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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
摘 要
近10年來，我國摩托車工業(yè)發(fā)展速度更快，一躍成為了世界摩托車生產(chǎn)量最大的國家。而發(fā)動機(jī)是摩托車的心臟，發(fā)動機(jī)品質(zhì)的好壞直接帶動著摩托車市場的發(fā)展。目前的摩托車發(fā)動機(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)動機(jī)為模型設(shè)計一款單缸四沖程摩托車的發(fā)動機(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)動機(jī)，用CATIA軟件建模做裝配和運(yùn)動仿真。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)建模、熱計算、動力分析、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)動機(jī)發(fā)展概況 1
1.2 本文主要研究內(nèi)容 1
第2章 發(fā)動機(jī)的建模 3
2.1 發(fā)動機(jī)設(shè)計流程 3
2.2 發(fā)動機(jī)典型零部件的設(shè)計演示 3
2.2.1 活塞的設(shè)計 3
2.2.2 氣門彈簧的設(shè)計 4
2.2.3 正時齒輪的設(shè)計 5
2.2.3 發(fā)動機(jī)殼體的設(shè)計 5
2.3 發(fā)動機(jī)的裝配演示及材質(zhì)的添加 6
2.4 發(fā)動機(jī)的仿真運(yùn)動演示 7
2.5 發(fā)動機(jī)的裝配模擬制作 8
2.6 發(fā)動機(jī)模型的后期制作 8
第3章 發(fā)動機(jī)熱計算 10
3.1 換氣過程計算 10
3.2 化學(xué)計算 10
3.3 壓縮過程計算 11
3.4 燃燒過程計算 12
3.5 膨脹過程計算 12
3.6 技術(shù)指標(biāo)計算 13
第4章 發(fā)動機(jī)動力計算 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起動瞬時 19
5.1.2 額定工況下，曲拐受最大切向力時 20
5.1.3 額定工況下，曲拐受最大法向力時 22
5.1.4 額定工況下，曲拐受最小法向力時 24
5.2 連桿強(qiáng)度計算 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)力計算 32
5.3.4第一道活塞環(huán)帶的強(qiáng)度計算 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
第1章 緒論
1.1 發(fā)動機(jī)發(fā)展概況
發(fā)動機(jī)最早誕生在英國，所以，發(fā)動機(jī)的概念也源于英語，它的本義是指那種“產(chǎn)生動力的機(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)動機(jī)，但是，不管哪種發(fā)動機(jī)，它的基本前提都是要以某種燃料燃燒來產(chǎn)生動力。所以，以電為能量來源的電動機(jī)，不屬于發(fā)動機(jī)的范疇?；仡櫚l(fā)動機(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)兩個發(fā)展階段。
所謂外燃機(jī)，就是說它的燃料在發(fā)動機(jī)的外部燃燒，發(fā)動機(jī)將這種燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成動能，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，高壓便產(chǎn)生了，然后這種高壓又推動機(jī)械做功，從而完成了熱能向動能的轉(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，我們常見的汽油機(jī)、柴油機(jī)是典型的內(nèi)燃機(jī)。我們不常見的火箭發(fā)動機(jī)和飛機(jī)上裝配的噴氣式發(fā)動機(jī)也屬于內(nèi)燃機(jī)。不過，由于動力輸出方式不同，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，也在汽車上裝用過噴氣式發(fā)動機(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)動機(jī)的工作特點是燃燒產(chǎn)生高壓燃?xì)?，利用燃?xì)獾母邏和苿尤細(xì)廨啓C(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)，從而輸出動力。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燃?xì)廨啓C(jī)。
人類的智慧是無窮無盡的，各種新型的發(fā)動機(jī)不斷地被研制出來，但是，出于安全操控的需要，到目前為止，我們可愛的摩托車還只有一種選擇——往復(fù)式發(fā)動機(jī)。
1.2 本文主要研究內(nèi)容
1.以太子125發(fā)動機(jī)為模型，制定總體設(shè)計方案，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、正時齒輪、氣門頂桿、搖臂、搖臂軸等等；以及最后發(fā)動機(jī)總體殼體的設(shè)計，做運(yùn)動仿真以及裝配過程的視頻展示(見附件光盤)。
2.整體設(shè)計完成后用對其進(jìn)行熱計算、動力分析、以及主要零部件的強(qiáng)度校核。
第2章 發(fā)動機(jī)的建模
2.1 發(fā)動機(jī)設(shè)計流程
摩托車發(fā)動機(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。設(shè)計是在CATIA的裝配件設(shè)計這個大的模塊中進(jìn)行，再依次插入新建零部件進(jìn)行每個零部件的設(shè)計，整個過程是一邊設(shè)計一邊裝配的，這樣可以讓各個零部件更好的匹配，以滿足整個發(fā)動機(jī)的整體協(xié)調(diào)性和最后在DMU模塊中更好的做裝配動畫和運(yùn)動仿真。設(shè)計思路如圖2-1所示：
活塞組設(shè)計
連桿組設(shè)計
裝配
曲柄連桿組設(shè)計
曲軸設(shè)計
發(fā)動機(jī)整體殼體
裝配
氣門組設(shè)計
氣門搖臂組
裝配
配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計
正時從動部件
裝配動畫的制作
DMU運(yùn)動仿真
圖2-1 設(shè)計流程圖
2.2 發(fā)動機(jī)典型零部件的設(shè)計演示
2.2.1 活塞的設(shè)計
活塞的形狀大體上是圓形，形狀規(guī)則，可先通過旋轉(zhuǎn)體命令（如圖2-2），旋轉(zhuǎn)草圖生成，再通過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不規(guī)則凹坑，通過創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊中，創(chuàng)建凹坑的曲面外形（如圖2-3），再通過分割命令來去除活塞頂端多余的部分，形成一個凹坑后，另一個可通過對稱曲面外形（如圖2-4），繼續(xù)分割而成。生成實體后，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
氣門彈簧主要是在創(chuàng)成式外形設(shè)計這個模塊進(jìn)行，先作出彈簧的螺旋線（如圖2-6），在螺旋線上創(chuàng)建點和面，在面上畫草圖和要求的彈簧的粗細(xì)，再在零件設(shè)計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 肋生成實體
圖2-6螺旋線
2.2.3 正時齒輪的設(shè)計
齒輪的設(shè)計主要是利用參數(shù)化建模，參數(shù)化建模更有利于齒輪的修改，改變一個參數(shù)后，零部件也會發(fā)生改變。使設(shè)計更加方便快捷，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)計和零件設(shè)計兩個模塊配合使用，繪制草圖時利用已經(jīng)定義的參數(shù)繪制草圖，通過提取、外插、結(jié)合，凸臺生成一個齒（如圖2-10），通過圓形陣列生成一個完整的齒輪（如圖2-11）。
圖2-9 添加公式
圖2-8 定義參數(shù)
圖2-10 生成一個齒
圖2-11 陣列
2.2.3 發(fā)動機(jī)殼體的設(shè)計
發(fā)動機(jī)的下殼體的形狀復(fù)雜，簡單的零部件設(shè)計模塊是滿足不了的，所以要運(yùn)用創(chuàng)成式外形設(shè)計和自由曲面模塊結(jié)合使用（如圖2-12），做出殼體的外形曲面之后，通過加厚命令來生成實體（如圖2-13）。最后，還要對實體進(jìn)行修剪和倒角，讓它看起來更加美觀。
圖2-13 加厚
圖2-12 殼體曲面的創(chuàng)建
2.3 發(fā)動機(jī)的裝配演示及材質(zhì)的添加
完成全部零部件后對其進(jìn)行裝配，在裝配模塊中對于活塞、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，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)用庫文件（如圖2-17），方便使用。每進(jìn)行約束之后通過更新按鈕，隨時更新零部件的相對位置。
裝配完成之后，可以通過應(yīng)用材質(zhì)按鈕對零部件進(jìn)行添加材質(zhì)（如圖2-18），最后也可以通過渲染按鈕進(jìn)行簡單渲染。
圖2-18 添加材質(zhì)
圖2-17 標(biāo)準(zhǔn)件庫的使用
2.4 發(fā)動機(jī)的仿真運(yùn)動演示
分析發(fā)動機(jī)的工作過程后，進(jìn)入數(shù)位模型機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析（DMU）模塊中，建立新機(jī)構(gòu)后，通過運(yùn)動接頭來約束每處有相對運(yùn)動的地方的接頭，按照動力傳動路線依次進(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、點線接頭、旋轉(zhuǎn)接頭、平面接頭、球接頭等，對于有一起運(yùn)動相對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)動元件（活塞的運(yùn)動）以及參數(shù)編輯驅(qū)動元件的運(yùn)功公式（如圖2-19），最終用laws來進(jìn)行模擬仿真運(yùn)動（如圖2-20）。
圖2-19 編輯運(yùn)動公式
圖2-18 定義運(yùn)動接頭
圖2-19 laws模擬運(yùn)動
2.5 發(fā)動機(jī)的裝配模擬制作
分析發(fā)動機(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，點擊跟蹤按鈕，點擊所要移動的零件，移動到合適的位置后記錄，在對話框中輸入所需要的速度后確定（如圖2-20）。把每個零部件的軌跡指定后，點擊編輯序列按鈕，編輯軌跡的運(yùn)動順序（如圖2-21）。最后完成后可用模擬播放器播放順序，來觀察每個零部件的裝配運(yùn)動過程，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)動軌跡
2.6 發(fā)動機(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發(fā)動機(jī)的運(yùn)動仿真和裝配過程進(jìn)行錄制（如圖2-22）。錄制完成后，可用視頻制作軟件對視頻進(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)動機(jī)熱計算
本章首先對發(fā)動機(jī)換氣過程的進(jìn)氣終點的壓力和溫度以及充氣效率進(jìn)行計算，再對發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃料的化學(xué)計算、以至對其壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程的壓力、溫度等進(jìn)行計算。最后確定發(fā)動機(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 額定工況計算用系數(shù)及參數(shù)的選擇
過量空氣系數(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
傳動效率: =0.92 機(jī)械效率： =0.80
3.1 換氣過程計算
1 進(jìn)氣終點壓力
2 進(jìn)氣終點溫度
3 充氣效率
3.2 化學(xué)計算
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 實際分子變更系數(shù)
6 汽油機(jī)每小時吸氣量
在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下空氣的比重為：
故吸氣量為：
7 過量空氣系數(shù)
設(shè)比油耗
則汽油機(jī)的耗油量為
故過量空氣系數(shù)
3.3 壓縮過程計算
1 壓縮過程中任意點x的壓力為:
2 壓縮終點壓力
3 壓縮終點溫度：
3.4 燃燒過程計算
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 膨脹過程計算
1 膨脹過程中任意點x的壓力為：
式中 —X點的氣缸容積
2 膨脹終點壓力
3 膨脹終點溫度
3.6 技術(shù)指標(biāo)計算
1 理論平均指示壓力
2 實際平均指示壓力
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，計算有效比油耗與計算過量空氣系數(shù)時假設(shè)的比油耗值較為接近。
第4章 發(fā)動機(jī)動力計算
本章依據(jù)上一章節(jié)中的熱計算的主要數(shù)據(jù)，首先對活塞的運(yùn)動情況進(jìn)行分析，對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行換算及其在運(yùn)動過程中的慣性力進(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)活塞處于上止點時，活塞銷中心處于x坐標(biāo)原點，則
式中
簡化后可得：
式中
2 活塞運(yùn)動的速度
式中
圖4-1活塞位移簡圖
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，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)對連桿組的質(zhì)量進(jìn)行換算，即用兩個假想的集中于連桿大小頭中心的質(zhì)量代替連桿組實際的分布質(zhì)量，根據(jù)實測，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)動的質(zhì)量：Gcp=40g
其中分配在大頭上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的質(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)動質(zhì)量：
做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的總質(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—氣缸內(nèi)氣體的作用力
Pj—活塞運(yùn)動時的往復(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
以上計算中，符號規(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)方向相反時為正
Pt—順著曲軸轉(zhuǎn)向為正
Pra—指向曲軸旋轉(zhuǎn)中心時為正
Mt—與曲釉旋轉(zhuǎn)方向相同時為正
第5章 發(fā)動機(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)動機(jī)承受力最復(fù)發(fā)的零部件，首先對曲軸在不同工況下的的進(jìn)行強(qiáng)度校核、再對連桿、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)度計算：
計算假定：
（1）曲軸軸瓦的支反力按不連續(xù)粱考慮，即按二點支承力計算；
（2) 氣缸最大爆發(fā)壓力發(fā)生在上死點10°CA;
（3）由連桿傳來的合力作用在曲柄銷中點；
（4）軸瓦的反作用力集中在軸頸中點；
（5）最大彎曲力矩和最大扭轉(zhuǎn)力矩同時發(fā)生。
計算工況確定：
（1）起動瞬時；
（2）額定工況下，曲拐受最大切向力時；
（3）額定工況下，曲拐受最大法向力時；
（4）額定工況下，曲拐受最小法向力時；
曲軸已知數(shù)據(jù)如圖5-1所示，對曲軸各部分進(jìn)行受力分析如圖5-2所示
圖5-1曲軸簡圖
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：
以下對各計算工況進(jìn)行計算：
圖5-2曲軸受力分析
5.1.1起動瞬時
曲拐在上止點時，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
由動力計算可知，曲拐受到的最大切向力為：
當(dāng)a=380°時，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兩點產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
由正在Ⅲ-Ⅳ兩點產(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
由動力計算可知，曲拐受到的最大法向力為
當(dāng)時，
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兩點產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
由在Ⅲ-Ⅳ兩點產(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
由動力計算可知，曲拐受到的最小法向力為
當(dāng)時，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
連桿小頭簡化后如圖4-3所示
其中 , ，
圖5-3連桿小頭簡圖
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
小頭受壓時固定截面處的彎矩和法向力
小頭受壓時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（以直徑變形量來考核）
小頭孔與活塞銷的冷間隙
5.2.2 連桿桿身
桿身可簡化為圖5-4
1 桿身計算力
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平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力
在與擺動平面垂直的平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力
桿身中間截面在擺動平面內(nèi)的安全系數(shù)
桿身中間截面在與擺動平面垂直的平面內(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)力計算
X～X截面面積計算
最大危險應(yīng)力
5.3.4第一道活塞環(huán)帶的強(qiáng)度計算
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
動力計算的最大側(cè)壓力
據(jù)動力計算知
活塞裙部計算長度
單位側(cè)壓力
5.4 活塞銷強(qiáng)度計算
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
活塞銷最大計算載荷
活塞銷長度 活塞銷座開檔
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)計算該斷面上1、2，3、4
5.5 氣缸頭螺栓強(qiáng)度計算
5.5.1 缸頭螺栓的受力
缸頭螺栓受到三個力的作用：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?
是一個交變的動力載荷，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。
3 附加力
發(fā)動機(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，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)超過一般要求[n]=1.3～2.0，故安全。
5.5.3 預(yù)緊力矩的驗算
1 被螺栓及吸收力矩的計算
式中 Q—每個螺栓上的工作載荷，據(jù)前面計算，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，對鋼與鋼無潤滑情況下，，；
—螺紋中徑，6mm;
2 被螺栓頭部吸收力矩的計算
采用凸肩與墊片間的摩擦計算，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，（無墊片）d=6mm；
從而
3 預(yù)緊力矩的計算：
綜上，各部件均符合安全條件，均可以使用。
結(jié) 論
發(fā)動機(jī)是摩托車的心臟，而發(fā)動機(jī)中的動力傳動機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。但對于我們還沒踏出大學(xué)校門的學(xué)生來說，其中的設(shè)計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)計我出色的完成了摩托車發(fā)動機(jī)主要零部件的建模，以及運(yùn)動仿真和裝配動畫，并且對發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)、動力學(xué)方面進(jìn)行了計算，最后對主要零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。主要是利用CATIA軟件做輔助設(shè)計，CATIA目前在國內(nèi)外知名的汽車、摩托車行業(yè)中都應(yīng)用廣泛。在建模過程中借助了太子125摩托車發(fā)動機(jī)的主要零件為參照。對于發(fā)動機(jī)的模擬仿真運(yùn)動花費了很大的精力，仿真運(yùn)動的動畫讓我們能更直觀的觀察發(fā)動機(jī)在工作過程中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，裝配動畫讓我們更清晰地認(rèn)識了發(fā)動機(jī)的主要零部件及其安裝位置。
通過此次畢業(yè)設(shè)計我掌握了軟件的操作應(yīng)用，以及學(xué)習(xí)了一些設(shè)計的思想。更主要是理論和實踐的緊密結(jié)合，讓我不僅掌握了書本上的知識，也鍛煉了一些實際動手操作的能力。我想我對發(fā)動機(jī)的設(shè)計還處于初期摸索階段，對發(fā)動機(jī)性能的認(rèn)識還不是很深入，這段時間我主要以建模為主，不斷地計算分析結(jié)果和實際中的想法，這個階段主要是總結(jié)實踐經(jīng)驗，找出實際與理論設(shè)計存在的差別，最終目的是找到理論與實踐的結(jié)合點，最終達(dá)到理論設(shè)計指導(dǎo)實踐。我想在以后的工作中，我最終會達(dá)到把理論計算運(yùn)用到實際的設(shè)計中去，做一名合格的設(shè)計人員。
致 謝
時光荏苒，大學(xué)四年很快就要結(jié)束了。畢業(yè)設(shè)計——作為大學(xué)生活的最后一個環(huán)節(jié)，經(jīng)過近三個月的緊張準(zhǔn)備，也將接近尾聲。在這次畢業(yè)設(shè)計中，它不但檢驗了在大學(xué)期間的所學(xué)所得，也讓我我鞏固了以前所學(xué)的知識，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。
在這次設(shè)計的過程中，指導(dǎo)老師孫鳳霞一直都關(guān)注著我的每一點進(jìn)展，并給了我很多很好的意見和建議，尤其在做發(fā)動機(jī)的仿真運(yùn)動時為我提供了更大的幫助，平時她也對我嚴(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)計任務(wù)，這與孫老師的指導(dǎo)是分不開的，在此，我對她表示感謝！
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