150ml摩托车发动机设计（曲柄连杆机构）说明书

1、车辆与动力工程学院毕业设计说明书150ml摩托车发动机设计（曲柄连杆机构）摘 要 随着发动机技术的发展，相应的摩托车技术也逐渐有了新的发展。摩托车有着较高的转速，由于他的方便快捷深受人们的喜爱。所以其发动机的排放和燃油经济问题也越来越受到人们的关注。曲柄连杆机构作为发动机的主要部件，其结构复杂，工作环境恶劣，使其可靠性成为发动机设计中的技术难点。活塞连杆组与曲轴飞轮组作为其重要组成部分，它们的合理设计与否直接关系到发动机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、持久性。随着内燃机的高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求在高速运行的条件下仍能够平稳、可靠地工作，因而在设计时对这

2、些机构提出了更高的要求。连杆、活塞与曲轴的设计是这些机构的核心部分。本次设计是配合150ml发动机由二气门改为四气门，单轴驱动改为双轴驱动，在曲柄连杆机构上做出相应的改变。此次对活塞、连杆及曲轴都做了进一步的改进，使其满足了提高动力经济性的要求。关键词：活塞连杆组，曲轴飞轮组，活塞，经济性the design of 150ml motorcycle engine (connecting rod)abstractwith the development of engine technology, corresponding motorcycle technology gradually deve

3、loped into a new. motorcycles have a higher speed, due to its convenient very popular. therefore, the engine emission and fuel economy are more and more attention.crank the engine as the main component of its complex structure, poor working conditions, and the reliability of an aircraft engine desig

4、n to technical difficulties.piston rod and the crankshaft flywheel group as an important part of their rational design is directly related to engine power performance, economic performance, emissions performance and the reliability, durability. with the internal combustion engine with high-power, hi

5、gh speed, people have become increasingly demanding on the performance indicators of high, demands of conditions, says the high-speed operation can be smoothly, work reliably, so these institutions raised higher demands at design time right. piston rod and crank design is the core of these instituti

6、ons.crank made the corresponding changes in the design with the design task is to 150ml engine with four valves from two valves and double drive from single-axis drive. the piston connecting rod and crankshaft are made for further improvements to meet the increased demand dynamic economy.key word: c

7、onnecting rod, crankshaft flywheel, pistons, economy目 录第一章 前言1第二章 摩托车发动机32.1摩托车发动机的总体构造32.2四冲程汽油机的工作原理4第三章 设计部分93.1发动机机体93.1.1气缸体93.1.2气缸直径93.1.3气缸工作容积、燃烧室容积和气缸总容积103.1.4压缩比103.1.5燃烧室113.2连杆、曲轴组的结构型式及其选择113.2.1曲柄连杆比113.2.2连杆113.2.3连杆承受的载荷计算123.2.4连杆小头的强度校核133.2.5连杆杆身的强度校核143.2.6连杆大头的强度校核153.3曲柄销163.

8、4 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计173.5活塞组结构设计183.5.1活塞183.5.2活塞环233.5.2活塞销24第四章 结论25参考文献26致谢2727第一章 前言自1885年德国戴姆勒发明制造出世界上第一辆以汽油机发动机为动力的摩托车以来，摩托车的发展已经历了100多年的历史沧桑巨变。由于摩托车具有结构简单、价格低廉、越野和通过能力强等优点，在汽车风行全球的时候，依然占有一席之地，广泛用于运输、旅游、体育运动等领域。限于100多年前，当时的汽油发动机尚处于低级幼稚的状况，当时的车辆制造尚为马车技术阶段，原始摩托车与现代摩托车在外形、结构和性能上有很大差别。1885年德国人奥托把经过

9、改进的汽油机装在两轮车上，便制成了世界上第一辆用汽油机驱动的摩托车，时速为12km/h。并于同年获得专利，取得发明优先权。第二次世界大战以后，摩托车在日本得到了更迅速的发展。本田、铃木、雅马哈、川崎四大摩托车公司，就是战后发展起来的，被称为世界摩托车之冠。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90年代的尾气净化技术、abs防抱死制动装置等，使摩托车成为造型美观、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车中的先进技术移植到摩托车上，摩托车的发展进入了鼎盛阶段。我国摩

10、托车工业经过这现年的发展，现已成为具有较强经济实力和开发能力的产业，据国家有关部门不完全统计（不包括台湾），我国摩托车生产厂家有200多家，其中发动机生产厂有30多家。同时，还形成了嘉陵、建设、南方、春兰、上海和济南轻骑几大摩托车生产基地，1996年总产量达2000万辆位居世界第一。摩托车发动机的特点：其一，发动机为二冲程或四冲程汽油机。其二，采用风冷冷却，有自然风冷与强制风冷两种。一般机型采用依靠行驶中空气吹过气缸盖和气缸套上散热片带走热量的自然风冷冷却方式。大功率摩托车发动机为了保证车速较低与未起步行驶前发动机的冷却，采用装风扇和导风罩、利用强制导入的空气冷却散热片的强制风冷冷却方式。其三

11、，发动机的转速高，一般在5000转/分以上。升功率（每升发动机排量所发出的有效功率）大，一般在60千瓦/升左右。这要求摩托车发动机的强化程度高，发动机外形尺寸小。其四，发动机曲轴与离合器、变速箱设计一体，结构紧凑。为了改善150ml摩托车发动机的性能，提高动力性、改善经济型，本次设计对原有150ml摩托车发动机进行改进。设计目的：1.将传统的二气门改为四气门；2.将一根凸轮轴驱动改为两个凸轮轴驱动。本次任务是完成曲柄连杆机构的设计，并完成曲柄连杆机构参数计算和连杆强度校核。第二章 摩托车发动机2.1摩托车发动机的总体构造发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。现代摩托车发动机的结构形式很多

12、，下面就一些典型的摩托车发动机结构实例来分析发动机的总体构造。机体组：摩托车发动机机体组包括气缸盖、气缸体、左右曲轴箱和左右曲轴箱盖。机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构、和发动机各系统主要零件的转装配基体。各运动件的润滑和受热部件的冷却也都要通过机体组来实现。因此，可以说机体组把发动机的各种机构和系统组成为一个整体，保持了它们之间必要的关系。曲柄连杆机构：曲柄连杆机构的主要零件可以分成机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。这是发动机借以传递动力，并将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。配气机构：配气机构的功用是按照发动机每一气缸内进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启

13、和关闭进、排气门，使新鲜充量（可燃混合气）及时进入气缸，而废气及时从气缸排出。主要包括进气门、排气门、气门摇臂、摇臂轴、凸轮轴链轮和链条等。起动系统：包括起动轴、起动齿轮、起动棘轮、弹簧、起动轴复位弹簧、棘轮导向板等。其功用是使静止的发动机起动并转入自行运转。供给系统：供给系统包括汽油箱、燃油开关、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进气管、排气管、排气管消声器等。其作用是把空气和汽油混合成可燃混合气供入气缸，以供燃烧，并将燃烧生成的废气排出发动机。点火系统：点火系统包括磁电机、点火线圈、高压导线、火花塞等。其作用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的可燃混合气。传动系统：包括一次减速机构、离合器

14、、变速器等。其作用是把发动机发出的动力经过降速增扭、变速变扭后再通过末级（又称二次）传动装置再传给驱动后轮。润滑系统：润滑系统包括机油泵、机油滤清器、限压阀、润滑油道等。其作用是将润滑油不断地供给给作相对运动的零件表面，以减小它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并清洗摩擦表面。2.2四冲程汽油机的工作原理单缸汽油机的基本结构前文已经介绍了。气缸内装有活塞，活塞通过连杆与曲轴连接。活塞在气缸内作往复运动，通过连杆推动曲轴转动。进气门用来吸入新鲜充量,排气门用来排出废气。图2-1 发动机示意图1-进气门 2-排气门 3-气缸 4-活塞 5-连杆 6-曲轴中心 7-曲柄图2-1为发动机示意图。活塞顶

15、部离曲轴最远处时，即活塞运动到最高位置，称为上止点。活塞顶部离曲轴最近处时，即活塞运动到最低位置，称为下止点。上下止点之间的距离s称为活塞的行程，曲轴与连杆下端的连接中心的距离r称为曲柄半径。活塞每走一个行程相当于曲轴转角180。对于气缸中心线通过曲轴中心的发动机，活塞行程s相当于曲柄半径r的两倍。活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为气缸工作容积或者气缸排量，用符表示。多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机工作容积或发动机排量，用符号表示。（l）式中：d-气缸直径（cm）； s-活塞行程（cm）； i-气缸数。四行程发动机的工作循环需要经过进气、压缩、膨胀（做功）、排气四个过程，对应活塞上

16、下四个行程，相应的曲轴转角旋转720（两周）。为了分析工作循环中气体压力p相应与活塞不同位置时的气缸容积v之间的变化关系，经常利用发动机的循环示功图。它表示活塞在不同位置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所做的功。图2-2 进气行程1、进气行程（0180ca）：活塞自上止点向下止点移动，活塞上方气缸容积增大，形成一定真空，此时排气门关闭，进气门打开，可燃混合气由化油器经进气歧管、进气门吸入气缸，历时一个活塞行程，曲轴旋转180转角。由于有进气阻力，进气终了时缸内压力低于大气压力，约为0.0750.09mpa；由于气缸内的可燃混合气受上一循环

17、残余废气和高温零件的加热，进气终了时缸内气体温度上升到370400k。图2-3 压缩行程2、压缩行程（180360 ca）：为了使可燃混合气能迅速燃烧，使发动机发出更大功率，燃烧前必须将可燃混合气压缩，使其容积缩小，密度加大，温度升高。此时，进、排气门均关闭，活塞从下止点向上止点移动，曲轴旋转180 ca。压缩终了时，可燃混合气的压力、温度取决于压缩比的大小。 e愈大，压缩终了时的可燃混合气的压力、温度愈高，燃烧速度愈快，发动机发出功率愈大，经济性愈好，但汽油机的压缩比过高会引起爆燃和表面点火等不正常的燃烧现象，一般在612之间。图2-4 做功（膨胀）行程3、做功（膨胀）行程（360540ca

18、）：进、排气门仍关闭。当压缩行程接近终了时，火花塞发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气，放出大量的热能，使气缸内的压力和温度迅速增加，所能达到的最大压力pz约为35mpa，相应温度为22002800k。高温、高压燃气推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴旋转并通过飞轮输出机械能，除了一部分用于维持发动机继续运转外，其余大部分机械能用于对外做功，期间曲轴旋转180ca，膨胀终了时，压力降至0.30.5mpa，相应温度则降为13001600k。图2-5 排气行程4、排气行程（540720 ca ）：当膨胀接近终了时，排气门打开，靠废气的压力进行自由排气（排气门开启时废气压力与大气压力之比大于临

19、界压力比），大部分废气自行排出。活塞到达下止点后再向上止点移动，继续将废气强制排到大气中，排气终了时缸内压力稍大于大气压力（排气阻力存在），约为0.1050.115mpa，废气温度约为9001200k。由于燃烧室占有一定容积，因此在排气终了时（上止点），不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。第三章 设计部分3.1发动机机体3.1.1气缸体内燃机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并对活塞起导向作用。燃烧过程中燃气最高温度可达20002500，最高压力可达515帕（50150巴）。因此它的内壁直接受到高温高压的燃气作用，而它的外壁又受到空气的冷却。在内外壁温差及爆发压力作用下，气缸套

20、受到相当大的机械应力和热应力。因此要求气缸套要有足够的强度和刚度，并保证在工作时不至有过大的变形。气缸套还承受活塞的侧压力，而且活塞在它的表面作高速相对运动，使气缸内壁（即气缸镜面）受到强烈的摩擦。在润滑不良、进气脏污、冷车起动以及不正常燃烧的情况下都会造成气缸镜面的强烈磨损。所以它是内燃机磨损最严重的表面之一，也是决定内燃机大修期的最重要表面。大修不但增加使用成本，而且降低机器的利用率。因此，气缸镜面还必须具有一定的耐磨性。气缸套材料一般用优质灰铸铁，为了提高气缸套的耐磨性，可以在铸铁中加入少量合金元素，如镍、铬、钼、磷、硼等。气缸套内壁按二级精度珩磨加工，其工作表面有较高的光洁度，并且形状

21、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，必须对气缸体和气缸盖随时加以冷却。发动机有风冷和水冷两种。用风冷冷却时，在气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。用水冷冷却时气缸体内应内置有水套。本次设计采用风冷式。3.1.2气缸直径气缸直径是指气缸的内直径，与活塞相配合，是发动机的重要参数，许多主要尺寸如曲柄销直径、气门直径、活塞结构参数等，都要根据气缸直径来选取。气缸直径已经标准化，其直径按一个优先系列和一个常用系列来选取。本次设计选取气缸直径d为56mm。3.1.3气缸工作容积、燃烧室容积和气缸总容积气缸工作容积与气缸直径的平方、活塞的冲程大小成正比

22、。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如下：式中：气缸工作容积（ml）； 气缸直径（ml）； 活塞行程（mm）； 气缸数目；参数确定：本次设计的单缸发动机的排量为150ml，活塞行程为：；曲柄半径为：。3.1.4压缩比压缩比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的压缩程度，它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。压缩比与发动机性能有很大关系，我们都知道汽油发动机在运转时，吸进来的通常是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积缩小之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密

23、闭容器中的气体受到压缩时，压力是随着温度的升高而升高。若发动机的压缩比较高，压缩时所产生的气缸压力与温度相对地提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，再加上刚才所说的涡流和紊流效果和高压缩比所得到的密封效果，使得在下一刻运动中，当火花塞跳出火花时就能使得这混合气在瞬间内完成燃烧的动作，释放出最大的爆发能量，来成为发动机的动力输出。反之，燃烧的时间延长，能量会耗费并增加发动机的温度而并非参与发动机动力的输出，所以我们就可以知道，高压缩比的发动机就意味着可具有较大的动力输出。本次设计选定压缩比为9。3.1.5燃烧室当活塞位于上止点时，活塞顶面以上、气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室

24、。在汽油机气缸盖底面通常铸有形状各异的凹坑，习惯上称这些凹坑为燃烧室。燃烧室的种类较多，有楔形、盆形、半球形等。半球形燃烧室结构呈半球形，比起楔形、盆形燃烧室更为紧凑，面容比小。但进、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。本次设计采用的就是半球形燃烧室，燃烧室的体积为18.75ml。3.2连杆、曲轴组的结构型式及其选择3.2.1曲柄连杆比曲柄连杆比是指曲柄半径与连杆长度之比，简称连杆比，连杆比由下式定义：式中：曲柄半径，即曲柄销的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

25、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，连杆越短，发动机的总高度（立式发动机）或总宽度（卧式发动机）越小。连杆过短时易导致活塞在运动中与曲柄相碰，因此一般情况下现代摩托车发动机的连杆比，尽可能采用短连杆。本次设计取连杆长度，连杆比，满足要求。3.2.2连杆连杆是汽车发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形

26、。根据以上分析可知，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，应首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构刚度。如果强度不足，就会发生杆身的断裂，造成严重事故。同样，如果连杆刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响。例如，大头孔的失圆使连杆轴承的润滑受到影响；杆身在曲轴轴线平面内的弯曲，使活塞在气缸内歪斜，造成活塞与气缸以及连杆轴承与曲柄销的偏磨，活塞组与气缸间漏气、窜油。经验表明，对强化程度不高的发动机来说，刚度比强度更重要。很显然，为了增加连杆的强度和刚度，不能简单地依靠加大结构尺寸来达到，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

27、保证足够的刚度和强度。为此，必须选用高强度的材料；合理的结构尺寸；采取提高强度的工艺措施等。为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，一般多用优质中碳结构钢模锻，也可以采用中碳合金钢或低碳合金钢模锻成型，然后进行机械加工。中碳钢制造的连杆一般要进行调质处理；低碳合金钢制造的连杆大小内孔要进行渗碳淬火等表面处理，淬火硬度为hrc6065。为了润滑活塞销和轴承，连杆小头有集油孔或铣有油槽，用以收集发动机运转时被激起来的机油，以便润滑。连杆杆身通常做成“工”形断面，以保证在合适的刚度和强度下有最小的质量。连杆大头有部分式和整体式两种。整体式连杆大头相应的曲轴采用组合式曲轴，用轴承和曲柄销连接

28、。连杆大头的内孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦（或滚针轴承）紧密结合。本次设计的摩托车单缸汽油机采用整体式连杆，材料选用45钢，大头装有滚针轴承。3.2.3连杆承受的载荷计算连杆承受的载荷主要是气体压力和往复惯性力产生的交变载荷。其基本载荷是压缩和拉伸。对于四冲程发动机，最大拉伸载荷出现在进气行程来时的上止点附近，其数值主要是活塞组合连杆计算断面以上那部分连杆质量的往复惯性力，即式中：，分别为活塞组和连杆计算断面以上的那部分的质量。最大压缩载荷出现在膨胀行程开始的上止点附近，其数值是最大爆发压力产生的推力减去上述的惯性力，即式中：为最大爆发压力产生的推力。3.2.4连杆小头的强度校核小头衬

29、套以h7/r6级过盈配合压入小头孔中。有衬套的最大界限外径尺寸和小头孔的最小界限尺寸可以算出最大过盈量。在工作温度下过盈量的增加量可以按下式计算：其中：连杆小头孔直径，取17mm； 连杆小头温升，即工作温度与装配时的室温之差，取=200-25=175=448k； 衬套材料的线性膨胀系数，材料选用锡青铜，取值； 连杆材料的线性膨胀系数，材料选用钢，取值；计算得。设装配表面互相压紧的压力p是均匀分布的，则压力p可按下式计算：式中：连杆小头外径，取值24mm； 连杆小头内径，取值17mm； 衬套内径，取值14mm； 泊松比，可取0.2； 连杆材料的弹性模量，取值； 衬套材料的弹性模量，取值。带入数据

30、计算可得=174.8。在装配压力的作用下，连杆小头臂中所引起的应力沿截面不是均分布的，而是由内向外逐渐减小，这两个极限应力分别为：外表面=352.0；内表面=526.8。连杆材料的强度极限为883.6，所以小头满足强度要求。3.2.5连杆杆身的强度校核连杆杆身所承受的压缩作用力和拉伸作用力可分别按下式计算：式中：气体最高爆发压力； 活塞面积； 在上止点处，包括连杆杆身计算截面以上部分的质量在内的全部往复惯性力，其中，为活塞组的质量。为计算截面以上部分的连杆质量。对于靠近连杆小头杆身最小的截面处来说，计算应力则在发动机运转过程中该截面处应力变化的振幅等于对于连杆选用材料45钢，计算得到 该截面的

31、抗疲劳安全系数为式中：对称循环情况下材料的抗拉疲劳强度，对碳素钢可取 其中：材料的强度极限，该材料为；式中其他符号： 应力集中系数，可取1； 考虑零件表面粗糙度影响的系数，对于结构钢来说，当表面不加工时可取0.5； 材料的疲劳循环特性系数，可取0.2。 代入数据得，所以杆身强度符合要求。3.2.6连杆大头的强度校核连杆大头联接连杆和曲轴，要求有足够的强度和刚度，否则将影响轴承，甚至整机的工作可靠性。在设计连杆大头时，应在保证强度、刚度条件下，尺寸尽量小，重量尽量轻。合理确定大头结构尺寸和形状，就是大头设计的任务。计算时把整个连杆看成是两端固定的圆环，固定端的位置用角度表示（通常其值为40）。连

32、杆的曲率半径取两个连杆螺栓的中心距的一半，对于整体式连杆则取连杆大头内外圆半径之和的一半。环的截面积即为截面面积，同时假定作用在连杆大头上的力按余弦分布。连杆大头受到的惯性拉伸载荷为式中：、活塞组、连杆组往复惯性部分、连杆组旋转部分和连杆大头下半部分的质量； 曲柄半径； 连杆比。连杆大头中央截面上的应力为式中：计算的圆环的曲率半径； ，连杆大头及中央截面积； ，大头及轴承中央截面积； 计算断面的抗弯断面系数。参数计算：连杆大头受到的惯性拉伸载荷为则代入数据后计算得连杆大头中央截面面积上的应力为，连杆大头满足强度要求。表3-1 连杆的有关设计数据名称数值单位小头宽度18mm小头内孔半径17mm小

33、头壁厚5.5mm大头宽度18mm大头内圆半径38mm大头壁厚8mm连杆长度130mm 连杆的材料选用45钢，表面渗碳淬火处理，淬火硬度为hrc6065。3.3曲柄销曲柄销是发动机的重要零件，它将左右曲柄臂连为一体，承受连杆传来的爆发力和惯性力。选用40cr钢为曲柄销材料。表面渗碳淬火处理，外层硬度达到hrc61以上。尺寸选择：曲柄销长度：曲柄销直径：曲柄销孔直径：3.4 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计曲轴是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块

34、机构。曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑 曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个机械系统的源动力。因为曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴的设计不能孤立进行。各部分尺寸多以与气缸直径的相对值表示，而气缸直径又是限制曲柄销直径的重要因素。曲柄长度方向的尺寸基本上决定于气缸中心距在考虑曲轴轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径。在现代发动机设计中，一般趋向于采用较大的值，以降低曲柄销的比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。但是，曲柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，对曲轴及轴承的工作带来不利。因为随曲柄销直径增大带来的轴系自振频率增加，会被旋转

35、质量增加引起的自振频率下降所抵消，可能增加扭转振动的危害。此外，曲柄销直径增大也会增加轴承摩擦功率损失，导致轴承温度升高，增加润滑油热负荷。为此，曲柄销直径不应取得较大。曲柄销的长度是再选定的基础上考虑的。按照曲轴的形式，可以把曲轴分为整体式曲轴和组合式曲轴，摩托车发动机中多采用组合式曲轴，这里只对组合式曲轴作简单的介绍。图3-1 组合式曲轴1.曲轴左臂 2.曲轴右臂 3.曲柄销根据主轴颈平均相对尺寸的统计资料，初步选取。根据分析以及有关参考资料，初步设定各段长度：，。3.5活塞组结构设计3.5.1活塞活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件

36、之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。图3-2 活塞1.活塞顶部 2.活塞头部 3.活塞裙部活塞一般呈圆柱形，其结构如图3-1所示。活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500k以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600700k，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，高达35mpa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(812m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶

37、劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。所以要求活塞的质量尽可能小，热膨胀导热性能好，并且要耐磨。目前广泛采用的活塞材料是共晶硅铝合金。活塞顶部的形状与选用的燃烧室的形式有关。四行程汽油机的平顶式结构（如图3-3a），其优点是吸热面积小，制造工艺简单。有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧，或者为了增加燃烧室容积，以防活塞在上止点时与气门相碰，而采用凹顶或者凹坑顶活塞（如图3-3b），其凹坑的形状要根据发动机的要求而设计。也有些四行程的发动机为了适应燃烧室的要求，减少燃烧室容积，采用凸顶活塞（如图3-3c），凸顶活塞强度好，适应换气过程要求，使扫

38、气流向上偏斜，扫气效果较好。但凸顶活塞与燃烧室中高温气体接触面积较大，因而热量损失较大，热效率低。（a）平顶 （b）凹顶 （c）凸顶图3-3 活塞顶形状活塞顶部加工应力求光洁减小吸热。在有的发动机上，为了减轻活塞顶部的热负荷，在活塞顶部喷镀陶瓷。镀层为0.20.3mm，能起到耐高温、防腐蚀和减少吸热、提高发动机热效率的作用，但陶瓷与铝合金结合性能欠佳，高温运转时，陶瓷层易龟裂剥落。因此，这种镀有陶瓷的活塞，目前在摩托车上还很少应用，尚有待于进一步的研究开发。活塞头部是指活塞环槽以上的圆柱部分。其主要作用有：承受气体压力，并传给连杆；与活塞环一起实现气缸的密封；将活塞顶部吸收的热量通过活塞环传导

39、给气缸壁，再通过散热片（对于风冷发动机）或冷却水（水冷发动机）散布到大气中。头部有若干道用以安装活塞环的环槽。四行程汽油机一般有三、四道环槽，上面二、三道用于安装气环，下面一道用以安装油环。在油环环槽底面上钻有许多径向的小孔，使油环从气缸壁上刮下来的多余的机油得以流回曲轴箱（油底壳）。活塞头部一般做的比较厚，其目的是增加强度和刚度，以及热量从活塞顶部经活塞环传给气缸的冷却壁面，从而防止活塞顶部的温度过高。有的发动机活塞在第一道环槽的上面切出一道较窄的隔热槽，它的作用是隔断从活塞顶部流下来的部分热流通道，迫使热流方向折转，把原来应由第一道活塞环带走的热量，分散给二、三道环，以消除第一道环过热而产

40、生积碳和卡死在环槽中的可能性。活塞环槽的磨损常常是限制活塞寿命的一个重要因素。在热负荷较高的发动机中，由于活塞的第一道环槽温度较高，铝合金材料的硬度下降，再加上活塞环在活塞环槽内上下运动，更加速了环槽的磨损。为了保护和加强活塞环槽，可在铝合金活塞环槽部位铸入采用耐热材料制造的环槽护圈。采用奥氏体铸铁护圈后，环槽的寿命可提高310倍。活塞裙部是指自油环环槽下端面至活塞底面的圆柱部分。当活塞在气缸中作往复运动时，活塞裙部起到导向和承受侧压力的作用。活塞工作时活塞裙部会产生变形，其变形原因有：1.燃烧气体压力平均作用在活塞顶部，而活塞销给予的支反力则作用在活塞裙部的销座处，因此易导致活塞顶部弯曲变形

41、，致使活塞裙部也产生相应的变形，使活塞裙部沿销轴方向上的尺寸增大，而垂直于销轴方向上的尺寸减少（图3-4a）。2.燃烧气体压力还会使活塞受到侧压力，侧压力的作用也会使活塞裙部直径在同一方向上增大（图3-4b）。3.活塞销座周围的金属堆积较多，受热后膨胀量较大，致使活塞裙部在受热状态下变形。这种变形同样导致活塞沿活塞轴线方向上的直径的增大量比其他方向上大。活塞机械变形和热变形的结果，使得活塞裙部横断面变成长轴在活塞销座轴线方向上的椭圆形。 （a） （b） （c） （d）图3-4 活塞裙部的变形（a） 弯曲变形 （b）挤压变形（c）销座受热变形（d）裙部综合变形鉴于上述情况，为了使活塞在正常工作温

42、度下与气缸壁之间保持有比较均匀的间隙，不至于在气缸内卡死或是引起局部磨损，必须在常温下预先把活塞裙部的横断面加工成椭圆形，其长轴垂直于活塞销轴线方向，其短轴与长轴的差值视发动机的不同而不同，一般为0.0080.025mm。为了使铝合金活塞在工作状态下（热态）接近一个圆形，还必须把活塞做成上小下大的近似圆锥形。其锥度视发动机的不同而不同，一般为0.050.1mm。图3-5 活塞的主要尺寸活塞的压缩高度：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3-5所示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：一要降低火力岸高度

43、；而要减少活塞环的数量和厚度。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3-5所示h1）。减少火力岸高度会增强第一道环的导热能力，从而降低活塞顶部的温度，防止爆燃。一般来说，火力岸高度的大小要根据试验来确定。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3-5所示h2）。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活塞环的厚度及环岸高度。现代四行程发动机一般采用两道气环和一道油环。环岸要有足够的强度，使其在最大气压下不致被损坏。表3-1 活塞有

44、关尺寸的设计结果名称数值单位压缩高度27mm环带高度13mm火力岸高度4mm总高度54mm壁厚4mm内圆直径48mm外圆直径56mm第一道环的环岸高度3mm第二道环的华南高度3mm第一道环槽高度2mm第二道环槽高度2mm第三道环槽高度3mm3.5.2活塞环1.活塞环的高度活塞环的高度即活塞环的轴向尺寸。活塞环的高度增大，环的导热性能提高，但也会增大环的质量，使惯性力增大，从而，一方面是撞击活塞环槽的力加大和摩擦面加大；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12.5mm。2.径向厚度径向厚度影响径向压力的

45、大小，在其他尺寸确定以后影响弹力的因素有自由端距，它是指活塞环在自由状态时活塞环开口两端头之间距离；还有就是时间值。增加时间值可以减少环在槽中的撞击，并改善环的导热作用，但时间值增大，活塞环槽的槽深加大，使活塞头部的壁厚增大，质量加大，并增加安装难度。3.开口间隙活塞环今日气缸以后，在冷却状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不相碰。3.5.2活塞销活塞销的作用是连接活塞与连杆小头，将活塞承受的气压力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性的冲击载荷，润滑条件也比较差，因而要求活塞销有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量小。活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制造，经表面渗碳淬火处理，

46、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（如图3-6a），两端截锥形（如图3-6b），以及两端截锥中间一段圆柱形的组合形（如图3-6c）等。圆柱形孔容易加工，但为了保证一定刚度，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），但孔的加工较复杂。组合式结构则介于两者之间。 （a） （b） （c）图3-6 活塞销（a） 圆柱形 （b）两端截锥形（c）组合形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，以便使活塞销各部分的磨损比较均