125摩托车发动机汽缸设计毕业论文.doc

第50页 共50页125摩托车发动机汽缸设计毕业论文目 录设计任务书 3引言5原理部分61 发动机工作原理 61.1 发动机性能术语与参数 61.2 四冲程汽油发动机的工作原理 81.3 二冲程发动机工作原理10摩托车发动机结构与设计部分121 发动机机体 121.1 汽缸直径131.2 气缸工作容积、燃烧室容积和气缸总容积131.3 压缩比141.4 气缸工作内压力、气缸总推力141.5 气功盖151.6 燃烧室162 曲柄连杆机构的受力分析与平衡172.1 曲柄连杆比172.2 曲柄连杆机构运动学172.3 连杆的角位移、角速度、角加速度183 活塞运动分析 193.1 活塞位移 193.2 活塞速度分析 203.3 活塞的加速度 223.4 热力强度 234 活塞组244.1 活塞 244.2 气环 284.3 油环 314.4 活塞销 325 连杆、曲轴组345.1 连杆 345.1.1连杆承受的载荷345.1.2连杆小头的安全系数355.1.3连杆大头的强度验算365.2曲轴销的设计385.3 曲轴 385.3.1 组合式曲轴 39设计小结 44附图46参考文献 49机械零件毕业设计任务书 题目：设计南方NF125摩托车发动机汽缸部件a、技术参数和原始数据冲程缸数冷却方式总排气量压缩比面积*行程最大功率/相应转速Kw/（r/min）最大扭矩/相应转速Kw/（r/min）燃油消耗率工作阻力241风冷100 124ml6：1S()H(mm)/n/nml/kw.h1.3Mpb、设计参数系列参数 组数S()H(mm)最大功率/相应转速Kw/（r/min）最大扭矩/相应转速Kw/（r/min）燃油消耗率156 507.5/75009.5/6000410268 608.8/750010.8/6000420380 6510/860011.5/6000650c、设计参数代号（组数）组合选定冲程数4 冷却方式：风冷 总排量 180ml 压缩比6：1 工作阻力1.3Mpad、毕业设计基本要求1、全面了解南方NF125型摩托车基本结构、原理、性能，现场测绘发动机汽缸部件，所得数据设计依据或参考。2、 了解二冲程、四冲程发动机汽缸工作原理，着重分析变速、原理、结构、零件材料、机加工及热处理工艺。3、分析该发动机汽缸部件的运动、动力分析，确定其极限状态。4、按所选技术参数，设计发动机汽缸部件结构（1） 按有关理论、资料进行计算、校核，确定结构参数。如：曲轴、连杆、活塞、汽缸等零部件之间的布局。（2） 绘制发动机汽缸体部件装配图一张。要求用零号图纸。图形、尺寸标注、技术要求、明细表、字体等必须符合国家标准GB4457.(14)-84,GB4458.(14)-84及其它相关标准。（3） 绘制关键零件工作（零件）图两张，用二号或三号图纸。要求视图布局合理，表达准确无误且符合国家标准。（4） 按机械零件毕业设计指导书要求，完成一万字幅的设计说明书一份。要求格式正确，字迹工整清晰，一律用碳素墨水书写。 （5） 零件图可用微机绘制，零号装配图一律用手工绘制。引 言毕业设计是机械设计课程重要的综合性与实践性教学环节，用时2.5周，是一门独立的考查课程。通过毕业设计可综合运用机械设计课程和其他先修课程的知识，分析和解决机械设计问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。作为机械类工科学生，完成了此项教学环节，也就为完成本科学业及将来的毕业设计奠定了良好的基础。传统的毕业设计题目常选用通用机械的传动装置，例如以齿轮减速器为主体的机械传动装置。其主要内容包括：传动装置的总体设计；传动零件、轴、轴承、联轴器等的设计计算和选择；装配图和零件图设计；编写设计计算说明书。近几年来，通过与兄弟院校的交流与探讨，经过反复论证和可行性分析，结合本地区特点，选择以摩托车发动机传动和变速部分为主的新设计课题，设计方法采用常规手段与微机辅助相结合。题目和教学方法的改革有如下一些特点：1.新题目较经典课题更具复杂性和体现时代气息，涉及的机构及零部件增多，所覆盖的知识面更广泛，结构设计难度加大，设计时要求学生综合考虑诸多因素，自己分析和解决问题，可以帮助学生树立正确的设计思想，增强创新意识和竞争意识。2.熟悉掌握机械设计的一般规律，提高分析问题和解决问题的能力。同时通过计算、给图，进一步熟悉和运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料，进行全面的机械设计基本技能的训练，为毕业设计打下良好的基础。3.设计过程能理论联系实际，学生们对新颖实用的内容更感兴趣，可充分调动学生的积极性和主观能动性。发动机工作原理1.1 发动机性能术语与参数1、汽缸汽缸内孔直径(简称缸径)用符号D表示，单位为2上止点、下止点(1)止点活塞在汽缸内作往复运动的两个极限位置，称为止点。(2)上止点活塞离曲轴旋转中心的最远位置(3)下止点活塞离曲轴旋转中心的最近位置3冲程上止点和下止点间的距离(简称冲程)用符号S表示，单位为mm。S2r式中 r曲柄半径(即由曲轴旋转中心至曲柄销中心的距离)。4汽缸工作容积活塞在汽缸内由上止点移动至下止点所扫过的空间容积，称为汽缸工作容积，Vh表示，单位为ml。若为多缸发动机，则汽缸工作容积为各缸工作容积之和，用符号vh表示，单位为ml。Vh=ivh 式中 i汽缸数。5燃烧室容积活塞位于上止点时，活塞上方由活塞、汽缸盖所围成的空间容积，称为燃烧室容积。用符号Vc表示，单位为ml。6气缸容积活塞位于下止点时活塞上方的全部空间容积，称为汽缸总容积。用符号Vn表示，单位为ml。VaVh+Vc7压缩比汽缸总容积与燃烧室容积的比值，称为压缩比。用符导表示。8工作循环发动机在连续运转、对外输出功率时，要不断重复地进(扫)气、压缩、燃烧膨胀、排气，这一工作过程称为工作循环。9发动机功率发动机运转时，曲轴实际对外输出的功率，称为发动机功率，也称为有效功率。用符号Pe表示，单位为kw。；式中Pe发动机曲轴输出扔矩，NM。n发动机曲轴相应转速，rmin 发动机铭牌上标明的功率值，称为标定功率。 10有效燃油消耗率(俗称比油耗) 发动机单位有效功在1小时内的耗油量称为有效燃油消耗率。用符号ge表示,单位为gkw*h。式中 Gb单位时间的耗油量，gs 。11升功率 发动机在标定工况下，每升汽缸工作容积所发出的有效功率，称为升功率。用符号Nl表示，单位为kwL。升功率是评定发动机动力性能与强化程度的重要指标。式中 标定功率，kw。发动机油门(或节气门)保持一定开度，其扔矩、功率随转速变化而变化的曲线称为速度特性曲线。油门(或节气门)全开时的速度特性曲线，称为外特性曲线(曲线1)，曲线2、3为油门(或节气门)部分开度时的速度特性曲线。 功率Pe外特性曲线I：由功率的计算公式可知，功率Pe与Me*n。成正比。当转速M从很低的数值增加时，Me增加，因而Pe迅速增大，直至Mmax点。继续提高n，Me虽有些降低，但Men的乘积是增大的，因此Pe仍继续增大，但增加得不如前一段那样快。在M增至np时，Me*n值最大，因此Pe达到最大值(Pemax)。此后，由于Me急速下降，使Me*n减小，因而Pe曲线发生转折，Pe显著下降，ge显著增加。通常，摩托车发动机的标定功率为(0.80.9)Pmax，相应的转速n作为标定转速。1.2 四冲程汽油发动机的工作原理在阐述四冲程汽油发动机的工作原理之前，先来介绍什么叫活塞的上止点、下止点和活塞冲程:活塞在汽缸内作往复运动的两个极限位置，称为止点。活塞运动到离曲轴旋转中心最远时的位置称为上止点，如图1-2-1（a）所示；活塞运动到离曲轴旋转中心最近时的位置成为下止点，如图1-2-1（b）所示。上止点和下止点之间的距离，称为活塞冲程，以S表示。曲轴转一周，活塞要走两个冲程。四冲程汽油发动机的工作原理是：曲轴旋转两周，活塞往复移动两次，完成进气、压缩、燃烧、排气四个工作图1-2-1 上止点和下止点（a）活塞上止点 （b）活塞下止点过程，如图1-2-2所示。（1） 进气冲程：进气冲程开始时，活塞在上止点，燃烧室内充满了前一工作循环所残留的废气。当活塞由上止点向下止点移动时，燃烧室的容积变大，形成真空度，同时通过齿轮带动凸轮旋转，使凸轮的凸起部分顶开进气门。燃油通过化油器与空气混合形成可燃混合气进入气缸【图1-2-2（a）】。（2） 压缩冲程：活塞自下止点向上止点移动【图1-2-2（b）】，此时凸轮的凸起部分已经转了过去，进气门关闭。由于凸轮只转过1/4周，所以排气门仍关闭着。随着活塞向上移动，燃烧室容积减少，可燃混合气被压缩。当活塞到达上止点时，燃烧室中的可燃混合气压力为0.60.9MPa，温度升到300左右，压缩冲程完成。 图1-2-2 四行程汽油机发动机的工作原理（a）进气冲程； （b）压缩冲程； （c）燃烧冲程； （d）排气冲程 (3) 燃烧冲程：在压缩冲程接近上止点时【图1-2-2（c）】，燃烧室中的可燃混合气被火花塞发生的电火花点燃，可燃混合气迅速爆发燃烧，气体压力急剧升高，达到3.04.5MPa,温度高达2000左右。活塞受到高压气体的推动，由上止点向下止点运动，通过连杆带动曲轴旋转做功。此时，进、排气门均关闭。（4） 排气冲程：由于飞轮的惯性，使曲轴连续转动，带动活塞由下止点向上止点移动【图1-2-2（d）】。这时，凸轮顶开排气门，废气通过排气门排出，直到活塞运动到上止点为止，完成了一个工作循环。 从四冲程汽油发动机的工作原理中可知，在全部四个冲程中，进、排气门开启和关闭一次，曲轴旋转两周（720），活塞往复运动各两次。在所有4个冲程中，只有第三冲程（燃烧冲程）是做功冲程，其余都是辅助冲程。发动机的运转，首先需要有外力将曲轴转动，以便进行进气和压缩。当可燃混合气爆发燃烧推动活塞做功后，由于曲轴和飞轮的惯性，其他两个冲程才得以继续进行。1.3 二冲程发动机工作原理活塞连续运行两个冲程(即曲轴旋转一周)完成一个工作循环的内燃机，称为二冲程发动机。 下面以一种利用密封的曲轴室作为扫气泵的单缸二冲程汽油机为例，对照其工作原理图1-3-1和示功图1-3-2来介绍它的基本工作过程。图1-3-1 单缸二冲程汽油机工作原理图1火花塞 2燃烧室 3汽缸 4排气口 5扫气口 6进气阀 7进气口 8曲轴箱第一冲程辅助冲程辅助冲程是活塞自下止点向上止点移动，事先已充人活塞上方汽缸内的可燃混合气被压缩，同时，来自化油器的新鲜可燃混合气又被吸人活塞下方密封的曲柄室内的过程。如图1-2-2(a)所示，当辅助冲程开始时，活塞位于下止点(d点)，汽缸内己充入可燃混合气和上一工作循环未排净的残余废气。曲轴旋转通过连杆带动活塞向上止点移动，活塞首先关闭扫气口(A点)，结束曲轴箱向汽缸内的扫气。紧接着活塞关闭排气口(“点)，结束汽缸内残余废气和极少量可燃混合气的排出，将封闭在汽缸内的混合气压缩，其压力和温度随之升高，在活塞接近上止点(c点)时，火花塞发出的火花点燃被压缩的混合气，从而完成压缩过程。 如图1-2-2(a)所示，在压缩过程进行的同时，活塞下方密封的曲轴箱容积逐渐扩大，从而形成真空度，在外界大气压的作用下，新鲜的可燃 图1-3-2 单缸二冲程汽油机示功图混合气使自化油器被吸人曲轴箱，进行着进气过程。 在示功图1-3-2上，曲线dha。段表示部分换气过程；曲线ac段表示压缩过程；曲线dhac段表示辅助冲程。 第二冲程做功(燃烧膨胀)冲程 做功冲程是活塞自上止点向下止点移动，活塞下方进行着可燃混合气预压的过程。 如图1-2-2(b)所示，当做功冲程开始时，活塞位于上止点(c点)，燃烧室内可燃混合气燃烧，汽缸内的高温高压燃气推动着活塞向下止点移动做功，活塞对曲轴箱内的可燃混合气进行预先压缩。活塞在下行过程中，首先开启排气口(6点)，开始排出废气(这时的排气称为先期排气)，如图1-2-2(c)所示。紧接着活塞开启扫气口(点)，曲轴搞内已被预先压缩的可燃混合气被导人汽缸上部，即开始进行扫气，如图1-2-2(d)所示，此时，扫气和排气两个过程是重叠进行的。 在示功图1-3-2上曲线cz段表示燃烧过程；曲线zb段表示膨胀(做功)过程；曲线bf表示先期排气过程；曲线bfd段表示部分换气过程；二冲程没有单轴的进、排气冲程，其换气(排气和扫气)是在下止点前后进行的，即在bfdha段完成的。 做功冲程结束时，活塞又回到下止点。至此，单缸二冲程汽油机只经历了活塞往复各一次共两个冲程，完成了进气和扫气、压缩、燃烧膨胀、排气等过程，完成一个工作循环。在示功图1-3-2上表示为封闭曲线dhaczbfd。 同单缸四冲程汽油机一样，单缸二冲程汽油机做功冲程结束后，曲轴依靠飞轮的惯性作用继续旋转，上述各个过程又依次重复进行，使单缸二冲程汽油机能连续地对外输出功率。摩托车发动机结构与设计1 发动机机体气缸体气缸体的作用除形成气缸工作容积外，还用作活塞运动导向，其圆柱形空腔称为气缸。由于气缸壁表面经常与高温高压燃气接触，活塞在汽缸内作高速运动（最高速度可达100km/s）并施加侧压力，以及气缸壁与活塞环几活塞外圆表面之间反复摩擦，而其润滑条件由较差，所以气缸体必须耐高温、耐高压、耐腐蚀，还应具有足够的刚度和强度。气缸体的材料一般用优质灰铸铁，为了提高气缸的耐磨性，可以在铸铁中加入少量的合金元素，如镍、铬、钼、磷、硼等。汽缸内壁按二级精度珩磨加工，其工作表面有较高的关洁度，并且形状和尺寸精度也都比较高。为了保证气缸壁表面能在高温下正常工作，必须对汽缸体和气缸盖随时加以冷却。发动机有风冷和水冷两种。用风冷却时，在汽缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片，易增大冷却面积，保证散热充分。用水冷却时在汽缸体内制有水套。1.1 气缸直径 气缸直径是指气缸内径，与活塞相配合，是发动机的重要参数，许多主要的尺寸如曲柄销直径、气门直径、活塞结构参数等，都要根据气缸直径来选取。参数设计：气缸直径已标准化，其直径值按一个优先系列合一个常用系列来选取。因此根据有关资料可确定气缸的直径为： D=68mm1.2 气缸工作容积、燃烧室容积和气缸总容积上止点和下止点之间的气缸容积，称为气缸工作容积（也称为总排量）（图1.2.1）。气缸工作容积与气缸直径的平方、活塞冲程的大小成正比。气缸直径越大、工作容积越大、发动机的功率也就相应地增大。气缸工作容积的计算公式为 (1.2-1)式中：气缸工作容积(ml); D 气缸直径（mm）; S 活塞行程（mm;） N 气缸数目。图1.2.1 气缸燃烧室容积和工作室容积（a）燃烧室容积 （b）工作室容积参数设计： 因设计要求的是单缸发动机的排气量为180ml，那么其活塞行程为： 同时活塞行程S =2r；r为曲轴半径 那么：1.3 压缩比 气缸总容积与燃烧室容积的比值，称为压缩比。压缩比表示活塞由下止点到上止点时，可燃混合气在气缸内被压缩多少倍。此处压缩比=6：1。1.4 气缸工作内压力、气缸总推力气缸工作内压力是一个变量，随作功行程的开始，数值急剧下降。高质量的气缸在跳火燃烧的瞬间，内压力可达35MPa。气缸总推力是指一个周期内气缸对外实际作功量。其计算式为： (1.4-1)式中：F气功总推力（N）; 气缸效率；一般30;气缸工作内压力（MPa）； D 气缸直径（mm）。 参数设计： 气功工作内压力： 1.5 气功盖气功盖用螺柱与气缸体曲轴箱或气缸体固连在一起。为了增加密封性，气缸体和气缸盖之间加有气缸衬垫。气缸盖的作用主要是封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁共同形成燃烧室。燃烧室有很多种形式，不同形式的燃烧室气功盖的结构又有所不同。四行程顶置气门发动机的气缸盖上有进、排气门座及气门导管，并设有进气道和排气道，装有进、排气管等。对气缸盖螺栓连接静强度计算： (1.5-1)对螺栓的疲劳强度进行精确校核： (1.5-2) (1.5-3) (1.5-4) (1.5-5)式中：螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。 试件的材料特性，即循环应力中平均应力的折算系数，对于合金钢为0.20.3 拉压疲劳强度综合影响系数 安全系数参数设计：由于有密封性，=1.51.8F，此处可取则材料可选10.9级的合金钢，查表得：，静载荷时，S=1.5,所以则 变载荷时：对于合金钢螺栓， 取 查表得：，。取则 ,即，所以 可取D=8.5mm 1.6 燃烧室燃烧室的种类较多，有锲形、盆形、菱形、半球形等燃烧室。半球形燃烧室结构呈半球形，比起锲形、盆形燃烧室更为紧凑，面容比最小。因进、排气门分别置于气缸轴线的两侧，故其配气机构比较复杂。但有利于促进燃料的完全燃烧和减少排气中的有害成分，对提高经济性和排气净化有利。有关计算结果： 表1名称尺寸或数值单位气缸直径D68mm活塞行程S50mm燃烧室体积VC36ml曲轴半径r25mm气功工作内压力F4.358KN气缸的材料：质灰铸铁2 曲柄连杆机构的受力分析与平衡2.1 曲柄连杆比曲柄连杆臂时指曲柄半径与连杆长度之比，简称为连杆比，用表示。由下式定义 (2.1-1)式中：曲柄半径，即曲柄销中心到曲轴中心之间的距离； 连杆长度，即连杆大小头轴线之间的距离。 连杆比不仅影响曲柄连杆机构的运动特性，而且影响发动机的外形尺寸。值越大，连杆越矩，发动机的总高度（立式发动机）或总宽度（卧式发动机）越小。对于V形发动机，其总高度和总宽度都会减少。连杆过矩时易导致活塞在运动过程中与曲柄相碰。因此一般情况下现代摩托车发动机的连杆比，尽可能地采用矩连杆。参数设计：取1/4； 那么连杆长度： l r/= 25.5/(1/4) =102 mm2.2 曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学是研究曲柄连杆机构各主要零件的运动规律，分析其作用力和力矩及发动机的平衡和曲轴的扭转振动的一门科学。在计算时，曲轴的转动可以近似看成等速转动，这是因为高速发动机在稳定工况下工作时，由于扭转的不均匀性而引起的曲轴旋转角速度的变化不大。曲轴的角速度可以写为 式中：n曲轴转速，。 曲柄销中心的切向速度和向心加速度分别为： (2.2-1) (2.2-2)式中：r曲轴半径，m。在讨论连杆、活塞的运动规律时，不用时间t表达，而是用曲轴转角，并且规定：将活塞处于上止点位置所对应的曲轴位置作为曲轴转角的起点（即0），因而，活塞的速度、加速度的方向朝着曲轴中心线方向为正，背离曲轴中心线方向为负。参数设计：曲柄的角速度： 曲柄销中心的切向速度和向心加速度分别为： 2.3 连杆的角位移、角速度、角加速度 对于活塞中心线通过曲轴中心线的曲柄连杆机构（图2.3.1）。曲柄半径r与连杆长度l的比值：r/l则 sin sin (2.3-1)于是可得到连杆的角位移 当90和270时连杆的角位移为最大，即 图2.3.1曲柄连杆机构 arcsin（1/4）=14.48 rad/s连杆摆动的角速度 当为0和180时，连杆角速度为最大值，rad/s当为90和270时，连杆角速度为0。连杆摆动的角加速度当和时，159270.8rad/当和时，连杆的角加速度为0。3 活塞运动分析3.1 活塞位移对于活塞中心线过曲轴中心线的曲柄连杆机构（图2.3.1）。活塞的行程S2r，活塞的位移 (3.1-1)最大位移量： mm 由牛顿二项式，可将展开，则 图3.1.2 活塞速度曲线图3.1.1 活塞位移与曲轴转角的关系在实际计算中取前两项已足够精确。则活塞的位移可写成位移X随和的变化关系可以用图像表示（图3.1.2）.由图像和公式都可以看出：曲轴转角从0和90时活塞的位移值，比从90和180时活塞的位移值大，而且值越大，其差值也越大。3.2 活塞速度分析活塞速度的精确数值为 (3.2-1)对活塞的速度也可以进行近似计算，其近似值由对位移的近似计算式微分得到： (3.2-2)因此，活塞速度是两个速度分量之和，可以看成是由和两个简谐部分组成。其图像如图3.1.1所示。3.2.1活塞的最大速度 当90时vr，此时活塞速度等于曲柄销中心的圆周速度。但这并不是活塞的最大速度。活塞在最大速度时的曲柄转角可以用对微分求极值的方式求得： 即解此方程得： (3.2.1-1)因为时不合理的，所以方程的合理根只能取 (3.2.1-2) (3.2.1-3)由式可以看出：活塞在最大速度式的小于90或大于270。即活塞的最大速度出现在偏向上止点一侧。不同的值其最大速度时的值也不同，值越大活塞速度的最大值也越大，相应的曲轴转角也偏向上止点一侧。3.2.2活塞平均速度曲柄旋转一周时活塞的速度不断发生变化，时快时慢，时正时负。0180时v为正值；180360时v为负值；0、180、360时v0；90、270时vr。 活塞的平均速度 式中：S活塞行程； n发动机转速； T曲轴转动一周所需的时间。 活塞的平均速度虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢，但它是表征发动机性能指标的重要参数。它从一个方面反映乐发动机的强化程度，同时也在一定程度上放映乐活塞和气功之间相互摩擦的强烈程度。随着活塞平均速度的提高，活塞和气功磨损加剧。参数设计：活塞平均速度： 图3.2.2.1 活塞加速度曲线3.3 活塞的加速度活塞加速度的精确值由下式求出 (3.3-1) 活塞加速度的近似值由下式求出 (3.3-2)因此活塞加速度也可以看作是两个简谐运动之和，如图3.2.2.1所示。3.3.1活塞加速度的极值活塞加速度的极值是指活塞的最大正加速度和最大负加速度，由下式求得： 或 若 ，0或 180相应的加速度为 或 (3.3.1-1)若 则 ，相应的加速度为： 参数设计： 活塞最大正加速度 3.4 热力强度材料受热时会产生变形，如果变形受到限制就会在材料中产生热应力。在热负载的反复作用下，热应力会使材料受到疲劳破坏。比如一旦发动机气缸盖的温度分布不均匀将产生很大的热应力，就容易导致其产生裂纹。热力强度是指材料抵抗热疲劳破坏的能力。各种材料在受热变形受到限制时产生的热应力大小可用热应力特性（）表示，其中材料的热膨胀系数，E为弹性模量，为导热系数。为了比较材料的热力强度，用材料的拉伸强度与（）相比得到热力强度系数。热应力特性（）愈小，热应力愈小，热力强度系数愈大，热力强度愈大。由此可见：材料的导热性愈好，膨胀系数愈小，高温疲劳强度愈搞.有关计算结果 表3名称尺寸或数值单位连杆长度L100mm曲柄的角速度785rad/s曲柄销中心的切向速度Vt19.625m/s曲柄销中心的切向加速度an15406103m/s2活塞最大位移量Xmax50mm活塞平均速度12.5m/s活塞最大正加速度11.554103m/s2连杆材料： 45号钢。4 活塞组4.1 活塞1顶部；2头部；3裙部；4环岸；5环槽；6销座；7加强筋；8卡环槽；9泄油孔及泄油槽图4.1.1 活塞活塞一般呈圆柱形，其结构如图4.1.1所示。活塞与气缸为间隙配合，自阿气缸内作往复运动，其主要作用式承受气缸中的气体压力所造成的作用力，并将这些力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转；活塞顶部还与气缸壁、气缸盖共同组成燃烧室。由于活塞顶部直接与高温高压燃气接触，燃气的最高温度可达2500K，因此活塞的温度很高，顶部中心的温度可达600700K。高温一方面使活塞材料的机械强度显著下降（在600K温度下约下降50%）,另一方面还会使活塞的热膨胀量增大，影响活塞与相关零件的配合。活塞顶部在作功行程时承受这燃气带冲击性的压力。对于汽油机活塞，瞬时最大压力值高达35MPa。对于柴油机瞬时最大压力值可达69MPa,采用增压时则更高。高压导致活塞的侧压力大，引起活塞变形，加速或活塞外表面的磨损。活塞在气功中作高速往复运动，其承受的气压力和惯性力呈周期性变化，因此活塞的不同部位分别受到交变的拉伸、压缩或弯曲载荷；并且由于活塞的温度各部位极不均匀，使活塞的内部产生一定的热应力。所以要求活塞的质量尽可能小，热膨胀导热性能好和耐磨。目前广泛采用的活塞材料使共晶硅铝合金。4.1.1活塞的压缩高度活塞顶面至活塞销中心之间的距离称为活塞的压缩高度，如图4.1中的H1 。现代摩托车发动机活塞的压缩高度希望取较小的值，以减少活塞的尺寸和重量。要减少活塞的压缩高度应从两方面入手；一要降低火力的高度；二要减少活塞环的数量和厚度。一般情况下，四行程发动机活塞的压缩高度取H1 0.450.57D。4.1.2火力岸高度第一道活塞环槽的上边至活塞顶面的距离称为活塞的火力岸高度，如图4.1中的H4 。图4.1 活塞结构尺寸示意图减少H4会增强第一道环的导热能力，从而可以降低活塞顶部的温度，防止爆燃。一般来说，火力岸高度的大少要根据试验后确定。4.1.3环带高度第一道环的上边至最后一道环下边之间的距离称为环带高度，如图4.1中的H3。减少环带高度也就减少了活塞的压缩高度，从而减少了活塞的惯性力和摩擦损失，这对提高发动机的功率和使用寿命很有好处。减少环带高度必须减少活塞环数或减少活塞环的厚度及环岸高度b。现代四行程发动机一般采用二道气环和一道油环。气环的厚度一般为0.81.5mm。环岸要求有足够的强度，使其在最大气压下不致被损坏。第一道环的环岸高度b1 一般为1.52.5c（c指环槽高度），第二道环的环岸高度b2为12c。4.1.4环岸的强度校核在爆发压力作用下，第一道气环紧压在第一环岸上。第一环岸的受力情况如图4.1.4所示，在P1、P2合力的作用下，环根产生很大的弯曲和剪切应力，挡这些应力超过材料的强度极限时，环岸就会产生断裂。图4.1.4 第一环岸的受力情况由试验可知；当P10.9Pmax，P20.2Pmax时，可以把环岸看成一个厚度为b、内外圆直径为D和D的圆环形板，并沿内圆柱面固定。然后把环岸看成简单的悬臂梁进行估算。Pmax为最大爆发压力。设D=0.9D,作用在环岸根的应力为： （4.1.4-1） 式中：活塞环槽深。环岸根部危险断面的抗弯断面系数的近似值为 （4.1.4-2）环岸根部危险断面上的弯曲应力为 （4.1.4-3）环岸根部危险断面的剪切应力 为 （4.1.4-4）合应力 考虑倒铝合金活塞在高温下的强度下降及岸根的应力集中，其许应力取参数计算：环岸根部危险断面上的弯曲应力为环岸根部危险断面的剪切应力 为 合应力符合要求。有关活塞的尺寸设计结果： 表4.1名称数值单位压缩高度取H1 34mm环带高度H39.8mm火力岸高度H44.5mm总高度55mm壁厚4mm内圆直径D61mm外圆直径D67mm第一道环的环岸高度b13.5mm第二道环的环岸高度b22mm第一道环槽高度C11.4mm第二道环槽高度C21.4mm第三道环槽高度C31.5mm活塞的材料： 高硅铝合金见附图一4.2 气环气环安装在气缸头部的活塞环槽中。其作用使保证活塞与气缸壁之间的密封，防止气缸中的高温高压燃气大量漏入曲轴箱；另外，活塞顶部的热量大部分右气环传给气缸壁，再由冷却水或空气带走。在气环所起的密封和导热两大作用中，主要是密封作用。因为密封好，说明气环与气缸壁贴河紧密，导热自然会好。如果气环的密封性不好，高温燃气将直接从气环与气缸壁之间的缝隙中漏入曲轴箱，活塞环直接与漏出的高温高压燃气接触。此时不但由于气环与气缸壁结合不严不能很好地导热，相反使气环地吸热量增加，最后必将导致活塞河活塞环被烧坏。活塞环地厚度在保证强度河可靠性地情况下越薄越好，薄的活塞环有利于减少活塞的压缩高度，有利于减轻活塞重量；降低活塞环于气缸之间的摩擦损失；遏制活塞环的振动。目前广泛采用的活塞环材料使合金铸铁（在优质灰铸铁中加入铜、铬、钼等合金元素）。随着发动机的强化，活塞环特别使第一环，承受着很大的冲击载荷河热负荷，因此要求活塞材料除了耐热、耐磨以外，还应有高的强度和冲击韧性。现代摩托车强化发动机常采用合金弹簧钢（如60Si2CrA，其硬度为HRc4555）制造活塞环。为了提高活塞环的耐磨性，第一道环的工作表面常常镀有多孔性铬。多孔性铬层强度高，并能储存少量机油，可以提高润滑性能。这种环的工作寿命比普通环高23倍。其余气环一般镀锡，以改善其磨合性。此处还可以用喷钼来提高活塞环的耐磨性。4.2.1气环的工作状态 活塞环装入后与活塞环槽的上端面或下端面之间留有一定的间隙，这个间隙称为活塞环的边隙；活塞环与活塞环的底部也留有一定的间隙，称为背隙，以防止活塞环受热膨胀而卡死在活塞环槽中。第一道的边隙一般为0.020.1mm，第二道环的边隙一般为0.020.08mm。活塞环随活塞在气缸中作往复运动时，活塞环在活塞槽中的位置并不是固定的。在进气行程中活塞环向下移动，由于气环与气缸壁之间的摩擦阻力及活塞环本身的运动惯性，活塞环与活塞槽的上端面接触；在压缩行程和排气行程中活塞和活塞环（指第一道环）有高温高压燃气推动向下移动，使之和压缩行程一样，活塞环与活塞环槽的下端面接触。4.2.2气环的类型 气环的类型比较多，有矩形断面气环、扭曲环、锥面环、梯形环、桶面环、L形环、组合式气环。4.2.3活塞环的高度活塞环的高度即活塞环的轴向尺寸。活塞环的高度b增大，环的导热性能提高，但也会增大环的质量，是惯性力增大，从而，一方面是环撞击活塞环槽的力加大核摩擦面加大；另一方面导致活塞环处在悬浮状态的时间延长（相对曲轴转角），造成漏气量增加。因此，活塞环高度有减少的趋势。国内摩托车气环的高度一般为b12.5mm.4.2.4自由端距自由端距是指活塞环在自由状态时活塞环开口两端头之间的距离，用S。表示。根据前述，可知：S。与径向压力P。、环的径向厚度t、材料的弹性模数E有关。当材料选定以后，材料的弹性模数E就定下来了，只要适当选择t核S。就可以。S。增大，P。增加，其应力也增加。若S。减少，P。也减少，最大工作应力减少，但套装应力会增大，因此S。只能在较少的范围内变动。对于灰铸铁活塞环一般S./d1314（d为气缸直径）；对于钢活塞环一般为S./d79。4.2.5径向厚度径向厚度（用t表示）影响径向压力P。的大小，在b、E确定以后，影响弹力的因素有S。和t，即环的弹力可用S。和t来调整。增加t值可减少环在环槽中的撞击，并改善环的导热作用，但t值增大，活塞环槽的槽深加大，是活塞头部的壁厚增大，质量加大，并增加了安装难度。4.2.6开口间隙活塞环进气缸以后，在冷态下应留有一定的开口间隙，以便在正常工作状态下两端头互部相碰。环的温度是变化的，故在日本工业标准（JID），德国标准（DIN）和美国汽车工业标准（SAE）中，均规定在100C的温度下来测量活塞环的开口间隙，其规定值如下表所示。 有关活塞环的尺寸设计结构： 表4.2名称数值单位环的高度b1.35mm自由端距S。5.4mm径向厚度t1.3mm开口间隙0.24mm 活塞环的材料： 60Si2CrA，其硬度为HRc45554.3 油环四行程汽油机的润滑油存放在曲轴箱中，通过飞涨润滑气缸壁。由于大量的润滑油不均匀地飞到气缸壁上，光靠气环还不能式气缸壁铺上一层均匀的油膜，同时刮下气缸壁上多余的机油，防止机油窜入燃烧室，所以四行程发动机至少设有一道油环。油环安装在气环的下方，其作用是在气缸壁上铺涂一层均匀的机油膜，润滑气缸壁以减少活塞，活塞环与气缸壁的磨损和摩擦力；刮除气缸壁上多余的机油，防止机油窜入气缸内燃烧，形成积炭。此外，油环可以起封气的辅助作用。油环分普通油环和组合油环两大类。4.3.1普通油环普通油环的材料一般是合金铸铁。其外圆面的中间切有一道凹槽，把油环分为上唇和下唇，在凹槽的底部加工有若干铬排油小孔或狭缝。普通油环根据上下唇的倒角分布和大小有五种型式（图4.3.1.1）；异向外倒角环的上下唇的外侧都有倒角，上唇的刮油能力较下唇强；同向上倒角环的上下唇图4.3.1.2活塞环的刮油作用a）活塞下行 b）活塞上行图4.3.1.1普通油环的断面形状a）外倒角环 b）同向倒角环c）内倒角 d）双鼻式环 e）单鼻式环的上侧都有倒角，上下唇的刮油能力都较强；异向内倒角环的上唇的下侧给上唇的上侧都有倒角，上唇的刮油能力较差；双鼻式环的上下唇的下侧都制有刮油槽，上下唇都有很强的刮油能力；单鼻式环下唇的下侧制有刮油槽，下唇有很强的刮油能力。油环的上唇上端面外缘一般都有倒角，使油环在向上运动时能形成油楔，以减少摩擦和磨损。下唇的下端面除异向外倒角之外一般部倒角，或倒有很少的倒角，这样可以增将向下刮油的能力。油环的刮油作用如图4.3.1.2所示。活塞向上向下运动时都可以铺油和刮下多余的机油，刮下的油从排油小孔或狭缝中流入曲轴箱。4.3.2 组合式油环图4.3.2 组合环1刮油环2轴向衬环3径向衬环组合式油环如图4.3.2所示，由三个刮油钢片，一个径向衬环及一个轴向衬环组成。轴向衬环2夹在第二、三刮油片之间。径向衬环3将三个刮油片紧压在气缸壁上。这种油环的有点是：刮油片很薄，对气缸壁的比压大，因而刮油作用强；三个刮油片各自轴立，故对气缸的适应性较好，易于磨合；质量小，因而产生的惯性力小；回油通路大，更易于刮油和铺油。因此组合油环在高速发动机上应用较广。缺点是零件多，三个刮油片又必须镀铬，否则滑动性不好，因此组合环的制造成本高。4.4 活塞销活塞销的作用是连接活塞与连杆小头，将活塞承受的气压了传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性的冲击载荷，润滑条件又较差，因而要求活塞销有足够的刚度合强度，表面耐磨，质量小。活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢（如20Cr）制造，经表面参碳淬火处理，以提高表面硬度，使中心具有一定的冲击韧性。表面需进行精磨和抛光。活塞销是一个空心的圆柱体，其内孔形状有圆柱形、两端截锥形以及两端截锥与中间一段圆柱形的组合形等。圆柱形孔容易加工，但为了保证一定的刚度，中间的孔不能过大，因而其质量较大。两端锥孔形的活塞销的质量较小，有接近等强度梁的要求（活塞销所承受的弯矩在中部最大），但孔的加工校复杂。组合式结构则介于二者之间。活塞销与活塞销座的配合为滑动配合，以便发动机在运转过程中活塞销可以在活塞销座孔中缓缓转动，以使活塞销各部分的磨损比较均匀，但间隙也不能过大，一般为0.010.02mm。活塞销装入销座孔中后两端用卡环限位。活塞销与连杆小头的连接，采用滚针轴承和轴套。4.4.1活塞销的刚度 活塞与活塞销在受到气压力之后都会变形，由于两者变形的不协调，使销与活塞销座的接触很不均匀，销孔内绷上缘出现尖峰负荷Pmax和相应的应力集中，如图4.4.1.1所示。如果活塞销的刚度不好，销座又较硬实，往往会在A处产生断裂。 在计算活塞销的刚度时，为简化计算，可作如下假定：1。活塞销上的负荷分布是：由连杆小头产生的均匀负荷；由活塞销座产生的作用在支承面中点的集中载荷，如图4.4.1.2所示。 2B105L。 图4.4.1.1 活塞与活塞销的变形3. 活塞销长度 L= =；即活塞的纵向断面正好填满活塞外圆。 则活塞销的弯曲变形量可用下式表示： mm 式中：D一气缸直径； d1一活塞销直径； L一活塞销长度；Pz一气缸内最大压力； 一活塞销壁厚。 图4.4.1.2活塞销的受力模型一般情况下活塞销作的刚度大