200cc摩托车发动机设计

I 前 言 摩托车诞生至今已经有了 100 多年的历史。追根溯源，世界上第一辆摩托车当属 于 1869 年由法国人皮埃尔未肖制造出来的以蒸汽机为动力的两轮摩托车。以汽油 机为动力的摩托车则是于 1885 年由德国人戴姆勒创造的，命名为“单轨道号”。该 车发动机排量为 264ml，功率为 0.37kW，时速为 12km/h。这台发动机为单缸、风冷、 二冲程。 摩托车作为一种轻便快捷的交通工具，已越来越广泛地被人们所使用。随着国民 经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们的出行频率增多，活动范围不断扩大， 对交通工具的快速性、机动性和可靠性的要求也越来越高。 19 世纪 9O 年代至 20 世纪初，早期的摩托车由于采取了当时的新发明和新技术， 诸如充气橡胶轮胎、滚珠轴承、离合器和变速器、前悬挂避震系统、弹簧车座等，才 使得摩托车开始有了实用价值，在工厂批量生产，成为商品，这就是第二代摩托车， 即称为商品代的摩托车。如 1912 年，美国哈利公司生产的 X -8A 型单缸摩托车。当 时还没有解决变速器及传动系统，而是用皮带传动附在后轮上的大皮带轮，制动是通 过手柄拉动后闸皮来制动的。当时也没有解决后避震问题，前避震器有附在前叉上的 环套式简易避震装置。 2O 世纪 3O 年代之后，随着科学技术的不断进步，摩托车生产又采用了后悬挂避 凝震系统、机械式点火系统、鼓式机械制动装置、链条传动等。使摩托车又攀上了新 台阶，摩托车逐步走向成熟，广泛应用于交通、竞赛以及军事方面。这是摩托车的第 三阶段-成熟阶段。1936 年，美国哈利公司已能制造出水平较高的摩托车。该车采用 1000mL，OHV，27.93kW 的 V 型双缸发动机，最高时速达 150km/h。 摩托车的发展像一层层台阶，越向止发展越高级。1885 年的原始摩托本摆在第一 层的地面上。第二层是世界首批生产的摩托车，这是 1894 年德国的双缸四冲程发动 机的摩托自行车，共生产了 1000 辆。第三层是 20 世纪 30 年流行的竞赛摩托车，此 的的摩托车已经具备实用的功能了。第四层是 20 世纪 70 年代之后的现代豪华摩托车。 该图不仅表明了摩托车发展的四个阶段，还配置四个阶段的车辆驾驶者的不同的装束。 20 世纪 70 年代之后，摩托车生产又采用了电子点火技术、电启动、盘式制动器、 流线型车体护板等，以及 9O 年代的尾气净化技术、ABS 防抱死制动装置等，使摩托车 II 成为造型美观、性能优越、使用方便、快速便当的先进的机动车辆，成为当代地球文 明的重要标志之一。尤其是大排量豪华型摩托车已经把当今汽中先进技术移植到摩托 车上，使摩托车达到炉火纯青的境界。摩托车的发展进入了第四阶段-鼎盛阶。 我国摩托车工业发展是快速、迅猛的。从 1980 年到 1990 年年产量从 4.9 万辆增 加到 97 万辆，年平均增长 34%，从 1990 年到 1995 年年产 783.61 万辆，平均增长速 度为 56.2%。目前，我国共有摩托企业 118 个，生产厂点 140 多个，分布在全国 27 个 省、市、自治区，生产 1069 种型号的产品。我国摩托车工业如此快速的发展，为社 会提供了大量的交通运输工具，基本满足了国内市场的需求，也一跃成为世界上最大 的摩托车生产国。 摩托车工业是我国超前发展起来的一个新型产业，在其快速发展的过程中也出现 了一些问题。这主要表现在产品的品种档次和技术含量与急剧增长的产量相比不协调， 没有形成自主的开发能力。发动机是摩托车的心脏，摩托车的发展离不开发动机的发 展。我国摩托车工业的一个突出问题就是摩托车发动机开发技术欠缺 。本课题就单 缸风冷摩托进行设计。 I 目 录 前 言 I 目 录 .I 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 摩托车发动机设计总论 1 1.1 摩托车发动机简介1 1.2 摩托车发动机主要设计指标和设计要求 2 1.2.1 摩托车发动机的主要设计指标 2 1.2.2 设计要求4 1.2.3 四冲程汽油发动机的工作原理5 第 2 章 热计算 .9 2.1 热计算流程图 .9 2.2 热力计算结果.15 第 3 章 活塞组的设计 16 3.1 活塞的设计.16 3.1.1 活塞的工作条件和设计要求.16 3.1.2 活塞的材料.17 3.1.3 活塞头部的设计.17 3.1.4 活塞顶和活塞断面.19 3.1.5 活塞裙部的设计.21 3.1.6 活塞裙部其它结构参数的设计.23 3.2 活塞销座与活塞销的设计.23 3.2.1 活塞销与销座的强度和刚度.24 3.2.2 活塞销座的设计.24 3.3 活塞环的设计.25 3.3.1 气环的密封作用.25 3.3.2 活塞环的计算.28 3.3.3 活塞环的材料.29 II 3.3.4 油环的设计.29 第 4 章 连杆组的设计 31 4.1 连杆的设计.31 4.1.1 连杆的工作情况.31 4.1.2 设计要求.31 4.1.3 连杆材料的选择 32 4.1.4 设计参数 32 4.2 连杆基本尺寸的确定.32 4.2.1 连杆长度的确立.32 4.2.2 连杆小头的结构设计 .32 4.2.3 连杆大头的结构设计 .33 4.2.4 连杆杆身的设计 .33 4.3 连杆的强度计算.34 4.3.1 质量估算 .34 4.4 连杆的强度和刚度校核 34 4.4.1 连杆长度的校核.34 4.4.2 连杆小头校核.35 4.4.3 连杆杆身的强度校核.39 4.4.4 连杆大头校核.40 第 5 章 曲轴设计 .42 5.1 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择.42 5.1.1 曲轴的工作条件和设计要求.42 5.1.2 曲轴的结构型式 42 5.1.3 曲轴的材料.42 5.2 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计.43 5.2.1 主轴颈.43 5.2.2 曲柄销.43 5.2.3 曲柄臂.43 5.2.4 轴颈过渡圆角半径.43 5.3 平衡重的设计 43 5.3.1 平衡重的设计.43 5.3.2 单缸发动机的平衡.44 III 5.4 油孔的位置和尺寸.44 5.5 曲轴两端的结构.44 5.6 曲轴的油封装置.45 5.7 曲轴的疲劳强度校核.45 5.7.1 作用于单元曲拐上的力和力矩.45 5.7.2 圆角的形状系数.46 5.7.3 形状系数a和应力集中系数k的关系 .47 5.7.4 名义应力的计算.47 第 6 章 配气机构的设计 51 6.1 配气机构总布置.51 6.1.1 配气机构的设计要求.51 6.1.2 配气机构的动作过程.51 6.1.3 配气机构的结构型式.51 6.1.4 气门通过能力.52 6.2 气门组的布置及结构设计 54 6.2.1 气门顶置式机构.54 6.2.2 气门导管.54 6.2.3 气门座.55 6.2.4 气门弹簧.55 6.3 凸轮轴的设计.55 6.3.1 凸轴的位置和传动.55 6.3.2 气门间隙和凸轮的缓冲段.56 第 7 章 缸盖和缸体结构设计 57 7.1 气缸盖.57 7.1.1 气缸盖的设计要求.57 7.1.2 气缸盖的散热.57 7.1.3 气缸盖散热片的布置.57 7.1.4 提高气缸盖刚度、强度的措施.58 7.2 气缸体.58 7.2.1 缸体结构设计.59 7.2.2 提高气缸套耐磨性的措施.59 第 8 章 润滑系统 .61 IV 8.1 内燃机用机油的性能及其选用 61 8.1.1 机油的主要性能指标.61 8.1.2 机油的选用.62 8.2 润滑系统的式况及对润滑系统的要求.62 8.3 润滑系统总体设计方案 62 8.3.1 润滑系统的总体布置选型.62 8.3.2 润滑系统的主要参数.63 8.3.3 曲轴箱通风和防爆.63 第 9 章 风冷系统设计 .64 9.1 风冷发动机的散热与散热片 64 9.1.1 从燃气向气缸内壁的传热.64 9.1.2 从气缸内壁向外壁的导热.64 9.1.3 从气缸外壁向冷却空气的传热.65 9.1.4 从气缸内燃气向气缸外冷却空气的总传热.65 9.1.5 散热片的传热.65 9.1.6 散热片的设计.66 9.2 散热片的传热计算.67 9.2.1 冷却介质必须带走的热量及所需冷却空气的估算.67 第 10 章 变速系统 .68 10.1 变速器的设计要求68 10.2 变速器的类型选择及布置方案68 10.2.1 主轴组合 .69 10.2.2 副轴组合 .69 10.2.3 换挡操纵机构69 10.2.4 启动装置69 10.2.5 对有级变速机构的要求70 结 论 .71 致 谢 .72 参考文献 73 附 录 .74 I 摘 要 本文主要介绍了单缸自然风冷式摩托车发动机的设计，其中包括结构设计、热力 学计算，零部件的尺寸及其强度、刚度计算，传热散热计算等。并对设计方案,零部 件的结构、工艺性及“三化”问题，以及密封结构及其效率进行了分析。由于热力学 计算过程复杂且计算量较大，故采用计算机 C 语言编程实现；为了降低制造成本，曲 轴连杆机构采用组合式曲轴和整体式连杆；配气机构采用效率较高的顶置式凸轮轴结 构，气门弹簧采用双弹簧。最后，阐述了本设计存在的问题及总结。 关键词：摩托车，发动机，活塞，曲轴，连杆 II Abstract In this paper,the design of the natural air cooling single cylinder motorcycle engine is mainly introduced,which includes the design of configuration、the computation of thermodynamics,and the calculation of the size and intensity and rigidity of accessories,and the calculation of heat transmitting and radiating and so on。Moreover, design scheme、the configuration and technics and “three” aspects of accessories，as well as airproof configuration and its efficiency are analysed detailedly.Because the calculation procedure of thermodynamics is very complicated and the calculation quantity is rather bulky,computer programme languageC is adopted to achieve it;in order to reduce the cost of manufacture, knockdown crank and holistic connecting rod are adopted in the crank connecting rod organization;OHC camshaft configuration which has upper efficiency is used in valve mechanism,and double springs are used as valve spring.In the end,the existing problems and conclusion of this design are illustrated briefly. Key Words：motorcycle，engine，piston crank，connecting rod，camshaft 1 第 1 章 摩托车发动机设计总论 1.1 摩托车发动机简介 摩托车发动机均是内燃机，其燃料是汽油。它是将燃料在气缸内燃烧后产生的化 学能（热能）转变为机械能。它普便采用化油器装置使空气和汽油形成的可燃混合气 充入气缸内。当混合气被活塞压缩到一定程度时，气缸内的火花塞电极间产生火花， 将已被压缩的混合气点燃。这时燃烧的气体迅速膨胀产生很高的压力，推动活塞连杆 作往复运动，通过曲柄连杆机构使曲轴旋转。再将发动机的动力经传动装置传给车轮， 变为车辆行驶的动力。 摩托车的发动机有单缸、双缸、三缸、四缸等。目前世界上功率最大的摩托车是 日本雅马哈摩托车制造公司生产的雅马哈 V-max 型摩托车，它采用水冷双顶置凸轮轴 四气门四缸的发动机，排量为 1198mL，功率达 110KW，居世界第一。 摩托车发动机的组成 曲柄连杆机构 气缸内的气体压力推动活塞连杆，再由连杆推动曲轴旋转，这 样使活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动，带动了后轮的旋转。 配气机构 使混合气及时吸入气缸，废气及时排出。 冷却系 是保持发动机能具有正常的工作温度。一般在摩托车上采用的是散热 片空气冷却方式。 润滑系 是在机件摩擦表面上供给润滑油，以减小机件运动时的摩擦阻力和磨 损。 燃料系 是保证按发动机的工作要求，以供给适合需要的混合气。它主要是靠 化油器来完成的。 点火系 是及时供给足够强度的电火花，以点燃气缸内的可燃混合气而产生动 力。 起动系 用来起动发动机，起动方式有惯性起动、电起动等。脚蹬起动属于惯 性起动。 2 1.2 摩托车发动机主要设计指标和设计要求 1.2.1 摩托车发动机的主要设计指标 1.动力性指标 1）功率和转速 在摩托车车型确定后，发动机排量亦大致确定，其功率和转速的具体数值要根据 用途而定，在设计任务书中常作为原始数据给出。 功率和其他参数的关系为 )( 300 kW inVp P se e 可见，提高功率的方法是提高发动机转速和平均有效压力，增加发动机n e p 排量，减少冲程数。提高转速以增加功率是摩托车发动机一贯采用的主要 s iV 措施，其转速一般在，四冲程发动机的最高转数达min/80006000r 以上，二冲程发动机达，转速的提高受到惯性力的增大，min/16000rmin/12000r 摩擦损耗功率和磨损增加，机械效率下降以及振动、噪声、可靠性等因素的制约。 增加平均有效压力，主要是靠改善燃烧过程，改进进气系统，增大充气效率， 降低机械损失等。 2）转矩及其相应转速 发动机转矩说明其做功能力，对摩托车起步、加速、爬坡等有很大影响，是 重要的动力性指标。转矩与功率的关系为： )(9550mN n P T e e 摩托车为追求高速性，常将最大转矩时的转速定得很高，与最大功率点转速较近， 转速一旦降低，输出功率也随之急剧下降，发动机转矩特性曲线比较陡峭。最大转矩 与最大功率时转矩的比值称为转矩适应系数，摩托车发动机=1.01.12。最大转 t t 矩时的转速与最大功率时的转速之比称为转速适应性系数，一般=0.651.0。 n n 2.经济性指标 发动机的经济性指标主要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时的燃料消耗重量。对 于固定工况使用的发动机是指标定功率时的燃油消耗率。对变工况使用的发动机，则 一般是指外特性曲线上的最低油耗率。如说某发动机的最低油耗率，则是指万有特性 上的最低油耗率。当然，万有特性上油耗区越宽广，则变工况使用的发动机的使用经 济性也越好。 3 降低油耗率的途径有二：一为提高发动机的指示功率，如改变燃烧，减小散热损 失等。二为提高机械效率，如减少机械损失等。 3.可靠性和耐久性指标 发动机工作可靠性是指在规定的运转条件下，具有持续工作，不致因故障而影响 正常运转的能力。可靠性指标是用在保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换非 主要零件数和主要零件数来考核的。对于可靠性指标高的发动机应在保证期内不发生 停车故障和更换主要或非主要零件的故障。 以下各零件被规定为主要零件：机体（包括机座、曲轴箱） 、油底壳、曲轴、齿 轮、凸轮轴、油泵凸轮轴、气缸盖、缸套、活塞、连杆、连杆轴瓦、连杆螺钉、活塞 销、进排气门、气门弹簧、摇臂、调速器弹簧、调速器飞块和销子、机油泵齿轮、活 塞环、油泵柱塞偶件、出油阀偶件。 发动机的耐久性指标常以寿命表示。它是指发动机从开始使用到第一次大修前累 计运转的小时数。发动机的大修期一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间， 此时发动机不能继续正常工作。 4.重量和外形尺寸指标 发动机的重量和外形尺寸指标是评价发动机结构紧凑性和对金属材料利用程度的 一个指标。不同用途的发动机对重量和外形尺寸指标的要求是迥然不同的。 衡量发动机重量指标的参数是比重量 gw gw=(kg/kW) e N G 式中 G 发动机净重，kg； Ne 发动机有效功率，kw。 在系列发动机中，随着气缸数的增多、转速的提高和平均有效压力的提高，发动 机的比重量降低。 发动机外形尺寸的紧凑性指标用体积功率 Nv来评价。 Nv =(kW/m3) V Ne 式中 V=发动机长宽高（m3）=发动机轮廓体积（m3） 有些国家用气缸每升排量所需的轮廓体积来表征发动机的紧凑性。 5.低公害指标人类环境保护对发动机提出的要求 由于发动机数量的大增，它的排放物和噪音等，直接威胁人类的安全。发动机排 出的有害气体（NOx 、CO 、HC 等）连同噪音、臭味等共同构成了人类环境的污染 源之一。 4 6.要求使用方便、好修、好造 发动机首先要求好用（包括前面五项指标） ，满足各种性能的要求，同时也要求 使用方便（操纵性好、起动性好） 、好修、好造。 操纵性好是指使用者不需要特别的专门技能，即可顺利进行操作，而且在运行中 不需要经常进行特别的调整就能维持稳定的运转工况；维护保养方便；调速器的静态 调速率、动态调速率、转速波动率、超调都在规定的范围以内。有些大型发动机还要 求如水温、机油温度和压力等能自动报警、自动停车等。 起动性好是指冷车起动迅速可靠，对于船用、固定式及机车柴油机一般要求在 5 0C 以下环境温度下能顺利起动。对汽车、拖拉机、中小型移动电站及农用柴油机则要 求在-5 0C 的气温条件下，不附加任何辅助装置能顺利起动。 为了使发动机便于维护保养、好修、好造，应使各调整部位便于接近，结构简单 合理，工艺性良好。 1.2.2 设计要求 1.对摩托车发动机的一般要求 1）具有足够的功率 2）要有良好起动、怠速和加速性能 3）体积小、质量轻、结构简单、工作可靠和维修方便 4）转速高、运转平稳 5）燃料消耗低，经济性好 6）废气排放污染少、噪声低即公害要少；结构完善、工作可靠、维修方便即制 造成本低、工艺简单 2.摩托车发动机设计工作中的“三化” 发动机的产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化统称为发动机设计的“三 化” 。发动机的“三化”是属于产品质量管理问题，它对国民经济将产生深远的影响， 它对提高产品质量、降低产品成本、发展新产品、合理组成企业生产，提高劳动生产 率，便于使用、维修和配件供应、零件互换等都具有重要的作用。 3.柴油机还是汽油机 在设计发动机时，首先碰到的问题是选用柴油机还是汽油机。着就必须全面地考 虑问题，不仅有发动机本身的技术经济性，而且还有国家的经济因素：燃料的资源和 开采情况、燃料的使用平衡、各地区和各时期的特点等等。 由于摩托车发动机新产品开发的主要方向是发动机的结构简单、重量轻、操作维 修方便、功率大、油耗低、排放污染少、经久耐用、运转平稳。而汽油机突出的优点 5 是重量轻、尺寸小和低温起动性能好，其次就是工作柔和、运转平顺、制造成本低， 因此它在摩托车上应用较为广泛。 4.四冲程还是二冲程 从理论上讲，二冲程发动机的升功率应是四冲程发动机的二倍，运转较平稳，由 于没有专门的配气机构，构造亦简单，维修容易，价格便宜，但由于扫气时不可能做 到将废气全部扫净、不跑掉新鲜混合气，所以油耗高，排放差，且因扫气时要减少部 分有效的膨胀行程，使实际升功率只有四冲程发动机的 1.51.6 倍。如今随着技术的 发展，四冲程发动机由于采用顶置气门、顶置凸轮轴和多气门结构，使四冲程发动机 的转速得以提高，一般可达 800015000r/min 之间，升功率也随之提高，其指标已接 近二冲程机，而油耗指标和排气污染却比二冲程发动机低得多，加之四冲程发动机在 单缸排量方面也逐渐向小的方向发展，因此当前四冲程发动机除在大排量摩托车发动 机上应用外，在中小排量摩托车发动机上也越来越多地被采用。 5. 水冷还是风冷 在拟订新发动机的结构时，还需要确定是采用水冷还是风冷。这时要全面分析发 动机的使用条件和制造条件，同时还要辩证地比较这两种系统的利弊。 虽然风冷发动机的冷却系统结构简单，不会发生漏水、冻结、沸腾等故障，发动 机敏感性低，气缸的磨损量也小。但是其强化受限于气缸的热负荷，因为金属到空气 的传热系数要比金属到水小得多，热负荷升高后容易产生喷油器喷孔堵塞、缸盖热裂 纹、活塞环结胶、活塞拉缸、机油温度升高等故障，严重地影响着发动机的可靠性。 对汽油机来说，过热还会引起爆燃。着一点对大缸径的发动机就更为突出。此外，风 冷发动机的功率和燃料消耗受气温变化影响较大，不如水冷发动机指标稳定，且其运 转噪音（燃烧噪音和机械噪音）也较大。 而水冷发动机冷却较好而且均匀，强化的潜力要比风冷式发动机大。坐式摩托车 由于发动机安装在摩托车下面，冷却条件差，维修相对困难，而水冷发动机相对可靠、 耐用，所以水冷发动机主要为坐式摩托车配套。目前，日本坐式摩托车水冷发动机说 占比例已超过 35%，我国台湾省则在 50%以上，由于我国坐式摩托车起步较晚，所占 比例在 10%左右，进几年来比例有上升趋势。因此，水冷发动机将成为我国坐式摩托 车发动机发展的主要方向。 1.2.3 四冲程汽油发动机的工作原理 四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀形成 （作功行程）和排气行程。为了分析工作循环中气体压力 P 和相应于活塞不同位置的 气缸容积 V 之间的变化关系，经常利用发动机循环的示功图。它表示活塞在不同位置 6 时气缸内压力的变化情况。示功图中曲线所围成的面积表示发动机整个工作循环中气 体在单个气缸内做的功。四冲程汽油机的示功图见图 1.1。 图 1.1 a）进气行程 b）压缩行程 c)做功行程 d）排气行程 1）进气行程（图 1.2a） 化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合，形成可燃混合 气，然后再吸入气缸。进气行程中，进气门开启，排气门关闭。随着活塞从上止点向 下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压以下，即在 气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。由于进 气系统有阻力，进气终了时气缸内气体压力约为 0.0750.09Mpa。流入气缸内的可燃 混合气，因为与气缸壁、活塞顶等高温机件表面接触并与前一循环留下的高温残余废 气混合，所以温度升高到 370400K。 在示功图上，进气行程用曲线 ra 表示，曲线 ra 位于大气压力线下，它与大气压 力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。 2） 压缩行程（图 1.2b） 为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出 较大的功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高、 即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向 上止点移动 一个行程称为压缩行程。 在示功图上，压缩行程用曲线 ac 表示。压缩终了时，活塞到达上止点，此时， 混合气被压缩到活塞上方的很小的空间，即燃烧室中。可燃混合气压力 pc 升高到 0.61.2Mpa，温度可达 600700K。 7 压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比，以表示。 图 1.2 发动机四冲程过程 也就是，压缩比等于气缸总容积（活塞在下止点时，其顶部以上的容积）与 a V 燃烧室容积（活塞在上止点时，其顶部以上的容积）之比，即： c V =/ a V c V 压缩比越大，在压缩终了时混合气的压力和温度便越高，燃烧速度也愈快，因而 发动机的功率愈大，经济性也愈好。但这里还存在一个问题，就是当压缩比过大时， 8 不仅不能进一步改善燃烧情况，反而出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象，这是我 们不想看到的结果。因此在提高压缩比时，必须注意防止爆燃和表面点火发生。 3） 作功行程（图 1.2c） 在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火 花塞即发出点火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气被燃烧后，放出大量的热 能。因此，燃气的压力和温度迅速增加。所能达到的最高压力 pz 约为 35MPa，相应 的温度则为 22002800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连 杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余则用于对外 做功。 示功图上曲线 Zb 表示活塞向下移动时，气缸内容积增加，气体压力和温度都降 低。在作功行程终了的 b 点，压力降至 35MPa，温度则降至 13001600K。 4） 排气行程（图 1.2d） 可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。 当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再 向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。 这一行程在示功图上用曲线 br 表示。在排气行程中气缸内压力稍高于大气压力，约 为 0.1050.115MPa。排气终了时，废气温度约为 9001200K。由于燃烧室占有一定的 容积，因此在排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气为残余废气。 综上所述，四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成 一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应地曲轴转了两 周。 9 第 2 章 热计算 2.1 热计算流程图 11 . 1 5 c T， 开 始 压缩始点温度 Ta r rrc a r TrTT T 1 0 压缩始点压力 Pa 0 0 . 1ppa 充气系数 v rk a a k v rp p T T 1 1 1 平均多变压缩指数 n1 )1 ( 315. 8 1 )1( 1 1 n a bTa n )(,001 . 0 , 3 . 1 111111 nfnnnnn 压缩过程 充气过程 10 N Y 压缩始点温度 Tc )1( 1 n ac TT 压缩始点压力 Pc 1 n ac pp 燃烧燃料所需理论空气量 L0 ) 32412 ( 21 . 0 1 0 OHC L 燃烧燃料所需实际空气量 L 0 LL 理论分子变化系数 0639. 0 1 0 实际分子变化系数 r r r r 1 0 0)( 1 nf 燃烧过程 11 Z 点烧去燃料质量份数 b z z x Z 点处分子变化系数 z r z x r 1 1 1 0 Z 点燃烧产物的平均摩尔比定热容 zr vrzrvrz vpmz xr crxrcrx c 064 . 0 )1 ( )()1 ()064. 1 ( b 点燃烧产物的平均摩尔比定热容 064 . 0 )1 ( )()1 ()064. 1 ( r vrzrvr vpmb r crxrcr c z 点燃烧产物的平均摩尔比定压容 80315 vpmzppmz cc 燃料发热量 293)(1 ( vvpmbruu ccrLHH 压力升高比 c z p p 12 Cy 段的燃料燃烧公式，求最大燃烧温度 Tz cppmzTzrrz TccvpmbrrTccv L zHu ）（ ）（）（ 1 315 . 8 315 . 8 0 初膨胀比 =1 y z v v 后膨胀比 多变指数膨胀终点温度 2 n b T bvpmbzvpmz b z r zbu bz b z TcTc rL H TT n )1 ( )( )(315 . 8 1 2 1 2 1 n Z Zb TT 膨胀终点压力 2 n z b p p 理论平均指示压力 ) 1 1 ( 1 1 ) 1 1 ( 1 ) 1( 1 1 1 1 2 12 nn c i nn p p 膨胀过程 指示参数 13 实际平均指示压力 1 )() 1( abi i ppp P 指示油耗 6 1056.12 96.28 i kv i Lp p g 指示效率 ui i Hg 3 103600 汽油机平均有效压力 mie pp 有效油耗 m i e g g 有效效率 ge mige 活塞行程 S ncms/30 气缸基本尺寸确 定 14 气缸直径 D pesni Ne D 9 . 390 气缸直径 D 圆整 计算 D 后的 S peniNes/ 9 . 390 2 重新计算有效参 数 输出计算结果 15 2.2 热力计算结果 可以得到 S=58mm D=66mm 16 第 3 章 活塞组的设计 活塞组包括活塞、活塞销、活塞环等，在气缸里作往复运动的零件，它们是活塞 式发动机中工作最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与 活塞组的工作情况有关。活塞组的寿命决定发动机的修理间隔，因此，提高活塞组件 的工作可靠性和耐久性具有极其重要的意义。 3.1 活塞的设计 3.1.1 活塞的工作条件和设计要求 1.活塞的机械负荷 活塞是摩托车发动机的重要零件之一。活塞组在工作中受周期性变化的气压力直 接作用，一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值。这些机械负荷作用在形状复杂的活 塞是会造成不均匀的应力和变形。严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一道 环岸裂，变形卡死。 2.活塞的热负荷 活塞工作时，顶面承受瞬变高温燃气的作用，使活塞顶的温度很高。而且温度分 布很不均匀，各部分的温度梯度大，所产生热应力容易使活塞顶表面开裂。活塞顶温 度如超过 370400 摄氏度就会发生热疲劳开裂；第一环槽温度超过 225 摄氏度就易使 润滑油变质甚至碳化，造成活塞环粘结，失去活动性，或者使环迅速磨损、变形。使 活塞顶组的热负荷往往制约了发动机的强化。 3.活塞高速滑动，润滑不良 活塞在侧压力作用下在气压内气缸高速滑动，而缸壁飞溅润滑差，因此磨损大， 摩擦损失大。 当活塞的结构设计时，设计要求为： 1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好具有良好减磨性、 工艺性的材料； 2）有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合要求，量减轻重量，避 免应力集中； 3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失； 17 4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合； 5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利的散走； 6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油； 对活塞的结构设计时，应着重解决的问题是： 1）改善活塞顶及第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘结、卡死和过度磨损； 2）改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂； 3）确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减少配缸间隙， 改善磨损并使运转平顺。 3.1.2 活塞的材料 根据上述对活塞设计的要求，活塞的材料应满足如下要求： 1）热强度高。即在 300400 摄氏度高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损 坏； 2）导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力； 3）膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙； 4）比重小，以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和 平衡配重； 5）有良好的减磨性能，耐磨、耐蚀； 6）工艺性好，价廉。 图 3.1 活塞 18 3.1.3 活塞头部的设计 活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把传给 连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。 活塞头部的设计要点是： 1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的 变形过大势必影响活塞环的正常工作； 2）保证温度不过高，温度小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正 常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂； 3）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度缩短 1 单位，整个发动机高度可以缩 1.52 单位，并显著减轻活塞重量。而压缩高度直接受头部尺寸的影响。 压缩高度 H2 的确定 活塞全高 L=（0.8-1.1）D=52.8-72.6，取 58mm 活塞压缩高度 H1 由火力岸高度 h、环带高度 h3 和上裙尺寸 h 三部分组成的。活 塞环的数目、环的位置和轴向高度、环与环之间的环岸高度等都直接影响尺寸 H2。 对于四冲程摩托车发动机，一般：H2=（0.450.6）D，取 30mm。 1.第一环位置 根据活塞环的布置确定压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高 度 h。为缩小 H2，当然希望 h 尽可能小，但 h 过小会使第一环温度过高，导致活塞环 弹性松弛、粘结等故障。 四冲程摩托车发动机一般取 h=（0.060.08）D,取整数得 h=5mm； 2.环槽高度 为了减少活塞高度，活塞环槽轴向高度 b 应尽可能小，这样活塞环惯性力也小， 会减少对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但 b 太小，使制工艺困难。一般情 况下气环 b=1.21.5mm；油环 b=22.5mm 设计中取气环 b1=1.2，b2=1.2；油环 b3=2.5； 3.环岸高度 环岸的高度 c，应保持它在气压力造成的负荷下不会破坏。实践证明第二、三环 岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它们才会 可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其他较小。 环岸的高度 c c1=(1.52.5)b1, 取 c1=3mm；c2=(12)b1,取 c2=2mm； 所以 h3=b1+b2+b3+c1+c2=9.9mm。 19 3.活塞环数 活塞环数目对活塞头部的高度 H2 有很大影响。为了满足足够的密封作用和降低 活塞和整台发动机的高度，减少惯性力和摩擦功率损耗，应该力求减少环数，所以选 择 2 道气环和 1 道油环。 4.活塞销上面的裙部长度 高度 H2 最后决定于活塞销轴线到最低环槽的距离。为了保证油环工作良好，环 在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。所以在一般 设计中，都要求最低环槽位于变形不均匀的销座外径以外，即 h R1+e。但在销座坚 实的直接与活塞顶相连时，环槽的变形不可避免，这条设计原则也就无法实现。这时 应该加大活塞环与环槽的配合间隙。 3.1.4 活塞顶和活塞断面 1.活塞顶 活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞设计角度，为了减轻活 塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的的活塞顶形状-平 顶。活塞顶的厚度是根据结构考虑决定的，主要从活塞向外传热条件和活塞的刚度出 发，一般强度是足够的，通常并不对铝活塞顶进行强度校核。 活塞顶部最小厚度 =（0.060.1）D=3.966.5mm 取 =4mm； 活塞顶面接受的热量，主要通过活塞环传出。对无强制冷却的活塞来说，经活塞 环传到气缸壁的热量占 7080%，经活塞本身到气缸壁的热量占 1020%，而传给曲轴 箱空气和机油的仅占 10%左右。所以活塞顶厚度 应从中央到四周逐步加大，而且过 度圆角 R 应足够大，所以头部内过度圆角和圆弧半径 R=1.4D=92.4；为了减少积炭和 受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。 2.环带断面与环槽尺寸 对于活塞头部热流情况的分析，说明应保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚， 使导热良好，不让热量过多的集中在最高一环,所以根据经验确定： 销孔垂向的环区壁厚 d=0.12D=7.92 圆整为 d=8mm 销孔方向的环区壁厚 d p =0.15D=9.9mm 正确设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙，对于环和环槽工作的可靠性与耐 久性十分重要。如环槽底部圆弧不够大，则可能应应力集中而发生疲劳裂纹。但如该 圆弧过大，又可能妨碍活塞环自由缩进槽底。因此，槽底圆角一般为 0.20.5 毫米。 活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否则但岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞 环卡住，成为严重漏气和过热的原因。但倒角过大又使活塞环漏气增加。一般该倒角 20 为 0.20.5*45 .环槽的侧隙 过大，会加剧环对环槽的冲击，在铝合金受热后硬度 较低的情下，这些将使环槽变宽，最终导致活塞报废。但是环槽的 过小易使环槽中 粘住而失效。目前，第一环与环槽侧隙一般为 0.050.1mm，二三环适当小些，为 0.030.07mm,油环则更小些。活塞环的背隙 比较大，以免环与槽底圆角干涉。一般 气环 =0.5 毫米，油环 更大些，以利泄油。 3.环岸的强度校核 在膨胀冲程开始时，在爆发压力作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。由于 节流作用，第一环岸上面的压力 p1 比下面压力 p2 大得多，不平衡力会在岸根产生很 大的弯曲和剪应力，但应力值超过铝合金在其工作温度下的强度极限或疲劳极限时， 岸根有可能断裂，当活塞顶上作用着最高爆发压力 pz时，p1=0.9pz,p2=0.2 pz。 环岸是一个厚 c1、内、外圆直径 D、D 的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计 算固定面的应力比较环槽复杂，可以将其简化为一个简单的悬臂梁进行大致的计算。 在通常的尺寸比例下，可假定环槽深 t =0.05D,于是作用在岸根的弯矩为 （ 21pp ） 322 0026 . 0 2 )( 4 Dp t DD z 而环岸根端面的抗弯断面系数近似等于 DcDc 2 1 2 1 47 . 0 9 . 0 6 1 所以环岸根部危险断面上的弯曲应力 2 2 1 37 )(055 . 0 47 . 0 0026 . 0 1 c D p Dc Dp z = 2 2 mm 163666055 . 0 N ）（ 同理得剪切应力 2 1 mm 488 . 0 6 3 66 0037. 0p c 0037 . 0 N D z 按合成应力公式 22 3 =16.02 2 mm N 22 488. 016 考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力 可取 MPa)4030( ，而 =16.02 2 mm N ，远远小于 ，所以强度合格。 4.活塞头部与气缸的配合 活塞头部直径应保证发动机正常运转时，环带不与缸壁直接接触，以免温度较高 的铝合金表面磨坏。故活塞头部的装配间隙必须考虑铝活塞与铸铁气缸在工作温升下 热膨胀的差别，即 21 )(0 1 1FFe A AttD 式中 1At 和 tFe分别是铝活塞头部和铸铁气缸在工作状态下相对装配状态温度 的升高量，称为工作温升，初步计算可假设： 汽油机 1At =250 摄氏度， tFe=100 摄氏度。 再令膨胀系数 1A =20 C /10 6 ， 0F =10 C /10 6 则当 D=66 毫米时，按公式有： mm25 . 0 1010100102025066 66 ）（ 这是与实际发动机统计数据相符的。 3.1.5 活塞裙部的设计 活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞，活塞裙与气缸直接接触 并高速滑动，同时承受由于连杆摆动所产生的侧压力 N P 。裙部的设计要求是保证活塞 得到良好的导向，具有足够的实际成压面积，能形成足够厚的润滑油膜，既不因间隙 过大而发生敲缸，引起噪音和加速损伤，也不因间隙过小而在气缸中咬住，导致重大 事故。因此，活塞裙部设计的基本思想，是如何在发动机不同工况下始终保持它与气 缸间最合适的间隙。 1、裙部的尺寸和销孔的位置 活塞裙部是侧压力 N P 的主要承担者.为保证活塞裙部表面能保持住必要厚度的润 滑油膜，表面比压 s P 不应超过一定的数值。裙部的长度 3 H .裙部的长度影响活塞工作 的稳定性,噪音和耐久性.目前,一般就根据 s P 来估计 s P =)( 01 . 0 3 maxmax bar DH P F P N s N 式中： max N P 为最大侧压力(N) s F 为活塞裙部投影面积 现代汽油机发动机活塞裙许用比压 s P =bar84.此比压值越大,则在活塞材料的 选设计加工表面处理等方面越要仔细.不过,在设计活塞裙尺寸时,除了考虑表 面比压这一因素外,还要顾及一些其他问题,例如活塞销孔相对活塞裙的位置和活塞裙 相对曲轴的位置等. 在考虑活塞裙长度与活塞销位置的相互关系时,可以把活塞裙看作铰支在活塞销 上的滑块.如果活塞侧压力 N P 的作用线与活塞膨胀冲程时油膜合力R一致,则滑块就可 在某一角度下自动定位,即活塞得到稳定的导向.从滑块的的液体润滑理论可知,一般 32 )65 . 0 6 . 0(HH 如果活塞裙与曲轴平衡块没有相碰的可能，当然采用完整的裙部下端。如果可能 22 相碰，可在铸造活塞毛坯时在裙部下端平行销轴方向上去掉两块,或在加工时把裙部 下端在平行销轴方向相应铣掉两块。因为这个部位正好是裙部的不承压部分，这样做 对裙部负荷能力影响不大。有些速度很高的汽油机，常把活塞裙的负荷能力不太大的 部分完全去掉，称为拖鞋式裙部。这样的结构不仅完全避免了裙部与平衡块的干涉， 而且使裙部有很大的弹性，即使裙部与气缸配合间隙极小，也不会卡死，因而工作平 顺。 2、裙部的膨胀控制 活塞裙为了很好地起导向作用，工作平顺而耐久，除了要有足够的尺寸外，还必 须保证它与气缸间有尽可能小的间隙，且不随温度而变。而活塞裙与气缸工作时的间 隙大小，并不等于装配状态的间隙，它要受活塞工作时的机械变形和热变形的影响。 如果活塞裙部呈正圆柱形，使用结果表明在活塞销轴线方向,特别在销出口周围 经常发生拉毛现象。这表明裙部在工作时发生有规律性的变形，使活塞销方向伸长。 引起活塞销座方向伸长的原因，首