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第50頁 共50頁
目 錄
設(shè)計任務(wù)書 ………………………………………………………………………………3
引言…………………………………………………………………………………………5
原理部分……………………………………………………………………………………6
1 發(fā)動機(jī)工作原理 ……………………………………………………………………6
1.1 發(fā)動機(jī)性能術(shù)語與參數(shù) ………………………………………………………………6
1.2 四沖程汽油發(fā)動機(jī)的工作原理 ………………………………………………………8
1.3 二沖程發(fā)動機(jī)工作原理………………………………………………………………10
摩托車發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計部分………………………………………………………12
1 發(fā)動機(jī)機(jī)體 …………………………………………………………………………12
1.1 汽缸直徑………………………………………………………………………………13
1.2 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總?cè)莘e…………………………………………13
1.3 壓縮比…………………………………………………………………………………14
1.4 氣缸工作內(nèi)壓力、氣缸總推力………………………………………………………14
1.5 氣功蓋…………………………………………………………………………………15
1.6 燃燒室…………………………………………………………………………………16
2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析與平衡………………………………………………17
2.1 曲柄連桿比……………………………………………………………………………17
2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)…………………………………………………………………17
2.3 連桿的角位移、角速度、角加速度…………………………………………………18
3 活塞運(yùn)動分析 ………………………………………………………………………19
3.1 活塞位移 ………………………………………………………………………………19
3.2 活塞速度分析 …………………………………………………………………………20
3.3 活塞的加速度 …………………………………………………………………………22
3.4 熱力強(qiáng)度 ………………………………………………………………………………23
4 活塞組…………………………………………………………………………………24
4.1 活塞 ……………………………………………………………………………………24
4.2 氣環(huán) ……………………………………………………………………………………28
4.3 油環(huán) ……………………………………………………………………………………31
4.4 活塞銷 …………………………………………………………………………………32
5 連桿、曲軸組…………………………………………………………………………34
5.1 連桿 ……………………………………………………………………………………34
5.1.1連桿承受的載荷………………………………………………………………………34
5.1.2連桿小頭的安全系數(shù)…………………………………………………………………35
5.1.3連桿大頭的強(qiáng)度驗算…………………………………………………………………36
5.2曲軸銷的設(shè)計……………………………………………………………………………38
5.3 曲軸 ……………………………………………………………………………………38
5.3.1 組合式曲軸 …………………………………………………………………………39
設(shè)計小結(jié) …………………………………………………………………………………44
附圖…………………………………………………………………………………………46
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………49
機(jī)械零件畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
題目：設(shè)計南方NF—125摩托車發(fā)動機(jī)汽缸部件
a、技術(shù)參數(shù)和原始數(shù)據(jù)
沖程
缸數(shù)
冷卻方式
總排氣量
壓縮比
面積*行程
最大功率/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
最大扭矩/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
燃油消耗率
工作阻力
2
4
1
風(fēng)冷
100 124ml
6：1
S()H(mm)
/n
/n
ml/kw.h
1.3Mp
b、設(shè)計參數(shù)系列
參數(shù) 組數(shù)
S()
H(mm)
最大功率/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
最大扭矩/相應(yīng)轉(zhuǎn)速Kw/（r/min）
燃油消耗率
1
56 50
7.5/7500
9.5/6000
410
2
68 60
8.8/7500
10.8/6000
420
3
80 65
10/8600
11.5/6000
650
c、設(shè)計參數(shù)代號（組數(shù)）組合選定
沖程數(shù)4 冷卻方式：風(fēng)冷 總排量 180ml 壓縮比6：1 工作阻力1.3Mpa
d、畢業(yè)設(shè)計基本要求
1、 全面了解南方NF—125型摩托車基本結(jié)構(gòu)、原理、性能，現(xiàn)場測繪發(fā)動機(jī)汽缸部件，所得數(shù)據(jù)設(shè)計依據(jù)或參考。
2、 了解二沖程、四沖程發(fā)動機(jī)汽缸工作原理，著重分析變速、原理、結(jié)構(gòu)、零件材料、機(jī)加工及熱處理工藝。
3、分析該發(fā)動機(jī)汽缸部件的運(yùn)動、動力分析，確定其極限狀態(tài)。
4、按所選技術(shù)參數(shù)，設(shè)計發(fā)動機(jī)汽缸部件結(jié)構(gòu)
（1） 按有關(guān)理論、資料進(jìn)行計算、校核，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。如：曲軸、連桿、活塞、汽缸等零部件之間的布局。
（2） 繪制發(fā)動機(jī)汽缸體部件裝配圖一張。要求用零號圖紙。圖形、尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求、明細(xì)表、字體等必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB4457.(1—4)-84,GB4458.(1—4)-84及其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
（3） 繪制關(guān)鍵零件工作（零件）圖兩張，用二號或三號圖紙。要求視圖布局合理，表達(dá)準(zhǔn)確無誤且符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
（4） 按機(jī)械零件畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書要求，完成一萬字幅的設(shè)計說明書一份。要求格式正確，字跡工整清晰，一律用
碳素墨水書寫。
（5） 零件圖可用微機(jī)繪制，零號裝配圖一律用手工繪制。
引 言
畢業(yè)設(shè)計是機(jī)械設(shè)計課程重要的綜合性與實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，用時2.5周，是一門獨(dú)立的考查課程。通過畢業(yè)設(shè)計可綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計課程和其他先修課程的知識，分析和解決機(jī)械設(shè)計問題，進(jìn)一步鞏固、加深和拓寬所學(xué)的知識。作為機(jī)械類工科學(xué)生，完成了此項教學(xué)環(huán)節(jié)，也就為完成本科學(xué)業(yè)及將來的畢業(yè)設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計題目常選用通用機(jī)械的傳動裝置，例如以齒輪減速器為主體的機(jī)械傳動裝置。其主要內(nèi)容包括：傳動裝置的總體設(shè)計；傳動零件、軸、軸承、聯(lián)軸器等的設(shè)計計算和選擇；裝配圖和零件圖設(shè)計；編寫設(shè)計計算說明書。近幾年來，通過與兄弟院校的交流與探討，經(jīng)過反復(fù)論證和可行性分析，結(jié)合本地區(qū)特點(diǎn)，選擇以摩托車發(fā)動機(jī)傳動和變速部分為主的新設(shè)計課題，設(shè)計方法采用常規(guī)手段與微機(jī)輔助相結(jié)合。題目和教學(xué)方法的改革有如下一些特點(diǎn)：
1.新題目較經(jīng)典課題更具復(fù)雜性和體現(xiàn)時代氣息，涉及的機(jī)構(gòu)及零部件增多，所覆蓋的知識面更廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度加大，設(shè)計時要求學(xué)生綜合考慮諸多因素，自己分析和解決問題，可以幫助學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和競爭意識。
2.熟悉掌握機(jī)械設(shè)計的一般規(guī)律，提高分析問題和解決問題的能力。同時通過計算、給圖，進(jìn)一步熟悉和運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計手冊等有關(guān)設(shè)計資料，進(jìn)行全面的機(jī)械設(shè)計基本技能的訓(xùn)練，為畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。
3.設(shè)計過程能理論聯(lián)系實際，學(xué)生們對新穎實用的內(nèi)容更感興趣，可充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主觀能動性。
發(fā)動機(jī)工作原理
1.1 發(fā)動機(jī)性能術(shù)語與參數(shù)
1、汽缸
汽缸內(nèi)孔直徑(簡稱缸徑)用符號D表示，單位為
2．上止點(diǎn)、下止點(diǎn)
(1)止點(diǎn)
活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動的兩個極限位置，稱為止點(diǎn)。
(2)上止點(diǎn)
活塞離曲軸旋轉(zhuǎn)中心的最遠(yuǎn)位置
(3)下止點(diǎn)
活塞離曲軸旋轉(zhuǎn)中心的最近位置
3．沖程
上止點(diǎn)和下止點(diǎn)間的距離(簡稱沖程)用符號S表示，單位為mm。
S＝2r
式中 r——曲柄半徑(即由曲軸旋轉(zhuǎn)中心至曲柄銷中心的距離)。
4．汽缸工作容積
活塞在汽缸內(nèi)由上止點(diǎn)移動至下止點(diǎn)所掃過的空間容積，稱為汽缸工作容積，
Vh表示，單位為ml。
若為多缸發(fā)動機(jī)，則汽缸工作容積為各缸工作容積之和，用符號v’h表示，單位為ml。
V’h=ivh 式中 i——汽缸數(shù)。
5．燃燒室容積
活塞位于上止點(diǎn)時，活塞上方由活塞、汽缸蓋所圍成的空間容積，稱為燃燒室容積。用符號Vc表示，單位為ml。
6．氣缸容積
活塞位于下止點(diǎn)時．活塞上方的全部空間容積，稱為汽缸總?cè)莘e。用符號Vn表示，單位為ml。
Va＝Vh+Vc
7．壓縮比
汽缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，稱為壓縮比。用符導(dǎo)表示。
8．工作循環(huán)
發(fā)動機(jī)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、對外輸出功率時，要不斷重復(fù)地進(jìn)(掃)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣，這一工作過程稱為工作循環(huán)。
9．發(fā)動機(jī)功率
發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，曲軸實際對外輸出的功率，稱為發(fā)動機(jī)功率，也稱為有效功率。用符號Pe表示，單位為kw。；
式中Pe——發(fā)動機(jī)曲軸輸出扔矩，N·M。
n——發(fā)動機(jī)曲軸相應(yīng)轉(zhuǎn)速，r／min
發(fā)動機(jī)銘牌上標(biāo)明的功率值，稱為標(biāo)定功率。
10．有效燃油消耗率(俗稱比油耗)
發(fā)動機(jī)單位有效功在1小時內(nèi)的耗油量稱為有效燃油消耗率。用符號ge表示,單位為g／kw*h。
式中 Gb――單位時間的耗油量，g／s 。
11．升功率
發(fā)動機(jī)在標(biāo)定工況下，每升汽缸工作容積所發(fā)出的有效功率，稱為升功率。用符號Nl表示，單位為kw／L。升功率是評定發(fā)動機(jī)動力性能與強(qiáng)化程度的重要指標(biāo)。
式中 —標(biāo)定功率，kw。
發(fā)動機(jī)油門(或節(jié)氣門)保持一定開度，其扔矩、功率隨轉(zhuǎn)速變化而變化的曲線稱為速度特性曲線。油門(或節(jié)氣門)全開時的速度特性曲線，稱為外特性曲線(曲線1)，曲線2、3為油門(或節(jié)氣門)部分開度時的速度特性曲線。
功率Pe外特性曲線I：由功率的計算公式可知，功率Pe與Me*n。成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速M(fèi)從很低的數(shù)值增加時，Me增加，因而Pe迅速增大，直至Mmax點(diǎn)。繼續(xù)提高n，Me雖有些降低，但Me·n的乘積是增大的，因此Pe仍繼續(xù)增大，但增加得不如前一段那樣快。在M增至np時，Me*n值最大，因此Pe達(dá)到最大值(Pemax)。此后，由于Me急速下降，使Me*n減小，因而Pe曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，Pe顯著下降，ge顯著增加。通常，摩托車發(fā)動機(jī)的標(biāo)定功率為(0.8～0.9)Pmax，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n作為標(biāo)定轉(zhuǎn)速。
1.2 四沖程汽油發(fā)動機(jī)的工作原理
在闡述四沖程汽油發(fā)動機(jī)的工作原理之前，先來介紹什么叫活塞的上止點(diǎn)、下止點(diǎn)和活塞沖程:
活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動的兩個極限位置，稱為止點(diǎn)?；钊\(yùn)動到離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)時的位置稱為上止點(diǎn)，如圖1-2-1（a）所示；活塞運(yùn)動到離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近時的位置成為下止點(diǎn)，如圖1-2-1（b）所示。上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間的距離，稱為活塞沖程，以S表示。曲軸轉(zhuǎn)一周，活塞要走兩個沖程。
四沖程汽油發(fā)動機(jī)的工作原理是：曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，活塞往復(fù)移動兩次，完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒、排氣四個工作
圖1-2-1 上止點(diǎn)和下止點(diǎn)
（a）活塞上止點(diǎn) （b）活塞下止點(diǎn)
過程，如圖1-2-2所示。
（1） 進(jìn)氣沖程：進(jìn)氣沖程開始時，活塞在上止點(diǎn)，燃燒室內(nèi)充滿了前一工作循環(huán)所殘留的廢氣。當(dāng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動時，燃燒室的容積變大，形成真空度，同時通過齒輪帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，使凸輪的凸起部分頂開進(jìn)氣門。燃油通過化油器與空氣混合形成可燃混合氣進(jìn)入氣缸【圖1-2-2（a）】。
（2） 壓縮沖程：活塞自下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動【圖1-2-2（b）】，此時凸輪的凸起部分已經(jīng)轉(zhuǎn)了過去，進(jìn)氣門關(guān)閉。由于凸輪只轉(zhuǎn)過1/4周，所以排氣門仍關(guān)閉著。隨著活塞向上移動，燃燒室容積減少，可燃混合氣被壓縮。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時，燃燒室中的可燃混合氣壓力為0.6~0.9MPa，溫度升到300℃左右，壓縮沖程完成。
圖1-2-2 四行程汽油機(jī)發(fā)動機(jī)的工作原理
（a）進(jìn)氣沖程； （b）壓縮沖程； （c）燃燒沖程； （d）排氣沖程
(3) 燃燒沖程：在壓縮沖程接近上止點(diǎn)時【圖1-2-2（c）】，燃燒室中的可燃混合氣被火花塞發(fā)生的電火花點(diǎn)燃，可燃混合氣迅速爆發(fā)燃燒，氣體壓力急劇升高，達(dá)到3.0~4.5MPa,溫度高達(dá)2000℃左右。活塞受到高壓氣體的推動，由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動，通過連桿帶動曲軸旋轉(zhuǎn)做功。此時，進(jìn)、排氣門均關(guān)閉。
（4） 排氣沖程：由于飛輪的慣性，使曲軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，帶動活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動【圖1-2-2（d）】。這時，凸輪頂開排氣門，廢氣通過排氣門排出，直到活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)為止，完成了一個工作循環(huán)。
從四沖程汽油發(fā)動機(jī)的工作原理中可知，在全部四個沖程中，進(jìn)、排氣門開啟和關(guān)閉一次，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周（720°），活塞往復(fù)運(yùn)動各兩次。在所有4個沖程中，只有第三沖程（燃燒沖程）是做功沖程，其余都是輔助沖程。發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，首先需要有外力將曲軸轉(zhuǎn)動，以便進(jìn)行進(jìn)氣和壓縮。當(dāng)可燃混合氣爆發(fā)燃燒推動活塞做功后，由于曲軸和飛輪的慣性，其他兩個沖程才得以繼續(xù)進(jìn)行。
1.3 二沖程發(fā)動機(jī)工作原理
活塞連續(xù)運(yùn)行兩個沖程(即曲軸旋轉(zhuǎn)一周)完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)，稱為二沖程發(fā)動機(jī)。
下面以一種利用密封的曲軸室作為掃氣泵的單缸二沖程汽油機(jī)為例，對照其工作原理圖1-3-1和示功圖1-3-2來介紹它的基本工作過程。
圖1-3-1 單缸二沖程汽油機(jī)工作原理圖
1．火花塞 2．燃燒室 3．汽缸 4．排氣口 5．掃氣口 6．進(jìn)氣閥 7．進(jìn)氣口 8．曲軸箱
第一沖程——輔助沖程
輔助沖程是活塞自下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動，事先已充人活塞上方汽缸內(nèi)的可燃混合氣被壓縮，同時，來自化油器的新鮮可燃混合氣又被吸人活塞下方密封的
曲柄室內(nèi)的過程。如圖1-2-2(a)所示，當(dāng)輔助沖程開始時，活塞位于下止點(diǎn)(d點(diǎn))，汽缸內(nèi)己充入可燃混合氣和上一工作循環(huán)未排凈的殘余廢氣。曲軸旋轉(zhuǎn)通過連桿帶動活塞向上止點(diǎn)移動，活塞首先關(guān)閉掃氣口(A點(diǎn))，結(jié)束曲軸箱向汽缸內(nèi)的掃氣。緊接著活塞關(guān)閉排氣口(“點(diǎn))，結(jié)束汽缸內(nèi)殘余廢氣和極少量可燃混合氣的排出，將封閉在汽缸內(nèi)的混合氣壓縮，其壓力和溫度隨之升高，在活塞接近上止點(diǎn)(c點(diǎn))時，火花塞發(fā)出的火花點(diǎn)燃被壓縮的混合氣，從而完成壓縮過程。
如圖1-2-2(a)所示，在壓縮過程進(jìn)行的同時，活塞下方密封的曲軸箱容積逐漸擴(kuò)大，從而形成真空度，在外界大氣壓的作用下，新鮮的可燃
圖1-3-2 單缸二沖程汽油機(jī)示功圖
混合氣使自化油器被吸人曲軸箱，進(jìn)行著進(jìn)氣過程。
在示功圖1-3-2上，曲線d—h－a。段表示部分換氣過程；曲線a—c段表示壓縮過程；曲線d—h—a—c段表示輔助沖程。
第二沖程——做功(燃燒膨脹)沖程
做功沖程是活塞自上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動，活塞下方進(jìn)行著可燃混合氣預(yù)壓的過程。
如圖1-2-2(b)所示，當(dāng)做功沖程開始時，活塞位于上止點(diǎn)(c點(diǎn))，燃燒室內(nèi)可燃混合氣燃燒，汽缸內(nèi)的高溫高壓燃?xì)馔苿又钊蛳轮裹c(diǎn)移動做功，活塞對曲軸箱內(nèi)的可燃混合氣進(jìn)行預(yù)先壓縮。活塞在下行過程中，首先開啟排氣口(6點(diǎn))，開始排出廢氣(這時的排氣稱為先期排氣)，如圖1-2-2(c)所示。緊接著活塞開啟掃氣口(／點(diǎn))，曲軸搞內(nèi)已被預(yù)先壓縮的可燃混合氣被導(dǎo)人汽缸上部，即開始進(jìn)行掃氣，如圖1-2-2(d)所示，此時，掃氣和排氣兩個過程是重疊進(jìn)行的。
在示功圖1-3-2上．曲線c—z段表示燃燒過程；曲線z—b段表示膨脹(做功)過程；曲線b—f表示先期排氣過程；曲線b—f—d段表示部分換氣過程；二沖程沒有單軸的進(jìn)、排氣沖程，其換氣(排氣和掃氣)是在下止點(diǎn)前后進(jìn)行的，即在b—f—d—h—a段完成的。
做功沖程結(jié)束時，活塞又回到下止點(diǎn)。至此，單缸二沖程汽油機(jī)只經(jīng)歷了活塞往復(fù)各一次共兩個沖程，完成了進(jìn)氣和掃氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣等過程，完成一個工作循環(huán)。在示功圖1-3-2上表示為封閉曲線d—h—a—c—z—b—f—d。
同單缸四沖程汽油機(jī)一樣，單缸二沖程汽油機(jī)做功沖程結(jié)束后，曲軸依靠飛輪的慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，上述各個過程又依次重復(fù)進(jìn)行，使單缸二沖程汽油機(jī)能連續(xù)地對外輸出功率。
摩托車發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計
1 發(fā)動機(jī)機(jī)體
氣缸體
氣缸體的作用除形成氣缸工作容積外，還用作活塞運(yùn)動導(dǎo)向，其圓柱形空腔稱為氣缸。
由于氣缸壁表面經(jīng)常與高溫高壓燃?xì)饨佑|，活塞在汽缸內(nèi)作高速運(yùn)動（最高速度可達(dá)100km/s）并施加側(cè)壓力，以及氣缸壁與活塞環(huán)幾活塞外圓表面之間反復(fù)摩擦，而其潤滑條件由較差，所以氣缸體必須耐高溫、耐高壓、耐腐蝕，還應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。
氣缸體的材料一般用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵，為了提高氣缸的耐磨性，可以在鑄鐵中加入少量的合金元素，如鎳、鉻、鉬、磷、硼等。
汽缸內(nèi)壁按二級精度珩磨加工，其工作表面有較高的關(guān)潔度，并且形狀和尺寸精度也都比較高。
為了保證氣缸壁表面能在高溫下正常工作，必須對汽缸體和氣缸蓋隨時加以冷卻。發(fā)動機(jī)有風(fēng)冷和水冷兩種。用風(fēng)冷卻時，在汽缸體和氣缸蓋外表面鑄有許多散熱片，易增大冷卻面積，保證散熱充分。用水冷卻時在汽缸體內(nèi)制有水套。
1.1 氣缸直徑
氣缸直徑是指氣缸內(nèi)徑，與活塞相配合，是發(fā)動機(jī)的重要參數(shù)，許多主要的尺寸如曲柄銷直徑、氣門直徑、活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)等，都要根據(jù)氣缸直徑來選取。
參數(shù)設(shè)計：
氣缸直徑已標(biāo)準(zhǔn)化，其直徑值按一個優(yōu)先系列合一個常用系列來選取。因此根據(jù)有關(guān)資料可確定氣缸的直徑為： D=68mm
1.2 氣缸工作容積、燃燒室容積和氣缸總?cè)莘e
上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間的氣缸容積，稱為氣缸工作容積（也稱為總排量）（圖1.2.1）。氣缸工作容積與氣缸直徑的平方、活塞沖程的大小成正比。氣缸直徑越大、工作容積越大、發(fā)動機(jī)的功率也就相應(yīng)地增大。
氣缸工作容積的計算公式為
(1.2-1)
式中：——?dú)飧坠ぷ魅莘e(ml);
D—— 氣缸直徑（mm）;
S —— 活塞行程（mm;）
N —— 氣缸數(shù)目。
圖1.2.1 氣缸燃燒室容積和工作室容積
（a）燃燒室容積 （b）工作室容積
參數(shù)設(shè)計：
因設(shè)計要求的是單缸發(fā)動機(jī)的排氣量
為180ml，那么其活塞行程為：
同時活塞行程S =2r；r為曲軸半徑
那么：
1.3 壓縮比
氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，稱為壓縮比。壓縮比表示活塞由下止點(diǎn)到上止點(diǎn)時，可燃混合氣在氣缸內(nèi)被壓縮多少倍。此處壓縮比=6：1。
1.4 氣缸工作內(nèi)壓力、氣缸總推力
氣缸工作內(nèi)壓力是一個變量，隨作功行程的開始，數(shù)值急劇下降。高質(zhì)量的氣缸在跳火燃燒的瞬間，內(nèi)壓力可達(dá)3～5MPa。
氣缸總推力是指一個周期內(nèi)氣缸對外實際作功量。其計算式為：
(1.4-1)
式中：F——?dú)夤偼屏Γ∟）;
——?dú)飧仔?；一般?0％;——?dú)飧坠ぷ鲀?nèi)壓力（MPa）；
D ——?dú)飧字睆剑╩m）。
參數(shù)設(shè)計：
氣功工作內(nèi)壓力：
＝
1.5 氣功蓋
氣功蓋用螺柱與氣缸體－曲軸箱或氣缸體固連在一起。為了增加密封性，氣缸體和氣缸蓋之間加有氣缸襯墊。氣缸蓋的作用主要是封閉氣缸上部，并與活塞頂部和氣缸壁共同形成燃燒室。燃燒室有很多種形式，不同形式的燃燒室氣功蓋的結(jié)構(gòu)又有所不同。
四行程頂置氣門發(fā)動機(jī)的氣缸蓋上有進(jìn)、排氣門座及氣門導(dǎo)管，并設(shè)有進(jìn)氣道和排氣道，裝有進(jìn)、排氣管等。對氣缸蓋螺栓連接靜強(qiáng)度計算：
(1.5-1)
對螺栓的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行精確校核：
(1.5-2) (1.5-3)
(1.5-4) (1.5-5)
式中：——螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限。
——試件的材料特性，即循環(huán)應(yīng)力中平均應(yīng)力的折算系數(shù)，對于合金鋼為0.2～0.3
——拉壓疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)
——安全系數(shù)
參數(shù)設(shè)計：
由于有密封性，=1.5～1.8F，此處可取
則
材料可選10.9級的合金鋼，查表得：，
靜載荷時，S=1.5,所以
則
變載荷時：
對于合金鋼螺栓，～
取
查表得：，。取
則 ,即，所以
可取D=8.5mm
1.6 燃燒室
燃燒室的種類較多，有鍥形、盆形、菱形、半球形等燃燒室。半球形燃燒室結(jié)構(gòu)呈半球形，比起鍥形、盆形燃燒室更為緊湊，面容比最小。因進(jìn)、排氣門分別置于氣缸軸線的兩側(cè)，故其配氣機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。但有利于促進(jìn)燃料的完全燃燒和減少排氣中的有害成分，對提高經(jīng)濟(jì)性和排氣凈化有利。
有關(guān)計算結(jié)果： 表1
名稱
尺寸或數(shù)值
單位
氣缸直徑D
68
mm
活塞行程S
50
mm
燃燒室體積VC
36
ml
曲軸半徑r
25
mm
氣功工作內(nèi)壓力F
4.358
KN
氣缸的材料：質(zhì)灰鑄鐵
2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析與平衡
2.1 曲柄連桿比
曲柄連桿臂時指曲柄半徑與連桿長度之比，簡稱為連桿比，用表示。由下式定義
(2.1-1)
式中：——曲柄半徑，即曲柄銷中心到曲軸中心之間的距離；
——連桿長度，即連桿大小頭軸線之間的距離。
連桿比不僅影響曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，而且影響發(fā)動機(jī)的外形尺寸。值越大，連桿越矩，發(fā)動機(jī)的總高度（立式發(fā)動機(jī)）或總寬度（臥式發(fā)動機(jī)）越小。對于V形發(fā)動機(jī)，其總高度和總寬度都會減少。連桿過矩時易導(dǎo)致活塞在運(yùn)動過程中與曲柄相碰。因此一般情況下現(xiàn)代摩托車發(fā)動機(jī)的連桿比，盡可能地采用矩連桿。
參數(shù)設(shè)計：
取λ＝1/4； 那么連桿長度： l＝ r/λ= 25.5/(1/4) =102 mm
2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)
曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)是研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)各主要零件的運(yùn)動規(guī)律，分析其作用力和力矩及發(fā)動機(jī)的平衡和曲軸的扭轉(zhuǎn)振動的一門科學(xué)。
在計算時，曲軸的轉(zhuǎn)動可以近似看成等速轉(zhuǎn)動，這是因為高速發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定工況下工作時，由于扭轉(zhuǎn)的不均勻性而引起的曲軸旋轉(zhuǎn)角速度的變化不大。
曲軸的角速度可以寫為
ω＝
式中：n——曲軸轉(zhuǎn)速，。
曲柄銷中心的切向速度和向心加速度分別為：
＝ (2.2-1)
＝ (2.2-2)
式中：r——曲軸半徑，m。
在討論連桿、活塞的運(yùn)動規(guī)律時，不用時間t表達(dá)，而是用曲軸轉(zhuǎn)角，并且規(guī)定：將活塞處于上止點(diǎn)位置所對應(yīng)的曲軸位置作為曲軸轉(zhuǎn)角的起點(diǎn)（即＝0），因而，活塞的速度、加速度的方向朝著曲軸中心線方向為正，背離曲軸中心線方向為負(fù)。
參數(shù)設(shè)計：
曲柄的角速度：
曲柄銷中心的切向速度和向心加速度分別為：
＝
＝
2.3 連桿的角位移、角速度、角加速度
對于活塞中心線通過曲軸中心線的曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖2.3.1）。曲柄半徑r與連桿長度l的比值：λ＝r/l
則
sin ＝sin (2.3-1)
于是可得到連桿的角位移
＝
當(dāng)＝90°和270°時連桿的角位移為最大，即 圖2.3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)
＝arcsin（1/4）=14.48 rad/s
連桿擺動的角速度
當(dāng)為0°和180°時，連桿角速度為最大值，rad/s
當(dāng)為90°和270°時，連桿角速度為0。
連桿擺動的角加速度
當(dāng)和時，159270.8rad/
當(dāng)和時，連桿的角加速度為0。
3 活塞運(yùn)動分析
3.1 活塞位移
對于活塞中心線過曲軸中心線的曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖2.3.1）。活塞的行程S＝2r，活塞的位移 (3.1-1)
最大位移量： mm
由牛頓二項式，可將展開，則
圖3.1.2 活塞速度曲線
圖3.1.1 活塞位移與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系
在實際計算中取前兩項已足夠精確。則活塞的位移可寫成
位移X隨λ和的變化關(guān)系可以用圖像表示（圖3.1.2）.由圖像和公式都可以看出：曲軸轉(zhuǎn)角從0°和90°時活塞的位移值，比從90°和180°時活塞的位移值大，而且λ值越大，其差值也越大。
3.2 活塞速度分析
活塞速度的精確數(shù)值為
(3.2-1)
對活塞的速度也可以進(jìn)行近似計算，其近似值由對位移的近似計算式微分得到：
(3.2-2)
因此，活塞速度是兩個速度分量之和，可以看成是由和兩個簡諧部分組成。其圖像如圖3.1.1所示。
3.2.1活塞的最大速度
當(dāng)＝90°時v＝rω，此時活塞速度等于曲柄銷中心的圓周速度。但這并不是活塞的最大速度。活塞在最大速度時的曲柄轉(zhuǎn)角可以用對微分求極值的方式求得：
即
解此方程得：
(3.2.1-1)
因為時不合理的，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現(xiàn)在偏向上止點(diǎn)一側(cè)。
不同的λ值其最大速度時的值也不同，λ值越大活塞速度的最大值也越大，相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也偏向上止點(diǎn)一側(cè)。
3.2.2活塞平均速度
曲柄旋轉(zhuǎn)一周時活塞的速度不斷發(fā)生變化，時快時慢，時正時負(fù)。＝0°～180°時v為正值；＝180°～360°時v為負(fù)值；＝0°、180°、360°時v＝0°；
＝90°、270°時v＝rω。
活塞的平均速度
式中：S——活塞行程； n——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速； T——曲軸轉(zhuǎn)動一周所需的時間。
活塞的平均速度雖然只能粗略地估計活塞運(yùn)動的快慢，但它是表征發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的重要參數(shù)。它從一個方面反映樂發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度，同時也在一定程度上放映樂活塞和氣功之間相互摩擦的強(qiáng)烈程度。隨著活塞平均速度的提高，活塞和氣功磨損加劇。
參數(shù)設(shè)計：
活塞平均速度：
圖3.2.2.1 活塞加速度曲線
3.3 活塞的加速度
活塞加速度的精確值由下式求出
(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兩個簡諧運(yùn)動之和，如圖3.2.2.1所示。
3.3.1活塞加速度的極值
活塞加速度的極值是指活塞的最大正加速度和最大負(fù)加速度，由下式求得：
或
若 ，＝0°或 ＝180°相應(yīng)的加速度為
或 (3.3.1-1)
若 則 ，相應(yīng)的加速度為：
參數(shù)設(shè)計：
活塞最大正加速度
3.4 熱力強(qiáng)度
材料受熱時會產(chǎn)生變形，如果變形受到限制就會在材料中產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱負(fù)載的反復(fù)作用下，熱應(yīng)力會使材料受到疲勞破壞。比如一旦發(fā)動機(jī)氣缸蓋的溫度分布不均勻?qū)a(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，就容易導(dǎo)致其產(chǎn)生裂紋。熱力強(qiáng)度是指材料抵抗熱疲勞破壞的能力。
各種材料在受熱變形受到限制時產(chǎn)生的熱應(yīng)力大小可用熱應(yīng)力特性（）表示，其中材料的熱膨脹系數(shù)，E為彈性模量，為導(dǎo)熱系數(shù)。為了比較材料的熱力強(qiáng)度，用材料的拉伸強(qiáng)度與（）相比得到熱力強(qiáng)度系數(shù)。熱應(yīng)力特性（）愈小，熱應(yīng)力愈小，熱力強(qiáng)度系數(shù)愈大，熱力強(qiáng)度愈大。由此可見：材料的導(dǎo)熱性愈好，膨脹系數(shù)愈小，高溫疲勞強(qiáng)度愈搞.
有關(guān)計算結(jié)果 表3
名稱
尺寸或數(shù)值
單位
連桿長度L
100
mm
曲柄的角速度
785
rad/s
曲柄銷中心的切向速度Vt
19.625
m/s
曲柄銷中心的切向加速度an
15．406×10－3
m/s2
活塞最大位移量Xmax
50
mm
活塞平均速度
12.5
m/s
活塞最大正加速度
11.554×10－3
m/s2
連桿材料： 45號鋼。
4 活塞組
4.1 活塞
1－頂部；2－頭部；3－裙部；4－環(huán)岸；
5－環(huán)槽；6－銷座；7－加強(qiáng)筋；8－卡環(huán)槽；9－泄油孔及泄油槽
圖4.1.1 活塞
活塞一般呈圓柱形，其結(jié)構(gòu)如圖4.1.1所示。活塞與氣缸為間隙配合，自阿氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，其主要作用式承受氣缸中的氣體壓力
所造成的作用力，并將這些力通過活塞銷傳
給連桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)；活塞頂部還與氣
缸壁、氣缸蓋共同組成燃燒室。由于活塞頂部直接與高溫高壓燃?xì)饨佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2500K，因此活塞的溫度很高，頂部中心的溫度可達(dá)600～700K。高溫一方面使活塞材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降（在600K溫度下約下降50%）,另一方面還會使活塞的熱膨脹量增大，影響活塞與相關(guān)零件的配合?；钊敳吭谧鞴π谐虝r承受這燃?xì)鈳_擊性的壓力。對于汽油機(jī)活塞，瞬時最大壓力值高達(dá)3～5MPa。對于柴油機(jī)瞬時最大壓力值可達(dá)6～9MPa,采用增壓時則更高。高壓導(dǎo)致活塞的側(cè)壓力大，引起活塞變形，加速或活塞外表面的磨損。活塞在氣功中作高速往復(fù)運(yùn)動，其承受的氣壓力和慣性力呈周期性變化，因此活塞的不同部位分別受到交變的拉伸、壓縮或彎曲載荷；并且由于活塞的溫度各部位極不均勻，使活塞的內(nèi)部產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。所以要求活塞的質(zhì)量盡可能小，熱膨脹導(dǎo)熱性能好和耐磨。目前廣泛采用的活塞材料使共晶硅鋁合金。
4.1.1活塞的壓縮高度
活塞頂面至活塞銷中心之間的距離稱為活塞的壓縮高度，如圖4.1中的H1 。
現(xiàn)代摩托車發(fā)動機(jī)活塞的壓縮高度希望取較小的值，以減少活塞的尺寸和重量。要減少活塞的壓縮高度應(yīng)從兩方面入手；一要降低火力的高度；二要減少活塞環(huán)的數(shù)量和厚度。
一般情況下，四行程發(fā)動機(jī)活塞的壓縮高度取H1 ＝0.45～0.57D。
4.1.2火力岸高度
第一道活塞環(huán)槽的上邊至活塞頂面的距離稱為活塞的火力岸高度，如圖4.1中的H4 。
圖4.1 活塞結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
減少H4會增強(qiáng)第一道環(huán)的導(dǎo)熱能力，從而
可以降低活塞頂部的溫度，防止爆燃。一般來說，火力岸高度的大少要根據(jù)試驗后確定。
4.1.3環(huán)帶高度
第一道環(huán)的上邊至最后一道環(huán)下邊之間的距離稱為環(huán)帶高度，如圖4.1中的H3。
減少環(huán)帶高度也就減少了活塞的壓縮高度，從而減少了活塞的慣性力和摩擦損失，這對提高發(fā)動機(jī)的功率和使用壽命很有好處。減少環(huán)帶高度必須減少活塞環(huán)數(shù)或減少活塞環(huán)的厚度及環(huán)岸高度b。現(xiàn)代四行程發(fā)動機(jī)一般采用二道氣環(huán)和一道油環(huán)。氣環(huán)的厚度一般為0.8～1.5mm。環(huán)岸要求有足夠的強(qiáng)度，使其在最大氣壓下不致被損壞。第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1 一般為1.5～2.5c（c指環(huán)槽高度），第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2為1～2c。
4.1.4環(huán)岸的強(qiáng)度校核
在爆發(fā)壓力作用下，第一道氣環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。第一環(huán)岸的受力情況如圖4.1.4所示，在P1、P2合力的作用下，環(huán)根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，擋這些應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時，環(huán)岸就會產(chǎn)生斷裂。
圖4.1.4 第一環(huán)岸的受力情況
由試驗可知；當(dāng)P1≈0.9Pmax，P2≈0.2Pmax時，可以
把環(huán)岸看成一個厚度為b、內(nèi)外圓直徑為D’和D的圓環(huán)形
板，并沿內(nèi)圓柱面固定。然后把環(huán)岸看成簡單的懸臂梁進(jìn)行估算。Pmax為最大爆發(fā)壓力。
設(shè)D’=0.9D,作用在環(huán)岸根的應(yīng)力為：
（4.1.4-1）
式中：——活塞環(huán)槽深。
環(huán)岸根部危險斷面的抗彎斷面系數(shù)的近似值為
（4.1.4-2）
環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應(yīng)力為
（4.1.4-3）
環(huán)岸根部危險斷面的剪切應(yīng)力 為
（4.1.4-4）
合應(yīng)力
考慮倒鋁合金活塞在高溫下的強(qiáng)度下降及岸根的應(yīng)力集中，其許應(yīng)力取
參數(shù)計算：環(huán)岸根部危險斷面上的彎曲應(yīng)力為
環(huán)岸根部危險斷面的剪切應(yīng)力 為
合應(yīng)力
符合要求。
有關(guān)活塞的尺寸設(shè)計結(jié)果： 表4.1
名稱
數(shù)值
單位
壓縮高度取H1
34
mm
環(huán)帶高度H3
9.8
mm
火力岸高度H4
4.5
mm
總高度
55
mm
壁厚
4
mm
內(nèi)圓直徑D’
61
mm
外圓直徑D
67
mm
第一道環(huán)的環(huán)岸高度b1
3.5
mm
第二道環(huán)的環(huán)岸高度b2
2
mm
第一道環(huán)槽高度C1
1.4
mm
第二道環(huán)槽高度C2
1.4
mm
第三道環(huán)槽高度C3
1.5
mm
活塞的材料： 高硅鋁合金
見附圖一
4.2 氣環(huán)
氣環(huán)安裝在氣缸頭部的活塞環(huán)槽中。其作用使保證活塞與氣缸壁之間的密封，防止氣缸中的高溫高壓燃?xì)獯罅柯┤肭S箱；另外，活塞頂部的熱量大部分右氣環(huán)傳給氣缸壁，再由冷卻水或空氣帶走。
在氣環(huán)所起的密封和導(dǎo)熱兩大作用中，主要是密封作用。因為密封好，說明氣環(huán)與氣缸壁貼河緊密，導(dǎo)熱自然會好。如果氣環(huán)的密封性不好，高溫燃?xì)鈱⒅苯訌臍猸h(huán)與氣缸壁之間的縫隙中漏入曲軸箱，活塞環(huán)直接與漏出的高溫高壓燃?xì)饨佑|。此時不但由于氣環(huán)與氣缸壁結(jié)合不嚴(yán)不能很好地導(dǎo)熱，相反使氣環(huán)地吸熱量增加，最后必將導(dǎo)致活塞河活塞環(huán)被燒壞。
活塞環(huán)地厚度在保證強(qiáng)度河可靠性地情況下越薄越好，薄的活塞環(huán)有利于減少活塞的壓縮高度，有利于減輕活塞重量；降低活塞環(huán)于氣缸之間的摩擦損失；遏制活塞環(huán)的振動。
目前廣泛采用的活塞環(huán)材料使合金鑄鐵（在優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵中加入銅、鉻、鉬等合金元素）。隨著發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化，活塞環(huán)特別使第一環(huán)，承受著很大的沖擊載荷河熱負(fù)荷，因此要求活塞材料除了耐熱、耐磨以外，還應(yīng)有高的強(qiáng)度和沖擊韌性?，F(xiàn)代摩托車強(qiáng)化發(fā)動機(jī)常采用合金彈簧鋼（如60Si2CrA，其硬度為HRc45－55）制造活塞環(huán)。
為了提高活塞環(huán)的耐磨性，第一道環(huán)的工作表面常常鍍有多孔性鉻。多孔性鉻層強(qiáng)度高，并能儲存少量機(jī)油，可以提高潤滑性能。這種環(huán)的工作壽命比普通環(huán)高2～3倍。其余氣環(huán)一般鍍錫，以改善其磨合性。此處還可以用噴鉬來提高活塞環(huán)的耐磨性。
4.2.1氣環(huán)的工作狀態(tài)
活塞環(huán)裝入后與活塞環(huán)槽的上端面或下端面之間留有一定的間隙，這個間隙稱為活塞環(huán)的邊隙；活塞環(huán)與活塞環(huán)的底部也留有一定的間隙，稱為背隙，以防止活塞環(huán)受熱膨脹而卡死在活塞環(huán)槽中。第一道的邊隙一般為0.02～0.1mm，第二道環(huán)的邊隙一般為0.02～0.08mm。
活塞環(huán)隨活塞在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動時，活塞環(huán)在活塞槽中的位置并不是固定的。在進(jìn)氣行程中活塞環(huán)向下移動，由于氣環(huán)與氣缸壁之間的摩擦阻力及活塞環(huán)本身的運(yùn)動慣性，活塞環(huán)與活塞槽的上端面接觸；在壓縮行程和排氣行程中活塞和活塞環(huán)（指第一道環(huán)）有高溫高壓燃?xì)馔苿酉蛳乱苿?，使之和壓縮行程一樣，活塞環(huán)與活塞環(huán)槽的下端面接觸。
4.2.2氣環(huán)的類型
氣環(huán)的類型比較多，有矩形斷面氣環(huán)、扭曲環(huán)、錐面環(huán)、梯形環(huán)、桶面環(huán)、L形環(huán)、組合式氣環(huán)。
4.2.3活塞環(huán)的高度
活塞環(huán)的高度即活塞環(huán)的軸向尺寸。
活塞環(huán)的高度b增大，環(huán)的導(dǎo)熱性能提高，但也會增大環(huán)的質(zhì)量，是慣性力增大，從而，一方面是環(huán)撞擊活塞環(huán)槽的力加大核摩擦面加大；另一方面導(dǎo)致活塞環(huán)處在懸浮狀態(tài)的時間延長（相對曲軸轉(zhuǎn)角），造成漏氣量增加。因此，活塞環(huán)高度有減少的趨勢。國內(nèi)摩托車氣環(huán)的高度一般為b＝1～2.5mm.
4.2.4自由端距
自由端距是指活塞環(huán)在自由狀態(tài)時活塞環(huán)開口兩端頭之間的距離，用S。表示。根據(jù)前述，可知：S。與徑向壓力P。、環(huán)的徑向厚度t、材料的彈性模數(shù)E有關(guān)。當(dāng)材料選定以后，材料的彈性模數(shù)E就定下來了，只要適當(dāng)選擇t核S。就可以。S。增大，P。增加，其應(yīng)力也增加。若S。減少，P。也減少，最大工作應(yīng)力減少，但套裝應(yīng)力會增大，因此S。只能在較少的范圍內(nèi)變動。對于灰鑄鐵活塞環(huán)一般
S./d＝13％～14％（d為氣缸直徑）；對于鋼活塞環(huán)一般為S./d＝7％～9％。
4.2.5徑向厚度
徑向厚度（用t表示）影響徑向壓力P。的大小，在b、E確定以后，影響彈力的因素有S。和t，即環(huán)的彈力可用S。和t來調(diào)整。
增加t值可減少環(huán)在環(huán)槽中的撞擊，并改善環(huán)的導(dǎo)熱作用，但t值增大，活塞環(huán)槽的槽深加大，是活塞頭部的壁厚增大，質(zhì)量加大，并增加了安裝難度。
4.2.6開口間隙
活塞環(huán)進(jìn)氣缸以后，在冷態(tài)下應(yīng)留有一定的開口間隙，以便在正常工作狀態(tài)下兩端頭互部相碰。環(huán)的溫度是變化的，故在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JID），德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN）和美國汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SAE）中，均規(guī)定在100°C的溫度下來測量活塞環(huán)的開口間隙，其規(guī)定值如下表所示。
有關(guān)活塞環(huán)的尺寸設(shè)計結(jié)構(gòu)： 表4.2
名稱
數(shù)值
單位
環(huán)的高度b
1.35
mm
自由端距S。
5.4
mm
徑向厚度t
1.3
mm
開口間隙
0.24
mm
活塞環(huán)的材料： 60Si2CrA，其硬度為HRc45－55
4.3 油環(huán)
四行程汽油機(jī)的潤滑油存放在曲軸箱中，通過飛漲潤滑氣缸壁。由于大量的潤滑油不均勻地飛到氣缸壁上，光靠氣環(huán)還不能式氣缸壁鋪上一層均勻的油膜，同時刮下氣缸壁上多余的機(jī)油，防止機(jī)油竄入燃燒室，所以四行程發(fā)動機(jī)至少設(shè)有一道油環(huán)。
油環(huán)安裝在氣環(huán)的下方，其作用是在氣缸壁上鋪涂一層均勻的機(jī)油膜，潤滑氣缸壁以減少活塞，活塞環(huán)與氣缸壁的磨損和摩擦力；刮除氣缸壁上多余的機(jī)油，防止機(jī)油竄入氣缸內(nèi)燃燒，形成積炭。此外，油環(huán)可以起封氣的輔助作用。
油環(huán)分普通油環(huán)和組合油環(huán)兩大類。
4.3.1普通油環(huán)
普通油環(huán)的材料一般是合金鑄鐵。其外圓面的中間切有一道凹槽，把油環(huán)分為上唇和下唇，在凹槽的底部加工有若干鉻排油小孔或狹縫。普通油環(huán)根據(jù)上下唇的倒角分布和大小有五種型式（圖4.3.1.1）；異向外倒角環(huán)的上下唇的外側(cè)都有倒角，上唇的刮油能力較下唇強(qiáng)；同向上倒角環(huán)的上下唇
圖4.3.1.2活塞環(huán)的刮油作用
a）活塞下行 b）活塞上行
圖4.3.1.1普通油環(huán)的斷面形狀
a）外倒角環(huán) b）同向倒角環(huán)c）內(nèi)倒角 d）雙鼻式環(huán) e）單鼻式環(huán)
的上側(cè)都有倒角，上下唇的刮油能力都較強(qiáng)；異向內(nèi)倒角環(huán)的上唇的下側(cè)給上唇的上側(cè)都有倒角，上唇的刮油能力較差；雙鼻式環(huán)的上下唇的下側(cè)都制有刮油槽，上下唇都有很強(qiáng)的刮油
能力；單鼻式環(huán)下唇的下側(cè)制有
刮油槽，下唇有很強(qiáng)的刮油能力。
油環(huán)的上唇上端面外緣一般都有倒角，使油環(huán)在向上運(yùn)動時能形成油楔，以減少摩擦和磨損。下唇的下端面除異向外倒角之外一般部倒角，或倒有很少的倒角，這樣可以增將向下刮油的能力。
油環(huán)的刮油作用如圖4.3.1.2所示?；钊蛏舷蛳逻\(yùn)動時都可以鋪油和刮下多余的機(jī)油，刮下的油從排油小孔或狹縫中流入曲軸箱。
4.3.2 組合式油環(huán)
圖4.3.2 組合環(huán)
1－刮油環(huán)2－軸向襯環(huán)3－徑向襯環(huán)
組合式油環(huán)如圖4.3.2所示，由三個刮油鋼片，一個徑向襯環(huán)及一個軸向襯環(huán)組成。軸向襯環(huán)2夾在第二、三刮油片之間。徑向襯環(huán)3將三個刮油片緊壓在氣缸壁上。這種油環(huán)的有點(diǎn)是：刮油片很薄，對氣缸壁的比壓大，因而刮油作用強(qiáng)；三個刮油片各自軸立，故對氣缸的適應(yīng)性較好，易于磨合；質(zhì)量小，因而產(chǎn)生的慣性力?。换赜屯反?，更易于刮油和鋪油。因此組合油環(huán)在高速發(fā)動機(jī)上應(yīng)用較廣。缺點(diǎn)是零件多，三個
刮油片又必須鍍鉻，否則滑動性不好，因此組合環(huán)的制造成本高。
4.4 活塞銷
活塞銷的作用是連接活塞與連桿小頭，將活塞承受的氣壓了傳給連桿?；钊N在高溫下承受很大的周期性的沖擊載荷，潤滑條件又較差，因而要求活塞銷有足夠的剛度合強(qiáng)度，表面耐磨，質(zhì)量小。
活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼（如20Cr）制造，經(jīng)表面參碳淬火處理，以提高表面硬度，使中心具有一定的沖擊韌性。表面需進(jìn)行精磨和拋光。
活塞銷是一個空心的圓柱體，其內(nèi)孔形狀有圓柱形、兩端截錐形以及兩端截錐與中間一段圓柱形的組合形等。圓柱形孔容易加工，但為了保證一定的剛度，中間的孔不能過大，因而其質(zhì)量較大。兩端錐孔形的活塞銷的質(zhì)量較小，有接近等強(qiáng)度梁的要求（活塞銷所承受的彎矩在中部最大），但孔的加工校復(fù)雜。組合式結(jié)構(gòu)則介于二者之間。
活塞銷與活塞銷座的配合為滑動配合，以便發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中活塞銷可以在活塞銷座孔中緩緩轉(zhuǎn)動，以使活塞銷各部分的磨損比較均勻，但間隙也不能過大，一般為0.01~0.02mm?；钊N裝入銷座孔中后兩端用卡環(huán)限位?；钊N與連桿小頭的連接，采用滾針軸承和軸套。
4.4.1活塞銷的剛度
活塞與活塞銷在受到氣壓力之后都會變形，由于兩者變形的不協(xié)調(diào)，使銷與活塞銷座的接觸很不均勻，銷孔內(nèi)繃上緣出現(xiàn)尖峰負(fù)荷Pmax和相應(yīng)的應(yīng)力集中，如圖4.4.1.1所示。如果活塞銷的剛度不好，銷座又較硬實，往往會在A處產(chǎn)生斷裂。 在計算活塞銷的剛度時，為簡化計算，可作如下假定：
1?；钊N上的負(fù)荷分布是：由連桿小頭產(chǎn)生的均勻負(fù)荷；由活塞銷座產(chǎn)生的作用在支承面中點(diǎn)的集中載荷，如圖4.4.1.2所示。
2．B1＝0．5L。 圖4.4.1.1 活塞與活塞銷的變形
3. 活塞銷長度 L= =；即活塞的縱向斷面正好填滿活塞外圓。 則活塞銷的彎曲變形量可用下式表示：
mm
式中：D一氣缸直徑； d1一活塞銷直徑； L一活塞銷長度；
Pz一氣缸內(nèi)最大壓力； δ一活塞銷壁厚。
圖4.4.1.2活塞銷的受力模型
一般情況下活塞銷作的剛度大，對銷的撓曲性變差，變形量應(yīng)取小一些。一般汽油機(jī) f≤0.0004。
設(shè)計參數(shù)：長度L=59cm
直徑d=15cm
活塞銷壁厚δ=2cm
見附圖二
5 連桿、曲軸組
5.1 連桿
連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，從而推動曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，其兩端給安裝一個軸承，分別連接活塞銷于曲軸銷。
連桿一般用中碳鋼或中碳合金鋼，還可以采用低碳合金鋼（如20Cr、20MnB、20CrMo）模鍛成形，然后進(jìn)行機(jī)械加工。中碳鋼制造的連桿一般要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；低碳合金鋼制成的連桿大小頭內(nèi)孔要進(jìn)行滲碳淬火等表面處理，淬火硬度為HRc60～65。
連桿于活塞連接的部分稱為連桿小頭，與曲軸銷連接的部分稱為連桿大頭，中間的部分稱為桿身。
為了潤滑活塞銷和軸承，自阿連桿小頭鉆有集油孔或銑有油槽，用以收集發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時被激漲起來的機(jī)油，以便潤滑。
連桿桿身通常做成“工”字形斷面，以保證在合適的剛度和強(qiáng)度下有最小的質(zhì)量。
連桿大頭有剖分式和整體式兩種。整體式連桿倒頭相應(yīng)的曲軸采用組合式曲軸，用軸承與曲柄銷相連。連桿大頭的內(nèi)孔表面有很高的關(guān)潔度，以便與連桿軸瓦（或滾針軸承）緊密結(jié)合。
摩托車單缸汽油機(jī)一般采用整體式連桿，大、小頭內(nèi)分別裝有滾柱或滾針軸承。
5.1.1 連桿承受的載荷
連桿承受的載荷主要視氣壓力和往復(fù)慣性力產(chǎn)生的交變載荷。其基本載荷是壓縮或拉伸。對于四行程發(fā)動機(jī)，最大拉伸載荷出現(xiàn)在進(jìn)氣行程開始的上止點(diǎn)附近，其數(shù)值主要是活塞組和連桿計算斷面以上那部分連桿質(zhì)量的往復(fù)慣性力，即
式中： ——分別為活塞組和連桿計算斷面以上那部分的質(zhì)量。
最大壓縮載荷出現(xiàn)在膨脹行程開始的上止點(diǎn)附近，其數(shù)值是最大爆發(fā)壓力產(chǎn)生的推力減上述的慣性力，即 ,取
式中：——最大爆發(fā)壓力產(chǎn)生的推力。
5.1.2 連桿小頭的安全系數(shù)
小頭的安全系數(shù)按下式計算：
(5.1.2-1)
式中：——材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限；
——應(yīng)力副；
——平均應(yīng)力；
——考慮表面加工情況的工藝系數(shù)；；
——角系數(shù)，
——材料在對稱循環(huán)下的彎曲疲勞極限；
——材料在脈沖循環(huán)下的彎曲疲勞極限，對于鋼
小頭應(yīng)力按不對稱循環(huán)變化，在固定角截面的外表面處應(yīng)力變化較大，通常只計算該處的安全系數(shù)，此時
循環(huán)最大應(yīng)力 (5.1.2-2)
循環(huán)最小應(yīng)力 (5.1.2-3)
式中：——襯套過盈配合和受熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力；
——慣性力拉伸引起的應(yīng)力；
——受壓是產(chǎn)生的應(yīng)力。
應(yīng)力副 (5.1.2-4)
平均應(yīng)力 (5.1.2-5)
小頭安全系數(shù)的許用值部小于1.5。
參數(shù)設(shè)計：
連桿材料采用45號鋼，它的有關(guān)疲勞極限如下：
屈服極限＝686.5Mpa 強(qiáng)度極限＝833.6MPa
在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限:
MPa
在對稱循環(huán)下的彎曲疲勞極限: =450.3MPa
在脈沖循環(huán)下的彎曲疲勞極限: ＝1.5×450.3=725.5MPa
角系數(shù): ＝（2×450.3-725.5）/725.5=0.241
工藝系數(shù) =0.5;應(yīng)力副 ＝75.44Mpa;平均應(yīng)力＝64.77MPa;
小頭的安全系數(shù)按下式計算：
由式5.1.2-1得: n=2.1>1.5
符合要求；
5.1.3 連桿大頭的強(qiáng)度驗算
它是把整個連桿看成是兩端固定的圓環(huán)，固定端的位置用圖中的角度表示（通常＝40°）。連桿的曲率半徑取兩個連桿螺栓中心矩的一半，對于整體式連桿則取連桿大頭內(nèi)外圓半徑之和的一半。環(huán)的截面積取D－D截面的面積，同時假定作用在連桿大頭上的力按余弦分布。
連桿大頭受到的慣性拉伸載荷為
(5.1.3-1)
式中：G’、G、G2、G3——分別為活塞組、連桿組往復(fù)慣性部分、連桿組旋轉(zhuǎn)部分和連桿大頭下半部分的質(zhì)量；
R——曲柄半徑； ——連桿比。
連桿大頭中央截面D－D上的應(yīng)力為
(5.1.3-2)
式中：——計算圓環(huán)的曲率半徑；
——連桿大頭及中央截面積；
——大頭及軸承中央截面積；
——計算斷面的抗彎斷面模數(shù)
參數(shù)計算： 連桿大頭受到的慣性拉伸載荷為
(5.1.3-3)
有式5.1.3-3得：=2.95KPa
連桿大頭中央截面D－D上的應(yīng)力為
=20.97MPa < 675MPa