[CAD图纸全套]摩托车发动机设计及仿真建模设计

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 I 摘 要 近 10 年来，我国摩托车工业发展速度更快 ， 一跃成为了世界摩托车生产量最大的国家。而发动机是摩托车的心脏，发动机品质的好坏直接带动着摩托车市场的发展 。目 前的摩托车发动机为二冲程或四冲程汽油机，采用风冷冷却，有自然风冷与强制风冷两种。发动机的转速高，升功率大。气缸布置有卧式和立式两种，配气传动机构按凸轮所在位置又可分为上置式和下置式二种。 综上，我以 宝雕 太子 125 摩托车 发动机为模型设计一款单缸四冲程摩托车的发动机，采用自然风冷 的 冷却方式，配气机构采用摇臂 加 顶杆的凸轮轴下置式的摩托车发动机 ， 用 件 建模 做装配和运动仿真。 关键词 ： 发动机 建模 、 热计算 、 动力分析 、 强度校核 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 0 of of to s is of ly a is or of by be I 25 as a to a of of of 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 套图纸， 扣扣 414951605 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 发动机发 展概况 . 1 本文主要研究内容 . 1 第 2 章 发动机的建模 . 3 发动机设计流程 . 3 发动机典型零部件的设计演示 . 3 塞的设计 . 3 门弹簧的设计 . 4 时齿轮的设计 . 5 动机壳体的设计 . 5 发动机的装配演示及材质的添加 . 6 发动机的仿真运动演示 . 7 发动机的装配模拟制作 . 8 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 发动机模型的后期制作 . 8 第 3 章 发动机热计算 . 10 换气过程计算 . 10 化学计算 . 10 压缩 过程计算 . 11 燃烧过程计算 . 12 膨胀过程计算 . 12 技术指标计算 . 13 第 4 章 发动机动力计算 . 14 活塞的位移、速度、加速度 . 14 曲柄连杆机构的质量换算 . 15 曲柄连杆机构运动的惯性力 . 15 气体作用力与往复惯性力的合成分析 . 16 曲轴、连杆轴颈、主轴颈的受力分析 . 17 第 5 章 发动机主要零部件强度校核 . 18 曲轴的强度校核 . 18 动瞬时 . 19 定工况下，曲拐受最大切向力时 . 20 定工况下，曲拐受最大法向力时 . 22 定工况下，曲拐受最小法向力时 . 24 连杆强度计算 . 25 杆小头 . 25 杆杆身 . 28 活塞顶强度计算 . 31 部周缘的应力 . 31 部中心应力 . 32 槽截面 X X 的应力计算 . 32 一道活塞环带的强度计算 . 33 塞销孔的最大比压 . 33 塞裙部单位侧压力 . 33 塞销强度计算 . 34 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 V 塞销的比压 . 34 塞销弯曲应力及剪应力 . 34 塞销的最大失圆度 . 35 缸头螺栓 强度计算 . 36 头螺栓的受力 . 36 头螺栓的应力及安全系数 . 37 紧力矩的验算 . 37 结 论 . 38 致 谢 . 39 参考文献 . 40 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 1 第 1 章 绪论 动机发展概况 发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。随着科技的进步，人们不断地研制出不同用途多种类型的发动机，但是，不 管哪种发动机，它的基本前提都是要以某种燃料燃烧来产生动力。所以，以电为能量来源的电动机，不属于发动机的范畴 。 回顾发动机产生和发展的历史，它经历了外燃机和内燃机两个发展阶段。 所谓外燃机，就是说它的燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能，瓦特改良的蒸汽机就是一种典型的外燃机，当大量的煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时，高压便产生了，然后这种高压又推动机械做功，从而完成了热能向动能的转变。 明白了什么是外燃机，也就知道了什么是内燃机。这一类型的发动机与外燃机的最大不同在于它的燃 料在其内部燃烧。内燃机的种类十分繁多，我们常见的汽油机、柴油机是典型的内燃机。我们不常见的火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。不过，由于动力输出方式不同，前两者和后两者又存在着巨大的差异。一般地，在地面上使用的多是前者，在空中使用的多是后者。当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的，也在汽车上装用过喷气式发动机，但这总是很特殊的例子，并不存在批量生产的适用性。 此外还有燃气轮机，这种发动机的工作特点是燃烧产生高压燃气，利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转，从而输出动力。燃气轮机使 用范围很广，但由于很难精细地调节输出的功率，所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机，只有部分赛车装用过燃气轮机。 人类的智慧是无穷无尽的，各种新型的发动机不断地被研制出来，但是，出于安全操控的需要，到目前为止，我们可爱的摩托车还只有一种选择 往复式发动机。 文主要研究内容 25 发动机 为模型 ，制定总体设计方案，用 件建模， 包括曲轴连杆机构的主要组成部分：活塞 、 活塞环 、 活塞 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 2 销 、 连杆 和 曲柄 ； 配气机构的主要组成部分：凸轮轴 、 气门 、 气门弹簧 、 正时齿轮 、 气门顶杆 、 摇臂 、 摇臂轴等等 ；以及 最后发动机总体壳体的设计 ， 做运动仿真以及装配过程的视频展示 (见附件光盘 )。 其进行热计算、动力分析、以及主要零部件的强度校核。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 3 第 2 章 发动机的建模 动机设计流程 摩托车发动机的建 模 用 件，主要采用以活塞为中心，自上而下、自内向外的建模方法，依次进行曲柄连杆组、配气机构以及最后壳体的设计。设计是在 装配件设计这个大的模块中进行，再依次插入新建零部件进行每个零部件的设计，整个过程是一边设计 一边装配的，这样可以让各个零部件更好的匹配，以满足整个发动机的整体协调性和最后在 块中更好的做装配动画和运动仿真。设计思路如图 2示： 动机典型零部件的设计演示 塞的设计 活塞的形状大体上是圆形，形状规则，可先通过旋转体命令 （如图 2，旋转草图生成，再通过凹槽命令去掉多余的部分生成大概形状。难度较大的是活塞顶端两个不规则凹坑，通过创成式外形设计模块中，创建凹坑的曲面外形 （ 如图 2，再通过分割命令来去除活塞顶端多余的部分，形成一个凹坑后，另一个可通过对称曲面外形 （如图 2，继续分割而成。生成实体后，倒角 （如图 2。 活塞组设计 连杆组设计 曲轴设计 曲柄连杆组设计 装配 气门组设计 气门摇臂组 正时从动部件 装配 配气机构设计 动仿真 装配 发动机整体壳体 装配动画的制作 图 2计流程图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 4 门弹簧的设计 气门弹簧主要是在创成式外形设计这个模块进行，先作出弹簧的螺旋线 （如图 2，在螺旋线上创建点和面，在面上画草图和要求的弹簧的粗细，再在零件设计模块中用肋的命令生成 （如图 2，之后分割去除弹簧两端多余的部分 （如图 2。 图 2转 图 2割 图 2像 图 2孔 图 2旋线 图 2生成实体 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 5 时齿轮的设计 齿 轮的设计主要 是利用参数化建模，参数化建模更有利于 齿 轮的修改，改变一个参数后，零部件也会发生改变。使设计更加方便快捷，便于修改。首先定义参数 （如图 2，添加公式 （如图 2，定义参数之间的关系及关联性，进入创成式外形设计和零件设计两个模块配合使用，绘制草图时利用已经定义的参数绘制草图，通过提取、外插、结合，凸台生成一个齿 （如图 2，通过圆形阵列生成一个完整的 齿 轮 （如图 2。 动机壳体的设计 发动机的下壳体的形状复杂，简单的零部 件设计模块是满足不了的，所以要运用创成式外形设计和自由曲面模块结合使用 （如图2，做出壳体的外形曲面之后，通过加厚命令来生成实体 （如图2。最后，还要对实体进行修剪和倒角，让它看起来更加美观。 图 2义参数 图 2加公式 图 2成一个齿 图 2列 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 6 动机的装配演示及材质的添加 完成全部零部件后对其进行装配，在装配模块中对于活塞、活塞环活塞销等进行装配成活塞组 （如图 2，保存为活塞组产品；同理可把两个曲柄装配成为曲轴组产品 （如图 2。再在装配模块中，导入活塞组和曲轴产品进行装配，再导入剩下的那些需要装配的 零部件 （如图 2。 图 2体曲面的创建 图 2厚 图 2塞组的装配 图 2轴的装配 图 2体的装配 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 7 装配时，主要用到约束是相合约束、接触约束、偏移约束以及角度约束等，有需要的螺钉、螺母等标准件可以直接调用库文件 （如图 2，方便使用。每进行约束之后通过更新按钮，随时更新零部件的相对位置。 装配完成之后，可以通过应用材质按钮对零部件进行添加材质（如图 2，最后也可以通过渲染按钮进行简单渲染。 动机的仿真运动演示 分析发动机的工作过程后，进入数位模型机构运动分析（ 块中，建 立新机构后，通过运动接头来约束每处有相对运动的地方的接头，按照动力传动路线依次进行机构接头的建立。用到的接头有：齿轮接头、圆柱接头、点线接头、旋转接头、平面接头、球接头等，对于有一起运动相对静止的可用刚性接头 （如图 2。最后，一定要有固定元件（壳体），驱动元件（活塞的运动）以及参数编辑驱动元件的运功公式 （如图 2，最终用 进行模拟仿真运动 （如图 2。 图 2准件库的使用 图 2加材质 图 2义运动接头 图 2辑运动公式 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 8 动机的装配模拟制作 分析发动机零部件的装配顺序后，进入数位模型装配模拟模块中，点击跟踪按 钮，点击所要移动的零件，移动到合适的位置后记录，在对话框中输入所需要的速度后确定 （如图 2。把每个零部件的轨迹指定后，点击编辑序列按钮，编辑轨迹的运动顺序 （如图2。最后完成后可用模拟播放器播放顺序， 来 观察每个零部件的装配运动过程， 以 达到装配的目的。 动机模型的后期制作 用 具栏中的图像下拉菜单中的视频录录制器可以对发动机的运动仿真和装配过程进行录制 （如图 2。录制完成后，可用视频制作软件对视频进行拼接和删减，以及一些文字的添加，最终达到视频的 完美制作。建模完成之后，用 件做整体效图 2拟运 动 图 2义运动轨迹 图 2辑轨迹顺序 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 9 果图的渲染，以达到更加逼真的效果美图 （如图 2 图 2体渲染效果图 图 2频录制 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 10 m第 3 章 发动机热计算 本章首先对发动机换气过程的进气终点的压力和温度以及充气效率进行计算，再对发动机内部燃料的化学计算、以至对其压缩过程、燃烧过程、膨胀过程的压力、温度等进行计算。最后确定发动机的性能指标。 1 已知条件如下： 气缸直径： D= 活塞行程： s=47 缸数： i=1 排量： 压 缩比 : 1:9 曲轴半径与连杆长度比： R/L=06 最大转速 :n=8500r/ 最大功率 : 大扭矩 : 500标准大 气压： 000 980 燃料平均重量成分 :C=H=115 )(/4 4 1 0 0 燃料2 额定工况计算用系数及参数的选择 过量空气系数 : a= 进气温升 : T=4 残余废气系数 : r= 残余废气温度 : 930K 压缩多变指数： = 膨胀多变指数 : = 示功图丰满系数： = 热量利用系 : z= 传动效率 : = 机械效率： =气过程计算 1 进气终点压力 2 进气终点温度 r 气效率 3264298100851 学计算 1 燃烧 料所需的理论空气量 燃料空气 k m o o 2nf24 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 11 )(/)(0 燃料空气 式中 空气的平均分子量 2 燃烧前工质的摩尔数 )(/K m o 料o 3 燃烧后工质的摩尔数 )(/料m o o 4 理论分子变更系数 实际分子变更系数 r 6 汽油机每小时吸气量 在 标准大气状态下空气的比重为： 35 /0000 故吸气量为： 0 7 过量空气系数 设比油耗 /325则汽油机的耗油量为 故过量空气系数 接近）（与所选 缩过程计算 1 压缩过程中任意点 x 的压力为 : )的气缸容积为式中）（ 2 压缩终点压力 K P 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 12 3 压缩终点温度： 6 烧过程计算 1 因不完全燃烧而损失的热量为： 58000(1- a)=58000 800g 燃料 2 汽油机的燃烧方程为： 1)1()( 式中 K m o lK m o lK c m o 1044044100( 根据燃烧产物平均定压摩尔比热表，可得 k m 3 0 0 1 423240 097K 3 压力升高比 最高爆发压力 K P 8 21 5 4 P 胀过程计算 1 膨胀过程中任意点 x 的压力为： 2 ）（ V b 式中 X 点的气缸容积 2 膨胀终点压力 K P 689 8 2 3 膨胀终点温度 n 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 13 术指标计算 1 理论平均指示压力 11(11(1(11)11( 2 实际平均指示压力 K P 3 指示功率 0 0 2 81 2 0 0 4 指示热效率 1 0 0 2 83 8 2 H （式中 9883K 为进气管内充量压力及温度） 5 指示比油耗 /6 6 平均有效压力 K P 7 有效热效率 8 有效功率 N 9 有效比油耗 /见，计算有效比油耗与计算过量空气系数时假设的比油耗值较为接近 。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 14 第 4 章 发动机动力计算 本章依据上一章节中的热计算的主要数据，首先对活塞的运动情况进行分析，对曲柄连杆机构的质量进行换算及其在运动过程中的惯性力进行分析， 气体作用力与往复惯性力的 合成分析 ，最后确定曲轴转矩、连杆轴颈和主轴颈的受力情况，以便下一章节发动机主要零部件的强度校核。已知参数如下： 气缸直： D= 活塞行程： S= 47缸数 : i=1 压缩比 : = 9 曲柄半径与连杆长度比 :R/L=06 最大功率： 19大转速： n= 8500r 塞的位移、速度、加速度 1 活塞的位移： 如图 4活塞处于 上止点时，活塞销中心处于 x 坐标原点，则 )c o o s()( 式中 ) 简化后可得： )2c o )c o 2 活塞运动的速度 式中 图 4塞位移简图 0 030 n w)2s s 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 15 活塞 的平均速度 m /- 活塞的最大速度 3 活塞的加速度 )2c o s( c o 式中 222 / 6 0 当 a=0时，最大加速度为： 22m a x / 7 2 42 2 1 6 0 0)1( ）（ 柄连杆机构的质量换算 用双质量替代系统对连杆组的质量进行换 算，即用两个假想的集中于连杆大小头中心的质量代替连杆组实际的分布质量，根据实测，可得出如下结果： 1 连杆总质 量： 15g 其中分配在小头上作往复运动的质量 ： 0g 其中分配在大头上作旋转运动的质量 ： 175g 2 连杆大头轴瓦质量 ： 0g 作往复运动的活塞组总质 ： 170g 曲轴旋转质量换算 ： 复运动质量 ： 1040170 做旋转运动的总质量 ： gm r 连杆组大共的质量 ： 9517520 柄连杆机构运动的惯性力 1 往复惯性力23 DF p 故 a K 03- 3a x 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 16 2 离心惯性力： 连杆组大头质量产生的离心惯性力 K P 622 曲拐不平衡质量产生的离心惯性力： K P 0 6232 离心惯性力之和 K P 0 0 9 3 体作用力与往复惯性力的合成分析 1 沿气缸中心线作用的合力 P： 如图 3 2，沿气缸中心线方向作用在活塞上的合力为：0 式中 气缸内气体的作用力 活塞运动时的往复惯性力 曲轴箱内气体作用在活塞下方的力： 0002 P 的传递与分解 在力的传递过程中， P 可分解成沿连杆中心线的作用力 垂直于气缸中心线的侧压力 即 从几何关系可得 3 用在曲轴销上，可进一步分解为曲柄切向力 曲柄法向力 其中： c o s/)s i n ()s i n ( c o s/)c o s ()c o s ( ) 图 4复惯性力分析 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 17 轴、连杆轴颈、主轴颈的受力分析 1 曲轴扭矩计算 曲轴在切向力 作用下旋转，故主轴颈承受的扭矩为： )(3 2 连杆轴颈受力分析 作用于连杆轴颈的合力为： 大小为： K P 2 )( 3 主轴颈的负荷 轴颈受力情况如图 3 3： (1)切向力11(2)法向力11 (3)离心惯性力 0211 21121 )( s 以上计算中，符号规定如下： 朝向曲轴旋转中心为正 压缩连杆为正 对曲轴旋转中心产生的力矩方向与曲轴旋转方向相反时为正 顺着曲轴转向为正 指向曲轴旋转中心时为正 与曲釉旋转方向相同时为正 图 4颈受力分析 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 18 第 5 章 发动机主要零部件强度校核 本章依据前两章内容，曲轴是发动机承受力最复发的零部件，首先对曲轴在不同工况下的的进行强度校核、再对连杆、活塞、活塞销、气缸头螺栓等进行详细的强度校核。 轴的强度校核 1 曲轴的静力强度计算： 计算假定： （ 1）曲轴轴瓦的支反力按不连续粱考虑，即按二点支承力计算； （ 2) 气缸最 大爆发压力发生在上死点 10 （ 3）由连杆传来的合力作用在曲柄销中点； （ 4）轴瓦的反作用力集中在轴颈中点； （ 5）最大弯曲力矩和最大扭转力矩同时发生。 计算工况确定： （ 1）起动瞬时； （ 2）额定工况下，曲拐受最大切向力时； （ 3）额定工况下，曲拐受最大法向力时； （ 4）额定工况下，曲拐受最小法向力时； 曲轴已知数据如图 5示，对曲轴各部分进行受力分析如图5示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 19 图 5， 各曲柄不平衡重的离心力， 其值为： 8600360222 1 6 0 0350211 曲柄销离心力合力： 以下对各计算工况进行计算： 动瞬时 曲拐在上止点时， T=O， ， 。 曲拐承受的压力为标定工况下的燃气最大爆发压力： 200 623 1 曲柄销 在曲柄销中点截面 i i 上所受的弯曲应力： 臂 最大弯曲力矩产生于曲柄臂的中央部位，即下图的截面所示于是可计算各曲臂的弯应力及压缩应力。 图 5轴简图 图 5轴受力分析 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 20 M P M P M P 由于 40 070故安全。 3 主轴颈 主轴颈的危险断面在轴颈与曲柄臂的交界处，各断面的弯曲应力为 M P 由于 40 070故各曲轴安全。 定工况下，曲拐受最大切 向力时 由动力计算可知，曲拐受到的最大切向力为： 当 a=380时， Np t 2 340t 821 曲柄销圆角处的支反力为： Nl 1 63720 37)1 0 1 3 87 3 4 0(20 )(181821 Nl t 2 82037 4 720181821 1 曲柄销 1F 引起的弯曲应力： M P 8 1 632203311 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 21 1K 引起的弯曲应力 M P 2 8322033112 1T 引起的扭转应力 M P 47203311 合成应力 M P 2222 22 10 由于 40 0=80 安全。 2 曲柄臂 由 1Z 及1起的拉伸应力： M P Z 由 1Z 引起的弯曲应力： M P 16139862211111 由 1T 和扭矩1M P 由 1T 在 -两点产生的扭转应力 M P 211111 由正在 -两点产生的扭转应力 M P 由于 40 0=80 安全。 3 主轴颈 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 22 主轴颈的危险断面在轴颈与曲臂的交界处。 由 1Z 引起的弯曲应力 M P 由 1T 引起的 弯曲应力 M P 7 4 732332911 由M P 由于 40 00 ，故安全。 定工况下，曲拐受最大法向力时 由动力计算可知，曲拐受到的最大法向力为 当 360 时， 850即 NP 2 Nl 20074 37)11821 Nl t 158574 37317021 1821 曲柄销圆角 度处的支反力为： Nl 7)0181821 Nl t 20582037 3731702017 1821 1 曲柄销 由 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 23 M P 由 1K 引起的弯曲应力 ： M P 由 1T 引起的扭转应力： M P 合成应力： M P 2222 22 10 由于 00 ，故