雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).doc

雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)CAD圖紙三維圖紙說(shuō)明書(shū)

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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)--雙缸發(fā)動(dòng)機(jī) 2.doc---(點(diǎn)擊預(yù)覽)
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發(fā)動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì) CAD 圖紙 三維 說(shuō)明書(shū)
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第1章 前言1.1設(shè)計(jì)題目要求 了解目前常用發(fā)動(dòng)機(jī)的樣式,和國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì);確定雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案;對(duì)于該產(chǎn)品的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算;用三維繪圖軟件進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真;編寫(xiě)說(shuō)明書(shū),撰寫(xiě)畢業(yè)論文1.2發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)背景 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將汽油的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē),最簡(jiǎn)單的辦法是通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒汽油來(lái)獲得動(dòng)能。因此,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)-燃燒在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生。 發(fā)動(dòng)機(jī)是一種能夠把其它形式的能轉(zhuǎn)化為另一種能的機(jī)器,通常是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。發(fā)動(dòng)機(jī)既適用于動(dòng)力發(fā)生裝置,也可指包括動(dòng)力裝置的整個(gè)機(jī)器(如:汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī))。發(fā)動(dòng)機(jī)最早誕生在英國(guó),所以,發(fā)動(dòng)機(jī)的概念也源于英語(yǔ),它的本義是指那種“產(chǎn)生動(dòng)力的機(jī)械裝置”。 發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的心臟,是由多個(gè)機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜的機(jī)器?,F(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)形式有很多,即使是同一類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī),其具體的結(jié)構(gòu)也個(gè)不相同,但不論哪種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī),其基本結(jié)構(gòu)是相似的。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)動(dòng)力之源。發(fā)動(dòng)機(jī)的好壞直接影響著汽車(chē)的性能。隨著科技發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在不斷的提高,如今,發(fā)動(dòng)機(jī)不僅在動(dòng)力性有很大的提升,更在環(huán)保性能上有了很大的改善。 現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的分類(lèi),按照使用燃料的不同分為:汽油機(jī)、柴油機(jī)、CNG發(fā)動(dòng)機(jī)、LPG發(fā)動(dòng)機(jī)、混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī);按照行程分類(lèi)分為:四行程發(fā)動(dòng)機(jī)和二行程發(fā)動(dòng)機(jī);按照冷卻方式分類(lèi):水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)冷式發(fā)動(dòng)機(jī);按照汽缸數(shù)分為:?jiǎn)胃装l(fā)動(dòng)機(jī)和多缸發(fā)動(dòng)機(jī);按照氣缸排列方式分為:直列式、斜置式、對(duì)置式、V形式、W形式;按照進(jìn)氣系統(tǒng)是否采用增壓方式分為:自然吸氣式和增壓式;按照活塞的工作方式分為:往復(fù)活塞式和轉(zhuǎn)子活塞式。雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)是指有兩個(gè)氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī),是由兩個(gè)相同的單缸排列在一個(gè)機(jī)體上共用一根曲軸輸出動(dòng)力所組成。通常是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,有時(shí)適用于動(dòng)力發(fā)生裝置,也可指包括動(dòng)力裝置的整個(gè)機(jī)器。主要用途為轎車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、摩托車(chē)、油鋸和部分小功率機(jī)械中。 目前雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)分為四沖程和二沖程兩種,根據(jù)氣缸的排列方式還分為直列發(fā)動(dòng)機(jī)和V型發(fā)動(dòng)機(jī)。雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)多用于小型橋車(chē)與摩托車(chē)中,所以雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備的一個(gè)特性就是發(fā)動(dòng)機(jī)體積要小,節(jié)約空間,對(duì)于摩托車(chē)等運(yùn)用雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)備而言,雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)可以保證一個(gè)較高的排量和較為合適的功率。雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量小,因而運(yùn)動(dòng)慣量小,回轉(zhuǎn)時(shí)扭矩變動(dòng)幅度小,順暢平穩(wěn),震動(dòng)及噪聲小。1.3發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 內(nèi)燃機(jī)的種類(lèi)十分繁多,我們常見(jiàn)的汽油機(jī)、柴油機(jī)是典型的內(nèi)燃機(jī)。我們不常見(jiàn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)上裝配的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)也屬于內(nèi)燃機(jī)。不過(guò),由于動(dòng)力輸出方式不同,前兩者和后兩者又存在著巨大的差異。一般地,在地面上使用的多是前者,在空中使用的多是后者。1.4本次設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容、目的 訓(xùn)練綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程和有關(guān)先修課程的理論及產(chǎn)生實(shí)際知識(shí)解決實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力,培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想,鞏固所學(xué)知識(shí)。學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般方法,了解和掌握機(jī)械零件、傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法和步驟,培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)能力和獨(dú)立解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)會(huì)運(yùn)用設(shè)計(jì)資料及進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算,培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能。第2章 發(fā)動(dòng)機(jī)原理分析1、 發(fā)動(dòng)機(jī)的部件組成 一部完整的發(fā)動(dòng)機(jī)是由缸體、缸蓋、曲軸箱、活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、連桿、曲軸、曲軸軸頸、連桿小頭、連桿大頭、主摩擦副、行程線(xiàn)、上止點(diǎn)和下止點(diǎn)、曲柄半徑、活塞行程等組成。2、 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作行程 汽油機(jī)吸入可燃的空氣油混合氣,并將這種混合氣進(jìn)行壓縮后在精確的時(shí)刻由火花塞點(diǎn)燃。因此這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)稱(chēng)為火花塞火式發(fā)動(dòng)機(jī)。這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)需要四個(gè)活塞行程來(lái)完成一個(gè)工作循環(huán):活塞朝遠(yuǎn)離缸蓋的方向移動(dòng),吸入空氣燃油混合氣的行程:活塞朝缸蓋方向運(yùn)動(dòng),壓縮空燃混合氣充量的行程;活塞朝遠(yuǎn)離缸蓋方向移動(dòng)的做工行程和活塞朝缸蓋方向運(yùn)動(dòng)的排氣行程。 、進(jìn)氣行程。 進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟,排氣門(mén)關(guān)閉。活塞下行遠(yuǎn)離缸蓋?;钊貧飧卓焖僖苿?dòng)產(chǎn)生壓力下降或真空,在距上止點(diǎn)三分之一行程處缸內(nèi)負(fù)壓達(dá)到最大值,約比大氣壓力低0.3.實(shí)際產(chǎn)生的真空度將取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的大小,典型的平均真空度比大氣壓低0.12,。缸內(nèi)產(chǎn)生的真空度可吸入由空氣和霧化汽油組成的重量比為1017:1的新鮮充量和。利用缸內(nèi)真空吸入新鮮充量的發(fā)動(dòng)機(jī)叫做正常吸氣或自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。 、壓縮行程 進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)均關(guān)閉?;钊_(kāi)始上行,朝缸蓋方向移動(dòng)。吸入的空氣燃油混合氣被逐漸壓縮,在活塞處于上止點(diǎn)時(shí)被壓縮到氣缸原有容積的八分之一至十分之一。壓縮過(guò)程將空氣和霧化了的汽油分子緊緊的擠壓在一起。壓縮過(guò)程不僅提高了缸內(nèi)氣體的壓力,還升高了其溫度。在節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),缸內(nèi)氣體最大壓縮壓力一般可達(dá)到814。壓縮終了時(shí),氣缸內(nèi)氣體的壓力約為0.81.5,溫度約為600750K。 、做功行程 進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)均關(guān)閉,且就在活塞接近壓縮上止點(diǎn)之時(shí),火花塞點(diǎn)燃被壓縮后的高密度的可燃充量。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí),缸內(nèi)可燃混合氣開(kāi)始燃燒,產(chǎn)生熱量,促使缸內(nèi)氣體壓力迅速升高。當(dāng)作用在活塞上的氣體壓力超過(guò)作用在其上阻力時(shí),燃燒氣體還是膨脹,改變活塞運(yùn)動(dòng)方向,并將活塞退至下止點(diǎn)。于是,缸內(nèi)壓力從滿(mǎn)負(fù)荷下大約60的峰值壓力降低到活塞接近下止點(diǎn)時(shí)的4左右。做功行程中,燃燒氣體的最大壓力可達(dá)到3.06.5,最高溫度可達(dá)到22002800K,隨著活塞向下止點(diǎn)移動(dòng),氣缸容積不斷增大,氣體壓力和溫度逐漸降低。在做功行程結(jié)束時(shí),壓力約為0.350.5,溫度約為12001500K。 、排氣過(guò)程 做功行程結(jié)束時(shí),進(jìn)氣門(mén)仍保持關(guān)閉狀態(tài),而排氣門(mén)開(kāi)啟。活塞改變運(yùn)動(dòng)方向,從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)位置移動(dòng)。大部分廢氣靠其自身的能量排出氣缸,而剩余的廢氣將在活塞上移的過(guò)程中被活塞強(qiáng)行推入排氣道排入大氣中。 排氣過(guò)程中,缸內(nèi)氣體的壓力將會(huì)從排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)的壓力,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的不同可能為25范圍內(nèi)的某個(gè)值逐漸下降,到活塞缸蓋方向移動(dòng)接近上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)氣體壓力為大氣壓力,或者更低。排氣終了時(shí),在燃燒室內(nèi)尚殘留少量的廢氣,稱(chēng)其為殘余廢氣,因?yàn)榕艢庀到y(tǒng)有阻力,所以殘余廢氣的壓力比大氣壓力略高,約為0.1050.12,溫度約為9001100K。第3章 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的確定 設(shè)計(jì)一臺(tái)雙缸型發(fā)動(dòng)機(jī),首先要確定它的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),包括平均有效壓力,活塞平均速度,氣缸數(shù)i,轉(zhuǎn)數(shù)n,氣缸直徑D,活塞行程S,壓縮比等。1.1制定發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)要求 設(shè)計(jì)條件為: 、制定雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為120mL四沖程汽油機(jī) 、平均有效壓力:Pme=0.81.2MPa; 、活塞的平均速度:Vm18m/s。 、體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單1.2發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 將本次設(shè)計(jì)對(duì)象定為一臺(tái)120mL四沖程汽油機(jī),初步選擇采用雙缸風(fēng)冷形式,即確定氣缸數(shù)i=2,沖程數(shù)=4。1.3發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的確定 參考楊連生版內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì),汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑行程比S/D一般在0.81.2之間,取S/D=0.85。內(nèi)燃機(jī)學(xué)基本公式:VS=D2S/4其中為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率;為發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效功率;氣缸的工作容積;發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目;發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;活塞的平均速度;發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的行程;發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑;發(fā)動(dòng)機(jī)行程數(shù)。氣缸的工作容積:上下止點(diǎn)間所包容的氣缸容積稱(chēng)為氣缸的工作容積,記為,根據(jù)公式: VS=D2S/4代入計(jì)算得: 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑 D=56.4mm, 活塞行程S=47.9mm.將其圓整可得:D=56mm,S=48mm.=118mL,內(nèi)燃機(jī)的排量:內(nèi)燃機(jī)所有氣缸工作容積的總和稱(chēng)為內(nèi)燃機(jī)的排量,記做,燃燒室容積:活塞位于上止點(diǎn)時(shí),活塞頂面以上氣缸蓋底面一下所形成的空間叫做燃燒室,其容積稱(chēng)為燃燒室容積,也叫做壓縮容積,記做。氣缸總?cè)莘e:氣缸工作容積與燃燒室容積之和稱(chēng)為氣缸總?cè)莘e,記做,壓縮比:氣缸總?cè)莘e也燃燒室總?cè)莘e之比稱(chēng)為壓縮比,記做。對(duì)于汽油機(jī)壓縮比的范圍為:812,取=8,根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)公式,壓縮比為: 計(jì)算得:壓縮容積 =16.86mL,氣缸總?cè)莘e=134.86mL.壓縮比的大小表示活塞由上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí),氣缸內(nèi)的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大,壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)氣體的壓力和問(wèn)題就越高。工況:內(nèi)燃機(jī)在某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況叫做工況,以該時(shí)刻內(nèi)燃機(jī)輸出的有效功率和曲軸轉(zhuǎn)速表示。曲軸轉(zhuǎn)速即為內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速。負(fù)荷率:內(nèi)燃機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)生的有效功率與相同轉(zhuǎn)速下所能發(fā)生的最大的有效功率的比值稱(chēng)為負(fù)荷率,負(fù)荷率通常稱(chēng)為負(fù)荷。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能指標(biāo):動(dòng)力性能指標(biāo)是指發(fā)動(dòng)機(jī)做功大小的指標(biāo),一般用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩、有效功率、轉(zhuǎn)速和平均有效壓力等作為評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能好壞的的指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速: 發(fā)動(dòng)機(jī)每軸的曲軸每分鐘的回轉(zhuǎn)數(shù)稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,用表示,單位是r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低,關(guān)系到單位時(shí)間內(nèi)做功次數(shù)的多少或發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的大小,即發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率隨轉(zhuǎn)速的不同而改變。因此。在說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的大小時(shí),必須同時(shí)指明其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的標(biāo)明牌上規(guī)定的有效功率及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別稱(chēng)作標(biāo)定功率和標(biāo)定轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率和轉(zhuǎn)速小的工作狀況稱(chēng)作標(biāo)定工況。標(biāo)定功率不是發(fā)動(dòng)機(jī)所能發(fā)出的最大功率,它是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途而制定的有效功率最大的使用限度。同一型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī),當(dāng)其用途不同時(shí),其標(biāo)定功率值并不相同。由初始條件,活塞的平均速度:Vm18m/s,取Vm=14m/s.根據(jù)公式: Vm=n 可得:n=30/S=8750r/min.角速度: =n/30=3.148750/30=915.83rad/s.發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力:?jiǎn)挝粴飧坠ぷ魅莘e發(fā)出的有效功。Pme=0.81.2MPa,取Pme=0.9MPa.則發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率:發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間對(duì)外輸出的有效功率。Pe=7.6kw升功率:發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況下,單位發(fā)動(dòng)機(jī)排量輸出的有效熱功率稱(chēng)為升功率。升功率大表明每升氣缸工作容積發(fā)出的有效功率大,發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷都高。PL=65.625kw/h曲柄連桿機(jī)構(gòu): 作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力有氣體力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力。 氣體力作用于活塞頂上,在活塞的四個(gè)行程中始終存在,但只有作功行程中的氣體力是發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外作功的原動(dòng)力。氣體力通過(guò)連桿、曲柄銷(xiāo)傳到主軸承。氣體力同時(shí)也作用于氣缸蓋上,并通過(guò)氣缸蓋螺栓傳給機(jī)體。作用于活塞上和氣缸蓋上的氣體力大小相等、方向相反,在機(jī)體中相互抵消而不傳至機(jī)體外的支承上,但使機(jī)體受到拉伸。曲柄連桿機(jī)構(gòu)可視為由往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量組成的當(dāng)量系統(tǒng)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量包括活塞組零件質(zhì)量和連桿小頭集中質(zhì)量,它沿氣缸軸線(xiàn)作往復(fù)變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生往復(fù)慣性力;旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量包括曲柄質(zhì)量和連桿大頭集中質(zhì)量,它繞曲軸軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力,也稱(chēng)離心力。往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力通過(guò)主軸承和機(jī)體傳給發(fā)動(dòng)機(jī)支承。通過(guò)查汽車(chē)設(shè)計(jì)手冊(cè)和內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)確定:曲柄半徑:r=S/2=24mm.曲柄連桿比:=r/l的范圍在1/31/4之間,選取=1/4.則連桿長(zhǎng)度:l=r/=24/0.25=96mm.2、 熱力學(xué)計(jì)算 通常根據(jù)內(nèi)燃機(jī)所用的燃料,混合氣形成方式,缸內(nèi)燃燒過(guò)程(加熱方式)等特點(diǎn),把汽油機(jī)實(shí)際循環(huán)近似看成等容加熱循環(huán)。四沖程汽油機(jī)的工作過(guò)程包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四沖程。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中,先確定熱力循環(huán)基本參數(shù),然后重點(diǎn)針對(duì)壓縮和膨脹過(guò)程進(jìn)行計(jì)算,繪制p-v圖并校核。2.1參數(shù)的確定 根據(jù)參考文獻(xiàn)工程熱力學(xué)壓縮過(guò)程絕熱指數(shù)n1=1.321.35,初步取n1=1.34,膨脹過(guò)程絕熱指數(shù)n2=1.231.28,初步取n2=1.26。根據(jù)參考文獻(xiàn)內(nèi)燃機(jī)原理=69,初步取=8。2.2壓縮過(guò)程 把壓縮過(guò)程簡(jiǎn)化為絕熱過(guò)程,多變指數(shù)n1=1.34,p-v滿(mǎn)足關(guān)系p=常數(shù)。壓縮起點(diǎn)的氣體壓強(qiáng)=(0.80.9),其中為大氣的壓強(qiáng),取=0.8=0.0808MPa,此時(shí)氣體體積Va=134.86mL,壓縮終點(diǎn)氣體積Vc=16.86mL。故=,此時(shí)的氣體壓強(qiáng)PC=Pa=1.31MPa2.3膨脹過(guò)程 把膨脹過(guò)程簡(jiǎn)化為絕熱過(guò)程,其多變指數(shù)為n2=1.26,p-v滿(mǎn)足關(guān)系PVn2=常數(shù)=10.48MPaVc=16.86mL,Va=134.86mLPzVcn2=PbVan20.763MPa2.4熱力學(xué)校核 由熱力學(xué)計(jì)算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖,其圍成的面積表示的是汽油機(jī)所做的指示功,統(tǒng)計(jì)其共有78個(gè)單元格,每小格面積表示2J的有效功,計(jì)算得:Wi=156J,汽油機(jī)的機(jī)械效率,取=0.9,則Pme =0.91.32=1.19MPa滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(Pme=0.81.2MPa),所以校核合格。3. 動(dòng)力學(xué)計(jì)算3.1氣體壓力 隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化,缸內(nèi)的氣體壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化。將熱力學(xué)計(jì)算中的p-v圖轉(zhuǎn)化為p-圖,即氣缸氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。為排氣行程, 氣缸內(nèi)的氣體壓力在理論循環(huán)下基本可認(rèn)為是一恒定值且小于大氣壓力;為壓縮行程,氣缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出;為膨脹過(guò)程,氣缸內(nèi)的氣體壓力可由絕熱方程求出;為排氣行程,可以認(rèn)為氣缸內(nèi)的氣體壓力是均勻下降至(0.81)P0。求出相應(yīng)轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)氣缸壓力p的數(shù)據(jù),列入下表。利用上面求解出的數(shù)據(jù),作出p-圖,如下圖1。圖3-1 p-圖4. 活塞的設(shè)計(jì) 活塞的主要功用是承受燃燒氣體壓力,并將此力通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。此外活塞頂部與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件。作用在活塞上的有氣體力和往復(fù)慣性力,這些力都是周期性變化的,且其最大值都很大。如增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)這樣大的機(jī)械負(fù)荷作用在形狀復(fù)雜的活塞上,可能引起活塞變形,活塞銷(xiāo)座開(kāi)裂,第一道環(huán)岸折斷?;钊斉c高溫燃?xì)庵苯咏佑|,使活賽頂?shù)臏囟群芨撸钊鞑康臏夭詈艽?。溫度高使活塞材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降,活塞的熱膨脹量增大,從而使活塞與其相關(guān)零件的正確配合遭到破壞。另外,由于冷熱不均所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂表面開(kāi)裂。柴油機(jī)活塞的熱負(fù)荷比汽油機(jī)活塞更為嚴(yán)重,這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)活塞與燃燒氣體的對(duì)流換熱比較強(qiáng)烈,燃燒生成的炭煙使火焰的熱輻射能力增強(qiáng),活塞頂上的燃燒室凹坑使活塞受熱面積增大等造成的?;钊趥?cè)壓力的作用下沿氣缸壁面高速滑動(dòng),由于潤(rùn)滑條件差,因此摩擦損失大,磨損嚴(yán)重。 活塞在工作工程中主要沿汽缸壁做往復(fù)只想運(yùn)動(dòng),由于要保持氣缸的密封性,對(duì)氣體與缸壁的配合精度要求較高,這就造成其磨損較為嚴(yán)重,潤(rùn)滑較為重要,由于運(yùn)動(dòng)的換向和氣體燃燒時(shí)的爆發(fā)壓力,導(dǎo)致氣缸所受的慣性沖擊較大,對(duì)其剛度要求較高,所以,氣缸的工作環(huán)境較為惡劣,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)它的尺寸選材及材料的熱處理都有較高的要求?;钊哪p速度決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。圖4-1活塞結(jié)構(gòu)4.1活塞的材料活塞結(jié)構(gòu)及所用材料應(yīng)滿(mǎn)足下列要求:、活塞應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和剛度,合理的形狀和壁厚。合理的活塞裙部形狀,可以獲得最佳的配合間隙?;钊|(zhì)量應(yīng)盡可能的小。、受熱面小、散熱好。高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞應(yīng)進(jìn)行冷卻。、活塞材料應(yīng)該是熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好、比重小,具有較好的減摩性和熱強(qiáng)度。 活塞在工作工程中受到高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷,同時(shí)沿氣缸壁面高速滑動(dòng),容易造成潤(rùn)滑不良,使它遭受到強(qiáng)烈的磨損,這就要求活塞的材料滿(mǎn)足一下的要求:熱強(qiáng)度高,熱導(dǎo)性好,吸熱性差,膨脹系數(shù)小,比重小,有良好的減磨性能,耐磨,耐腐蝕,工藝性好,經(jīng)濟(jì)性好。 在實(shí)際中,現(xiàn)在常采用的是鋁合金,共晶鋁合金,膨脹系數(shù)低,比重小,耐磨性,耐腐蝕性好,硬度、剛度、疲勞強(qiáng)度較高。鑄造流動(dòng)性好,而被廣泛采用,本次設(shè)計(jì)的活塞采用共晶合金材料,鑄造。4.2活塞的主要尺寸的設(shè)計(jì)活塞的主要結(jié)構(gòu)尺寸如下圖2所示:圖4-2 活塞主要尺寸圖根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)(楊連生)P289汽油機(jī)活塞主要尺寸比例如下表1所示:表1 汽油機(jī)活塞主要尺寸比例范圍主要參數(shù)比例范圍主要參數(shù)比例范圍H/D0.91.1h/D0.060.08H/D0.450.6H/D0.450.55H/H0.60.65 /D0.060.1活塞直徑:D=56mm.活塞高度:H=0.9D=50.4mm50mm.壓縮高度:H2=0.5D=28mm.火力岸高度:h=460.063mm.活塞頂部厚度:=0.08464mm.活塞銷(xiāo)孔離底端距離:H2=H-H1.活塞裙部高度:H3=H2/0.6534mm 現(xiàn)代四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)(楊連生)P290,小型高速內(nèi)燃機(jī)上,一般氣環(huán)高度:b1=b2=23mm,油環(huán)高度:b3=46mm。環(huán)岸要求有足夠的強(qiáng)度,使其在最大氣壓下不致被損壞,第一道環(huán)的環(huán)岸高度:c1=(1.52.0)b1,第二、三道環(huán)的環(huán)岸高度:c2=c3=(12)b1。 故設(shè)計(jì)尺寸為:b1=2mm b2=2mm b3=4mm,c1=3mm c2=3mm c3=3mm,則環(huán)帶高度:h3=b1+b2+b3+c1+c2+c3=17mm上裙部尺寸:h,4.3活塞質(zhì)量計(jì)算 將活塞簡(jiǎn)化為薄壁圓筒,從而計(jì)算出其體積和質(zhì)量:活塞體積:式中:D-活塞直徑,D=56mm; H-活塞高度,H=50mm; -活塞厚度,=4mm;活塞質(zhì)量: 所以=88.2g4.4活塞的計(jì)算及校核 活塞上的壓力狀況比較復(fù)雜化,以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算活塞時(shí),一般只計(jì)算第一環(huán)岸的強(qiáng)度、裙部及銷(xiāo)座的單位壓力。 取工質(zhì)最高燃燒壓力=6.1MPa,大氣壓力=0.1MPa,所以工質(zhì)最高燃燒氣體壓力。= 根據(jù)已知數(shù)據(jù)代入得=19595N。 第一環(huán)岸強(qiáng)度校核,第一環(huán)岸主要計(jì)算在最大氣體爆發(fā)壓力Pgmax時(shí)的剪切與彎曲強(qiáng)度。當(dāng)活塞頂受到最大氣體壓力Pgmax時(shí),通常第一道環(huán)作用在第一環(huán)岸上面的氣體壓力可取為P1=0.9Pgmax=5.4MPa,環(huán)岸下面的氣體壓力可取為P2=0.22 Pgmax =1.32MPa。一般情況下,可取環(huán)槽深度t=0.05D,則D=0.9D。根據(jù)公式:式中,Pgmax最大氣體作用力 Pjmax活塞與活塞環(huán)最大往復(fù)慣性力帶入已知數(shù)據(jù)得,。許用應(yīng)力的大小與活塞材料有關(guān),一般范圍是:鋁合金3040MPa;鑄鐵6080MPa;鋼100150MPa。本設(shè)計(jì)活塞缸采用的是鋁合金,所以計(jì)算的許用應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)該材料的許用應(yīng)力。所以設(shè)計(jì)符合。5. 活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì) 活塞工作時(shí)頂部承受很大的氣體壓力,它們?nèi)客ㄟ^(guò)銷(xiāo)座傳給活塞銷(xiāo),再傳到連桿。因而,活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座必須有足夠的剛度,足夠的承載面積和耐磨性。其中活塞銷(xiāo)的剛度有著關(guān)鍵意義,如果縱向剛度不足,則引起負(fù)荷分布不均勻,使銷(xiāo)座疲勞破壞,導(dǎo)致活塞縱向開(kāi)裂;橫向剛度不足,使銷(xiāo)的失圓變形過(guò)大,潤(rùn)滑油膜遭受破壞,引起活塞銷(xiāo)咬作 5.1活塞銷(xiāo)的材料 活塞銷(xiāo)上作用著很大的氣體作用力和往復(fù)慣性力,這些載荷的大小及方向都呈現(xiàn)周期性變化,并帶有沖擊性。而且活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座之間擺動(dòng)角度小,難以得到完全的液體潤(rùn)滑,這使它磨損較大。 活塞銷(xiāo)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量滿(mǎn)足如下要求。 (1)在保證足夠的強(qiáng)度與剛度的條件下具有最小的質(zhì)量。 (2)外表面耐磨,而內(nèi)部沖擊韌性好。 (3)足夠的承壓面積。 活塞銷(xiāo)一般用低碳鋼或低碳合金鋼。本設(shè)計(jì)選用20Mn,經(jīng)外表面滲碳淬火至硬度HRC5666,深度0.81.2mm,但滲碳淬火層中的殘余奧氏體必須切實(shí)消除,所以必須嚴(yán)格控制熱處理工藝質(zhì)量,盡量避免脫碳,表面也需要進(jìn)行精磨和拋光。5.2活塞銷(xiāo)尺寸的計(jì)算 參考內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)(楊連生)P291,活塞銷(xiāo)的尺寸比例如下:活塞銷(xiāo)外徑:D為活塞直徑,D=56mm活塞銷(xiāo)內(nèi)徑:活塞銷(xiāo)長(zhǎng)度:故根據(jù)以上要求,設(shè)計(jì)尺寸為:d1=16mm , d2=10mm,=54mm5.3活塞銷(xiāo)的的計(jì)算及校核。、活塞銷(xiāo)表面比壓活塞銷(xiāo)工作表面所受的單位壓力對(duì)潤(rùn)滑情況有影響,應(yīng)加以驗(yàn)算。對(duì)全浮式活塞銷(xiāo)而言,連桿小頭部分的活塞銷(xiāo)表面單位壓力為式中,q2活塞銷(xiāo)座表面單位壓力,MPa; Pgmax最大氣體作用力,MN; Pjmax活塞組最大往復(fù)慣性力,MN; 考慮活塞銷(xiāo)質(zhì)量的系數(shù),k=0.680.81,取k=0.81代入已知數(shù)據(jù)得q2=58MPa。、活塞銷(xiāo)的彎曲應(yīng)力 沿活塞銷(xiāo)長(zhǎng)度方向的載荷分布與活塞銷(xiāo)及銷(xiāo)座的剛度之比有關(guān),也與活塞銷(xiāo)與連桿小頭襯套間的間隙及活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座的間隙有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明,在銷(xiāo)座部分,銷(xiāo)表面受到的壓力大致呈三角形規(guī)律分布,在銷(xiāo)與連桿小頭接觸部分,壓力分布可認(rèn)為相當(dāng)于均勻載荷。其彎曲應(yīng)力的計(jì)算公式為代入已知數(shù)據(jù)得=199MPa。本設(shè)計(jì)的活塞銷(xiāo)彎曲應(yīng)力的許用值為100250MPa,故本設(shè)計(jì)故符合要求。、活塞銷(xiāo)的剪應(yīng)力 最大剪應(yīng)力gmax作用在銷(xiāo)座和連桿小頭之間的截面上,發(fā)生的中性軸所在的直徑上,其值為代入已知數(shù)據(jù)得gmax=83MPa。一般,汽車(chē)、工程機(jī)械用內(nèi)燃機(jī)的活塞銷(xiāo)最大剪應(yīng)力許用值為60250MPa,本設(shè)計(jì)符合要求。6、曲軸的設(shè)計(jì) 曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩(扭矩和彎矩)共同作用下工作的,使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲,產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。曲軸形狀復(fù)雜,應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重,特別在曲軸至軸頸的圓角過(guò)渡區(qū)、潤(rùn)滑油孔附近以及加工粗糙的部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。曲軸各軸頸在很高的比壓下,以很大的相當(dāng)速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。這些軸承在實(shí)際變工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體摩擦,故設(shè)計(jì)曲軸時(shí),要使其各摩擦表面耐磨性,各軸頸應(yīng)具有足夠的承壓面積,同時(shí)給予盡可能好的工作條件。曲軸是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的中心環(huán)節(jié),其剛度亦很重要。由于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速較高,同時(shí)要求其質(zhì)量較輕。故曲軸在強(qiáng)度、剛度、耐磨、輕巧上都有要求,但它們之間又存在相互矛盾。6.1曲軸的材料及結(jié)構(gòu) 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件,在發(fā)動(dòng)機(jī)五大件中最難以保證加工質(zhì)量。目前車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材質(zhì)有球墨鑄鐵和鋼兩類(lèi)。由于球墨鑄鐵的切削性能良好,可獲得較理想的結(jié)構(gòu)形狀,并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進(jìn)行各種熱處理和表面強(qiáng)化處理來(lái)提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性。球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本的1/3左右,所以球墨鑄鐵曲軸在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。 曲軸從整體結(jié)構(gòu)上看,可以分為整體式和組合式。隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄造技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)幾乎全部采用整體式曲軸。從支撐方式看,曲軸有全支持結(jié)構(gòu)和浮動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)。但本次設(shè)計(jì)為單缸高速發(fā)動(dòng)機(jī),用于大型雙缸車(chē),故曲軸需采用組合式和全支撐結(jié)構(gòu)。 由于曲軸采用組合式,故選用鍛造制造。鋼制曲軸除少數(shù)應(yīng)用鑄鋼外,絕大多數(shù)采用鍛造。鍛造曲軸的材料有碳素鋼和合金鋼。本次設(shè)計(jì)曲軸采用鍛造制造,選用45號(hào)碳鋼模鍛曲軸,但曲軸在鍛造后應(yīng)進(jìn)行第一次熱處理(退火或正火),在精磨前應(yīng)進(jìn)行第二次熱處理(調(diào)質(zhì))以改善鋼的機(jī)械性能并能提高周靜表面硬度。對(duì)軸頸表面、圓角和油孔邊緣應(yīng)拋光,以提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。綜上所述,曲軸采用45號(hào)鋼模鍛,采用組合式結(jié)構(gòu)和全支撐式結(jié)構(gòu)。6.2曲軸尺寸的設(shè)計(jì) 曲軸主要由曲軸前端(自由端)、曲拐(包括主軸頸、連桿軸頸和曲柄)和曲軸后端(功率輸出端)三個(gè)部分組成。其中曲拐的數(shù)目與氣缸數(shù)目及排列方式有關(guān)。直列式內(nèi)燃機(jī)曲軸的曲拐數(shù)與氣缸數(shù)相等。 曲軸主要尺寸如下圖6-1所示:圖6-1 曲軸的主要尺寸圖參考內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)(楊連生)可得到主要尺寸范圍如下表二:表二 曲軸主要尺寸比例范圍主要參數(shù)比例范圍主要參數(shù)比例范圍D2/D0.600.65D2/d20.400.60L2/D0.350.45D1/D0.650.75L1/D10.400.60 b/D0.751.20 h/D0.180.25曲柄銷(xiāo)直徑=33.636.4mm,取,D2=35mm采用滾針軸承,曲柄銷(xiāo)長(zhǎng)度L2與軸承寬度配合。d2=(0.400.60)=1421mm,取=16mm.主軸頸直徑:d1=(0.650.75)D=36.442mm,取.D1=40mm主軸頸長(zhǎng)度:L1=(0.400.60)D1=1624mm,取.L1=17mm曲柄銷(xiāo)厚度:h=(0.180.25)D=10.0814mm,取h=12mm.曲柄寬度:b=(0.751.20)D=4267.2mm,取b=60mm.由于曲軸轉(zhuǎn)速高,曲柄銷(xiāo)與連桿大頭處采用滾針軸承,選用型號(hào)為:K35,即L2=22mm.由比例范圍可得:L2=(0.350.45)D=19.625.2mm,取L2=22mm,符合要求。此處的主要是指與連桿大頭的配合長(zhǎng)度,由于采用組合結(jié)構(gòu),需要與曲柄臂連接,故兩端還需各加上曲柄臂的厚度。主軸頸采用深溝球軸承,型號(hào)為6208,由于轉(zhuǎn)速較高,故采用油潤(rùn)滑。7. 連桿的設(shè)計(jì) 連桿總成的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并把作用在活塞上的力傳給曲軸。 連桿主要承受氣體壓力和活塞組往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。此外,由連桿變速擺動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力矩,還使連桿承受數(shù)值較小的彎矩。如果連桿在交變載荷的作用下發(fā)生斷裂,則將招致惡性破壞事故,甚至整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢;如果連桿剛度不足,則會(huì)對(duì)曲軸連桿的工作帶來(lái)不好的影響。這就要求連桿在設(shè)計(jì)時(shí),在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。為此,必須選用較強(qiáng)的材料和合理的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸,并采取表面強(qiáng)化措施。7.1連桿的材料為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度,一般多用精選含碳量高的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛,只有在特別強(qiáng)化且產(chǎn)量不太大的柴油機(jī)中用40Cr等合金鋼。由于本次設(shè)計(jì)的單缸機(jī)轉(zhuǎn)速、升功率較高,故連桿選用40MnB合金鋼鍛造,在機(jī)械加工前應(yīng)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,以得到較高的綜合機(jī)械性能,既強(qiáng)又韌。為了提高連桿的疲勞強(qiáng)度,不經(jīng)機(jī)械加工的表面應(yīng)經(jīng)過(guò)噴丸處理。連桿還必須經(jīng)過(guò)磁力探傷檢驗(yàn),以求工作可靠。對(duì)于連桿的形狀設(shè)計(jì)、過(guò)渡圓滑性、毛皮表面質(zhì)量等,必須給以更多的注意。連桿縱斷面內(nèi)宏觀金相組織要求金屬纖維方向與連桿外形相符合,纖維無(wú)環(huán)曲及中斷現(xiàn)象7.2連桿的機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)連桿由連桿小頭、桿身和連桿大頭組成,主要結(jié)構(gòu)尺寸如下圖7-1所示圖7-1 連桿主要尺寸圖7.3連桿小頭7.3.1連桿小頭尺寸計(jì)算 連桿小頭用來(lái)安裝活塞銷(xiāo),以連接活塞。在活塞銷(xiāo)與連桿小頭之間采用全浮式連接時(shí),通常在連桿小頭孔內(nèi)以一定的過(guò)盈量壓入減磨青銅襯套或鐵基粉末冶金襯套,用以減小磨損和提高使用壽命。近年來(lái),鐵基粉末冶金襯套以其自潤(rùn)滑性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。松花江微型連桿小頭與活塞銷(xiāo)采用全浮式連接。 連桿小頭采用薄壁圓環(huán)結(jié)構(gòu),小頭孔內(nèi)壓有青銅襯套。參考內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)(楊連生),連桿小頭的尺寸比例如下:襯套內(nèi)徑由活塞銷(xiāo)外徑?jīng)Q定,d1=16mm襯套厚度:=23mm連小頭內(nèi)徑/襯套外徑:D2=d1+連桿小頭外徑:D1=(1.21.35)D2連桿小頭寬度:B1=(1.21.4)d1根據(jù)以上要求,設(shè)計(jì)連桿小頭尺寸如下:d1=16mm;=2mm;D2=18mm;D1=24mm;B1=22mm連桿的潤(rùn)滑方式:飛濺潤(rùn)滑,在連桿小頭開(kāi)設(shè)集油孔。7.3.2連桿小頭計(jì)算及校核 連桿的受力情況,在其桿身的每一橫截面上都受到彎矩、剪力和法向力的作用,不過(guò)彎矩和剪力都不大,桿身的主要載荷還是是交變的拉壓載荷。當(dāng)曲拐轉(zhuǎn)角為時(shí)(進(jìn)、排氣上止點(diǎn)時(shí)),PA和PL均與連桿中心線(xiàn)重合,且PA達(dá)到其最大負(fù)值(向上),PL也達(dá)到其最大負(fù)值(向下),這時(shí)連桿桿身受到最大的拉伸載荷,可以忽略此時(shí)的氣體作用力而近似認(rèn)為帶入數(shù)據(jù)得,帶入數(shù)據(jù)得,7.4連桿桿身設(shè)計(jì)7.4.1連桿桿身尺寸計(jì)算 連桿桿身是連接連桿大頭和連桿小頭的部分。桿身一般采用工字形斷面,以使連桿能在較小的質(zhì)量下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。某些連桿桿身上還鉆有油道,使連桿軸承的潤(rùn)滑油流向連桿小頭進(jìn)行潤(rùn)滑。 高速內(nèi)燃機(jī)連桿桿身斷面都是“I”字形的,而且其長(zhǎng)軸應(yīng)在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)。從制造工藝方面看,“I”字形截面連桿桿身到小頭和大頭的過(guò)渡圓角處必須有足夠大的圓角半徑。 “I”字形斷面的平均相對(duì)高度H/D=0.20.3,高寬比H/B=1.41.8。一般把桿身斷面H從小到大逐漸加大,值最大到1.3左右。連桿長(zhǎng)度由曲柄連桿比來(lái)確定,而,值越大,連桿越短,則發(fā)動(dòng)機(jī)高度越小。值的范圍1/31/4,取=0.25,則連桿長(zhǎng)度:l=24/0.25=96mm。連桿桿身設(shè)計(jì)尺寸:H=14mm,B=9mm,l=96mm。7.4.2連桿桿身應(yīng)力計(jì)算及校核對(duì)連桿桿身的強(qiáng)度校核,應(yīng)考慮以下幾種工況、最大拉伸應(yīng)力代入已知數(shù)據(jù)得1=101.4MPa。式中,1連桿桿身最大拉伸應(yīng)力,MPa; fm連桿桿身的斷面面積,m2、桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力 桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在做功行程中最大燃?xì)庾饔昧jmax時(shí),并可認(rèn)為是在上止點(diǎn)。最大壓縮力的計(jì)算公式為帶入數(shù)據(jù)得:帶入數(shù)據(jù)得: 連桿承受最大壓縮力時(shí),桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時(shí)連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲,可認(rèn)為連桿兩端為鉸支,長(zhǎng)度為L(zhǎng);在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲者可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn),長(zhǎng)度為L(zhǎng)。因此,在擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為代入已知數(shù)據(jù)得:k=117MPa代入已知數(shù)據(jù)得:y=149MPa查設(shè)計(jì)手冊(cè)得出1和2的許用值位250400MPa,故符合要求。7.5連桿大頭設(shè)計(jì)7.5.1連桿大頭尺寸設(shè)計(jì) 連桿大頭是連桿與曲軸軸頸相連接的部分。連桿大頭是剖分形式的,被剖分開(kāi)的連桿蓋和連桿體之間用螺栓緊固。其中接合面與連桿軸線(xiàn)垂直的稱(chēng)為平切口連桿,接合面與連桿軸線(xiàn)成30至60夾角的稱(chēng)為斜切口連桿。 由于本次設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)是雙缸機(jī),曲軸又采用組合式,故連桿大頭做成一體,不用切開(kāi),不需使用連桿螺栓。連桿大頭的結(jié)構(gòu)與基本尺寸主要決定于曲柄銷(xiāo)直徑D2、長(zhǎng)度L2、所選軸承類(lèi)型。此處選用滾針軸承K35*42*20,故連桿大頭內(nèi)徑D2=42mm,連桿大頭寬度:B2=22mm。對(duì)于連桿大頭外徑,由于取出連桿必須從氣缸中取出,所以其外徑應(yīng)小于活塞直徑,先暫取連桿大頭外徑:D3=50mm。7.5.2連桿大頭應(yīng)力計(jì)算和校核目前還沒(méi)有比較合適的演算連桿強(qiáng)度的公式,一般采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。連桿蓋最大載荷是在進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí),用下式計(jì)算帶入數(shù)據(jù)得:式中 P2連桿蓋所受最大載荷, Pjmax全部往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力, m2除去大頭蓋后的連桿旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。在中間斷面應(yīng)力內(nèi)燃機(jī)連桿大頭蓋的材料為45Mn鋼許用應(yīng)力值150200MPa,故符合要求8. 設(shè)計(jì)結(jié)果 經(jīng)校核合格,得到本次設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如下表3.表3 主要設(shè)計(jì)結(jié)果活塞直徑D(mm)56活塞行程S(mm)48氣缸容積(L)118壓縮比8余隙容積(mL)16.86活塞平均速度(m/s)14轉(zhuǎn)速n(r/min)8750角速度(rad/s)915.83曲柄半徑r(mm)24曲柄連桿比0.25連桿長(zhǎng)度l(mm)96平均有效壓力(MPa)1.19升功率(KW/L)62.625進(jìn)氣壓力(MPa)0.0808大小齒輪計(jì)算 齒輪模數(shù)取4,大齒輪齒數(shù)取47 小齒輪齒數(shù)為23. 傳動(dòng)比1:21. 選擇齒輪精度等級(jí)、材料、齒數(shù)1)屬于一般機(jī)械,且轉(zhuǎn)速不高,故選擇8級(jí)精度。2)因載荷平穩(wěn),傳遞功率較小,可采用軟齒面齒輪。參考表11-1,小齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)處理,齒面硬度217255HBS,HLim1=595MPa,F(xiàn)E1=460MPa;大齒輪選用45鋼正火處理,齒面硬度162217HBS,HLim2=390MPa,F(xiàn)E2=320MPa。對(duì)于齒面硬度小于350 HBS的閉式軟齒面齒輪傳動(dòng),應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì),再按齒根彎曲強(qiáng)度校核。2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)公式11-31)查表11-3,原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī),工作機(jī)械是輸送機(jī),且工作平穩(wěn),取載荷系數(shù)K=1.2。2)小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩3)查表11-6,齒輪為軟齒面,對(duì)稱(chēng)布置,取齒寬系數(shù)d=1。4)查表11-4,兩齒輪材料都是鍛鋼,故取彈性系數(shù)ZE=189.8 MPa1/2。5)兩齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪,且正確安裝,故節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.5。6)計(jì)算許用接觸應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)次數(shù)小齒輪N1=60n1jLh=603501(2830010)=10.08108大齒輪N2= N1/i=10.08108/3.58=2.82108據(jù)齒輪材料、熱處理以及N1、N2,查接觸疲勞壽命系數(shù)圖表,不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕,得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1,ZN2=1。查表11-5,取安全系數(shù)SH=1.1。計(jì)算許用接觸應(yīng)力取小值H2代入計(jì)算。7)計(jì)算 3. 驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度按公式11-5校核 1)由z1=23,z2=47查圖11-8,得齒型系數(shù)YFa1=2.77,YFa2=2.23。2)由z1=23,z2=47查圖11-9,得應(yīng)力集中系數(shù)YSa1=1.58,YSa2=1.773)計(jì)算許用彎曲應(yīng)力據(jù)齒輪材料、熱處理以及N1、N2,查彎曲疲勞壽命系數(shù)圖表,得彎曲疲勞壽命系數(shù)YN1=1,YN2=1。查表11-5,取安全系數(shù)SF=1.25。計(jì)算許用彎曲應(yīng)力4)校核計(jì)算彎曲強(qiáng)度足夠。4. 驗(yàn)算齒輪的圓周速度對(duì)照表11-2可知,選用9級(jí)精度較為合宜。1. 作用在齒輪上的力齒輪節(jié)圓直徑圓周力N徑向力2. 初定軸的最小直徑( 機(jī)械設(shè)計(jì)P370式(15-2) )軸材料選45鋼,調(diào)質(zhì)處理查表確定 ( 機(jī)械設(shè)計(jì)P370表15-3 )則 單鍵槽軸徑應(yīng)增大即增大至 所以3. 選擇低速軸的聯(lián)軸器計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩 查表得工作情況系數(shù)( 機(jī)械設(shè)計(jì)P351表14-1)選擇彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器,按,,查表GB/T5014-1985(機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)P133表15-5)選用HL4型彈性聯(lián)軸器,。半聯(lián)軸器長(zhǎng)度 與軸配合轂孔長(zhǎng)度 半聯(lián)軸器孔徑 4. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1) 設(shè)計(jì)I段軸的結(jié)構(gòu)I段軸直徑應(yīng)與聯(lián)軸器孔徑相同,所以I段軸直徑選取因?yàn)槁?lián)軸器左端由軸端擋圈固定,為保證擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸上,所以使I段軸長(zhǎng)度略小于聯(lián)軸器與軸配合轂孔長(zhǎng)度,則選(2) 設(shè)計(jì)II段軸的結(jié)構(gòu)因?yàn)樾℃溳営叶送ㄟ^(guò)軸肩固定,而軸肩的高度應(yīng)滿(mǎn)足(機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) P17 表1-31)所以,則,所以II軸直徑應(yīng)選(3) 初選滾動(dòng)軸承因?yàn)辇X輪無(wú)軸向力,所以軸承不受軸向力,可選深溝球軸承。查表得( 機(jī)械設(shè)計(jì)P321表13-6)取代入式子( 機(jī)械設(shè)計(jì)P320式(13-9a) )得當(dāng)量動(dòng)載荷基本額定動(dòng)載荷( 機(jī)械設(shè)計(jì)P319式(13-6)查書(shū)得球軸承( 機(jī)械設(shè)計(jì)P319),查表得( 機(jī)械設(shè)計(jì)P318表13-3)則參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取61911查手冊(cè)知軸承可選 (4) 軸承的校核因?yàn)檩S承不受軸向力,所以仍成立,則驗(yàn)算61911軸承的壽命所以61911軸承滿(mǎn)足要求61911軸承尺寸查表知該軸承應(yīng)選擇脂潤(rùn)滑。(5) II段軸的長(zhǎng)度為便于軸承蓋的拆卸及對(duì)軸承加潤(rùn)滑脂的要求,取端蓋的外斷面與聯(lián)軸器右端面距離為30mm軸承蓋寬度為20mm所以考慮箱體的鑄造誤差,使軸承與箱體內(nèi)表面距離為8mm箱體內(nèi)表面與齒輪間距為16mm,為使套筒端面可靠的壓緊軸承,使IV軸略短于齒輪4mm所以箱體壁厚為29mm (8+13+8)(6) IV軸尺寸IV軸長(zhǎng)度短于齒輪齒寬4mm,則取齒輪安裝直徑為(7) V段軸尺寸因?yàn)辇X輪右端通過(guò)軸肩固定軸肩的高度應(yīng)滿(mǎn)足(機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) P17 表1-31)所以,則取則軸環(huán)長(zhǎng)度,?。?) VII段軸尺寸軸承固定在VII軸上所以取 (9) VI段軸的尺寸箱體內(nèi)表面與齒輪間距為16mm,考慮箱體的鑄造誤差,使軸承與箱體內(nèi)表面距離為8mm所以因?yàn)橛疫呡S承的左端通過(guò)軸肩固定,軸肩的高度應(yīng)滿(mǎn)足 所以,軸肩應(yīng)小于軸承內(nèi)圈外徑,則取則軸上零件的軸向定位齒輪、聯(lián)軸器與軸的軸向定位均采用平鍵連接。查表6-1得兩鍵尺寸如下 聯(lián)軸器選用鍵型號(hào)為選用配合為齒輪選用鍵型號(hào)為選用配合為滾動(dòng)軸承與軸的軸向定位由過(guò)渡配合保證,故選軸的直徑尺寸公差為確定軸上圓角與倒角尺寸參考機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) P16 表1-27取軸兩端倒角為C2圓角均為R2軸的校核 求軸上的載荷根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖,各部分長(zhǎng)度如圖所示由上面計(jì)算知圓周力,徑向力,齒輪節(jié)圓直徑軸BD端扭矩為支座反力,C節(jié)面處所以C節(jié)面為彎矩最大截面彎矩合成強(qiáng)度校核 通常只校核軸上受最大彎矩和最大扭矩的截面強(qiáng)度,即C截面強(qiáng)度。 考慮啟動(dòng),停機(jī)影響,單向循環(huán),扭矩為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)P373式(15-5)取,45鋼調(diào)質(zhì)處理,由表查得( 機(jī)械設(shè)計(jì) P362表15-1),所以軸彎矩合成強(qiáng)度滿(mǎn)足要求疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核判斷危險(xiǎn)截面 截面a b 只受扭矩作用,e f 面只受彎矩作用,所以均不是最大危險(xiǎn)截面,而e 截面比c截面直徑大,所以最大危險(xiǎn)截面只可能在c 截面或齒輪中間對(duì)稱(chēng)面 g ,雖然g 面所受的彎矩最大,但應(yīng)力集中不大(過(guò)盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力集中均在兩端)且該處軸直徑較大,故最大危險(xiǎn)截面為 c 截面。所以只需校核 c 截面兩側(cè)即可。2)截面左側(cè)截面校核抗彎截面系數(shù) 抗扭截面系數(shù) 截面左側(cè)彎矩 截面左側(cè)彎曲應(yīng)力 截面左側(cè)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 平均應(yīng)力 ,應(yīng)力幅 查材料的力學(xué)性能 45鋼調(diào)質(zhì)查表( 機(jī)械設(shè)計(jì)P362表15-1 ) ,軸肩理論應(yīng)力集中系數(shù) ,查表( 機(jī)械設(shè)計(jì)P40附表3-2 )并經(jīng)插值計(jì)算 材料的敏感系數(shù) 由,查圖( 機(jī)械設(shè)計(jì)P41附圖3-1 )并經(jīng)插值得,有效應(yīng)力集中系數(shù) 尺寸及截面形狀系數(shù) 查圖( 機(jī)械設(shè)計(jì)P42附圖3-2 )得扭轉(zhuǎn)剪切尺寸系數(shù) 查圖( 機(jī)械設(shè)計(jì)P43附圖3-3 )得表面質(zhì)量系數(shù) 軸按磨削加工,由查圖( 機(jī)械設(shè)計(jì)P44附圖3-4 )得表面強(qiáng)化系數(shù) 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理 疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù) 等效系數(shù) 45鋼: 取 取僅有彎曲正應(yīng)力時(shí)計(jì)算安全系數(shù) 僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時(shí)計(jì)算安全系數(shù) 彎扭聯(lián)合作用下的計(jì)算安全系數(shù) 設(shè)計(jì)安全系數(shù) 材料均勻,載荷與應(yīng)力計(jì)算精確時(shí):取疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 所以左側(cè)疲勞強(qiáng)度合格3) 截面右側(cè)疲勞強(qiáng)度校核抗彎截面系數(shù) 抗扭截面系數(shù) 截面左側(cè)彎矩 截面左側(cè)彎曲應(yīng)力 截面左側(cè)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 平均應(yīng)力 ,應(yīng)力幅 查材料的力學(xué)性能 45鋼調(diào)質(zhì)查表( 機(jī)械設(shè)計(jì)P362表15-1 ) ,過(guò)盈配合處的 查表( 機(jī)械設(shè)計(jì)P43附表3-8 )并經(jīng)插值得, 并取表面質(zhì)量系數(shù) 軸按磨削加工,由查圖( 機(jī)械設(shè)計(jì)P44附圖3-4 )得表面強(qiáng)化系數(shù) 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理 疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù) 等效系數(shù) 45鋼: 取 取僅有彎曲正應(yīng)力時(shí)計(jì)算安全系數(shù) 僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時(shí)計(jì)算安全系數(shù) 彎扭聯(lián)合作用下的計(jì)算安全系數(shù) 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 右側(cè)疲勞強(qiáng)度合格1. 故軸在c 截面兩側(cè)均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,即整根軸均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。6.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的簡(jiǎn)介 機(jī)構(gòu)是由構(gòu)建組合而成的,而每個(gè)構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件相連接。這種連接,既使兩個(gè)構(gòu)件直接接觸,又使兩個(gè)構(gòu)件能產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的前提就是要?jiǎng)?chuàng)建機(jī)構(gòu)。創(chuàng)建機(jī)構(gòu)與零件裝配都是將單個(gè)零部件組裝成一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)模型。因此兩者有很多相似之處。、 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與零件裝配,兩者都在組建模式下進(jìn)行。創(chuàng)建機(jī)構(gòu)是利用操控板中的“預(yù)定義連接集”列表選擇預(yù)定義的連接集,而零件裝配是利用操控板中的“用戶(hù)定義飛連接集”來(lái)安裝各個(gè)零部件。由零件裝配得到的裝配體,其內(nèi)部的零部件之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),而由連接得到的機(jī)構(gòu),其內(nèi)部的構(gòu)件之間家可以產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。以下就簡(jiǎn)單介紹一下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的基本術(shù)語(yǔ): UCS:用戶(hù)坐標(biāo)系WCS:全局坐標(biāo)系。組件的全局坐標(biāo)系,它包括用于組件及該組件內(nèi)所有主體的全局坐標(biāo)系。放置約束:組建中放置元件并限制該元件在組件中運(yùn)動(dòng)的圖元。環(huán)連接:添加后使連接主體鏈中形成環(huán)的連接。自由度:確定一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)(或狀態(tài))所必須的獨(dú)立參變量。連接的作用是約束主體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),減少系統(tǒng)可能的總自由度。主體:機(jī)構(gòu)模型的基本元件。主體是受?chē)?yán)格控制的一組零件,在組內(nèi)沒(méi)有自由度?;A(chǔ):不運(yùn)動(dòng)的主體,即大地或者機(jī)架。其他主體相對(duì)于基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)。在仿真時(shí),可以定義多個(gè)基礎(chǔ)。預(yù)定義的連接集:預(yù)定義的連接集可以定義實(shí)用哪些放置約束在模型中放置元件、限制主體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、減少系統(tǒng)可能的總自由度及定義元件在機(jī)構(gòu)中可能具有的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型。拖動(dòng):在圖形窗口上,用鼠標(biāo)拾取并移動(dòng)機(jī)構(gòu)。回放:記錄并重放分析運(yùn)動(dòng)的操作技能。伺服電動(dòng)機(jī):定義一個(gè)主體相對(duì)于另一個(gè)主體運(yùn)動(dòng)的方式。執(zhí)行電動(dòng)機(jī):作用于旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)軸上而引起運(yùn)動(dòng)的力。在機(jī)械設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)研究中,用戶(hù)可以通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng),使其隨伺服電動(dòng)機(jī)一起移動(dòng),并且在不考慮作用于系統(tǒng)上的力的情況下分析其運(yùn)動(dòng)。使用運(yùn)動(dòng)分析可以觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),并測(cè)量主體位置、速度和加速度的改變。然后用圖標(biāo)表達(dá)這些測(cè)量,或者創(chuàng)建軌跡曲線(xiàn)和運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。根據(jù)以上分析,機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真總體上可以分為六個(gè)部分:創(chuàng)建圖元、檢測(cè)模型、添加建模圖元、準(zhǔn)備分析、分析模型和獲取結(jié)果9。 運(yùn)動(dòng)仿真分析(1)選取主菜單上的【應(yīng)用程序】/【機(jī)構(gòu)】命令,進(jìn)入機(jī)構(gòu)仿真分析環(huán)境。(2)定義伺服電動(dòng)機(jī)。該機(jī)構(gòu)共需要設(shè)置3個(gè)伺服電動(dòng)機(jī),其中伺服電動(dòng)機(jī)1位于搖臂與連接桿的連接軸上,用以控制搖臂的周期性擺動(dòng);伺服電動(dòng)機(jī)3位于曲軸與電動(dòng)機(jī)中心軸上,再以驅(qū)動(dòng)曲軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生風(fēng)源。 1)定義伺服電動(dòng)機(jī)1。單擊右工具條上的 按鈕,打開(kāi)如圖3-1所示的“伺服電動(dòng)機(jī)定義”對(duì)話(huà)框,接受“類(lèi)型”選項(xiàng)卡上默認(rèn)的“運(yùn)動(dòng)軸”類(lèi)型選項(xiàng),在圖形區(qū)內(nèi)點(diǎn)選搖臂與連接桿的連接軸,打開(kāi)對(duì)話(huà)框上的“輪廓”選項(xiàng)卡,接受“規(guī)范”欄內(nèi)默認(rèn)的“位置”選項(xiàng)(因?yàn)閾u臂為左右擺動(dòng),需限定其左右極端位置),在“模”欄目?jī)?nèi)選擇“余弦”(搖臂的擺動(dòng)為周期性變化),參照表中關(guān)于“余弦”運(yùn)動(dòng)規(guī)律公式中A、B、C及T各參數(shù)的意義,分別設(shè)定A=75、B=30、C=0、T=1.如圖4-8全部設(shè)置完畢后單擊對(duì)話(huà)框上的“應(yīng)用”按鈕,然后單擊“圖形”欄內(nèi)的 按鈕,彈出伺服電動(dòng)機(jī)1按照余弦規(guī)律旋轉(zhuǎn)的曲線(xiàn)如圖4-9。點(diǎn)擊“確定”按鈕予以確認(rèn),完成伺服電動(dòng)機(jī)1的定義。圖4-8 2)定義伺服電動(dòng)機(jī)2。電動(dòng)機(jī)自身也需要繞搖臂的銷(xiāo)軸做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以伺服電動(dòng)機(jī)2
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