基于UGAutoCAD的摩托車發(fā)動機相關零部件的設計

1、摘 要發(fā)動機是機器的“心臟”，它是機器最重要的部分，隨著科學技術的飛快發(fā)展，國際之間關于發(fā)動機的競爭也也越來越激烈，所以對發(fā)動機的研究具有重要的科學意義。本文的設計方法采用常規(guī)手段與微機輔助相結合。在設計中首先查閱中外資料，了解發(fā)動機的結構及工作原理，確定本文所設計的發(fā)動機結構。本文主要針對摩托車發(fā)動機的缸體、連桿、活塞等零部件進行設計與三維建模。缸體的設計主要內容包括氣缸體的結構設計、材料的選擇和參數設計，缸體是發(fā)動機零部件中重要的零部件，所以在本文中還對缸體進行加工工藝規(guī)程進行設計從而確定加工工藝路線。連桿的設計的主要內容是連桿的結構、連桿承受的載荷和連桿的位移等?；钊O計的主要內容是活塞

2、的材料的選擇、主要參數和活塞的運動分析。本文還利用UG軟件完成了對缸體、活塞、連桿等零部件的三維建模以及零部件之間的裝配，并且完成了零部件三維向二維工程圖的轉換以及對裝配圖進行運動仿真分析。關鍵詞：摩托車發(fā)動機；UG；三維建模；運動仿真 AbstractThe engine is the heart of the machine, it is the most important part of the machine. With the fast development of science and technology, the competition is also more and m

3、ore fierce among countries, so it has important scientific significance for engine research. The design method of this paper has combined conventional means and computer-aided.In order to determine the design structure of engine, this paper has consulted the Chinese and foreign information and under

4、stood the structure and working principle of the engine. This paper focuses on the design and 3D modeling of motorcycle engine cylinder block, connecting rod, piston and other parts. The design of cylinder mainly includes cylinder block structural design, materials selection and parameter design, th

5、e cylinder is the important parts of the engine parts, so this article has completed the design of cylinder planning process in order to determine route. The design of connecting rod mainly includes the structure of the connecting rod, bear the load and connecting rod displacement. The design of pis

6、ton mainly includes piston material selection, analysis of the main parameters and the movement of the piston. This paper also uses UG software to complete the three-dimensional modeling of cylinder, piston, connecting rod and assemble of parts. Then this paper has completed the conversion of parts

7、of the three-dimensional to two-dimensional drawings and motion simulation analysis for assemble.Key words: motorcycle engine; UG; three-dimensional modeling; motion simulation目 錄摘 要IIIAbstractIV目 錄V1 緒論11.1 本課題研究的科學意義11.2 發(fā)動機的發(fā)展史及國內外的發(fā)展概況11.3 本課題的主要內容22 氣缸體的設計32.1 氣缸體的結構設計32.2 氣缸體材料的選擇32.3 氣缸體參數設計4

8、2.3.1 氣缸直徑42.3.2 氣缸形狀的設計52.3.3 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總容積52.3.4 壓縮比62.3.5 氣缸工作內壓力與氣缸總推力72.4 氣缸蓋72.5 燃燒室93 連桿的設計103.1 連桿的組成113.1.1 小頭123.1.2 桿身123.1.3 大頭123.2 曲柄連桿比123.3 連桿承受的載荷123.4 連桿的角位移、角速度、角加速度134 活塞的設計與運動分析154.1 活塞的功用及工作條件154.2 活塞的材料164.3 活塞的主要參數164.4 活塞的運動分析164.4.1 活塞位移164.4.2 活塞的速度174.4.3 活塞的瞬時速度184.

9、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軟件的三維建模215.1 UG軟件介紹215.2 UG軟件的優(yōu)勢及主要功能215.3 三維建模235.3.1 缸體的三維建模235.3.2 活塞的三維建模255.4 零件的裝配265.4.1 裝配的概述265.4.2 活塞與活塞銷的轉配266 運動仿真286.1 運動仿真的簡介286.2 零件裝配圖的運動仿真287 缸體的加工工藝規(guī)程設計317.1 確定毛坯的制造形式317.2 氣缸體的加工工藝特點317.3 基準的選擇317.4 制定工藝路線317.5 加工余量及切削用量的確定328

10、結論與展望368.1 結論368.2 不足之處及展望36致 謝37參考文獻37附 錄38 緒論1.1 本課題研究的科學意義摩托車1誕生至今已有100多年的歷史，而發(fā)動機已成為一種不可或缺的部分。發(fā)動機是一切機器的“心臟”，它直接影響著摩托車的運行狀況。發(fā)動機是一種能夠把其它形式的能轉化為另一種能的機器，通常是把化學能轉化為機械能。發(fā)動機既適用于動力發(fā)生裝置，也可指包括動力裝置的整個機器（如：汽油發(fā)動機、航空發(fā)動機）。摩托車發(fā)動機的技術要求高，維修相對復雜，且直接影響摩托車的耗油量、排放指標、速度、安全性能等。所以，發(fā)動機的性能指標、品質、成本以及可靠性等，都對摩托車的發(fā)展起著至關重要的影響。所

11、以對發(fā)動機的研究具有很大的科學意義，發(fā)動機研究的成功將對發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展產生巨大的影響。1.2 發(fā)動機的發(fā)展史及國內外的發(fā)展概況回顧發(fā)動機1產生和發(fā)展的歷史，它經歷了蒸汽機、外燃機和內燃機三個發(fā)展階段。外燃機外燃機，就是說它的燃料在發(fā)動機的外部燃燒，1816年由蘇格蘭的R.斯特林所發(fā)明，故又稱斯特林發(fā)動機。發(fā)動機將這種燃燒產生的熱能轉化成動能，瓦特改良的蒸汽機就是一種典型的外燃機，當大量的煤燃燒產生熱能把水加熱成大量的水蒸汽時，高壓便產生了，然后這種高壓又推動機械做功，從而完成了熱能向動能的轉變。內燃機明白了什么是外燃機，也就知道了什么是內燃機。這種發(fā)動機與外燃機的最大不同之處就是在于發(fā)動機的

12、燃料在發(fā)動機的內部燃燒。一般情況在地面上使用的多是外燃機，在空中使用的多是內燃機。當然有些汽車制造者出于創(chuàng)造世界汽車車速新紀錄的目的，也在汽車上裝用過噴氣式發(fā)動機，但這總是很特殊的例子，并不存在批量生產的適用性。燃氣輪機此外還有燃氣輪機，這種發(fā)動機的工作特點：是燃燒產生高壓燃氣，利用燃氣的高壓推動燃氣輪機的葉片旋轉，從而輸出動力。燃氣輪機使用范圍很廣，但由于很難精細地調節(jié)輸出的功率，所以汽車和摩托車很少使用燃氣輪機，只有部分賽車裝用過燃氣輪機。自1885年德國戴姆勒發(fā)明制造出世界上第一輛以汽油發(fā)動機為動力的摩托車以來，摩托車的發(fā)展已經歷了100多年的滄桑巨變，原始摩托車，現存于德國慕尼黑科學技

13、術博物館的真實造型，是德國人戴姆勒于1885年8月29日獲得專利發(fā)明優(yōu)先權的世界上第一輛摩托車。1930年以后，隨著科學技術的飛快發(fā)展，對于摩托車的生產開始采用后懸掛避凝震系統(tǒng)、機械式點火系統(tǒng)、鼓式機械制動裝置、鏈條傳動等，使摩托車又攀上了新臺階。1936，美國美國哈利公司已經能夠產生更高水平的摩托車，該車采用1000ml，OHV，27.93kw雙缸發(fā)動機，最大速度可以達到150公里/小時。大排量豪華摩托車擁有先進的汽車技術轉移到摩托車，摩托車在一個研究達到完美的境界。摩托車的發(fā)展已進入第四階段，高峰期。隨著技術的不斷改進，現在的摩托車的發(fā)展已進入高峰期，特別是在國外2。1951年8月以后，中

14、國開始正式自行試制、生產摩托車，中國人民解放軍北京汽車制配六廠在當時成功的完成了幾輛重型軍用摩托車的試制任務，中央軍委把這種摩托車命名為井岡山牌摩托車。井岡山牌摩托車的問世標志著中國摩托車從此開辟了新紀元。近十年來，我國由于引進了大量的生產設備和工藝技術，從而使發(fā)動機的工藝制造水平有了較大的提高，除此之外在測試設備方面也較多地使用計算機自動控制系統(tǒng)。我國摩托車發(fā)動機的主要零部件如氣缸、氣缸頭、磁電機、起動電機、離合器、空濾器、消聲器、機油泵、變速齒輪、進排氣閥等，在近幾年來基本上實現了專業(yè)化大批量生產，質量相對較好。但技術含量高的零部件與進口件相比，還有一定的差距。這些零部件，不但質量不穩(wěn)定且

15、可靠性差，嚴重制約了發(fā)動機的質量指標的提高。1.3 本課題的主要內容本文設計的主要內容有缸體、連桿、活塞的設計以及缸體的加工工藝規(guī)程的設計。對于缸體的設計主要是通過缸體的結構設計、材料的選擇、參數設計來完成，連桿的設計主要是通過連桿的位移、結構來完成，活塞的設計主要是通過活塞的參數設計及運動分析來完成，缸體的加工工藝規(guī)程主要是通過制定工藝路線和切削用量來完成。此外，本文還基于UG軟件對缸體、活塞等零件進行三維建模、裝配，并對裝配圖進行運動仿真分析。2 氣缸體的設計 氣缸體的作用除形成氣缸工作容積外，還具有作活塞運動導向，其圓柱形空腔稱為氣缸。氣缸與氣缸蓋、活塞形成工作循環(huán)的空間。發(fā)動機工作時，

16、在氣體燃燒壓力和缸壁內外溫差的作用下，氣缸體受到相當大的熱應力和機械應力。此外，活塞組對氣缸的側壓力和滑動摩擦，使氣缸體發(fā)生磨損。氣缸體的設計要求有： 1）要有足夠的強度，以承受高溫下的熱應力和機械應力。并且要確保有足夠的剛度來保證氣缸體在任何情況下都盡可能的不發(fā)生變形。 2）要有很好的抗耐磨性，可以在內表面有一定的磨紋和貯油間隙，從而可以保證可靠的潤滑性能。 3)要制造簡單，維修方便，價格低廉。2.1 氣缸體的結構設計氣缸體3采用單體式，曲軸箱設計成隧道式，使曲軸箱保持有一定的剛度。氣缸體的結構為壓入式氣缸體，氣缸套為合金鑄鐵制造，壓入到鋁合金氣缸中，鑄鐵氣缸套具有較高的耐磨性，鋁合金散熱片

17、有較好的散熱效果。 氣缸體壁的結構設計成凹形，頂部和下部較厚、中間較薄。因為氣缸蓋上的一部分熱量需要通過氣缸上部傳遞出去，為了更好地傳熱，將氣缸上部做得厚一些，同時，作支承也減少了此處的應力集中。氣缸蓋與氣缸體的接觸面積約為活塞頂面積的3540。在下部與曲軸箱支承的地方，為了提高強度，避免應力集中，用大的圓弧逐漸加厚支承凸緣。散熱片沿氣缸軸線方向的布置要從最佳散熱狀態(tài)出發(fā)，上端應盡可能接近氣缸蓋底平面開始布置，這樣可使氣缸蓋的一部分熱量通過氣缸體上的散熱片傳向外界；而下端散熱片布置到活塞在下止點時活塞環(huán)所在的位置，以保證活塞環(huán)有效的冷卻。散熱片沿氣缸軸線布置的長度約占氣缸長度的4555。氣缸體

18、與氣缸蓋和曲軸箱之間采用長螺栓直接連接。螺栓要用柔性螺栓，螺栓的布置應盡可能均勻，每個螺栓所負擔的壓緊面積盡可能相等，并靠近氣缸外壁。2.2 氣缸體材料的選擇由于氣缸壁表面經常與高溫高壓燃氣接觸，活塞在氣缸內作高速運動（最高速度可達100km/s）并施加側壓力，以及氣缸壁與活塞環(huán)外圓之間反復摩擦，而其潤滑條件較差，所以氣缸體必須耐高溫、耐高壓、耐腐蝕，還應具有足夠的剛度和強度。在現實生活中，一般老式的發(fā)動機用的材料為鑄鐵，新型發(fā)動機用的是鋁合金，鋁合金在性能方面要比鑄鐵要好很多，所以本文設計的氣缸體采用的材料為鋁合金。鋁合金重量比較輕，并且能夠提高氣缸體散熱能力。如圖2.1所示為鋁合金和鑄鐵氣

19、缸在輸出功率方面的比較。 圖2.1 鋁合金與鑄鐵氣缸輸出功率 此外為提高其耐磨性，對氣缸體內表面進行一些處理。有很多種鋁合金都比較適合于氣缸體，含Si量比較低的亞共晶鋁合金，其耐熱性，耐磨性，剛性及強度很不理想，但為了改善其性能，我們可以利用材料強化法及表面改性法進行處理。亞共晶4或共晶系的鋁合金為了提高其耐磨性要進行電鍍、噴鍍等表面處理技術。我國鋁合金氣缸通過鍍硬鉻以提高耐磨性已有不短的歷史，一般鍍鉻層為3080um,硬度800以上。有些國家通過復合鍍，在Ni基體分散上SiC(Ni-SiC)以提高其耐磨性。有的公司在化學沉積NiP層上分散上SiC與BN以提高耐磨性與耐粘著性?，F在我國廣泛使用

20、的是ADC12鋁合金，此種合金一般采用高壓鑄造法。而日本開發(fā)利用現有設備的高壓鑄造過共晶鋁合金法來鑄造氣缸體。2.3 氣缸體參數設計 2.3.1 氣缸直徑氣缸直徑指的是氣缸的缸筒內徑的值，一般有兩個系列，正常的情況下，設計時選擇的是第一系列進行的。其內徑就是活塞的外徑相當，但是較外徑大一些。氣缸的內徑與活塞相配合，是發(fā)動機的重要參數，許多主要的尺寸如曲柄銷直徑、氣門直徑、活塞結構參數等，都要根據氣缸直徑來選取。參數設計：氣缸直徑已標準化，其直徑值按一個優(yōu)先系列合一個常用系列來選取。因此本文摩托車缸徑為已知條件：D=56mm。 2.3.2 氣缸形狀的設計當發(fā)動機工作時，活塞會在氣缸內做快速往復的

21、運動，從而產生動力，此時活塞與氣缸套產生劇烈的摩擦，從而產生大量的熱能，所以在設計氣缸的形狀時要充分考慮到這一點，所以在設計氣缸的形狀時不能把氣缸設計成一個實體，這樣就不符合科學實際。本文設計中缸體的基本尺寸是長，寬，高，拔模角。如圖2.3是本文所設計的形狀。 圖2.3 缸體形狀本文在氣缸的周圍設計了一些散熱片，并且散熱片之間有一定的距離，這樣就方面于散熱。在缸體周圍的散熱片厚度，散熱片間的間距。氣缸凸出來，氣缸壁厚。同時為了便于氣缸與氣墊、氣缸蓋等零件的連接，在氣缸上有一定的螺栓孔，便于連接。 2.3.3 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總容積上止點和下止點之間的氣缸容積，稱為氣缸工作容積（也

22、稱為總排量），如圖2.4所示。氣缸工作容積與氣缸直徑的平方、活塞沖程的大小成正比。氣缸直徑越大、工作容積越大、發(fā)動機的功率也就增大。 圖2.4 氣缸燃燒室容積與工作室容積 （a）燃燒室容積 （b）工作室容積氣缸工作容積計算公式容積為： (2.1) 式中： 氣缸工作容積(ml); D 氣缸直徑（mm）; S 活塞行程（mm）； N 氣缸數目。這里所設計的氣缸為單氣缸，所以N=1。參數設計：因為設計要求的是單缸發(fā)動機的排氣量=150ml，那么活塞行程為： (2.2) 本文所設計的氣缸長度為138mm，能夠滿足活塞的運動行程。 同時我們又知道活塞行程s=2r。其中r為曲軸半徑，所以： 2.3.4 壓

23、縮比氣缸總容積與燃燒室容積的比值，稱為壓縮比。壓縮比表示活塞由下止點到上止點時，可燃混合氣在氣缸內被壓縮多少倍?；钊幱谙轮裹c時氣缸有最大容積，用Va表示；活塞處于上止點時氣缸內的容積稱為燃燒室容積，用Vc表示。壓縮比為： (2.3)為幾何壓縮比，它表示活塞從下止點移動到上止點時氣缸內氣體被壓縮的程度?；钊挥谙轮裹c時進氣門或進、排氣口尚未關閉，故有時須用有效壓縮比的概念。指內燃機進、排氣門(口)開始全部關閉瞬時的氣缸容積與氣缸壓縮容積之比。凡未經特別指明的壓縮比均指幾何壓縮比。壓縮比對內燃機性能有多方面的影響。壓縮比越高，熱效率越高，但隨壓縮比的增高，熱效率增長幅度越來越小。壓縮比增高使壓縮

24、壓力、最高燃燒壓力均升高，故使內燃機機械效率下降。汽油機壓縮比過高容易產生爆震。發(fā)動機壓縮比過低會使壓縮終點溫度變低，影響冷起動性能。壓縮比能使內燃機排氣中有害成分（如NOX、烴類、CO等）的含量發(fā)生變化。本文在此處設計的壓縮比為 。 2.3.5 氣缸工作內壓力與氣缸總推力氣缸工作內壓力是一個變量，隨作功行程的開始，數值急劇下降。高質量的氣缸在跳火燃燒的瞬間，內壓力可達35MPa。一般情況下，壓縮比越大，氣缸的內壓力就越大。氣缸總推力是指一個周期內氣缸對外實際作功量。氣缸總推力的計算分為兩種情況。1、系統(tǒng)運動時，氣缸總推力等于氣壓乘以活塞面積，實際中還要考慮效率系數，一般是0.3。計算公式為：

25、 (2.4) 式中：F氣功總推力（N）； 氣缸效率；一般0.3； P氣缸工作內壓力（MPa）； D 氣缸直徑（mm）。 由前面我們已經知道，氣缸的內壓力在35MPa，在這里我們取中間值，所以P取4 MPa。因此：(取=3.14)2.4 氣缸蓋 氣缸蓋用來封閉氣缸并構成燃燒室。氣缸蓋用螺柱與氣缸體曲軸箱或氣缸體固連在一起。為了增加密封性，氣缸體和氣缸蓋之間加有氣缸襯墊。氣缸蓋在內燃機屬于配氣機構，主要是用來封閉氣缸上部，構成燃燒室，并做為凸輪軸和搖臂軸還有進排氣管的支撐，主要是把空氣吸到氣缸內部，火花塞把可燃混合氣體點燃帶動活塞做功，廢氣從排氣管排出。氣缸蓋是一個負荷嚴重而結構又十分復雜的重要機

26、件。要求其有足夠的強度、良好的耐熱性；同時材料還應具有良好的澆鑄工藝性。氣缸蓋的結構應有足夠的剛性。觸火面形狀應符合圖紙要求。有足夠圓弧過度且光潔完整。受壓面和各種道腔應分別符合規(guī)定的壓力試驗要求，各安裝座孔尺寸、形狀都應符合精度要求。 氣缸蓋主要是通過螺栓與缸體連接，當普通螺栓連接承受橫向載荷時，由于預緊力的作用，將在接合面間產生摩擦力來抵抗工作載荷。這時，螺栓僅承受預緊力的作用，而且預緊力不受工作載荷的影響，在連接承受工作載荷后仍保持不變。所以下面主要討論氣缸蓋螺栓連接靜強度以及螺栓的疲勞強度。氣缸蓋螺栓連接靜強度計算公式如下5： （2.5）式中為螺栓所受的預緊力，單位為N。對螺栓的疲勞強

27、度進行精確校核5： （2.6） （2.7） （2.8） （2.9） 式中：螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限，Mpa； 試件受循環(huán)彎曲應力時的材料常數，其值由試驗及下式決定： （2.10） 根據試驗，對碳鋼0.10.2，對合金鋼0.20.3；拉壓疲勞強度綜合影響系數； S安全系數； 零件的疲勞極限； 最大應力； 應力幅。參數設計：由于有密封性，根據去中間值法，在此處取。在前面已經計算出,所以：則 （2.11）材料選用10.9級的合金鋼，根據機械設計第八版表5-8 螺栓、螺釘和螺柱的性能等級取，靜載荷時，所以： （2.12） 由公式（2.5）得：則 變載荷時：對于合金鋼螺栓， 取 查機械設計第八版附

28、表3-6得，,。本文取由公式（2.6）得：則 2.5 燃燒室 燃燒室6的作用在于：通過進氣門吸入混合氣體加以壓縮、燃燒之后，再通過排氣門將燃燒過的氣體排出，燃燒室的形狀極其重要，是決定發(fā)動機各種性能的重要因素之一。發(fā)動機的主要性能，如動力性、燃油經濟性、排氣的成分等，都與燃燒室的形狀有關。按照燃燒室的形狀，可以把燃燒室分成以下幾種類型。浴盆形燃燒室：形狀簡單，容易布置火花塞。楔形燃燒室：對汽油的辛烷值要求較低，容易實現高壓縮比。半球形燃燒室：進排氣口的形狀平滑，但是火花塞的布置收到制約。多球形燃燒室：和半球形燃燒室相比，火花塞的布置比較容易，而且可以布置多氣門。屋脊形燃燒室：很容易布置多氣門，

29、適用于高性能發(fā)動機。 本章有關計算結果如表2-1所示。表2-1 氣缸相關參數的計算結果 名稱 尺寸和數值 單位 氣缸直徑 56 mm 活塞行程S 61 mm 曲軸半徑 30.5 mm 氣缸總推力 3 KN 氣缸工作內壓力 4 3 連桿的設計 連桿的作用是將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿一般情況下選用中碳合金鋼或中碳鋼，當然除此之外也可采用低碳合金鋼模鍛成形，并且進行機加工。 連桿大頭有剖分式和整體式兩種。整體式連桿倒頭相應的曲軸采用組合式曲軸，用軸承與曲柄銷相連。連桿大頭的

30、內孔表面有很高的關潔度，以便與連桿軸瓦（或滾針軸承）緊密結合。摩托車單缸汽油機一般采用整體式連桿，大、小頭內分別裝有滾柱或滾針軸承。3.1 連桿的組成 如圖3.1所示，連桿由小頭、大頭和桿身組成6，通常由非調質碳素鋼、鉻鋼、鉻鉬鋼鍛造或粉末冶金鑄造而成。小頭分為兩種，一種是直接壓入活塞銷：另一種是壓入襯套，且在小頭頂部或桿身上設有油孔。此外也可在大頭設有噴油孔，向缸套或活塞噴油，進行潤滑和冷卻。此時噴油孔口處要加厚或倒角，避免引起應力集中。 圖3.1 連桿各部位名稱 大頭的尺寸取決于連桿軸頸的尺寸。通常大頭由孔中心線水平切開，裝入半圓形滑動軸承，大頭內攻有內螺紋，用高強度螺釘連接。大頭為了準確

31、定位，通常在螺栓上設有定位銷或在螺栓上增加定位結構。最近，為了提高生產性和定位精度，也采用了斷口定位法，將大頭分割，取消定位銷。另外有的出于組裝需要，不分割大頭，采用滾針軸承。通常，由大頭的兩個側面和曲柄臂來確定連桿的推力方向。設計連桿時，首先根據活塞、活塞銷、曲軸等確定小頭和大頭的孔徑、寬度和長度。然后根據負荷分析各處強度，最后確定其他尺寸。 3.1.1 小頭活塞及活塞銷的慣性力、活塞銷及襯套等壓入時的圓周方向應力等作用于小頭部位。爆發(fā)力作用于下部。先求出這些負荷，然后再確定形狀，以保證足夠強度。 3.1.2 桿身爆發(fā)力引起的壓縮力、慣性力引起的拉伸力、擺動引起中心周圍的彎矩等作用于連桿桿身

32、。拉伸力和壓縮力的最大值發(fā)生在上死點附近，彎矩的最大值發(fā)生在擺角最大時。 3.1.3 大頭 為了減少對軸承產生的不良影響，必須對殼體剛性、安裝螺釘用锪孔處的強度、分割位置的開口負荷和螺釘強度進行仔細分析。要提高開口負荷，主要是提高螺釘分擔負荷，將螺栓做的盡量小，用盡可能大的軸向力連接。3.2 曲柄連桿比曲柄連桿比是指曲柄半徑與連桿長度之比，簡稱為連桿比，用表示。由下式定義： （3.1）式中：曲柄半徑，即曲柄銷中心到曲軸中心之間的距離； 連桿長度，即連桿大小頭軸線之間的距離。連桿比不僅影響曲柄連桿機構的運動特性，而且影響發(fā)動機的外形尺寸。值越大，連桿越矩，發(fā)動機的總高度（立式發(fā)動機）或總寬度（臥

33、式發(fā)動機）越小。對于V形發(fā)動機，其總高度和總寬度都會減少。連桿過矩時易導致活塞在運動過程中與曲柄相碰。因此一般情況下現代摩托車發(fā)動機的連桿比，盡可能地采用矩連桿。參數設計： 取，那么連桿長度：3.3 連桿承受的載荷連桿承受的載荷主要是氣壓力和往復慣性力產生的交變載荷。其基本載荷是壓縮或拉伸。對于四行程發(fā)動機，最大拉伸載荷出現在進氣行程開始的上止點附近，其數值主要是活塞組和連桿計算斷面以上那部分連桿質量的往復慣性力，即： （3.2） 式中： 分別為活塞組和連桿計算斷面以上那部分的質量。 最大壓縮載荷出現在膨脹行程開始的上止點附近，其數值是最大爆發(fā)壓力產生的推力減上述的慣性力，即： （3.3） 式

34、中：最大爆發(fā)壓力產生的推力。3.4 連桿的角位移、角速度、角加速度對于活塞7中心線通過曲軸中心線的如圖3.2所示的曲柄連桿機構，曲柄半徑r與連桿長度的比值如前面公式（3.1）所示。 圖3.2 曲柄連桿機構 則 （3.4）于是可以得到連桿的角位移 當 時，連桿角位移有最大值（取絕對值），即： 連桿的角速度: （3.5）當時，連桿角速度為最大值： 因為 所以 rad/s 當為90和270時，連桿角速度為0。連桿的角加速度： （3.6）當和時，.8rad/s。當和時，連桿的角加速度為0。4 活塞的設計與運動分析 活塞構成燃燒室的一部分?；钊ㄟ^往復運動將燃燒壓力轉換為旋轉能量。在摩托車發(fā)動機中，活塞

35、是第一個將燃料爆發(fā)力向外傳遞的零件，所以它也是第一個承受燃燒室內高壓高溫強烈沖擊的零件。然而當發(fā)動機無限接近于滿負荷工作時，頭部中心溫度將超過300，裙部的工作溫度也有150-180。鑒于活塞工作的特殊性，要求活塞具有較高的結構強度和剛度，能承受高溫高壓，同時有較高的耐磨性、抗腐蝕性，在高溫下膨脹系數小、重量輕等。因此，摩托車發(fā)動機上的活塞材料通常采用密度小、導熱性能好的高硅鋁合金鑄造。本文設計的活塞如圖4.1所示。 圖4.1 活塞的剖視圖4.1 活塞的功用及工作條件活塞是曲柄連桿機構的重要零件媒介，主要作用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉對外做功。

36、此外，活塞又是燃燒室的組成部分?；钊莾热紮C中工作條件最嚴酷的零件。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內燃機的最高燃燒壓力可達1416MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時側壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復慣性力和側壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側部磨損等。由此可見，活塞應有足夠的強度和剛度，而且質量要輕。此外，活塞的運動速度和工作溫度高，潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。要求應具有良好的減摩性或采取特殊的表面處理。4.2 活塞的材料現代內燃機廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導熱性好（比鑄鐵大3-4倍），密度小

37、（約為鑄鐵的1/3）。因此鋁合金活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對改善工作條件減少熱應力延緩機油變質有利。目前所使用的鋁合金中都加入適當的硅，所以在本文設計中活塞材料采用密度小、導熱性能好的高硅鋁合金鑄造。此外，為了提高高硅鋁合金活塞的強度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對活塞進行淬火和時效處理。4.3 活塞的主要參數活塞缸徑為。壓縮高度為。頂岸（第一環(huán)槽至活塞頂端距離）。采用三道環(huán)(其中兩道氣環(huán)，一道油環(huán))。根據表4-1金屬的線性膨脹系數可知鋁的線性膨脹系數為23.2，單位1/。表4-1 金屬的線性膨脹系數 金屬名稱 元素符號 線性熱膨脹系數 鈹 Be 12.3 銅 Cu 17.5 鉻

38、Cr 6.2 錳 Mn 23.0 鎳 Ni 13.0 銀 Ag 19.5 鋁 Al 23.2 鐵 Fe 12.2 金 Au 14.2 鎂 Mg 26.04.4 活塞的運動分析 4.4.1 活塞位移 對于活塞7中心線過曲軸中心線的曲柄連桿機構（如前面圖3.2所示），活塞的行程，根據活塞的運動規(guī)律，計算出活塞的位置隨曲軸轉角的變化規(guī)律。 活塞的位移為： （4.1）式中：為曲柄半徑和連桿長度比，前面已經知道； 為曲軸半徑，。最大位移量為： （4.2）由三角函數的性質得 由牛頓二項式，可將展開，則 圖4.2 活塞速度曲線 在實際計算中取前兩項已足夠精確。則活塞的位移可寫成： 位移X隨角度的變化關系可以

39、用圖像表示如圖4.2所示。由圖像和公式都可以看出，曲軸轉角從和時活塞的位移值，比從和時活塞的位移值大，而且值越大，其差值也越大。 4.4.2 活塞的速度 活塞速度的精確數值為： （4.3） 對活塞的速度也可以進行近似計算，其近似值由對位移的近似計算式微分得到： （4.4）因此，活塞速度是兩個速度分量之和，可以看成是由和兩個簡諧部分組成。其圖像如圖4.3所示。圖4.3 活塞位移與曲線的轉角關系 4.4.3 活塞的瞬時速度根據活塞的位移規(guī)律，對曲軸轉角求導得到活塞的瞬時速度V隨曲軸轉角的變化規(guī)律： （4.5） 4.4.4 活塞的最高速度當時，此時活塞速度等于曲柄銷中心的圓周速度。但是這并不是活塞的

40、最高速度?；钊谧罡咚俣葧r的曲柄轉角可以用v對微分求極值的方式求得：可以得到：解此方程得： （4.6） 因為時是不合理的，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現在偏向上止點一側。不同的值其最大速度時的值也不同，值越大活塞速度的最大值也越大，相應的曲軸轉角也偏向上止點一側。 4.4.5 活塞的平均速度活塞的平均速度是壓縮機的最重要的結構參數之一，它直接反應了往復運動零件的高速性。曲柄旋轉一周時活塞的速度不斷發(fā)生變化，時快時慢，時正時負。0180時v為正值；180360時v為負值；0、180、360時v0； 90、270時?；钊骄俣鹊?/p>

41、表達式為： （4.7）式中：S活塞行程； n發(fā)動機轉速，本文n=3000 r/min； T曲軸轉動一周所需要的時間?；钊钠骄俣入m然只能粗略地估計活塞運動的快慢，但它是表征發(fā)動機性能指標的重要參數。它從一個方面反映樂發(fā)動機的強化程度，同時也在一定程度上放映樂活塞和氣功之間相互摩擦的強烈程度。隨著活塞平均速度的提高，活塞和氣功磨損加劇。參數設計：活塞平均速度有公式（4.7）得： 4.4.6 活塞的加速度、最大加速度根據活塞的瞬時速度規(guī)律，對曲軸轉角求導得到活塞的加速度j隨曲軸轉角的變化規(guī)律為： （4.8） （4.9）從公式（4.8）和公式（4.9）中，我們可以得到活塞的加速度也可以看作是兩個簡

42、諧運動之和，如圖4.4所示。 圖4.4 活塞加速度曲線活塞的加速度極值： 活塞加速度的極值是指活塞的最大正加速度和最大負加速度，由下式求得： 由此公式可以知道 或 若，則或，從而相應的加速度為： （4.10）若，則，相應的加速度為：所以活塞的最大加速度（取絕對值）為： 5 基于UG軟件的三維建模5.1 UG軟件介紹UG10（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段。Unigraphics NX針對用戶的虛擬產品設計和工藝設計的需求，提供了經過實踐驗證的方案形式。UG同時也是用戶

43、指南（user guide）和普遍語法（Universal Grammer）的縮寫；在DOTA中也被稱為幽鬼。如今制造業(yè)面臨諸多的挑戰(zhàn)，我們只有通過開發(fā)產品技術創(chuàng)新，要完成成本的持續(xù)縮減以及收入和利潤的逐漸增加。多年來，美國通用汽車公司實施目前全球最大的虛擬產品開發(fā)項目一直都是UGS在支持，同時Unigraphics也是日本著名汽車零部件制造商的計算機應用標準，并在全球汽車行業(yè)得到了很大的應用。另外，UGS公司在航空領域也有很好的的表現：在美國的航空業(yè)，安裝了超過一萬套UG軟件，并且UG軟件的利用率也比較高；在北美汽輪機市場，UG軟件同樣占有80%之高的市場；除此之外在俄羅斯航空業(yè)，UG軟件同

44、樣具有很高的市場，市場占有率達到90%以上。在其他領域，比如說在發(fā)動機行業(yè)，UGS也占有領先地位，擁有如Pratt & Whitney和GE 噴氣發(fā)動機公司這樣的知名客戶。5.2 UG軟件的優(yōu)勢及主要功能優(yōu)勢：UG軟件是當今世界上在制造業(yè)上最先進的、最全面的高端軟件?，F在社會中UG軟件被很多世界領先的制造商用來從事各個領域。當然UG軟件更多的是用于汽車和航空方面。主要功能：工業(yè)設計產品設計仿真、確認和優(yōu)化NC加工模具設計開發(fā)解決方案 105.3 三維建模 5.3.1 缸體的三維建模 通過UG軟件的命令建立缸體的基本外形11-12，具體如圖5.1所示。圖5.1 缸體外形因為活塞在氣缸內作往復運動

45、時會產生大量的熱，所以缸體必須具有很好的散熱效果，所以缸體的散熱片的設計很重要。在UG軟件中，我們可以先選擇或創(chuàng)立正確的基準面。運用命令創(chuàng)立基準平面，然后再基準平面上繪制草圖，繪制完草圖后退出草圖并進行拉伸。最后結果如圖5.2所示。圖5.2 散熱片的建模 缸體在工作時必須被固定，所以在設計缸體時要設計固定裝置。利用UG軟件的草圖、拉伸、鏡像等命令。結果如圖5.3所示。圖5.3 固定裝置 氣缸的建模，直徑，貫通于整個零件。以上所有步驟最終結果如圖5.4所示。 圖5.4 缸體 5.3.2 活塞的三維建?；钊淖饔镁褪窃跉飧變茸魍鶑瓦\動，從而壓縮燃料提供動力，所以活塞要能夠與氣缸緊密配合，在本文活塞的最大外徑D=56mm，如圖5.5所示。 圖5.5 活塞外形活塞內部要通過活塞銷與連桿相連接，從而連桿在曲軸的帶動下使活塞作運動。所以在設計時要使活塞的內部能夠與連桿相配合，并且要設計銷孔，以便于連接。如圖5.6所示。 圖5.6 銷孔5.4 零件的裝配 5.4.1 裝配的概述裝配13是根據規(guī)定的技術要求將零件或部件進行配合和連接，使之成為半成品