精品論文125摩托車發(fā)動機汽缸設計

1、課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞摘 要畢業(yè)設計是機械設計課程重要的綜合性與實踐性教學環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設計可綜合運用機械設計課程和其他先修課程的知識，分析和解決機械設計問題，進一步鞏固、加深和拓寬所學的知識。作為機械類工科學生，完成了此項教學環(huán)節(jié)，也就為完成本科學業(yè)及將來的畢業(yè)設計奠定了良好的基礎。傳統的畢業(yè)設計題目常選用通用機械的傳動裝置，例如以齒輪減速器為主體的機械傳動裝置。其主要內容包括：傳動裝置的總體設計；傳動零件、軸、軸承、聯軸器等的設計計算和選擇；裝配圖和零件圖設計；編寫設計計算說明書。現選擇以摩托車發(fā)動機傳動和變速部分為主的新設計課題，設計方法采用常規(guī)手段與微機輔助相結合。該新題目

2、較經典課題更具復雜性和體現時代氣息，涉及的機構及零部件增多，所覆蓋的知識面更廣泛，結構設計難度加大，設計時要求學生綜合考慮諸多因素，自己分析和解決問題，可以幫助學生樹立正確的設計思想，增強創(chuàng)新意識和競爭意識。關鍵詞：摩托車發(fā)動機；分析和解決問題；設計；abstract curriculum design is important mechanical design courses integrated with practice teaching, through courses designed to make comprehensive use of mechanical design c

3、ourses and other courses of the pre-knowledge. analyze and solve mechanical design issues and further strengthen, deepen and broaden the knowledge learned. as a mechanical engineering students, completed the teaching aspect of it for the completion of undergraduate studies and graduated from the des

4、ign of the future laid a good foundation.the traditional curriculum design often choose topics of general machinery drives, such as gear reducer for the main mechanical gear. its main contents include: transmission of the overall design; transmission parts, axle, bearings, couplings, such as computi

5、ng and the design of choice; assembly and parts map design; design calculations prepared statement. now choose to motorcycle engine and transmission speed of the main topics of the new design, using conventional design methods and means of combining computer-assisted. the new title is more complex t

6、han the classic issues of the times and the atmosphere, the bodies and parts increased by more extensive coverage of knowledge, difficult to design the structure, designed for students considered many factors, analyze and solve their own problems, can help students to establish the correct design id

7、eas, strengthen their sense of innovation and the sense of competition.key words: motorcycle engine, analysis and problem-solving; design;目 錄設計任務書 3引言5原理部分61 發(fā)動機工作原理 61.1 發(fā)動機性能術語與參數 61.2 四沖程汽油發(fā)動機的工作原理 81.3 二沖程發(fā)動機工作原理10摩托車發(fā)動機結構與設計部分121 發(fā)動機機體 121.1 汽缸直徑131.2 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總容積131.3 壓縮比141.4 氣缸工作內壓力、氣缸

8、總推力141.5 氣功蓋151.6 燃燒室162 曲柄連桿機構的受力分析與平衡172.1 曲柄連桿比172.2 曲柄連桿機構運動學172.3 連桿的角位移、角速度、角加速度183 活塞運動分析 193.1 活塞位移 193.2 活塞速度分析 203.3 活塞的加速度 223.4 熱力強度 234 活塞組244.1 活塞 244.2 氣環(huán) 284.3 油環(huán) 314.4 活塞銷 325 連桿、曲軸組345.1 連桿 345.1.1連桿承受的載荷345.1.2連桿小頭的安全系數355.1.3連桿大頭的強度驗算365.2曲軸銷的設計385.3 曲軸 385.3.1 組合式曲軸 39設計小結 44附圖4

9、6參考文獻 49機械零件畢業(yè)設計任務書 題目：設計南方nf125摩托車發(fā)動機汽缸部件a、技術參數和原始數據沖程缸數冷卻方式總排氣量壓縮比面積*行程最大功率/相應轉速kw/（r/min）最大扭矩/相應轉速kw/（r/min）燃油消耗率工作阻力241風冷100 124ml6：1s()h(mm)/n/nml/kw.h1.3mpb、設計參數系列參數 組數s()h(mm)最大功率/相應轉速kw/（r/min）最大扭矩/相應轉速kw/（r/min）燃油消耗率156 507.5/75009.5/6000410268 608.8/750010.8/6000420380 6510/860011.5/600065

10、0c、設計參數代號（組數）組合選定沖程數4 冷卻方式：風冷 總排量 180ml 壓縮比6：1 工作阻力1.3mpad、畢業(yè)設計基本要求1、全面了解南方nf125型摩托車基本結構、原理、性能，現場測繪發(fā)動機汽缸部件，所得數據設計依據或參考。2、 了解二沖程、四沖程發(fā)動機汽缸工作原理，著重分析變速、原理、結構、零件材料、機加工及熱處理工藝。3、分析該發(fā)動機汽缸部件的運動、動力分析，確定其極限狀態(tài)。4、按所選技術參數，設計發(fā)動機汽缸部件結構（1） 按有關理論、資料進行計算、校核，確定結構參數。如：曲軸、連桿、活塞、汽缸等零部件之間的布局。（2） 繪制發(fā)動機汽缸體部件裝配圖一張。要求用零號圖紙。圖形、

11、尺寸標注、技術要求、明細表、字體等必須符合國家標準gb4457.(14)-84,gb4458.(14)-84及其它相關標準。（3） 繪制關鍵零件工作（零件）圖兩張，用二號或三號圖紙。要求視圖布局合理，表達準確無誤且符合國家標準。（4） 按機械零件畢業(yè)設計指導書要求，完成一萬字幅的設計說明書一份。要求格式正確，字跡工整清晰，一律用碳素墨水書寫。 （5） 零件圖可用微機繪制，零號裝配圖一律用手工繪制。引 言畢業(yè)設計是機械設計課程重要的綜合性與實踐性教學環(huán)節(jié)，用時2.5周，是一門獨立的考查課程。通過畢業(yè)設計可綜合運用機械設計課程和其他先修課程的知識，分析和解決機械設計問題，進一步鞏固、加深和拓寬所學

12、的知識。作為機械類工科學生，完成了此項教學環(huán)節(jié)，也就為完成本科學業(yè)及將來的畢業(yè)設計奠定了良好的基礎。傳統的畢業(yè)設計題目常選用通用機械的傳動裝置，例如以齒輪減速器為主體的機械傳動裝置。其主要內容包括：傳動裝置的總體設計；傳動零件、軸、軸承、聯軸器等的設計計算和選擇；裝配圖和零件圖設計；編寫設計計算說明書。近幾年來，通過與兄弟院校的交流與探討，經過反復論證和可行性分析，結合本地區(qū)特點，選擇以摩托車發(fā)動機傳動和變速部分為主的新設計課題，設計方法采用常規(guī)手段與微機輔助相結合。題目和教學方法的改革有如下一些特點：1.新題目較經典課題更具復雜性和體現時代氣息，涉及的機構及零部件增多，所覆蓋的知識面更廣泛，

13、結構設計難度加大，設計時要求學生綜合考慮諸多因素，自己分析和解決問題，可以幫助學生樹立正確的設計思想，增強創(chuàng)新意識和競爭意識。2.熟悉掌握機械設計的一般規(guī)律，提高分析問題和解決問題的能力。同時通過計算、給圖，進一步熟悉和運用技術標準、規(guī)范、設計手冊等有關設計資料，進行全面的機械設計基本技能的訓練，為畢業(yè)設計打下良好的基礎。3.設計過程能理論聯系實際，學生們對新穎實用的內容更感興趣，可充分調動學生的積極性和主觀能動性。發(fā)動機工作原理1.1 發(fā)動機性能術語與參數1、汽缸汽缸內孔直徑(簡稱缸徑)用符號d表示，單位為2上止點、下止點(1)止點活塞在汽缸內作往復運動的兩個極限位置，稱為止點。(2)上止點

14、活塞離曲軸旋轉中心的最遠位置(3)下止點活塞離曲軸旋轉中心的最近位置3沖程上止點和下止點間的距離(簡稱沖程)用符號s表示，單位為mm。s2r式中 r曲柄半徑(即由曲軸旋轉中心至曲柄銷中心的距離)。4汽缸工作容積活塞在汽缸內由上止點移動至下止點所掃過的空間容積，稱為汽缸工作容積，vh表示，單位為ml。若為多缸發(fā)動機，則汽缸工作容積為各缸工作容積之和，用符號vh表示，單位為ml。vh=ivh 式中 i汽缸數。5燃燒室容積活塞位于上止點時，活塞上方由活塞、汽缸蓋所圍成的空間容積，稱為燃燒室容積。用符號vc表示，單位為ml。6氣缸容積活塞位于下止點時活塞上方的全部空間容積，稱為汽缸總容積。用符號vn表

15、示，單位為ml。vavh+vc7壓縮比汽缸總容積與燃燒室容積的比值，稱為壓縮比。用符導表示。8工作循環(huán)發(fā)動機在連續(xù)運轉、對外輸出功率時，要不斷重復地進(掃)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣，這一工作過程稱為工作循環(huán)。9發(fā)動機功率發(fā)動機運轉時，曲軸實際對外輸出的功率，稱為發(fā)動機功率，也稱為有效功率。用符號pe表示，單位為kw。；式中pe發(fā)動機曲軸輸出扔矩，n·m。n發(fā)動機曲軸相應轉速，rmin 發(fā)動機銘牌上標明的功率值，稱為標定功率。 10有效燃油消耗率(俗稱比油耗) 發(fā)動機單位有效功在1小時內的耗油量稱為有效燃油消耗率。用符號ge表示,單位為gkw*h。式中 gb單位時間的耗油量，gs 。1

16、1升功率 發(fā)動機在標定工況下，每升汽缸工作容積所發(fā)出的有效功率，稱為升功率。用符號nl表示，單位為kwl。升功率是評定發(fā)動機動力性能與強化程度的重要指標。式中 標定功率，kw。發(fā)動機油門(或節(jié)氣門)保持一定開度，其扔矩、功率隨轉速變化而變化的曲線稱為速度特性曲線。油門(或節(jié)氣門)全開時的速度特性曲線，稱為外特性曲線(曲線1)，曲線2、3為油門(或節(jié)氣門)部分開度時的速度特性曲線。 功率pe外特性曲線i：由功率的計算公式可知，功率pe與me*n。成正比。當轉速m從很低的數值增加時，me增加，因而pe迅速增大，直至mmax點。繼續(xù)提高n，me雖有些降低，但me·n的乘積是增大的，因此pe

17、仍繼續(xù)增大，但增加得不如前一段那樣快。在m增至np時，me*n值最大，因此pe達到最大值(pemax)。此后，由于me急速下降，使me*n減小，因而pe曲線發(fā)生轉折，pe顯著下降，ge顯著增加。通常，摩托車發(fā)動機的標定功率為(0.80.9)pmax，相應的轉速n作為標定轉速。1.2 四沖程汽油發(fā)動機的工作原理在闡述四沖程汽油發(fā)動機的工作原理之前，先來介紹什么叫活塞的上止點、下止點和活塞沖程:活塞在汽缸內作往復運動的兩個極限位置，稱為止點?；钊\動到離曲軸旋轉中心最遠時的位置稱為上止點，如圖1-2-1（a）所示；活塞運動到離曲軸旋轉中心最近時的位置成為下止點，如圖1-2-1（b）所示。上止點和下

18、止點之間的距離，稱為活塞沖程，以s表示。曲軸轉一周，活塞要走兩個沖程。四沖程汽油發(fā)動機的工作原理是：曲軸旋轉兩周，活塞往復移動兩次，完成進氣、壓縮、燃燒、排氣四個工作圖1-2-1 上止點和下止點（a）活塞上止點 （b）活塞下止點過程，如圖1-2-2所示。（1） 進氣沖程：進氣沖程開始時，活塞在上止點，燃燒室內充滿了前一工作循環(huán)所殘留的廢氣。當活塞由上止點向下止點移動時，燃燒室的容積變大，形成真空度，同時通過齒輪帶動凸輪旋轉，使凸輪的凸起部分頂開進氣門。燃油通過化油器與空氣混合形成可燃混合氣進入氣缸【圖1-2-2（a）】。（2） 壓縮沖程：活塞自下止點向上止點移動【圖1-2-2（b）】，此時凸輪

19、的凸起部分已經轉了過去，進氣門關閉。由于凸輪只轉過1/4周，所以排氣門仍關閉著。隨著活塞向上移動，燃燒室容積減少，可燃混合氣被壓縮。當活塞到達上止點時，燃燒室中的可燃混合氣壓力為0.60.9mpa，溫度升到300左右，壓縮沖程完成。 圖1-2-2 四行程汽油機發(fā)動機的工作原理（a）進氣沖程； （b）壓縮沖程； （c）燃燒沖程； （d）排氣沖程 (3) 燃燒沖程：在壓縮沖程接近上止點時【圖1-2-2（c）】，燃燒室中的可燃混合氣被火花塞發(fā)生的電火花點燃，可燃混合氣迅速爆發(fā)燃燒，氣體壓力急劇升高，達到3.04.5mpa,溫度高達2000左右?；钊艿礁邏簹怏w的推動，由上止點向下止點運動，通過連桿帶

20、動曲軸旋轉做功。此時，進、排氣門均關閉。（4） 排氣沖程：由于飛輪的慣性，使曲軸連續(xù)轉動，帶動活塞由下止點向上止點移動【圖1-2-2（d）】。這時，凸輪頂開排氣門，廢氣通過排氣門排出，直到活塞運動到上止點為止，完成了一個工作循環(huán)。 從四沖程汽油發(fā)動機的工作原理中可知，在全部四個沖程中，進、排氣門開啟和關閉一次，曲軸旋轉兩周（720°），活塞往復運動各兩次。在所有4個沖程中，只有第三沖程（燃燒沖程）是做功沖程，其余都是輔助沖程。發(fā)動機的運轉，首先需要有外力將曲軸轉動，以便進行進氣和壓縮。當可燃混合氣爆發(fā)燃燒推動活塞做功后，由于曲軸和飛輪的慣性，其他兩個沖程才得以繼續(xù)進行。1.3 二沖程

21、發(fā)動機工作原理活塞連續(xù)運行兩個沖程(即曲軸旋轉一周)完成一個工作循環(huán)的內燃機，稱為二沖程發(fā)動機。 下面以一種利用密封的曲軸室作為掃氣泵的單缸二沖程汽油機為例，對照其工作原理圖1-3-1和示功圖1-3-2來介紹它的基本工作過程。圖1-3-1 單缸二沖程汽油機工作原理圖1火花塞 2燃燒室 3汽缸 4排氣口 5掃氣口 6進氣閥 7進氣口 8曲軸箱第一沖程輔助沖程輔助沖程是活塞自下止點向上止點移動，事先已充人活塞上方汽缸內的可燃混合氣被壓縮，同時，來自化油器的新鮮可燃混合氣又被吸人活塞下方密封的曲柄室內的過程。如圖1-2-2(a)所示，當輔助沖程開始時，活塞位于下止點(d點)，汽缸內己充入可燃混合氣和

22、上一工作循環(huán)未排凈的殘余廢氣。曲軸旋轉通過連桿帶動活塞向上止點移動，活塞首先關閉掃氣口(a點)，結束曲軸箱向汽缸內的掃氣。緊接著活塞關閉排氣口(“點)，結束汽缸內殘余廢氣和極少量可燃混合氣的排出，將封閉在汽缸內的混合氣壓縮，其壓力和溫度隨之升高，在活塞接近上止點(c點)時，火花塞發(fā)出的火花點燃被壓縮的混合氣，從而完成壓縮過程。 如圖1-2-2(a)所示，在壓縮過程進行的同時，活塞下方密封的曲軸箱容積逐漸擴大，從而形成真空度，在外界大氣壓的作用下，新鮮的可燃 圖1-3-2 單缸二沖程汽油機示功圖混合氣使自化油器被吸人曲軸箱，進行著進氣過程。 在示功圖1-3-2上，曲線dha。段表示部分換氣過程；

23、曲線ac段表示壓縮過程；曲線dhac段表示輔助沖程。 第二沖程做功(燃燒膨脹)沖程 做功沖程是活塞自上止點向下止點移動，活塞下方進行著可燃混合氣預壓的過程。 如圖1-2-2(b)所示，當做功沖程開始時，活塞位于上止點(c點)，燃燒室內可燃混合氣燃燒，汽缸內的高溫高壓燃氣推動著活塞向下止點移動做功，活塞對曲軸箱內的可燃混合氣進行預先壓縮?；钊谙滦羞^程中，首先開啟排氣口(6點)，開始排出廢氣(這時的排氣稱為先期排氣)，如圖1-2-2(c)所示。緊接著活塞開啟掃氣口(點)，曲軸搞內已被預先壓縮的可燃混合氣被導人汽缸上部，即開始進行掃氣，如圖1-2-2(d)所示，此時，掃氣和排氣兩個過程是重疊進行的

24、。 在示功圖1-3-2上曲線cz段表示燃燒過程；曲線zb段表示膨脹(做功)過程；曲線bf表示先期排氣過程；曲線bfd段表示部分換氣過程；二沖程沒有單軸的進、排氣沖程，其換氣(排氣和掃氣)是在下止點前后進行的，即在bfdha段完成的。 做功沖程結束時，活塞又回到下止點。至此，單缸二沖程汽油機只經歷了活塞往復各一次共兩個沖程，完成了進氣和掃氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣等過程，完成一個工作循環(huán)。在示功圖1-3-2上表示為封閉曲線dhaczbfd。 同單缸四沖程汽油機一樣，單缸二沖程汽油機做功沖程結束后，曲軸依靠飛輪的慣性作用繼續(xù)旋轉，上述各個過程又依次重復進行，使單缸二沖程汽油機能連續(xù)地對外輸出功率。摩

25、托車發(fā)動機結構與設計1 發(fā)動機機體氣缸體氣缸體的作用除形成氣缸工作容積外，還用作活塞運動導向，其圓柱形空腔稱為氣缸。由于氣缸壁表面經常與高溫高壓燃氣接觸，活塞在汽缸內作高速運動（最高速度可達100km/s）并施加側壓力，以及氣缸壁與活塞環(huán)幾活塞外圓表面之間反復摩擦，而其潤滑條件由較差，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。氣缸體的材料一般用優(yōu)質灰鑄鐵，為了提高氣缸的耐磨性，可以在鑄鐵中加入少量的合金元素，如鎳、鉻、鉬、磷、硼等。汽缸內壁按二級精度珩磨加工，其工作表面有較高的關潔度，并且形狀和尺寸精度也都比較高。為了保證氣缸壁表面能在高溫下正常工作，必須對汽缸體和氣缸蓋

26、隨時加以冷卻。發(fā)動機有風冷和水冷兩種。用風冷卻時，在汽缸體和氣缸蓋外表面鑄有許多散熱片，易增大冷卻面積，保證散熱充分。用水冷卻時在汽缸體內制有水套。1.1 氣缸直徑 氣缸直徑是指氣缸內徑，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。因此根據有關資料可確定氣缸的直徑為： d=68mm1.2 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（也稱為總排量）（圖1.2.1）。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

27、缸直徑越大、工作容積越大、發(fā)動機的功率也就相應地增大。氣缸工作容積的計算公式為 (1.2-1)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。圖1.2.1 氣缸燃燒室容積和工作室容積（a）燃燒室容積 （b）工作室容積參數設計： 因設計要求的是單缸發(fā)動機的排氣量為180ml，那么其活塞行程為： 同時活塞行程s =2r；r為曲軸半徑 那么：1.3 壓縮比 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。此處壓縮比=6：1。1.4 氣缸工作內壓力、氣缸總推力氣缸工作內壓力是一個變量，隨作功行程的開

28、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。氣缸總推力是指一個周期內氣缸對外實際作功量。其計算式為： (1.4-1)式中：f氣功總推力（n）; 氣缸效率；一般30;氣缸工作內壓力（mpa）； d 氣缸直徑（mm）。 參數設計： 氣功工作內壓力： 1.5 氣功蓋氣功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。氣缸蓋的作用主要是封閉氣缸上部，并與活塞頂部和氣缸壁共同形成燃燒室。燃燒室有很多種形式，不同形式的燃燒室氣功蓋的結構又有所不同。四行程頂置氣門發(fā)動機的氣缸蓋上有進、排氣門座及氣門導管，并設有進氣道和排氣道，裝有進、排氣管

29、等。對氣缸蓋螺栓連接靜強度計算： (1.5-1)對螺栓的疲勞強度進行精確校核： (1.5-2) (1.5-3) (1.5-4) (1.5-5)式中：螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限。 試件的材料特性，即循環(huán)應力中平均應力的折算系數，對于合金鋼為0.20.3 拉壓疲勞強度綜合影響系數 安全系數參數設計：由于有密封性，=1.51.8f，此處可取則材料可選10.9級的合金鋼，查表得：，靜載荷時，s=1.5,所以則 變載荷時：對于合金鋼螺栓， 取 查表得：，。取則 ,即，所以 可取d=8.5mm 1.6 燃燒室燃燒室的種類較多，有鍥形、盆形、菱形、半球形等燃燒室。半球形燃燒室結構呈半球形，比起鍥形、盆形

30、燃燒室更為緊湊，面容比最小。因進、排氣門分別置于氣缸軸線的兩側，故其配氣機構比較復雜。但有利于促進燃料的完全燃燒和減少排氣中的有害成分，對提高經濟性和排氣凈化有利。有關計算結果： 表1名稱尺寸或數值單位氣缸直徑d68mm活塞行程s50mm燃燒室體積vc36ml曲軸半徑r25mm氣功工作內壓力f4.358kn氣缸的材料：質灰鑄鐵2 曲柄連桿機構的受力分析與平衡2.1 曲柄連桿比曲柄連桿臂時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 (2.1-1)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

31、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1/4； 那么連桿長度： l r/= 25.5/(1/4) =102 mm2.2 曲柄連桿機構運動學曲柄連桿機構運動學是研究曲柄連桿機構各主要零件的運動規(guī)律，分析其作用力和力矩及發(fā)動機的平衡和曲軸的扭轉振動的一門科學。在計算時，曲軸的轉動可以近似看成等速轉動，這是因為高速發(fā)動機在穩(wěn)定工況下工作時，由于扭轉的不均勻性而引起的曲軸旋轉角速度的變化不大

32、。曲軸的角速度可以寫為 式中：n曲軸轉速，。 曲柄銷中心的切向速度和向心加速度分別為： (2.2-1) (2.2-2)式中：r曲軸半徑，m。在討論連桿、活塞的運動規(guī)律時，不用時間t表達，而是用曲軸轉角，并且規(guī)定：將活塞處于上止點位置所對應的曲軸位置作為曲軸轉角的起點（即0），因而，活塞的速度、加速度的方向朝著曲軸中心線方向為正，背離曲軸中心線方向為負。參數設計：曲柄的角速度： 曲柄銷中心的切向速度和向心加速度分別為： 2.3 連桿的角位移、角速度、角加速度 對于活塞中心線通過曲軸中心線的曲柄連桿機構（圖2.3.1）。曲柄半徑r與連桿長度l的比值：r/l則 sin sin (2.3-1)于是可得

33、到連桿的角位移 當90°和270°時連桿的角位移為最大，即 圖2.3.1曲柄連桿機構 arcsin（1/4）=14.48 rad/s連桿擺動的角速度 當為0°和180°時，連桿角速度為最大值，rad/s當為90°和270°時，連桿角速度為0。連桿擺動的角加速度當和時，159270.8rad/當和時，連桿的角加速度為0。3 活塞運動分析3.1 活塞位移對于活塞中心線過曲軸中心線的曲柄連桿機構（圖2.3.1）。活塞的行程s2r，活塞的位移 (3.1-1)最大位移量： mm 由牛頓二項式，可將展開，則 圖3.1.2 活塞速度曲線圖3.1.1

34、 活塞位移與曲軸轉角的關系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隨和的變化關系可以用圖像表示（圖3.1.2）.由圖像和公式都可以看出：曲軸轉角從0°和90°時活塞的位移值，比從90°和180°時活塞的位移值大，而且值越大，其差值也越大。3.2 活塞速度分析活塞速度的精確數值為 (3.2-1)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： (3.2-2)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3.1.1所示。3.2.1活塞的最大速度 當90°時vr，此時活塞速度等于曲柄

35、銷中心的圓周速度。但這并不是活塞的最大速度?；钊谧畲笏俣葧r的曲柄轉角可以用對微分求極值的方式求得： 即解此方程得： (3.2.1-1)因為時不合理的，所以方程的合理根只能取 (3.2.1-2) (3.2.1-3)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。3.2.2活塞平均速度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。0°180°時v為正值；180°360°時v為負值；0&

36、#176;、180°、360°時v0°；90°、270°時vr。 活塞的平均速度 式中：s活塞行程； n發(fā)動機轉速； t曲軸轉動一周所需的時間。 活塞的平均速度雖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： 圖3.2.2.1 活塞加速度曲線3.3 活塞的加速度活塞加速度的精確值由下式求出 (3.3-1) 活塞加速度的近似值由下式求出 (3.3-2)因此活塞加速度

37、也可以看作是兩個簡諧運動之和，如圖3.2.2.1所示。3.3.1活塞加速度的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： 或 若 ，0°或 180°相應的加速度為 或 (3.3.1-1)若 則 ，相應的加速度為： 參數設計： 活塞最大正加速度 3.4 熱力強度材料受熱時會產生變形，如果變形受到限制就會在材料中產生熱應力。在熱負載的反復作用下，熱應力會使材料受到疲勞破壞。比如一旦發(fā)動機氣缸蓋的溫度分布不均勻將產生很大的熱應力，就容易導致其產生裂紋。熱力強度是指材料抵抗熱疲勞破壞的能力。各種材料在受熱變形受到限制時產生的熱應力大小可用熱應力特性（）表示

38、，其中材料的熱膨脹系數，e為彈性模量，為導熱系數。為了比較材料的熱力強度，用材料的拉伸強度與（）相比得到熱力強度系數。熱應力特性（）愈小，熱應力愈小，熱力強度系數愈大，熱力強度愈大。由此可見：材料的導熱性愈好，膨脹系數愈小，高溫疲勞強度愈搞.有關計算結果 表3名稱尺寸或數值單位連桿長度l100mm曲柄的角速度785rad/s曲柄銷中心的切向速度vt19.625m/s曲柄銷中心的切向加速度an15406×103m/s2活塞最大位移量xmax50mm活塞平均速度12.5m/s活塞最大正加速度11.554×103m/s2連桿材料： 45號鋼。4 活塞組4.1 活塞1頂部；2頭部；

39、3裙部；4環(huán)岸；5環(huán)槽；6銷座；7加強筋；8卡環(huán)槽；9泄油孔及泄油槽圖4.1.1 活塞活塞一般呈圓柱形，其結構如圖4.1.1所示?；钊c氣缸為間隙配合，自阿氣缸內作往復運動，其主要作用式承受氣缸中的氣體壓力所造成的作用力，并將這些力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉；活塞頂部還與氣缸壁、氣缸蓋共同組成燃燒室。由于活塞頂部直接與高溫高壓燃氣接觸，燃氣的最高溫度可達2500k，因此活塞的溫度很高，頂部中心的溫度可達600700k。高溫一方面使活塞材料的機械強度顯著下降（在600k溫度下約下降50%）,另一方面還會使活塞的熱膨脹量增大，影響活塞與相關零件的配合。活塞頂部在作功行程時承受這燃氣帶沖擊性

40、的壓力。對于汽油機活塞，瞬時最大壓力值高達35mpa。對于柴油機瞬時最大壓力值可達69mpa,采用增壓時則更高。高壓導致活塞的側壓力大，引起活塞變形，加速或活塞外表面的磨損。活塞在氣功中作高速往復運動，其承受的氣壓力和慣性力呈周期性變化，因此活塞的不同部位分別受到交變的拉伸、壓縮或彎曲載荷；并且由于活塞的溫度各部位極不均勻，使活塞的內部產生一定的熱應力。所以要求活塞的質量盡可能小，熱膨脹導熱性能好和耐磨。目前廣泛采用的活塞材料使共晶硅鋁合金。4.1.1活塞的壓縮高度活塞頂面至活塞銷中心之間的距離稱為活塞的壓縮高度，如圖4.1中的h1 。現代摩托車發(fā)動機活塞的壓縮高度希望取較小的值，以減少活塞的

41、尺寸和重量。要減少活塞的壓縮高度應從兩方面入手；一要降低火力的高度；二要減少活塞環(huán)的數量和厚度。一般情況下，四行程發(fā)動機活塞的壓縮高度取h1 0.450.57d。4.1.2火力岸高度第一道活塞環(huán)槽的上邊至活塞頂面的距離稱為活塞的火力岸高度，如圖4.1中的h4 。圖4.1 活塞結構尺寸示意圖減少h4會增強第一道環(huán)的導熱能力，從而可以降低活塞頂部的溫度，防止爆燃。一般來說，火力岸高度的大少要根據試驗后確定。4.1.3環(huán)帶高度第一道環(huán)的上邊至最后一道環(huán)下邊之間的距離稱為環(huán)帶高度，如圖4.1中的h3。減少環(huán)帶高度也就減少了活塞的壓縮高度，從而減少了活塞的慣性力和摩擦損失，這對提高發(fā)動機的功率和使用壽命

42、很有好處。減少環(huán)帶高度必須減少活塞環(huán)數或減少活塞環(huán)的厚度及環(huán)岸高度b?，F代四行程發(fā)動機一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。氣環(huán)的厚度一般為0.81.5mm。環(huán)岸要求有足夠的強度，使其在最大氣壓下不致被損壞。第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1 一般為1.52.5c（c指環(huán)槽高度），第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為12c。4.1.4環(huán)岸的強度校核在爆發(fā)壓力作用下，第一道氣環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。第一環(huán)岸的受力情況如圖4.1.4所示，在p1、p2合力的作用下，環(huán)根產生很大的彎曲和剪切應力，擋這些應力超過材料的強度極限時，環(huán)岸就會產生斷裂。圖4.1.4 第一環(huán)岸的受力情況由試驗可知；當p10.9pmax，p20.2pmax時，可以把

43、環(huán)岸看成一個厚度為b、內外圓直徑為d和d的圓環(huán)形板，并沿內圓柱面固定。然后把環(huán)岸看成簡單的懸臂梁進行估算。pmax為最大爆發(fā)壓力。設d=0.9d,作用在環(huán)岸根的應力為： （4.1.4-1） 式中：活塞環(huán)槽深。環(huán)岸根部危險斷面的抗彎斷面系數的近似值為 （4.1.4-2）環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應力為 （4.1.4-3）環(huán)岸根部危險斷面的剪切應力 為 （4.1.4-4）合應力 考慮倒鋁合金活塞在高溫下的強度下降及岸根的應力集中，其許應力取參數計算：環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應力為環(huán)岸根部危險斷面的剪切應力 為 合應力符合要求。有關活塞的尺寸設計結果： 表4.1名稱數值單位壓縮高度取h1 34mm環(huán)帶

44、高度h39.8mm火力岸高度h44.5mm總高度55mm壁厚4mm內圓直徑d61mm外圓直徑d67mm第一道環(huán)的環(huán)岸高度b13.5mm第二道環(huán)的環(huán)岸高度b22mm第一道環(huán)槽高度c11.4mm第二道環(huán)槽高度c21.4mm第三道環(huán)槽高度c31.5mm活塞的材料： 高硅鋁合金見附圖一4.2 氣環(huán)氣環(huán)安裝在氣缸頭部的活塞環(huán)槽中。其作用使保證活塞與氣缸壁之間的密封，防止氣缸中的高溫高壓燃氣大量漏入曲軸箱；另外，活塞頂部的熱量大部分右氣環(huán)傳給氣缸壁，再由冷卻水或空氣帶走。在氣環(huán)所起的密封和導熱兩大作用中，主要是密封作用。因為密封好，說明氣環(huán)與氣缸壁貼河緊密，導熱自然會好。如果氣環(huán)的密封性不好，高溫燃氣將直

45、接從氣環(huán)與氣缸壁之間的縫隙中漏入曲軸箱，活塞環(huán)直接與漏出的高溫高壓燃氣接觸。此時不但由于氣環(huán)與氣缸壁結合不嚴不能很好地導熱，相反使氣環(huán)地吸熱量增加，最后必將導致活塞河活塞環(huán)被燒壞。活塞環(huán)地厚度在保證強度河可靠性地情況下越薄越好，薄的活塞環(huán)有利于減少活塞的壓縮高度，有利于減輕活塞重量；降低活塞環(huán)于氣缸之間的摩擦損失；遏制活塞環(huán)的振動。目前廣泛采用的活塞環(huán)材料使合金鑄鐵（在優(yōu)質灰鑄鐵中加入銅、鉻、鉬等合金元素）。隨著發(fā)動機的強化，活塞環(huán)特別使第一環(huán)，承受著很大的沖擊載荷河熱負荷，因此要求活塞材料除了耐熱、耐磨以外，還應有高的強度和沖擊韌性?，F代摩托車強化發(fā)動機常采用合金彈簧鋼（如60si2cra，

46、其硬度為hrc4555）制造活塞環(huán)。為了提高活塞環(huán)的耐磨性，第一道環(huán)的工作表面常常鍍有多孔性鉻。多孔性鉻層強度高，并能儲存少量機油，可以提高潤滑性能。這種環(huán)的工作壽命比普通環(huán)高23倍。其余氣環(huán)一般鍍錫，以改善其磨合性。此處還可以用噴鉬來提高活塞環(huán)的耐磨性。4.2.1氣環(huán)的工作狀態(tài) 活塞環(huán)裝入后與活塞環(huán)槽的上端面或下端面之間留有一定的間隙，這個間隙稱為活塞環(huán)的邊隙；活塞環(huán)與活塞環(huán)的底部也留有一定的間隙，稱為背隙，以防止活塞環(huán)受熱膨脹而卡死在活塞環(huán)槽中。第一道的邊隙一般為0.020.1mm，第二道環(huán)的邊隙一般為0.020.08mm?；钊h(huán)隨活塞在氣缸中作往復運動時，活塞環(huán)在活塞槽中的位置并不是固定

47、的。在進氣行程中活塞環(huán)向下移動，由于氣環(huán)與氣缸壁之間的摩擦阻力及活塞環(huán)本身的運動慣性，活塞環(huán)與活塞槽的上端面接觸；在壓縮行程和排氣行程中活塞和活塞環(huán)（指第一道環(huán)）有高溫高壓燃氣推動向下移動，使之和壓縮行程一樣，活塞環(huán)與活塞環(huán)槽的下端面接觸。4.2.2氣環(huán)的類型 氣環(huán)的類型比較多，有矩形斷面氣環(huán)、扭曲環(huán)、錐面環(huán)、梯形環(huán)、桶面環(huán)、l形環(huán)、組合式氣環(huán)。4.2.3活塞環(huán)的高度活塞環(huán)的高度即活塞環(huán)的軸向尺寸?；钊h(huán)的高度b增大，環(huán)的導熱性能提高，但也會增大環(huán)的質量，是慣性力增大，從而，一方面是環(huán)撞擊活塞環(huán)槽的力加大核摩擦面加大；另一方面導致活塞環(huán)處在懸浮狀態(tài)的時間延長（相對曲軸轉角），造成漏氣量增加。因

48、此，活塞環(huán)高度有減少的趨勢。國內摩托車氣環(huán)的高度一般為b12.5mm.4.2.4自由端距自由端距是指活塞環(huán)在自由狀態(tài)時活塞環(huán)開口兩端頭之間的距離，用s。表示。根據前述，可知：s。與徑向壓力p。、環(huán)的徑向厚度t、材料的彈性模數e有關。當材料選定以后，材料的彈性模數e就定下來了，只要適當選擇t核s。就可以。s。增大，p。增加，其應力也增加。若s。減少，p。也減少，最大工作應力減少，但套裝應力會增大，因此s。只能在較少的范圍內變動。對于灰鑄鐵活塞環(huán)一般s./d1314（d為氣缸直徑）；對于鋼活塞環(huán)一般為s./d79。4.2.5徑向厚度徑向厚度（用t表示）影響徑向壓力p。的大小，在b、e確定以后，影響

49、彈力的因素有s。和t，即環(huán)的彈力可用s。和t來調整。增加t值可減少環(huán)在環(huán)槽中的撞擊，并改善環(huán)的導熱作用，但t值增大，活塞環(huán)槽的槽深加大，是活塞頭部的壁厚增大，質量加大，并增加了安裝難度。4.2.6開口間隙活塞環(huán)進氣缸以后，在冷態(tài)下應留有一定的開口間隙，以便在正常工作狀態(tài)下兩端頭互部相碰。環(huán)的溫度是變化的，故在日本工業(yè)標準（jid），德國標準（din）和美國汽車工業(yè)標準（sae）中，均規(guī)定在100°c的溫度下來測量活塞環(huán)的開口間隙，其規(guī)定值如下表所示。 有關活塞環(huán)的尺寸設計結構： 表4.2名稱數值單位環(huán)的高度b1.35mm自由端距s。5.4mm徑向厚度t1.3mm開口間隙0.24mm 活塞環(huán)的材料： 60si2cra，其硬度為hrc45554.3 油環(huán)四行程汽油機的潤滑油存放在曲軸箱中，通過飛漲潤滑氣缸壁。由于大量的潤滑油不均勻地飛到氣缸壁上，光靠氣環(huán)還不能式氣缸壁鋪上一層均勻的油膜，同時刮下氣缸壁上多余的機油，防止機油竄入燃燒室，所以四行程發(fā)動機至少設有一道油環(huán)。油環(huán)安裝在氣環(huán)的下方，其作用是在氣缸壁上鋪涂一層均勻的機油膜，潤滑氣缸壁以減少活塞，活塞環(huán)與氣缸壁的磨損和摩擦力；刮除氣缸壁上多余的機油，防止機油竄入氣缸內燃燒，形成積炭。此外，油環(huán)可以起封氣的輔助作用。油環(huán)分普通油環(huán)和組合