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摆动活塞式发动机的结构设计,摆动,活塞,发动机,结构设计
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邵阳学院毕业设计（论文）前 言内燃机的发明，带动了汽车的发展，给世人在“行”上带来极大的便利，使得窨距离缩小，人们的工作速度得以提高。近年来随着电子技术的发展，又使汽车发动机如虎添翼，成为高新技术的集成。汽车用内燃机作动力并发展成为支柱产业，在历史上有几次革命性的进步，第一次是石油作为内内燃机的燃料，这使发动机摆脱了最初建立在煤气为燃料基础上的固定式发动机，从而迈向移动式的车用动力。第二次革命是汽车生产的工业化。第三次是电子技术与发动机技术相结合。电子技术最初在汽油机上的应用是实现电子点火，然后到电控燃油喷射，至今天点火和喷射的集成管理。短短几十年，发动机成为高新技术的集成。无论是燃油经济性、动力性、废气排放水平等等，是任何一种其他动力机械所无法比拟的。这一切都来源于电子技术发挥的作用。汽车内燃机是通过燃料的燃烧，把燃料的化学能转化为热能，再将热能转化为机械功的热动力机械。热力学、燃烧学和机械学的理论分析表明，内燃机是热效率最高的热力机械，但仍存在着巨大的节能及降低尾气污染的潜力。1内燃机1.1内燃机的概述内燃机是发动机的一种。发动机是把某种形式的能转变为机械能的机器。能够将燃料中的化学能经过燃烧转变为热能，并通过一定的结构使之再转化为机械能的发动机也称为热机。内燃机是热机的一种，他区别于其他形式热机的特点，是燃料在机器内部燃烧，燃料燃烧时放出大量的热量，使燃烧后的气体膨胀推动机械做功。燃气是实现热能向机械能转化的媒介物质，这种媒介物质称为工作介质1。发动机可以根据不同的特征来分类： 按所用燃料分 有汽油发动机、柴油发动机和其他代用燃料发动机。汽油发动机是用电火花强制点燃由汽油与空气组成的可燃混合气，使之燃烧并产生热能，故汽油机又称强制点火式发动机。柴油机使用的柴油是直接喷入发动机气缸，在高温高压条件下自燃而产生热能，故柴油机又称压燃式发动机。 按完成一个工作循环所需要的活塞冲程数分 有四冲程发动机和二冲程发动机。 按结构特点分 有水冷发动机和风冷发动机；单缸发动机和多缸发动机。多缸发动机根据各缸的排列方式，又有直列式发动机和“V”形发动机等。汽车发动机大多采用水冷式多缸发动机。 按活塞的运动方式分 有往复活塞式发动机和旋转发动机。往复活塞发动机的活塞为上下运动，旋转发动机的活塞是旋转的2。 现代汽车用的内燃机绝大多数为往复活塞式内燃机。为了方便叙述我们对各种型式的内燃机都简称为内燃机或发动机。本文主要介绍的便是在旋转活塞式发动机上进行改造，而得出的摆动活塞式发动机，其工作冲程为二冲程。发动机是汽车、拖拉机、飞机和船舶等机器的动力源，是它们的“心脏”，其性能是决定这些机器使用性能好坏的关键。往复机已有百年的历史了，经过长期使用和发展，到目前，不论是二冲程还是四冲程，可以说已经达到了比较完善的程度。它的最大优点是经济可靠，因此在工农业和交通运输业中，一直占据主要地位。1.2选题的背景众所周知，往复机的基本结构方案，是利用曲轴连杆机构，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。由于活塞的往复运动所造成的惯性力和惯性力矩，不能得到完全平衡，这是往复机结构本身存在的缺陷。这些不平衡的力和力矩，随着发动机转速的提高而急剧增大，作用在发动机轴承上的惯性负荷显著增加，并引起振动和噪音的增大。特别是随着发动机不断向高速发展时，活塞连杆机构和气阀机构表现出明显的弊病。同时，活塞的平均速度，由于受到现有金属材料性能的限制，通常不得超过允许值，也限制了往复机向高速方向发展。加之往复机的运动机构复杂，这些因素是往复机进一步提高功率、降低重量（和体积）的严重障碍。而旋转发动机机与往复式发动机比较，它的优点是：结构简单，体积小，重量轻，发动机振动很小，动转平稳，此外制造成本也比较低。特别是在要求发动机高转速大功率的使用场合，转子发动机的优越性就更为突出。但是，转子发动机也还存在着不少问题，例如低速动力性差，起动性能和耐久性也有待进一步提高等等。基于以上几种原因，我们希望有一种发动机能够一定程度上结合了旋转发动机与往复发动机的优点。即具有旋转发动机的旋转特性，也具有往复机的曲柄连杆机构。它能够利用旋转特性很好地解决曲柄连杆机构存在的惯性力问题，而且根除了四杆机构的急回特性。而正在此时，老师向我们提出了晋江某企业已经设计出了一种摆动发动机，而且做成了样机，还成功发动起来。只是这个样机结构设计时存在着一些不合理性，以至于后来发生了故障。由于这种摆动发动机具有较好的市场开拓前景，我们在对样机的理解上大胆地提出了改进与创新。而所有的这些我们都将在下面的文章中做出详细的说明。2 往复发动机基本工作原理2.1 二冲程发动机工作原理及换气过程汽油机是将汽油和空气混合成可燃混合气，然后进入气缸用电火花点燃。首先，我们以曲柄轴箱扫气二冲程发动机为例说明一下二冲程汽油机的工作过程。二冲程汽油机的工作冲程如下：2.1.1 工作原理（1）第一冲程 活塞自下止点向上移动，三个气孔被关闭后，在活塞上方，已进入气缸的可燃混合气体被压缩；而活塞下方的曲柄轴箱内因容积增大，形成一定的真空度，在进气孔露出时，可燃混合气体自化油器经进气孔流入曲柄轴箱内。（2）第二冲程 活塞压缩到上止点附近时，火花塞点燃混合气体，高温高压的燃气膨胀，推动活塞下移做功。活塞下移做功时进气孔关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气体冲入气功，驱除废气，进行换气过程。此过程一直进行到下一冲程活塞上移，三个气孔完全关闭为止。总之，活塞上行时进行换气、压缩、曲柄轴箱进气；活塞下行时进行做功、压缩曲柄轴箱混合气体、换气。2.1.2 二冲程发动机的换气过程二冲程发动机与四冲程发动机相比，由于省去单独的进排气冲程，必须在下死点前后很短的时间内同时进行进排气，进排气的时间差不多只有四冲程发动机的三分之一，因此，必须用有压力的新气清除气缸内的废气，称为扫气作用。如果在此期间，有可能把废气完全驱除，而用新鲜气充满气缸，则与同样大小同样转速的四冲程发动机相比，可使功率增大50%-70%。但如扫气作用进行得不好，在气缸中残留下很多废气，与新气混合，而且新气中相当一部分进入气缸后并没有留在缸内，而在扫气期间短路经过排气口流出缸外的话，则由于气缸内空气不足（加上为了压缩新气要消耗一定能量），功率就要受到影响。如果是汽化器式发动机，新气中含有燃料，短路溜走的燃料又会造成浪费。这样会使燃料消耗率增高很多，而且排气污染更严重3。由此可见，对二冲程发动机来说，扫气作用对性能影响特别大。如果扫气不良，压缩空气中废气率高，实际的混合气体浓度将很稀，经常由于缺火使工作不稳定，有时也会因为压缩过量，温度过高而发生爆燃。小负荷由于进气节流，缺火会特别严重，甚至变成两转爆发一次，像四冲程那样。由于二冲程的汽化器式发动机经济性较差，如果能采用汽油直接喷射即可大大改善指标（燃料消耗可下降1/4左右）。二冲程原理应用于柴油机，效果显著。排气口一经开启，膨胀过程就告结束，因此排气口应尽可能晚开启，但是它应保证扫气孔紧跟着它开启时，气缸内的压力能降低到足够低，以避免废气倒流，同时还保证扫气过程又足够的时间，所以排气口不能开的太晚。由于气口的存在，使发动机的实际压缩比低于几何压缩比。实际压缩比应该为几何压缩比减去一个排气口相对高度，而对于摆动活塞则应该减去一个排气口的相对角度。扫气口的开启时间也应该从类似的考虑确定。应该注意的是，换气过程中气体的流量不仅是活塞的位置的函数，而且是时间的函数，故发动机的转速越高，气口相对高度或摆动活塞发动机的排气相对角度就要越大。至于扫气口和排气口的关闭时间，如果扫气孔比排气孔先关，新气可能逃逸，过后充填也就不可能了。所以最好是不对称换气，即排气口先开先关，扫气口后开后关4。2.2 四冲程发动机工作原理四冲程汽油机的每个工作循环均经过如下四个冲程：（1）进气冲程 在这个冲程中，进气门开启，排气门关闭，气缸与化油器相通，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方容积增大，气缸内产生一定的真空度。可燃混合气体被吸入气缸内。活塞行至下止点时，曲轴转过半周，进气门关闭，进气冲程结束。（2）压缩冲程 进气冲程结束后，进气门、排气门同时关闭。曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点移动，活塞上方的容积减少，进入到气缸内的可燃混合气体被压缩，使其温度、压力升高。活塞到上止点时，压缩冲程结束。（3）做功冲程 当压缩冲程临近终了时，火花塞发出电火花，点燃可燃混合气体。由于混合气体迅速燃烧膨胀，在极短的时间内压力可达到3-5MPa，最高温度约为2200-2800K。高温、高压的燃气推动活塞迅速下行，并通过连杆使曲柄旋转而对外做功。在做功冲程中，活塞自上止点移至下止点，曲轴转至一周半。随活塞向下运动，活塞上方容积增大，燃气温度、压力逐渐降低。（4）排气冲程 混合气体燃烧后成了废气，为了便于下一个工作循环，这些废气应及时排出气缸，所以在做功冲程终了时，排气门开启，活塞向上移动，废气便排到气缸外5。当活塞到达上止点时，排气门关闭、曲轴转至两周，完成一个工作循环。由此可见，四冲程发动机经过进气、压缩、做功、排气四个过程，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冲程，相应的曲轴旋转了两周。由上面的分析我们可以看出二冲程与四冲程汽油机不同，即二冲程汽油机曲轴每转动一周就有一个做功冲程，因此，理论上相同排量的二冲程发动机的功率应该等于四冲程发动机的二倍。和四冲程发动机相比，由于做功频率较快，因而运转比较均匀平稳。而且结构简单。但是二冲程发动机换气过程中新鲜气体损失较多，废气排放也不彻底，而且气孔占据了一部分活塞冲程，做功时能量损失较大，经济性较差。本文主要是针对二冲程汽油机进行设计的。3 摆动活塞式发动机工作原理3.1 工作原理下面我们就用图解法来说明一下这个二冲程摆动发动机的工作原理。如图1所示，我们可以看出活塞在气缸内大致装配位置（环状缸体即为气缸；扇形状为活塞，我们称为扇形活塞）。当扇形活塞逆时针摆动至死点时，可燃性混合气体已经被压缩在左燃烧室内。经火花塞点火后，压缩气体爆炸产生作用力，推动扇形活塞向右摆动，发动机开始工作。此时左储气室开始进气。右工作室进气已经完毕，右气门关闭。图1图2为扇形活塞运转过一定角度之后，右工作室工作冲程。扇形活塞顺时针摆动，左气门进气，左储气室增压。右工作室封闭，右工作室气体被压缩。图2图3为扇形活塞继续顺时针摆动，左工作室开始排气，左气门保持开启，左储气室与左工作室相贯通，左工作室开始进气。右工作室则继续压缩。图3图4为扇形活塞继续顺时针摆动至死点，左气门还是保持开启，而左工作室与左储气室持续贯通，左工作室充气工作此时已经完成。右工作火花塞点火，右储气室进气开始。图4图5为右工作室工作冲程，扇形活塞逆时针摆动，右气门保持开启，右储气室持续进气，且开始增压。左工作室开始压缩，左气门关闭。图5图6为扇形活塞继续逆时针摆动，右工作室已经开始排气，右储气室与工作室已经贯通，压缩气体进入右工作室，右气门保持开启。左工作室继续压缩，左气门保持关闭。此时工作冲程接近完毕，最后摆动至左死点，即图1所示位置，而后按图1说明完成一次往复热循环运动。图6从以上原理图我们可以看出二冲程摆动发动机机主要有以下优点：每转做功，因此升功率较大（约为四冲程汽油机的1.5-1.6倍），运转比较平稳；而且构造较简单，重量也较轻，制造和维修都比较方便。但是我们也看到了，不论将排气口开得多大，都不能将废气从气缸内排除得比较干净，而且换气时要损失一部分做功冲程，再加上有部分混合气体在扫气时随同废气流失，所以动力性较差。此外，因做功频率较大，所以热负荷较高6。因此二冲程摆动发动机可以较多地应用在摩托车和一些小型机具上，或用作某些柴油机的起动机。3.2 曲柄摇杆机构传动分析摆动活塞发动机的传动是依靠一个曲柄摇杆机构，通过燃料在燃烧室中燃烧，推动扇形活塞在气缸内一定范围角度内作往复的摆动，通过一个与活塞相连的连杆把活塞的摆动传动到输出轴上的曲柄，从而使曲柄带动输出轴转动，实现从热能向机械能的转换（如图7）。活塞在来回摆动一个过程中，带动曲轴转动一周。图71 极位夹角曲柄摇杆机构摇杆处在两个极位时，曲柄所在两个位置之间的夹角称为极位夹角。 当曲柄以等角速度1顺时针转过1=180+时，摇杆将由位置C1D摆到C2D，其摆角为，设所需要时间为t1，C点的平均速度为v1；当曲柄继续转过2=180 时，摇杆又从位置C2D回到C1D，摆角仍然是，设所需要时间为t2，C点的平均速度为V2。由于曲柄为等速转动，而12，所以有t1t2,v2v1。摇杆的这种运动性质成为急回特性（如图8）。图8图8可见极位夹角越大，急回特性便越显著。由于这种急回特性会导致活塞摆动运动惯性力的增大，降低传动的稳定性，所以发动机设计中应尽可能地减小极位夹角。存在一种特例，使为零，从而消除急回特性，即曲柄回转中心在摇杆两极位时C1，C2的延长线上。在设计总体机构时应该尽量考虑采用无急回特性的机构（如图1所示），如果受到总体方案的限制，也应该采用小的极位夹角，并且使急回冲程做功的运动，而更有利于传递动力。本设计所采用的角即为零度。这也就较好地解决了一部分惯性力问题。2 传动角四杆机构中，主动件AB经连杆传递到从动件CD上C点的力F的方向与C点速度方向之间的锐角称为此位置的压力角，而连杆BC与从动件CD之间所夹的锐角为机构在此位置的传动角。传动角越大，对机构的传力则越有利。一般要保证最小传动角4050度，这样才能使机构有良好传动性。对于曲柄摇杆机构，最小传动角在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。传动角与各杆的长度有关。4 摆动活塞式发动机结构设计4.1 传统发动机的组成结构介绍传统往复发动机一般由以下几个机构和系统组成：. 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构由活塞组、连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。此机构的作用是把活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。该机构与机体组零件工作关系比较密切，比如气缸体、气缸盖、曲轴箱等在工作时的关系非常密切，再结构分析时常把他们放在一起，组成广义的曲柄连杆机构。配气机构 它的作用是按照发动机的各个缸的工作顺序，定时的开启和关闭各缸的进气门和排气门，以保证新鲜气体及时进入气缸，废气及时排出气缸。它是由气门组、传动组和驱动组组成。. 供油系统 供给系统包括燃料供给、空气供给与废气排出三个系统。其作用是将燃料和空气及时供给气缸，并将燃烧后的废气及时排出机外。. 冷却系统 其功用是吸收内燃机工作中受热零件的多余热量并及时散发出去，保证内燃机各部位在最适宜的温度范围内工作。水冷系统一般由水箱、水套、水泵、风扇、散热器、节温器等组成。风冷系统由散热片、风扇、导流罩等组成。. 润滑系统 其作用是将润滑油输送到内燃机各运动部件的摩擦表面，以减少摩擦阻力和磨损，同时起到冷却、密封、清洗和防锈的作用。主要包括机油泵、机油滤清器、机油散热器、机油压力表、机油温度表和阀门、润滑油道等。(6).点火系统 它是汽油机特有的一个系统。其功能就是在一定的时刻产生电火花，点燃气缸内的可燃混合气。由于我们所设计的为二冲程汽油机，而且利用吸气口与排气口就能控制空气的进与出，因此没有给它配备专门的配气机构。本文主要考虑的是曲柄连杆机构的设计，再辅以冷却系统及润滑系统的设计7。4.2 曲柄连杆机构的设计曲柄连杆机构是内燃机借以实现将热能转变为机械能的最主要的机构，它的零件可分为固定件与运动件两类。固定件包括气缸端盖、气缸垫、气缸体等。运动件包括活塞连杆组和曲轴飞轮组。活塞连杆组由活塞、密封环、活塞销、连杆等零件组成；曲轴飞轮组由曲轴、飞轮及装在曲轴上的其他零件组成8。下面我们就发动机的曲柄连杆机构进行分析设计：4.2.1 气缸的设计气缸是内燃机中重要部位，气缸中装有活塞，活塞在气缸中高速往复运动。气缸端面是用气缸端盖封闭的，中间再用密封圈加以密封9。为了保持结构的简易性，我们没有在气缸体壁留出水道以冷却，而只是在气缸端盖上做出水道冷却。主轴承安装在气缸端盖上。为了保证主要机构工作可靠，气缸和轴承的尺寸和相对位置都加工得比较精确。参考样机的设计，我们暂时将气缸的内径设为65mm，考虑到总体的功率问题，这里我们将活塞的厚度定为60mm。为了减少气缸与活塞之间的摩擦损失，气缸外壁尺寸和形状要求比较精确，表面粗糙度要高。如果按2-3级精度的尺寸公差来加工气缸必然会增加加工困难，并且提高零件的加工成本。因此，一般将尺寸公差加大，按4-5级精度来加工，然后按2-3级精度的尺寸公差来选配，这样加工就比较容易，而且成本也降低了。为了提高气缸的耐磨性，可选用含有少量合金元素镍（Ni）的优质铸铁，这种材料机械强度高，耐磨性好，但成本相对会高一些。我们知道气缸是个类似于环形的缸体，怎么才能保证活塞在一定的角度内摆动呢？为此我们可在气缸壁上再加上两块楔形块，气缸中的楔形块与活塞侧面所包围的空间，就是摆动发动机的燃烧室。两楔形块形成一定的角度，即为活塞的活动空间。楔形块与组合后的气缸形状如下图所示。楔形块的左右端面都是加工成弧形，再用螺栓将其与气缸壁锁紧，当然这也就要求楔形块的加工精度相对较高。配合前应先画线以确保配合的精度。保证活塞的活动空间的准确性。图9由图9可知，由于气缸筋板结构所限，如果要右边再设置进气口，结构会显得比较复杂。我们就没有采用原先所提到的两边点火爆发做功。而改为单边爆发做功，即只是在左边设置火花塞位置及进气口位置。4.2.2 燃烧室的设计在介绍燃烧室的设计之前，我们先来看看压缩比对燃烧室设计的影响。气缸总容积与燃烧室容积之比，即为压缩比。通常用符号表示。=Va/Vc。如图10所示，Va为活塞位于右止点时，活塞左侧的整个空间；Vc为活塞位于左止点时，活塞左侧的空间。压缩比是发动机一个很重要的参数。它反映了在压缩冲程中气缸内的可燃混合气体被压缩的程度。排量相同的发动机，压缩比越高，做功冲程时膨胀能力就越强，输出功率也越大。汽油机压缩比一般为6-1010。在此我们选用压缩比为8。由此我们可以看出，在气缸总体积一定的情况下，压缩比的大小关系到燃烧室的大小。图10燃烧室的形状和尺寸对内燃机的性能有很大的影响。对燃烧室有两点基本要求：第一是结构要紧凑，散热面积小以减少散热损失，火焰传播距离短以减少爆燃倾向；第二是其形状要使混合气在压缩终了时产生适当的扰流，以提高燃烧速率，保证混合气体得到及时和完全燃烧。此外燃烧室做成扇形状有利于力的分布均匀，减少活塞振动对发动机性能产生影响，如左图所示。参考样机的设计，我们可将燃烧室的角度设为110。这样由第一章燃烧比设为8可知，气缸的总容积为8*11=880。我们只要再设计出扇形活塞的角度即可将两楔形块的位置确定出来，从而完成气缸的尺寸设计。4.2.3 活塞连杆组的设计（1）扇形活塞的设计考虑到力如果从主轴输出的话，主轴的尺寸就会显得比较大，整个结构都会因此而显得比较庞大，为此我们将摇杆定在活塞上，即将活塞销置于活塞上的小孔内（活塞销孔）。因此活塞一方面随着气体的压力，一方面又要将力通过活塞销传给连杆。它直接承爱高温高压的燃气压力，并在气缸中高速往复运动。图11为活塞的示意图：图11参考样机的设计以及考虑活塞的强度要求，我们先将扇形活塞的角度定为600左右，其宽度与气缸宽度一致均为60mm。扇形活塞下方的直板为扫气板，其作用就是将气体充分地扫进燃烧室内。而为了便于实现活塞与活动缸壁的密封，我们将扇形活塞与活动缸壁做成一体，因此我们从上图中便可看出，扇形活塞后加一突出的圆盘即为活动缸壁。由于还要在活动缸壁上加工出环槽用以密封，因此，缸壁的半径取100mm，厚度取20mm，缸壁的半径决定了气缸台阶的半径也为100mm。扫气板由于也要开密封槽，厚度也取20mm。而扇形活塞内径则依主轴进行设计，这在下面的设计中再做介绍。（2）摇杆长度的设计扇形活塞上半部有一小孔即为活塞销孔。活塞销孔中心到扇形活塞中心的距离即为摇杆的长度。由扇形活塞的受力可知，扇形活塞的侧面受到力作用。其力的作用中心约位于扇型活塞直径的2/3处，即是65mm*2/343.3mm考虑到机构设计数据的简单和连杆与主轴的干涉，取大值，定为46mm。这样在整个曲柄摇杆机构中摇杆的长度就出来了。（3）扇形活塞材料的选择由于活塞承受高温气体的加热，一般最高燃烧温度高达1200度以上，活塞侧面最高温度达300-400度，这会使材料的机械强度显著下降。同时，活塞在气缸中高速运动，活塞与气缸壁之间摩擦严重。因此扇形活塞最好用强度高、重量轻、热膨胀系数小、导热性好的材料制造。铸铁活塞虽有强度高，热膨胀系数小等优点，但重量大，导热性差，所以在中小型高速内燃机中很少采用。铝合金活塞重量轻，导热性好，用于中小型高速内燃机可以满足强度要求，因而应用非常广泛。但是，其主要缺点却是热膨胀系数大。（4）扇形活塞与气缸的间隙活塞在高速摆动时，要求活塞与气缸顶壁间有恒定的最佳间隙，以减小摩擦和磨损。如果间隙过小，由于铝合金膨胀系数大，内燃机热车时活塞会在气缸中卡住。反之，间隙过大，内燃机冷车时密封效果就会大打折扣11。为此我们参考了目前广泛使用的最佳间隙量后，对活塞顶壁的尺寸公差及制造精度做出了确定。（5）扇形活塞的密封既然气缸与活塞之间留有间隙，若不加以密封，气缸中的气体会向排气口漏气，造成压缩压力降低，发动机性能变坏。另外，气缸与活塞 之间多余的机油，若不刮掉，就会串入燃烧室烧掉，使耗油增加，产生燃烧室严重积碳、排气冒蓝烟等不良现象。为了解决这个问题，我们在活塞顶部装有密封环。而为了便于实现活塞与活动缸壁的密封，我们将扇形活塞与活动缸壁做成一体，如上图所看到的圆盘状外形，这样就省去了活塞与活动缸壁的密封问题，而我们只要在“活动缸壁”上开一些槽，用以密封扇形活塞与气缸即可。在此为了很好地密封，我们采用双密封环进行密封，这样加上扇形活塞顶壁的密封环密封，就可以将扇形活塞与外界很好地隔开。（6）密封环的设计密封环按其功用不同分为气环和油环。气环用来密封气缸，并将活塞顶部的热量传给气缸壁由冷却水散走。油环是用来刮掉气缸顶壁多余的机油，并使机油在气缸壁上分布均匀，改善气缸与活塞的润滑条件12。气环切有开口，具有弹性，在自由状态下的外径大于气缸直径。将气环装入气缸之后，在弹力作用下其外圆表面紧贴在气缸顶壁上，活塞左右摆动时密封环的上下端面紧压在槽的相应端面上，所以只有通过微小的开口间隙泄漏，其漏气量在高速燃机中是微乎其微的。气缸内的气体穿过第一密封环后压力降低到20%，穿过每二环后压力降低到7.6%，穿过第三环后压力就更小了，环后的背压使密封环更加贴紧气缸顶壁，气缸内气体压力越高，密封就越可靠。气环能够防止气体从气缸漏气，但不能防止机油串入燃烧室。因为气环在活塞槽中左右留有间隙，背后也有间隙，以防止它在受热膨胀时卡死在槽中。但是，这些间隙的存在，又产生了新的矛盾-气环泵油现象。当活塞向左运动时，在环与气缸顶壁之间的摩擦力和环的惯性力作用下，使环压紧在槽的右端面，而其左面则充满机油。当活塞向右运动时，环压向槽的右端，并把机油向左挤。如此反复，便将机油压入燃烧室，这种现象称为气环的泵油作用。油环就是为了解决这个矛盾而设置的。如图10的左视图所示，油环外圆柱端面上车出一道槽，槽底加工出穿通的狭缝或许多小孔，当油环随活塞向下动动时，油环外圆如象刀口一样，便将气缸壁上多余的机油刮下，使之经狭缝或小孔流向活塞销。从上述密封环的工作原理中可以看出，它处在高温、高压、高速以及润滑极其困难的条件下工作，尤其是第一环的工作条件更为严重。密封环在使用中磨损严重，弹性也不易保持，结果会失去封气和刮油作用。这种矛盾的存在，促使密封环的结构不断向前发展。因此，密封环的工作可靠性和使用耐久性，是我们观察和了解密封环的结构以及在使用中必须要注意的问题13。（7）密封环材料的选择密封环一般用耐温、耐磨的优质灰铸铁或合金铸铁（含有镍，铬，钼，钨等合金元素）。工作条件最差的第一道环的工作表面，一般都进行多孔性镀铬，多孔性镀铬层硬度高，并能贮存少量机油以改善润滑条件，使环的使用寿命提高23倍。其余环一般镀锡以改善磨合性能。（8）活塞销的设计活塞销是圆柱形零件，用以连接活塞和连杆，并把活塞所承受的力传给连杆，活塞销中部穿过连杆小头孔而两端则支承在活塞销座孔中，内燃机运转时，活塞销在连杆小头中和活塞销座中都自由转动，所以这种连接方式，称为“浮式”连接。活塞销的轴向移动，用活塞销挡圈来限位14。从活塞销的功用中可以看出，它的强度和刚度要大，表面就耐磨，重量尽可能要轻，为此，通常采取以下两点措施：.活塞销用优质钢材制造，活塞销表面经热处理提高硬度后进行精磨加工，使形状精确，表面光洁，以提高耐磨性。.活塞销做成空心圆柱体，使重量轻，但强度和刚度下降不多。其中部比两端厚，这是因为活塞销中部负荷比两端重的原因，但这样内孔加工比较麻烦。 由于扇形活塞的半径一定程度上限制了活塞销的外径，再此我们取其直径为整数20mm，而考虑到上面所提到的加工问题，我们将内孔做成直通孔，直径为14mm。而其长度则依据扇形活塞的宽度取180mm。活塞销在活塞销座的装配及尺寸如图12所示，图12发动机工作时，活塞销与销座之间应有适当间隙，一般为0.015-0.02mm15。若间隙过大会产生敲击声，加剧磨损。但是，由于铝合金销座孔的热膨胀比活塞销大，因此安装活塞销于销座孔时，应有一定的过盈，才能保证在高温工作时有正常的间隙。安装时先将活塞销加热至70-80度，然后若用手能把活塞销轻轻推入，说明配合适当。（9）连杆的设计 连杆是用来连接活塞和曲轴，将活塞所受的力传给曲轴，并把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。可见，连杆是受力运动零件，要求重量轻，强度和刚度大。因此连杆常用优质钢或合金钢材模锻制造16。由于连杆为四杆机构的一部件，因此其尺寸与四杆机构的每一个部件的尺寸关系密切,我们先来求出四杆机构的尺寸。下面我们来用做图法确定四杆机构尺寸：连杆为四杆机构的一部件，因此其尺寸与四杆机构的每一个部件的尺寸关系密切。由前面已确定的燃烧比及气缸的工作容积，我们可作出四杆机构传动示意图，如图13所示，图13扇形活塞的摆动角度为770，摇杆的长度为46mm，考虑到曲柄安放位置与气缸外壁的干涉，我们将其中心拉远一点，这样就要求摇杆的摆放位置进行校核，其角度为630，这样我们楔形块的位置也就可以确定出来，具体角度在零件图中均有标出。我们的极位夹角取00，这样延长摇杆的连线使之与水平线相交就可确定出曲轴中心的位置。中心距随之确定，为180mm。考虑曲轴惯性力不应太大及四杆机构的杆长定理17，取曲柄长为30mm。这样连杆的长度则为177mm。至此本设计中最为重要的四杆机构的尺寸已全部设计出来。连杆的构造，由小头、杆身、大头三部分组成。如图14所示，图14连杆小头用来安装活塞销，小头孔内压有衬套，衬套一般用耐磨性好的锡青铜制造。近年来我国广泛采用铁基粉末冶金来制造衬套，其耐磨性好，制造成本也低。由于连杆置于气缸外部，润滑效果将受到一定的影响。为了润滑活塞销与衬套，在小头和衬套中钻孔，一定时间以后就朝孔内压力机油以润滑。活塞销与衬套之间留有适当的配合间隙，若间隙过小润滑困难，间隙过大会产生冲击声并加剧磨损。一般活塞销涂上机油后，用大拇指的力能压入衬套中，即为合适的间隙18。连杆杆身是连接小头和大头的部位。为了既减轻重量，又保证连杆有足够的强度和刚度，一般杆身做成工字形断面。连杆大头与曲柄销相连接，一般都做成可分的，被分开的部分（连杆盖），用连杆螺栓与连杆大头固紧。为了润滑连杆大头，也在杆身处钻有一个小孔，通过向里面挤压机油进行润滑。（10）连杆大头轴瓦的设计连杆大头孔中装有连杆轴瓦，它是1.5-2mm的钢带上绕有减磨合金的薄壁零件。由于连杆轴瓦承受负荷大，它与曲柄销之间滑动速度高，减磨合金应是机械强度高、减磨性能好的材料。即在润滑油不足时仍能使摩擦和磨损小。而广泛应用的是用巴氏合金作为减磨合金。连杆轴瓦如图15所示，图15为了防止轴瓦的工作可靠性和使用寿命，通常采取以下措施：为了防止轴瓦在工作时松动，轴瓦上制有凸键，安装时凸键置于连杆大头相应的凹槽内。轴瓦与瓦座要紧贴合，以免轴瓦松动，散热不良而烧损轴瓦。为此轴瓦在座中其一端与座的分开面对齐时，轴瓦的另一端高出座的分开面0.05mm左右。当拧紧连杆螺栓时，轴瓦与瓦座因过盈而使配合很好的贴紧19。可见，连杆螺栓的拧紧扭矩、连杆螺栓的强度和刚度，都直接影响连杆轴瓦的工作可靠性。连杆螺栓常用优质钢材制造，安装时按一定的拧紧扭矩拧紧。为防止螺栓松动，连杆螺栓一般用的是开口销锁紧。轴瓦与曲柄销之间具有最佳的配合间隙，并以一定的压力将机油送入间隙中进行强制润滑。间隙过小曲轴在轴瓦中会卡住，即通常所说的包瓦现象，间隙过大会产生冲击和加剧磨损。使用中由于磨损间隙过大时，要重新调整间隙，为此连杆大头分开面通常装有垫片，减少垫片就会使间隙缩小。4.2.4 曲轴的设计曲轴是发动机中最重要的零件之一，发动机的全部功率都通过它输出。设计时要充分考虑以下三个方面：(1).曲轴是在不断周期变化的气体压力、往复运动质量惯性力、旋转运动质量惯性力以及它们的力矩（扭矩和弯矩）共同作用下工作。这些变力使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。曲轴形状复杂，应力集中现象相当严重。所以在设计曲轴时要使曲轴具有足够的疲劳强度，特别要注意强化应力集中部位和设法缓和应力集中现象。(2).曲轴的主轴颈在实际工作中并不能总保证液体润滑，尤其当润滑油不洁净时，曲轴轴颈表面遭到强烈的磨料磨损。所以曲轴的主要摩擦表面主轴颈要有一定的耐磨性能，同时要保证尽可能好的润滑条件。(3).如果曲轴弯曲刚度不足，就会大大恶化活塞、连杆、轴承等重要零件的工作条件，影响它们的工作可靠性和耐磨性，甚至使轴承座局部超负荷。曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转震动，引起噪音，甚至使曲轴上的齿轮等传动件加速磨损，重则使曲轴断裂。所以，应保证曲轴有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度。但是，所有的这些要求都应该在轻结构的条件下实现，特别是不平衡的质量要尽可能小，以免设置沉重的平衡块。因此曲轴常用优质钢制成。示意图如图16所示：图16曲轴的长度主要是由发动机的整体结构定出来的，这可由做图法得出。由于功率不是特大，再者参考了样机的设计尺寸，我们可取主轴颈的直径为25mm，大家可能看到了一般曲轴的主轴颈是紧贴着曲柄臂的，而上图所示的曲轴则是主轴轴颈紧邻着一轴肩，这主要是由于为了防止总体机构干涉而将主轴颈移走的结果。但这就不影响曲轴的结构性。其余各主要尺寸均在综合考虑总体结构要求及受力情况合况下做出的。具体可参见曲轴零件图。主轴颈是曲轴的支承部位，安装在轴承中，合上轴承座后用螺栓固紧。曲柄销用来安装连杆大头，经曲柄销同主轴颈连接。主轴颈和曲柄销表面是曲轴的重要部分，为了提高它的耐磨性，通常采取以下措施：主轴颈和曲柄销表面经热处理提高硬度之后进行精磨，其尺寸精确，表面光洁。主轴颈与主轴承座之间装有轴承。主轴承座上开有小孔，是用来强制将机油送入轴承座内部进行润滑的。为了减轻重量和减少曲轴旋转时曲柄销产生的离心力，曲柄销一般都做成空心。曲柄臂用来连接主轴颈与曲柄销。有的内燃机曲柄臂上加有平衡重，平衡重的作用是平衡连杆大头、曲柄臂等产生的离心力和活塞连杆组零件直线运动质量产生的往复惯性力，减轻内燃机的振动。而为了防止曲轴轴向串动，曲轴前端有轴向定位装置。主轴承座两边各有一片一面浇有巴氏合金的止推片。浇有巴氏合金的一面都朝向主轴承座内侧。止推片有凸键置于主轴承盖的凹槽中，使之防止转动。止推片与曲柄臂之间轴向间隙为0.05-0.25mm20。4.3 主轴的设计本发动机所设计出来的主轴主要用于支承两个扇形活塞。同时承受小部分的载荷，活塞大部分的载荷都作用在了活塞销上，再通过连杆传递给曲柄输出。但是还是要求主轴具有一定的强度和足够的刚度，以保证扇形活塞工作时保持正确几何形状以及正确的配合关系。假如刚度不够，就会使扇形活塞与气缸的配合间隙过大，影响密封性能，从而造成气缸内压缩压力降低，发动机性能变坏，严重时还会导致发动机瘫痪，不能工作。因此我们选用优质中碳钢制造。主轴中间要留有水道，以便于冷却水进入活塞内孔进行冷却。基于此我们可大致做出示意图如图17所示：图17水道应先全部钻通后，再用金属堵住图中封闭处。与扇形活塞配合处的尺寸按扇形活塞的内径去做即可，但其尺寸精度要求相当高，再有就是位置精度要求也较高，这也给加工带来了一定的困难。轴径最大处主要是用于定位左右两气缸用的，其尺寸决定了两气缸的相对位移以及连杆的宽度，可定为50mm。这样再减掉又端盖厚度之后仍有30mm的宽度，这已经可以满足连杆的强度要求了。主轴各主要尺寸及公差要求可参照主轴零件图。4.4 气缸端盖及轴承盖的设计4.4.1气缸端盖缸盖的设计是按照气缸体的配合要求进行的,在设计中,力求简单。但是注意考虑以下几点要求：（1）配合要求：气缸端盖与气缸的配合，气缸端盖与轴承的配合。（2）密封要求：气缸端盖与气缸的密封，气缸端盖与轴承盖的密封（3）冷却水道的布置由此我们初步设计如下气缸端盖的示意图如图18所示：图18首先在配合要求上，缸盖与活塞的密封是静配合，但是其端面直接与扇形活塞相接触，为了减少摩擦就要求其端面尺寸精度要求较高一些。而与轴承端盖的配合就要考虑怎样防止水流进轴承里面，因此尺寸精度也有相应的要求。所有的端盖的连接均靠螺栓锁定。其次密封方面，气缸端盖与气缸的密封采用的垫片是双金属层的金属粘覆密封垫片，能耐高温，密封性能好；而与轴承端盖的密封采用的是“O”型橡胶圈密封，密封性能好，不会造成冷却水泄漏到轴承里面去，影响轴承的使用性能及寿命。最后水道的布置在气缸端盖上，呈环形分布，因为在扇形活塞摆动时，会与气缸端盖进行摩擦，以及可燃气体燃烧时产生热量。因此这一侧属于高温区，至于冷却水的循环，将在下文的冷却系统中做详细介绍。气缸端盖具体尺寸请参照零件图纸。4.4.2轴承端盖为了防止轴承在承受轴向负荷时产生轴向移动，轴承在轴上和外南宁孔内都应用轴向定位装置。轴承在轴上和外壳孔内定位方式的选择，取决于作用在轴上负荷的大小和方向，轴承的转速，轴承的类型，轴承在轴上的位置等。轴向负荷越大，轴承转速越高，轴向定位应越可靠。端盖定位用于所有类型的向心轴承和角接触轴承，在轴承转速较高、轴向负荷较大的情况下使用。端盖用螺钉定位压紧轴承外圈，端盖也可以做成迷宫式的密封装置。轴承端盖主要是为了密封轴承而设计的，但他还起到了密封水道的功能，因此需要采用“O”型橡胶圈密封，防止冷却水泄漏到轴承里面去。示意图如图19所示：图19其中上通孔为进水口，冷却水由此进在气缸端盖水道内环流一周后从下出水口流出。轴承端盖具体的设计请参见轴承轴承端盖零件图，在此就不详细画出。4.5 装配草图现在我们活动缸壁双联缸式摆动发动机的大体结构设计已经完成，下面我们就来看看总的装配示意图，如图20、图21和图22。详细的总装配图请见附录。图20主视图图21俯视图图22左视图5 润滑系统5.1 润滑的作用与设计要求内燃机润滑系统的主要作用是将一定数量的清洁润滑油送到各摩擦部位，以润滑、冷却和净化摩擦表面。一个良好的润滑系统必须具备以下几个条件：有布置合理的油路，使内燃机所有的摩擦部位都能得到润滑。 当内燃机在允许的工况和环境条件下，在内燃机允许的倾斜范围内，仍有适当的润滑油压力、温度和足够的循环油量，以保证摩擦表面的润滑。 进入摩擦部位的润滑油应清洁。 内燃机一经启动，各摩擦部位应能够立即充满润滑油。也可在启动前将润滑油预先压入各摩擦部位进行润滑。5.2 几种常见的润滑方式根据内燃机类型和润滑部位不同，采用不同的润滑方式，主要有以下5种： 压力循环润滑 即润滑油是在机油泵作用下以一定的压力注入摩擦部位。常用于承受较大负荷的摩擦表面，如轴承、轴套等。 飞溅润滑 润滑油溅于摩擦表面上。常用于那些压力送油难以到达，或承受负荷不大的摩擦部位，如气缸壁、齿轮、凸轮等。 油雾润滑 油雾附着于摩擦表面周围，积多后渗入摩擦部位。常用于承受负荷较小或相对运动速度不大的摩擦部位，如气门调整、螺钉球头、气门杆顶端与摇臂之间等处。 压力间歇润滑 润滑油在微量机油泵作用下定期注入摩擦部位。常用于曲轴箱扫气二冲程发动机的轴承及大型柴油机气缸壁等。 掺混润滑 润滑油以一定比例掺混在汽油中，在燃料经化油器时呈雾状进人曲轴箱，借此掺混的油雾来润滑摩擦部位。常用于摩托车和其他小型曲轴箱扫气二冲程汽油机的摩擦部位。除了个别情况采用单一的润滑方式(例如二冲程摩托车汽油机采用掺混润滑)外，大多数内燃机的润滑系统都是采用压力循环润滑、飞溅润滑和油雾润滑的复合形式。这是因为内燃机是各类机械中润滑条件最困难的一种。5.3 润滑系统的设计对于作者设计的发动机而言，我们主要考虑几个主要相对运动的零件润滑，即连杆、主轴与主轴轴承、扇形活塞、曲轴与曲轴轴承的润滑。.连杆润滑由于整个连杆裸露在气缸体的外面，因此不能采用通常的飞溅方式润滑，只能在定期地往连杆注油孔挤压机油进行润滑。虽然这种润滑效果比较差，但是由于此发动机还处于试验阶段，不会作大负荷长时间的工作，基于结构简单考虑后还是采用此法。我们可以在连杆大头及小头内挖一个小的储油槽，以便更大程度上地减少注油次数，提高效率。当然今后我们可以对其结构进行改造，将整个连杆机构并入一个气缸体内。.主轴与主轴轴承的润滑对于主轴与支承主轴的主轴轴承来说，由于主轴轴承所受到的力比较简单的，不会特别大。再加上我们在气缸端盖上设有水道，故如果要在气缸端盖上开专门的润滑油路，还要考虑水的密封问题，这样整个结构又会显得比较复杂。因此我们暂定为定期将轴承端盖打开，朝滚动轴承添加黄油或机油进行润滑即可。.曲轴与曲轴轴承的润滑对于曲轴轴承来说，我们在设计轴承座的时候已经在轴承座的上盖预置了螺纹孔，这样我们便可在轴承座上安装油杯。我们只须随着需要朝轴承座里添加润滑机油。而曲轴销的润滑刚可从连杆上得到润滑.扇形活塞的润滑在气缸内扇形活塞的润滑方面，采用的是掺混润滑，和上述所提到的二冲程摩托车的发动机一样，把机油和汽油以一定的比例混合，就可以对活塞起到润滑作用。而且也省去了开通油道的烦恼。所以对于本设计整个发动机而言，润滑方式有溅油润滑又有掺混润滑，故属于复合润滑方式。虽然说润滑效果及效率不是很好，但能满足通常的要求即可。由于润滑系统只是发动机结构的一个辅助构件，因此在设计时可能会略显简单点。但由于我们只是对新产品开发的初步探讨。势必会有不合理的地方，这将在今后的改进中进行重新考虑。6 冷却系统发动机工作时，燃烧气体的最高温度达1800-2200度，使直接与燃烧气体相接触的零件如活塞、气缸端盖、气缸等强烈受热。如果不采取适当的冷却措施，将会产生一系列严重后果：(1)各受热件将要达到很高的温度，使金属的强度显著下降，以致发生变形破坏。(2)零件受热后要膨胀。温度越高，膨胀量越大，以致破坏零件之间的正常 合间隙。常见的活塞卡列在气缸中的现象，温度太高就是其中一个主要原因。(3)润滑油在高温下容易氧化变质，使粘度降低，不利于摩擦表面形成油膜，润滑油使用期限缩短，消耗量增加。(4)新鲜气体进入气缸之前受到高温机件的加热后，比容增加，每次被吸入气缸的气体重量减少，使内燃机功率下降，而且还会导致混合气体燃烧不正常。由此可见，不进行冷却，内燃机就不能正常工作，所以冷却系统是内燃机正常工作所必需的。但是，过度冷却也是极其有害的。因为将执量散发到大气中去，必然消耗一部分燃料所发出的热能，这就会降低内燃机的输出功率。不仅如此，内燃机在过冷的情况下运转时，可燃混合气体不能很好地形成和燃烧；机油在低温时粘度增高，零件运动的摩擦阻力增加。降低零件的使用寿命。因此，冷却系统的作用就是保持内燃机最适宜工作的温度范围。采用水冷却时，冷却水温度应在80-90摄氏度之间；采用空气冷却时，铝气缸壁的允许温度为150-180摄氏度，铝气缸盖则为160-200摄氏度。本文主要采用的冷却方法为水冷却。6.1 传统发动机水冷却系统的组成水冷却系统是用水做为介质冷却内燃机，然后再将热传给空气。这种冷却方法的优点是：冷却比较均匀。目前用得最为广泛的水冷却采用的是强制循环式的水冷却。它主要是由以下几个部件组成的：.散热器 散热器的功用是将水的热量散发给外界大气，因此必须有足够的散热面积，并用导热性好的材料制造。.风扇 风扇通常装在散热器后面。风扇放置时，把散热器周围的热空气抽走，冷空气通过散热器芯部提高了散热器的散热能力，使流过芯部的冷却水很快得到冷却。.水泵 水泵与风扇安装在同一根轴上，它的功用是迫使冷却水在冷却系统内作循环流动。目前在内燃机上应用最广泛的是离心式水泵，因为它具有结构简单、尺寸小、排量大、工作可靠。当水泵因故障而停止工作时，其结构不妨碍水在冷却系统内的自然循环等优点。.冷却强度的调整装置在强制循环式水冷却系统中，可用节温器来改变流过散热器的冷却水的循环量，以自动调节冷却强度。一般节温器安装在气缸盖出水口处。6.2 冷却系统的设计考虑到结构的紧凑性，我们只在主轴上、活塞内孔以及在气缸端盖上留出水道，而没有在装配图上绘制出强制循环式水冷却所必需的水泵、散热器以及风扇。1. 气缸端盖的冷却冷却水的走向见图23所示(气缸端盖实体按逆时针旋转90度后所形成的图形)。图23由上图我们可知,冷却水从端盖的上方进入，流经整个气缸端盖内腔后从端盖下方流出。这样可以很好地对气缸端盖及扇形活塞壁进行冷却。2.扇形活塞内部的冷却主轴及扇形活塞内部冷却水的流向如图24所示图24由上图,我们可以清楚地看到,冷却水经主轴左端水道流入,流经扇形活塞内腔后又进入主轴水道,流向另一扇形活塞内腔。最后从主轴右端水道流出。七 总结通过将近三个月的艰心
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