CN104101319A - 船用柴油机缸径之活塞裙变椭圆外圆型线的测绘方法 - Google Patents
船用柴油机缸径之活塞裙变椭圆外圆型线的测绘方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种船用柴油机缸径之活塞裙变椭圆外圆型线的测绘方法，依下述步骤进行：设立极径公式；用三坐标测绘先进的活塞裙的外圆尺寸；对基础数据进行分析修正；变椭圆各点极径值的分析确定；活塞裙各截面长、短轴极径值的计算；活塞裙各截面长、短轴极径平均值的计算；得出标准椭圆方程，并计算各截面各点极径值；各点极径值的正确与否的判断；削边量的确定；削边界限的确定；基准圆的确定；型线绘制原则；最后试制图纸。本发明提供了一种对先进的活塞裙变椭圆外圆型线进行自动测绘的方法，该方法快捷、精准，节省费用：先进活塞每件5980欧元，折合人民币约为5980×8=47840元，而自制活塞每件19850元，每件节约27990元。本发明尤其适用于船用柴油机之160-400缸径的活塞裙变椭圆外圆型线的测绘。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械部件的测绘方法，具体地说是船用柴油机缸径之活塞裙变椭圆外圆型线的测绘方法。
背景技术
活塞是内燃机的关键部件之一，内燃机活塞的工作情况关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能。
活塞所处的工作环境十分复杂，运行中，其受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性载荷作用，使活塞产生机械应力和机械变形。当今的柴油机，在向着高转速、高负荷的方向发展：如，活塞的形状由简单的圆柱形变成削边后的中凸变椭圆形。由于知识产权保护的原因，国外先进的活塞设计不能在我国推广应用，但活塞结构新式设计的科学理念促进了我国活塞结构设计的发展，如，利用GLIDE、仿真软件进行分析设计的活塞，在汽车行业得到了运用，但中高速柴油机的活塞设计仍处于起步阶段。
目前，国内对船用柴油机活塞裙的外圆型线设计，主要依靠测绘设计，即根据测绘的实际值作为设计依据，而没有形成科学的计算公式，不能对测绘数据进行分析、修正，无法把有限的测量数据归纳成一般规律，无法对测量数据的准确性进行判定，因而不可避免地会将测量误差带入设计之中。以现有的方法应用于台架试验或实际工作过程中，往往会出现异常磨损、活塞与缸套咬死等现象。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种对先进的活塞裙变椭圆外圆型线进行自动测绘的方法，该方法尤其适用于160-400缸径的活塞裙变椭圆外圆型线的测绘。
本发明是这样实现的：
该活塞裙变椭圆外圆型线进行自动测绘的方法，依下述步骤进行：
1)设立极径公式；
2)用三坐标测绘先进的活塞裙的外圆尺寸；
3)对基础数据进行分析修正；
4)变椭圆各点极径值的分析确定；
5)活塞裙各截面长、短轴极径值的计算；
6)活塞裙各截面长、短轴极径平均值的计算；
7)得出标准椭圆方程，并计算各截面各点极径值；
8)各点极径值的正确与否的判断；
9)削边量的确定；
10)削边界限的确定；
11)基准圆的确定；
12)型线绘制原则；
13)试制图纸确定：根据上述步骤7）、9）、10）、11）、12），确定图纸。设立
A.所述“设应极径公式”，系指利用极坐标方程计算椭圆长短轴：
以椭圆中心为坐标原点，建立极坐标系，椭圆长、短轴分别位于对应直角坐标系X轴和Y轴上，利用两点确定一个标准椭圆的基本原理，椭圆长短轴推导公式如下：
式中，a表示长轴，b表示短轴，、表示椭圆上任意非对称两点的极径值，、表示、两点对应的极坐标角度值。
B.所述“对先进活塞裙进行测绘”
将先进活塞顶裙分离后，放置在三坐标20±1度的恒温室,放置24小时以上，开始测量；测量时，极角每小于等于5度计量一次，高度方向上每小于等于10毫米计量一次。而对于影响测量的活塞裙销孔、环槽等部位不测量；
C. 所述“对基础数据的分析修正”
根据变椭圆活塞裙型线的极径值从短轴Y到长轴X逐渐变大的变化规律，对测绘的数据进行逐条分析，对出现的异常值进行修正，使之满足变椭圆活塞裙型线极径值的变化规律。
D．所述“变椭圆各点极径值的分析确定”
在椭圆曲线方程中，两短轴极径值相等，两长轴极径值相等，其余部位的每一点以长轴和短轴分别对称，共有四个极径值是相等的；为了防止测量的随机误差，在计算极径值时，将理论上应该相等的极径值进行平均，该平均值称作不同点的极径平均值。
E. 所述“活塞裙各截面长、短轴极径值的计算”
由于测量时以销孔中心轴线为起点进行测量，故90°和270°的位置确定为长轴，
0°和 90°确定为短轴，在计算变椭圆型线时，分别采用60°和65°、65°和70°、
70°和75°、75°和80°、80°和85°五组靠近长轴的数据来计算变椭圆极径值。
F.所述“ 活塞裙各截面长、短轴极径平均值的计算”
为了进一步消除测量误差，将五组变椭圆长、短轴极径值进行平均，得出该截面的长、短轴极径平均值。
G．所述“得出标准椭圆方程，并计算某截面某点极径值”
利用长、短轴极径平均值确定某截面某点极径值，用长、短轴的数值表示出标准椭圆方程，然后根据标准椭圆方程，可计算出在不同截面的各个角度下的极径值，利用该截面的椭圆方程，求出该截面某点的坐标值。
H．所述“计算的极径值正确与否判断”
根据计算的极径值减去经过修正后的实测值，差值小于0.01即为合格。
I．所述“削边量的确定”
根据活塞裙在工作中的受力和热变形情况，活塞裙销孔方向设计为短轴，而垂直于活塞裙销孔的方向设计为长轴。在椭圆曲线方程的长短轴计算时，选用长轴两侧35度范围内的测量值。
J. 所述“削边界限的确定”
规定削边量在0.01左右时为削边界限。
K．所述“基准圆的确定”
按照最大值原则和上边界原则。
U、所述“型线绘制原则”
按照计算值并对异常点进行修正，确保光滑过渡。
V、所述“试制图纸确定”
根据上述各要素的计算，减去石墨化层厚度，作为试制图纸确定的依据。
附图说明
图1 标准椭圆图
图2 活塞裙外形图
图3 活塞裙变椭圆型线图
图4 活塞裙削边图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本实施例以φ400直径活塞裙的测绘为例，详细说明测绘的方法和步骤。
| 步骤 | 内容 | 备注 |
| 1 | 极径公式的推导 | |
| 2 | 用三坐标测绘先进的活塞裙（精度较高的合格产品）的外圆尺寸（称为基础数据） | |
| 3 | 对基础数据进行分析修正 | |
| 4 | 变椭圆各点极径值的分析确定 | |
| 5 | 活塞裙各截面长、短轴极径值的计算 | |
| 6 | 活塞裙各截面长、短轴极径平均值的计算 | |
| 7 | 得出标准椭圆方程，并计算各截面各点极径值 | |
| 8 | 各点极径值的正确与否的判断 | |
| 9 | 削边量的确定 | |
| 10 | 削边界限的确定 | |
| 11 | 基准圆的确定 | |
| 12 | 型线绘制原则 | |
| 13 | 试制图纸确定 | 根据步骤7、9、10、11、12内容确定图纸 |
上表中所列的十三个主要步骤，是活塞裙变椭圆型线测绘的基本程序。以下再做具体描述：
1、极径公式的推导
如图1所示的标准椭圆图，已知角度和对应极径值，利用极坐标方程计算椭圆长短轴：
以椭圆中心为坐标原点，建立极坐标，X、Y分别是椭圆的长轴和短轴，写出椭圆的极坐标以及标准方程如下：
横坐标： （1）
纵坐标： （2）
极径值：
椭圆标准方程：，为长轴(a＞0)，为短轴(b＞0) （3）
两点确定一个标准椭圆，取任意非对称两点 , ，得出以下结论：
（4）
（5）
（6）
（7）
将方程（4）、（5）代入方程（3）中，得到方程（8）；
将方程（6）、（7）代入方程（3）中，得到方程（9）；
（8）
（9）
联合（8）（9）方程，推导出a，b代数式如下：
（10）
（11）
式中，a表示长轴，b表示短轴，i表示一椭圆上第i点，为第i点极径值，、表示椭圆上任意非对称两点的极径值，、表示、两点对应的极坐标角度值。
2、对先进活塞裙（精度较高的理想产品）进行测绘
为了防止温度对材质的影响，将先进活塞顶裙分离（便于与组装活塞对比测量，检验装配前后活塞裙相关尺寸有无变化）后，放置在三坐标20±1度的恒温室,放置24小时以上，开始测量。
将活塞裙头部向上平放在等高块上，采集活塞裙裙部外止口，形成活塞裙体中心（称为极径中心）。采集活塞裙两侧销孔侧母线，确定销孔中心线，作为极角起始点。测量时，极角每小于等于5度计量一次，高度方向上每小于等于10毫米计量一次。而对于影响测量的活塞裙销孔、环槽等部位不测量。
3、对基础数据的分析修正
根据变椭圆活塞裙型线的极径值从短轴Y到长轴X逐渐变大的变化规律，对测绘的数据进行逐条分析，对出现的异常值（由于毛刺、凹坑引起的测绘误差）进行修正，使之满足变椭圆活塞裙型线极径值的变化规律。（图表2是异常值的修正表，对80°、85°、90°、100°、105°几个点的实测值进行了适当修正）。
表1,系对基础数据的分析修正
4、变椭圆各点极径值的分析确定
在椭圆曲线方程中，两短轴极径值相等，两长轴极径值相等，其余部位的每一点以长轴和短轴分别对称，共有四个极径值是相等的。在椭圆型线中，由于四个相位角的型线对称，故分析型线时，只分析0°-90°范围内各个截面数值即可。为了防止测量的随机误差，在计算极径值时，将理论上应该相等的极径值进行平均，该平均值称作不同点的极径平均值。表3是某一截面上不同点的测量极径平均值的计算方法。
表2系计算测量极径平均值
其它截面极径平均值的计算方法和上述计算方法相同。
5、 活塞裙各截面长、短轴极径值的计算
由于测量时以销孔中心轴线为起点进行测量，故90°和270°的位置确定为长轴，
0°和 90°确定为短轴，在计算变椭圆型线时，分别采用60°和65°、65°和70°、
70°和75°、75°和80°、80°和85°五组靠近长轴的数据来分别计算出变椭圆长、短轴极径值。
下述表3系某一截面长、短轴极径值的计算方法。
其它各截面长、短轴极径值的计算方法和上述计算方法相同。
6、 活塞裙各截面长、短轴极径平均值的计算
为了进一步消除测量误差，将五组变椭圆长、短轴极径值进行平均，得出该截面的长、短轴极径平均值。
图表5 长、短轴极径平均值的计算
其它各截面长、短轴极径平均值的计算方法和上述计算方法相同。
7、得出标准椭圆方程，并计算某截面某点极径值
利用长、短轴极径平均值确定某截面某点极径值，可以用长、短轴的数值表示出标准椭圆方程，然后根据标准椭圆方程，可以计算出在不同截面的各个角度下的极径值，可以利用该截面的椭圆方程，求出该截面某点的坐标值。
表5系某点的极径值的计算
其它截面某点的极径值的计算方法和上述计算方法相同。
8、 计算的极径值正确与否判断
根据计算的极径值减去经过修正后的实测值，差值小于0.01即为合格。
表6系极径值正确与否判断
其它截面某点的极径值正确与否判断的方法和上述判断方法相同。
9、削边量的确定
根据活塞裙在工作中的受力和热变形情况，活塞裙销孔方向由于有销座，受热变形大，一般情况下，该方向设计为短轴，而垂直于活塞裙销孔的方向设计为长轴。为了防止活塞裙在工作状态下在缸套中涨死，在活塞裙设计时，需要求在短边方向上削——根据多型活塞裙的图纸要求和加工经验可知，一般削边的范围在销孔两侧的55度以内，故在长轴上测量的值接近椭圆曲线的实际值，而在短轴上测量的值偏离椭圆曲线的实际值，而是接近削边后的实际值，故在椭圆曲线方程的长短轴计算时，用长轴两侧35度范围内的测量值比较合理。
通过对先进活塞的测绘和上述的推导计算，计算出先进活塞相同位置点的极径值，然后再计算出12件活塞裙相同位置点的极径平均值，减去12件先进活塞相同位置点的测量（修正后）的平均值；最大差值为削边量，通过理论分析和计算可知，短轴方向为最大削边量，刷黄部位是活塞裙的销孔位置，因无法测量，故表格中出现数值是不可用的。
下面的表7，是活塞裙削边值的计算方法。
10、削边界限的确定
规定削边量在0.01左右时为削边界限。
表7为削边界限的计算方法。（刷黄部位是活塞裙的销孔位置，因无法测量，故表格中出现数值是不可用的，红色数据行，表示削边界限的角度）。
11、基准圆的确定
按照最大值原则和上边界原则。
12、型线绘制原则
按照计算值并对异常点进行修正，确保光滑过渡。
13、试制图纸确定
根据上述各要素的计算，减去石墨化层厚度（一般要求为0.015-0.03，本此设计取0.025）作为试制图纸确定的依据，（图2-图4是以缸径400为例，按照上述步骤测绘出的活塞裙变椭圆外圆型线图）。
说明：图2表示活塞裙外圆上任意设定的两基准外圆的直径和公差；目的是其余截面的直径和公差以此为参照制定。
说明：图3是活塞裙表椭圆型线图，表示在某高度上活塞裙的长、端轴直径与缸套之间的间隙差值。
说明：图4表示活塞裙的削边量和削边界限，35°表示削边界限，表明削边是在短轴方向上两侧各55°的范围内；e值表示削边量。
表8为 活塞裙基准椭圆各角度极径差值
说明：表8表示两基准截面每5°上长、短轴的具体点的椭圆度差值。
采用本发明之船用柴油机活塞裙变椭圆外圆型线测绘的实施方式为：将活塞裙头部向上平放在等高块上，采集活塞裙裙部外止口，形成活塞裙体中心，称为极径中心。采集活塞裙两侧销孔侧母线，确定销孔中心线，作为极角起始点。测量时，极角每小于等于5度计量一次，高度方向上每小于等于10毫米计量一次，按照上述要求对活塞裙外形全部计量（对于影响测量的活塞裙销孔、环槽等部位不测量），然后依据上述步骤进行计算即可。
本发明的效果
按照测绘设计的图纸，以完成11台柴油机活塞的装配计算经济效益：先进活塞每件5980欧元，折合人民币约为5980×8=47840元，而自制活塞每件19850元，每件节约27990元，且提高了技术人员分析、解决问题的能力，保证了企业的装机节点。
Claims (1)
1.船用柴油机缸径之活塞裙变椭圆外圆型线的测绘方法，其特征在于：
依下述步骤进行：
1） 设立极径公式；
2） 用三坐标测绘先进的活塞裙的外圆尺寸；
3） 对基础数据进行分析修正；
4） 变椭圆各点极径值的分析确定；
5） 活塞裙各截面长、短轴极径值的计算；
6） 活塞裙各截面长、短轴极径平均值的计算；
7） 得出标准椭圆方程，并计算各截面各点极径值；
8） 各点极径值的正确与否的判断；
9） 削边量的确定；
10） 削边界限的确定；
11） 基准圆的确定；
12） 型线绘制原则；
13） 试制图纸确定 根据步骤7、9、10、11、12内容确定图纸；
A. 所述“设立极径公式”，系指利用极坐标方程计算椭圆长短轴：
以椭圆中心为坐标原点，建立极坐标系，椭圆长、短轴分别位于对应直角坐标系X轴和Y轴上，利用两点确定一个标准椭圆的基本原理，椭圆长短轴推导公式如下：
式中，a表示长轴，b表示短轴，、表示椭圆上任意非对称两点的极径值，、表示、两点对应的极坐标角度值；
B. 所述“对先进活塞裙进行测绘”
将先进活塞顶裙分离后，放置在三坐标20±1度的恒温室,放置24小时以上，开始测量；测量时，极角每小于等于5度计量一次，高度方向上每小于等于10毫米计量一次；而对于影响测量的活塞裙销孔、环槽等部位不测量；
C. 所述“对基础数据的分析修正”
根据变椭圆活塞裙型线的极径值从短轴Y到长轴X逐渐变大的变化规律，对测绘的数据进行逐条分析，对出现的异常值进行修正，使之满足变椭圆活塞裙型线极径值的变化规律；
D．所述“变椭圆各点极径值的分析确定”
在椭圆曲线方程中，两短轴极径值相等，两长轴极径值相等，其余部位的每一点以长轴和短轴分别对称，共有四个极径值是相等的；为了防止测量的随机误差，在计算极径值时，将理论上应该相等的极径值进行平均，该平均值称作不同点的极径平均值；
E. 所述“活塞裙各截面长、短轴极径值的计算”
由于测量时以销孔中心轴线为起点进行测量，故90°和270°的位置确定为长轴，
0°和 90°确定为短轴，在计算变椭圆型线时，分别采用60°和65°、65°和70°、
70°和75°、75°和80°、80°和85°五组靠近长轴的数据来计算变椭圆极径值；
F.所述“ 活塞裙各截面长、短轴极径平均值的计算”
为了进一步消除测量误差，将五组变椭圆长、短轴极径值进行平均，得出该截面的长、短轴极径平均值；
G．所述“得出标准椭圆方程，并计算某截面某点极径值”
利用长、短轴极径平均值确定某截面某点极径值，用长、短轴的数值表示出标准椭圆方程，然后根据标准椭圆方程，计算出在不同截面的各个角度下的极径值，利用该截面的椭圆方程，求出该截面某点的坐标值；
H．所述“计算的极径值正确与否判断”
根据计算的极径值减去经过修正后的实测值，差值小于0.01即为合格；
I．所述“削边量的确定”
根据活塞裙在工作中的受力和热变形情况，活塞裙销孔方向设计为短轴，而垂直于活塞裙销孔的方向设计为长轴；在椭圆曲线方程的长短轴计算时，选用长轴两侧35度范围内的测量值；
J. 所述“削边界限的确定”
规定削边量在0.01左右时为削边界限；
K．所述“基准圆的确定”
按照最大值原则和上边界原则；
L、所述“型线绘制原则”
按照计算值并对异常点进行修正，确保光滑过渡；
M、所述“试制图纸确定”
根据上述各要素的计算，减去石墨化层厚度，作为试制图纸确定的依据。
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