內容提要內燃機的發(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。內燃機是發(fā)動機的一種。發(fā)動機是把某種形式的能轉變?yōu)闄C械能的機器。發(fā)動機是汽車、拖拉機、飛機和船舶等動力機械的動力之源，是它們的“心臟” ，其性能是決定這些機器使用性能好壞的關鍵。往復式發(fā)動機由于受自身結構的限制，已經不太適用于高轉速、大功率的工作場合。通過對往復式發(fā)動機與旋轉式發(fā)動機的結構特點與工作原理進行對比分析后。作者試求設計一種能夠結合往復式發(fā)動機與旋轉式發(fā)動機特點于一身的新型發(fā)動機——擺動活塞式發(fā)動機。首先，針對擺動活塞式發(fā)動機的工作原理進行設計與分析。這種新型發(fā)動機既具備傳統(tǒng)發(fā)動機的曲柄連桿機構，又具備了旋轉式發(fā)動機的旋轉特性。它利用扇形活塞轉子在一定角度范圍內旋轉的擺動，通過活塞銷帶動曲柄連桿機構的運動，最終將力傳到曲軸上作為動力輸出。其次，針對擺動活塞式發(fā)動機的總體結構進行設計。即主要針對發(fā)動機的重要傳動機構——曲柄連桿機構進行結構分析與設計，其中包括發(fā)動機氣缸、燃燒室、活塞連桿組以及曲軸等部件的結構設計與分析。最后，借鑒目前廣泛使用的發(fā)動機輔助機構——冷卻系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)。對冷卻與潤滑系統(tǒng)的結構及部件進行分析介紹，以致能充分完善發(fā)動機的總體結構。關鍵詞：發(fā)動機；擺動式發(fā)動機；掃氣作用；浮式連接；包瓦現象；平衡重Content summaryThe internal combustion engine invention, has led the automobile development, on brings the enormous convenience for the common people in “the line“, causes the basement distance to reduce, people's working speed can enhance. The internal combustion engine is the engine one kind. The engine is can transform some kind of form into the mechanical energy machine. The engine is power generator the and so on automobile, tractor, airplane and ships source of power, is they “the heart“, its performance is decides these machine operational performance qualities the key. The reciprocation type engine as a result of own structure limit, not too is already suitable for the high rotational speed, the high efficiency work situation.Through carries on the contrast analysis after the reciprocation type engine and the rotary system engine unique feature and the principle of work. The author tries to ask to design one kind to be able to unify the reciprocation type engine and the rotary system engine characteristic——swings the piston engine in a body new engine.First, in view of swings the piston engine principle of work to carry on the design and the analysis. This kind of new engine both has the traditional engine crank link motion gear, and has had the rotary system engine turning performance. It uses the fan-shaped piston rotor in certain angle scope internal rotation swinging, through the piston pin impetus crank link motion gear movement, finally passes to the strength on the crank to take the dynamic output.Next, in view of swings the piston engine overall structure to carry on the design. Namely mainly aims at the engine the important transmission system ——crank link motion gear to carry on the structure analysis and the design, including part and so on engine cylinder, combustion chamber, piston linkage as well as crank structural design and analysis.Finally, model at present widespread use engine auxiliary body ——cooling system and lubrication system. To cools carries on the analysis introduction with the lubrication system structure and the part, so that can fully consummate the engine the overall structure.Key word：Engine ；Oscillating engine；Sweeps is mad the function；Floating type connection；Package of tile；Phenomenon Counterbalance目 錄內容提要……………………………………………………………………IContent summary………………………………………………………II1 前言 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 內燃機的概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 選題的背景 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2 往復發(fā)動機基本工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 2.1 二沖程發(fā)動機工作原理及換氣過程 ????????????????????????????????????????????????????????????????3 2.2 四沖程發(fā)動機工作原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 3 擺動活塞式發(fā)動機工作原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 3.1 工作原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????63.2 曲柄搖桿機構傳動分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????94 擺動活塞式發(fā)動機結構設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????124.1 傳統(tǒng)發(fā)動機的組成結構介紹 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????124.2 曲柄連桿機構的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????124.3 主軸的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????224.4 氣缸端蓋及軸承蓋的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????234.5 裝配草圖 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????245 潤滑系統(tǒng) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????275.1 潤滑的作用與設計要求 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????275.2 幾種常見的潤滑方式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????275.3 潤滑系統(tǒng)的設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 6 冷卻系統(tǒng) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 6.1 傳統(tǒng)發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)的組成 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????29 6.2 冷卻系統(tǒng)的設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 7 總結 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 致 謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 附 錄 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 - 4 -前 言內燃機的發(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的發(fā)展，又使汽車發(fā)動機如虎添翼，成為高新技術的集成。汽車用內燃機作動力并發(fā)展成為支柱產業(yè)，在歷史上有幾次革命性的進步，第一次是石油作為內內燃機的燃料，這使發(fā)動機擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎上的固定式發(fā)動機，從而邁向移動式的車用動力。第二次革命是汽車生產的工業(yè)化。第三次是電子技術與發(fā)動機技術相結合。電子技術最初在汽油機上的應用是實現電子點火，然后到電控燃油噴射，至今天點火和噴射的集成管理。短短幾十年，發(fā)動機成為高新技術的集成。無論是燃油經濟性、動力性、廢氣排放水平等等，是任何一種其他動力機械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術發(fā)揮的作用。汽車內燃機是通過燃料的燃燒，把燃料的化學能轉化為熱能，再將熱能轉化為機械功的熱動力機械。熱力學、燃燒學和機械學的理論分析表明，內燃機是熱效率最高的熱力機械，但仍存在著巨大的節(jié)能及降低尾氣污染的潛力。- 5 -1 內燃機1.1 內燃機的概述內燃機是發(fā)動機的一種。發(fā)動機是把某種形式的能轉變?yōu)闄C械能的機器。能夠將燃料中的化學能經過燃燒轉變?yōu)闊崮?，并通過一定的結構使之再轉化為機械能的發(fā)動機也稱為熱機。內燃機是熱機的一種，他區(qū)別于其他形式熱機的特點，是燃料在機器內部燃燒，燃料燃燒時放出大量的熱量，使燃燒后的氣體膨脹推動機械做功。燃氣是實現熱能向機械能轉化的媒介物質，這種媒介物質稱為工作介質 [1]。發(fā)動機可以根據不同的特征來分類：⑴ 按所用燃料分 有汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機和其他代用燃料發(fā)動機。汽油發(fā)動機是用電火花強制點燃由汽油與空氣組成的可燃混合氣，使之燃燒并產生熱能，故汽油機又稱強制點火式發(fā)動機。柴油機使用的柴油是直接噴入發(fā)動機氣缸，在高溫高壓條件下自燃而產生熱能，故柴油機又稱壓燃式發(fā)動機。⑵ 按完成一個工作循環(huán)所需要的活塞沖程數分 有四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機。⑶ 按結構特點分 有水冷發(fā)動機和風冷發(fā)動機；單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機。多缸發(fā)動機根據各缸的排列方式，又有直列式發(fā)動機和“V”形發(fā)動機等。汽車發(fā)動機大多采用水冷式多缸發(fā)動機。⑷ 按活塞的運動方式分 有往復活塞式發(fā)動機和旋轉發(fā)動機。往復活塞發(fā)動機的活塞為上下運動，旋轉發(fā)動機的活塞是旋轉的 [2]?，F代汽車用的內燃機絕大多數為往復活塞式內燃機。為了方便敘述我們對各種型式的內燃機都簡稱為內燃機或發(fā)動機。本文主要介紹的便是在旋轉活塞式發(fā)動機上進行改造，而得出的擺動活塞式發(fā)動機，其工作沖程為二沖程。發(fā)動機是汽車、拖拉機、飛機和船舶等機器的動力源，是它們的“心臟” ，其性能是決定這些機器使用性能好壞的關鍵。往復機已有百年的歷史了，經過長期使用和發(fā)展，到目前，不論是二沖程還是四沖程，可以說已經達到了比較完善的程度。它的最大優(yōu)點是經濟可靠，因此在工農業(yè)和交通運輸業(yè)中，一直占據主要地位。- 6 -1.2 選題的背景眾所周知，往復機的基本結構方案，是利用曲軸連桿機構，將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動。由于活塞的往復運動所造成的慣性力和慣性力矩，不能得到完全平衡，這是往復機結構本身存在的缺陷。這些不平衡的力和力矩，隨著發(fā)動機轉速的提高而急劇增大，作用在發(fā)動機軸承上的慣性負荷顯著增加，并引起振動和噪音的增大。特別是隨著發(fā)動機不斷向高速發(fā)展時，活塞連桿機構和氣閥機構表現出明顯的弊病。同時，活塞的平均速度，由于受到現有金屬材料性能的限制，通常不得超過允許值，也限制了往復機向高速方向發(fā)展。加之往復機的運動機構復雜，這些因素是往復機進一步提高功率、降低重量（和體積）的嚴重障礙。而旋轉發(fā)動機機與往復式發(fā)動機比較，它的優(yōu)點是：結構簡單，體積小，重量輕，發(fā)動機振動很小，動轉平穩(wěn)，此外制造成本也比較低。特別是在要求發(fā)動機高轉速大功率的使用場合，轉子發(fā)動機的優(yōu)越性就更為突出。但是，轉子發(fā)動機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一步提高等等?；谝陨蠋追N原因，我們希望有一種發(fā)動機能夠一定程度上結合了旋轉發(fā)動機與往復發(fā)動機的優(yōu)點。即具有旋轉發(fā)動機的旋轉特性，也具有往復機的曲柄連桿機構。它能夠利用旋轉特性很好地解決曲柄連桿機構存在的慣性力問題，而且根除了四桿機構的急回特性。而正在此時，老師向我們提出了晉江某企業(yè)已經設計出了一種擺動發(fā)動機，而且做成了樣機，還成功發(fā)動起來。只是這個樣機結構設計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)動機具有較好的市場開拓前景，我們在對樣機的理解上大膽地提出了改進與創(chuàng)新。而所有的這些我們都將在下面的文章中做出詳細的說明。- 7 -2 往復發(fā)動機基本工作原理2.1 二沖程發(fā)動機工作原理及換氣過程汽油機是將汽油和空氣混合成可燃混合氣，然后進入氣缸用電火花點燃。首先，我們以曲柄軸箱掃氣二沖程發(fā)動機為例說明一下二沖程汽油機的工作過程。二沖程汽油機的工作沖程如下：2.1.1 工作原理（1） ．第一沖程 活塞自下止點向上移動，三個氣孔被關閉后，在活塞上方，已進入氣缸的可燃混合氣體被壓縮；而活塞下方的曲柄軸箱內因容積增大，形成一定的真空度，在進氣孔露出時，可燃混合氣體自化油器經進氣孔流入曲柄軸箱內。（2） ．第二沖程 活塞壓縮到上止點附近時，火花塞點燃混合氣體，高溫高壓的燃氣膨脹，推動活塞下移做功?；钊乱谱龉r進氣孔關閉，密閉在曲軸箱內的可燃混合氣體沖入氣功，驅除廢氣，進行換氣過程。此過程一直進行到下一沖程活塞上移，三個氣孔完全關閉為止?？傊?，活塞上行時進行換氣、壓縮、曲柄軸箱進氣；活塞下行時進行做功、壓縮曲柄軸箱混合氣體、換氣。2.1.2 二沖程發(fā)動機的換氣過程二沖程發(fā)動機與四沖程發(fā)動機相比，由于省去單獨的進排氣沖程，必須在下死點前后很短的時間內同時進行進排氣，進排氣的時間差不多只有四沖程發(fā)動機的三分之一，因此，必須用有壓力的新氣清除氣缸內的廢氣，稱為掃氣作用。如果在此期間，有可能把廢氣完全驅除，而用新鮮氣充滿氣缸，則與同樣大小同樣轉速的四沖程發(fā)動機相比，可使功率增大 50%-70%。但如掃氣作用進行得不好，在氣缸中殘留下很多廢氣，與新氣混合，而且新氣中相當一部分進入氣缸后并沒有留在缸內，而在掃氣期間短路經過排氣口流出缸外的話，則由于氣缸內空氣不足（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，新氣中含有燃料，短路溜走的燃料又會造成浪費。這樣會使燃料消耗率增高很多，而且排氣污染更嚴重 [3]。由此可見，對二沖程發(fā)動機來說，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，實際的混合氣體濃度將很稀，經常由于缺火使工作不穩(wěn)定，有時也會因為壓縮過量，溫度過高而發(fā)生爆燃。小負荷由于進氣節(jié)流，缺火會特別嚴重，甚至變成兩轉爆發(fā)一次，像四沖程那樣。由于二沖程的汽化器式發(fā)動機經濟- 8 -性較差，如果能采用汽油直接噴射即可大大改善指標（燃料消耗可下降 1/4 左右） 。二沖程原理應用于柴油機，效果顯著。排氣口一經開啟，膨脹過程就告結束，因此排氣口應盡可能晚開啟，但是它應保證掃氣孔緊跟著它開啟時，氣缸內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)動機的實際壓縮比低于幾何壓縮比。實際壓縮比應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該減去一個排氣口的相對角度。掃氣口的開啟時間也應該從類似的考慮確定。應該注意的是，換氣過程中氣體的流量不僅是活塞的位置的函數，而且是時間的函數，故發(fā)動機的轉速越高，氣口相對高度或擺動活塞發(fā)動機的排氣相對角度就要越大。至于掃氣口和排氣口的關閉時間，如果掃氣孔比排氣孔先關，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，掃氣口后開后關 [4]。2.2 四沖程發(fā)動機工作原理四沖程汽油機的每個工作循環(huán)均經過如下四個沖程：（1） ．進氣沖程 在這個沖程中，進氣門開啟，排氣門關閉，氣缸與化油器相通，活塞由上止點向下止點移動，活塞上方容積增大，氣缸內產生一定的真空度?？扇蓟旌蠚怏w被吸入氣缸內?；钊兄料轮裹c時，曲軸轉過半周，進氣門關閉，進氣沖程結束。（2） ．壓縮沖程 進氣沖程結束后，進氣門、排氣門同時關閉。曲軸繼續(xù)旋轉，活塞由下止點向上止點移動，活塞上方的容積減少，進入到氣缸內的可燃混合氣體被壓縮，使其溫度、壓力升高?；钊缴现裹c時，壓縮沖程結束。（3） ．做功沖程 當壓縮沖程臨近終了時，火花塞發(fā)出電火花，點燃可燃混合氣體。由于混合氣體迅速燃燒膨脹，在極短的時間內壓力可達到 3-5MPa，最高溫度約為 2200-2800K。高溫、高壓的燃氣推動活塞迅速下行，并通過連桿使曲柄旋轉而對外做功。在做功沖程中，活塞自上止點移至下止點，曲軸轉至一周半。隨活塞向下運動，活塞上方容積增大，燃氣溫度、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]。當活塞到達上止點時，排氣門關閉、曲軸轉至兩周，完成一個工作循環(huán)。由此可見，四沖程發(fā)動機經過進氣、壓縮、做功、排氣四個過程，完成一個工作循環(huán)。- 9 -這期間活塞在上、下止點間往復移動了四個沖程，相應的曲軸旋轉了兩周。由上面的分析我們可以看出二沖程與四沖程汽油機不同，即二沖程汽油機曲軸每轉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)動機的功率應該等于四沖程發(fā)動機的二倍。和四沖程發(fā)動機相比，由于做功頻率較快，因而運轉比較均勻平穩(wěn)。而且結構簡單。但是二沖程發(fā)動機換氣過程中新鮮氣體損失較多，廢氣排放也不徹底，而且氣孔占據了一部分活塞沖程，做功時能量損失較大，經濟性較差。本文主要是針對二沖程汽油機進行設計的。- 10 -3 擺動活塞式發(fā)動機工作原理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)動機的工作原理。如圖 1 所示，我們可以看出活塞在氣缸內大致裝配位置（環(huán)狀缸體即為氣缸；扇形狀為活塞，我們稱為扇形活塞） 。當扇形活塞逆時針擺動至死點時，可燃性混合氣體已經被壓縮在左燃燒室內。經火花塞點火后，壓縮氣體爆炸產生作用力，推動扇形活塞向右擺動，發(fā)動機開始工作。此時左儲氣室開始進氣。右工作室進氣已經完畢，右氣門關閉。圖 1- 11 -圖 2 為扇形活塞運轉過一定角度之后，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，左工作室開始進氣。右工作室則繼續(xù)壓縮。- 12 -圖 3圖 4 為扇形活塞繼續(xù)順時針擺動至死點，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完成。右工作火花塞點火，右儲氣室進氣開始。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)進氣，且開始增壓。左工作室開始壓縮，左氣門關閉。- 13 -圖 5圖 6 為扇形活塞繼續(xù)逆時針擺動，右工作室已經開始排氣，右儲氣室與工作室已經貫通，壓縮氣體進入右工作室，右氣門保持開啟。左工作室繼續(xù)壓縮，左氣門保持關閉。此時工作沖程接近完畢，最后擺動至左死點，即圖 1 所示位置，而后按圖 1 說明完成一次往復熱循環(huán)運動。圖 6從以上原理圖我們可以看出二沖程擺動發(fā)動機機主要有以下優(yōu)點：每轉做功，因此升功率較大（約為四沖程汽油機的 1.5--1.6 倍） ，運轉比較平穩(wěn)；而且構造較簡單，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，所以熱負荷較高 [6]。因此二沖程擺動發(fā)動機可以較多地應用在摩托車和一些小型機具上，或用作某些柴油機的起動機。3.2 曲柄搖桿機構傳動分析- 14 -擺動活塞發(fā)動機的傳動是依靠一個曲柄搖桿機構，通過燃料在燃燒室中燃燒，推動扇形活塞在氣缸內一定范圍角度內作往復的擺動，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動，實現從熱能向機械能的轉換（如圖 7） ?；钊趤砘財[動一個過程中，帶動曲軸轉動一周。圖 71．極位夾角曲柄搖桿機構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。 當曲柄以等角速度 ω1 順時針轉過ａ1=180+θ 時，搖桿將由位置 C1D 擺到C2D，其擺角為 φ，設所需要時間為 t1，C 點的平均速度為 v1；當曲柄繼續(xù)轉過α2=180— θ 時，搖桿又從位置 C2D 回到 C1D，擺角仍然是 φ，設所需要時間為t2，C 點的平均速度為 V2。由于曲柄為等速轉動，而 α1α2，所以有t1t2,v2v1。搖桿的這種運動性質成為急回特性（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致活塞擺動運動慣性力的增大，降低傳動的穩(wěn)定性，所以發(fā)動機設計中應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，即曲柄回轉中心在搖桿兩- 15 -極位時 C1，C2 的延長線上。在設計總體機構時應該盡量考慮采用無急回特性的機構（如圖 1 所示） ，如果受到總體方案的限制，也應該采用小的極位夾角，并且使急回沖程做功的運動，而更有利于傳遞動力。本設計所采用的 θ 角即為零度。這也就較好地解決了一部分慣性力問題。2．傳動角四桿機構中，主動件 AB 經連桿傳遞到從動件 CD 上 C 點的力 F 的方向與 C 點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構在此位置的傳動角。傳動角越大，對機構的傳力則越有利。一般要保證最小傳動角≥40~50 度，這樣才能使機構有良好傳動性。對于曲柄搖桿機構，最小傳動角在主動件曲柄與機架共線的兩位置之一。傳動角與各桿的長度有關。- 16 -4 擺動活塞式發(fā)動機結構設計4.1 傳統(tǒng)發(fā)動機的組成結構介紹傳統(tǒng)往復發(fā)動機一般由以下幾個機構和系統(tǒng)組成：⑴. 曲柄連桿機構 曲柄連桿機構由活塞組、連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。此機構的作用是把活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動。該機構與機體組零件工作關系比較密切，比如氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱等在工作時的關系非常密切，再結構分析時常把他們放在一起，組成廣義的曲柄連桿機構。⑵．配氣機構 它的作用是按照發(fā)動機的各個缸的工作順序，定時的開啟和關閉各缸的進氣門和排氣門，以保證新鮮氣體及時進入氣缸，廢氣及時排出氣缸。它是由氣門組、傳動組和驅動組組成。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外。⑷. 冷卻系統(tǒng) 其功用是吸收內燃機工作中受熱零件的多余熱量并及時散發(fā)出去，保證內燃機各部位在最適宜的溫度范圍內工作。水冷系統(tǒng)一般由水箱、水套、水泵、風扇、散熱器、節(jié)溫器等組成。風冷系統(tǒng)由散熱片、風扇、導流罩等組成。⑸. 潤滑系統(tǒng) 其作用是將潤滑油輸送到內燃機各運動部件的摩擦表面，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。主要包括機油泵、機油濾清器、機油散熱器、機油壓力表、機油溫度表和閥門、潤滑油道等。(6).點火系統(tǒng) 它是汽油機特有的一個系統(tǒng)。其功能就是在一定的時刻產生電火花，點燃氣缸內的可燃混合氣。由于我們所設計的為二沖程汽油機，而且利用吸氣口與排氣口就能控制空氣的進與出，因此沒有給它配備專門的配氣機構。本文主要考慮的是曲柄連桿機構的設計，再輔以冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)的設計 [7]。- 17 -4.2 曲柄連桿機構的設計曲柄連桿機構是內燃機借以實現將熱能轉變?yōu)闄C械能的最主要的機構，它的零件可分為固定件與運動件兩類。固定件包括氣缸端蓋、氣缸墊、氣缸體等。運動件包括活塞連桿組和曲軸飛輪組。活塞連桿組由活塞、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)動機的曲柄連桿機構進行分析設計：4.2.1 氣缸的設計氣缸是內燃機中重要部位，氣缸中裝有活塞，活塞在氣缸中高速往復運動。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]。為了保持結構的簡易性，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。為了保證主要機構工作可靠，氣缸和軸承的尺寸和相對位置都加工得比較精確。參考樣機的設計，我們暫時將氣缸的內徑設為 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)質鑄鐵，這種材料機械強度高，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面所包圍的空間，就是擺動發(fā)動機的燃燒室。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，當然這也就要求楔形塊的加工精度相對較高。配合前應先畫線以確保配合的精度。保證活塞的活動空間的準確性。- 18 -圖 9由圖 9 可知，由于氣缸筋板結構所限，如果要右邊再設置進氣口，結構會顯得比較復雜。我們就沒有采用原先所提到的兩邊點火爆發(fā)做功。而改為單邊爆發(fā)做功，即只是在左邊設置火花塞位置及進氣口位置。4.2.2 燃燒室的設計在介紹燃燒室的設計之前，我們先來看看壓縮比對燃燒室設計的影響。氣缸總容積與燃燒室容積之比，即為壓縮比。通常用符號 ε 表示。ε=Va/Vc。如圖 10 所示，Va 為活塞位于右止點時，活塞左側的整個空間；Vc 為活塞位于左止點時，活塞左側的空間。壓縮比是發(fā)動機一個很重要的參數。它反映了在壓縮沖程中氣缸內的可燃混合氣體被壓縮的程度。排量相同的發(fā)動機，壓縮比越高，做功沖程時膨脹能力就越強，輸出功率也越大。汽油機壓縮比一般為 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，壓縮比的大小關系到燃燒室的大小。圖 10燃燒室的形狀和尺寸對內燃機的性能有很大的影響。對燃燒室有兩點基本要求：第一是結構要緊湊，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生適當的擾流，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)動機性能產生影響，如左圖所示。參考樣機的設計，我們可將燃燒室的- 19 -角度設為 110。這樣由第一章燃燒比設為 8 可知，氣缸的總容積為 8*11=880。我們只要再設計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計。4.2.3 活塞連桿組的設計（1） ．扇形活塞的設計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，整個結構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（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氣壓力，并在氣缸中高速往復運動。圖 11 為活塞的示意圖：圖 11參考樣機的設計以及考慮活塞的強度要求，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燃燒室內。而為了便于實現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，缸壁的半徑決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。而扇形活塞內徑則依主軸進行設計，這在下面的設計中再做介紹。（2） ．搖桿長度的設計扇形活塞上半部有一小孔即為活塞銷孔。活塞銷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，扇形活塞的側面受到力作用。其力的作- 20 -用中心約位于扇型活塞直徑的 2/3 處，即是 65mm*2/3＝43.3mm 考慮到機構設計數據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構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 1200 度以上，活塞側面最高溫度達 300-400 度，這會使材料的機械強度顯著下降。同時，活塞在氣缸中高速運動，活塞與氣缸壁之間摩擦嚴重。因此扇形活塞最好用強度高、重量輕、熱膨脹系數小、導熱性好的材料制造。鑄鐵活塞雖有強度高，熱膨脹系數小等優(yōu)點，但重量大，導熱性差，所以在中小型高速內燃機中很少采用。鋁合金活塞重量輕，導熱性好，用于中小型高速內燃機可以滿足強度要求，因而應用非常廣泛。但是，其主要缺點卻是熱膨脹系數大。（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大，內燃機熱車時活塞會在氣缸中卡住。反之，間隙過大，內燃機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)動機性能變壞。另外，氣缸與活塞 之間多余的機油，若不刮掉，就會串入燃燒室燒掉，使耗油增加，產生燃燒室嚴重積碳、排氣冒藍煙等不良現象。為了解決這個問題，我們在活塞頂部裝有密封環(huán)。而為了便于實現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)的設計密封環(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油，并使機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- 21 -下端面緊壓在槽的相應端面上，所以只有通過微小的開口間隙泄漏，其漏氣量在高速燃機中是微乎其微的。氣缸內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，但不能防止機油串入燃燒室。因為氣環(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，又產生了新的矛盾---氣環(huán)泵油現象。當活塞向左運動時，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，而其左面則充滿機油。當活塞向右運動時，環(huán)壓向槽的右端，并把機油向左擠。如此反復，便將機油壓入燃燒室，這種現象稱為氣環(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油刮下，使之經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)的工作條件更為嚴重。密封環(huán)在使用中磨損嚴重，彈性也不易保持，結果會失去封氣和刮油作用。這種矛盾的存在，促使密封環(huán)的結構不斷向前發(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)的結構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，一般都進行多孔性鍍鉻，多孔性鍍鉻層硬度高，并能貯存少量機油以改善潤滑條件，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） ．活塞銷的設計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，內燃機運轉時，活塞銷在連桿小頭中和活塞銷座中都自由轉動，所以這種連接方式，稱為“浮式”連接?；钊N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，它的強度和剛度要大，表面就耐磨，重量盡可能- 22 -要輕，為此，通常采取以下兩點措施：①.活塞銷用優(yōu)質鋼材制造，活塞銷表面經熱處理提高硬度后進行精磨加工，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，但強度和剛度下降不多。其中部比兩端厚，這是因為活塞銷中部負荷比兩端重的原因，但這樣內孔加工比較麻煩。 由于扇形活塞的半徑一定程度上限制了活塞銷的外徑，再此我們取其直徑為整數 20mm，而考慮到上面所提到的加工問題，我們將內孔做成直通孔，直徑為 14mm。而其長度則依據扇形活塞的寬度取 180mm?；钊N在活塞銷座的裝配及尺寸如圖 12 所示，圖 12發(fā)動機工作時，活塞銷與銷座之間應有適當間隙，一般為 0.015-0.02mm[15]。若間隙過大會產生敲擊聲，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。（9） ．連桿的設計 連桿是用來連接活塞和曲軸，將活塞所受的力傳給曲軸，并把活塞的往復直線運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動?？梢?，連桿是受力運動零件，要求重量輕，強度和剛度大。因此連桿常用優(yōu)質鋼或合金鋼材模鍛制造 [16]。由于連桿為四桿機構的一部件，因此其尺寸與四桿機構的每一個部件的尺寸關系密切,我們先來求出四桿機構的尺寸。下面我們來用做圖法確定四桿機構尺寸：連桿為四桿機構的一部件，因此其尺寸與四桿機構的每一個部件的尺寸關系密切。由前面已確定的燃燒比及氣缸的工作容積，我們可作出四桿機構傳動示意圖，如圖 13 所示，- 23 -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，我們將其中心拉遠一點，這樣就要求搖桿的擺放位置進行校核，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]曲軸慣性力不應太大及四桿機構的桿長定理 [17]，取曲柄長為 30mm。這樣連桿的長度則為 177mm。至此本設計中最為重要的四桿機構的尺寸已全部設計出來。連桿的構造，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壓力機油以潤滑?；钊N與襯套之間留- 24 -有適當的配合間隙，若間隙過小潤滑困難，間隙過大會產生沖擊聲并加劇磨損。一般活塞銷涂上機油后，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，通過向里面擠壓機油進行潤滑。（10） ．連桿大頭軸瓦的設計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荷大，它與曲柄銷之間滑動速度高，減磨合金應是機械強度高、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的凹槽內。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)質鋼材制造，安裝時按一定的擰緊扭矩擰緊。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油送入間隙中進行強制潤滑。間隙過小曲軸在軸瓦中會卡住，即通常所說的包瓦現象，間隙過大會產生沖擊和加劇磨損。使用中由于磨損間隙過大時，要重新調整間隙，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 曲軸的設計- 25 -曲軸是發(fā)動機中最重要的零件之一，發(fā)動機的全部功率都通過它輸出。設計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、往復運動質量慣性力、旋轉運動質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又彎曲，產生疲勞應力狀態(tài)。曲軸形狀復雜，應力集中現象相當嚴重。所以在設計曲軸時要使曲軸具有足夠的疲勞強度，特別要注意強化應力集中部位和設法緩和應力集中現象。(2).曲軸的主軸頸在實際工作中并不能總保證液體潤滑，尤其當潤滑油不潔凈時，曲軸軸頸表面遭到強烈的磨料磨損。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荷。曲軸扭轉剛度不足則可能在工作轉速范圍內產生強烈的扭轉震動，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，應保證曲軸有盡可能高的彎曲剛度和扭轉剛度。但是，所有的這些要求都應該在輕結構的條件下實現，特別是不平衡的質量要盡可能小，以免設置沉重的平衡塊。因此曲軸常用優(yōu)質鋼制成。示意圖如圖 16 所示：圖 16曲軸的長度主要是由發(fā)動機的整體結構定出來的，這可由做圖法得出。由于功率不是特大，再者參考了樣機的設計尺寸，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- 26 -鄰著一軸肩，這主要是由于為了防止總體機構干涉而將主軸頸移走的結果。但這就不影響曲軸的結構性。其余各主要尺寸均在綜合考慮總體結構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熱處理提高硬度之后進行精磨，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，是用來強制將機油送入軸承座內部進行潤滑的。為了減輕重量和減少曲軸旋轉時曲柄銷產生的離心力，曲柄銷一般都做成空心。曲柄臂用來連接主軸頸與曲柄銷。有的內燃機曲柄臂上加有平衡重，平衡重的作用是平衡連桿大頭、曲柄臂等產生的離心力和活塞連桿組零件直線運動質量產生的往復慣性力，減輕內燃機的振動。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側。止推片有凸鍵置于主軸承蓋的凹槽中，使之防止轉動。止推片與曲柄臂之間軸向間隙為 0.05-0.25mm[20]。4.3 主軸的設計本發(fā)動機所設計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，從而造成氣缸內壓縮壓力降低，發(fā)動機性能變壞，嚴重時還會導致發(fā)動機癱瘓，不能工作。因此我們選用優(yōu)質中碳鋼制造。主軸中間要留有水道，以便于冷卻水進入活塞內孔進行冷卻。基于此我們可大致做出示意圖如圖 17 所示：- 27 -圖 17水道應先全部鉆通后，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徑去做即可，但其尺寸精度要求相當高，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，這已經可以滿足連桿的強度要求了。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計4.4.1 氣缸端蓋缸蓋的設計是按照氣缸體的配合要求進行的,在設計中,力求簡單。但是注意考慮以下幾點要求：（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