畢業(yè)設計---基于proe的發(fā)動機活塞參數化設計

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計（論 文）</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要4</b></p><p>　　Abstract5</p><p><b>　　1.緒論6&l

2、t;/b></p><p><b>　　2.設計要求7</b></p><p>　　3.活塞的結構及參數分析.10</p><p>　　3.1 活塞的選型11</p><p>　　3. 2 活塞的主要尺寸12</p><p>　　6． 環(huán)岸高度17</p><p

3、>　　3.3活塞頭部設計22</p><p>　　3.4 活塞的裙部設計.25</p><p>　　3.5 活塞銷座設計.27</p><p>　　3.6活塞與缸套的配合間隙28</p><p>　　4.活塞實體模型的建立30</p><p>　　5.活塞實體模型的參數化33</p>&

4、lt;p>　　5.1. Pro／PRoGRAM的語法結構34</p><p>　　5.2活塞獨立參數的確定34</p><p>　　5.3 Pro／PR()GRAM程序設計34</p><p>　　6.用戶界面的開發(fā)36</p><p><b>　　結語39</b></p><p>

5、;<b>　　[參考文獻]40</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　采用基于特征的參數化設計方法，利用pro/e軟件的pro/PROGRAM塊建立了發(fā)動機活塞的參數化模型，分析發(fā)動機活塞的結構特點，確定影響活塞設計的獨立參數化和關聯參數，不僅實現了零件的參數化，而且實現了活塞結構的控制特征拼合。最后通過VB開發(fā)

6、技術，實現活塞的自動化設計，是設計人員只需要輸入必要的設計參數就可草擬零件圖，并可以變動某些約束參數二不必運行產品設計的全過程來更新設計。參數化設計已成為進行初始設計。產品模型編輯修改的有效手段。</p><p>　　關鍵詞:活塞 設計 參數化 PRO/E.</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The

7、parametric design rrlethod based on feature is adopted in this paper．The par昌lrnetric model of engine piston is es—tablished by the Pro／Program rIlodule of Pr0／E soft、張re． AccordiIlg to the structure of engine piston，ind

8、ependent parameter and</p><p>　　relating par鋤eter in piston design is ascertair尉．The parametric dimension a11d parametric feature of part is realized． 1n the end，automatic design of piston is realized by VB

9、development．In order to make part dra啊ng and remodel part，the designer just need to</p><p>　　modify the restriction parameter．Parametric design is efficiem in production design and model edit．</p><

10、;p>　　Key words: Internal-combustion engine; Piston design; Finite element analysis;</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　汽車是現代化社會重要的交通運輸工具，是科學技術發(fā)展水平的標志。汽車已經進入了現代的生活之中與人類的生活已經密不可分，一方面它的

11、高效率，高機動化等特點為人類帶來了極大的方便，提高了人們的生活水平，另一方面它的噪聲，污染等公害也降低了人們的生活質量。因此，人們對汽車提出了越來越高的要求?；钊鳛榘l(fā)動機的重要運動件之一，它所處的工作條件相當嚴酷，即高溫、高負荷、高速運動、潤滑不良和冷卻困難等，使其成為發(fā)動機改進的重大障礙之一。隨著發(fā)動機技術水平的提高，高速大負載發(fā)動機的研制和運用，使活塞處于一個更嚴酷的工作環(huán)境中，活塞就不可避免的成為發(fā)動機強化的首要障礙。</

12、p><p>　　發(fā)動機在運轉時，活塞工作在高負荷環(huán)境中。首先，活塞受氣體壓力、慣性力和側向力的作用，氣體壓力和慣性力的方向和大小都是變化的，這就引起了活塞內應力的極度不均勻，容易引起材料的疲勞破壞。其次，活塞在徑向和高度方向上的受熱不均勻，引起內部附加極大的熱應力，這也是活塞疲勞破壞的主要原因之一。此外，活塞的不同部位還承受著局部力的作用?；钊h(huán)岸作用著氣體壓力和活塞的慣性力，活塞在上止點搖擺使活塞上下邊緣遭到沖擊。

13、而且由于活塞形狀復雜，各部分金屬分布不均勻，在不同的直徑方向，活塞的剛度是不同的，在不同的剛度之間，軸線方向上，活塞的熱變形和熱應力是不同的，活塞的受力和內應力也是極度不均勻的。這就是活塞設計的重點和難點。</p><p>　　早期單件研究中，為了計算簡便，柴油機活塞通常被簡化為對稱構件，因而采用1∕2或1∕4模型進行網格劃分和有限元分析，既可以節(jié)省計算時間，又可得到較為真實的研究成果。然而，對稱模型只適用于那些

14、沒有冷卻油道的中小功率發(fā)動機活塞，對那些有冷卻腔等非對稱結構的活塞而言，1∕4或1∕2簡化模型是不適合的。為此，內燃機非對稱活塞的研究勢必要求利用整體三維實體模型進行有限元分析，但唯一不足的是所耗費的CPU時間太多。所以，對對稱結構的活塞完全可以用1∕2或1∕4模型來簡化計算，即可節(jié)省CPU時間，又不影響計算精度；而對非對稱結構的活塞從保證計算精度出發(fā)不宜采用對稱模型。</p><p>　　活塞組的熱傳導分析過程

15、中，穩(wěn)態(tài)傳熱的方法因計算簡便得到了廣泛應用。在計算此類邊界條件時，通常采用第3類邊界條件進行計算。與穩(wěn)態(tài)方法相比，瞬態(tài)的熱傳導分析具有更高的可信度，也與實際情況更為貼近。在瞬態(tài)研究中，實際工況下的每循環(huán)中，由于活塞的運動，活塞的有限元計算網格是隨時間的變化自動生成新的有限元網格；而且對應每個邊界條件都得做一次有限元分析，這對計算機和軟件的要求都很高。故迄今為止此類研究在國內還是以簡化模型為基礎，通過相應的經驗公式擬合使用穩(wěn)態(tài)傳熱來研究瞬

16、態(tài)問題。</p><p>　　在未來的活塞組部件研究中，三維非對稱模型有限元分析將得到廣泛應用，缸內熱傳導將以整體耦合的方法為指導，而隨著社會的不斷進步，瞬態(tài)傳熱的研究將有助于活塞組設計的簡化。</p><p>　　本設計是運用現代設計方法和設計理念，結合國內外先進的設計技術和設計經驗，為重慶馬勒發(fā)動機有限公司開發(fā)設計的新型高速發(fā)動機活塞BH135進行三維建模和有限元分析，分析活塞和發(fā)動機

17、整機工作狀態(tài)相耦合的傳力和傳熱特性。</p><p><b>　　2.設計要求</b></p><p>　　本次的發(fā)動機主要設計參數如下表：</p><p>　　3.活塞的結構及參數分析.</p><p>　　結構是由眾多的結構參數來描述的，這些結構參數之間存在著一定的關系和規(guī)律。就發(fā)動機活塞而言，部分結構參數是獨立的，

18、部分結構參數是非獨立</p><p>　　的；有的是所有類型活塞共有的，有的是特殊結構類型專有的?？偨Y歸納出活塞的各種結構類型和結構參數，是進行參數化設計的前提。</p><p><b>　　3.1 活塞的選型</b></p><p>　　活塞設計應從發(fā)動機的強化指標、使用要求和加工條件等方面綜合考慮，首先制定出技術上和經濟上最合理的活塞結構方

19、案，然后再進行技術設計?；钊x型要點如下：</p><p>　　據單位活塞面積功率或平均有效壓力，選擇合適的活塞結構，保證活塞能承受所規(guī)定的機械負荷和熱負荷。</p><p>　　密度小以減輕活塞的重量和往復慣性力。</p><p>　　導熱系數大，以降低活塞頂部的溫度，改善活塞的受熱情況。</p><p>　　線膨脹系數小，以減小活塞的熱變

20、形，從而是熱車不拉缸，冷 車不敲缸。</p><p>　　在高溫 下能保持良好的機械性能。</p><p>　　具有良好的減摩性能，以減小摩擦損失且具有足夠的熱穩(wěn)定性及耐磨性。</p><p>　　易于鑄造或模壓，易于加工。</p><p>　　具有較好的耐腐蝕性。</p><p>　　本設計要求的活塞是高速、內冷柴油

21、機活塞，要求質量小，經濟成本低，首選鋁合金活塞。整體鋁活塞的各處壁厚均較大(材料強度低)，但由于鋁合金的密度小，其質量比鑄鐵活塞輕，這對發(fā)動機的高速是有利的。同時由于鋁合金的導熱率高，對于水冷四沖程發(fā)動機可以在內壁噴油冷卻的情況下保持良好的溫度。但由于鋁合金的線膨脹系大可能會破壞配缸間隙和增加摩擦損。</p><p>　　活塞的主要結構尺寸（2-1）可根據同類型發(fā)動機或統(tǒng)計數據選取</p><

22、p>　　本活塞選用共晶鋁合金作為活塞材料，它的特點是在高溫時有良好的抗拉強度忽然屈服極限，并且在延伸率小，熱膨脹系數較低，是很好的活塞材料，本次設計選用的共晶鋁合金的主要性能參數如下表（表2-2）</p><p><b>　　表2-2</b></p><p>　　3. 2 活塞的主要尺寸</p><p><b>　　塞高度H&l

23、t;/b></p><p>　　1）活塞高度取決于以下因素：</p><p>　　對柴油機高度尺寸的要求（與柴油機用途有關）</p><p><b>　　轉速n</b></p><p><b>　　燃燒室形狀及尺寸</b></p><p><b>　　活塞裙部

24、承壓面積</b></p><p>　　應在保證結構布置合理和所需的承壓面積條件下，盡量選擇較小的活塞高度。</p><p>　　2）數據范圍（表3-3、圖3-2）</p><p>　　表3-3 活塞高度H與缸徑D之比的范圍</p><p>　　圖3-2 高速柴油機活塞高度</p><p>　　-n＜3000

25、rpm -n≥3000rpm</p><p>　　2. 壓縮高度H1 壓縮高度H1決定活塞銷的位置。H1取決于第一道活塞環(huán)至頂面的距離h、環(huán)帶高度H5（H5又決定于活塞環(huán)的數目及高度）及上裙高度H4。在保證氣環(huán)良好工作的條件下，宜縮短H1，以力求降低整機的高度尺寸。H1/D的一般范圍如圖2-3和表2-4所示。</p><p>　　圖圖2-3 高速柴油機活塞的壓縮高度<

26、/p><p>　　-n＜3000rpm -n≥3000rpm</p><p>　　表3-4 H1/D的一般范圍</p><p>　　3． 頂岸高度h（即第一道活塞環(huán)槽到活塞頂的距離）</p><p>　　h越小，第一道環(huán)本身的熱負荷也越高。應根據熱負荷及冷卻狀況確定h，使第一道活塞環(huán)的工作溫度不超過允許極限（約180~220℃）。<

27、;/p><p>　　在保證第一道環(huán)工作可靠的情況下，盡量縮小h，以力求降低活塞高度和重量。</p><p>　　h/D的一般范圍如下（圖2-4）：</p><p>　　高速柴油機鋁活塞0.14~0.20</p><p>　　組合活塞0.07~0.20</p><p>　　圖2-4 第一道環(huán)槽到活塞頂的距離h（高速柴油機）

28、</p><p>　　鋁活塞 鋼頂鋁裙組合活塞</p><p>　　4． 活塞環(huán)的數目及排列</p><p>　　1）活塞環(huán)數目一般為：</p><p>　　高速機 氣環(huán)2~3道，油環(huán)1~2道；</p><p>　　中速機 氣環(huán)3~4道，油環(huán)2道（少數用一道）</p><p>　　2）

29、油環(huán)布置：采用一道油環(huán)時，油環(huán)裝在銷孔上方。</p><p>　　5． 環(huán)槽尺寸 環(huán)槽的軸向高度等于活塞環(huán)的軸向高度b。</p><p>　　環(huán)槽底徑D`取決于活塞環(huán)的背面間隙，背隙大小與活塞的熱膨脹有關，并對環(huán)的背壓有一定影響。D`可按下式估算</p><p>　　氣環(huán)槽 D`=[D-(2t+KD)+0.5](mm) (3-1)</p>&l

30、t;p>　　油環(huán)槽 D`=[D-(2t+KD)+1.5](mm) (3-2)</p><p>　　式中 D活塞名義直徑；</p><p>　　t 活塞環(huán)徑向厚度；</p><p>　　K系數，鋁活塞K=0.006，鑄鐵活塞k=0.004</p><p>　　環(huán)槽底部的過度圓角一般為0.2~0.5mm.</p>

31、<p><b>　　6． 環(huán)岸高度</b></p><p>　　環(huán)岸高度（第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸）溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂。所以第一環(huán)岸高度h1一般比其余環(huán)岸高度要大一些。</p><p>　　必須保證環(huán)岸有足夠的機械強度，可按下列公式計算：</p><p><b>　　(2-3)</b>

32、;</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　3) 環(huán)岸高度范圍（圖2-5、表2-5）</p><p>　　圖2-5 高速柴油機鋁活塞的第一環(huán)岸高度h1</p><p>　　三環(huán)以上活塞

33、 三環(huán)活塞</p><p>　　表2-5 環(huán)岸高度</p><p><b>　　活塞頂厚 </b></p><p>　　是根據活塞頂部應力、剛度及散熱要求來決定的，小型高速柴油機的鋁活塞，如滿足頂部有足夠的傳熱截面，則頂部的機械強度一般也是足夠的。熱應力隨活塞頂厚度增加而增大，活塞頂厚度只要厚到能承受燃氣壓力即可。（的一般范圍如表2-6）&l

34、t;/p><p>　　表2-6 活塞頂厚度</p><p><b>　　8． 裙部長度H2</b></p><p>　　1） 選取H2應使裙部比壓在許可范圍之內，裙部比壓可按公式q1=Nmax∕DH2 (2-6)計算。</p><p>　　2） H2∕D的一般范圍如下：</p><p>　　高速柴

35、油機0.65~0.88</p><p>　　中速柴油機 1.0~1.1</p><p>　　上、下裙長應有恰當的比例，上裙長度H4過小，易產生尖峰負荷，造成活塞拉毛及擦傷。一般比例如下：H3=(0.6~0.75)H2（圖2-6）。</p><p>　　圖2-6 下裙長度H3與裙部長度H2的比例</p><p>　　鋁活塞 鋼頂鋁裙組

36、合活塞</p><p>　　9． 裙部壁厚： 鋁活塞裙部最小壁厚一般為(0.03~0.06)D（圖2-7）。薄壁裙部對輕活塞重量有利，但又需保證裙部有足夠的剛性，則可設置加強筋。</p><p>　　圖2-7 高速柴油機活塞裙部最小壁厚</p><p&g

37、t;　　鋁活塞 鋼頂鋁裙組合活塞</p><p>　　活塞銷直徑d銷座間隔B </p><p>　　d和B的選擇主要是考慮活塞銷座的承載壓力及活塞銷的剛度問題，應滿足下列要求：</p><p>　　選擇d和B時應驗算銷座比壓和連桿小頭軸承比壓，使這兩項平均比壓均在允許范圍之內。</p><p>　　按公式（2-7）、（2-8）校驗活塞

38、銷的彎曲變形和橢圓變形，d的選擇應保證活塞銷的變形在許可范圍內。</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　?。?-8） </p><p>　　3）d的一般范圍見圖2-8及表2-7。中小型高速柴油機，一般d∕D＜0.4，若d∕D太大

39、，則使活塞銷表面至活塞頂內表面的距離過小，給活塞連桿組設計帶來困難。強化柴油機趨向于用較大的活塞銷直徑，d≥0.4D；大缸徑柴油機d∕D值也較大。 </p><p>　　銷座間隔B的一般范圍見圖2-9及表2-8。</p><p>　　圖3-8 高速柴油機活塞銷直徑d</p><p>　　-n＜3000rpm

40、 -n≥3000rpm</p><p>　　表3-7 活塞銷直徑d</p><p>　　圖2-9 高速柴油機活塞銷座間隔B</p><p>　　鋁活塞 鋼頂鋁裙組合活塞 、－為階梯形銷座</p><p>　　銷座上端間隔距離 、銷座下段間隔距離</p><p><b>　　3.3

41、活塞頭部設計</b></p><p>　　活塞頂形狀主要根據燃燒系統(tǒng)的切要求進行設計，而活塞的熱負荷也是選擇燃燒系統(tǒng)的重要依據之一。頭部截面形狀影響活塞的熱流及溫度分布。本設計鋁活塞頭部設計成導熱良好的“熱流型”（圖3-9），即根據活塞的熱流通路，采用大圓弧過渡，以增加從頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部熱流迅速傳出，使活塞頭部的溫度得到降低。溫度降低的同時也有利于消除應力集中，這樣，即可提高活塞的承載

42、能力。</p><p><b>　　圖3-9</b></p><p>　　活塞頭部承受較大載荷，常在氣門凹坑、燃燒室喉口邊緣、活塞頂內壁與銷座根部聯結處產生疲勞裂紋，因而從結構上解決頭部裂紋的措施如下：</p><p>　　合理設計頭部形狀，降低活塞頂面機械應力；</p><p>　　避免加工尖角，采用較大的過渡圓角，消

43、除應力集中；</p><p>　　降低活塞熱負荷，提高鋁合金疲勞極限；</p><p>　　第一道活塞環(huán)的位置是確定活塞頭部結構的重要因素之一。為了減少活塞的高度及重量，希望第一道環(huán)能高一些，接近活塞頂，這樣會使第一道環(huán)的溫度過高。發(fā)動機容許的熱負荷很大程度上取決于第一道環(huán)的溫度，而實踐證明，第一道環(huán)磨損最大，它在環(huán)槽中被折斷、咬死的可能性最大。因此，發(fā)動機檢修活塞組的時間間隔，在很大程度

44、</p><p>　　上決定于第一道環(huán)的壽命。這說明，盡可能的提高第一道環(huán)的工作可靠性與壽命是有很大意義的。第一道環(huán)在活塞上的位置應該是這樣的：即當活塞處在上止點時，第一道環(huán)的外表面應不超越冷卻水套之外，在有缸套的場合下，缸套突肩會影響第一環(huán)往上提高的程度。對于第一道環(huán)槽到活塞頂的距離可定為h=(0.14～0.2)D (3-9)。</p><p>　　為了減小第一道環(huán)的溫度，可以采取以下措

45、施：在活塞頂部進行硬模陽極氧化處理，可以提高活塞頂面耐熱性及硬度，并增加熱阻，使頂部降溫。</p><p>　　提高活塞環(huán)槽的加工質量和正確選擇與環(huán)槽的側隙對于環(huán)槽和環(huán)的可靠性和耐久性十分重要。因為活塞環(huán)的可靠工作要以環(huán)的外圓表面與缸壁貼緊、環(huán)的上下兩面與環(huán)槽的相應平面貼緊為前提。環(huán)與環(huán)槽的間隙過大，會加劇環(huán)對環(huán)槽的沖擊。側隙過小，容易使環(huán)粘接環(huán)槽而失去密封作用。在高速發(fā)動機中，常把第一環(huán)側隙增大到0.1～0.2

46、mm。</p><p>　　環(huán)槽磨損對活塞的使用性能影響極大，為了延長活塞的使用壽命，要特別注意提高第一道環(huán)槽的耐磨性，除注意環(huán)槽的加工質量、正確選擇活塞環(huán)與環(huán)槽的側隙，以減少環(huán)槽的沖擊磨損外，從結構上要注意提高第一道環(huán)的耐磨性，其措施如下：</p><p>　　1）采用鑲環(huán)座（即耐磨鑲圈） 在第一道環(huán)槽處鑄入奧氏體環(huán)座，環(huán)座與活塞材料依靠互相擴散形成金屬分子結合，中間層系多種化合物，環(huán)

47、槽壽命可得到較大提高。 </p><p>　　2）環(huán)座截面形狀為梯形，使鋁合金冷卻時沿徑向收縮，以卡緊環(huán)座。</p><p>　　在確定壓縮高度及各部尺寸分配時，首先定出第一環(huán)的位置，并對第一環(huán)岸按公式2-3、2-4、2-5進行強度校核。氣環(huán)的數目是根據發(fā)動機的燃氣壓力、轉速及發(fā)動機的模式決定的。漏氣隨著燃氣壓力和汽缸的直徑的增大而增加，隨發(fā)動機轉速的提高而減少，從理論上講，當氣環(huán)和活塞以

48、及氣缸壁緊密配合時，一道氣環(huán)就夠了。最近國外出現了一道氣環(huán)和一道油環(huán)的高速發(fā)動機，這是因為在高速高負荷下，減少環(huán)數和環(huán)高有重要意義。減少環(huán)數的主要優(yōu)點是：減少摩擦磨損，減少往復負荷，增加發(fā)動機的可靠性?？紤]到燃氣壓力單位增加、啟動時的密封性以及改善經活塞環(huán)到氣缸壁的散熱條件，較多的發(fā)動機采用2~3環(huán)，本設計中采用3環(huán)，2道氣環(huán)，1道油環(huán)。（如圖3-10）</p><p><b>　　圖</b>

49、;</p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　22-10</b></p><p>　　除了環(huán)的數目外，要減少環(huán)帶部分的高度就要從減小環(huán)槽和環(huán)岸的高度著手。從減小活塞與氣缸套的摩擦功出發(fā)，希望環(huán)高度小一些，也有利于減輕重量、縮短磨合時間，同時對氣缸不平行度的適應性也較好。但這又使通過環(huán)的熱流強度增加

50、，在加工和裝配中容易斷裂。環(huán)槽的高度取決于環(huán)的高度，而環(huán)岸高度的確定，應使作用在環(huán)上的壓力不致引起環(huán)岸的變形?？紤]到第一環(huán)岸比其它環(huán)岸的溫度高，受的沖擊壓力也大，容易在環(huán)岸根部產生裂紋，因此鋁活塞第一環(huán)岸較厚，一般取h1=(0.04~0.08)D (3-10)，其余環(huán)岸的厚度取為(0.03~0.045)D (3-11)。</p><p>　　3.4 活塞的裙部設計.</p><p>　　其

51、作用是為活塞在氣缸內作往復運動導向和承受側壓力。因此，長的裙部有利于減小單位面積壓力和減小磨損，也不容易引起活塞、缸套的拉傷。但是，從降低活塞高度的角度出發(fā)，又希望裙部盡量短。短的裙部不容易和連桿相撞。車輛發(fā)動機活塞裙部長度一般取為H2=(0.4~0.8)D (2-12)。</p><p>　　考慮裙部長度時，必須照顧到活塞銷孔對于活塞裙部的位置，合理分配上裙部與下裙部的長度，以防活塞工作時發(fā)生側斜，造成局部強烈

52、磨損。</p><p>　　活塞銷孔在裙部的正確位置應使側壓力產生的載荷沿活塞全高均勻分布。若活塞對汽缸壁的側作用力為N，當活塞在做功沖程向下移動時，活塞遇到的摩擦阻力μN(μ為摩擦系數)所形成的力矩μN*D/2，將使活塞沿順時針方向傾側。如果側壓力在氣缸壁上是均勻分布的，則氣缸壁對活塞的反作用力將通過活塞的中點，因此，活塞銷的中心線應安排在裙部的中點以上，才能形成一個與力矩μN*D/2方向相反的力矩，使活塞不致

53、沿順時針方向傾側。跟據力矩平衡的條件，可求出活塞銷中心線與裙部中點間的距離Y：</p><p>　　YN=μN*D/2 (3-13)</p><p><b>　　即　　Y=μD/2</b></p><p>　　如用同樣的方法分析壓縮沖程，則活塞銷中心線應在裙部中點以下，但因此時側壓力比做功沖程的時候小的多，可不予考慮。</p>

54、<p>　　所以一般取H3=(0.6~0.7)H2 (3-14)。</p><p>　　活塞工作時，燃燒氣體壓力均布在活塞頂上，而活塞銷給予的支反力則作用在活塞頭部的銷座處，由此而產生的變形是裙部直徑沿活塞銷座軸線方向增大。側壓力的作用也使活塞裙部在同一方向上增大。此外，活塞銷座附近的金屬堆積，受熱后膨脹量大，致使裙部在受熱變形時，在沿活塞銷座軸線方向的直徑增量大于其他方向。所以，活塞工作時產生的機

55、械變形和熱變形，使得其裙部斷面變成長軸在活塞銷方向上的橢圓。</p><p>　　鑒于上述情況，為了使活塞在正常工作溫度下與氣缸壁間保持有比較均勻的間隙以免在氣缸內卡死或引起局部磨損，必須先在冷態(tài)下把活塞加工成其裙部斷面為長軸垂直于活塞銷方向的橢圓形。為了減少銷座附近的熱變形量，有的活塞將銷座附近的裙部外表面制成下陷0.5~1.0mm。</p><p>　　由于活塞沿軸線方向溫度分布和質量

56、分布都不均勻。因此各個斷面的熱膨脹量是上大下小。鋁合金活塞的這種差異尤其顯著。為了使鋁合金活塞在工作狀態(tài)下接近一個圓柱形，就必須事先把活塞做成直徑上小下大的近似圓錐形。</p><p>　　而在目前，拋物線形裙部或中凸型裙部的活塞得到很廣泛的應用。裙部做成中凸型的原因如下：</p><p>　　發(fā)動機工作時，活塞每一橫截面的徑向變形可看作是由兩部分組成。一部分是截面的自由膨脹，其直徑增量&

57、lt;/p><p>　　ΔD=αD（t-20℃） (3-15)</p><p>　　式中 α——活塞材料的線膨脹系數</p><p><b>　　D——氣缸直徑</b></p><p>　　20℃——計算截面的工作溫度</p><p>　　另一部分是熱應力引起的變形。這部分相對來說比較小，所以實

58、際計算活塞的直徑的熱膨脹量時，可以忽略彈性變形。</p><p>　　裙部實際的磨痕表明，僅在上、下邊緣有磨亮的標志，有時還出現擦傷。所以要想在工作狀態(tài)下得到直線形的活塞裙，則應制成中凸型，即在長度X處，把在冷狀態(tài)下具有直線形成線的活塞裙的直徑在增加2YT數值。甚至為了更好一些，在冷卻狀態(tài)下就把裙部作成某種形狀，使它在活塞受熱后仍保持中凸的形狀。</p><p>　　中凸型裙部的活塞主要優(yōu)

59、點是與氣缸套接觸的表面約增加了一倍，熱應力約降低20%，而且使發(fā)動機噪音、機油消耗量有所降低。當活塞在汽缸內由于側壓力變向而發(fā)生橫向位移時，對于一般直線形的活塞裙部，不可避免的要發(fā)生活塞裙上、下邊緣與氣缸的接觸，這時，因大部分裙部表面不受側壓力，接觸部分的比壓就較大，同時活塞邊緣也不容易保持潤滑，容易造成擦傷，甚至拉缸。不受側壓力的裙部表面，還因為與缸壁間隔著一層機油或乳濁液，所以減少了傳出的熱量。但中凸形裙部的活塞則無此缺點，有利于減

60、少裙部的磨損。</p><p>　　3.5 活塞銷座設計.</p><p>　　活塞銷座的應力分布取決于銷座與活塞銷兩者的變形是否互相適應，如果活塞銷剛度較大而銷座剛度較小，或者活塞銷剛度小而銷座剛度大，則兩者變形不能互相適應，結果引起銷座內孔上側邊緣等處產生嚴重的應力集中，致使銷座裂開。因此，活塞銷座的設計應與活塞銷統(tǒng)一考慮，要求活塞銷有較高的剛度，減少活塞銷的彎曲變形，而活塞銷座能承受

61、很高的壓力，又要具有一定的彈性，使之適應活塞銷的變形。一般來說銷座外圓直徑取d=(0.32~0.42)D (3-16)，內徑d0=(0.25~0.60)d (3-17)。</p><p>　　本設計的活塞銷座采用了階梯形結構，它的優(yōu)點在于：</p><p>　　增加銷座及連桿小頭支承面的長度，從而降低銷座和小頭襯套的比壓。</p><p>　　支承面沿軸向長度有重疊

62、，從而減小了活塞銷的彎曲變形。</p><p>　　縮短了銷座上部的間隔，從而降低銷座根部與頂底過渡圓角處的應力。</p><p>　　與直銷座比較，采用傾斜10°的斜面銷座后，各危險點的應力都有所下降，如銷座到活塞頂的過渡圓角處，最大可降低43﹪；冷卻油道邊緣應力減少25~29﹪；銷座頂部應力降低16﹪。這表明斜面銷座的活塞比直形銷座的活塞可多承受15~20﹪的負荷，即相當于提

63、高平均有效壓力2~3kgf/cm2。</p><p>　　銷座本身結構復雜，難以通過一般計算方法求得最佳結構尺寸，可用實驗來分析銷座的結構情況。對強化程度較高的柴油機，為了加強活塞頂和環(huán)岸的強度采用鍛鋁活塞時，銷座剛性就較好，又因鍛鋁材料具有蠕變特性，韌性和強度都較高，能夠彌補剛性大給銷座上緣帶來的過大應力，不易在銷座上出現裂紋。而為了提高鋁活塞銷座抗裂能力可采取以下措施：</p><p>

64、;　　將銷孔內緣加工成圓角、倒角或銷座設計成彈性結構，以減少銷孔內邊緣的應力集中。</p><p>　　提高活塞的剛度，減小活塞銷的變形。如加大活塞銷的外徑或縮小活塞銷座的間距，以減小活塞銷的彎曲變形；或減小活塞銷內孔直徑，以減小活塞銷的橢圓變形。</p><p>　　選用韌性較好的共晶鋁硅合金作為活塞材料。</p><p>　　適當加大活塞銷與銷座的配合間隙，要求

65、冷態(tài)時就有間隙，但要防止間隙過大使噪聲過分增高。</p><p>　　3.6活塞與缸套的配合間隙</p><p>　　活塞與氣缸壁的間隙大小影響機油的消耗量、噪音、漏氣量、活塞與氣缸套的磨損以及活塞的冷卻。選定的間隙應使活塞在熱狀態(tài)下與氣缸壁具有最小的間隙，該間隙在整個活塞高度上一致，以增加活塞壽命；確定間隙時，還要考慮氣缸直徑及活塞材料，使之既不因間隙過大而產生敲擊，又不因間隙過小而卡住

66、活塞。</p><p>　　由于活塞側表面形狀及橢圓的要求，活塞間隙沿高度及圓周方向有不同的數值，其中重要的是活塞頂部間隙和垂直銷孔方向的裙部間隙。減小可以降低活塞頭部的熱負荷，減小可以減弱活塞換向時傾側擺動與敲擊缸套現象，從而可大大減輕缸套的穴蝕，但活塞間隙過小，也容易引起活塞的損傷和拉缸。在銷孔軸線方向的裙部不承受推力負荷，其間隙稍大一些對活塞運行性能的影響不很大，因此在設計上的選擇可以有較大的差別。<

67、/p><p>　　活塞間隙的數值與發(fā)動機的強化程度、活塞冷卻方式、活塞材料、熱處理規(guī)范及活塞外形等因素有關，選取時必須考慮在全負荷時的最大膨脹量和變形的作用下不發(fā)生拉缸，初步選取時可參考有關經驗數據或按下式粗略計算：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　式中 活塞裝配間隙；</p>&l

68、t;p>　　最小工作間隙，要考慮到氣缸由于溫度不均勻而產生的收縮量，活塞與氣缸選配分組時每組的間隙公差，以及油膜厚度或保險間隙等因素；</p><p>　　a2、a1 分別為活塞和氣缸套的線膨脹系數，鋁活塞為（18~21）×10-6mm/mm·deg；</p><p>　　、 分別為活塞和氣缸套的運行溫升，、 最好根據試驗資料確定，水冷四沖程高速柴油機氣缸套中部

69、的工作溫度約在110℃左右。</p><p><b>　　活塞三維建模</b></p><p>　　應用PRO/E軟件對活塞進行三維模型設計構建，PRO/E是集CAD/CAM為一體的三維參數化設計軟件，也是當今世界廣泛應用的算機輔助設計計、分析和制造軟件，廣泛應用于航空、航天、汽車、造船等領域。本設計中應用軟件構建活塞三維模型，方便設計分析，加快設計進程，同時集中體現

70、了現代設計方法在本次設計中的</p><p>　　4.活塞實體模型的建立</p><p>　　由Pro／E建立的活塞實體模型是一系列特征的組合，特征有交叉、隱含和多面性等屬性，選擇所需要的特征，給定尺寸、定位和屬性等，最終形成所需要的實體模型?；钊饕苫钊^部和活塞裙部組成。活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，活塞頂的基本形式有平頂、凸頂和凹頂3種。環(huán)帶部分的設計有三環(huán)槽式和四環(huán)槽式2種，其中

71、三環(huán)槽式應用較廣。活塞裙部結構比較復雜，為了控制活塞裙部膨脹，除了在活塞銷孔兩端附近鑄出凹陷之外，還采取其他一些措施，如裙部開槽、橢圓形裙部設計等。在活塞的設計中，首先要確定活塞直徑，它是與整機密切相關的參數，決定著活塞的基本結構；再確定活塞行程，它與氣缸高度、連桿長度的設計聯系在一起，需綜合分析確定?；钊沫h(huán)槽數、頂岸和環(huán)岸高度決定活塞的壓縮高度，迸而影響整個活塞的尺寸和質量。活塞的各特征之間通過參數和幾何約束關系來相互關聯。一個特征

72、往往有多種創(chuàng)建方法，在設計時必須考慮好如何表達該特征與其他特征的關系。良好的設計結果必須能準確地表達要求不變的幾何約束關系，而且易于修改。另外，在建立活塞實體模型時應考慮到模型參數化過程的可行性，并用參數定義每種模型的結構尺寸，從而為利用Pro／PRO—GRAM</p><p>　　5.活塞實體模型的參數化</p><p>　　活塞實體模型的參數化是指模型的尺寸用相應的關系式來表示，而不用

73、確定的數值。變化一個參數值將自動改變所有與它相關的尺寸。采用參數化模型，可以通過調整參數來修改和控制幾何形狀，自動實現產品的造型。參數化設計方法與傳統(tǒng)設計方法相比，其最大的不同在于它存儲了設計的整個過程，能設計出一族而不是單一的產品模型。Pro／E軟件具有全相關、基于特征的參數化造型等特點，為本文所需的基于特征的建模及參數化控制提供了強有力的支持。</p><p>　　5.1. Pro／PRoGRAM的語法結構&

74、lt;/p><p>　　Pro／PR()GRAM是Pro／E的一個記錄文件，記錄著模型自始至終的成型步驟與成型條件，包括</p><p>　　所有特征的建立過程、參數設定、幾何尺寸以及約束關系等模型信息。Pro／PROGRAM是由類似BAS一1C的高級語言構成的，用戶可以根據設計需要來編</p><p>　　輯模型的Program，使其作為一個程序來工作。運行程序，即可

75、控制模型參數、特征出現與否以及特征的尺寸。Pro／PRoGRAM的語法結構如下。</p><p>　　INPUT…END INPUT部分用來定義變量和輸入提示句，變量有3種類型：NUMBER用于定義數字型參數；STRING用于定義字符串型參數；YES—No用于是或否的選擇控制。RELATIoN…END RELATl0N用來設置參數之間的數字關系式；IF…ENDIF與IF…ELSE…ENDIF是條件判斷語句，用來判

76、斷程序的執(zhí)行狀態(tài)；ADD FEATURE…END ADD為特征建立語句。</p><p>　　5.2活塞獨立參數的確定</p><p>　　形狀特征在參數化中使用參數代替形狀特征的幾何尺寸，它包括獨立參數聯參數。獨立參數需要根據具體設計情況賦值，關聯參數不需要賦值，它與獨立參數問有著特定的關系，當獨立參數發(fā)生變化時，關聯參數也隨之發(fā)生變化。據實際的設計過程以及對活塞頭部作詳細設計的要求，本

77、文選擇缸徑、行程、活塞高度、壓縮高度、活塞頂岸高度、第一環(huán)岸高度和第二環(huán)岸高度作為獨立參數。其余結構尺寸作為關聯參數，關聯參數的值是根據活塞設計的經驗公式，通過與獨立參數間的數學關系式來求解。當改變獨立參數時，關聯參數與之l聯動，以獲得新的活塞模型。</p><p>　　5.3 Pro／PR()GRAM程序設計</p><p>　　在Pro／E系統(tǒng)中，零件的參數化控制過程主要是通過對參數的

78、選取與賦值來完成。參數的賦值在Pro／PROGRAM程序內的INPUT段中添加代碼來實現，段中允許定義各種參數，包括形位尺寸參數(數值型)和結構參數(布爾型或字符型)。在程序文件RELATl0N段中建立參數關系式，確定獨立參數與關聯參數之間的關系。部分程序如下。</p><p><b>　　1NPUT</b></p><p><b>　　DNUMBER<

79、;/b></p><p>　　”ENTER THE DIAMETER(】F CYI。INDER</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　END INPUT</b></p><p>　　RE乙ATl【)NS</p><p>　　TH=O．09l

80、*D</p><p><b>　　R=2．06*D</b></p><p><b>　　i</b></p><p>　　END RELATl()NS</p><p>　　lF H()LI，()W==YES</p><p>　　ADD FEATI JRE“nitial nⅢTl

81、ber 21)</p><p>　　INTERNAL FEATURE ID 1087</p><p>　　PARENTS爿7(#4)3(#2)5(#3)</p><p>　　CUT：Revolve</p><p>　　SECTI()N NAME—S2I)0009</p><p>　　FEATUR E，S DIMENSl

82、oNS：</p><p>　　d96；O．0685 Dia</p><p>　　d97=0．00464</p><p><b>　　ENDADD</b></p><p><b>　　ENDlF</b></p><p><b>　　IF…</b></

83、p><p><b>　　i</b></p><p><b>　　ENDlF</b></p><p>　　以上便是通過Pro／PRoGRAM程序，利用參</p><p>　　數控制零件模型的過程。在完成Pro／PROGRAM</p><p>　　程序的修改之后，即可以對模型進行再生

84、操作。通</p><p>　　過控制參數的數值可以重新生成不同尺寸的零件</p><p><b>　　模氆。</b></p><p><b>　　6.用戶界面的開發(fā)</b></p><p>　　為了讓Pro／PROGRAM程序直觀、易操作，可</p><p>　　將Pro／P

85、R()GRAM程序用VB開發(fā)的程序界面包</p><p>　　裝起來，即進行Pro／PROGRAM程序的二次開發(fā)。</p><p>　　Pro／E的二次開發(fā)方法有2種：一是基于Pro／</p><p>　　T00LKIT的二次開發(fā)過程；一是基于AUTOMA—</p><p>　　T10N GATEWAY的二次開發(fā)過程。AUTOMA—</

86、p><p>　　TION GATEWAY是Rand公司開發(fā)的、針對Pro／</p><p>　　E軟件的二次開發(fā)工具，最顯著的特點是可以用VB</p><p>　　建立所需要的應用程序，利用這個程序來控制Pro／E軟件的二次開發(fā)工具，最顯著的特點是可以用VB</p><p>　　建立所需要的應用程序，利用這個程序來控制Pro／</p>

87、<p>　　E中模型的生成過程。AUToMATION GATE—</p><p>　　WAY在VB和Pro／E之間起到橋梁和紐帶的作</p><p>　　用，通過AUTOMATl0N GATEwAY，就可以利</p><p>　　用VB訪問Pro／E的底層數據庫。</p><p><b>　　由VB編制的</b&

88、gt;</p><p><b>　　汽油機活塞設計界</b></p><p><b>　　面如圖1所示(其它</b></p><p><b>　　窗口略)，在設計界</b></p><p><b>　　面上直觀地顯示了</b></p><

89、;p><b>　　需要用戶輸入的各</b></p><p><b>　　個參數。待參數輸</b></p><p>　　入或修改完成后，點 圖1汽油機活塞設計界面</p><p>　　擊“生成活塞”按鈕，VB程序會自動按照Pro／PRO—</p><p>　　GRAM程序所要求的數據文件格式形成

90、數據文件，</p><p>　　由在VB界面上設置的接口直接調用Pro／E，用由在VB界面上設置的接口直接調用Pro／E，用</p><p>　　Pro／PROGRAM讀入文件功能來調用數據文件，從</p><p>　　而實現自動化設計。執(zhí)行的部分程序代碼如下。</p><p>　　Public rgatewayl As New GwayAX

91、</p><p>　　Private Sub ComtrLand2一CIick()</p><p>　　Dim D As LongLKm H(兒一LUW As St“ng</p><p><b>　　；</b></p><p>　　rgatewayl．ModelRet“eve(Textl．Text)</p>

92、<p>　　rgatewayl．SessionSetCurrentModel(Textl．Text)</p><p><b>　??；</b></p><p>　　rgatewayl．ModelRegenerate</p><p><b>　　End Sub</b></p><p>　　圖

93、2所示為該系統(tǒng)生成</p><p>　　的CA488發(fā)動機活塞模型。</p><p><b>　　圖 2</b></p><p><b>　　結語</b></p><p>　　本文通過研究活塞模型的參數化方法及其在Pr0／E環(huán)境下的程序實現</p><p>　　不僅實現了零件

94、尺寸的參圖發(fā)動機活塞模型數化，而且實現了活塞結構的參數化控制特征拼合。通過建立透明的活塞設計界面，使設計人員只需輸入必要的設計參數就可草擬零件圖，并町以變動某些約束參數而不必運行產品設計的全過程來更新設計。</p><p>　　在此，要特別對我的指導老師，魏波老師，表示真摯的感謝，感謝魏老師嚴謹求實的治學態(tài)度，踏實堅韌的工作精神。在學習中,老師們嚴謹的治學態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學術思維、精益求精的工作態(tài)度以

95、及悔人不倦的師者風范是我終生學習的楷模，老師們高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學精神，將永遠激勵著我。這三年中還得到眾多老師的關心支持和幫助。在此，謹向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意！</p><p>　　另外，感謝校方給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成一個畢業(yè)設計，并在這個過程當中，給予我們各種方便，使我們在這學期快要結課的時候，能夠將學到的知識應用到實踐中，增強了我們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考與處理

96、問題的能力。</p><p>　　感謝所有任課老師和所有同學在這三年來給我的指導和幫助，是你們教會了我很多，教會了我如何學習、如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進步，在此向他們表示我由衷的謝意。感謝寢室里的舍友，是你們三年來對我的關照，使我擁有一個良好的學習環(huán)境是專心學習、生活。</p><p>　　最后，我要向百忙之中抽時間對我畢業(yè)論文進行審閱、評議和參與我論文答辯的各位老

97、師表示感謝。</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　?。?］徐兀．汽車發(fā)動機現代設計[M]．北京：人民交通出版</p><p><b>　　社，1995．</b></p><p>　?。?］賴朝安．Pro／E二次開發(fā)的關鍵技術[J]．機械設計與制造工程，2001(1)：

98、43—45．</p><p>　?。?］金濤．Pro／ENGlNEER軟件的二次開發(fā)技術[J]．計算</p><p>　?。?］機工程與應用，2001(13)：148一151．AUtoCAD中文實例教程 經濟日報</p><p>　?。?］Pro/ENGINEER，實例教程清華大學出版社 2008.5</p><p>　?。?］陳立德.

99、 機械設計基礎. 北京：高等教育出版社. 2007.8</p><p><b>　　圖2-12</b></p><p>　　圖2-11 </p><p>　　圖2-13 </p><p><b>