大学毕业设计奥迪发动机活塞的改进设计.docx
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大学毕业设计奥迪发动机活塞的改进设计
摘要
分析奥迪发动机活塞的结构及其各部件的作用。
使用UG软件对各部件进行建模和虚拟装配。
对活塞模型进行受力分析，并在此基础之上以减轻质量为目标进行优化设计。
通过有限元法对活塞进行受力分析。
对于活塞使用其处于做功行程的上止点工况进行受力分析。
并且运用第一强度理论对三者的分析结果进行强度校核，三者应满足各自材料强度的要求并有一定的余地提供给优化设计。
最后在有限元分析的基础上，对活塞进行优化设计。
优化设计的主要目的是在不降低活塞使用性能的情况下，尽可能的减少活塞的质量，减少活塞制造成本。
使用UG软件Structure模块中的优化设置功能对活塞的实体模型进行优化设计，用最优化的模型替代原有模型。
有限元分析表明，降低了活塞的质量,各种应力应变均在设计允许范围之内，活塞结构的改进是成功的。
关键词：
活塞，UG建模，有限元分析，优化设计
OptimizeDesignonthePistonoftheAodiEngine
ABSTRACT
Analyzingitstructureandfunctionofthepistonandotherparts.UsingUGNX2.0toestablishthemodelforthepartsofpistonandconnectingrodalsousingthefinishedpartstodothevirtualassembling.Afterthestructureanalysisofthepistonandconnectingroddoingtheoptimizedesignbasedontheweightreducing.
Processingthestructureanalysisforthepistonbyusingthefiniteelementanalysis.Fortheanalysisofthepiston,usingthestatusoftheTDCinworkingstroke.ABasingonthefirstintensiontheorytofinishtheintensity-checkofthethreeparts.Thethreepartsmustsatisfythestressrequestandhavespacetobeoptimized.
Basedonthefiniteelementanalysis,establishtheoptimizedesignonthepiston.Themainpurposeoftheoptimizedesignistoreducetheweightofthepistonwhiletheusabilitymustbeguaranteed.ForthispaperweusetheoptimizationsetupinUGStructuremoduletodotheoptimizedesignonthepiston.Finallychangetheoriginalmodelbytheoptimizedone.Theresultoffiniteelementcalculationshowsthat,themassofthepistonarereduced.stressandstrainisinrangeofdesign.Theimprovementofpistonstructureissuccessful.
Keyword:
piston,UGmodeling,finiteelementanalysis,optimizedesign
奥迪发动机活塞的改进设计
梁智荣061103117
0引言
近几年，随着我国汽车工业的高速发展，参照国外先进机型设计开发并引进关键的生产制造技术是目前迅速提高我国内燃机制造及开发水平有效措施。
在人们普遍重视的汽车各种性能指标中，发动机的性能显得尤为重要。
人们买车总是希望汽车能够有强大的动力与良好的经济性。
所谓鱼与熊掌不可兼得，动力性上升的同时经济性必然下降。
所以人们一直在汽车设计中坚持两者兼顾的方案。
活塞连杆作为发动机中的主要部件，可谓是心脏中的心脏，所以活塞连杆的好坏与否直接关系到发动机的性能。
因此对于活塞与连杆的优化设计具有相当重要的意义，设计良好的活塞连杆不仅可以节约材料成本还可以提高发动机的性能。
由于优化设计是一个相当复杂的一个数学问题，所以必须借助计算机来完成。
现在对需要设计的产品进行虚拟建模，并且进行有限元分析已经变得相当流行。
这样能使产品在设计阶段能够更接近实际情况，降低生产成本和周期。
就本课题而言，使用UG软件对奥迪发动机的活塞连杆进行实体建模，并且进行有限元分析和优化设计。
对奥迪活塞连杆的设计合理性进行分析，并在一定程度上改进设计方案。
1概述
1.1课题介绍
活塞是内燃机结构中一个重要构件。
活塞的作用是承受燃料化学反应产生的压力，产生发动机所需的动力。
由于活塞组件是工作速度最高的组件之一，机械负荷与热负荷均比较大，工作环境恶劣，它的工作能力对发动机的性能和可靠性均有重大影响。
而连杆的作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的旋转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力，在工作中经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。
可见活塞的质量是发动机最主要的组成部分，它们的好坏很大程度上决定了发动机的工作性能。
所以对活塞进行优化设计有助于提高发动机的整体性能，以达到提高性能节约成本的目的。
1.2活塞组件结构的简介
1.2.1活塞组件的简介
活塞主要由活塞体、活塞环组成。
下面就分别介绍个部件。
（一）活塞体
活塞的主要功能是承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。
此外活塞顶部与汽缸盖，汽缸壁共同组成燃烧室。
活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。
作用在活塞上的有气体力和往复惯性力，这些力都是周期性变化的，且其最大值都很大。
如增压发动机的最高燃烧压力可达14～16Mpa，这样大的机械负荷作用在形状复杂的活塞上，可能引起活塞变形，活塞销座裂开，第一道活塞环折断。
活塞顶与高温气体直接接触，使活塞顶的温度很高，活塞各部的温差很大。
温度升高使活塞材料的机械强度显著下降，活塞的热膨胀量增大，从而使活塞与其相关零件的配合遭到破坏。
另外，由于冷热不均所产生的热应力容易使活塞顶表面裂开。
另外，活塞在侧压力的作用下沿汽缸壁高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。
根据上述工作条件，活塞结构及所用材料应满足下列条件：
Ø活塞应该具有足够的强度和刚度，合理的形状和壁厚。
合理的活塞裙部形状，可以获得最佳的配合间隙。
活塞质量应尽可能的小。
Ø受热面积小、散热好。
高强化发动机的活塞应进行冷却。
Ø活塞材料应该是热膨胀系数小、导热性能好、比重小，具有良好的减磨性和热强度。
（二）活塞环
活塞环分为气环和油环两种。
气环的主要功用是密封和传热。
保证活塞与汽缸壁间的密封，防止汽缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热传给汽缸壁，避免活塞过热。
如果密封不良，不但发动机起动困难，功率下降，燃油和机油的消耗量增加，机油老化变质，而且还由于活塞环外圆面与汽缸壁贴合不严密，活塞顶部接受的热传不出去，而导致活塞及活塞环温度过高，甚至被烧坏。
油环的主要功能是刮除飞溅到汽缸壁上的多余机油，并在汽缸壁上涂布一层均匀的油膜。
既能防止机油窜入燃烧室被烧掉，又能实现对活塞、活塞环合汽缸壁的润滑。
此外，气环和油环还分别起到刮油和密封的辅助作用。
活塞环工作时受到汽缸中高温、高压燃气的作用，并在润滑不良的条件下在汽缸内高速滑动。
由于汽缸壁面的形状误差，使活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向移动。
这不仅加重了环与环槽的磨损，还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。
1.2.2活塞设计方法
活塞的设计思路:
活塞是在一个高温的环境中工作，所以，一般使用铝材料制造活塞，铝材料重量轻、导热性又好。
大多数发动机都使用铸铝活塞。
但是，铝材料的高温强度极低，其300度的高温度要降低50%左右，而活塞又必须承受高压气体的压力，所以必须加厚各壁面的尺寸。
然而，这又将影响其高速性，所以，在保证活塞足够强度的前提下，如何加强活塞的冷却能力是一个关键问题。
大体上来说，活塞是一个圆筒状零件。
但实际上，活塞的头部尺寸略小，裙部尺寸略大。
这样，当活塞工作时，由于活塞头部温度较高，壁厚较厚，而产生较大的热变形后，上下部就能达到一致。
1.2.3发动机介绍
奥迪汽车公司现为大众汽车公司的子公司，总部设在德国的英戈尔施塔特。
主要产品有A3系列、A4系列、A6系列、A8系列和敞篷车及运动车系列等。
奥迪轿车的标志为四个圆环，代表着合并前的四家公司。
这些公司曾经是自行车、摩托车及小客车的生产厂家。
1968年11月26日，在英格尔施塔特城市剧院，汽车联盟公司邀请经销商和媒体参加新款奥迪100（如图1.1）的发布会。
首席工程师LudwigKraus博士设计的新款奥迪使得奥迪首次进入了中高档轿车竞争性市场。
奥迪100很快成为销量最高的车型，并为新奥迪系列创立独立品牌奠定了基础。
图1.1奥迪100汽车
在1988年，奥迪公司授予中国一汽代号为“C3”的奥迪100生产许可证，并于当年组装499辆汽车。
1991年，一汽大众正式开始生产奥迪100，当时主要是为了满足公务车市场的需要。
由于技术先进，外形漂亮，在当时供不应求。
官车市场的巨大容量为奥迪带来丰厚了的利润，也确立了奥迪100的在中国汽车市场的地位，成为新一代“官车”的代表。
在中国生产的奥迪100车型诞生于1968年，它为战后奥迪的真正复兴起到了至关重要的作用，奥迪100很快成为销量最高的车型，原计划生产10万辆的奥迪100卖出了80万辆，重新确立了“奥迪品牌”的地位。
在外形上，虽然来到中国的奥迪100已经生产了20年，但经典的楔形车身和0.29的风阻系数在当时的中国依然显得很超前。
最先一批通过CKD组装的奥迪100采用1.8升发动机，而后又相继引进2.0升、2.2升、1.8T、2.6升发动机。
在车型的引进上，最先一批奥迪100代号为C3，1993年开始组装C4，在国内还叫奥迪100，只不过外形和动力配置都有了变化。
而在1997年的时候，一款专门为中国设计，在C3的基础上加长轴距，外观有少许变化的奥迪200在长春下线，并在国内第一个采用了涡轮增压发动机。
到1999年，代号为A6的新一代奥迪在中国投产,也标志着老奥迪100的道路走到了终点。
表1.1发动机的主要参数
主要参数
数值
发动机型号
Audi100
缸径×行程
81×86.4mm
总排量
644mL
压缩比
9.5:
1
最大功率
74kW
最大转速
5200r/min
最大扭矩工况
155Nm/3800r/min
2汽油机活塞模型的建立
2.1概述
本文的目的是进行活塞连杆组件的优化设计，所以在这之前需要一个由计算机建立的可供有限元分析和优化设计使用的虚拟模型。
Unigraphics（简称UG）是当前世界上最先进的面向制造行业的CAD/CAM/CAE高端软件。
作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG软件家族使得用户能够数字化地创建和获得三维产品定义，UG软件被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数控加工等各个领域。
UG是知识驱动自动化技术领域中的领先者，它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进了汽车、航空、航天、机械、电子、医疗仪器等工业的生产。
UG为企业带来了显而易见的价值：
更快的新产品开发；使复杂产品设计简化；减少产品成本和增加企业的竞争实力。
它已成为世界上最优秀公司广泛使用的系统。
这些公司包括：
通用汽车、波音飞机、通用电气、惠普发动机、埃立信、飞利浦、松下、精工和柯达等，如今UG在全球已拥有17000多个客户。
Unigraphics软件系列1990年初进入中国，并很快就以其先进的管理理念、强大的工程背景、完善的技术功能以及专业化的技术服务队伍赢得了广大中国用户的赞誉。
新用户群也正以每年近40%的增幅不断扩展。
现在，由原UGS与原SDRC公司合并而成的UGSPLMSolutions在中国的用户已超过3000家，装机量达15000多台套，广泛应用于国内的航空航天、汽车、通用机械、高技术/电子等各个领域。
目前用于实体建模和有限元分析的软件有很多，如ANSYS、ProE、UG、CATIA等等，对于建模来说UG无疑是功能最强大的，而且它的Structure模块也能很好满足本课题的需要。
所以本文将采用UG软件进行活塞连杆的建模。
并且采用相关参数化建模，这样可以在优化后用优化后模型的参数替换原有模型的参数。
UG软件的部分模块特征介绍：
（一） UG实体建模（UG/Solid Modeling）
UG实体建模提供了草图设计、各种曲线生成、编辑、布尔运算、扫掠实体、旋转实体、沿导轨扫掠、尺寸驱动、定义、编辑变量及其表达式、非参数化模型后参数化等工具。
（二） UG/Features Modeling（UG特征建模）
UG特征建模模块提供了各种标准设计特征的生成和编辑、各种孔、键槽、凹腔-- 方形、圆形、异形、方形凸台、圆形凸台、异形凸台、圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角、模型抽空产生薄壁实体、模型简化（Simplify），用于压铸模设计等、实体线、面提取，用于砂型设计等、拔锥、特征编辑：
删除、压缩、复制、粘贴等、特征引用，阵列、特征顺序调整、特征树等工具。
（三）UG/FreeFormModeling（UG自由曲面建模）
UG具有丰富的曲面建模工具。
包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。
（四）UG/Drafting（UG工程绘图）
UG工程绘图模块提供了自动视图布置、剖视图、各向视图、局部放大图、局部剖视图、自动、手工尺寸标注、形位公差、粗糙度符合标注、支持GB、标准汉字输入、视图手工编辑、装配图剖视、爆炸图、明细表自动生成等工具。
（五）UG/AssemblyModeling（UG装配建模）
UG装配建模具有如下特点：
提供并行的自顶而下和自下而上的产品开发方法；装配模型中零件数据是对零件本身的链接映象，保证装配模型和零件设计完全双向相关，并改进了软件操作性能，减少了存储空间的需求，零件设计修改后装配模型中的零件会自动更新，同时可在装配环境下直接修改零件设计；坐标系定位；逻辑对齐、贴合、偏移等灵活的定位方式和约束关系；在装配中安放零件或子装配件，并可定义不同零件或组件间的参数关系；参数化的装配建模提供描述组件间配合关系的附加功能，也可用于说明通用紧固件组和其它重复部件；装配导航；零件搜索；零件装机数量统计；调用目录；参考集；装配部分着色显示；标准件库调用；重量控制；在装配层次中快速切换，直接访问任何零件或子装配件；生成支持汉字的装配明细表，当装配结构变化时装配明细表可自动更新；并行计算能力，支持多CPU硬件平台。
（六） UG/Advanced Assemblies（UG高级装配）
UG高级装配模块提供了如下功能：
增加产品级大装配设计的特殊功能；允许用户灵活过滤装配结构的数据调用控制；高速大装配着色；大装配干涉检查功能；管理、共享和检查用于确定复杂产品布局的数字模型，完成全数字化的电子样机装配；对整个产品、指定的子系统或子部件进行可视化和装配分析的效率；定义各种干涉检查工况储存起来多次使用，并可选择以批处理方式运行；软、硬干涉的精确报告；对于大型产品，设计组可定义、共享产品区段和子系统，以提高从大型产品结构中选取进行设计更改的部件时软件运行的响应速度；并行计算能力，支持多CPU硬件平台，可充分利用硬件资源。
（七）UG/Senario for FEA（UG有限元前后置处理）
UG有限元前后处理模块可完成如下操作：
全自动网格划分；交互式网格划分；材料特性定义；载荷定义和约束条件定义；NASTRAN接口；有限元分析结果图形化显示；结果动画模拟；输出等值线图、云图；进行动态仿真和数据输出。
（八）UG/FEA（UG有限元解算器）
UG有限元可进行线性结构静力分析、线性结构动力分析、模态分析等操作。
（九）UG/ANSYS Interface（UG/ANSYS软件接口）
UG/ANSYS软件接口完成全自动网格划分、交互式网格划分、材料特性定义、载荷定义和约束条件定义、ANSYS接口、有限元分析结果图形化显示、结果动画模拟、输出等值线图、云图。
2.2活塞实体模型的建立
活塞的建模主要步骤如下：
第1步首先建立一个69.7mm×59mm的圆柱体，作为毛坯。
第2步在XYC平面建立草图（如图2.1），并且选择旋转草图“
”，形成片体并且利用TrimBody“
”裁减毛坯，形成活塞头部曲线。
第3步在XYC平面建立裙部外形的草图（如图2.2），拉伸（注意：
拉伸长度一定要超过圆柱体直径），利用TrimBody“
”裁减拉伸体，使其与活塞外壁对齐。
并且将裁减后的拉伸体与活塞体合并，这样活塞裙部就完成了。
图2.1活塞头部外形草图
图2.2活塞裙部草图
第4步在底部打孔形成活塞内腔下部，孔深15mm，直径65mm。
第5步在XYC平面建立草图（如图2.3），选择旋转草图“
”，形成片体并且利用TrimBody“
”裁减毛坯内部，形成活塞内腔曲线。
第6步在YZC平面内打通孔，直径为18mm。
一方面是建立活塞销孔，另一方面是为了后面活塞销孔加强筋部分的定位。
图2.3活塞内腔曲线草图
图2.4活塞销座草图
第7步在YZC平面建立草图（如图2.4），分别向两边拉伸，同样的拉伸距离必须超过活塞外壁。
随后使用TrimBody“
”裁减，这样活塞销孔座部分就完成了。
第8步在第三环槽处，建立矩形草图并且拉伸作减法操作，建立第三环槽处的回油槽。
并且利用镜像完成另一边的回油槽。
第9步在活塞销孔中心处建立与XZC平面成
的基准平面，并且以次平面为基准在活塞销孔座上打直径为3mm的孔，这是活塞销与活塞装配时润滑用的油孔。
利用镜像完成另一边的油孔。
第10步在活塞内腔中倒适当的圆角。
这样便完成了活塞的建模，效果如图2.5。
图2.5活塞建模效果图
3汽油机活塞的虚拟装配
3.1概述
3.1.1虚拟装配简述
虚拟装配是在计算机上进行装配，装配件中的零件与原零件之间是链接关系，对原零件的修改会自动反映到装配件中，从而节约内存，提高装配速度，及早发现零件配合之间存在的问题,保证设计质量。
UG软件中的虚拟装配方法主要有：
自顶向下装配（Top-Downassembly）、自底向上装配（Bottom-Upassembly），或者使用上述两种方法进行混合装配。
自顶向下装配就是在上下文中进行设计（workingincontext），即由装配件的顶级向下产生子装配和组件，在装配层次上建立和编辑组件，由装配件的顶级向下进行设计。
自底向上装配是先建立单个零件的几何模型即组件，再组装成子装配件，最后装成装配件，由底向上逐级地进行设计。
零件之间使用配对约束、对齐约束、正交约束、角度约束、平行约束、中心对齐约束、距离约束等约束条件建立配对条件，这样一旦部件的零件模型改变，产品的虚拟装配模型将随着改变，实现了真正意义的参数化设计。
基于虚拟装配模型可以建立装配顺序。
装配顺序（AssembliesSequences）功能给产品的设计和制造提供了很大方便，用户可以根据不同的用途例如：
设计、工艺、制造、维修等建立不同的装配顺序，包括拆卸顺序，有利于排除组件间的干涉和间隙，有利于设计、工艺、制造部门之间的友好合作，实现并行设计。
3.1.2基于UG的虚拟装配
这里主要采用自底向上的装配方式。
在UG的Modeling模块中选择Application——>Assemblies启动装配模块后即可使用相关的装配功能。
以下是UG自底向上装配的主要步骤：
（一）按绝对坐标定位方法添加组件
选择Assemblies——>Components——>AddExisting弹出“选择部件”的对话框。
选择部件后单击OK，弹出“添加存在部件”对话框。
如图3.1。
图3.1选择部件和添加存在部件对话框
（二）按配对条件添加组件
配对条件是指一对组件的面、边缘、点等几何对象之间的配对关系，用以确定组件在装配中的相对位置。
配对条件有一个或多个约束组成。
配对条件通过规定在两个组件间的约束关系定位组件，在一个装配件中：
配对条件＝Σ配对约束。
配对条件对话框如图3.2。
有下列两种方法建立装配条件：
Ø当加一已存在部件作为一组件到装配件时，选择Assemblies——>Components
——>AddExisting…，然后从定位方法选择Mate。
被加部件已成为被配对组件
Ø通过选择Assemblies——>Components——>MateComponents，并从装配件中选择一已存在组件进行配对。
3.2活塞组件的虚拟装配
活塞组件的装配主要是活塞与三道气、油环的装配。
活塞环是具有弹性的，实际装配中是将活塞环用专用工具压缩进活塞环槽，随后安装入汽缸内，这样用活塞环的弹性来使活塞与汽缸的配合，使之不会产生漏气等不良现象。
但是这里并不模拟现实中活塞环的压缩运动，所以只需将活塞环槽的底面和各活塞环的底面进行Mate装配，系统会自动对齐各环。
（如图3.5）
图3.5活塞组件的装配
4活塞组件的有限元分析
4.1概述
本章主要介绍活塞组件的受力分析，这主要是为了对完成建模的活塞组件进行受力分析。
由于优化设计中需要有限元分析的相关数据，所以这也是为了下一章的优化设计做好准备。
活塞组件在发动机工作时处于高速、高温的工作状态下，所以实际的工作状态是相当复杂的，在这里对活塞的受力分析做了相应的简化。
这里采用UGNX软件中的Structure模块进行有限元的受力分析。
这里在有限元分析及后面的优化设计中采用冯氏（VonMises）应力作为评价标准。
冯氏（VonMises）应力是将压应力、拉应力和剪应力的不同分量用数学方法综合产生的一个单独的量，这个标量常用于表示某种材料承受的总体应力情况。
其所产生的应变即等效应变，可作为判断材料某处会出现磨损或衰竭的可靠指征。
4.2有限元分析的简介
4.2.1有限元分析的内容
随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。
这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。
例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。
这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程
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