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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
近10年來(lái)，我國(guó)摩托車工業(yè)發(fā)展速度更快，一躍成為了世界摩托車生產(chǎn)量最大的國(guó)家。而發(fā)動(dòng)機(jī)是摩托車的心臟，發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)的好壞直接帶動(dòng)著摩托車市場(chǎng)的發(fā)展。目前的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為二沖程或四沖程汽油機(jī)，采用風(fēng)冷冷卻，有自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷兩種。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，升功率大。氣缸布置有臥式和立式兩種，配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按凸輪所在位置又可分為上置式和下置式二種。
綜上，我以寶雕太子125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為模型設(shè)計(jì)一款單缸四沖程摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用自然風(fēng)冷的冷卻方式，配氣機(jī)構(gòu)采用搖臂加頂桿的凸輪軸下置式的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，用CATIA軟件建模做裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)建模、熱計(jì)算、動(dòng)力分析、強(qiáng)度校核
Abstract
Come nearly 10 years, development of industry of our country autocycle faster, to become the world 's largest national motorcycle production. Engine is the heart of motorcycle, engine quality directly drives a motorcycle market development. The motorcycle engine is two stroke or four stroke gasoline engine, adopting air cooling, natural air cooling and forced air cooling two. Engine high speed, high power per liter. Cylinder arrangement has two kinds of horizontal and vertical, with gas transmission mechanism by the cam location can be divided into upper and lower set two.
Therefore, I to Prince 125 motorcycle engine as a model to design a single cylinder four stroke motorcycle engine, adopting natural air cooling method, air distribution mechanism of the arm rod of camshaft type motorcycle engine, and used the CATIA software modeling assembly and movement simulation.
Keywords: the establishment of engine model; heat calculation; dynamic analysis ; strength checking
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況 1
1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容 1
第2章 發(fā)動(dòng)機(jī)的建模 3
2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程 3
2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)典型零部件的設(shè)計(jì)演示 3
2.2.1 活塞的設(shè)計(jì) 3
2.2.2 氣門彈簧的設(shè)計(jì) 4
2.2.3 正時(shí)齒輪的設(shè)計(jì) 5
2.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的設(shè)計(jì) 5
2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配演示及材質(zhì)的添加 6
2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真運(yùn)動(dòng)演示 7
2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配模擬制作 8
2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的后期制作 8
第3章 發(fā)動(dòng)機(jī)熱計(jì)算 10
3.1 換氣過(guò)程計(jì)算 10
3.2 化學(xué)計(jì)算 10
3.3 壓縮過(guò)程計(jì)算 11
3.4 燃燒過(guò)程計(jì)算 12
3.5 膨脹過(guò)程計(jì)算 12
3.6 技術(shù)指標(biāo)計(jì)算 13
第4章 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力計(jì)算 14
4.1 活塞的位移、速度、加速度 14
4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算 15
4.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的慣性力 15
4.4 氣體作用力與往復(fù)慣性力的合成分析 16
4.5 曲軸、連桿軸頸、主軸頸的受力分析 16
第5章 發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件強(qiáng)度校核 18
5.1 曲軸的強(qiáng)度校核 18
5.1.1起動(dòng)瞬時(shí) 19
5.1.2 額定工況下，曲拐受最大切向力時(shí) 20
5.1.3 額定工況下，曲拐受最大法向力時(shí) 22
5.1.4 額定工況下，曲拐受最小法向力時(shí) 24
5.2 連桿強(qiáng)度計(jì)算 25
5.2.1 連桿小頭 25
5.2.2 連桿桿身 28
5.3 活塞頂強(qiáng)度計(jì)算 31
5.3.1頂部周緣的應(yīng)力 31
5.3.2頂部中心應(yīng)力 32
5.3.3環(huán)槽截面X～X的應(yīng)力計(jì)算 32
5.3.4第一道活塞環(huán)帶的強(qiáng)度計(jì)算 32
5.3.5活塞銷孔的最大比壓 33
5.3.6 活塞裙部單位側(cè)壓力 33
5.4 活塞銷強(qiáng)度計(jì)算 33
5.4.1活塞銷的比壓 33
5.4.2 活塞銷彎曲應(yīng)力及剪應(yīng)力 34
5.4.3 活塞銷的最大失圓度 34
5.5 氣缸頭螺栓強(qiáng)度計(jì)算 35
5.5.1 缸頭螺栓的受力 35
5.5.2 缸頭螺栓的應(yīng)力及安全系數(shù) 36
5.5.3 預(yù)緊力矩的驗(yàn)算 37
結(jié) 論 38
致 謝 39
參考文獻(xiàn) 40
39
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況
發(fā)動(dòng)機(jī)最早誕生在英國(guó)，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)的概念也源于英語(yǔ)，它的本義是指那種“產(chǎn)生動(dòng)力的機(jī)械裝置”。隨著科技的進(jìn)步，人們不斷地研制出不同用途多種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是，不管哪種發(fā)動(dòng)機(jī)，它的基本前提都是要以某種燃料燃燒來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。所以，以電為能量來(lái)源的電動(dòng)機(jī)，不屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的范疇。回顧發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生和發(fā)展的歷史，它經(jīng)歷了外燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)兩個(gè)發(fā)展階段。
所謂外燃機(jī)，就是說(shuō)它的燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)的外部燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)將這種燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，瓦特改良的蒸汽機(jī)就是一種典型的外燃機(jī)，當(dāng)大量的煤燃燒產(chǎn)生熱能把水加熱成大量的水蒸汽時(shí)，高壓便產(chǎn)生了，然后這種高壓又推動(dòng)機(jī)械做功，從而完成了熱能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)變。
明白了什么是外燃機(jī)，也就知道了什么是內(nèi)燃機(jī)。這一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)與外燃機(jī)的最大不同在于它的燃料在其內(nèi)部燃燒。內(nèi)燃機(jī)的種類十分繁多，我們常見(jiàn)的汽油機(jī)、柴油機(jī)是典型的內(nèi)燃機(jī)。我們不常見(jiàn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)上裝配的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)也屬于內(nèi)燃機(jī)。不過(guò)，由于動(dòng)力輸出方式不同，前兩者和后兩者又存在著巨大的差異。一般地，在地面上使用的多是前者，在空中使用的多是后者。當(dāng)然有些汽車制造者出于創(chuàng)造世界汽車車速新紀(jì)錄的目的，也在汽車上裝用過(guò)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，但這總是很特殊的例子，并不存在批量生產(chǎn)的適用性。
此外還有燃?xì)廨啓C(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)是燃燒產(chǎn)生高壓燃?xì)?，利用燃?xì)獾母邏和苿?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)，從而輸出動(dòng)力。燃?xì)廨啓C(jī)使用范圍很廣，但由于很難精細(xì)地調(diào)節(jié)輸出的功率，所以汽車和摩托車很少使用燃?xì)廨啓C(jī)，只有部分賽車裝用過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)。
人類的智慧是無(wú)窮無(wú)盡的，各種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地被研制出來(lái)，但是，出于安全操控的需要，到目前為止，我們可愛(ài)的摩托車還只有一種選擇——往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。
1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容
1.以太子125發(fā)動(dòng)機(jī)為模型，制定總體設(shè)計(jì)方案，用CATIA軟件建模，包括曲軸連桿機(jī)構(gòu)的主要組成部分：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿和曲柄；配氣機(jī)構(gòu)的主要組成部分：凸輪軸、氣門、氣門彈簧、正時(shí)齒輪、氣門頂桿、搖臂、搖臂軸等等；以及最后發(fā)動(dòng)機(jī)總體殼體的設(shè)計(jì)，做運(yùn)動(dòng)仿真以及裝配過(guò)程的視頻展示(見(jiàn)附件光盤)。
2.整體設(shè)計(jì)完成后用對(duì)其進(jìn)行熱計(jì)算、動(dòng)力分析、以及主要零部件的強(qiáng)度校核。
第2章 發(fā)動(dòng)機(jī)的建模
2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程
摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的建模用CATIA軟件，主要采用以活塞為中心，自上而下、自內(nèi)向外的建模方法，依次進(jìn)行曲柄連桿組、配氣機(jī)構(gòu)以及最后殼體的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)是在CATIA的裝配件設(shè)計(jì)這個(gè)大的模塊中進(jìn)行，再依次插入新建零部件進(jìn)行每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)，整個(gè)過(guò)程是一邊設(shè)計(jì)一邊裝配的，這樣可以讓各個(gè)零部件更好的匹配，以滿足整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體協(xié)調(diào)性和最后在DMU模塊中更好的做裝配動(dòng)畫(huà)和運(yùn)動(dòng)仿真。設(shè)計(jì)思路如圖2-1所示：
活塞組設(shè)計(jì)
連桿組設(shè)計(jì)
裝配
曲柄連桿組設(shè)計(jì)
曲軸設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)整體殼體
裝配
氣門組設(shè)計(jì)
氣門搖臂組
裝配
配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
正時(shí)從動(dòng)部件
裝配動(dòng)畫(huà)的制作
DMU運(yùn)動(dòng)仿真
圖2-1 設(shè)計(jì)流程圖
2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)典型零部件的設(shè)計(jì)演示
2.2.1 活塞的設(shè)計(jì)
活塞的形狀大體上是圓形，形狀規(guī)則，可先通過(guò)旋轉(zhuǎn)體命令（如圖2-2），旋轉(zhuǎn)草圖生成，再通過(guò)凹槽命令去掉多余的部分生成大概形狀。難度較大的是活塞頂端兩個(gè)不規(guī)則凹坑，通過(guò)創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊中，創(chuàng)建凹坑的曲面外形（如圖2-3），再通過(guò)分割命令來(lái)去除活塞頂端多余的部分，形成一個(gè)凹坑后，另一個(gè)可通過(guò)對(duì)稱曲面外形（如圖2-4），繼續(xù)分割而成。生成實(shí)體后，倒角（如圖2-5）。
圖2-3 分割
圖2-2 旋轉(zhuǎn)
圖2-4 鏡像
圖2-5 油孔
2.2.2 氣門彈簧的設(shè)計(jì)
氣門彈簧主要是在創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)這個(gè)模塊進(jìn)行，先作出彈簧的螺旋線（如圖2-6），在螺旋線上創(chuàng)建點(diǎn)和面，在面上畫(huà)草圖和要求的彈簧的粗細(xì)，再在零件設(shè)計(jì)模塊中用肋的命令生成（如圖2-7），之后分割去除彈簧兩端多余的部分（如圖2-8）。
圖2-7 肋生成實(shí)體
圖2-6螺旋線
2.2.3 正時(shí)齒輪的設(shè)計(jì)
齒輪的設(shè)計(jì)主要是利用參數(shù)化建模，參數(shù)化建模更有利于齒輪的修改，改變一個(gè)參數(shù)后，零部件也會(huì)發(fā)生改變。使設(shè)計(jì)更加方便快捷，便于修改。首先定義參數(shù)（如圖2-8），添加公式（如圖2-9），定義參數(shù)之間的關(guān)系及關(guān)聯(lián)性，進(jìn)入創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)兩個(gè)模塊配合使用，繪制草圖時(shí)利用已經(jīng)定義的參數(shù)繪制草圖，通過(guò)提取、外插、結(jié)合，凸臺(tái)生成一個(gè)齒（如圖2-10），通過(guò)圓形陣列生成一個(gè)完整的齒輪（如圖2-11）。
圖2-9 添加公式
圖2-8 定義參數(shù)
圖2-10 生成一個(gè)齒
圖2-11 陣列
2.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)的下殼體的形狀復(fù)雜，簡(jiǎn)單的零部件設(shè)計(jì)模塊是滿足不了的，所以要運(yùn)用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)和自由曲面模塊結(jié)合使用（如圖2-12），做出殼體的外形曲面之后，通過(guò)加厚命令來(lái)生成實(shí)體（如圖2-13）。最后，還要對(duì)實(shí)體進(jìn)行修剪和倒角，讓它看起來(lái)更加美觀。
圖2-13 加厚
圖2-12 殼體曲面的創(chuàng)建
2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配演示及材質(zhì)的添加
完成全部零部件后對(duì)其進(jìn)行裝配，在裝配模塊中對(duì)于活塞、活塞環(huán)活塞銷等進(jìn)行裝配成活塞組（如圖2-14），保存為活塞組產(chǎn)品；同理可把兩個(gè)曲柄裝配成為曲軸組產(chǎn)品（如圖2-15）。再在裝配模塊中，導(dǎo)入活塞組和曲軸產(chǎn)品進(jìn)行裝配，再導(dǎo)入剩下的那些需要裝配的零部件（如圖2-16）。
圖2-15 曲軸的裝配
圖2-14 活塞組的裝配
圖2-16 整體的裝配
裝配時(shí)，主要用到約束是相合約束、接觸約束、偏移約束以及角度約束等，有需要的螺釘、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件可以直接調(diào)用庫(kù)文件（如圖2-17），方便使用。每進(jìn)行約束之后通過(guò)更新按鈕，隨時(shí)更新零部件的相對(duì)位置。
裝配完成之后，可以通過(guò)應(yīng)用材質(zhì)按鈕對(duì)零部件進(jìn)行添加材質(zhì)（如圖2-18），最后也可以通過(guò)渲染按鈕進(jìn)行簡(jiǎn)單渲染。
圖2-18 添加材質(zhì)
圖2-17 標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的使用
2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真運(yùn)動(dòng)演示
分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程后，進(jìn)入數(shù)位模型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析（DMU）模塊中，建立新機(jī)構(gòu)后，通過(guò)運(yùn)動(dòng)接頭來(lái)約束每處有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地方的接頭，按照動(dòng)力傳動(dòng)路線依次進(jìn)行機(jī)構(gòu)接頭的建立。用到的接頭有：齒輪接頭、圓柱接頭、點(diǎn)線接頭、旋轉(zhuǎn)接頭、平面接頭、球接頭等，對(duì)于有一起運(yùn)動(dòng)相對(duì)靜止的可用剛性接頭（如圖2-18）。最后，一定要有固定元件（殼體），驅(qū)動(dòng)元件（活塞的運(yùn)動(dòng)）以及參數(shù)編輯驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)功公式（如圖2-19），最終用laws來(lái)進(jìn)行模擬仿真運(yùn)動(dòng)（如圖2-20）。
圖2-19 編輯運(yùn)動(dòng)公式
圖2-18 定義運(yùn)動(dòng)接頭
圖2-19 laws模擬運(yùn)動(dòng)
2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配模擬制作
分析發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的裝配順序后，進(jìn)入數(shù)位模型裝配模擬模塊中，點(diǎn)擊跟蹤按鈕，點(diǎn)擊所要移動(dòng)的零件，移動(dòng)到合適的位置后記錄，在對(duì)話框中輸入所需要的速度后確定（如圖2-20）。把每個(gè)零部件的軌跡指定后，點(diǎn)擊編輯序列按鈕，編輯軌跡的運(yùn)動(dòng)順序（如圖2-21）。最后完成后可用模擬播放器播放順序，來(lái)觀察每個(gè)零部件的裝配運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以達(dá)到裝配的目的。
圖2-21 編輯軌跡順序
圖2-20 定義運(yùn)動(dòng)軌跡
2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的后期制作
用CATIA工具欄中的圖像下拉菜單中的視頻錄錄制器可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真和裝配過(guò)程進(jìn)行錄制（如圖2-22）。錄制完成后，可用視頻制作軟件對(duì)視頻進(jìn)行拼接和刪減，以及一些文字的添加，最終達(dá)到視頻的完美制作。建模完成之后，用keyshot軟件做整體效果圖的渲染，以達(dá)到更加逼真的效果美圖（如圖2-23）。
圖2-22 視頻錄制
圖2-23 整體渲染效果圖
第3章 發(fā)動(dòng)機(jī)熱計(jì)算
本章首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程的進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力和溫度以及充氣效率進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃料的化學(xué)計(jì)算、以至對(duì)其壓縮過(guò)程、燃燒過(guò)程、膨脹過(guò)程的壓力、溫度等進(jìn)行計(jì)算。最后確定發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)。
1 已知條件如下：
氣缸直徑：D=56.5mm 活塞行程：s=47mm
氣缸數(shù)：i=1 排量：
壓縮比: 曲軸半徑與連桿長(zhǎng)度比：R/L=23.5/106
最大轉(zhuǎn)速:n=8500r/min 最大功率:
最大扭矩: 最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速:
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：
燃料平均重量成分:C=0.855 H=0.145
燃料低熱值:
2 額定工況計(jì)算用系數(shù)及參數(shù)的選擇
過(guò)量空氣系數(shù): a=0.73 進(jìn)氣溫升: T=4℃
殘余廢氣系數(shù): r= 0.04 殘余廢氣溫度: Tr= 930K
壓縮多變指數(shù)： =1.32 膨脹多變指數(shù): =1.23
示功圖豐滿系數(shù)： =0.94 熱量利用系: z=0.90
傳動(dòng)效率: =0.92 機(jī)械效率： =0.80
3.1 換氣過(guò)程計(jì)算
1 進(jìn)氣終點(diǎn)壓力
2 進(jìn)氣終點(diǎn)溫度
3 充氣效率
3.2 化學(xué)計(jì)算
1 燃燒lKg燃料所需的理論空氣量
式中28.96為空氣的平均分子量
2 燃燒前工質(zhì)的摩爾數(shù)
3 燃燒后工質(zhì)的摩爾數(shù)
4 理論分子變更系數(shù)
5 實(shí)際分子變更系數(shù)
6 汽油機(jī)每小時(shí)吸氣量
在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下空氣的比重為：
故吸氣量為：
7 過(guò)量空氣系數(shù)
設(shè)比油耗
則汽油機(jī)的耗油量為
故過(guò)量空氣系數(shù)
3.3 壓縮過(guò)程計(jì)算
1 壓縮過(guò)程中任意點(diǎn)x的壓力為:
2 壓縮終點(diǎn)壓力
3 壓縮終點(diǎn)溫度：
3.4 燃燒過(guò)程計(jì)算
1 因不完全燃燒而損失的熱量為：
△Hu= 58000(1- a)=58000×0.10=5800KJ/Kg燃料
2 汽油機(jī)的燃燒方程為：
式中 tc=385.9℃
故
根據(jù)燃燒產(chǎn)物平均定壓摩爾比熱表，可得
=23240℃ Tz=2097K
3 壓力升高比
4 最高爆發(fā)壓力
3.5 膨脹過(guò)程計(jì)算
1 膨脹過(guò)程中任意點(diǎn)x的壓力為：
式中 —X點(diǎn)的氣缸容積
2 膨脹終點(diǎn)壓力
3 膨脹終點(diǎn)溫度
3.6 技術(shù)指標(biāo)計(jì)算
1 理論平均指示壓力
2 實(shí)際平均指示壓力
3 指示功率
4 指示熱效率
（式中 Ps= 98KPa，Ts=283K為進(jìn)氣管內(nèi)充量壓力及溫度）
5 指示比油耗
6 平均有效壓力
7 有效熱效率
8 有效功率
9 有效比油耗
可見(jiàn)，計(jì)算有效比油耗與計(jì)算過(guò)量空氣系數(shù)時(shí)假設(shè)的比油耗值較為接近。
第4章 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力計(jì)算
本章依據(jù)上一章節(jié)中的熱計(jì)算的主要數(shù)據(jù)，首先對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行換算及其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力進(jìn)行分析，氣體作用力與往復(fù)慣性力的合成分析，最后確定曲軸轉(zhuǎn)矩、連桿軸頸和主軸頸的受力情況，以便下一章節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件的強(qiáng)度校核。已知參數(shù)如下：
氣缸直：D=54.7mm 活塞行程：S= 47mm
氣缸數(shù): i=1 壓縮比:= 9
曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度比 :R/L=23.5/106 最大功率：= 19Kw
最大轉(zhuǎn)速：n= 8500r／min
4.1 活塞的位移、速度、加速度
1 活塞的位移：
如圖4-1，設(shè)活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，活塞銷中心處于x坐標(biāo)原點(diǎn)，則
式中
簡(jiǎn)化后可得：
式中
2 活塞運(yùn)動(dòng)的速度
式中
圖4-1活塞位移簡(jiǎn)圖
活塞的平均速度
活塞的最大速度
3 活塞的加速度
式中
當(dāng)a=0°時(shí)，最大加速度為：
4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算
用雙質(zhì)量替代系統(tǒng)對(duì)連桿組的質(zhì)量進(jìn)行換算，即用兩個(gè)假想的集中于連桿大小頭中心的質(zhì)量代替連桿組實(shí)際的分布質(zhì)量，根據(jù)實(shí)測(cè)，可得出如下結(jié)果：
1 連桿總質(zhì)量： Gc=215g
其中分配在小頭上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量：Gcp=40g
其中分配在大頭上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量：Gcc= 175g
2 連桿大頭軸瓦質(zhì)量： Gn=20g
作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞組總質(zhì)： Gp= 170g
曲軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算： Mrb=-566.5g
往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量：
做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量：
連桿組大共的質(zhì)量：
4.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的慣性力
1 往復(fù)慣性力
活塞面積
故
2 離心慣性力：
連桿組大頭質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力Pra：
曲拐不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力：
離心慣性力之和Pr：
4.4 氣體作用力與往復(fù)慣性力的合成分析
1 沿氣缸中心線作用的合力P：
如圖3—2，沿氣缸中心線方向作用在活塞上的合力為：
式中 Pg—?dú)飧變?nèi)氣體的作用力
Pj—活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的往復(fù)慣性力
P0—曲軸箱內(nèi)氣體作用在活塞下方的力：
2 P的傳遞與分解
圖4-2往復(fù)慣性力分析
在力的傳遞過(guò)程中，P可分解成沿連桿中心線的作用力Pcr和垂直于氣缸中心線的側(cè)壓力Pn，即
從幾何關(guān)系可得
3 的傳遞與分解
Pcr作用在曲軸銷上，可進(jìn)一步分解為曲柄切向力Pt和曲柄法向力Pra 其中：
4.5 曲軸、連桿軸頸、主軸頸的受力分析
1 曲軸扭矩計(jì)算
曲軸在切向力Pt的作用下旋轉(zhuǎn)，故主軸頸承受的扭矩為：
2 連桿軸頸受力分析
作用于連桿軸頸的合力為：
的大小為：
3 主軸頸的負(fù)荷
軸頸受力情況如圖3—3：
(1)切向力
(2)法向力
圖4-3軸頸受力分析
(3)離心慣性力
故軸頸受力為
以上計(jì)算中，符號(hào)規(guī)定如下：
Pg，Pj—朝向曲軸旋轉(zhuǎn)中心為正
Pcr—壓縮連桿為正
—對(duì)曲軸旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的力矩方向與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)為正
Pt—順著曲軸轉(zhuǎn)向?yàn)檎?
Pra—指向曲軸旋轉(zhuǎn)中心時(shí)為正
Mt—與曲釉旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)為正
第5章 發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件強(qiáng)度校核
本章依據(jù)前兩章內(nèi)容，曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)承受力最復(fù)發(fā)的零部件，首先對(duì)曲軸在不同工況下的的進(jìn)行強(qiáng)度校核、再對(duì)連桿、活塞、活塞銷、氣缸頭螺栓等進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度校核。
5.1 曲軸的強(qiáng)度校核
1曲軸的靜力強(qiáng)度計(jì)算：
計(jì)算假定：
（1）曲軸軸瓦的支反力按不連續(xù)粱考慮，即按二點(diǎn)支承力計(jì)算；
（2) 氣缸最大爆發(fā)壓力發(fā)生在上死點(diǎn)10°CA;
（3）由連桿傳來(lái)的合力作用在曲柄銷中點(diǎn)；
（4）軸瓦的反作用力集中在軸頸中點(diǎn)；
（5）最大彎曲力矩和最大扭轉(zhuǎn)力矩同時(shí)發(fā)生。
計(jì)算工況確定：
（1）起動(dòng)瞬時(shí)；
（2）額定工況下，曲拐受最大切向力時(shí)；
（3）額定工況下，曲拐受最大法向力時(shí)；
（4）額定工況下，曲拐受最小法向力時(shí)；
曲軸已知數(shù)據(jù)如圖5-1所示，對(duì)曲軸各部分進(jìn)行受力分析如圖5-2所示
圖5-1曲軸簡(jiǎn)圖
圖5-2中，Kb為各曲柄不平衡重的離心力，其值為：
Cm為曲柄銷離心力合力：
以下對(duì)各計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算：
圖5-2曲軸受力分析
5.1.1起動(dòng)瞬時(shí)
曲拐在上止點(diǎn)時(shí)，T=O，Kb=0，Cm=0。
曲拐承受的壓力為標(biāo)定工況下的燃?xì)庾畲蟊l(fā)壓力：
1曲柄銷
在曲柄銷中點(diǎn)截面i～i上所受的彎曲應(yīng)力：
2曲臂
最大彎曲力矩產(chǎn)生于曲柄臂的中央部位，即下圖的截面所示于是可計(jì)算各曲臂的彎應(yīng)力及壓縮應(yīng)力。
由于40Cr的故安全。
3主軸頸
主軸頸的危險(xiǎn)斷面在軸頸與曲柄臂的交界處，各斷面的彎曲應(yīng)力為
由于40Cr的故各曲軸安全。
5.1.2 額定工況下，曲拐受最大切向力時(shí)
由動(dòng)力計(jì)算可知，曲拐受到的最大切向力為：
當(dāng)a=380°時(shí)，Pt=2740KPa.即
曲柄銷圓角處的支反力為：
1 曲柄銷
引起的彎曲應(yīng)力：
引起的彎曲應(yīng)力
引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
合成應(yīng)力
由于40Cr的=80～lOOMPa，故安全。
2曲柄臂
由及，引起的拉伸應(yīng)力：
由引起的彎曲應(yīng)力：
由和扭矩引起的彎曲應(yīng)力
由在Ⅰ-Ⅱ兩點(diǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
由正在Ⅲ-Ⅳ兩點(diǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
由于40Cr的=80～lOOMPa，故安全。
3 主軸頸
主軸頸的危險(xiǎn)斷面在軸頸與曲臂的交界處。
由引起的彎曲應(yīng)力
由引起的彎曲應(yīng)力
由引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
由于40Cr的，故安全。
5.1.3 額定工況下，曲拐受最大法向力時(shí)
由動(dòng)力計(jì)算可知，曲拐受到的最大法向力為
當(dāng)時(shí)，
即
曲柄銷圓角度處的支反力為：
1 曲柄銷
由引起的彎曲應(yīng)力：
由引起的彎曲應(yīng)力：
由引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
合成應(yīng)力：
由于的，故安全。
2 曲柄臂
由及引起的拉伸應(yīng)力：
由引起的彎曲應(yīng)力：
由和扭矩引起的彎曲應(yīng)力
由在Ⅰ-Ⅱ兩點(diǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
由在Ⅲ-Ⅳ兩點(diǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
由于的，故安全。
3 主軸頸
主軸頸的危險(xiǎn)斷面在軸頸與曲臂的交界處。
由引起的彎曲應(yīng)力
由引起的彎曲應(yīng)力
由引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
合應(yīng)力為
5.1.4 額定工況下，曲拐受最小法向力時(shí)
由動(dòng)力計(jì)算可知，曲拐受到的最小法向力為
當(dāng)時(shí)，Pra=2670.2KPa，即
1曲柄銷
由于的，故安全。
2曲柄臂
由及引起的拉伸應(yīng)力：
由引起的彎曲應(yīng)力：
由于的，故安全。
5.2 連桿強(qiáng)度計(jì)算
5.2.1 連桿小頭
1.由慣性力拉伸引起的小頭應(yīng)力
連桿小頭簡(jiǎn)化后如圖4-3所示
其中 , ，
圖5-3連桿小頭簡(jiǎn)圖
小頭壁厚．小頭寬度
活塞組的最大慣性力
2 小頭中心截面上的彎矩
小頭中心截面上的法向力
小頭固定截面上的彎矩
小頭固定截面上的法向力
小頭受拉時(shí)固定截面處外表面拉壓力
由最大壓縮力引起的應(yīng)力
小頭承受的最大壓縮力
根據(jù)，可知：
小頭受壓時(shí)中央截面上的彎矩和法向力
小頭固定截面處的值
小頭受壓時(shí)固定截面處的彎矩和法向力
小頭受壓時(shí)固定截面處外表面應(yīng)力
3 小頭的安全系數(shù)
材料的機(jī)械性能
的抗拉強(qiáng)度
故
角系數(shù)
在固定角截面的外表面處
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
小頭安全系數(shù)
小頭截面慣性矩
4 小頭剛度校核（以直徑變形量來(lái)考核）
小頭孔與活塞銷的冷間隙
5.2.2 連桿桿身
桿身可簡(jiǎn)化為圖5-4
1 桿身計(jì)算力
Ⅰ-Ⅱ截面以上部分的連桿重為G=50g
最大拉伸力
圖5-4連桿桿身簡(jiǎn)圖
最大壓縮力
2 桿身中間截面Ⅰ-Ⅱ處的應(yīng)力和安全系數(shù)
Ⅰ-Ⅱ截面面積
由P引起的拉伸應(yīng)力
桿身中間截面的慣性矩
由壓縮和縱向彎曲引起的合成應(yīng)力
桿身中間截面在擺動(dòng)平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力
在與擺動(dòng)平面垂直的平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力
桿身中間截面在擺動(dòng)平面內(nèi)的安全系數(shù)
桿身中間截面在與擺動(dòng)平面垂直的平面內(nèi)的安全系數(shù)
3 桿身最小截面Ⅱ-Ⅱ處的應(yīng)力和安全系數(shù)
ii～ii截面以上部分連桿取重為G=20g
最大拉伸力：
最大壓縮力：
最小截面ii～ii的面積
經(jīng)計(jì)算可知：
由拉伸力引起的拉伸應(yīng)力
由壓縮力引起的壓縮應(yīng)力
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
最小截面處的安全系數(shù)
5.3 活塞頂強(qiáng)度計(jì)算
活塞頂形狀如圖所示，假設(shè)活塞頂為沿周緣固定的并承受均勻壓力（最大燃?xì)鈮毫Γ┑膱A形平板。
5.3.1頂部周緣的應(yīng)力
周緣徑向最大應(yīng)力：
圖5-5活塞頂形狀
周緣切向最大應(yīng)力
由于經(jīng)向強(qiáng)度差所引起的活塞頂部周緣應(yīng)力
故
周緣機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的合力
5.3.2頂部中心應(yīng)力
正向和切向的正應(yīng)力
頂部中心的熱應(yīng)力
頂部中心的合應(yīng)力
5.3.3環(huán)槽截面X～X的應(yīng)力計(jì)算
X～X截面面積計(jì)算
最大危險(xiǎn)應(yīng)力
5.3.4第一道活塞環(huán)帶的強(qiáng)度計(jì)算
環(huán)帶根部處的彎曲應(yīng)力
環(huán)帶根部的剪應(yīng)力
環(huán)帶根部處的合應(yīng)力
5.3.5活塞銷孔的最大比壓
不包括活塞銷的活塞組的最大往復(fù)慣性力
最大燃?xì)鈮毫?
最大比壓
5.3.6 活塞裙部單位側(cè)壓力
動(dòng)力計(jì)算的最大側(cè)壓力
據(jù)動(dòng)力計(jì)算知
活塞裙部計(jì)算長(zhǎng)度
單位側(cè)壓力
5.4 活塞銷強(qiáng)度計(jì)算
5.4.1活塞銷的比壓
活塞組最大往復(fù)慣性力
最大燃?xì)鈮毫?
連桿小頭寬度 A = 19mm
活塞銷外徑 d=15mm
比壓
5.4.2 活塞銷彎曲應(yīng)力及剪應(yīng)力
活塞銷最大計(jì)算載荷
活塞銷長(zhǎng)度 活塞銷座開(kāi)檔
連桿小頭厚 活塞銷外徑
活塞銷內(nèi)徑 活塞銷內(nèi)外徑比
彎曲應(yīng)力：
剪切應(yīng)力:
5.4.3 活塞銷的最大失圓度
連桿小頭與活塞銷的設(shè)計(jì)間隙為0.016～0.04mm．
由于失圓而引起的彎曲應(yīng)力
最大彎曲應(yīng)力產(chǎn)生于如圖4-6所示的中央斷面上。
圖5-6斷面彎曲應(yīng)力
現(xiàn)計(jì)算該斷面上1、2，3、4
5.5 氣缸頭螺栓強(qiáng)度計(jì)算
5.5.1 缸頭螺栓的受力
缸頭螺栓受到三個(gè)力的作用：預(yù)緊力，燃?xì)庾饔昧?，以及由于被?lián)接零件和螺栓的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的附加力，故螺栓的計(jì)算載荷為
1 預(yù)緊力
式中 m——預(yù)緊系數(shù)，一般為數(shù)1.26～1.5現(xiàn)取1.5;
Pz——燃?xì)庾畲蟊l(fā)壓力為6.955MPa;
i——螺拴數(shù)為4;
F——缸頭受燃?xì)鈮毫Φ拿娣e，
故有
2 燃?xì)庾饔昧?
是一個(gè)交變的動(dòng)力載荷，其中x為螺拴及聯(lián)結(jié)的基本載荷系數(shù)，由于x值很小.可忽略不計(jì)。
3 附加力
發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸頭均為HT200，其熱膨脹系數(shù)為，螺栓材料為40Cr，其熱膨脹系數(shù)為，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到100℃時(shí)，二者相差的線膨脹率為0.0012，產(chǎn)生的附加力遠(yuǎn)小于預(yù)緊力，故可忽略
4 計(jì)算載荷
5.5.2 缸頭螺栓的應(yīng)力及安全系數(shù)
1 缸頭螺栓的最小直徑為其中段部分
2 螺栓材料為40Cr，其屈服強(qiáng)度為，按第二區(qū)域應(yīng)力循環(huán)，安全系數(shù)為
此安全系數(shù)超過(guò)一般要求[n]=1.3～2.0，故安全。
5.5.3 預(yù)緊力矩的驗(yàn)算
1 被螺栓及吸收力矩的計(jì)算
式中 Q—每個(gè)螺栓上的工作載荷，據(jù)前面計(jì)算，知為；
Qr—剩余鎖緊力，約為1.8Q=5630N:
a—螺紋導(dǎo)角， a=2.85°；
—摩擦角，對(duì)鋼與鋼無(wú)潤(rùn)滑情況下，，；
—螺紋中徑，6mm;
2 被螺栓頭部吸收力矩的計(jì)算
采用凸肩與墊片間的摩擦計(jì)算，吸收力矩為
式中 —螺母肩與墊片之間的摩擦系數(shù)，；
D—螺母頭部凸肩直徑．D=13mm：
D—墊片內(nèi)孔孔徑，（無(wú)墊片）d=6mm；
從而
3 預(yù)緊力矩的計(jì)算：
綜上，各部件均符合安全條件，均可以使用。
結(jié) 論
發(fā)動(dòng)機(jī)是摩托車的心臟，而發(fā)動(dòng)機(jī)中的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但對(duì)于我們還沒(méi)踏出大學(xué)校門的學(xué)生來(lái)說(shuō)，其中的設(shè)計(jì)理念和思想還是值得我們?nèi)W(xué)習(xí)、探索的。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)我出色的完成了摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件的建模，以及運(yùn)動(dòng)仿真和裝配動(dòng)畫(huà)，并且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行了計(jì)算，最后對(duì)主要零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。主要是利用CATIA軟件做輔助設(shè)計(jì)，CATIA目前在國(guó)內(nèi)外知名的汽車、摩托車行業(yè)中都應(yīng)用廣泛。在建模過(guò)程中借助了太子125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件為參照。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬仿真運(yùn)動(dòng)花費(fèi)了很大的精力，仿真運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)讓我們能更直觀的觀察發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，裝配動(dòng)畫(huà)讓我們更清晰地認(rèn)識(shí)了發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件及其安裝位置。
通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我掌握了軟件的操作應(yīng)用，以及學(xué)習(xí)了一些設(shè)計(jì)的思想。更主要是理論和實(shí)踐的緊密結(jié)合，讓我不僅掌握了書(shū)本上的知識(shí)，也鍛煉了一些實(shí)際動(dòng)手操作的能力。我想我對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)還處于初期摸索階段，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的認(rèn)識(shí)還不是很深入，這段時(shí)間我主要以建模為主，不斷地計(jì)算分析結(jié)果和實(shí)際中的想法，這個(gè)階段主要是總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，找出實(shí)際與理論設(shè)計(jì)存在的差別，最終目的是找到理論與實(shí)踐的結(jié)合點(diǎn)，最終達(dá)到理論設(shè)計(jì)指導(dǎo)實(shí)踐。我想在以后的工作中，我最終會(huì)達(dá)到把理論計(jì)算運(yùn)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)中去，做一名合格的設(shè)計(jì)人員。
致 謝
時(shí)光荏苒，大學(xué)四年很快就要結(jié)束了。畢業(yè)設(shè)計(jì)——作為大學(xué)生活的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)近三個(gè)月的緊張準(zhǔn)備，也將接近尾聲。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，它不但檢驗(yàn)了在大學(xué)期間的所學(xué)所得，也讓我我鞏固了以前所學(xué)的知識(shí)，并從中學(xué)到了很多新的東西。在這里，我向那些在這四年里給予過(guò)我巨大幫助的老師和同學(xué)們表示衷心的感謝，正是他們的幫忙才讓我得以圓滿完成四年的學(xué)業(yè)和最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)。
在這次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，指導(dǎo)老師孫鳳霞一直都關(guān)注著我的每一點(diǎn)進(jìn)展，并給了我很多很好的意見(jiàn)和建議，尤其在做發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)為我提供了更大的幫助，平時(shí)她也對(duì)我嚴(yán)格要求,讓我一絲不茍。我之所以能很順利地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，這與孫老師的指導(dǎo)是分不開(kāi)的，在此，我對(duì)她表示感謝！
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