450cc竞赛用摩托车发动机设计

前 言摩托车作为人们从事各项社会活动的重要交通工具，已越来越广泛地被人们所利用。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。改革开放以来，我国摩托车工业的迅速崛起，同时摩托车发动机也得到了巨大的发展，但与国外相比还有很大的差距。中国每年的摩托车产销量居世界第一，但发动机的排量还主要集中在100cc到150cc之间，大于250cc排量的发动机还是空白，大排量发动机的开发在国内有很大的发展空间。本设计以摩托车发动机总体设计为主要研究对象，以曲柄连杆机构、配气机构的工作过程作为主要内容，通过热计算及分析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提高摩托车发动机性能指标的一般规律。本设计的任务是研究摩托车发动机的工作过程、整机性能并进行总体设计。使我们能更好的掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能指标与各工作过程的内在联系；掌握强度校核的基本方法及数据处理与分析；了解影响整机性能的使用因素及提高性能的基本途径，对发动机各部件的工作过程有了深入的认识，为从事摩托车发动机的设计，研发提供理论基础。本设计的基本内容有：热计算，活塞组设计，连杆组设计，曲轴设计，配气机构设计，机体和缸盖设计，润滑系统设计，冷却系统设计等。本设计的基本要求是:明确本设计的地位、性质、任务及主要研究对象；了解目前国内外研究水平及主要发展方向。重点掌握发动机曲柄连杆机构（活塞组、连杆组、曲轴），配气机构，机体和缸盖的设计、计算与分析；明确实际工作中的各项损失及减少损失的有效措施。 目 录摘 要IAbstractII第1章 设计总论11.1摩托车发动机的设计要求11.1.1摩托车发动机的功率和转速11.1.2最大扭矩和最大扭矩时的转速21.1.3经济性指标21.1.4排放指标21.2摩托车发动机的结构参数31.2.1气缸直径与气缸数31.2.2活塞行程31.2.3曲柄半径与连杆长度之比31.2.4摩托车发动机的强化指标4第2章 热计算52.1热计算流程图52.2热计算给定条件62.3 热计算结果6第3章 活塞组的设计73.1活塞的工作条件、设计要求和材料的选择73.1.1工作条件73.1.2设计要求83.1.3材料的选择83.2活塞结构设计93.2.1活塞头部的设计93.2.2活塞裙部的设计113.3活塞销与活塞销座的设计143.3.1活塞销和销座的强度和刚度143.3.2活塞销和销座的耐磨性173.3.3活塞销的结构、材料和工艺173.4活塞环的设计183.4.1活塞环的工作情况183.4.2活塞环参数的选择183.4.3活塞环断面形状的设计193.4.4活塞环的材料、表面镀覆和成形方法20第4章 连杆组的设计214.1连杆的工作情况、设计要求和材料的选择214.1.1工作情况214.1.2设计要求214.1.3材料的选择224.2连杆组相关尺寸的设计224.2.1连杆长度的确定224.2.2连杆小头的结构设计224.2.3连杆杆身的结构设计234.2.4连杆大头的结构设计244.3连杆组的相关计算254.3.1连杆小头的校核254.3.2连杆杆身的校核294.3.3连杆大头的校核314.3.4连杆螺栓校核32第5章 曲轴组的设计335.1曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择335.1.1工作条件335.1.2结构型式335.1.3材料的选择345.2曲轴组相关尺寸的设计及结构细节的确定345.2.1主轴径355.2.2曲柄销355.2.3曲柄臂355.2.4轴颈过渡圆角半径355.2.5油孔的位置和尺寸355.2.6曲轴两端的结构355.2.7曲轴的油封装置365.3 平衡重的设计365.3.1平衡重的设计365.3.2曲柄连杆机构的质量换乘365.3.3单缸发动机的平衡385.4曲轴组的相关计算385.4.1作用于单元曲拐上的力和力矩395.4.2圆角的形状系数405.4.3形状系数和应力集中系数的关系415.4.4 名义应力的计算41第6章 配气机构的设计456.1配气机构总布置456.1.1配气机构的设计要求456.1.2配气机构的结构型式456.1.3气门通过能力466.2配气机构零件设计486.2.1气门的设计486.2.2气门座设计496.2.3气门弹簧设计496.2.4凸轮轴的设计50第7章 缸盖和缸体结构设计537.1气缸盖的设计537.1.1气缸盖的设计要求537.1.2气缸盖的结构型式537.1.3气缸盖的散热547.1.4提高气缸盖刚度、强度的措施547.2气缸体设计557.2.1气缸体的设计要求557.2.2气缸体结构设计557.3气缸套的设计567.3.1气缸套的设计要求567.3.2气缸套的结构型式及材料567.3.3提高气缸套耐磨性的措施57第8章 润滑系统598.1机油的性能及其选用598.1.1机油的主要性能指标598.1.2机油的选用608.2润滑系统总体设计方案608.2.1润滑系统的设计要求608.2.2润滑系统的总体布置选型618.2.3润滑系统的主要参数618.2.4曲轴箱通风和防爆628.2.5降低机油消耗量的途径62第9章 冷却系统649.1冷却系统的设计要求649.2冷却系统的总体设计方案659.2.1冷却系统总体布置选型659.2.2闭式强制冷却系统原始参数669.3散热器的结构设计及计算679.3.1散热器的结构设计要求679.3.2散热器的计算679.3.3水泵的设计要点及计算699.3.4水冷发动机的风扇设计要点及计算709.3.5水冷内燃机冷却系的调节70第10章 变速系统7210.1变速器的设计要求7210.2变速器的类型选择及布置方案7210.2.1主轴组合7310.2.2副轴组合7310.2.3换挡操纵机构7310.2.4启动装置7410.2.5对有级变速机构的要求74结 论75致 谢76参考文献77附 录78摘 要内燃机设计是一项要求很高的工作。一方面是因为它是一个复杂的系统，各个子系统（曲柄连杆机构，机体，配气机构，供油系，进排气管系与增压器，润滑系，冷却系等）相互制约，而且许多零件的机械负荷和热负荷很严重。另一方面是因为新设计机型的技术水平必须高于旧机型才有研制价值。新型450CC发动机主要用于专业级越野摩托赛车，是目前国际越野车比赛的主流赛车，通常代表着一个国家或一个企业在摩托车技术领域的最高水平。该项技术的开发不仅能填补国内技术的空白，而且具有强化程度高、质量轻、技术复杂、新材料新工艺集中等优点。此技术必将是国内外共同探讨研究的一个话题。关键词： 摩托车，大排量，竞赛AbstractInternal combustion engine design is a demanding job. on the one hand because it is a complex system, each subsystem (crank-link mechanism, engine body, valve actuating mechanism, and fuel system, supercharger, lubricating system, cooling system etc)restricted, and many parts mutually the mechanical load and heat load is very serious. On the other hand because new design type of technical level must be higher than the old model just have developed value. New 450CC engine is mainly used for professional level cross-country motorcycle racing game, and is currently the mainstream of international suvs racing, usually representing a country or an enterprise in the highest level of motorcycle technology. The technology development can not only fill the blank, and domestic technology has improved degree is high, light quality, the technology is complex, new material and new technique concentration, etc. This technology at home and abroad will be a topic of studying together. Key words： motorcycle, Large displacement , competition I第1章 设计总论1.1摩托车发动机的设计要求1.1.1摩托车发动机的功率和转速摩托车发动机是将燃料的化学能通过和空气的燃烧变为热能并将热能直接转换为有效功率的热机。摩托车发动机多数采用汽油机，根据工作循环的不同，可以分为四行程机和二行程机。作为摩托车的动力，发动机的首要设计要求是在一定转速下发出所要求的功率。摩托车发动机的功率和转速是根据不同用途的摩托车的需要确定的，设计中常常作为原始参数选定。摩托车发动机的有效功率，按以下公式计算 式(1.1) 式中 平均有效压力（巴）；单缸工作容积（升）；气缸数；转速（转/分）；活塞平均速度（米/秒）；气缸直径（毫米）；冲程数，四冲程=4，二冲程=2从式（1.1）中得知，提高发动机的功率，最主要的是增加发动机的气缸工作容积，提高发动机的平均有效压力和转速。平均有效压力是标志发动机整个循环过程的有效性及发动机制造完善性的指标之一。平均有效压力的提高是摩托车发动机技术发展的重要指标。现在摩托车均采用高速发动机。提高发动机的转速可以提高功率，但是发动机转速的提高受到以下条件的限制：1）提高转速使运动件的惯性力增加，发动机的机械负荷增大。同时，平均有效压力的提高使得发动机的热负荷增大。2）提高转速使发动机摩擦损失功率增加，机械效率降低，因而使燃油消耗升高。3)提高转速使发动机零件磨损加快，可靠性降低。4)提高转速使发动机的平衡和振动问题更加突出，噪音也随之加大。5）提高转速使进排气阻力增加，充气系数下降。发动机的标定转速由配套动力装置而定，主要由调速器来控制。1.1.2最大扭矩和最大扭矩时的转速发动机的标定功率和标定转速确定以后，其标定工况下的扭矩为： 式(1.2)式中 标定功率（千瓦）(39kw)；标定转速（转/分）(10000r/min)；标定扭矩（牛顿/米） 本设计中：1.1.3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。摩托车发动机的燃油消耗率指外特性曲线上燃油消耗率的最低点。四行程发动机ge为265-325g/KWh1。二行程发动机ge为325-410 g/KWh。摩托车发动机的工况是变化的，设计中应该研究常用工况，即常用功率和转速范围内的燃用消耗率。只有降低常用工况下的燃油消耗率，才能使摩托车的使用油耗减少。降低油耗率的总原则：一是提高发动机的指示热效率，如改善燃烧过程，减少散热损失等。二是提高发动机的机械效率，如减少机械损失等。1.1.4排放指标由于内燃机数量的大增，它的排放物和噪音等，直接威胁人类的安全。至1976年为止，仅汽车保有量就到达了三亿二千三百万辆，估计其总千瓦数比其他各类动力的总和还要多，这些内燃机排出的有害气体（、等）连同噪音、臭味等共同构成了人类环境的污染源之一。此外，油料中含硫燃烧后生成的和少量微粒物质都是严重的公害物。我国内燃机的使用密度还不是很高，但在某些大城市中，公害问题也十分严重。我国已颁布了环境保护法，许多与内燃机有关的研究所、大专院校、大的生产厂已开始着手于防止内燃机公害的研究，预计随着内燃机工业的发展，公害问题将日益突出，各种法规在不久的将来即将制定出来，内燃机的设计内容势必受到一定的影响。这些都是作为一个内燃机设计工作者，必须预先考虑的。1.2摩托车发动机的结构参数1.2.1气缸直径与气缸数发动机的功率是与气缸直径D的平方成正比的。因此设计新发动机时，选用较大的气缸直径也是提高功率的一种措施。但是随着缸径的增大，发动机的转速也就相应地要选择得低一些，发动机就可能比较笨重。在产品改进设计时，如在气缸轴距不变的条件下，比重量可减轻2。但是，一般说来，缸径增大会引起发动机气缸、活塞组、气缸盖、气门等零件的热负荷加重。同排量的摩托车发动机，气缸直径D小，则发动机的缸数可以增加，转速可以提高，功率可以提高。同时，发动机可以设计紧凑轻巧，运转均匀，平衡性改善。1.2.2活塞行程发动机活塞行程S是设计中的重要结构参数。通常用S/D值表示，也就是行程缸径比。摩托车发动机多数采用短行程。短行程发动机的最大优点是能够提高转速功率。短行程发动机能够使发动机的结构紧凑，降低发动机的高度（宽度）。这对摩托车的整车布置是大有好处的。1.2.3曲柄半径与连杆长度之比曲柄半径与连杆长度之比为，即=r/l，这里l为连杆长度。值越大，连杆越短，发动机的高度或宽度越小。值的常用范围是1/3.2-1/4。连杆的长度必须根据发动机的总布置确定。要防止活塞运动过程中连杆与气缸的下端相碰，活塞裙部与平衡块相碰。摩托车发动机多数采用短连杆。短连杆能够增加活塞对气缸壁的侧压力，可能增加气缸与活塞环之间的磨损。但是，这种影响并不大。当今气缸、活塞、活塞环的设计与工艺技术完全可以解决这一问题。1.2.4摩托车发动机的强化指标(一)升功率升功率千瓦/升，它决定于、n和,表征着发动机工作过程的完善性，也可以用来评定发动机的结构紧凑性和外形尺寸大小。现代摩托车发动机的发展趋向之一是升功率的继续提高。（二）平均有效压力和活塞平均速度平均有效压力和活塞平均速度的乘积通常称为强化指标。它是与单位活塞面积所作功率成正比的，它一方面代表了功率和转速的强化，另一方面又代表了发动机机械负荷和热负荷的高低。目前所用的内燃机设计方法，一般还都是经验设计，而不是单纯用理论计算。即先广泛地利用统计或经验数据，参考比较成功的同类型样机来具体地选择机件的结构、尺寸和材料，有的可以经过必要的核算，通过样机试验，最后确定性能指标和结构参数。第2章 热计算2.1热计算流程图热计算过程开始参数选择 等压缩过程计算（压缩终点温度压力） 不 符燃烧过程计算（燃烧终点温度、最高燃烧压力、压力升高比） 合 设 计 要 求基本尺寸（活塞平均速度、缸径、行程）输出结果膨胀过程计算（膨胀终点温度、压力） 符合要求 有效参数计算（平均有效压力、燃油消耗率、有效热效率）指示参数计算（平均指示压力、指示比油耗、指示效率） 2.2热计算给定条件大气状态 P0=100KPa,T0=288K压缩比 =11燃油重量成分 C=0.855 H=0.145燃料低热值 Hu=44100KJ/kg过量空气系数 5由缸壁对充量加热而引起的温升 残余废气温度 残余废气系数 热量利用系数 示功图丰满系数 机械效率 单缸工作容积 Vh=0.45L2.3 热计算结果第3章 活塞组的设计活塞是摩托车发动机的重要零件之一。它在高温高压下工作，承受很大的热负荷和机械负荷。工作过程中活塞与活塞环、气缸不断地发生高速摩擦，由于润滑条件差，摩擦损失大，磨损严重。活塞的设计与制造对发动机的动力性能、经济性能、使用寿命、噪声与振动以及废气污染都有重要影响。3.1活塞的工作条件、设计要求和材料的选择3.1.1工作条件(一)活塞的机械负荷活塞组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： 式(3.1)式中 活塞投影面积（）；气缸直径（）；气缸内工质的最高燃烧压力（），可由实测发动机示功图得出。一般汽油机为；柴油机为；增压汽油机为。此取。活塞组在气缸里作高速往复运动，产生极大的往复惯性力，其最大值 式(3.2)式中活塞组的重量（）为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有合适的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过渡要圆滑，以减少应力集中。此外，希望采用强度好，比重小的材料。(二)活塞的热负荷活塞在气缸内工作时，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，各点间有很大的温度梯度，所产生的热应力容易使活塞顶表面开裂。设计活塞时要求选用导热性好的材料，并且在时仍有足够的机械性能；在结构上尽量减小活塞顶的吸热量，而已吸收的热量则应能很好地散走，使活塞顶和环区内的最高温度限制在一定范围内，减小温度梯度。(三)活塞高速滑动，润滑不良活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动，而缸壁一般均靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大，磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。3.1.2设计要求活塞是在高负荷、高温、高速、润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求：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，尽量减轻重量，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；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；当进行活塞的结构设计时，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。3.1.3材料的选择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。由于上述要求往往是互相矛盾的，因此没有一种能全面满足上述要求的单一材料，现在常用的活塞材料是铸铁、铝合金和钢。本设计中选用共晶硅铝合金作为活塞材料。3.2活塞结构设计3.2.1活塞头部的设计1、压缩高度的确定活塞压缩高度系由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸三部分组成的。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。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。为缩小，当然希望尽可能小，但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。汽油机活塞环的工作条件比汽油机更严重，故应更大些3。对于汽油机，取整数得。2、环岸高度为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度应尽可能小，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。但太小，使制环工艺困难。大缸径汽油机一般取气环；油环。环岸的高度，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。实践证明强化汽油机活塞第一环岸有时会沿着岸根整圈断落下来。当然第二、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，它们才可能破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，汽油机接近下限，汽油机特别是增压汽油机取上限，因为后者负荷重。对于汽油机，环槽的高度：，取；，取。3、活塞环数活塞环数目对活塞头部的高度H1有很大影响。在满足密封前提下，为了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确定好活塞头部环的布置以后，高度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。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。活塞销上面的裙部长度对于活塞裙在气缸内的良好道向也有很大影响。如果能使裙部与缸壁配合间隙很小，裙两端的尖角负荷就不会太严重，那么小些也无妨。不然，就希望适当大些。综上所述，汽油机H1取34mm。5、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。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，取。6、环带断面与环槽尺寸常在裙上端或油环槽中开绝热槽，这使头部仅以销座部分支承在活塞销上，而在垂直销方向成为悬臂梁，可能在气压力作用下发生弯曲，直接影响环槽的扰曲，危及活塞环的工作可靠性。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，槽底圆角一般为毫米,此取0.5mm4。活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否则当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。一般该倒角为,此处应该取0.345。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本次选 用0.07，二三环适当小些，为,此取0.07，油环则更小些，取为0.05。活塞断面形状：活塞环的背隙比较大，以免环与槽底圆角干涉。一般气环，油环更大些，取为0.7mm,以利泄油。图3.1 活塞环与环槽的配合间隙3.2.2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，裙部的设计应保证裙部的贴合面积和良好的润滑条件，应保证发动机在不同工况下具有最小的活塞间隙。（一）裙部的尺寸和销孔的位置活塞裙部是侧压力的主要承担者。为保证活塞裙部表面能保持住必要厚度的润滑油膜，其表面比压不应超过一定的数值。裙部的长度裙部影响活塞工作的稳定性、噪音和耐久性，目前，一般就根据来估计 式(3.3)式中： 为最大侧压力()为活塞裙部投影面积（）。现代汽油机活塞裙许用比压。此比压值越大,则在活塞材料的选择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。如果活塞侧压力的作用线与活塞膨胀冲程时油膜合力一致，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，一般本设计中，取取。这个等式就成为决定活塞销孔纵向位置的一个条件。对于一般发动机，这个条件是大致符合的。（二）裙部的膨胀控制设计活塞裙时一方面必须尽量减少从活塞头部传给裙部的热量，采用膨胀系数小的材料或采用限制膨胀的专门措施；另一方面使活塞裙部的形状与活塞的温度分布、金属分布想适应，与机械变形造成的失圆相适应。根据上述认识，在生产实践中采取下列三类结构措施。1 、横向绝热槽盒纵向补偿槽在活塞裙上端，或者最下面一道油环槽底加工出横槽，以减少活塞头部传到裙部的热量降低裙部的温度，这样的绝热槽均开在销座的左右两边，对于从活塞顶到活塞销的传力影响不大，一般它还兼作油环的泄油通道；与此同时还在活塞裙的次推力面上加工出纵向直槽，使裙部有一定弹性。2、 椭圆裙活塞工作时在销轴方向尺寸伸长相对较多，为使裙部在工作时具有比较均匀的间隙，不致在销孔附近卡住，在设计时把裙部做成长轴位于垂直销轴方向，短轴位于平行销轴方向的椭圆形；常用的椭圆形状如图3.2所示。它们是按下列公式设计的，式中分别为椭圆的长短轴。小型汽油机的铝活塞在处的半径收缩量毫米。取毫米。图3.2 活塞销裙部椭圆形状表3.1 活塞裙部型线01020304050607060900.10.0960.090.0740.0560.0360.0220.010.00203 、镶钢片活塞镶钢片活塞，就是在铝合金活塞中镶入热膨胀系数比铝合金销的材料，阻碍活塞裙部推力面上的热膨胀，从而减小活塞裙部的装配间隙。因此可以通过上述方法来控制活塞裙部的膨胀控制，具体可采用原来168FB形式。（三）活塞裙的配合间隙由于活塞沿轴线的温度分布很不均匀，越接近活塞顶温度越高，而且环带分布的温度梯度比裙部大，所以活塞的外圆面原则上应该设计成上小下大的且具有不同锥度的锥台形。根据发动机使用条件和要求不同，结合生产工艺的可能，活塞外廓的具体形状可以多种多样。我们选择环带多段正圆锥和渐变椭圆锥，裙部渐变椭圆锥，曲线形状桶面活塞裙。如图3.3所示:图3.3 活塞外圆形状的演变（四）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比下面压力大得多，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，试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力p时，。环岸是一个厚、内、外圆直径、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，槽底直径，于是作用在岸根的弯矩为 式(3.4)而环岸根端面的抗弯断面系数近似等于 式(3.5)所以环岸根部危险断面上的弯曲应力 式(3.6)同理得剪切应力 式(3.7)按合成应力公式 式(3.8)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，而，远远小于，所以强度合格。（五）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 式中和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，。再令膨胀系数，。则当时，按公式有： 这是与实际发动机统计数据相符的。3.3活塞销与活塞销座的设计活塞工作时顶部承受很大的气压力，这些力通过销座传给活塞销，再传到连杆。因而，活塞销与销座必须有足够的强度、足够的承压面积和耐磨性。3.3.1活塞销和销座的强度和刚度（一）活塞销的设计在确定活塞销尺寸时不能孤立地以销材料所能承受的应力和变形为基础，而只能以活塞销在气压力下所产生的变形能为销座所承受作前提。由大量实践及实验应力分析得知，销座的最大应力数值及应力分布规律主要取决于活塞销的弯曲变形5。因此，为了保证活塞销座-活塞销可靠工作，我们就从限制活塞销的弯曲变形入手，由此决定活塞销的外形尺寸。下面先根据允许的弯曲变形来选择销的外径，为使计算简化并具有普遍性，假定：1) 活塞销上负荷分布是：在连杆小头中是均匀负荷，在活塞销座上是作用在支承面中点的集中负荷；2) ，即连杆衬套与销座表面上平均比压相等；3) 活塞销长度，即活塞销的纵向断面正好填满活塞外圆，则活塞销的弯曲变形 式(3.9)式中缸径用毫米作单位，而，。由上式可知，因为，故，所以活塞销的弯曲变形几乎仅与其相对直径有关。允许在弯曲变形，应保证销座不因销的弯曲而损坏，这是与最大压力 有关的，因压力越高，销座壁和销座撑筋必须设计得越厚实，结果使销座刚性增加，对销挠曲的适应性变差。因此，汽油机的活塞销许用弯曲变形必须比汽油机小很多。另外，当缸径增大时，活塞关部的高度也增大，一般活塞销座的弹性增加，所以可认为许用变形与缸径成正比。根据生产实践经验，建议：汽油机。统计表明，一般汽油机。取 则有：,取mm。，符合要求。 活塞销的内径对销弯曲刚度影响很小，但如果内径过大，销壁过薄，会使销断面被压扁（失圆），甚至纵向裂开。或可以根据允许的失圆变形来选择。失圆变形可按下式计算： 式(3.10)因此，活塞销的外径或其比值基本上须按活塞销变形的要求来选择，而壁厚或其比值则须按活塞销椭圆变形的要求选择。根据经验，活塞销许用失圆变形统计表明，一般汽油机。取则有： 作用在销座上的表面压力 式(3.11) 式中活塞承受的最大总压力（）；销孔的投影面积（）。将某些已知的关系代入后得 式(3.12)强化的发动机铝活塞的极限设计值为。代入数据得q=547bar，符合要求。活塞销的应力是纵向变形所产生的纵向弯曲应力与销的横断面失圆产生的横向弯曲应力的组合。根据图3-5所示简化的受力和负荷分布情况，活塞销的纵向弯曲应力可表示为活塞销的横向弯曲应力由于总弯曲应力，因此算出的总应力应在范围内，合乎要求。（二）活塞销座的设计要尽量提高销座的实际承载能力，就须使它适应活塞销的变形，这一适应能力与下列三个因素有关：1) 活塞销座的可变形长度，它决定于销座轴线到活塞顶的距离，即活塞压缩高度；2) 活塞销座的结构和它的壁厚比；3) 活塞材料及其状态。在目前发动机转速日益提高，而又趋向缩短的情况下，活塞压缩高度。越来越短，活塞销座的可变形长度也越来越小了，这与保证销座的柔度的要求发生矛盾。因此只能说：在活塞总高度不断减小的条件下，从保证活塞销座工作可靠性出发，希望尽可能大，例如把活塞销位置适当降低到接近裙部中心。根据经验，活塞销座外径一般等于内径的倍。在高速汽油机上一般还可将销座外缘中心，稍向活塞顶部偏移若干毫米，以加强膨胀行程中销座的受力侧。为使活塞承受的巨大气压力通过销座传递时，尽量减少活塞的变形，所以在顶部与销座间设置加强筋。3.3.2活塞销和销座的耐磨性活塞销和活塞销座无疑是发动机中工作情况最恶劣的轴和轴承。一是负荷很大而承压面积很小；二是运转时活塞销与销座（或连杆衬套）之间只在不大的角度内相对摆动，无法形成充分的油膜；三是温度可达左右，润滑油性能下降；四是由于前面分析过的变形，压力分布很不均匀。因此要保证工作可靠，必须在承压面积、配合间隙、摩擦表面质量等方面进行详细的研究。3.3.3活塞销的结构、材料和工艺活塞销的结构，为了在最轻的重量下获得最大限度的刚度，一般都呈中空的圆柱形。汽油机活塞由于负荷大，外径很大，而壁厚考虑到失圆变形问题也不能太薄，因而往往很笨重。但是实际上销座的负荷是向外逐渐减小的，所以在销座长度内活塞销的壁厚可以向外逐渐减小，而不致使失圆变形超出允许值。因此，为了减轻重量，汽油机活塞销的内孔应制成锥形的，但是锥孔部分不应该延伸到活塞销中央，而应只比销座支承长度稍深一些6。销端的最小壁厚可以减小到原壁厚的一半。这样一来，活塞销的重量可降低20%左右，而其可靠性不受损害。为了满足外表硬以耐磨、内心韧以抗冲击的双重要求，大量生产的发动机一般用、等制造活塞销，外表面渗碳淬火至硬度，深度，但渗碳淬火层中的残余奥氏体必须切实消除，以免在汽油机运转一段时间后，残余奥氏体逐步变成马氏体，由于晶格变大使体积膨胀，引起活塞销外形尺寸增大造成故障。本设计中选用。另外，表面脱碳对疲劳性能不利，脱碳严重会大幅度降低疲劳寿命，所以必须严格控制热处理工艺质量，尽量避免脱碳。活塞销的外表面要加工到很高的精度和光洁度。实践中发现的活塞销断裂事故一般均是工艺上的原因，如材料夹渣，表面发裂，热处理不好等。3.4活塞环的设计活塞环是发动机的关键零件之一，活塞环可分为气环和油环两种。活塞环的作用有：密封气体；均匀分布气缸壁上的润滑油，并防止润滑油窜入燃烧室；导出活塞上的热量；支承活塞，防止活塞直接与气缸壁接触。活塞环的工作好坏直接影响发动机的性能、工作可靠性和使用寿命。3.4.1活塞环的工作情况活塞环在环槽内的运动十分复杂，一般认为其基本运动有：1）上、下运动2）径向运动3）回转运动除上述基本运动外，活塞环还存在不规则的轴向和径向振动，以及扭曲振动，它们使漏气量加大，磨损加剧，并造成断环。活塞环的颤振不严重时，发动机仍能正常工作，漏气量增大；如果颤振很严重时，漏气和噪音会使发动机根本不能正常工作。为提高活塞环的抗颤振性，可采取以下措施：1）使用开口部分有较高径向压力的高点环；2）减小环宽，以减轻环本身重量，减少惯性力；3）增大环厚，以增加环的刚度和弹力；4）增加环的轴向不平衡气压力；5）改进油环和活塞的设计。3.4.2活塞环参数的选择（一）选择径向压力设计活塞环首先应确定径向压力，各种发动机活塞环的最佳值通常根据经验决定，但须考虑发动机转速、环的直径与轴向高度、气缸内压力增长速度、环与气缸材料及环的润滑条件等。按径向压力不同，可将活塞环分为三类：1）高压环，用于转速特别高的发动机（）；2）中压环（普通环），用于高速汽油机或一般汽油机（）；3）低压环，用于转速在以下的低速、大缸径汽油机。为保证气缸可靠密封，对直径不大的环，在低转速时的径向压力最低值不小于。根据不同气缸直径的平均有效压力推荐值选择。（二）确定径向厚度用于高速发动机的高压环，推荐名义直径与径向厚度之比，对中压环，对低压环。有的资料推荐D=70110毫米的汽油机D/t=2025。自取，则t=4。（三）确定自由端距径向压力是由自由端距、环的径向厚度和材料的弹性模数决定的。为使弹力足够又不致于因应力过大而损坏，对是有限制的，即,取。（四）环的轴向宽度它对环的应力没有影响，但从活塞组结构紧凑及降低环的惯性质量，提高抗颤振性角度出发，希望选用较小的值。目前，一般汽油机，本设计取。（五）装配间隙它越小，环的密封作用越好，但最小以运转中开口端面互不相碰，且留有适当裕量为宜，具体数值可按下式求得；查表可取为0.288mm。3.4.3活塞环断面形状的设计根据活塞环的工作情况，其断面形状的设计要求是：1) 增强密封性能，特别是在环工作条件很不利时也不易漏气；2) 改善磨合性能；3) 提高刮油能力；4) 提高抗伤性，避免出现熔着磨损等不正常磨损现象的性能。本设计中选用矩形断面环，矩形断面环是目前应用最广的一种活塞环，因为这种环加工工艺简单，易于保证所要求的压力分布，漏光的废品率低。3.4.4活塞环的材料、表面镀覆和成形方法活塞环的材料应具备耐磨性、耐热性、耐蚀性、强韧性、导热性、适当的弹性以及与气缸的磨合性等，而由于它消耗量大，其成本还必须便宜。活塞环的金相组织比化学成分更重要，它应以细片状或更细的索氏体状的珠光体为基体，使环有足够的机械强度。本设计选用优质灰铸铁。活塞环的表面处理种类很多，就其作用而言可归纳为两大类：1) 以提高耐腐蚀性和改善环的初期磨合性能为目的的耐蚀和磨合层，如镀锡、磷化处理、镀镉、氧化处理等。2) 以延长活塞环使用寿命为目的的耐磨覆层，如镀铬、喷钼等。现在应用最广泛的是镀多孔性铬。镀铬层硬度很高，能抵抗磨料磨损；铬熔点高，有利于抵抗熔着磨损；铬有极好的耐腐蚀性；铬的镀层表面可造成网纹状或针孔状的多孔组织，能贮存少量润滑油促进润滑。本设计采用镀多孔性铬。活塞环的成形系指自由状态的获得，这是决定环的径向压力分布和密封性好坏的重要工艺过程。大致有两种方法：靠模加工法和热定形法。靠模加工法多用于不均匀环，热定形法多用于均匀环，我国多用热定形法。第4章 连杆组的设计发动机的连杆组包括连杆体、连杆轴瓦和连杆螺栓。而连杆体又常分为连杆小头、杆身和大头三部分。连杆组的作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞组上的力传给曲轴。4.1连杆的工作情况、设计要求和材料的选择4.1.1工作情况连杆小头与活塞一起作往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起作旋转运动，连杆杆身作复杂的平面摆动。连杆的基本载荷是拉伸和压缩。最大拉伸载荷出现在进气行程开始的上止点附近，其数值为活塞组和计算断面以上那部分连杆质量的往复惯性力： 式(4.1) 式中和分别为活塞组和计算断面以上那部分连杆往复运动质量。最大压缩载荷出现在膨胀开始的上止点附近，其数值是爆发压力产生的推力减去前述的惯性力： 式 (4.2)式中：作用在活塞上的气体压力，此外，由于连杆是一细长杆件，在压缩载荷作用下，还会引起平行于和垂直于曲轴轴线平面内的弯曲，两种弯曲都会给杆身以附加弯曲应力。4.1.2设计要求根据以上分析，连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此在连杆设计中应首先保证具有足够的疲劳强度和结构强度。连杆既是传力零件，又是运动件。为了增加连杆的强度和刚度，不能简单地靠加大连杆尺寸来提高其承载能力，因为连杆重量的增加使惯性力相应增加，所以连杆设计的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证