选择32.3 气缸体参数设计42.3.1 气缸直径42.3.2 气缸形状的设计52.3.3 气缸工作容积、燃烧室容积和气缸总容积52.3.4 压缩比62.3.5 气缸工作内压力与气缸总推力72.4 气缸盖72.5 燃烧室93 连杆的设计103.1 连杆的组成113.1.1 小头123.1.2 杆身123.1.3 大头123.2 曲柄连杆比123.3 连杆承受的载荷123.4 连杆的角位移、角速度、角加速度134 活塞的设计与运动分析154.1 活塞的功用及工作条件154.2 活塞的材料164.3 活塞的主要参数164.4 活塞的运动分析164.4.1 活塞位移164.4.2 活塞的速度174.4.3 活塞的瞬时速度184.4.4 活塞的最高速度184.4.5 活塞的平均速度194.4.6 活塞的加速度、最大加速度195 基于UG软件的三维建模215.1 UG软件介绍215.2 UG软件的优势及主要功能215.3 三维建模235.3.1 缸体的三维建模235.3.2 活塞的三维建模255.4 零件的装配265.4.1 装配的概述265.4.2 活塞与活塞销的转配266 运动仿真286.1 运动仿真的简介286.2 零件装配图的运动仿真287 缸体的加工工艺规程设计317.1 确定毛坯的制造形式317.2 气缸体的加工工艺特点317.3 基准的选择317.4 制定工艺路线317.5 加工余量及切削用量的确定328 结论与展望368.1 结论368.2 不足之处及展望36致 谢37参考文献37附 录38I1 绪论1.1 本课题研究的科学意义摩托车1诞生至今已有100多年的历史，而发动机已成为一种不可或缺的部分。发动机是一切机器的“心脏”，它直接影响着摩托车的运行状况。发动机是一种能够把其它形式的能转化为另一种能的机器，通常是把化学能转化为机械能。发动机既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器（如：汽油发动机、航空发动机）。摩托车发动机的技术要求高，维修相对复杂，且直接影响摩托车的耗油量、排放指标、速度、安全性能等。所以，发动机的性能指标、品质、成本以及可靠性等，都对摩托车的发展起着至关重要的影响。所以对发动机的研究具有很大的科学意义，发动机研究的成功将对发动机行业的发展产生巨大的影响。1.2 发动机的发展史及国内外的发展概况回顾发动机1产生和发展的历史，它经历了蒸汽机、外燃机和内燃机三个发展阶段。外燃机外燃机，就是说它的燃料在发动机的外部燃烧，1816年由苏格兰的R.斯特林所发明，故又称斯特林发动机。发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能，瓦特改良的蒸汽机就是一种典型的外燃机，当大量的煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时，高压便产生了，然后这种高压又推动机械做功，从而完成了热能向动能的转变。内燃机明白了什么是外燃机，也就知道了什么是内燃机。这种发动机与外燃机的最大不同之处就是在于发动机的燃料在发动机的内部燃烧。一般情况在地面上使用的多是外燃机，在空中使用的多是内燃机。当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的，也在汽车上装用过喷气式发动机，但这总是很特殊的例子，并不存在批量生产的适用性。燃气轮机此外还有燃气轮机，这种发动机的工作特点：是燃烧产生高压燃气，利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转，从而输出动力。燃气轮机使用范围很广，但由于很难精细地调节输出的功率，所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机，只有部分赛车装用过燃气轮机。自1885年德国戴姆勒发明制造出世界上第一辆以汽油发动机为动力的摩托车以来，摩托车的发展已经历了100多年的沧桑巨变，原始摩托车，现存于德国慕尼黑科学技术博物馆的真实造型，是德国人戴姆勒于1885年8月29日获得专利发明优先权的世界上第一辆摩托车。1930年以后，随着科学技术的飞快发展，对于摩托车的生产开始采用后悬挂避凝震系统、机械式点火系统、鼓式机械制动装置、链条传动等，使摩托车又攀上了新台阶。1936，美国美国哈利公司已经能够产生更高水平的摩托车，该车采用1000ml，OHV，27.93kw双缸发动机，最大速度可以达到150公里/小时。大排量豪华摩托车拥有先进的汽车技术转移到摩托车，摩托车在一个研究达到完美的境界。摩托车的发展已进入第四阶段，高峰期。随着技术的不断改进，现在的摩托车的发展已进入高峰期，特别是在国外2。1951年8月以后，中国开始正式自行试制、生产摩托车，中国人民解放军北京汽车制配六厂在当时成功的完成了几辆重型军用摩托车的试制任务，中央军委把这种摩托车命名为井冈山牌摩托车。井冈山牌摩托车的问世标志着中国摩托车从此开辟了新纪元。近十年来，我国由于引进了大量的生产设备和工艺技术，从而使发动机的工艺制造水平有了较大的提高，除此之外在测试设备方面也较多地使用计算机自动控制系统。我国摩托车发动机的主要零部件如气缸、气缸头、磁电机、起动电机、离合器、空滤器、消声器、机油泵、变速齿轮、进排气阀等，在近几年来基本上实现了专业化大批量生产，质量相对较好。但技术含量高的零部件与进口件相比，还有一定的差距。这些零部件，不但质量不稳定且可靠性差，严重制约了发动机的质量指标的提高。1.3 本课题的主要内容本文设计的主要内容有缸体、连杆、活塞的设计以及缸体的加工工艺规程的设计。对于缸体的设计主要是通过缸体的结构设计、材料的选择、参数设计来完成，连杆的设计主要是通过连杆的位移、结构来完成，活塞的设计主要是通过活塞的参数设计及运动分析来完成，缸体的加工工艺规程主要是通过制定工艺路线和切削用量来完成。此外，本文还基于UG软件对缸体、活塞等零件进行三维建模、装配，并对装配图进行运动仿真分析。2 气缸体的设计 气缸体的作用除形成气缸工作容积外，还具有作活塞运动导向，其圆柱形空腔称为气缸。气缸与气缸盖、活塞形成工作循环的空间。发动机工作时，在气体燃烧压力和缸壁内外温差的作用下，气缸体受到相当大的热应力和机械应力。此外，活塞组对气缸的侧压力和滑动摩擦，使气缸体发生磨损。气缸体的设计要求有： 1）要有足够的强度，以承受高温下的热应力和机械应力。并且要确保有足够的刚度来保证气缸体在任何情况下都尽可能的不发生变形。 2）要有很好的抗耐磨性，可以在内表面有一定的磨纹和贮油间隙，从而可以保证可靠的润滑性能。 3)要制造简单，维修方便，价格低廉。2.1 气缸体的结构设计气缸体3采用单体式，曲轴箱设计成隧道式，使曲轴箱保持有一定的刚度。气缸体的结构为压入式气缸体，气缸套为合金铸铁制造，压入到铝合金气缸中，铸铁气缸套具有较高的耐磨性，铝合金散热片有较好的散热效果。 气缸体壁的结构设计成凹形，顶部和下部较厚、中间较薄。因为气缸盖上的一部分热量需要通过气缸上部传递出去，为了更好地传热，将气缸上部做得厚一些，同时，作支承也减少了此处的应力集中。气缸盖与气缸体的接触面积约为活塞顶面积的3540。在下部与曲轴箱支承的地方，为了提高强度，避免应力集中，用大的圆弧逐渐加厚支承凸缘。散热片沿气缸轴线方向的布置要从最佳散热状态出发，上端应尽可能接近气缸盖底平面开始布置，这样可使气缸盖的一部分热量通过气缸体上的散热片传向外界；而下端散热片布置到活塞在下止点时活塞环所在的位置，以保证活塞环有效的冷却。散热片沿气缸轴线布置的长度约占气缸长度的4555。气缸体与气缸盖和曲轴箱之间采用长螺栓直接连接。螺栓要用柔性螺栓，螺栓的布置应尽可能均匀，每个螺栓所负担的压紧面积尽可能相等，并靠近气缸外壁。2.2 气缸体材料的选择由于气缸壁表面经常与高温高压燃气接触，活塞在气缸内作高速运动（最高速度可达100km/s）并施加侧压力，以及气缸壁与活塞环外圆之间反复摩擦，而其润滑条件较差，所以气缸体必须耐高温、耐高压、耐腐蚀，还应具有足够的刚度和强度。在现实生活中，一般老式的发动机用的材料为铸铁，新型发动机用的是铝合金，铝合金在性能方面要比铸铁要好很多，所以本文设计的气缸体采用的材料为铝合金。铝合金重量比较轻，并且能够提高气缸体散热能力。如图2.1所示为铝合金和铸铁气缸在输出功率方面的比较。 图2.1 铝合金与铸铁气缸输出功率 此外为提高其耐磨性，对气缸体内表面进行一些处理。有很多种铝合金都比较适合于气缸体，含Si量比较低的亚共晶铝合金，其耐热性，耐磨性，刚性及强度很不理想，但为了改善其性能，我们可以利用材料强化法及表面改性法进行处理。亚共晶4或共晶系的铝合金为了提高其耐磨性要进行电镀、喷镀等表面处理技术。我国铝合金气缸通过镀硬铬以提高耐磨性已有不短的历史，一般镀铬层为3080um,硬度800以上。有些国家通过复合镀，在Ni基体分散上SiC(Ni-SiC)以提高其耐磨性。有的公司在化学沉积NiP层上分散上SiC与BN以提高耐磨性与耐粘着性。现在我国广泛使用的是ADC12铝合金，此种合金一般采用高压铸造法。而日本开发利用现有设备的高压铸造过共晶铝合金法来铸造气缸体。2.3 气缸体参数设计 2.3.1 气缸直径气缸直径指的是气缸的缸筒内径的值，一般有两个系列，正常的情况下，设计时选择的是第一系列进行的。其内径就是活塞的外径相当，但是较外径大一些。气缸的内径与活塞相配合，是发动机的重要参数，许多主要的尺寸如曲柄销直径、气门直径、活塞结构参数等，都要根据气缸直径来选取。参数设计：气缸直径已标准化，其直径值按一个优先系列合一个常用系列来选取。因此本文摩托车缸径为已知条件：D=56mm。 2.3.2 气缸形状的设计当发动机工作时，活塞会在气缸内做快速往复的运动，从而产生动力，此时活塞与气缸套产生剧烈的摩擦，从而产生大量的热能，所以在设计气缸的形状时要充分考虑到这一点，所以在设计气缸的形状时不能把气缸设计成一个实体，这样就不符合科学实际。本文设计中缸体的基本尺寸是长，宽，高，拔模角。如图2.3是本文所设计的形状。 图2.3 缸体形状本文在气缸的周围设计了一些散热片，并且散热片之间有一定的距离，这样就方面于散热。在缸体周围的散热片厚度，散热片间的间距。气缸凸出来，气缸壁厚。同时为了便于气缸与气垫、气缸盖等零件的连接，在气缸上有一定的螺栓孔，便于连接。 2.3.3 气缸工作容积、燃烧室容积和气缸总容积上止点和下止点之间的气缸容积，称为气缸工作容积（也称为总排量），如图2.4所示。气缸工作容积与气缸直径的平方、活塞冲程的大小成正比。气缸直径越大、工作容积越大、发动机的功率也就增大。 图2.4 气缸燃烧室容积与工作室容积 （a）燃烧室容积 （b）工作室容积气缸工作容积计算公式容积为： (2.1) 式中： 气缸工作容积(ml); D 气缸直径（mm）; S 活塞行程（mm）； N 气缸数目。这里所设计的气缸为单气缸，所以N=1。参数设计：因为设计要求的是单缸发动机的排气量=150ml，那么活塞行程为： (2.2) 本文所设计的气缸长度为138mm，能够满足活塞的运动行程。 同时我们又知道活塞行程s=2r。其中r为曲轴半径，所以： 2.3.4 压缩比气缸总容积与燃烧室容积的比值，称为压缩比。压缩比表示活塞由下止点到上止点时，可燃混合气在气缸内被压缩多少倍。活塞处于下止点时气缸有最大容积，用Va表示；活塞处于上止点时气缸内的容积称为燃烧室容积，用Vc表示。压缩比为： (2.3)为几何压缩比，它表示活塞从下止点移动到上止点时气缸内气体被压缩的程度。活塞位于下止点时进气门或进、排气口尚未关闭，故有时须用有效压缩比的概念。指内燃机进、排气门(口)开始全部关闭瞬时的气缸容积与气缸压缩容积之比。凡未经特别指明的压缩比均指几何压缩比。压缩比对内燃机性能有多方面的影响。压缩比越高，热效率越高，但随压缩比的增高，热效率增长幅度越来越小。压缩比增高使压缩压力、最高燃烧压力均升高，故使内燃机机械效率下降。汽油机压缩比过高容易产生爆震。发动机压缩比过低会使压缩终点温度变低，影响冷起动性能。压缩比能使内燃机排气中有害成分（如NOX、烃类、CO等）的含量发生变化。本文在此处设计的压缩比为 。 2.3.5 气缸工作内压力与气缸总推力气缸工作内压力是一个变量，随作功行程的开始，数值急剧下降。高质量的气缸在跳火燃烧的瞬间，内压力可达35MPa。一般情况下，压缩比越大，气缸的内压力就越大。气缸总推力是指一个周期内气缸对外实际作功量。气缸总推力的计算分为两种情况。1、系统运动时，气缸总推力等于气压乘以活塞面积，实际中还要考虑效率系数，一般是0.3。计算公式为： (2.4) 式中：F气功总推力（N）； 气缸效率；一般0.3； P气缸工作内压力（MPa）； D 气缸直径（mm）。 由前面我们已经知道，气缸的内压力在35MPa，在这里我们取中间值，所以P取4 MPa。因此：(取=3.14)2.4 气缸盖 气缸盖用来封闭气缸并构成燃烧室。气缸盖用螺柱与气缸体曲轴箱或气缸体固连在一起。为了增加密封性，气缸体和气缸盖之间加有气缸衬垫。气缸盖在内燃机属于配气机构，主要是用来封闭气缸上部，构成燃烧室，并做为凸轮轴和摇臂轴还有进排气管的支撑，主要是把空气吸到气缸内部，火花塞把可燃混合气体点燃带动活塞做功，废气从排气管排出。气缸盖是一个负荷严重而结构又十分复杂的重要机件。要求其有足够的强度、良好的耐热性；同时材料还应具有良好的浇铸工艺性。气缸盖的结构应有足够的刚性。触火面形状应符合图纸要求。有足够圆弧过度且光洁完整。受压面和各种道腔应分别符合规定的压力试验要求，各安装座孔尺寸、形状都应符合精度要求。 气缸盖主要是通过螺栓与缸体连接，当普通螺栓连接承受横向载荷时，由于预紧力的作用，将在接合面间产生摩擦力来抵抗工作载荷。这时，螺栓仅承受预紧力的作用，而且预紧力不受工作载荷的影响，在连接承受工作载荷后仍保持不变。所以下面主要讨论气缸盖螺栓连接静强度以及螺栓的疲劳强度。气缸盖螺栓连接静强度计算公式如下5： （2.5）式中为螺栓所受的预紧力，单位为N。对螺栓的疲劳强度进行精确校核5： （2.6） （2.7） （2.8） （2.9） 式中：螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限，Mpa； 试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定： （2.10） 根据试验，对碳钢0.10.2，对合金钢0.20.3；拉压疲劳强度综合影响系数； S安全系数； 零件的疲劳极限； 最大应力； 应力幅。参数设计：由于有密封性，根据去中间值法，在此处取。在前面已经计算出,所以：则 （2.11）材料选用10.9级的合金钢，根据机械设计第八版表5-8 螺栓、螺钉和螺柱的性能等级取，静载荷时，所以： （2.12） 由公式（2.5）得：则 变载荷时：对于合金钢螺栓， 取 查机械设计第八版附表3-6得，,。本文取由公式（2.6）得：则 2.5 燃烧室 燃烧室6的作用在于：通过进气门吸入混合气体加以压缩、燃烧之后，再通过排气门将燃烧过的气体排出，燃烧室的形状极其重要，是决定发动机各种性能的重要因素之一。发动机的主要性能，如动力性、燃油经济性、排气的成分等，都与燃烧室的形状有关。按照燃烧室的形状，可以把燃烧室分成以下几种类型。浴盆形燃烧室：形状简单，容易布置火花塞。楔形燃烧室：对汽油的辛烷值要求较低，容易实现高压缩比。半球形燃烧室：进排气口的形状平滑，但是火花塞的布置收到制约。多球形燃烧室：和半球形燃烧室相比，火花塞的布置比较容易，而且可以布置多气门。屋脊形燃烧室：很容易布置多气门，适用于高性能发动机。 本章有关计算结果如表2-1所示。表2-1 气缸相关参数的计算结果 名称 尺寸和数值 单位 气缸直径 56 mm 活塞行程S 61 mm 曲轴半径 30.5 mm 气缸总推力 3 KN 气缸工作内压力 4 3 连杆的设计 连杆的作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆一般情况下选用中碳合金钢或中碳钢，当然除此之外也可采用低碳合金钢模锻成形，并且进行机加工。 连杆大头有剖分式和整体式两种。整体式连杆倒头相应的曲轴采用组合式曲轴，用轴承与曲柄销相连。连杆大头的内孔表面有很高的关洁度，以便与连杆轴瓦（或滚针轴承）紧密结合。摩托车单缸汽油机一般采用整体式连杆，大、小头内分别装有滚柱或滚针轴承。3.1 连杆的组成 如图3.1所示，连杆由小头、大头和杆身组成6，通常由非调质碳素钢、铬钢、铬钼钢锻造或粉末冶金铸造而成。小头分为两种，一种是直接压入活塞销：另一种是压入衬套，且在小头顶部或杆身上设有油孔。此外也可在大头设有喷油孔，向缸套或活塞喷油，进行润滑和冷却。此时喷油孔口处要加厚或倒角，避免引起应力集中。 图3.1 连杆各部位名称 大头的尺寸取决于连杆轴颈的尺寸。通常大头由孔中心线水平切开，装入半圆形滑动轴承，大头内攻有内螺纹，用高强度螺钉连接。大头为了准确定位，通常在螺栓上设有定位销或在螺栓上增加定位结构。最近，为了提高生产性和定位精度，也采用了断口定位法，将大头分割，取消定位销。另外有的出于组装需要，不分割大头，采用滚针轴承。通常，由大头的两个侧面和曲柄臂来确定连杆的推力方向。设计连杆时，首先根据活塞、活塞销、曲轴等确定小头和大头的孔径、宽度和长度。然后根据负荷分析各处强度，最后确定其他尺寸。 3.1.1 小头活塞及活塞销的惯性力、活塞销及衬套等压入时的圆周方向应力等作用于小头部位。爆发力作用于下部。先求出这些负荷，然后再确定形状，以保证足够强度。 3.1.2 杆身爆发力引起的压缩力、惯性力引起的拉伸力、摆动引起中心周围的弯矩等作用于连杆杆身。拉伸力和压缩力的最大值发生在上死点附近，弯矩的最大值发生在摆角最大时。 3.1.3 大头 为了减少对轴承产生的不良影响，必须对壳体刚性、安装螺钉用锪孔处的强度、分割位置的开口负荷和螺钉强度进行仔细分析。要提高开口负荷，主要是提高螺钉分担负荷，将螺栓做的尽量小，用尽可能大的轴向力连接。3.2 曲柄连杆比曲柄连杆比是指曲柄半径与连杆长度之比，简称为连杆比，用表示。由下式定义： （3.1）式中：曲柄半径，即曲柄销中心到曲轴中心之间的距离； 连杆长度，即连杆大小头轴线之间的距离。连杆比不仅影响曲柄连杆机构的运动特性，而且影响发动机的外形尺寸。值越大，连杆越矩，发动机的总高度（立式发动机）或总宽度（卧式发动机）越小。对于V形发动机，其总高度和总宽度都会减少。连杆过矩时易导致活塞在运动过程中与曲柄相碰。因此一般情况下现代摩托车发动机的连杆比，尽可能地采用矩连杆。参数设计： 取，那么连杆长度：3.3 连杆承受的载荷连杆承受的载荷主要是气压力和往复惯性力产生的交变载荷。其基本载荷是压缩或拉伸。对于四行程发动机，最大拉伸载荷出现在进气行程开始的上止点附近，其数值主要是活塞组和连杆计算断面以上那部分连杆质量的往复惯性力，即： （3.2） 式中： 分别为活塞组和连杆计算断面以上那部分的质量。 最大压缩载荷出现在膨胀行程开始的上止点附近，其数值是最大爆发压力产生的推力减上述的惯性力，即： （3.3） 式中：最大爆发压力产生的推力。3.4 连杆的角位移、角速度、角加速度对于活塞7中心线通过曲轴中心线的如图3.2所示的曲柄连杆机构，曲柄半径r与连杆长度的比值如前面公式（3.1）所示。 图3.2 曲柄连杆机构 则 （3.4）于是可以得到连杆的角位移 当 时，连杆角位移有最大值（取绝对值），即： 连杆的角速度: （3.5）当时，连杆角速度为最大值： 因为 所以 rad/s 当为90和270时，连杆角速度为0。连杆的角加速度： （3.6）当和时，159270.8rad/s。当和时，连杆的角加速度为0。4 活塞的设计与运动分析 活塞构成燃烧室的一部分。活塞通过往复运动将燃烧压力转换为旋转能量。在摩托车发动机中，活塞是第一个将燃料爆发力向外传递的零件，所以它也是第一个承受燃烧室内高压高温强烈冲击的零件。然而当发动机无限接近于满负荷工作时，头部中心温度将超过300，裙部的工作温度也有150-180。鉴于活塞工作的特殊性，要求活塞具有较高的结构强度和刚度，能承受高温高压，同时有较高的耐磨性、抗腐蚀性，在高温下膨胀系数小、重量轻等。因此，摩托车发动机上的活塞材料通常采用密度小、导热性能好的高硅铝合金铸造。本文设计的活塞如图4.1所示。 图4.1 活塞的剖视图4.1 活塞的功用及工作条件活塞是曲柄连杆机构的重要零件媒介，主要作用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外做功。此外，活塞又是燃烧室的组成部分。活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达1416MPa。而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。此外，活塞的运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具有良好的减摩性或采取特殊的表面处理。4.2 活塞的材料现代内燃机广泛使用铝合金活塞。铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。因此铝合金活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。目前所使用的铝合金中都加入适当的硅，所以在本文设计中活塞材料采用密度小、导热性能好的高硅铝合金铸造。此外，为了提高高硅铝合金活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效处理。4.3 活塞的主要参数活塞缸径为。压缩高度为。顶岸（第一环槽至活塞顶端距离）。采用三道环(其中两道气环，一道油环)。根据表4-1金属的线性膨胀系数可知铝的线性膨胀系数为23.2，单位1/。表4-1 金属的线性膨胀系数 金属名称 元素符号 线性热膨胀系数 铍 Be 12.3 铜 Cu 17.5 铬 Cr 6.2 锰 Mn 23.0 镍 Ni 13.0 银 Ag 19.5 铝 Al 23.2 铁 Fe 12.2 金 Au 14.2 镁 Mg 26.04.4 活塞的运动分析 4.4.1 活塞位移 对于活塞7中心线过曲轴中心线的曲柄连杆机构（如前面图3.2所示），活塞的行程，根据活塞的运动规律，计算出活塞的位置随曲轴转角的变化规律。 活塞的位移为： （4.1）式中：为曲柄半径和连杆长度比，前面已经知道； 为曲轴半径，。最大位移量为： （4.2）由三角函数的性质得 由牛顿二项式，可将展开，则 图4.2 活塞速度曲线 在实际计算中取前两项已足够精确。则活塞的位移可写成： 位移X随角度的变化关系可以用图像表示如图4.2所示。由图像和公式都可以看出，曲轴转角从和时活塞的位移值，比从和时活塞的位移值大，而且值越大，其差值也越大。 4.4.2 活塞的速度 活塞速度的精确数值为： （4.3） 对活塞的速度也可以进行近似计算，其近似值由对位移的近似计算式微分得到： （4.4）因此，活塞速度是两个速度分量之和，可以看成是由和两个简谐部分组成。其图像如图4.3所示。图4.3 活塞位移与曲线的转角关系 4.4.3 活塞的瞬时速度根据活塞的位移规律，对曲轴转角求导得到活塞的瞬时速度V随曲轴转角的变化规律： （4.5） 4.4.4 活塞的最高速度当时，此时活塞速度等于曲柄销中心的圆周速度。但是这并不是活塞的最高速度。活塞在最高速度时的曲柄转角可以用v对微分求极值的方式求得：可以得到：解此方程得： （4.6） 因为时是不合理的，所以方程的合理根只能取 由式可以看出：活塞在最大速度式的小于90或大于270。即活塞的最大速度出现在偏向上止点一侧。不同的值其最大速度时的值也不同，值越大活塞速度的最大值也越大，相应的曲轴转角也偏向上止点一侧。 4.4.5 活塞的平均速度活塞的平均速度是压缩机的最重要的结构参数之一，它直接反应了往复运动零件的高速性。曲柄旋转一周时活塞的速度不断发生变化，时快时慢，时正时负。0180时v为正值；180360时v为负值；0、180、360时v0； 90、270时。活塞平均速度的表达式为： （4.7）式中：S活塞行程； n发动机转速，本文n=3000 r/min； T曲轴转动一周所需要的时间。活塞的平均速度虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢，但它是表征发动机性能指标的重要参数。它从一个方面反映乐发动机的强化程度，同时也在一定程度上放映乐活塞和气功之间相互摩擦的强烈程度。随着活塞平均速度的提高，活塞和气功磨损加剧。参数设计：活塞平均速度有公式（4.7）得： 4.4.6 活塞的加速度、最大加速度根据活塞的瞬时速度规律，对曲轴转角求导得到活塞的加速度j随曲轴转角的变化规律为： （4.8） （4.9）从公式（4.8）和公式（4.9）中，我们可以得到活塞的加速度也可以看作是两个简谐运动之和，如图4.4所示。 图4.4 活塞加速度曲线活塞的加速度极值： 活塞加速度的极值是指活塞的最大正加速度和最大负加速度，由下式求得： 由此公式可以知道 或 若，则或，从而相应的加速度为： （4.10）若，则，相应的加速度为：所以活塞的最大加速度（取绝对值）为： 5 基于UG软件的三维建模5.1 UG软件介绍UG10（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的方案形式。UG同时也是用户指南（user guide）和普遍语法（Universal Grammer）的缩写；在DOTA中也被称为幽鬼。如今制造业面临诸多的挑战，我们只有通过开发产品技术创新，要完成成本的持续缩减以及收入和利润的逐渐增加。多年来，美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目一直都是UGS在支持，同时Unigraphics也是日本著名汽车零部件制造商的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用。另外，UGS公司在航空领域也有很好的的表现：在美国的航空业，安装了超过一万套UG软件，并且UG软件的利用率也比较高；在北美汽轮机市场，UG软件同样占有80%之高的市场；除此之外在俄罗斯航空业，UG软件同样具有很高的市场，市场占有率达到90%以上。在其他领域，比如说在发动机行业，UGS也占有领先地位，拥有如Pratt & Whitney和GE 喷气发动机公司这样的知名客户。5.2 UG软件的优势及主要功能优势：UG软件是当今世界上在制造业上最先进的、最全面的高端软件。现在社会中UG软件被很多世界领先的制造商用来从事各个领域。当然UG软件更多的是用于汽车和航空方面。主要功能：工业设计产品设计仿真、确认和优化NC加工模具设计开发解决方案 105.3 三维建模 5.3.1 缸体的三维建模 通过UG软件的命令建立缸体的基本外形11-12，具体如图5.1所示。图5.1 缸体外形因为活塞在气缸内作往复运动时会产生大量的热，所以缸体必须具有很好的散热效果，所以缸体的散热片的设计很重要。在UG软件中，我们可以先选择或创立正确的基准面。运用命令创立基准平面，然后再基准平面上绘制草图，绘制完草图后退出草图并进行拉伸。最后结果如图5.2所示。图5.2 散热片的建模 缸体在工作时必须被固定，所以在设计缸体时要设计固定装置。利用UG软件的草图、拉伸、镜像等命令。结果如图5.3所示。图5.3 固定装置 气缸的建模，直径，贯通于整个零件。以上所有步骤最终结果如图5.4所示。 图5.4 缸体 5.3.2 活塞的三维建模活塞的作用就是在气缸内作往复运动，从而压缩燃料提供动力，所以活塞要能够与气缸紧密配合，在本文活塞的最大外径D=56mm，如图5.5所示。 图5.5 活塞外形活塞内部要通过活塞销与连杆相连接，从而连杆在曲轴的带动下使活塞作运动。所以在设计时要使活塞的内部能够与连杆相配合，并且要设计销孔，以便于连接。如图5.6所示。 图5.6 销孔5.4 零件的装配 5.4.1 装配的概述装配13是根据规定的技术要求将零件或部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品的工艺过程。装配是机器制造的最后环节，直接影响机器的总体性能。装配精度是产品设计时根据使用性能要求规定的、装配时必须保证的质量指标。产品的装配精度所包括的内容可根据机械的工作性能来确定，一般包括：相互位置精度 相互位置精度是指产品中相关零部件间的距离精度和相互位置精度。相对运动精度 相对运动精度是指产品中有相对运动的零部件之间在运动方向和相对速度上的精度。运动方向的精度常表现为部件间相对运动的平行度和垂直度。相互配合精度 相互配合精度包括配合表面间的配合质量和接触质量。配合质量是零件配合表面之间达到规定的配合间隙或过盈的程度，它影响接触强度，也影响配合质量。不难看出，各装配精度间有密切的关系，相互位置精度是相对运动精度的基础，相互配合精度对相对位置精度和相对运动精度的实现有较大的影响。保证装配精度的工艺方法：从保证机械产品精度的角度出发，常用的机械装配方法有互换装配法、分组装配法、修配装配法及调整装配法。装配方法的具体选择应根据机器的使用性能、结构特点和装配精度要求，以及生产批量、现有生产技术条件等因素综合考虑。装配尺寸链各环尺寸及公差需通过尺寸链的分析计算确定。 5.4.2 活塞与活塞销的转配活塞销与活塞上的孔装配时，要保证两者之间的配合为过盈配合。本文设计的销与孔的基本尺寸为，在冷态装配时要求有的过盈量。所以装配精度（过盈量）的公差。若按完全互换装配法，将均等分配给活塞销及销孔，则尺寸分别为活塞销和销孔，精度等级相当于级，显然，制造很困难，也不经济。图5.7为发动机活塞销与与活塞上的销孔的装配关系。图5.7 活塞销与活塞的装配关系 采用分组装配法，将原来公差同方向放大4倍，销的尺寸为，孔的尺寸为，精度等级相当于级，制造比较容易，也比较经济；按实际加工尺寸分为4组,分别用不同颜色标记。装配时相同颜色标记的活塞销和销孔相配。具体分组情况见表5-1。表5-1 活塞销与活塞销孔直径分组组别 标志颜色 活塞销直径 活塞销孔直径 I 红 II 白 III 黄 IV 绿 6 运动仿真6.1 运动仿真的简介运动仿真模块是CAE应用软件，用于运动机构模型，分析其运动规律。该模型可以实现任何二维和三维机构的运动学和动力学分析，实现对于运动分析方案的管理及处理相关数据。运动仿真模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。实现运动仿真功能的步骤：1、建立场景；2、进行运动模型的构建，包括设置连杆特性，设置运动副；3、进行运动参数的设置，同时电脑进行解决方案的运算并进行运动仿真动画的输出；4、结果的数据输出和表格的输出、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。6.2 零件装配图的运动仿真操作步骤如下： 单击菜单栏【起始】【运动仿真】按钮，进入运动仿真模块。击运动仿真工具栏区的连杆特性和运动副模块中的图标 (连杆)，系统将会打开【连杆特性创建】对话框，建立连杆特性。接下来要创建运动副，点击连杆特性和运动副模块中的铰链连接（运动副）按钮后，将弹出一个对话框要求用户选择铰链连接的类型，如图6.1所示。图6.1 运动副的建立进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制，UG的运动分析类型有两类：静态分析和动力学分析。在这个设计里，选用动力学分析，如图6.2所示，设置时间与步数。 图6.2 参数设置 图6.3 动画示意图 点击命令，即可进入动画演示，如图6.3所示。运动分析结果的图表输出，点击功能菜单区运动分析模块中的生成图表按钮，将会生成图表，如图6.4所示。图6.4 时间表格 由图6.4可以分析出，随着零件的运动位移与时间成二次函数关系，随着时间的增加，位移成抛物线式增长。 点击列出运动连接命令，可以导出连接信息，如图6.5所示。图6.5 连接信息7 缸体的加工工艺规程设计7.1 确定毛坯的制造形式摩托车气缸采用单体式，要求材料能够耐高温、质量轻。故缸体的材料为铝合金，毛坯为铸造，生产类型为大批量。7.2 气缸体的加工工艺特点气缸的主要特点是尺寸较大，形状较复杂，壁薄，有若干精度要求较高的平面和孔，还有许多连接其它零件的小孔。气缸机械加工主要的特点是加工平面主要用铣、磨等，孔加工主要用扩、铰、磨等。由于缸体的结构比较复杂，因此在加工过程中如何去保证各表面间的相互位置精度是重要问题，所以在加工中通常要考虑一下问题：精加工的划分 当刚性好内应力小毛坯精度较高时，这时我们可以不划分加工阶段，可以先粗、精加工基准面，然后再粗、精加工孔。但是当粗加工能够引起非常显著的变形时，通常是交替进行平面和孔的加工，即先粗加工后精加工以后。一个零件虽然有很多平面要进行加工但是面与面之间的加工精度是不同的。当表面加工精度较高时，往往要经过很多次的加工；当表面加工精度低时，只需要经过一两次的加工就可以了。所以在制定工艺顺序时，往往要抓住表面加工精度较高的这个问题。一个零件的工艺过程通常是以某些表面的加工为中心反复进行的，对于安排工艺顺序的原则就是:基面先行，先主后次，先粗后精，先面后孔。定位基准的选择 选一个支撑面和两个尽可能远的孔。7.3 基准的选择粗基准的选择原则15：如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求，则应以不加工表面作为基准。如果必须首先保证某重要表面的加工余量均匀，则应该选择该表面作为粗基准。零件上有较多地加工表面时，为使各加工表面得到足够的加工余量，应选择毛坯上加工余量最小的表面作为粗基准。精基准的选择原则15：基准重合原则；基准统一原则；互为基准原则；自为基准原则。7.4 制定工艺路线因为缸体的精度要求较高，所以加工阶段分为：粗加工阶段，精加工阶段。加工中包括铣、磨、扩、铰等。加工工艺路线如下：工序1：备料、铸造 铸造、清理工序2：热处理 时效处理工序3：粗、半精铣外圆工序4：粗、精铣上顶面工序5：粗、精磨上顶面工序6：粗、精铣下底面工序7：粗、精磨下底面工序8：粗、精镗的孔 工序9：扩的孔工序10：铰的孔工序11：扩的孔工序12：铰的孔工序13：去毛刺工序14：检测入库 入库时涂上一层油7.5 加工余量及切削用量的确定机械加工余量17对工艺过程有一定的影响，余量不够，不能保证零件的加工质量，余量过大，不但增加机械加工劳动量，而且增加了材料、刀具、能源的消耗，从而增加了成本，所以必须合理地安排加工余量。综合考虑书金属加工工艺及工装设计关于加工余量的确定方面的知识，本文设定上顶面与下底面的加工余量为4mm，的孔的余量为5.5mm，的孔的加工余量为2mm，的孔的加工余量为2mm，外圆的加工余量为3mm。切削用量是指切削速度、进给量(或进给速度)和背吃刀量(切削深度)，三者又称为切削用量三要素。基本工时是机动时间和辅助时间的和。其中，机动时间为切削工件的时间，而辅助工时是为保证基本工艺过程的实现，必须进行的各种辅助性操作所消耗的时间，如机械加工工序中装卸工件、进退刀、测量、自检、转换刀架、开停车等。由于现代技术的发展，机床的性能也越来越优异，为了节约时间，上述加工工序可以在尽可能少的机床上完成。工序3 ：在粗铣、半精铣外圆时，铣床选用X5012铣床，刀具为的硬质合金铣刀。粗铣外圆时根据金属加工工艺及工装设计表4-58确定进给量，则转速为： （7.1）根据金属加工工艺及工装设计表4-44查得X5012铣床的标准转速，所以实际切削速度由公式（7.1）可以得到： （7.2） 精铣外圆时根据金属加工工艺及工装设计表4-58确定进给量，则转速由公式（7.1）可得：根据金属加工工艺及工装设计表4-44查得X5012铣床的标准转速，所以实际切削速度由公式（7.2）可得：工序4： 粗、精铣上顶面，铣床继续选用XA5132铣床，机床功率为7.5KW，材料为YG8，刀具为的硬质合金铣刀。粗铣上顶面时根据金属加工工艺及工装设计表4-76 查得，查表4-79得，则转速由公式（7.1）可得：根据金属加工工艺及工装设计表4-44查得XA5132铣床的标准转速为，所以实际切削速度由公式（7.2）可得：精铣上顶面时根据金属加工工艺及工装设计表4-76 查得，查表4-79得，则转速由公式（7.1）可得： 根据金属加工工艺及工装设计表4-44查得XA5132铣床的标准转速为，所以实际切削速度由公式（7.2）可得：工序5：粗、精磨上顶面 机床选用M2110A磨床，砂轮尺寸（外径宽度内径）为（501020）。粗磨上顶面时 根据金属加工工艺及工装设计表4-48 查得砂轮轴转速为11000，砂轮进给量（双行程）为0.005。工作台移动速度为1.6。精磨上顶面时 根据金属加工工艺及工装设计表4-48 查得砂轮轴转速为18000，砂轮进给量（双行程）为0.003。工作台移动速度为2。工序6：粗、精铣下底面与工序7：粗、精磨下底面与加工上顶面一样，这里就不再进行阐述。工序8：粗、精镗的孔 机床选用T612。刀具为的圆形硬质合金镗刀。粗镗的孔根据金属加工工艺及工装设计表4-71和4-72查得，则转速由公式（7.1）可得：查表知道标转速为950，所以实际转速由公式（7.2）可得：精镗的孔根据金属加工工艺及工装设计表4-71和4-72查得，则转速由公式（7.1）可得：查表知道标转速为1200，所以实际转速由公式（7.2）可得：工序9：扩的孔利用钻头将mm的孔扩至mm的孔，机床为Z525钻床。根据金属加工工艺及工装设计表4-67查得，则转速由公式（7.1）可得： 根据金属加工工艺及工装设计表4-41查得Z525钻床的标准转速，所以实际切削速度由公式（7.2）可得： 工序10：铰的孔利用的铰刀把mm的孔铰到。机床同样选择Z525钻床，刀具为的硬质合金铰刀。根据金属加工工艺及工装设计表4-70查得，则转速由公式（7.1）可得： 根据金属加工工艺及工装设计表4-41查得Z525钻床的标准转速，所以实际切削速度由公式（7.2）可得： 工序11：扩的孔 工序12：铰的孔工序11和工序12的切削用量的选择方法和工序10、11一样，这里也不再进行详细说明。工序13：去毛刺工序14：检测入库 工件入库一定要在工件的加工表面涂上一层防护油，并包装好放在正确的位置。8 结论与展望8.1 结论通过此次毕业设计，对我来说可以说是受益匪浅，我学到了许多新的知识，尤其是得到了实际的锻炼。通过这次设计，我把大学四年里所学的知识有机的结合起来，并且运用到了实际中去解决问题，培养了我独立思考解决问题的能力，使我不但巩固了基础知识而且掌握了设计的一些步骤和要领。此外，在完成本次论文的过程中，需要查看大量的资料，所以说此次实践也使我懂得了怎样能够更好的利用图书馆的资料，并且使自己原来不是很熟练的UG也得到了很大的提高。发动机缸体是发动机中一个重要且复杂的零件，所以所这次的设计具有一定的挑战性。毕业设计使我认识到只专注于书本上的知识的学习是远远不够的，必须要把理论与实践相结合，走出书本。8.2 不足之处及展望在这次的毕业设计中，我的论文题目是基于UG/AutoCAD的摩托车发动机相关零部件的设计。本次设计我主要是通过UG对零件进行三维建模，在做的过程中就出现了一系列的问题，UG在学校里面是一门必修课，对它的建模有学习，但在这次的毕业设计里，发现自己对UG原来是那么的生疏，以前学的只是一点皮毛而已。对UG的生疏主要体现在以下两点。在建模方面 在以前的学习建模中，我总会是眼高手低，认为很简单，在真正运用之后才发现自己好多都不会。比如说在进行一些基本形状的建模时，其实在UG里面可以直接运用一些工具就可以直接做出来，而我还是通过最基本的草图来完成，这是一个不足之处。此外，在绘制草图方面，我不能够正确的运用约束命令，以至于在拉伸时会产生片体而不是实体。还有就是曲线，也不能够熟练的运用，每一次都要重复操作几遍才能成功。在运动仿真方面 在以前没有接触过运动仿真，在这里是第一次接触。尽管通过自己认真的看书学习，但还是对仿真一
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