擺動活塞式發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),擺動,活塞,發(fā)動機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 前 言 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，帶動了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，又使汽車發(fā)動機(jī)如虎添翼，成為高新技術(shù)的集成。 　　汽車用內(nèi)燃機(jī)作動力并發(fā)展成為支柱產(chǎn)業(yè)，在歷史上有幾次革命性的進(jìn)步，第一次是石油作為內(nèi)內(nèi)燃機(jī)的燃料，這使發(fā)動機(jī)擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎(chǔ)上的固定式發(fā)動機(jī)，從而邁向移動式的車用動力。第二次革命是汽車生產(chǎn)的工業(yè)化。第三次是電子技術(shù)與發(fā)動機(jī)技術(shù)相結(jié)合。電子技術(shù)最初在汽油機(jī)上的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火，然后到電控燃油噴射，至今天點(diǎn)火和噴射的集成管理。 　　短短幾十年，發(fā)動機(jī)成為高新技術(shù)的集成。無論是燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性、廢氣排放水平等等，是任何一種其他動力機(jī)械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術(shù)發(fā)揮的作用。汽車內(nèi)燃機(jī)是通過燃料的燃燒，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的熱動力機(jī)械。熱力學(xué)、燃燒學(xué)和機(jī)械學(xué)的理論分析表明，內(nèi)燃機(jī)是熱效率最高的熱力機(jī)械，但仍存在著巨大的節(jié)能及降低尾氣污染的潛力。 1內(nèi)燃機(jī) 1.1內(nèi)燃機(jī)的概述 內(nèi)燃機(jī)是發(fā)動機(jī)的一種。發(fā)動機(jī)是把某種形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器。能夠?qū)⑷剂现械幕瘜W(xué)能經(jīng)過燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑼ㄟ^一定的結(jié)構(gòu)使之再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的發(fā)動機(jī)也稱為熱機(jī)。內(nèi)燃機(jī)是熱機(jī)的一種，他區(qū)別于其他形式熱機(jī)的特點(diǎn)，是燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，燃料燃燒時放出大量的熱量，使燃燒后的氣體膨脹推動機(jī)械做功。燃?xì)馐菍?shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)，這種媒介物質(zhì)稱為工作介質(zhì)[1]。 發(fā)動機(jī)可以根據(jù)不同的特征來分類： ⑴ 按所用燃料分 有汽油發(fā)動機(jī)、柴油發(fā)動機(jī)和其他代用燃料發(fā)動機(jī)。汽油發(fā)動機(jī)是用電火花強(qiáng)制點(diǎn)燃由汽油與空氣組成的可燃混合氣，使之燃燒并產(chǎn)生熱能，故汽油機(jī)又稱強(qiáng)制點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)。柴油機(jī)使用的柴油是直接噴入發(fā)動機(jī)氣缸，在高溫高壓條件下自燃而產(chǎn)生熱能，故柴油機(jī)又稱壓燃式發(fā)動機(jī)。 ⑵ 按完成一個工作循環(huán)所需要的活塞沖程數(shù)分 有四沖程發(fā)動機(jī)和二沖程發(fā)動機(jī)。 ⑶ 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分 有水冷發(fā)動機(jī)和風(fēng)冷發(fā)動機(jī)；單缸發(fā)動機(jī)和多缸發(fā)動機(jī)。多缸發(fā)動機(jī)根據(jù)各缸的排列方式，又有直列式發(fā)動機(jī)和“V”形發(fā)動機(jī)等。汽車發(fā)動機(jī)大多采用水冷式多缸發(fā)動機(jī)。 ⑷ 按活塞的運(yùn)動方式分 有往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)和旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)。往復(fù)活塞發(fā)動機(jī)的活塞為上下運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的活塞是旋轉(zhuǎn)的[2]。 現(xiàn)代汽車用的內(nèi)燃機(jī)絕大多數(shù)為往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。為了方便敘述我們對各種型式的內(nèi)燃機(jī)都簡稱為內(nèi)燃機(jī)或發(fā)動機(jī)。本文主要介紹的便是在旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機(jī)上進(jìn)行改造，而得出的擺動活塞式發(fā)動機(jī)，其工作沖程為二沖程。 發(fā)動機(jī)是汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)和船舶等機(jī)器的動力源，是它們的“心臟”，其性能是決定這些機(jī)器使用性能好壞的關(guān)鍵。往復(fù)機(jī)已有百年的歷史了，經(jīng)過長期使用和發(fā)展，到目前，不論是二沖程還是四沖程，可以說已經(jīng)達(dá)到了比較完善的程度。它的最大優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)可靠，因此在工農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)中，一直占據(jù)主要地位。 1.2選題的背景 眾所周知，往復(fù)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)方案，是利用曲軸連桿機(jī)構(gòu)，將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于活塞的往復(fù)運(yùn)動所造成的慣性力和慣性力矩，不能得到完全平衡，這是往復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷。這些不平衡的力和力矩，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而急劇增大，作用在發(fā)動機(jī)軸承上的慣性負(fù)荷顯著增加，并引起振動和噪音的增大。特別是隨著發(fā)動機(jī)不斷向高速發(fā)展時，活塞連桿機(jī)構(gòu)和氣閥機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的弊病。同時，活塞的平均速度，由于受到現(xiàn)有金屬材料性能的限制，通常不得超過允許值，也限制了往復(fù)機(jī)向高速方向發(fā)展。加之往復(fù)機(jī)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，這些因素是往復(fù)機(jī)進(jìn)一步提高功率、降低重量（和體積）的嚴(yán)重障礙。 而旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)機(jī)與往復(fù)式發(fā)動機(jī)比較，它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，發(fā)動機(jī)振動很小，動轉(zhuǎn)平穩(wěn)，此外制造成本也比較低。特別是在要求發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速大功率的使用場合，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的優(yōu)越性就更為突出。但是，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)也還存在著不少問題，例如低速動力性差，起動性能和耐久性也有待進(jìn)一步提高等等。 基于以上幾種原因，我們希望有一種發(fā)動機(jī)能夠一定程度上結(jié)合了旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)與往復(fù)發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。即具有旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)特性，也具有往復(fù)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。它能夠利用旋轉(zhuǎn)特性很好地解決曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在的慣性力問題，而且根除了四桿機(jī)構(gòu)的急回特性。而正在此時，老師向我們提出了晉江某企業(yè)已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種擺動發(fā)動機(jī)，而且做成了樣機(jī)，還成功發(fā)動起來。只是這個樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時存在著一些不合理性，以至于后來發(fā)生了故障。由于這種擺動發(fā)動機(jī)具有較好的市場開拓前景，我們在對樣機(jī)的理解上大膽地提出了改進(jìn)與創(chuàng)新。而所有的這些我們都將在下面的文章中做出詳細(xì)的說明。 2 往復(fù)發(fā)動機(jī)基本工作原理 2.1 二沖程發(fā)動機(jī)工作原理及換氣過程 汽油機(jī)是將汽油和空氣混合成可燃混合氣，然后進(jìn)入氣缸用電火花點(diǎn)燃。首先，我們以曲柄軸箱掃氣二沖程發(fā)動機(jī)為例說明一下二沖程汽油機(jī)的工作過程。二沖程汽油機(jī)的工作沖程如下： 2.1.1 工作原理 （1）．第一沖程 活塞自下止點(diǎn)向上移動，三個氣孔被關(guān)閉后，在活塞上方，已進(jìn)入氣缸的可燃混合氣體被壓縮；而活塞下方的曲柄軸箱內(nèi)因容積增大，形成一定的真空度，在進(jìn)氣孔露出時，可燃混合氣體自化油器經(jīng)進(jìn)氣孔流入曲柄軸箱內(nèi)。 （2）．第二沖程 活塞壓縮到上止點(diǎn)附近時，火花塞點(diǎn)燃混合氣體，高溫高壓的燃?xì)馀蛎?，推動活塞下移做功?；钊乱谱龉r進(jìn)氣孔關(guān)閉，密閉在曲軸箱內(nèi)的可燃混合氣體沖入氣功，驅(qū)除廢氣，進(jìn)行換氣過程。此過程一直進(jìn)行到下一沖程活塞上移，三個氣孔完全關(guān)閉為止。總之，活塞上行時進(jìn)行換氣、壓縮、曲柄軸箱進(jìn)氣；活塞下行時進(jìn)行做功、壓縮曲柄軸箱混合氣體、換氣。 2.1.2 二沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程 二沖程發(fā)動機(jī)與四沖程發(fā)動機(jī)相比，由于省去單獨(dú)的進(jìn)排氣沖程，必須在下死點(diǎn)前后很短的時間內(nèi)同時進(jìn)行進(jìn)排氣，進(jìn)排氣的時間差不多只有四沖程發(fā)動機(jī)的三分之一，因此，必須用有壓力的新氣清除氣缸內(nèi)的廢氣，稱為掃氣作用。如果在此期間，有可能把廢氣完全驅(qū)除，而用新鮮氣充滿氣缸，則與同樣大小同樣轉(zhuǎn)速的四沖程發(fā)動機(jī)相比，可使功率增大50%-70%。但如掃氣作用進(jìn)行得不好，在氣缸中殘留下很多廢氣，與新氣混合，而且新氣中相當(dāng)一部分進(jìn)入氣缸后并沒有留在缸內(nèi)，而在掃氣期間短路經(jīng)過排氣口流出缸外的話，則由于氣缸內(nèi)空氣不足（加上為了壓縮新氣要消耗一定能量），功率就要受到影響。如果是汽化器式發(fā)動機(jī)，新氣中含有燃料，短路溜走的燃料又會造成浪費(fèi)。這樣會使燃料消耗率增高很多，而且排氣污染更嚴(yán)重[3]。 由此可見，對二沖程發(fā)動機(jī)來說，掃氣作用對性能影響特別大。如果掃氣不良，壓縮空氣中廢氣率高，實(shí)際的混合氣體濃度將很稀，經(jīng)常由于缺火使工作不穩(wěn)定，有時也會因?yàn)閴嚎s過量，溫度過高而發(fā)生爆燃。小負(fù)荷由于進(jìn)氣節(jié)流，缺火會特別嚴(yán)重，甚至變成兩轉(zhuǎn)爆發(fā)一次，像四沖程那樣。由于二沖程的汽化器式發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性較差，如果能采用汽油直接噴射即可大大改善指標(biāo)（燃料消耗可下降1/4左右）。二沖程原理應(yīng)用于柴油機(jī)，效果顯著。 排氣口一經(jīng)開啟，膨脹過程就告結(jié)束，因此排氣口應(yīng)盡可能晚開啟，但是它應(yīng)保證掃氣孔緊跟著它開啟時，氣缸內(nèi)的壓力能降低到足夠低，以避免廢氣倒流，同時還保證掃氣過程又足夠的時間，所以排氣口不能開的太晚。由于氣口的存在，使發(fā)動機(jī)的實(shí)際壓縮比低于幾何壓縮比。實(shí)際壓縮比應(yīng)該為幾何壓縮比減去一個排氣口相對高度σ，而對于擺動活塞則應(yīng)該減去一個排氣口的相對角度。掃氣口的開啟時間也應(yīng)該從類似的考慮確定。應(yīng)該注意的是，換氣過程中氣體的流量不僅是活塞的位置的函數(shù)，而且是時間的函數(shù)，故發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，氣口相對高度或擺動活塞發(fā)動機(jī)的排氣相對角度就要越大。至于掃氣口和排氣口的關(guān)閉時間，如果掃氣孔比排氣孔先關(guān)，新氣可能逃逸，過后充填也就不可能了。所以最好是不對稱換氣，即排氣口先開先關(guān)，掃氣口后開后關(guān)[4]。 2.2 四沖程發(fā)動機(jī)工作原理 四沖程汽油機(jī)的每個工作循環(huán)均經(jīng)過如下四個沖程： （1）．進(jìn)氣沖程 在這個沖程中，進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，氣缸與化油器相通，活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動，活塞上方容積增大，氣缸內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度?？扇蓟旌蠚怏w被吸入氣缸內(nèi)?；钊兄料轮裹c(diǎn)時，曲軸轉(zhuǎn)過半周，進(jìn)氣門關(guān)閉，進(jìn)氣沖程結(jié)束。 （2）．壓縮沖程 進(jìn)氣沖程結(jié)束后，進(jìn)氣門、排氣門同時關(guān)閉。曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動，活塞上方的容積減少，進(jìn)入到氣缸內(nèi)的可燃混合氣體被壓縮，使其溫度、壓力升高?；钊缴现裹c(diǎn)時，壓縮沖程結(jié)束。 （3）．做功沖程 當(dāng)壓縮沖程臨近終了時，火花塞發(fā)出電火花，點(diǎn)燃可燃混合氣體。由于混合氣體迅速燃燒膨脹，在極短的時間內(nèi)壓力可達(dá)到3-5MPa，最高溫度約為2200-2800K。高溫、高壓的燃?xì)馔苿踊钊杆傧滦?，并通過連桿使曲柄旋轉(zhuǎn)而對外做功。在做功沖程中，活塞自上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)，曲軸轉(zhuǎn)至一周半。隨活塞向下運(yùn)動，活塞上方容積增大，燃?xì)鉁囟?、壓力逐漸降低。 （4）．排氣沖程 混合氣體燃燒后成了廢氣，為了便于下一個工作循環(huán)，這些廢氣應(yīng)及時排出氣缸，所以在做功沖程終了時，排氣門開啟，活塞向上移動，廢氣便排到氣缸外[5]。 當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時，排氣門關(guān)閉、曲軸轉(zhuǎn)至兩周，完成一個工作循環(huán)。由此可見，四沖程發(fā)動機(jī)經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個過程，完成一個工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點(diǎn)間往復(fù)移動了四個沖程，相應(yīng)的曲軸旋轉(zhuǎn)了兩周。 由上面的分析我們可以看出二沖程與四沖程汽油機(jī)不同，即二沖程汽油機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)動一周就有一個做功沖程，因此，理論上相同排量的二沖程發(fā)動機(jī)的功率應(yīng)該等于四沖程發(fā)動機(jī)的二倍。和四沖程發(fā)動機(jī)相比，由于做功頻率較快，因而運(yùn)轉(zhuǎn)比較均勻平穩(wěn)。而且結(jié)構(gòu)簡單。但是二沖程發(fā)動機(jī)換氣過程中新鮮氣體損失較多，廢氣排放也不徹底，而且氣孔占據(jù)了一部分活塞沖程，做功時能量損失較大，經(jīng)濟(jì)性較差。本文主要是針對二沖程汽油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 3 擺動活塞式發(fā)動機(jī)工作原理 3.1 工作原理 下面我們就用圖解法來說明一下這個二沖程擺動發(fā)動機(jī)的工作原理。 如圖1所示，我們可以看出活塞在氣缸內(nèi)大致裝配位置（環(huán)狀缸體即為氣缸；扇形狀為活塞，我們稱為扇形活塞）。 當(dāng)扇形活塞逆時針擺動至死點(diǎn)時，可燃性混合氣體已經(jīng)被壓縮在左燃燒室內(nèi)。經(jīng)火花塞點(diǎn)火后，壓縮氣體爆炸產(chǎn)生作用力，推動扇形活塞向右擺動，發(fā)動機(jī)開始工作。此時左儲氣室開始進(jìn)氣。右工作室進(jìn)氣已經(jīng)完畢，右氣門關(guān)閉。 圖1 圖2為扇形活塞運(yùn)轉(zhuǎn)過一定角度之后，右工作室工作沖程。扇形活塞順時針擺動，左氣門進(jìn)氣，左儲氣室增壓。右工作室封閉，右工作室氣體被壓縮。 圖2 圖3為扇形活塞繼續(xù)順時針擺動，左工作室開始排氣，左氣門保持開啟，左儲氣室與左工作室相貫通，左工作室開始進(jìn)氣。右工作室則繼續(xù)壓縮。 圖3 圖4為扇形活塞繼續(xù)順時針擺動至死點(diǎn)，左氣門還是保持開啟，而左工作室與左儲氣 室持續(xù)貫通，左工作室充氣工作此時已經(jīng)完成。右工作火花塞點(diǎn)火，右儲氣室進(jìn)氣開始。 圖4 圖5為右工作室工作沖程，扇形活塞逆時針擺動，右氣門保持開啟，右儲氣室持續(xù)進(jìn)氣，且開始增壓。左工作室開始壓縮，左氣門關(guān)閉。 圖5 圖6為扇形活塞繼續(xù)逆時針擺動，右工作室已經(jīng)開始排氣，右儲氣室與工作室已經(jīng)貫通，壓縮氣體進(jìn)入右工作室，右氣門保持開啟。左工作室繼續(xù)壓縮，左氣門保持關(guān)閉。此時工作沖程接近完畢，最后擺動至左死點(diǎn)，即圖1所示位置，而后按圖1說明完成一次往復(fù)熱循環(huán)運(yùn)動。 圖6 從以上原理圖我們可以看出二沖程擺動發(fā)動機(jī)機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：每轉(zhuǎn)做功，因此升功率較大（約為四沖程汽油機(jī)的1.5--1.6倍），運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)；而且構(gòu)造較簡單，重量也較輕，制造和維修都比較方便。但是我們也看到了，不論將排氣口開得多大，都不能將廢氣從氣缸內(nèi)排除得比較干凈，而且換氣時要損失一部分做功沖程，再加上有部分混合氣體在掃氣時隨同廢氣流失，所以動力性較差。此外，因做功頻率較大，所以熱負(fù)荷較高[6]。因此二沖程擺動發(fā)動機(jī)可以較多地應(yīng)用在摩托車和一些小型機(jī)具上，或用作某些柴油機(jī)的起動機(jī)。 3.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動分析 擺動活塞發(fā)動機(jī)的傳動是依靠一個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，通過燃料在燃燒室中燃燒，推動扇形活塞在氣缸內(nèi)一定范圍角度內(nèi)作往復(fù)的擺動，通過一個與活塞相連的連桿把活塞的擺動傳動到輸出軸上的曲柄，從而使曲柄帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)從熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換（如圖7）?；钊趤砘?cái)[動一個過程中，帶動曲軸轉(zhuǎn)動一周。 圖7 1． 極位夾角 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿處在兩個極位時，曲柄所在兩個位置之間的夾角稱為極位夾角。 當(dāng)曲柄以等角速度ω1順時針轉(zhuǎn)過ａ1=180+θ時，搖桿將由位置C1D擺到C2D，其擺角為φ，設(shè)所需要時間為t1，C點(diǎn)的平均速度為v1；當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)過α2=180— θ時，搖桿又從位置C2D回到C1D，擺角仍然是φ，設(shè)所需要時間為t2，C點(diǎn)的平均速度為V2。由于曲柄為等速轉(zhuǎn)動，而α1>α2，所以有t1>t2,v2>v1。搖桿的這種運(yùn)動性質(zhì)成為急回特性（如圖8）。 圖8 圖8 可見極位夾角θ越大，急回特性便越顯著。由于這種急回特性會導(dǎo)致活塞擺動運(yùn)動慣性力的增大，降低傳動的穩(wěn)定性，所以發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地減小極位夾角θ。存在一種特例，使θ為零，從而消除急回特性，即曲柄回轉(zhuǎn)中心在搖桿兩極位時C1，C2的延長線上。在設(shè)計(jì)總體機(jī)構(gòu)時應(yīng)該盡量考慮采用無急回特性的機(jī)構(gòu)（如圖1所示），如果受到總體方案的限制，也應(yīng)該采用小的極位夾角，并且使急回沖程做功的運(yùn)動，而更有利于傳遞動力。本設(shè)計(jì)所采用的θ角即為零度。這也就較好地解決了一部分慣性力問題。 2． 傳動角 四桿機(jī)構(gòu)中，主動件AB經(jīng)連桿傳遞到從動件CD上C點(diǎn)的力F的方向與C點(diǎn)速度方向之間的銳角稱為此位置的壓力角，而連桿BC與從動件CD之間所夾的銳角為機(jī)構(gòu)在此位置的傳動角。傳動角越大，對機(jī)構(gòu)的傳力則越有利。一般要保證最小傳動角≥40~50度，這樣才能使機(jī)構(gòu)有良好傳動性。對于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小傳動角在主動件曲柄與機(jī)架共線的兩位置之一。傳動角與各桿的長度有關(guān)。 4 擺動活塞式發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的組成結(jié)構(gòu)介紹 傳統(tǒng)往復(fù)發(fā)動機(jī)一般由以下幾個機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成： ⑴. 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞組、連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。此機(jī)構(gòu)的作用是把活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。該機(jī)構(gòu)與機(jī)體組零件工作關(guān)系比較密切，比如氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱等在工作時的關(guān)系非常密切，再結(jié)構(gòu)分析時常把他們放在一起，組成廣義的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 ⑵．配氣機(jī)構(gòu) 它的作用是按照發(fā)動機(jī)的各個缸的工作順序，定時的開啟和關(guān)閉各缸的進(jìn)氣門和排氣門，以保證新鮮氣體及時進(jìn)入氣缸，廢氣及時排出氣缸。它是由氣門組、傳動組和驅(qū)動組組成。 ⑶. 供油系統(tǒng) 供給系統(tǒng)包括燃料供給、空氣供給與廢氣排出三個系統(tǒng)。其作用是將燃料和空氣及時供給氣缸，并將燃燒后的廢氣及時排出機(jī)外。 ⑷. 冷卻系統(tǒng) 其功用是吸收內(nèi)燃機(jī)工作中受熱零件的多余熱量并及時散發(fā)出去，保證內(nèi)燃機(jī)各部位在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。水冷系統(tǒng)一般由水箱、水套、水泵、風(fēng)扇、散熱器、節(jié)溫器等組成。風(fēng)冷系統(tǒng)由散熱片、風(fēng)扇、導(dǎo)流罩等組成。 ⑸. 潤滑系統(tǒng) 其作用是將潤滑油輸送到內(nèi)燃機(jī)各運(yùn)動部件的摩擦表面，以減少摩擦阻力和磨損，同時起到冷卻、密封、清洗和防銹的作用。主要包括機(jī)油泵、機(jī)油濾清器、機(jī)油散熱器、機(jī)油壓力表、機(jī)油溫度表和閥門、潤滑油道等。 (6).點(diǎn)火系統(tǒng) 它是汽油機(jī)特有的一個系統(tǒng)。其功能就是在一定的時刻產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃混合氣。 由于我們所設(shè)計(jì)的為二沖程汽油機(jī)，而且利用吸氣口與排氣口就能控制空氣的進(jìn)與出，因此沒有給它配備專門的配氣機(jī)構(gòu)。本文主要考慮的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，再輔以冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[7]。 4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)借以實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的最主要的機(jī)構(gòu)，它的零件可分為固定件與運(yùn)動件兩類。 固定件包括氣缸端蓋、氣缸墊、氣缸體等。運(yùn)動件包括活塞連桿組和曲軸飛輪組?；钊B桿組由活塞、密封環(huán)、活塞銷、連桿等零件組成；曲軸飛輪組由曲軸、飛輪及裝在曲軸上的其他零件組成[8]。下面我們就發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)： 4.2.1 氣缸的設(shè)計(jì) 氣缸是內(nèi)燃機(jī)中重要部位，氣缸中裝有活塞，活塞在氣缸中高速往復(fù)運(yùn)動。氣缸端面是用氣缸端蓋封閉的，中間再用密封圈加以密封[9]。為了保持結(jié)構(gòu)的簡易性，我們沒有在氣缸體壁留出水道以冷卻，而只是在氣缸端蓋上做出水道冷卻。主軸承安裝在氣缸端蓋上。為了保證主要機(jī)構(gòu)工作可靠，氣缸和軸承的尺寸和相對位置都加工得比較精確。參考樣機(jī)的設(shè)計(jì)，我們暫時將氣缸的內(nèi)徑設(shè)為65mm，考慮到總體的功率問題，這里我們將活塞的厚度定為60mm。為了減少氣缸與活塞之間的摩擦損失，氣缸外壁尺寸和形狀要求比較精確，表面粗糙度要高。如果按2-3級精度的尺寸公差來加工氣缸必然會增加加工困難，并且提高零件的加工成本。因此，一般將尺寸公差加大，按4-5級精度來加工，然后按2-3級精度的尺寸公差來選配，這樣加工就比較容易，而且成本也降低了。為了提高氣缸的耐磨性，可選用含有少量合金元素鎳（Ni）的優(yōu)質(zhì)鑄鐵，這種材料機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性好，但成本相對會高一些。 我們知道氣缸是個類似于環(huán)形的缸體，怎么才能保證活塞在一定的角度內(nèi)擺動呢？為此我們可在氣缸壁上再加上兩塊楔形塊，氣缸中的楔形塊與活塞側(cè)面所包圍的空間，就是擺動發(fā)動機(jī)的燃燒室。兩楔形塊形成一定的角度，即為活塞的活動空間。楔形塊與組合后的氣缸形狀如下圖所示。楔形塊的左右端面都是加工成弧形，再用螺栓將其與氣缸壁鎖緊，當(dāng)然這也就要求楔形塊的加工精度相對較高。配合前應(yīng)先畫線以確保配合的精度。保證活塞的活動空間的準(zhǔn)確性。 圖9 由圖9可知，由于氣缸筋板結(jié)構(gòu)所限，如果要右邊再設(shè)置進(jìn)氣口，結(jié)構(gòu)會顯得比較復(fù)雜。我們就沒有采用原先所提到的兩邊點(diǎn)火爆發(fā)做功。而改為單邊爆發(fā)做功，即只是在左邊設(shè)置火花塞位置及進(jìn)氣口位置。 4.2.2 燃燒室的設(shè)計(jì) 在介紹燃燒室的設(shè)計(jì)之前，我們先來看看壓縮比對燃燒室設(shè)計(jì)的影響。氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比，即為壓縮比。通常用符號ε表示。ε=Va/Vc。如圖10所示，Va為活塞位于右止點(diǎn)時，活塞左側(cè)的整個空間；Vc為活塞位于左止點(diǎn)時，活塞左側(cè)的空間。壓縮比是發(fā)動機(jī)一個很重要的參數(shù)。它反映了在壓縮沖程中氣缸內(nèi)的可燃混合氣體被壓縮的程度。排量相同的發(fā)動機(jī)，壓縮比越高，做功沖程時膨脹能力就越強(qiáng)，輸出功率也越大。汽油機(jī)壓縮比一般為6-10[10]。在此我們選用壓縮比為8。由此我們可以看出，在氣缸總體積一定的情況下，壓縮比的大小關(guān)系到燃燒室的大小。 圖10 燃燒室的形狀和尺寸對內(nèi)燃機(jī)的性能有很大的影響。對燃燒室有兩點(diǎn)基本要求：第一是結(jié)構(gòu)要緊湊，散熱面積小以減少散熱損失，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短以減少爆燃傾向；第二是其形狀要使混合氣在壓縮終了時產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臄_流，以提高燃燒速率，保證混合氣體得到及時和完全燃燒。此外燃燒室做成扇形狀有利于力的分布均勻，減少活塞振動對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生影響，如左圖所示。參考樣機(jī)的設(shè)計(jì)，我們可將燃燒室的角度設(shè)為110。這樣由第一章燃燒比設(shè)為8可知，氣缸的總?cè)莘e為8*11=880。我們只要再設(shè)計(jì)出扇形活塞的角度即可將兩楔形塊的位置確定出來，從而完成氣缸的尺寸設(shè)計(jì)。 4.2.3 活塞連桿組的設(shè)計(jì) （1）．扇形活塞的設(shè)計(jì) 考慮到力如果從主軸輸出的話，主軸的尺寸就會顯得比較大，整個結(jié)構(gòu)都會因此而顯得比較龐大，為此我們將搖桿定在活塞上，即將活塞銷置于活塞上的小孔內(nèi)（活塞銷孔）。因此活塞一方面隨著氣體的壓力，一方面又要將力通過活塞銷傳給連桿。它直接承愛高溫高壓的燃?xì)鈮毫?，并在氣缸中高速往?fù)運(yùn)動。圖11為活塞的示意圖： 圖11 參考樣機(jī)的設(shè)計(jì)以及考慮活塞的強(qiáng)度要求，我們先將扇形活塞的角度定為600左右，其寬度與氣缸寬度一致均為60mm。扇形活塞下方的直板為掃氣板，其作用就是將氣體充分地掃進(jìn)燃燒室內(nèi)。而為了便于實(shí)現(xiàn)活塞與活動缸壁的密封，我們將扇形活塞與活動缸壁做成一體，因此我們從上圖中便可看出，扇形活塞后加一突出的圓盤即為活動缸壁。由于還要在活動缸壁上加工出環(huán)槽用以密封，因此，缸壁的半徑取100mm，厚度取20mm，缸壁的半徑?jīng)Q定了氣缸臺階的半徑也為100mm。掃氣板由于也要開密封槽，厚度也取20mm。而扇形活塞內(nèi)徑則依主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，這在下面的設(shè)計(jì)中再做介紹。 （2）．搖桿長度的設(shè)計(jì) 扇形活塞上半部有一小孔即為活塞銷孔?；钊N孔中心到扇形活塞中心的距離即為搖桿的長度。由扇形活塞的受力可知，扇形活塞的側(cè)面受到力作用。其力的作用中心約位于扇型活塞直徑的2/3處，即是65mm*2/3＝43.3mm考慮到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的簡單和連桿與主軸的干涉，取大值，定為46mm。這樣在整個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長度就出來了。 （3）．扇形活塞材料的選擇 由于活塞承受高溫氣體的加熱，一般最高燃燒溫度高達(dá)1200度以上，活塞側(cè)面最高溫度達(dá)300-400度，這會使材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降。同時，活塞在氣缸中高速運(yùn)動，活塞與氣缸壁之間摩擦嚴(yán)重。因此扇形活塞最好用強(qiáng)度高、重量輕、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好的材料制造。鑄鐵活塞雖有強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，但重量大，導(dǎo)熱性差，所以在中小型高速內(nèi)燃機(jī)中很少采用。鋁合金活塞重量輕，導(dǎo)熱性好，用于中小型高速內(nèi)燃機(jī)可以滿足強(qiáng)度要求，因而應(yīng)用非常廣泛。但是，其主要缺點(diǎn)卻是熱膨脹系數(shù)大。 （4）．扇形活塞與氣缸的間隙 活塞在高速擺動時，要求活塞與氣缸頂壁間有恒定的最佳間隙，以減小摩擦和磨損。如果間隙過小，由于鋁合金膨脹系數(shù)大，內(nèi)燃機(jī)熱車時活塞會在氣缸中卡住。反之，間隙過大，內(nèi)燃機(jī)冷車時密封效果就會大打折扣[11]。為此我們參考了目前廣泛使用的最佳間隙量后，對活塞頂壁的尺寸公差及制造精度做出了確定。 （5）．扇形活塞的密封 既然氣缸與活塞之間留有間隙，若不加以密封，氣缸中的氣體會向排氣口漏氣，造成壓縮壓力降低，發(fā)動機(jī)性能變壞。另外，氣缸與活塞 之間多余的機(jī)油，若不刮掉，就會串入燃燒室燒掉，使耗油增加，產(chǎn)生燃燒室嚴(yán)重積碳、排氣冒藍(lán)煙等不良現(xiàn)象。為了解決這個問題，我們在活塞頂部裝有密封環(huán)。而為了便于實(shí)現(xiàn)活塞與活動缸壁的密封，我們將扇形活塞與活動缸壁做成一體，如上圖所看到的圓盤狀外形，這樣就省去了活塞與活動缸壁的密封問題，而我們只要在“活動缸壁”上開一些槽，用以密封扇形活塞與氣缸即可。在此為了很好地密封，我們采用雙密封環(huán)進(jìn)行密封，這樣加上扇形活塞頂壁的密封環(huán)密封，就可以將扇形活塞與外界很好地隔開。 （6）．密封環(huán)的設(shè)計(jì) 密封環(huán)按其功用不同分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)用來密封氣缸，并將活塞頂部的熱量傳給氣缸壁由冷卻水散走。油環(huán)是用來刮掉氣缸頂壁多余的機(jī)油，并使機(jī)油在氣缸壁上分布均勻，改善氣缸與活塞的潤滑條件[12]。 氣環(huán)切有開口，具有彈性，在自由狀態(tài)下的外徑大于氣缸直徑。將氣環(huán)裝入氣缸之后，在彈力作用下其外圓表面緊貼在氣缸頂壁上，活塞左右擺動時密封環(huán)的上下端面緊壓在槽的相應(yīng)端面上，所以只有通過微小的開口間隙泄漏，其漏氣量在高速燃機(jī)中是微乎其微的。氣缸內(nèi)的氣體穿過第一密封環(huán)后壓力降低到20%，穿過每二環(huán)后壓力降低到7.6%，穿過第三環(huán)后壓力就更小了，環(huán)后的背壓使密封環(huán)更加貼緊氣缸頂壁，氣缸內(nèi)氣體壓力越高，密封就越可靠。 氣環(huán)能夠防止氣體從氣缸漏氣，但不能防止機(jī)油串入燃燒室。因?yàn)闅猸h(huán)在活塞槽中左右留有間隙，背后也有間隙，以防止它在受熱膨脹時卡死在槽中。但是，這些間隙的存在，又產(chǎn)生了新的矛盾---氣環(huán)泵油現(xiàn)象。 當(dāng)活塞向左運(yùn)動時，在環(huán)與氣缸頂壁之間的摩擦力和環(huán)的慣性力作用下，使環(huán)壓緊在槽的右端面，而其左面則充滿機(jī)油。當(dāng)活塞向右運(yùn)動時，環(huán)壓向槽的右端，并把機(jī)油向左擠。如此反復(fù)，便將機(jī)油壓入燃燒室，這種現(xiàn)象稱為氣環(huán)的泵油作用。 油環(huán)就是為了解決這個矛盾而設(shè)置的。如圖10的左視圖所示，油環(huán)外圓柱端面上車出一道槽，槽底加工出穿通的狹縫或許多小孔，當(dāng)油環(huán)隨活塞向下動動時，油環(huán)外圓如象刀口一樣，便將氣缸壁上多余的機(jī)油刮下，使之經(jīng)狹縫或小孔流向活塞銷。 從上述密封環(huán)的工作原理中可以看出，它處在高溫、高壓、高速以及潤滑極其困難的條件下工作，尤其是第一環(huán)的工作條件更為嚴(yán)重。密封環(huán)在使用中磨損嚴(yán)重，彈性也不易保持，結(jié)果會失去封氣和刮油作用。這種矛盾的存在，促使密封環(huán)的結(jié)構(gòu)不斷向前發(fā)展。因此，密封環(huán)的工作可靠性和使用耐久性，是我們觀察和了解密封環(huán)的結(jié)構(gòu)以及在使用中必須要注意的問題[13]。 （7）．密封環(huán)材料的選擇 密封環(huán)一般用耐溫、耐磨的優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵或合金鑄鐵（含有鎳，鉻，鉬，鎢等合金元素）。工作條件最差的第一道環(huán)的工作表面，一般都進(jìn)行多孔性鍍鉻，多孔性鍍鉻層硬度高，并能貯存少量機(jī)油以改善潤滑條件，使環(huán)的使用壽命提高2—3倍。其余環(huán)一般鍍錫以改善磨合性能。 （8）．活塞銷的設(shè)計(jì) 活塞銷是圓柱形零件，用以連接活塞和連桿，并把活塞所承受的力傳給連桿，活塞銷中部穿過連桿小頭孔而兩端則支承在活塞銷座孔中，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，活塞銷在連桿小頭中和活塞銷座中都自由轉(zhuǎn)動，所以這種連接方式，稱為“浮式”連接。活塞銷的軸向移動，用活塞銷擋圈來限位[14]。 從活塞銷的功用中可以看出，它的強(qiáng)度和剛度要大，表面就耐磨，重量盡可能要輕，為此，通常采取以下兩點(diǎn)措施： ①.活塞銷用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，活塞銷表面經(jīng)熱處理提高硬度后進(jìn)行精磨加工，使形狀精確，表面光潔，以提高耐磨性。 ②.活塞銷做成空心圓柱體，使重量輕，但強(qiáng)度和剛度下降不多。其中部比兩端厚，這是因?yàn)榛钊N中部負(fù)荷比兩端重的原因，但這樣內(nèi)孔加工比較麻煩。 由于扇形活塞的半徑一定程度上限制了活塞銷的外徑，再此我們?nèi)∑渲睆綖檎麛?shù)20mm，而考慮到上面所提到的加工問題，我們將內(nèi)孔做成直通孔，直徑為14mm。而其長度則依據(jù)扇形活塞的寬度取180mm。 活塞銷在活塞銷座的裝配及尺寸如圖12所示， 圖12 發(fā)動機(jī)工作時，活塞銷與銷座之間應(yīng)有適當(dāng)間隙，一般為0.015-0.02mm[15]。若間隙過大會產(chǎn)生敲擊聲，加劇磨損。但是，由于鋁合金銷座孔的熱膨脹比活塞銷大，因此安裝活塞銷于銷座孔時，應(yīng)有一定的過盈，才能保證在高溫工作時有正常的間隙。安裝時先將活塞銷加熱至70-80度，然后若用手能把活塞銷輕輕推入，說明配合適當(dāng)。 （9）．連桿的設(shè)計(jì) 連桿是用來連接活塞和曲軸，將活塞所受的力傳給曲軸，并把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?？梢?，連桿是受力運(yùn)動零件，要求重量輕，強(qiáng)度和剛度大。因此連桿常用優(yōu)質(zhì)鋼或合金鋼材模鍛制造[16]。由于連桿為四桿機(jī)構(gòu)的一部件，因此其尺寸與四桿機(jī)構(gòu)的每一個部件的尺寸關(guān)系密切,我們先來求出四桿機(jī)構(gòu)的尺寸。 下面我們來用做圖法確定四桿機(jī)構(gòu)尺寸： 連桿為四桿機(jī)構(gòu)的一部件，因此其尺寸與四桿機(jī)構(gòu)的每一個部件的尺寸關(guān)系密切。由前面已確定的燃燒比及氣缸的工作容積，我們可作出四桿機(jī)構(gòu)傳動示意圖，如圖13所示， 圖13 扇形活塞的擺動角度為770，搖桿的長度為46mm，考慮到曲柄安放位置與氣缸外壁的干涉，我們將其中心拉遠(yuǎn)一點(diǎn)，這樣就要求搖桿的擺放位置進(jìn)行校核，其角度為630，這樣我們楔形塊的位置也就可以確定出來，具體角度在零件圖中均有標(biāo)出。我們的極位夾角取00，這樣延長搖桿的連線使之與水平線相交就可確定出曲軸中心的位置。中心距隨之確定，為180mm?？紤]曲軸慣性力不應(yīng)太大及四桿機(jī)構(gòu)的桿長定理[17]，取曲柄長為30mm。這樣連桿的長度則為177mm。至此本設(shè)計(jì)中最為重要的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸已全部設(shè)計(jì)出來。 連桿的構(gòu)造，由小頭、桿身、大頭三部分組成。如圖14所示， 圖14 連桿小頭用來安裝活塞銷，小頭孔內(nèi)壓有襯套，襯套一般用耐磨性好的錫青銅制造。近年來我國廣泛采用鐵基粉末冶金來制造襯套，其耐磨性好，制造成本也低。由于連桿置于氣缸外部，潤滑效果將受到一定的影響。為了潤滑活塞銷與襯套，在小頭和襯套中鉆孔，一定時間以后就朝孔內(nèi)壓力機(jī)油以潤滑。活塞銷與襯套之間留有適當(dāng)?shù)呐浜祥g隙，若間隙過小潤滑困難，間隙過大會產(chǎn)生沖擊聲并加劇磨損。一般活塞銷涂上機(jī)油后，用大拇指的力能壓入襯套中，即為合適的間隙[18]。 連桿桿身是連接小頭和大頭的部位。為了既減輕重量，又保證連桿有足夠的強(qiáng)度和剛度，一般桿身做成工字形斷面。 連桿大頭與曲柄銷相連接，一般都做成可分的，被分開的部分（連桿蓋），用連桿螺栓與連桿大頭固緊。為了潤滑連桿大頭，也在桿身處鉆有一個小孔，通過向里面擠壓機(jī)油進(jìn)行潤滑。 （10）．連桿大頭軸瓦的設(shè)計(jì) 連桿大頭孔中裝有連桿軸瓦，它是1.5-2mm的鋼帶上繞有減磨合金的薄壁零件。由于連桿軸瓦承受負(fù)荷大，它與曲柄銷之間滑動速度高，減磨合金應(yīng)是機(jī)械強(qiáng)度高、減磨性能好的材料。即在潤滑油不足時仍能使摩擦和磨損小。而廣泛應(yīng)用的是用巴氏合金作為減磨合金。連桿軸瓦如圖15所示， 圖15 為了防止軸瓦的工作可靠性和使用壽命，通常采取以下措施： 為了防止軸瓦在工作時松動，軸瓦上制有凸鍵，安裝時凸鍵置于連桿大頭相應(yīng)的凹槽內(nèi)。軸瓦與瓦座要緊貼合，以免軸瓦松動，散熱不良而燒損軸瓦。為此軸瓦在座中其一端與座的分開面對齊時，軸瓦的另一端高出座的分開面0.05mm左右。當(dāng)擰緊連桿螺栓時，軸瓦與瓦座因過盈而使配合很好的貼緊[19]?？梢?，連桿螺栓的擰緊扭矩、連桿螺栓的強(qiáng)度和剛度，都直接影響連桿軸瓦的工作可靠性。連桿螺栓常用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，安裝時按一定的擰緊扭矩?cái)Q緊。為防止螺栓松動，連桿螺栓一般用的是開口銷鎖緊。 軸瓦與曲柄銷之間具有最佳的配合間隙，并以一定的壓力將機(jī)油送入間隙中進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。間隙過小曲軸在軸瓦中會卡住，即通常所說的包瓦現(xiàn)象，間隙過大會產(chǎn)生沖擊和加劇磨損。使用中由于磨損間隙過大時，要重新調(diào)整間隙，為此連桿大頭分開面通常裝有墊片，減少墊片就會使間隙縮小。 4.2.4 曲軸的設(shè)計(jì) 曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要的零件之一，發(fā)動機(jī)的全部功率都通過它輸出。設(shè)計(jì)時要充分考慮以下三個方面： (1).曲軸是在不斷周期變化的氣體壓力、往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量慣性力、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量慣性力以及它們的力矩（扭矩和彎矩）共同作用下工作。這些變力使曲軸既扭轉(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。所以在設(shè)計(jì)曲軸時要使曲軸具有足夠的疲勞強(qiáng)度，特別要注意強(qiáng)化應(yīng)力集中部位和設(shè)法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象。 (2).曲軸的主軸頸在實(shí)際工作中并不能總保證液體潤滑，尤其當(dāng)潤滑油不潔凈時，曲軸軸頸表面遭到強(qiáng)烈的磨料磨損。所以曲軸的主要摩擦表面——主軸頸要有一定的耐磨性能，同時要保證盡可能好的潤滑條件。 (3).如果曲軸彎曲剛度不足，就會大大惡化活塞、連桿、軸承等重要零件的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性，甚至使軸承座局部超負(fù)荷。曲軸扭轉(zhuǎn)剛度不足則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)震動，引起噪音，甚至使曲軸上的齒輪等傳動件加速磨損，重則使曲軸斷裂。所以，應(yīng)保證曲軸有盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。 但是，所有的這些要求都應(yīng)該在輕結(jié)構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)，特別是不平衡的質(zhì)量要盡可能小，以免設(shè)置沉重的平衡塊。因此曲軸常用優(yōu)質(zhì)鋼制成。示意圖如圖16所示： 圖16 曲軸的長度主要是由發(fā)動機(jī)的整體結(jié)構(gòu)定出來的，這可由做圖法得出。由于功率不是特大，再者參考了樣機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸，我們可取主軸頸的直徑為25mm，大家可能看到了一般曲軸的主軸頸是緊貼著曲柄臂的，而上圖所示的曲軸則是主軸軸頸緊鄰著一軸肩，這主要是由于為了防止總體機(jī)構(gòu)干涉而將主軸頸移走的結(jié)果。但這就不影響曲軸的結(jié)構(gòu)性。其余各主要尺寸均在綜合考慮總體結(jié)構(gòu)要求及受力情況合況下做出的。具體可參見曲軸零件圖。 主軸頸是曲軸的支承部位，安裝在軸承中，合上軸承座后用螺栓固緊。曲柄銷用來安裝連桿大頭，經(jīng)曲柄銷同主軸頸連接。主軸頸和曲柄銷表面是曲軸的重要部分，為了提高它的耐磨性，通常采取以下措施：主軸頸和曲柄銷表面經(jīng)熱處理提高硬度之后進(jìn)行精磨，其尺寸精確，表面光潔。 主軸頸與主軸承座之間裝有軸承。主軸承座上開有小孔，是用來強(qiáng)制將機(jī)油送入軸承座內(nèi)部進(jìn)行潤滑的。為了減輕重量和減少曲軸旋轉(zhuǎn)時曲柄銷產(chǎn)生的離心力，曲柄銷一般都做成空心。 曲柄臂用來連接主軸頸與曲柄銷。有的內(nèi)燃機(jī)曲柄臂上加有平衡重，平衡重的作用是平衡連桿大頭、曲柄臂等產(chǎn)生的離心力和活塞連桿組零件直線運(yùn)動質(zhì)量產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，減輕內(nèi)燃機(jī)的振動。而為了防止曲軸軸向串動，曲軸前端有軸向定位裝置。主軸承座兩邊各有一片一面澆有巴氏合金的止推片。澆有巴氏合金的一面都朝向主軸承座內(nèi)側(cè)。止推片有凸鍵置于主軸承蓋的凹槽中，使之防止轉(zhuǎn)動。止推片與曲柄臂之間軸向間隙為0.05-0.25mm[20]。 4.3 主軸的設(shè)計(jì) 本發(fā)動機(jī)所設(shè)計(jì)出來的主軸主要用于支承兩個扇形活塞。同時承受小部分的載荷，活塞大部分的載荷都作用在了活塞銷上，再通過連桿傳遞給曲柄輸出。但是還是要求主軸具有一定的強(qiáng)度和足夠的剛度，以保證扇形活塞工作時保持正確幾何形狀以及正確的配合關(guān)系。假如剛度不夠，就會使扇形活塞與氣缸的配合間隙過大，影響密封性能，從而造成氣缸內(nèi)壓縮壓力降低，發(fā)動機(jī)性能變壞，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)癱瘓，不能工作。因此我們選用優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造。主軸中間要留有水道，以便于冷卻水進(jìn)入活塞內(nèi)孔進(jìn)行冷卻?；诖宋覀兛纱笾伦龀鍪疽鈭D如圖17所示： 圖17 水道應(yīng)先全部鉆通后，再用金屬堵住圖中封閉處。與扇形活塞配合處的尺寸按扇形活塞的內(nèi)徑去做即可，但其尺寸精度要求相當(dāng)高，再有就是位置精度要求也較高，這也給加工帶來了一定的困難。軸徑最大處主要是用于定位左右兩氣缸用的，其尺寸決定了兩氣缸的相對位移以及連桿的寬度，可定為50mm。這樣再減掉又端蓋厚度之后仍有30mm的寬度，這已經(jīng)可以滿足連桿的強(qiáng)度要求了。主軸各主要尺寸及公差要求可參照主軸零件圖。 4.4 氣缸端蓋及軸承蓋的設(shè)計(jì) 4.4.1氣缸端蓋 缸蓋的設(shè)計(jì)是按照氣缸體的配合要求進(jìn)行的,在設(shè)計(jì)中,力求簡單。但是注意考慮以下幾點(diǎn)要求： （1）．配合要求：氣缸端蓋與氣缸的配合，氣缸端蓋與軸承的配合。 （2）．密封要求：氣缸端蓋與氣缸的密封，氣缸端蓋與軸承蓋的密封 （3）．冷卻水道的布置 由此我們初步設(shè)計(jì)如下氣缸端蓋的示意圖如圖18所示： 圖18 首先在配合要求上，缸蓋與活塞的密封是靜配合，但是其端面直接與扇形活塞相接觸，為了減少摩擦就要求其端面尺寸精度要求較高一些。而與軸承端蓋的配合就要考慮怎樣防止水流進(jìn)軸承里面，因此尺寸精度也有相應(yīng)的要求。所有的端蓋的連接均靠螺栓鎖定。 其次密封方面，氣缸端蓋與氣缸的密封采用的墊片是雙金屬層的金屬粘覆密封墊片，能耐高溫，密封性能好；而與軸承端蓋的密封采用的是“O”型橡膠圈密封，密封性能好，不會造成冷卻水泄漏到軸承里面去，影響軸承的使用性能及壽命。 最后水道的布置在氣缸端蓋上，呈環(huán)形分布，因?yàn)樵谏刃位钊麛[動時，會與氣缸端蓋進(jìn)行摩擦，以及可燃?xì)怏w燃燒時產(chǎn)生熱量。因此這一側(cè)屬于高溫區(qū)，至于冷卻水的循環(huán)，將在下文的冷卻系統(tǒng)中做詳細(xì)介紹。氣缸端蓋具體尺寸請參照零件圖紙。 4.4.2軸承端蓋 為了防止軸承在承受軸向負(fù)荷時產(chǎn)生軸向移動，軸承在軸上和外南寧孔內(nèi)都應(yīng)用軸向定位裝置。軸承在軸上和外殼孔內(nèi)定位方式的選擇，取決于作用在軸上負(fù)荷的大小和方向，軸承的轉(zhuǎn)速，軸承的類型，軸承在軸上的位置等。軸向負(fù)荷越大，軸承轉(zhuǎn)速越高，軸向定位應(yīng)越可靠。端蓋定位用于所有類型的向心軸承和角接觸軸承，在軸承轉(zhuǎn)速較高、軸向負(fù)荷較大的情況下使用。端蓋用螺釘定位壓緊軸承外圈，端蓋也可以做成迷宮式的密封裝置。 軸承端蓋主要是為了密封軸承而設(shè)計(jì)的，但他還起到了密封水道的功能，因此需要采用“O”型橡膠圈密封，防止冷卻水泄漏到軸承里面去。 示意圖如圖19所示： 圖19 其中上通孔為進(jìn)水口，冷卻水由此進(jìn)在氣缸端蓋水道內(nèi)環(huán)流一周后從下出水口流出。 軸承端蓋具體的設(shè)計(jì)請參見軸承軸承端蓋零件圖，在此就不詳細(xì)畫出。 4.5 裝配草圖 現(xiàn)在我們活動缸壁雙聯(lián)缸式擺動發(fā)動機(jī)的大體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，下面我們就來看看總的裝配示意圖，如圖20、圖21和圖22。詳細(xì)的總裝配圖請見附錄。 圖20——主視圖 圖21——俯視圖 圖22——左視圖 5 潤滑系統(tǒng) 5.1 潤滑的作用與設(shè)計(jì)要求 內(nèi)燃機(jī)潤滑系統(tǒng)的主要作用是將一定數(shù)量的清潔潤滑油送到各摩擦部位，以潤滑、冷卻和凈化摩擦表面。一個良好的潤滑系統(tǒng)必須具備以下幾個條件： ⑴．有布置合理的油路，使內(nèi)燃機(jī)所有的摩擦部位都能得到潤滑。 ⑵．當(dāng)內(nèi)燃機(jī)在允許的工況和環(huán)境條件下，在內(nèi)燃機(jī)允許的傾斜范圍內(nèi)，仍有適當(dāng)?shù)臐櫥蛪毫Α囟群妥銐虻难h(huán)油量，以保證摩擦表面的潤滑。 ⑶．進(jìn)入摩擦部位的潤滑油應(yīng)清潔。 ⑷．內(nèi)燃機(jī)一經(jīng)啟動，各摩擦部位應(yīng)能夠立即充滿潤滑油。也可在啟動前將潤滑油預(yù)先壓入各摩擦部位進(jìn)行潤滑。 5.2 幾種常見的潤滑方式 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)類型和潤滑部位不同，采用不同的潤滑方式，主要有以下5種： ⑴．壓力循環(huán)潤滑 即潤滑油是在機(jī)油泵作用下以一定的壓力注入摩擦部位。常用于承受較大負(fù)荷的摩擦表面，如軸承、軸套等。 ⑵．飛濺潤滑 潤滑油濺于摩擦表面上。常用于那些壓力送油難以到達(dá)，或承受負(fù)荷不大的摩擦部位，如氣缸壁、齒輪、凸輪等。 ⑶．油霧潤滑 油霧附著于摩擦表面周圍，積多后滲入摩擦部位。常用于承受負(fù)荷較小或相對運(yùn)動速度不大的摩擦部位，如氣門調(diào)整、螺釘球頭、氣門桿頂端與搖臂之間等處。 ⑷．壓力間歇潤滑 潤滑油在微量機(jī)油泵作用下定期注入摩擦部位。常用于曲軸箱掃氣二沖程發(fā)動機(jī)的軸承及大型柴油機(jī)氣缸壁等。 ⑸．摻混潤滑 潤滑油以一定比例摻混在汽油中，在燃料經(jīng)化油器時呈霧狀進(jìn)人曲軸箱，借此摻混的油霧來潤滑摩擦部位。常用于摩托車和其他小型曲軸箱掃氣二沖程汽油機(jī)的摩擦部位。 除了個別情況采用單一的潤滑方式(例如二沖程摩托車汽油機(jī)采用摻混潤滑)外，大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)的潤滑系統(tǒng)都是采用壓力循環(huán)潤滑、飛濺潤滑和油霧潤滑的復(fù)合形式。這是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)是各類機(jī)械中潤滑條件最困難的一種。 5.3 潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 對于作者設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)而言，我們主要考慮幾個主要相對運(yùn)動的零件潤滑，即連桿、主軸與主軸軸承、扇形活塞、曲軸與曲軸軸承的潤滑。 ⑴.連桿潤滑 由于整個連桿裸露在氣缸體的外面，因此不能采用通常的飛濺方式潤滑，只能在定期地往連桿注油孔擠壓機(jī)油進(jìn)行潤滑。雖然這種潤滑效果比較差，但是由于此發(fā)動機(jī)還處于試驗(yàn)階段，不會作大負(fù)荷長時間的工作，基于結(jié)構(gòu)簡單考慮后還是采用此法。我們可以在連桿大頭及小頭內(nèi)挖一個小的儲油槽，以便更大程度上地減少注油次數(shù)，提高效率。當(dāng)然今后我們可以對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將整個連桿機(jī)構(gòu)并入一個氣缸體內(nèi)。 ⑵.主軸與主軸軸承的潤滑 對于主軸與支承主軸的主軸軸承來說，由于主軸軸承所受到的力比較簡單的，不會特別大。再加上我們在氣缸端蓋上設(shè)有水道，故如果要在氣缸端蓋上開專門的潤滑油路，還要考慮水的密封問題，這樣整個結(jié)構(gòu)又會顯得比較復(fù)雜。因此我們暫定為定期將軸承端蓋打開，朝滾動軸承添加黃油或機(jī)油進(jìn)行潤滑即可。 ⑶.曲軸與曲軸軸承的潤滑 對于曲軸軸承來說，我們在設(shè)計(jì)軸承座的時候已經(jīng)在軸承座的上蓋預(yù)置了螺紋孔，這樣我們便可在軸承座上安裝油杯。我們只須隨著需要朝軸承座里添加潤滑機(jī)油。而曲軸銷的潤滑剛可從連桿上得到潤滑 ⑷.扇形活塞的潤滑 在氣缸內(nèi)扇形活塞的潤滑方面，采用的是摻混潤滑，和上述所提到的二沖程摩托車的發(fā)動機(jī)一樣，把機(jī)油和汽油以一定的比例混合，就可以對活塞起到潤滑作用。而且也省去了開通油道的煩惱。所以對于本設(shè)計(jì)整個發(fā)動機(jī)而言，潤滑方式有濺油潤滑又有摻混潤滑，故屬于復(fù)合潤滑方式。雖然說潤滑效果及效率不是很好，但能滿足通常的要求即可。 由于潤滑系統(tǒng)只是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的一個輔助構(gòu)件，因此在設(shè)計(jì)時可能會略顯簡單點(diǎn)。但由于我們只是對新產(chǎn)品開發(fā)的初步探討。勢必會有不合理的地方，這將在今后的改進(jìn)中進(jìn)行重新考慮。 6 冷卻系統(tǒng) 發(fā)動機(jī)工作時，燃燒氣體的最高溫度達(dá)1800-2200度，使直接與燃燒氣體相接觸的零件如活塞、氣缸端蓋、氣缸等強(qiáng)烈受熱。如果不采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，將會產(chǎn)生一系列嚴(yán)重后果： (1)．各受熱件將要達(dá)到很高的溫度，使金屬的強(qiáng)度顯著下降，以致發(fā)生變形破 壞。 (2)．零件受熱后要膨脹。溫度越高，膨脹量越大，以致破壞零件之間的正常 合間隙。常見的活塞卡列在氣缸中的現(xiàn)象，溫度太高就是其中一個主要原因。 (3)．潤滑油在高溫下容易氧化變質(zhì)，使粘度降低，不利于摩擦表面形成油膜，潤滑油使用期限縮短，消耗量增加。 (4)．新鮮氣體進(jìn)入氣缸之前受到高溫機(jī)件的加熱后，比容增加，每次被吸入氣缸的氣體重量減少，使內(nèi)燃機(jī)功率下降，而且還會導(dǎo)致混合氣體燃燒不正常。 由此可見，不進(jìn)行冷卻，內(nèi)燃機(jī)就不能正常工作，所以冷卻系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)正常工作所必需的。但是，過度冷卻也是極其有害的。因?yàn)閷?zhí)量散發(fā)到大氣中去，必然消耗一部分燃料所發(fā)出的熱能，這就會降低內(nèi)燃機(jī)的輸出功率。不僅如此，內(nèi)燃機(jī)在過冷的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時，可燃混合氣體不能很好地形成和燃燒；機(jī)油在低溫時粘度增高，零件運(yùn)動的摩擦阻力增加。降低零件的使用壽命。 因此，冷卻系統(tǒng)的作用就是保持內(nèi)燃機(jī)最適宜工作的溫度范圍。采用水冷卻時，冷卻水溫度應(yīng)在80-90攝氏度之間；采用空氣冷卻時，鋁氣缸壁的允許溫度為150-180攝氏度，鋁氣缸蓋則為160-200攝氏度。本文主要采用的冷卻方法為水冷卻。 6.1 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)水冷卻系統(tǒng)的組成 水冷卻系統(tǒng)是用水做為介質(zhì)冷卻內(nèi)燃機(jī)，然后再將熱傳給空氣。這種冷卻方法的優(yōu)點(diǎn)是：冷卻比較均勻。目前用得最為廣泛的水冷卻采用的是強(qiáng)制循環(huán)式的水冷卻。它主要是由以下幾個部件組成的： ⑴.散熱器 散熱器的功用是將水的熱量散發(fā)給外界大氣，因此必須有足夠的散熱面積，并用導(dǎo)熱性好的材料制造。 ⑵.風(fēng)扇 風(fēng)扇通常裝在散熱器后面。風(fēng)扇放置時，把散熱器周圍的熱空氣抽走，冷空氣通過散熱器芯部提高了散熱器的散熱能力，使流過芯部的冷卻水很快得到冷卻。 ⑶.水泵 水泵與風(fēng)扇安裝在同一根軸上，它的功用是迫使冷卻水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)作循環(huán)流動。目前在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用最廣泛的是離心式水泵，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、排量大、工作可靠。當(dāng)水泵因故障而停止工作時，其結(jié)構(gòu)不妨礙水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)的自然循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。 ⑷.冷卻強(qiáng)度的調(diào)整裝置 在強(qiáng)制循環(huán)式水冷卻系統(tǒng)中，可用節(jié)溫器來改變流過散熱器的冷卻水的循環(huán)量，以自動調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度。一般節(jié)溫器安裝在氣缸蓋出水口處。 6.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性，我們只在主軸上、活塞內(nèi)孔以及在氣缸端蓋上留出水道，而沒有在裝配圖上繪制出強(qiáng)制循環(huán)式水冷卻所必需的水泵、散熱器以及風(fēng)扇。 1. 氣缸端蓋的冷卻 冷卻水的走向見圖23所示(氣缸端蓋實(shí)體按逆時針旋轉(zhuǎn)90度后所形成的圖形)。 圖23 由上圖我們可知,冷卻水從端蓋的上方進(jìn)入，流經(jīng)整個氣缸端蓋內(nèi)腔后從端蓋下方流出。這樣可以很好地對氣缸端蓋及扇形活塞壁進(jìn)行冷卻。 2.扇形活塞內(nèi)部的冷卻 主軸及扇形活塞內(nèi)部冷卻水的流向如圖24所示 圖24 由上圖,我們可以清楚地看到,冷卻水經(jīng)主軸左端水道流入,流經(jīng)扇形活塞內(nèi)腔后又進(jìn)入主軸水道,流向另一扇形活塞內(nèi)腔。最后從主軸右端水道流出。 七 總結(jié) 通過將近三個月的艱心分析和設(shè)計(jì)，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)也已接近尾聲。在這次發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多東西，畢竟對于自己這次設(shè)計(jì)是從零開始的、從小到大、從不會到自己設(shè)計(jì)的一個新過程，也是鍛煉自己的一個好機(jī)會。在設(shè)計(jì)過程中的許多曾經(jīng)從未涉及的問題對我來說無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)，以擺動活塞式發(fā)動機(jī)的工作原理以及大學(xué)四年機(jī)械專業(yè)知識為理論基礎(chǔ)，和莫愛貴副教授在設(shè)計(jì)過程中對我的悉心指導(dǎo)及自己查閱大量的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的資料。如機(jī)械設(shè)計(jì)手冊、圖冊、內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造及一些關(guān)于發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文，并時常向同學(xué)討論、探討，最終完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 當(dāng)然，由于作者的知識、設(shè)計(jì)水平有限，設(shè)計(jì)中必然會存在不少問題，如有關(guān)發(fā)動機(jī)的裝配以及氣缸等零件的加工工藝方面的常識性、經(jīng)驗(yàn)性的問題還有待解決。尤其是發(fā)動機(jī)裝配需要特別說明：由于發(fā)動機(jī)氣缸結(jié)構(gòu)所限，我們只能將主軸軸承裝在氣缸端蓋上，這樣在裝配主軸時就會涉及到裝配精度與裝配工藝的問題。這就要求在裝配時花費(fèi)較多的時間與精力。這也是日后我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)時首要考慮的地方。 通過這次設(shè)計(jì)，我已經(jīng)基本掌握了發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的大概思路和基本步驟。也使我對發(fā)動機(jī)的工作原理和性能有了更深的理解，提高了我對發(fā)動機(jī)的認(rèn)識。同時也提高了我的自學(xué)能力、查閱資料能力和綜合設(shè)計(jì)能力，相信所有這些對自己以后走入社會參加工作都會有很大的幫助，都是一些很重要的經(jīng)驗(yàn)和財(cái)富。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 西安交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教研室.內(nèi)燃機(jī)原理.北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981 [2] 吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教研室.內(nèi)燃機(jī)理論與設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1977 [3] [日]長尾不二夫，馮中，萬欣譯.內(nèi)燃機(jī)原理與柴油機(jī)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984 [4] 北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.第三版，第2卷.化學(xué)工業(yè)出版社.1993.5 [5] 蔣德明.高等內(nèi)燃機(jī)原理.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002 [6] 吉林工業(yè)大學(xué)汽車教研室.汽車構(gòu)造.上冊.北京：人民交通出版社，1990 [7] 喬啟宇.張壁光.內(nèi)燃機(jī).北京：高等教育出版社，1985 [8] 蔚藍(lán).轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的發(fā)展前景.汽車情報，1990 [9] 楊道蔭等.多種燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)現(xiàn)狀與前瞻.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2001 [10] 長沙鐵道學(xué)院.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理.上冊.中國鐵道出版社.1981.7 [11] [西德]H.梅梯格，高宗英等譯.高速內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981 [12] 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其次我還非常感謝那些以一定方式影響本論文的論述思想的作者、提供參考文獻(xiàn)的作者和邵陽學(xué)院圖書館的工作人員，為