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機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目：南方NF--125摩托車(chē)
發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸設(shè)計(jì)
院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
摘 要
畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程重要的綜合性與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程和其他先修課程的知識(shí)，分析和解決機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，進(jìn)一步鞏固、加深和拓寬所學(xué)的知識(shí)。作為機(jī)械類(lèi)工科學(xué)生，完成了此項(xiàng)教學(xué)環(huán)節(jié)，也就為完成本科學(xué)業(yè)及將來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目常選用通用機(jī)械的傳動(dòng)裝置，例如以齒輪減速器為主體的機(jī)械傳動(dòng)裝置。其主要內(nèi)容包括：傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)；傳動(dòng)零件、軸、軸承、聯(lián)軸器等的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇；裝配圖和零件圖設(shè)計(jì)；編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。現(xiàn)選擇以摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和變速部分為主的新設(shè)計(jì)課題，設(shè)計(jì)方法采用常規(guī)手段與微機(jī)輔助相結(jié)合。該新題目較經(jīng)典課題更具復(fù)雜性和體現(xiàn)時(shí)代氣息，涉及的機(jī)構(gòu)及零部件增多，所覆蓋的知識(shí)面更廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度加大，設(shè)計(jì)時(shí)要求學(xué)生綜合考慮諸多因素，自己分析和解決問(wèn)題，可以幫助學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。
關(guān)鍵詞：摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)；分析和解決問(wèn)題；設(shè)計(jì)；
Abstract
Curriculum design is important mechanical design courses integrated with practice teaching, Through courses designed to make comprehensive use of mechanical design courses 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 design 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 computing 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 than 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 ideas, strengthen their sense of innovation and the sense of competition.
Key words: Motorcycle engine, analysis and problem-solving; design;
第4頁(yè) 共4頁(yè)
目 錄
設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) ………………………………………………………………………………3
引言…………………………………………………………………………………………5
原理部分……………………………………………………………………………………6
1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 ……………………………………………………………………6
1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能術(shù)語(yǔ)與參數(shù) ………………………………………………………………6
1.2 四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理 ………………………………………………………8
1.3 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理………………………………………………………………10
摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)部分………………………………………………………12
1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體 …………………………………………………………………………12
1.1 汽缸直徑………………………………………………………………………………13
1.2 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總?cè)莘e…………………………………………13
1.3 壓縮比…………………………………………………………………………………14
1.4 氣缸工作內(nèi)壓力、氣缸總推力………………………………………………………14
1.5 氣功蓋…………………………………………………………………………………15
1.6 燃燒室…………………………………………………………………………………16
2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析與平衡………………………………………………17
2.1 曲柄連桿比……………………………………………………………………………17
2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)…………………………………………………………………17
2.3 連桿的角位移、角速度、角加速度…………………………………………………18
3 活塞運(yùn)動(dòng)分析 ………………………………………………………………………19
3.1 活塞位移 ………………………………………………………………………………19
3.2 活塞速度分析 …………………………………………………………………………20
3.3 活塞的加速度 …………………………………………………………………………22
3.4 熱力強(qiáng)度 ………………………………………………………………………………23
4 活塞組…………………………………………………………………………………24
4.1 活塞 ……………………………………………………………………………………24
4.2 氣環(huán) ……………………………………………………………………………………28
4.3 油環(huán) ……………………………………………………………………………………31
4.4 活塞銷(xiāo) …………………………………………………………………………………32
5 連桿、曲軸組…………………………………………………………………………34
5.1 連桿 ……………………………………………………………………………………34
5.1.1連桿承受的載荷………………………………………………………………………34
5.1.2連桿小頭的安全系數(shù)…………………………………………………………………35
5.1.3連桿大頭的強(qiáng)度驗(yàn)算…………………………………………………………………36
5.2曲軸銷(xiāo)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………38
5.3 曲軸 ……………………………………………………………………………………38
5.3.1 組合式曲軸 …………………………………………………………………………39
設(shè)計(jì)小結(jié) …………………………………………………………………………………44
附圖…………………………………………………………………………………………46
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………49
機(jī)械零件畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
題目：設(shè)計(jì)南方NF—125摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件
a、技術(shù)參數(shù)和原始數(shù)據(jù)
沖程
缸數(shù)
冷卻方式
總排氣量
壓縮比
面積*行程
最大功率/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
最大扭矩/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
燃油消耗率
工作阻力
2
4
1
風(fēng)冷
100 124ml
6：1
S()H(mm)
/n
/n
ml/kw.h
1.3Mp
b、設(shè)計(jì)參數(shù)系列
參數(shù) 組數(shù)
S()
H(mm)
最大功率/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
最大扭矩/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
燃油消耗率
1
56 50
7.5/7500
9.5/6000
410
2
68 60
8.8/7500
10.8/6000
420
3
80 65
10/8600
11.5/6000
650
c、設(shè)計(jì)參數(shù)代號(hào)（組數(shù)）組合選定
沖程數(shù)4 冷卻方式：風(fēng)冷 總排量 180ml 壓縮比6：1 工作阻力1.3Mpa
d、畢業(yè)設(shè)計(jì)基本要求
1、 全面了解南方NF—125型摩托車(chē)基本結(jié)構(gòu)、原理、性能，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件，所得數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)或參考。
2、 了解二沖程、四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸工作原理，著重分析變速、原理、結(jié)構(gòu)、零件材料、機(jī)加工及熱處理工藝。
3、分析該發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析，確定其極限狀態(tài)。
4、按所選技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件結(jié)構(gòu)
（1） 按有關(guān)理論、資料進(jìn)行計(jì)算、校核，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。如：曲軸、連桿、活塞、汽缸等零部件之間的布局。
（2） 繪制發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體部件裝配圖一張。要求用零號(hào)圖紙。圖形、尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求、明細(xì)表、字體等必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4457.(1—4)-84,GB4458.(1—4)-84及其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
4
摘 要
畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程重要的綜合性與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程和其他先修課程的知識(shí)，分析和解決機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，進(jìn)一步鞏固、加深和拓寬所學(xué)的知識(shí)。作為機(jī)械類(lèi)工科學(xué)生，完成了此項(xiàng)教學(xué)環(huán)節(jié)，也就為完成本科學(xué)業(yè)及將來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目常選用通用機(jī)械的傳動(dòng)裝置，例如以齒輪減速器為主體的機(jī)械傳動(dòng)裝置。其主要內(nèi)容包括：傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)；傳動(dòng)零件、軸、軸承、聯(lián)軸器等的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇；裝配圖和零件圖設(shè)計(jì)；編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)?，F(xiàn)選擇以摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和變速部分為主的新設(shè)計(jì)課題，設(shè)計(jì)方法采用常規(guī)手段與微機(jī)輔助相結(jié)合。該新題目較經(jīng)典課題更具復(fù)雜性和體現(xiàn)時(shí)代氣息，涉及的機(jī)構(gòu)及零部件增多，所覆蓋的知識(shí)面更廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度加大，設(shè)計(jì)時(shí)要求學(xué)生綜合考慮諸多因素，自己分析和解決問(wèn)題，可以幫助學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。
關(guān)鍵詞：摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)；分析和解決問(wèn)題；設(shè)計(jì)；
Abstract
Curriculum design is important mechanical design courses integrated with practice teaching, Through courses designed to make comprehensive use of mechanical design courses 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 design 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 computing 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 than 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 ideas, strengthen their sense of innovation and the sense of competition.
Key words: Motorcycle engine, analysis and problem-solving; design;
第50頁(yè) 共50頁(yè)
目 錄
設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) ………………………………………………………………………………3
引言…………………………………………………………………………………………5
原理部分……………………………………………………………………………………6
1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 ……………………………………………………………………6
1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能術(shù)語(yǔ)與參數(shù) ………………………………………………………………6
1.2 四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理 ………………………………………………………8
1.3 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理………………………………………………………………10
摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)部分………………………………………………………12
1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體 …………………………………………………………………………12
1.1 汽缸直徑………………………………………………………………………………13
1.2 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總?cè)莘e…………………………………………13
1.3 壓縮比…………………………………………………………………………………14
1.4 氣缸工作內(nèi)壓力、氣缸總推力………………………………………………………14
1.5 氣功蓋…………………………………………………………………………………15
1.6 燃燒室…………………………………………………………………………………16
2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析與平衡………………………………………………17
2.1 曲柄連桿比……………………………………………………………………………17
2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)…………………………………………………………………17
2.3 連桿的角位移、角速度、角加速度…………………………………………………18
3 活塞運(yùn)動(dòng)分析 ………………………………………………………………………19
3.1 活塞位移 ………………………………………………………………………………19
3.2 活塞速度分析 …………………………………………………………………………20
3.3 活塞的加速度 …………………………………………………………………………22
3.4 熱力強(qiáng)度 ………………………………………………………………………………23
4 活塞組…………………………………………………………………………………24
4.1 活塞 ……………………………………………………………………………………24
4.2 氣環(huán) ……………………………………………………………………………………28
4.3 油環(huán) ……………………………………………………………………………………31
4.4 活塞銷(xiāo) …………………………………………………………………………………32
5 連桿、曲軸組…………………………………………………………………………34
5.1 連桿 ……………………………………………………………………………………34
5.1.1連桿承受的載荷………………………………………………………………………34
5.1.2連桿小頭的安全系數(shù)…………………………………………………………………35
5.1.3連桿大頭的強(qiáng)度驗(yàn)算…………………………………………………………………36
5.2曲軸銷(xiāo)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………38
5.3 曲軸 ……………………………………………………………………………………38
5.3.1 組合式曲軸 …………………………………………………………………………39
設(shè)計(jì)小結(jié) …………………………………………………………………………………44
附圖…………………………………………………………………………………………46
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………49
機(jī)械零件畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
題目：設(shè)計(jì)南方NF—125摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件
a、技術(shù)參數(shù)和原始數(shù)據(jù)
沖程
缸數(shù)
冷卻方式
總排氣量
壓縮比
面積*行程
最大功率/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
最大扭矩/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
燃油消耗率
工作阻力
2
4
1
風(fēng)冷
100 124ml
6：1
S()H(mm)
/n
/n
ml/kw.h
1.3Mp
b、設(shè)計(jì)參數(shù)系列
參數(shù) 組數(shù)
S()
H(mm)
最大功率/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
最大扭矩/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
燃油消耗率
1
56 50
7.5/7500
9.5/6000
410
2
68 60
8.8/7500
10.8/6000
420
3
80 65
10/8600
11.5/6000
650
c、設(shè)計(jì)參數(shù)代號(hào)（組數(shù)）組合選定
沖程數(shù)4 冷卻方式：風(fēng)冷 總排量 180ml 壓縮比6：1 工作阻力1.3Mpa
d、畢業(yè)設(shè)計(jì)基本要求
1、 全面了解南方NF—125型摩托車(chē)基本結(jié)構(gòu)、原理、性能，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件，所得數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)或參考。
2、 了解二沖程、四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸工作原理，著重分析變速、原理、結(jié)構(gòu)、零件材料、機(jī)加工及熱處理工藝。
3、分析該發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析，確定其極限狀態(tài)。
4、按所選技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件結(jié)構(gòu)
（1） 按有關(guān)理論、資料進(jìn)行計(jì)算、校核，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。如：曲軸、連桿、活塞、汽缸等零部件之間的布局。
（2） 繪制發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體部件裝配圖一張。要求用零號(hào)圖紙。圖形、尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求、明細(xì)表、字體等必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4457.(1—4)-84,GB4458.(1—4)-84及其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
（3） 繪制關(guān)鍵零件工作（零件）圖兩張，用二號(hào)或三號(hào)圖紙。要求視圖布局合理，表達(dá)準(zhǔn)確無(wú)誤且符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
（4） 按機(jī)械零件畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)要求，完成一萬(wàn)字幅的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。要求格式正確，字跡工整清晰，一律用
碳素墨水書(shū)寫(xiě)。
（5） 零件圖可用微機(jī)繪制，零號(hào)裝配圖一律用手工繪制。
引 言
畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程重要的綜合性與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，用時(shí)2.5周，是一門(mén)獨(dú)立的考查課程。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程和其他先修課程的知識(shí)，分析和解決機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，進(jìn)一步鞏固、加深和拓寬所學(xué)的知識(shí)。作為機(jī)械類(lèi)工科學(xué)生，完成了此項(xiàng)教學(xué)環(huán)節(jié)，也就為完成本科學(xué)業(yè)及將來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目常選用通用機(jī)械的傳動(dòng)裝置，例如以齒輪減速器為主體的機(jī)械傳動(dòng)裝置。其主要內(nèi)容包括：傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)；傳動(dòng)零件、軸、軸承、聯(lián)軸器等的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇；裝配圖和零件圖設(shè)計(jì)；編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。近幾年來(lái)，通過(guò)與兄弟院校的交流與探討，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和可行性分析，結(jié)合本地區(qū)特點(diǎn)，選擇以摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和變速部分為主的新設(shè)計(jì)課題，設(shè)計(jì)方法采用常規(guī)手段與微機(jī)輔助相結(jié)合。題目和教學(xué)方法的改革有如下一些特點(diǎn)：
1.新題目較經(jīng)典課題更具復(fù)雜性和體現(xiàn)時(shí)代氣息，涉及的機(jī)構(gòu)及零部件增多，所覆蓋的知識(shí)面更廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度加大，設(shè)計(jì)時(shí)要求學(xué)生綜合考慮諸多因素，自己分析和解決問(wèn)題，可以幫助學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。
2.熟悉掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。同時(shí)通過(guò)計(jì)算、給圖，進(jìn)一步熟悉和運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)等有關(guān)設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行全面的機(jī)械設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練，為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。
3.設(shè)計(jì)過(guò)程能理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生們對(duì)新穎實(shí)用的內(nèi)容更感興趣，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀(guān)能動(dòng)性。
發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理
1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能術(shù)語(yǔ)與參數(shù)
1、汽缸
汽缸內(nèi)孔直徑(簡(jiǎn)稱(chēng)缸徑)用符號(hào)D表示，單位為
2．上止點(diǎn)、下止點(diǎn)
(1)止點(diǎn)
活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)極限位置，稱(chēng)為止點(diǎn)。
(2)上止點(diǎn)
活塞離曲軸旋轉(zhuǎn)中心的最遠(yuǎn)位置
(3)下止點(diǎn)
活塞離曲軸旋轉(zhuǎn)中心的最近位置
3．沖程
上止點(diǎn)和下止點(diǎn)間的距離(簡(jiǎn)稱(chēng)沖程)用符號(hào)S表示，單位為mm。
S＝2r
式中 r——曲柄半徑(即由曲軸旋轉(zhuǎn)中心至曲柄銷(xiāo)中心的距離)。
4．汽缸工作容積
活塞在汽缸內(nèi)由上止點(diǎn)移動(dòng)至下止點(diǎn)所掃過(guò)的空間容積，稱(chēng)為汽缸工作容積，
Vh表示，單位為ml。
若為多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，則汽缸工作容積為各缸工作容積之和，用符號(hào)v’h表示，單位為ml。
V’h=ivh 式中 i——汽缸數(shù)。
5．燃燒室容積
活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，活塞上方由活塞、汽缸蓋所圍成的空間容積，稱(chēng)為燃燒室容積。用符號(hào)Vc表示，單位為ml。
6．氣缸容積
活塞位于下止點(diǎn)時(shí)．活塞上方的全部空間容積，稱(chēng)為汽缸總?cè)莘e。用符號(hào)Vn表示，單位為ml。
Va＝Vh+Vc
7．壓縮比
汽缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，稱(chēng)為壓縮比。用符導(dǎo)表示。
8．工作循環(huán)
發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、對(duì)外輸出功率時(shí)，要不斷重復(fù)地進(jìn)(掃)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣，這一工作過(guò)程稱(chēng)為工作循環(huán)。
9．發(fā)動(dòng)機(jī)功率
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸實(shí)際對(duì)外輸出的功率，稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，也稱(chēng)為有效功率。用符號(hào)Pe表示，單位為kw。；
式中Pe——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出扔矩，N·M。
n——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相應(yīng)轉(zhuǎn)速，r／min
發(fā)動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明的功率值，稱(chēng)為標(biāo)定功率。
10．有效燃油消耗率(俗稱(chēng)比油耗)
發(fā)動(dòng)機(jī)單位有效功在1小時(shí)內(nèi)的耗油量稱(chēng)為有效燃油消耗率。用符號(hào)ge表示,單位為g／kw*h。
式中 Gb――單位時(shí)間的耗油量，g／s 。
11．升功率
發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況下，每升汽缸工作容積所發(fā)出的有效功率，稱(chēng)為升功率。用符號(hào)Nl表示，單位為kw／L。升功率是評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能與強(qiáng)化程度的重要指標(biāo)。
式中 —標(biāo)定功率，kw。
發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)(或節(jié)氣門(mén))保持一定開(kāi)度，其扔矩、功率隨轉(zhuǎn)速變化而變化的曲線(xiàn)稱(chēng)為速度特性曲線(xiàn)。油門(mén)(或節(jié)氣門(mén))全開(kāi)時(shí)的速度特性曲線(xiàn)，稱(chēng)為外特性曲線(xiàn)(曲線(xiàn)1)，曲線(xiàn)2、3為油門(mén)(或節(jié)氣門(mén))部分開(kāi)度時(shí)的速度特性曲線(xiàn)。
功率Pe外特性曲線(xiàn)I：由功率的計(jì)算公式可知，功率Pe與Me*n。成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速M(fèi)從很低的數(shù)值增加時(shí)，Me增加，因而Pe迅速增大，直至Mmax點(diǎn)。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仍繼續(xù)增大，但增加得不如前一段那樣快。在M增至np時(shí)，Me*n值最大，因此Pe達(dá)到最大值(Pemax)。此后，由于Me急速下降，使Me*n減小，因而Pe曲線(xiàn)發(fā)生轉(zhuǎn)折，Pe顯著下降，ge顯著增加。通常，摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率為(0.8～0.9)Pmax，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n作為標(biāo)定轉(zhuǎn)速。
1.2 四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理
在闡述四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理之前，先來(lái)介紹什么叫活塞的上止點(diǎn)、下止點(diǎn)和活塞沖程:
活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)極限位置，稱(chēng)為止點(diǎn)。活塞運(yùn)動(dòng)到離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)時(shí)的位置稱(chēng)為上止點(diǎn)，如圖1-2-1（a）所示；活塞運(yùn)動(dòng)到離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近時(shí)的位置成為下止點(diǎn)，如圖1-2-1（b）所示。上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間的距離，稱(chēng)為活塞沖程，以S表示。曲軸轉(zhuǎn)一周，活塞要走兩個(gè)沖程。
四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是：曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，活塞往復(fù)移動(dòng)兩次，完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒、排氣四個(gè)工作
圖1-2-1 上止點(diǎn)和下止點(diǎn)
（a）活塞上止點(diǎn) （b）活塞下止點(diǎn)
過(guò)程，如圖1-2-2所示。
（1） 進(jìn)氣沖程：進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí)，活塞在上止點(diǎn)，燃燒室內(nèi)充滿(mǎn)了前一工作循環(huán)所殘留的廢氣。當(dāng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，燃燒室的容積變大，形成真空度，同時(shí)通過(guò)齒輪帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，使凸輪的凸起部分頂開(kāi)進(jìn)氣門(mén)。燃油通過(guò)化油器與空氣混合形成可燃混合氣進(jìn)入氣缸【圖1-2-2（a）】。
（2） 壓縮沖程：活塞自下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)【圖1-2-2（b）】，此時(shí)凸輪的凸起部分已經(jīng)轉(zhuǎn)了過(guò)去，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉。由于凸輪只轉(zhuǎn)過(guò)1/4周，所以排氣門(mén)仍關(guān)閉著。隨著活塞向上移動(dòng)，燃燒室容積減少，可燃混合氣被壓縮。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，燃燒室中的可燃混合氣壓力為0.6~0.9MPa，溫度升到300℃左右，壓縮沖程完成。
圖1-2-2 四行程汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理
（a）進(jìn)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(diǎn)時(shí)【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(diǎn)燃，可燃混合氣迅速爆發(fā)燃燒，氣體壓力急劇升高，達(dá)到3.0~4.5MPa,溫度高達(dá)2000℃左右?；钊艿礁邏簹怏w的推動(dòng)，由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)做功。此時(shí)，進(jìn)、排氣門(mén)均關(guān)閉。
（4） 排氣沖程：由于飛輪的慣性，使曲軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)【圖1-2-2（d）】。這時(shí)，凸輪頂開(kāi)排氣門(mén)，廢氣通過(guò)排氣門(mén)排出，直到活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)為止，完成了一個(gè)工作循環(huán)。
從四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理中可知，在全部四個(gè)沖程中，進(jìn)、排氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉一次，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周（720°），活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)各兩次。在所有4個(gè)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(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，首先需要有外力將曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以便進(jìn)行進(jìn)氣和壓縮。當(dāng)可燃混合氣爆發(fā)燃燒推動(dòng)活塞做功后，由于曲軸和飛輪的慣性，其他兩個(gè)沖程才得以繼續(xù)進(jìn)行。
1.3 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理
活塞連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)沖程(即曲軸旋轉(zhuǎn)一周)完成一個(gè)工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)，稱(chēng)為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。
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(jī)為例，對(duì)照其工作原理圖1-3-1和示功圖1-3-2來(lái)介紹它的基本工作過(guò)程。
圖1-3-1 單缸二沖程汽油機(jī)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(jìn)氣閥 7．進(jìn)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(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)，事先已充人活塞上方汽缸內(nèi)的可燃混合氣被壓縮，同時(shí)，來(lái)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(nèi)的過(guò)程。如圖1-2-2(a)所示，當(dāng)輔助沖程開(kāi)始時(shí)，活塞位于下止點(diǎn)(d點(diǎn))，汽缸內(nèi)己充入可燃混合氣和上一工作循環(huán)未排凈的殘余廢氣。曲軸旋轉(zhuǎn)通過(guò)連桿帶動(dòng)活塞向上止點(diǎn)移動(dòng)，活塞首先關(guān)閉掃氣口(A點(diǎn))，結(jié)束曲軸箱向汽缸內(nèi)的掃氣。緊接著活塞關(guān)閉排氣口(“點(diǎn))，結(jié)束汽缸內(nèi)殘余廢氣和極少量可燃混合氣的排出，將封閉在汽缸內(nèi)的混合氣壓縮，其壓力和溫度隨之升高，在活塞接近上止點(diǎn)(c點(diǎn))時(shí)，火花塞發(fā)出的火花點(diǎn)燃被壓縮的混合氣，從而完成壓縮過(guò)程。
如圖1-2-2(a)所示，在壓縮過(guò)程進(jìn)行的同時(shí)，活塞下方密封的曲軸箱容積逐漸擴(kuò)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(jī)示功圖
混合氣使自化油器被吸人曲軸箱，進(jìn)行著進(jìn)氣過(guò)程。
在示功圖1-3-2上，曲線(xiàn)d—h－a。段表示部分換氣過(guò)程；曲線(xiàn)a—c段表示壓縮過(guò)程；曲線(xiàn)d—h—a—c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(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)，活塞下方進(jìn)行著可燃混合氣預(yù)壓的過(guò)程。
如圖1-2-2(b)所示，當(dāng)做功沖程開(kāi)始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)(c點(diǎn))，燃燒室內(nèi)可燃混合氣燃燒，汽缸內(nèi)的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)著活塞向下止點(diǎn)移動(dòng)做功，活塞對(duì)曲軸箱內(nèi)的可燃混合氣進(jìn)行預(yù)先壓縮?；钊谙滦羞^(guò)程中，首先開(kāi)啟排氣口(6點(diǎn))，開(kāi)始排出廢氣(這時(shí)的排氣稱(chēng)為先期排氣)，如圖1-2-2(c)所示。緊接著活塞開(kāi)啟掃氣口(／點(diǎn))，曲軸搞內(nèi)已被預(yù)先壓縮的可燃混合氣被導(dǎo)人汽缸上部，即開(kāi)始進(jìn)行掃氣，如圖1-2-2(d)所示，此時(shí)，掃氣和排氣兩個(gè)過(guò)程是重疊進(jìn)行的。
在示功圖1-3-2上．曲線(xiàn)c—z段表示燃燒過(guò)程；曲線(xiàn)z—b段表示膨脹(做功)過(guò)程；曲線(xiàn)b—f表示先期排氣過(guò)程；曲線(xiàn)b—f—d段表示部分換氣過(guò)程；二沖程沒(méi)有單軸的進(jìn)、排氣沖程，其換氣(排氣和掃氣)是在下止點(diǎn)前后進(jìn)行的，即在b—f—d—h—a段完成的。
做功沖程結(jié)束時(shí)，活塞又回到下止點(diǎn)。至此，單缸二沖程汽油機(jī)只經(jīng)歷了活塞往復(fù)各一次共兩個(gè)沖程，完成了進(jìn)氣和掃氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣等過(guò)程，完成一個(gè)工作循環(huán)。在示功圖1-3-2上表示為封閉曲線(xiàn)d—h—a—c—z—b—f—d。
同單缸四沖程汽油機(jī)一樣，單缸二沖程汽油機(jī)做功沖程結(jié)束后，曲軸依靠飛輪的慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，上述各個(gè)過(guò)程又依次重復(fù)進(jìn)行，使單缸二沖程汽油機(jī)能連續(xù)地對(duì)外輸出功率。
摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，其圓柱形空腔稱(chēng)為氣缸。
由于氣缸壁表面經(jīng)常與高溫高壓燃?xì)饨佑|，活塞在汽缸內(nèi)作高速運(yùn)動(dòng)（最高速度可達(dá)100km/s）并施加側(cè)壓力，以及氣缸壁與活塞環(huán)幾活塞外圓表面之間反復(fù)摩擦，而其潤(rùn)滑條件由較差，所以氣缸體必須耐高溫、耐高壓、耐腐蝕，還應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。
氣缸體的材料一般用優(yōu)質(zhì)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(nèi)壁按二級(jí)精度珩磨加工，其工作表面有較高的關(guān)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(duì)汽缸體和氣缸蓋隨時(shí)加以冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)有風(fēng)冷和水冷兩種。用風(fēng)冷卻時(shí)，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(shí)在汽缸體內(nèi)制有水套。
1.1 氣缸直徑
氣缸直徑是指氣缸內(nèi)徑，與活塞相配合，是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)，許多主要的尺寸如曲柄銷(xiāo)直徑、氣門(mén)直徑、活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)等，都要根據(jù)氣缸直徑來(lái)選取。
參數(shù)設(shè)計(jì)：
氣缸直徑已標(biāo)準(zhǔn)化，其直徑值按一個(gè)優(yōu)先系列合一個(gè)常用系列來(lái)選取。因此根據(jù)有關(guān)資料可確定氣缸的直徑為： D=68mm
1.2 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總?cè)莘e
上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間的氣缸容積，稱(chēng)為氣缸工作容積（也稱(chēng)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。氣缸直徑越大、工作容積越大、發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也就相應(yīng)地增大。
氣缸工作容積的計(jì)算公式為
(1.2-1)
式中：——?dú)飧坠ぷ魅莘e(ml);
D—— 氣缸直徑（mm）;
S —— 活塞行程（mm;）
N —— 氣缸數(shù)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(shù)設(shè)計(jì)：
因設(shè)計(jì)要求的是單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣量
為180ml，那么其活塞行程為：
同時(shí)活塞行程S =2r；r為曲軸半徑
那么：
1.3 壓縮比
氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，稱(chēng)為壓縮比。壓縮比表示活塞由下止點(diǎn)到上止點(diǎn)時(shí)，可燃混合氣在氣缸內(nèi)被壓縮多少倍。此處壓縮比=6：1。
1.4 氣缸工作內(nèi)壓力、氣缸總推力
氣缸工作內(nèi)壓力是一個(gè)變量，隨作功行程的開(kāi)始，數(shù)值急劇下降。高質(zhì)量的氣缸在跳火燃燒的瞬間，內(nèi)壓力可達(dá)3～5MPa。
氣缸總推力是指一個(gè)周期內(nèi)氣缸對(duì)外實(shí)際作功量。其計(jì)算式為：
(1.4-1)
式中：F——?dú)夤偼屏Γ∟）;
——?dú)飧仔剩灰话悖?0％;——?dú)飧坠ぷ鲀?nèi)壓力（MPa）；
D ——?dú)飧字睆剑╩m）。
參數(shù)設(shè)計(jì)：
氣功工作內(nèi)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(jié)構(gòu)又有所不同。
四行程頂置氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋上有進(jìn)、排氣門(mén)座及氣門(mén)導(dǎo)管，并設(shè)有進(jìn)氣道和排氣道，裝有進(jìn)、排氣管等。對(duì)氣缸蓋螺栓連接靜強(qiáng)度計(jì)算：
(1.5-1)
對(duì)螺栓的疲勞強(qiáng)度進(jìn)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(duì)稱(chēng)循環(huán)拉壓疲勞極限。
——試件的材料特性，即循環(huán)應(yīng)力中平均應(yīng)力的折算系數(shù)，對(duì)于合金鋼為0.2～0.3
——拉壓疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)
——安全系數(shù)
參數(shù)設(shè)計(jì)：
由于有密封性，=1.5～1.8F，此處可取
則
材料可選10.9級(jí)的合金鋼，查表得：，
靜載荷時(shí)，S=1.5,所以
則
變載荷時(shí)：
對(duì)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(lèi)較多，有鍥形、盆形、菱形、半球形等燃燒室。半球形燃燒室結(jié)構(gòu)呈半球形，比起鍥形、盆形燃燒室更為緊湊，面容比最小。因進(jìn)、排氣門(mén)分別置于氣缸軸線(xiàn)的兩側(cè)，故其配氣機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。但有利于促進(jìn)燃料的完全燃燒和減少排氣中的有害成分，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)性和排氣凈化有利。
有關(guān)計(jì)算結(jié)果： 表1
名稱(chēng)
尺寸或數(shù)值
單位
氣缸直徑D
68
mm
活塞行程S
50
mm
燃燒室體積VC
36
ml
曲軸半徑r
25
mm
氣功工作內(nèi)壓力F
4.358
KN
氣缸的材料：質(zhì)灰鑄鐵
2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析與平衡
2.1 曲柄連桿比
曲柄連桿臂時(shí)指曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比，簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiāo)中心到曲軸中心之間的距離；
——連桿長(zhǎng)度，即連桿大小頭軸線(xiàn)之間的距離。
連桿比不僅影響曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，而且影響發(fā)動(dòng)機(jī)的外形尺寸。值越大，連桿越矩，發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度（立式發(fā)動(dòng)機(jī)）或總寬度（臥式發(fā)動(dòng)機(jī)）越小。對(duì)于V形發(fā)動(dòng)機(jī)，其總高度和總寬度都會(huì)減少。連桿過(guò)矩時(shí)易導(dǎo)致活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與曲柄相碰。因此一般情況下現(xiàn)代摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿比，盡可能地采用矩連桿。
參數(shù)設(shè)計(jì)：
取λ＝1/4； 那么連桿長(zhǎng)度： l＝ r/λ= 25.5/(1/4) =102 mm
2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)
曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)各主要零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析其作用力和力矩及發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡和曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的一門(mén)科學(xué)。
在計(jì)算時(shí)，曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可以近似看成等速轉(zhuǎn)動(dòng)，這是因?yàn)楦咚侔l(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工況下工作時(shí)，由于扭轉(zhuǎn)的不均勻性而引起的曲軸旋轉(zhuǎn)角速度的變化不大。
曲軸的角速度可以寫(xiě)為
ω＝
式中：n——曲軸轉(zhuǎn)速，。
曲柄銷(xiāo)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(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，不用時(shí)間t表達(dá)，而是用曲軸轉(zhuǎn)角，并且規(guī)定：將活塞處于上止點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的曲軸位置作為曲軸轉(zhuǎn)角的起點(diǎn)（即＝0），因而，活塞的速度、加速度的方向朝著曲軸中心線(xiàn)方向?yàn)檎?，背離曲軸中心線(xiàn)方向?yàn)樨?fù)。
參數(shù)設(shè)計(jì)：
曲柄的角速度：
曲柄銷(xiāo)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(duì)于活塞中心線(xiàn)通過(guò)曲軸中心線(xiàn)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖2.3.1）。曲柄半徑r與連桿長(zhǎng)度l的比值：λ＝r/l
則
sin ＝sin (2.3-1)
于是可得到連桿的角位移
＝
當(dāng)＝90°和270°時(shí)連桿的角位移為最大，即 圖2.3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)
＝arcsin（1/4）=14.48 rad/s
連桿擺動(dòng)的角速度
當(dāng)為0°和180°時(shí)，連桿角速度為最大值，rad/s
當(dāng)為90°和270°時(shí)，連桿角速度為0。
連桿擺動(dòng)的角加速度
當(dāng)和時(shí)，159270.8rad/
當(dāng)和時(shí)，連桿的角加速度為0。
3 活塞運(yùn)動(dòng)分析
3.1 活塞位移
對(duì)于活塞中心線(xiàn)過(guò)曲軸中心線(xiàn)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖2.3.1）?；钊男谐蘏＝2r，活塞的位移 (3.1-1)
最大位移量： mm
由牛頓二項(xiàng)式，可將展開(kāi)，則
圖3.1.2 活塞速度曲線(xiàn)
圖3.1.1 活塞位移與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系
在實(shí)際計(jì)算中取前兩項(xiàng)已足夠精確。則活塞的位移可寫(xiě)成
位移X隨λ和的變化關(guān)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(zhuǎn)角從0°和90°時(shí)活塞的位移值，比從90°和180°時(shí)活塞的位移值大，而且λ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(shù)值為
(3.2-1)
對(duì)活塞的速度也可以進(jìn)行近似計(jì)算，其近似值由對(duì)位移的近似計(jì)算式微分得到：
(3.2-2)
因此，活塞速度是兩個(gè)速度分量之和，可以看成是由和兩個(gè)簡(jiǎn)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(dāng)＝90°時(shí)v＝rω，此時(shí)活塞速度等于曲柄銷(xiāo)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(shí)的曲柄轉(zhuǎn)角可以用對(duì)微分求極值的方式求得：
即
解此方程得：
(3.2.1-1)
因?yàn)闀r(shí)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(xiàn)在偏向上止點(diǎn)一側(cè)。
不同的λ值其最大速度時(shí)的值也不同，λ值越大活塞速度的最大值也越大，相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也偏向上止點(diǎn)一側(cè)。
3.2.2活塞平均速度
曲柄旋轉(zhuǎn)一周時(shí)活塞的速度不斷發(fā)生變化，時(shí)快時(shí)慢，時(shí)正時(shí)負(fù)。＝0°～180°時(shí)v為正值；＝180°～360°時(shí)v為負(fù)值；＝0°、180°、360°時(shí)v＝0°；
＝90°、270°時(shí)v＝rω。
活塞的平均速度
式中：S——活塞行程； n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； T——曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的時(shí)間。
活塞的平均速度雖然只能粗略地估計(jì)活塞運(yùn)動(dòng)的快慢，但它是表征發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的重要參數(shù)。它從一個(gè)方面反映樂(lè)發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度，同時(shí)也在一定程度上放映樂(lè)活塞和氣功之間相互摩擦的強(qiáng)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(shù)設(shè)計(jì)：
活塞平均速度：
圖3.2.2.1 活塞加速度曲線(xiàn)
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)
因此活塞加速度也可以看作是兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(fù)加速度，由下式求得：
或
若 ，＝0°或 ＝180°相應(yīng)的加速度為
或 (3.3.1-1)
若 則 ，相應(yīng)的加速度為：
參數(shù)設(shè)計(jì)：
活塞最大正加速度
3.4 熱力強(qiáng)度
材料受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，如果變形受到限制就會(huì)在材料中產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱負(fù)載的反復(fù)作用下，熱應(yīng)力會(huì)使材料受到疲勞破壞。比如一旦發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的溫度分布不均勻?qū)a(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，就容易導(dǎo)致其產(chǎn)生裂紋。熱力強(qiáng)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(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力大小可用熱應(yīng)力特性（）表示，其中材料的熱膨脹系數(shù)，E為彈性模量，為導(dǎo)熱系數(shù)。為了比較材料的熱力強(qiáng)度，用材料的拉伸強(qiáng)度與（）相比得到熱力強(qiáng)度系數(shù)。熱應(yīng)力特性（）愈小，熱應(yīng)力愈小，熱力強(qiáng)度系數(shù)愈大，熱力強(qiáng)度愈大。由此可見(jiàn)：材料的導(dǎo)熱性愈好，膨脹系數(shù)愈小，高溫疲勞強(qiáng)度愈搞.
有關(guān)計(jì)算結(jié)果 表3
名稱(chēng)
尺寸或數(shù)值
單位
連桿長(zhǎng)度L
100
mm
曲柄的角速度
785
rad/s
曲柄銷(xiāo)中心的切向速度Vt
19.625
m/s
曲柄銷(xiāo)中心的切向加速度an
15．406×10－3
m/s2
活塞最大位移量Xmax
50
mm
活塞平均速度
12.5
m/s
活塞最大正加速度
11.554×10－3
m/s2
連桿材料： 45號(hào)鋼。
4 活塞組
4.1 活塞
1－頂部；2－頭部；3－裙部；4－環(huán)岸；
5－環(huán)槽；6－銷(xiāo)座；7－加強(qiáng)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(jié)構(gòu)如圖4.1.1所示?；钊c氣缸為間隙配合，自阿氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(guò)活塞銷(xiāo)傳
給連桿，以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)；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?xì)饨佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2500K，因此活塞的溫度很高，頂部中心的溫度可達(dá)600～700K。高溫一方面使活塞材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降（在600K溫度下約下降50%）,另一方面還會(huì)使活塞的熱膨脹量增大，影響活塞與相關(guān)零件的配合?；钊敳吭谧鞴π谐虝r(shí)承受這燃?xì)鈳_擊性的壓力。對(duì)于汽油機(jī)活塞，瞬時(shí)最大壓力值高達(dá)3～5MPa。對(duì)于柴油機(jī)瞬時(shí)最大壓力值可達(dá)6～9MPa,采用增壓時(shí)則更高。高壓導(dǎo)致活塞的側(cè)壓力大，引起活塞變形，加速或活塞外表面的磨損?；钊跉夤χ凶鞲咚偻鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，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(nèi)部產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。所以要求活塞的質(zhì)量盡可能小，熱膨脹導(dǎo)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(xiāo)中心之間的距離稱(chēng)為活塞的壓縮高度，如圖4.1中的H1 。
現(xiàn)代摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的壓縮高度希望取較小的值，以減少活塞的尺寸和重量。要減少活塞的壓縮高度應(yīng)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(shù)量和厚度。
一般情況下，四行程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的壓縮高度取H1 ＝0.45～0.57D。
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(chēng)為活塞的火力岸高度，如圖4.1中的H4 。
圖4.1 活塞結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
減少H4會(huì)增強(qiáng)第一道環(huán)的導(dǎo)熱能力，從而
可以降低活塞頂部的溫度，防止爆燃。一般來(lái)說(shuō)，火力岸高度的大少要根據(jù)試驗(yàn)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(chēng)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(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和使用壽命很有好處。減少環(huán)帶高度必須減少活塞環(huán)數(shù)或減少活塞環(huán)的厚度及環(huán)岸高度b?，F(xiàn)代四行程發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。氣環(huán)的厚度一般為0.8～1.5mm。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b1 一般為1.5～2.5c（c指環(huán)槽高度），第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為1～2c。
4.1.4環(huán)岸的強(qiáng)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(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，擋這些應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，環(huán)岸就會(huì)產(chǎn)生斷裂。
圖4.1.4 第一環(huán)岸的受力情況
由試驗(yàn)可知；當(dāng)P1≈0.9Pmax，P2≈0.2Pmax時(shí)，可以
把環(huán)岸看成一個(gè)厚度為b、內(nèi)外圓直徑為D’和D的圓環(huán)形
板，并沿內(nèi)圓柱面固定。然后把環(huán)岸看成簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行估算。Pmax為最大爆發(fā)壓力。
設(shè)D’=0.9D,作用在環(huán)岸根的應(yīng)力為：
（4.1.4-1）
式中：——活塞環(huán)槽深。
環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面的抗彎斷面系數(shù)的近似值為
（4.1.4-2）
環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力為
（4.1.4-3）
環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面的剪切應(yīng)力 為
（4.1.4-4）
合應(yīng)力
考慮倒鋁合金活塞在高溫下的強(qiáng)度下降及岸根的應(yīng)力集中，其許應(yīng)力取
參數(shù)計(jì)算：環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力為
環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面的剪切應(yīng)力 為
合應(yīng)力
符合要求。
有關(guān)活塞的尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果： 表4.1
名稱(chēng)
數(shù)值
單位
壓縮高度取H1
34
mm
環(huán)帶高度H3
9.8
mm
火力岸高度H4
4.5
mm
總高度
55
mm
壁厚
4
mm
內(nèi)圓直徑D’
61
mm
外圓直徑D
67
mm
第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1
3.5
mm
第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2
2
mm
第一道環(huán)槽高度C1
1.4
mm
第二道環(huán)槽高度C2
1.4
mm
第三道環(huán)槽高度C3
1.5
mm
活塞的材料： 高硅鋁合金
見(jiàn)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?xì)獯罅柯┤肭S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(dǎo)熱兩大作用中，主要是密封作用。因?yàn)槊芊夂茫f(shuō)明氣環(huán)與氣缸壁貼河緊密，導(dǎo)熱自然會(huì)好。如果氣環(huán)的密封性不好，高溫燃?xì)鈱⒅苯訌臍猸h(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?xì)饨佑|。此時(shí)不但由于氣環(huán)與氣缸壁結(jié)合不嚴(yán)不能很好地導(dǎo)熱，相反使氣環(huán)地吸熱量增加，最后必將導(dǎo)致活塞河活塞環(huán)被燒壞。
活塞環(huán)地厚度在保證強(qiáng)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(dòng)。
目前廣泛采用的活塞環(huán)材料使合金鑄鐵（在優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵中加入銅、鉻、鉬等合金元素）。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)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(fù)荷，因此要求活塞材料除了耐熱、耐磨以外，還應(yīng)有高的強(qiáng)度和沖擊韌性。現(xiàn)代摩托車(chē)強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)常采用合金彈簧鋼（如60Si2CrA，其硬度為HRc45－55）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(qiáng)度高，并能儲(chǔ)存少量機(jī)油，可以提高潤(rùn)滑性能。這種環(huán)的工作壽命比普通環(huán)高2～3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(lái)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(gè)間隙稱(chēng)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(chēng)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0.02～0.1mm，第二道環(huán)的邊隙一般為0.02～0.08mm。
活塞環(huán)隨活塞在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞環(huán)在活塞槽中的位置并不是固定的。在進(jìn)氣行程中活塞環(huán)向下移動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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?xì)馔苿?dòng)向下移動(dòng)，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(lèi)型
氣環(huán)的類(lèi)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。
活塞環(huán)的高度b增大，環(huán)的導(dǎo)熱性能提高，但也會(huì)增大環(huán)的質(zhì)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(dǎo)致活塞環(huán)處在懸浮狀態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)（相對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角），造成漏氣量增加。因此，活塞環(huán)高度有減少的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)摩托車(chē)氣環(huán)的高度一般為b＝1～2.5mm.
4.2.4自由端距
自由端距是指活塞環(huán)在自由狀態(tài)時(shí)活塞環(huán)開(kāi)口兩端頭之間的距離，用S。表示。根據(jù)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(shù)E有關(guān)。當(dāng)材料選定以后，材料的彈性模數(shù)E就定下來(lái)了，只要適當(dāng)選擇t核S。就可以。S。增大，P。增加，其應(yīng)力也增加。若S。減少，P。也減少，最大工作應(yīng)力減少，但套裝應(yīng)力會(huì)增大，因此S。只能在較少的范圍內(nèi)變動(dòng)。對(duì)于灰鑄鐵活塞環(huán)一般
S./d＝13％～14％（d為氣缸直徑）；對(duì)于鋼活塞環(huán)一般為S./d＝7％～9％。
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，影響彈力的因素有S。和t，即環(huán)的彈力可用S。和t來(lái)調(diào)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(dǎo)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(zhì)量加大，并增加了安裝難度。
4.2.6開(kāi)口間隙
活塞環(huán)進(jìn)氣缸以后，在冷態(tài)下應(yīng)留有一定的開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)（JID），德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（DIN）和美國(guó)汽車(chē)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SAE）中，均規(guī)定在100°C的溫度下來(lái)測(cè)量活塞環(huán)的開(kāi)口間隙，其規(guī)定值如下表所示。
有關(guān)活塞環(huán)的尺寸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)： 表4.2
名稱(chēng)
數(shù)值
單位
環(huán)的高度b
1.35
mm
自由端距S。
5.4
mm
徑向厚度t
1.3
mm
開(kāi)口間隙
0.24
mm
活塞環(huán)的材料： 60Si2CrA，其硬度為HRc45－55
4.3 油環(huán)
四行程汽油機(jī)的潤(rùn)滑油存放在曲軸箱中，通過(guò)飛漲潤(rùn)滑氣缸壁。由于大量的潤(rùn)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(shí)刮下氣缸壁上多余的機(jī)油，防止機(jī)油竄入燃燒室，所以四行程發(fā)動(dòng)機(jī)至少設(shè)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(jī)油膜，潤(rùn)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(jī)油，防止機(jī)油竄入氣缸內(nèi)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)和組合油環(huán)兩大類(lèi)。
4.3.1普通油環(huán)
普通油環(huán)的材料一般是合金鑄鐵。其外圓面的中間切有一道凹槽，把油環(huán)分為上唇和下唇，在凹槽的底部加工有若干鉻排油小孔或狹縫。普通油環(huán)根據(jù)上下唇的倒角分布和大小有五種型式（圖4.3.1.1）；異向外倒角環(huán)的上下唇的外側(cè)都有倒角，上唇的刮油能力較下唇強(qiáng)；同向上倒角環(huán)的上下唇
圖4.3.1.2活塞環(huán)的刮油作用
a）活塞下行 b）活塞上行
圖4.3.1.1普通油環(huán)的斷面形狀
a）外倒角環(huán) b）同向倒角環(huán)c）內(nèi)倒角 d）雙鼻式環(huán) e）單鼻式環(huán)
的上側(cè)都有倒角，上下唇的刮油能力都較強(qiáng)；異向內(nèi)倒角環(huán)的上唇的下側(cè)給上唇的上側(cè)都有倒角，上唇的刮油能力較差；雙鼻式環(huán)的上下唇的下側(cè)都制有刮油槽，上下唇都有很強(qiáng)的刮油
能力；單鼻式環(huán)下唇的下側(cè)制有
刮油槽，下唇有很強(qiáng)的刮油能力。
油環(huán)的上唇上端面外緣一般都有倒角，使油環(huán)在向上運(yùn)動(dòng)時(shí)能形成油楔，以減少摩擦和磨損。下唇的下端面除異向外倒角之外一般部倒角，或倒有很少的倒角，這樣可以增將向下刮油的能力。
油環(huán)的刮油作用如圖4.3.1.2所示。活塞向上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)都可以鋪油和刮下多余的機(jī)油，刮下的油從排油小孔或狹縫中流入曲軸箱。
4.3.2 組合式油環(huán)
圖4.3.2 組合環(huán)
1－刮油環(huán)2－軸向襯環(huán)3－徑向襯環(huán)
組合式油環(huán)如圖4.3.2所示，由三個(gè)刮油鋼片，一個(gè)徑向襯環(huán)及一個(gè)軸向襯環(huán)組成。軸向襯環(huán)2夾在第二、三刮油片之間。徑向襯環(huán)3將三個(gè)刮油片緊壓在氣缸壁上。這種油環(huán)的有點(diǎn)是：刮油片很薄，對(duì)氣缸壁的比壓大，因而刮油作用強(qiáng)；三個(gè)刮油片各自軸立，故對(duì)氣缸的適應(yīng)性較好，易于磨合；質(zhì)量小，因而產(chǎn)生的慣性力??；回油通路大，更易于刮油和鋪油。因此組合油環(huán)在高速發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較廣。缺點(diǎn)是零件多，三個(gè)
刮油片又必須鍍鉻，否則滑動(dòng)性不好，因此組合環(huán)的制造成本高。
4.4 活塞銷(xiāo)
活塞銷(xiāo)的作用是連接活塞與連桿小頭，將活塞承受的氣壓了傳給連桿?；钊N(xiāo)在高溫下承受很大的周期性的沖擊載荷，潤(rùn)滑條件又較差，因而要求活塞銷(xiāo)有足夠的剛度合強(qiáng)度，表面耐磨，質(zhì)量小。
活塞銷(xiāo)一般用低碳鋼或低碳合金鋼（如20Cr）制造，經(jīng)表面參碳淬火處理，以提高表面硬度，使中心具有一定的沖擊韌性。表面需進(jìn)行精磨和拋光。
活塞銷(xiāo)是一個(gè)空心的圓柱體，其內(nèi)孔形狀有圓柱形、兩端截錐形以及兩端截錐與中間一段圓柱形的組合形等。圓柱形孔容易加工，但為了保證一定的剛度，中間的孔不能過(guò)大，因而其質(zhì)量較大。兩端錐孔形的活塞銷(xiāo)的質(zhì)量較小，有接近等強(qiáng)度梁的要求（活塞銷(xiāo)所承受的彎矩在中部最大），但孔的加工校復(fù)雜。組合式結(jié)構(gòu)則介于二者之間。
活塞銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)座的配合為滑動(dòng)配合，以便發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中活塞銷(xiāo)可以在活塞銷(xiāo)座孔中緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，以使活塞銷(xiāo)各部分的磨損比較均勻，但間隙也不能過(guò)大，一般為0.01~0.02mm?；钊N(xiāo)裝入銷(xiāo)座孔中后兩端用卡環(huán)限位?；钊N(xiāo)與連桿小頭的連接，采用滾針軸承和軸套。
4.4.1活塞銷(xiāo)的剛度
活塞與活塞銷(xiāo)在受到氣壓力之后都會(huì)變形，由于兩者變形的不協(xié)調(diào)，使銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)座的接觸很不均勻，銷(xiāo)孔內(nèi)繃上緣出現(xiàn)尖峰負(fù)荷Pmax和相應(yīng)的應(yīng)力集中，如圖4.4.1.1所示。如果活塞銷(xiāo)的剛度不好，銷(xiāo)座又較硬實(shí)，往往會(huì)在A處產(chǎn)生斷裂。 在計(jì)算活塞銷(xiāo)的剛度時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可作如下假定：
1。活塞銷(xiāo)上的負(fù)荷分布是：由連桿小頭產(chǎn)生的均勻負(fù)荷；由活塞銷(xiāo)座產(chǎn)生的作用在支承面中點(diǎn)的集中載荷，如圖4.4.1.2所示。
2．B1＝0．5L。 圖4.4.1.1 活塞與活塞銷(xiāo)的變形
3. 活塞銷(xiāo)長(zhǎng)度 L= =；即活塞的縱向斷面正好填滿(mǎn)活塞外圓。 則活塞銷(xiāo)的彎曲變形量可用下式表示：
mm
式中：D一氣缸直徑； d1一活塞銷(xiāo)直徑； L一活塞銷(xiāo)長(zhǎng)度；
Pz一氣缸內(nèi)最大壓力； δ一活塞銷(xiāo)壁厚。
圖4.4.1.2活塞銷(xiāo)的受力模型
一般情況下活塞銷(xiāo)作的剛度大，對(duì)銷(xiāo)的撓曲性變差，變形量應(yīng)取小一些。一般汽油機(jī) f≤0.0004。
設(shè)計(jì)參數(shù)：長(zhǎng)度L=59cm
直徑d=15cm
活塞銷(xiāo)壁厚δ=2cm
見(jiàn)附圖二
5 連桿、曲軸組
5.1 連桿
連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，從而推動(dòng)曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，其兩端給安裝一個(gè)軸承，分別連接活塞銷(xiāo)于曲軸銷(xiāo)。
連桿一般用中碳鋼或中碳合金鋼，還可以采用低碳合金鋼（如20Cr、20MnB、20CrMo）模鍛成形，然后進(jìn)行機(jī)械加工。中碳鋼制造的連桿一般要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；低碳合金鋼制成的連桿大小頭內(nèi)孔要進(jìn)行滲碳淬火等表面處理，淬火硬度為HRc60～65。
連桿于活塞連接的部分稱(chēng)為連桿小頭，與曲軸銷(xiāo)連接的部分稱(chēng)為連桿大頭，中間的部分稱(chēng)為桿身。
為了潤(rùn)滑活塞銷(xiāo)和軸承，自阿連桿小頭鉆有集油孔或銑有油槽，用以收集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被激漲起來(lái)的機(jī)油，以便潤(rùn)滑。
連桿桿身通常做成“工”字形斷面，以保證在合適的剛度和強(qiáng)度下有最小的質(zhì)量。
連桿大頭有剖分式和整體式兩種。整體式連桿倒頭相應(yīng)的曲軸采用組合式曲軸，用軸承與曲柄銷(xiāo)相連。連桿大頭的內(nèi)孔表面有很高的關(guān)潔度，以便與連桿軸瓦（或滾針軸承）緊密結(jié)合。
摩托車(chē)單缸汽油機(jī)一般采用整體式連桿，大、小頭內(nèi)分別裝有滾柱或滾針軸承。
5.1.1 連桿承受的載荷
連桿承受的載荷主要視氣壓力和往復(fù)慣性力產(chǎn)生的交變載荷。其基本載荷是壓縮或拉伸。對(duì)于四行程發(fā)動(dòng)機(jī)，最大拉伸載荷出現(xiàn)在進(jìn)氣行程開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，其數(shù)值主要是活塞組和連桿計(jì)算斷面以上那部分連桿質(zhì)量的往復(fù)慣性力，即
式中： ——分別為活塞組和連桿計(jì)算斷面以上那部分的質(zhì)量。
最大壓縮載荷出現(xiàn)在膨脹行程開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，其數(shù)值是最大爆發(fā)壓力產(chǎn)生的推力減上述的慣性力，即 ,取
式中：——最大爆發(fā)壓力產(chǎn)生的推力。
5.1.2 連桿小頭的安全系數(shù)
小頭的安全系數(shù)按下式計(jì)算：
(5.1.2-1)
式中：——材料在對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的拉壓疲勞極限；
——應(yīng)力副；
——平均應(yīng)力；
——考慮表面加工情況的工藝系數(shù)；；
——角系數(shù)，
——材料在對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的彎曲疲勞極限；
——材料在脈沖循環(huán)下的彎曲疲勞極限，對(duì)于鋼
小頭應(yīng)力按不對(duì)稱(chēng)循環(huán)變化，在固定角截面的外表面處應(yīng)力變化較大，通常只計(jì)算該處的安全系數(shù)，此時(shí)
循環(huán)最大應(yīng)力 (5.1.2-2)
循環(huán)最小應(yīng)力 (5.1.2-3)
式中：——襯套過(guò)盈配合和受熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力；
——慣性力拉伸引起的應(yīng)力；
——受壓是產(chǎn)生的應(yīng)力。
應(yīng)力副 (5.1.2-4)
平均應(yīng)力 (5.1.2-5)
小頭安全系數(shù)的許用值部小于1.5。
參數(shù)設(shè)計(jì)：
連桿材料采用45號(hào)鋼，它的有關(guān)疲勞極限如下：
屈服極限＝686.5Mpa 強(qiáng)度極限＝833.6MPa
在對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的拉壓疲勞極限:
MPa
在對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的彎曲疲勞極限: =450.3MPa
在脈沖循環(huán)下的彎曲疲勞極限: ＝1.5×450.3=725.5MPa
角系數(shù): ＝（2×450.3-725.5）/725.5=0.241
工藝系數(shù) =0.5;應(yīng)力副 ＝75.44Mpa;平均應(yīng)力＝64.77MPa;
小頭的安全系數(shù)按下式計(jì)算：
由式5.1.2-1得: n=2.1>1.5
符合要求；
5.1.3 連桿大頭的強(qiáng)度驗(yàn)算
它是把整個(gè)連桿看成是兩端固定的圓環(huán)，固定端的位置用圖中的角度表示（通常＝40°）。連桿的曲率半徑取兩個(gè)連桿螺栓中心矩的一半，對(duì)于整體式連桿則取連桿大頭內(nèi)外圓半徑之和的一半。環(huán)的截面積取D－D截面的面積，同時(shí)假定作用在連桿大頭上的力按余弦分布。
連桿大頭受到的慣性拉伸載荷為
(5.1.3-1)
式中：G’、G、G2、G3——分別為活塞組、連桿組往復(fù)慣性部分、連桿組旋轉(zhuǎn)部分和連桿大頭下半部分的質(zhì)量；
R——曲柄半徑； ——連桿比。
連桿大頭中央截面D－D上的應(yīng)力為
(5.1.3-2)
式中：——計(jì)算圓環(huán)的曲率半徑；
——連桿大頭及中央截面積；
——大頭及軸承中央截面積；
——計(jì)算斷面的抗彎斷面模數(shù)
參數(shù)計(jì)算： 連桿大頭受到的慣性拉伸載荷為
(5.1.3-3)
有式5.1.3-3得：=2.95KPa
連桿大頭中央截面D－D上的應(yīng)力為
=20.97MPa < 675MPa