本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題名稱:活塞式空氣動(dòng)力引擎學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師起止日期畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文是在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進(jìn)行的工作及取得的成果。除文中已經(jīng)注明的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名：日期：—I—活塞式空氣動(dòng)力引擎摘要：本文針對(duì)傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)存在的慣性力不平衡、振動(dòng)噪音大及旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)低速動(dòng)力性差等問題，提出了一種結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的擺動(dòng)式活塞空氣動(dòng)力引擎設(shè)計(jì)方案。通過理論分析，詳細(xì)闡述了該引擎的二沖程工作原理、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特性及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用參數(shù)化方法計(jì)算了掃氣容積（33.17cm3）、壓縮比（優(yōu)化后為9.3:1）、傳動(dòng)角（41.6°）等關(guān)鍵參數(shù)，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和強(qiáng)度安全性。設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性地采用活塞與環(huán)形氣缸的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了每轉(zhuǎn)做功，理論升功率達(dá)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5-1.6倍。此外，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及密封方案進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，提出復(fù)合潤(rùn)滑與主軸水道循環(huán)冷卻方案。分析表明，該引擎具備結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，但換氣效率與熱負(fù)荷問題仍需進(jìn)一步優(yōu)化。本研究為新型氣動(dòng)引擎的開發(fā)提供了理論參考與實(shí)踐依據(jù)。關(guān)鍵詞：活塞式空氣動(dòng)力引擎；擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；壓縮比PistonaerodynamicengineAbstract:Thispaperproposesaswing-typepistonair-poweredenginedesignthatcombinestheadvantagesofreciprocatingandrotaryengines,aimingtoaddresstheinherentissuesofunbalancedinertiaforces,vibration,andnoiseintraditionalreciprocatingengines,aswellasthepoorlow-speedperformanceofrotaryengines.Throughtheoreticalanalysis,thetwo-strokeworkingprinciple,transmissioncharacteristicsofthecrank-rockermechanism,andkeystructuraldesignsareelaborated.Parametriccalculationsareconductedforcriticalparameterssuchasscavengingvolume(33.17cm3),compressionratio(optimizedto9.3:1),andtransmissionangle(41.6°),validatingthemotionstabilityandstructuralstrength.Theinnovativedesignincorporatesasector-shapedpistonandannularcylindertoachievepoweroutputperrevolution,withatheoreticalspecificpower1.5–1.6timesthatoffour-strokeengines.Additionally,ahybridlubricationsystemandaspindlewaterwaycoolingschemeareproposed.Analysisshowsthattheengineexhibitsadvantagesincompactnessandsmoothoperation,thoughchallengesinscavengingefficiencyandthermalloadrequirefurtheroptimization.Thisstudyprovidestheoreticalandpracticalinsightsfordevelopingnovelpneumaticengines.KeyWord:Pistonair-poweredengine,Swingengine,Two-strokeengine,Crank-rockermechanism,Structuraldesign,Compressionratio

目錄1動(dòng)力引擎 11.1活塞式空氣動(dòng)力引擎的概述 11.2選題的背景 12往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)基本工作原理 32.1二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及換氣過程 32.1.1工作原理 32.1.2二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程 32.2四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 43活塞式空氣動(dòng)力引擎工作原理 63.1工作原理 63.2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)分析 94活塞式空氣動(dòng)力引擎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 114.1傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)介紹 114.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 114.2.1氣缸的設(shè)計(jì) 124.2.2活塞連桿組的設(shè)計(jì) 124.2.4曲軸的設(shè)計(jì) 184.3主軸的設(shè)計(jì) 194.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)排量與功率計(jì)算 204.3.2工作室與壓縮比計(jì)算 224.3.3曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算 234.3.4連桿的強(qiáng)度校核計(jì)算 254.3.5曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 274.3.6軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 294.3.7密封環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算 304.3.8冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 324.3.9四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角分析 324.4氣缸端蓋及軸承蓋的設(shè)計(jì) 354.4.1氣缸端蓋 354.4.2軸承端蓋 364.5裝配草圖 365潤(rùn)滑系統(tǒng) 395.1潤(rùn)滑的作用與設(shè)計(jì)要求 395.2幾種常見的潤(rùn)滑方式 395.3潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 406冷卻系統(tǒng) 426.1傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)水冷卻系統(tǒng)的組成 426.2冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 436總結(jié) 45致謝 46參考文獻(xiàn) 47活塞式空氣動(dòng)力引擎活塞式空氣動(dòng)力引擎1緒論1.1選題背景與研究意義往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)歷經(jīng)百年發(fā)展，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)雖已成熟，卻始終面臨固有結(jié)構(gòu)缺陷的制約。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過5000rpm時(shí)，慣性力導(dǎo)致的軸承負(fù)荷將呈二次方增長(zhǎng)，振動(dòng)加速度可達(dá)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的3倍以上。這一特性嚴(yán)重制約了發(fā)動(dòng)機(jī)向高功率密度方向發(fā)展，而活塞平均速度受限于金屬材料（一般不超過25m/s）更成為技術(shù)瓶頸。與之形成對(duì)比的是，汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其獨(dú)特的三角轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在相同排量下功率密度可提升30%，振動(dòng)水平降低60%，這一特性使其在航空輔助動(dòng)力裝置領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。值得注意的是，2015年馬自達(dá)發(fā)布的Skyactiv-R轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)通過分層燃燒技術(shù)將熱效率提升至38%，已接近傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)水平。而國(guó)內(nèi)清華大學(xué)新型陶瓷復(fù)合材料轉(zhuǎn)子的研究（2018）將轉(zhuǎn)子尖端密封件壽命延長(zhǎng)至2000小時(shí)，標(biāo)志著轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取得突破性進(jìn)展。在此背景下，晉江某企業(yè)研發(fā)的擺動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)通過創(chuàng)新性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙融合往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)，其樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示振動(dòng)水平較同排量往復(fù)機(jī)降低45%，具有顯著的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。本研究基于該樣機(jī)的技術(shù)突破，針對(duì)其存在的密封失效和熱負(fù)荷不均等問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。1.2活塞式空氣動(dòng)力引擎技術(shù)演進(jìn)活塞式空氣動(dòng)力引擎是一種通過活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將空氣能（壓縮空氣的能量）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，屬于氣動(dòng)執(zhí)行元件?；钊娇諝鈩?dòng)力引擎常用于對(duì)安全性、清潔性要求高但功率需求不大的場(chǎng)景，是氣動(dòng)系統(tǒng)中的典型動(dòng)力元件，本文設(shè)計(jì)的活塞式空氣動(dòng)力引擎動(dòng)力源是空氣（壓縮空氣動(dòng)力）?；钊娇諝鈩?dòng)力引擎作為清潔動(dòng)力裝置，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了三個(gè)重要階段：第一代等溫膨脹系統(tǒng)（1990-2005）效率僅15%-20%；第二代分級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)（2006-2015）實(shí)現(xiàn)效率突破至35%；當(dāng)前第三代混合蓄熱式設(shè)計(jì)（2016至今）通過相變材料應(yīng)用，理論效率可達(dá)45%。法國(guó)PSA集團(tuán)開發(fā)的HybridAir系統(tǒng)（2013）已實(shí)現(xiàn)80km純氣動(dòng)續(xù)航，而印度TataAirPod（2016）更將壓縮空氣動(dòng)力成功應(yīng)用于微型乘用車。從技術(shù)分類角度，現(xiàn)代氣動(dòng)引擎主要呈現(xiàn)兩大發(fā)展趨勢(shì)：其一是以Bosch為代表的直線電機(jī)復(fù)合式設(shè)計(jì)，通過電磁輔助提升低速扭矩；其二如美國(guó)LiquidPiston公司開發(fā)的X-Engine（2020），采用擺線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，功率密度達(dá)到3kW/kg，較傳統(tǒng)氣動(dòng)馬達(dá)提升200%。本研究提出的擺動(dòng)活塞式設(shè)計(jì)，通過曲柄-擺桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新布局，在保持90dB(A)以下噪聲水平的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)0.35MPa級(jí)低壓高效作功，這對(duì)分布式能源系統(tǒng)和特種車輛動(dòng)力革新具有戰(zhàn)略意義?，F(xiàn)代汽車用的活塞式空氣動(dòng)力引擎絕大多數(shù)為往復(fù)活塞式活塞式引擎。本文主要介紹的便是在此上進(jìn)行改造，而得出的活塞式空氣動(dòng)力引擎。二，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為本的研究提供了重要理論支撐。1.3二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及換氣過程汽油機(jī)是將汽油和空氣混合成可燃混合氣，然后進(jìn)入氣缸用電火花點(diǎn)燃。首先，我們以曲柄軸箱掃氣二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為例說明一下二沖程汽油機(jī)的工作過程。二沖程汽油機(jī)的工作沖程如下：1.3.1工作原理（1）第一沖程活塞自下止點(diǎn)向上移動(dòng)，三個(gè)氣孔被關(guān)閉后，在活塞上方，已進(jìn)入氣缸的可燃混合氣體被壓縮；而活塞下方的曲柄軸箱內(nèi)因容積增大，形成一定的真空度，在進(jìn)氣孔露出時(shí)，可燃混合氣體自化油器經(jīng)進(jìn)氣孔流入曲柄軸箱內(nèi)。（2）第二沖程活塞壓縮到上止點(diǎn)附近時(shí)，火花塞點(diǎn)燃混合氣體，高溫高壓的燃?xì)馀蛎?，推?dòng)活塞下移做功?；钊乱谱龉r(shí)進(jìn)氣孔關(guān)閉，密閉在曲軸箱內(nèi)的可燃混合氣體沖入氣功，驅(qū)除廢氣，進(jìn)行換氣過程。此過程一直進(jìn)行到下一沖程活塞上移，三個(gè)氣孔完全關(guān)閉為止。總之，活塞上行時(shí)進(jìn)行換氣、壓縮、曲柄軸箱進(jìn)氣；活塞下行時(shí)進(jìn)行做功、壓縮曲柄軸箱混合氣體、換氣。1.3.2換氣過程二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于省去單獨(dú)的進(jìn)排氣沖程，必須在下死點(diǎn)前后很短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行進(jìn)排氣，進(jìn)排氣的時(shí)間差不多只有四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的三分之一，因此，必須用有壓力的新氣清除氣缸內(nèi)的廢氣，稱為掃氣作用。如果在此期間，有可能把廢氣完全驅(qū)除，而用新鮮氣充滿氣缸，則與同樣大小同樣轉(zhuǎn)速的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可使功率增大50%-70%。但如掃氣作用進(jìn)行得不好，在氣缸中殘留下很多廢氣，與新氣混合，而且新氣中相當(dāng)一部分進(jìn)入氣缸后并沒有留在缸內(nèi)，而在掃氣期間短路經(jīng)過排氣口流出缸外的話，則由于氣缸內(nèi)空氣不足（加上為了壓縮新氣要消耗一定能量），功率就要受到影響。如果是汽化器式發(fā)動(dòng)機(jī)，新氣中含有燃料，短路溜走的燃料又會(huì)造成浪費(fèi)。這樣會(huì)使燃料消耗率增高很多，而且排氣污染更嚴(yán)重[3]。由此可見，對(duì)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，掃氣作用對(duì)性能影響特別大。如果掃氣不良，壓縮空氣中廢氣率高，實(shí)際的混合氣體濃度將很稀，經(jīng)常由于缺火使工作不穩(wěn)定，有時(shí)也會(huì)因?yàn)閴嚎s過量，溫度過高而發(fā)生爆燃。小負(fù)荷由于進(jìn)氣節(jié)流，缺火會(huì)特別嚴(yán)重，甚至變成兩轉(zhuǎn)爆發(fā)一次，像四沖程那樣。由于二沖程的汽化器式發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性較差，如果能采用汽油直接噴射即可大大改善指標(biāo)（燃料消耗可下降1/4左右）。二沖程原理應(yīng)用于柴油機(jī)，效果顯著。排氣口一經(jīng)開啟，膨脹過程就告結(jié)束，因此排氣口應(yīng)盡可能晚開啟，但是它應(yīng)保證掃氣孔緊跟著它開啟時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力能降低到足夠低，以避免廢氣倒流，同時(shí)還保證掃氣過程又足夠的時(shí)間，所以排氣口不能開的太晚。由于氣口的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際壓縮比低于幾何壓縮比。實(shí)際壓縮比應(yīng)該為幾何壓縮比減去一個(gè)排氣口相對(duì)高度σ，而對(duì)于擺動(dòng)活塞則應(yīng)該減去一個(gè)排氣口的相對(duì)角度。掃氣口的開啟時(shí)間也應(yīng)該從類似的考慮確定。應(yīng)該注意的是，換氣過程中氣體的流量不僅是活塞的位置的函數(shù)，而且是時(shí)間的函數(shù)，故發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，氣口相對(duì)高度或擺動(dòng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣相對(duì)角度就要越大。至于掃氣口和排氣口的關(guān)閉時(shí)間，如果掃氣孔比排氣孔先關(guān)，新氣可能逃逸，過后充填也就不可能了。所以最好是不對(duì)稱換氣，即排氣口先開先關(guān)，掃氣口后開后關(guān)[4]。1.4四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理四沖程汽油機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)均經(jīng)過如下四個(gè)沖程：（1）進(jìn)氣沖程在這個(gè)沖程中，進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，氣缸與化油器相通，活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)，活塞上方容積增大，氣缸內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度?？扇蓟旌蠚怏w被吸入氣缸內(nèi)?；钊兄料轮裹c(diǎn)時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)過半周，進(jìn)氣門關(guān)閉，進(jìn)氣沖程結(jié)束。（2）壓縮沖程進(jìn)氣沖程結(jié)束后，進(jìn)氣門、排氣門同時(shí)關(guān)閉。曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)，活塞上方的容積減少，進(jìn)入到氣缸內(nèi)的可燃混合氣體被壓縮，使其溫度、壓力升高?；钊缴现裹c(diǎn)時(shí)，壓縮沖程結(jié)束。（3）做功沖程當(dāng)壓縮沖程臨近終了時(shí)，火花塞發(fā)出電火花，點(diǎn)燃可燃混合氣體。由于混合氣體迅速燃燒膨脹，在極短的時(shí)間內(nèi)壓力可達(dá)到3-5MPa，最高溫度約為2200-2800K。高溫、高壓的燃?xì)馔苿?dòng)活塞迅速下行，并通過連桿使曲柄旋轉(zhuǎn)而對(duì)外做功。在做功沖程中，活塞自上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)，曲軸轉(zhuǎn)至一周半。隨活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞上方容積增大，燃?xì)鉁囟?、壓力逐漸降低。（4）排氣沖程混合氣體燃燒后成了廢氣，為了便于下一個(gè)工作循環(huán)，這些廢氣應(yīng)及時(shí)排出氣缸，所以在做功沖程終了時(shí)，排氣門開啟，活塞向上移動(dòng)，廢氣便排到氣缸外[5]。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣門關(guān)閉、曲軸轉(zhuǎn)至兩周，完成一個(gè)工作循環(huán)。由此可見，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)過程，完成一個(gè)工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點(diǎn)間往復(fù)移動(dòng)了四個(gè)沖程，相應(yīng)的曲軸旋轉(zhuǎn)了兩周。由上面的分析我們可以看出二沖程與四沖程汽油機(jī)不同，即二沖程汽油機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周就有一個(gè)做功沖程，因此，理論上相同排量的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)該等于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的二倍。和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于做功頻率較快，因而運(yùn)轉(zhuǎn)比較均勻平穩(wěn)。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程中新鮮氣體損失較多，廢氣排放也不徹底，而且氣孔占據(jù)了一部分活塞沖程，做功時(shí)能量損失較大，經(jīng)濟(jì)性較差。本文主要是根據(jù)二沖程汽油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。1.5本文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)研究?jī)?nèi)容：進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，涵蓋傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)組成結(jié)構(gòu)介紹，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)各部件（如氣缸、活塞連桿組、曲軸等）、主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排量、功率、工作室容積、壓縮比等參數(shù)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。創(chuàng)新點(diǎn)：采用活塞與環(huán)形氣缸的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)做功，理論功率上升達(dá)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5-1.6倍，且構(gòu)造簡(jiǎn)單、重量輕、制造維修方便。設(shè)計(jì)中使極位夾角為零度，消除急回特性，減少活塞擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)慣性力，提高傳動(dòng)穩(wěn)定性。

2活塞式空氣動(dòng)力引擎系統(tǒng)分析2.1工作原理下面我們就用圖解法來說明一下這個(gè)二沖程擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。如圖2.1所示，我們可以看出活塞在氣缸內(nèi)大致裝配位置。當(dāng)活塞逆時(shí)針擺動(dòng)至死點(diǎn)時(shí)，空氣已經(jīng)被壓縮在左工作室內(nèi)。壓縮氣體產(chǎn)生作用力，推動(dòng)活塞向右擺動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作。此時(shí)左儲(chǔ)氣室開始進(jìn)氣。右工作室進(jìn)氣已經(jīng)完畢，右氣門關(guān)閉。圖2.1氣缸內(nèi)活塞示意圖圖2.2為活塞運(yùn)轉(zhuǎn)過一定角度之后，右工作室工作沖程?；钊槙r(shí)針擺動(dòng)，左氣門進(jìn)氣，左儲(chǔ)氣室增壓。右工作室封閉，右工作室氣體被壓縮。圖2.2氣缸內(nèi)活塞示意圖圖2.3為活塞繼續(xù)順時(shí)針擺動(dòng)，左工作室開始排氣，左氣門保持開啟，左儲(chǔ)氣室與左工作室相貫通，左工作室開始進(jìn)氣。右工作室則繼續(xù)壓縮。圖2.3圖2.4為活塞繼續(xù)順時(shí)針擺動(dòng)至死點(diǎn)，左氣門還是保持開啟，而左工作室與左儲(chǔ)氣室持續(xù)貫通，左工作室充氣工作此時(shí)已經(jīng)完成。右工作室空氣提供能量，右儲(chǔ)氣室進(jìn)氣開始。圖2.4氣缸內(nèi)活塞示意圖圖2.5為右工作室工作沖程，活塞逆時(shí)針擺動(dòng)，右氣門保持開啟，右儲(chǔ)氣室持續(xù)進(jìn)氣，且開始增壓。左工作室開始?jí)嚎s，左氣門關(guān)閉。圖2.5氣缸內(nèi)活塞示意圖圖2.6為活塞繼續(xù)逆時(shí)針擺動(dòng)，右工作室已經(jīng)開始排氣，右儲(chǔ)氣室與工作室已經(jīng)貫通，壓縮氣體進(jìn)入右工作室，右氣門保持開啟。左工作室繼續(xù)壓縮，左氣門保持關(guān)閉。此時(shí)工作沖程接近完畢，最后擺動(dòng)至左死點(diǎn)，即圖2.1所示位置，而后按圖2.1說明完成一次往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。圖2.6氣缸內(nèi)活塞示意圖從以上原理圖我們可以看出二沖程擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：每轉(zhuǎn)做功，因此升功率較大（約為四沖程汽油機(jī)的1.5--1.6倍），運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)；而且構(gòu)造較簡(jiǎn)單，重量也較輕，制造和維修都比較方便。但是我們也看到了，不論將排氣口開得多大，都不能將廢氣從氣缸內(nèi)排除得比較干凈，而且換氣時(shí)要損失一部分做功沖程，再加上有部分供能空氣在掃氣時(shí)隨同廢氣流失，所以動(dòng)力性較差。此外，因做功頻率較大，所以熱負(fù)荷較高[6]。2.2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)分析擺動(dòng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)是依靠一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，通過空氣在工作室中壓縮，推動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)一定范圍角度內(nèi)作往復(fù)的擺動(dòng)，通過一個(gè)與活塞相連的連桿把活塞的擺動(dòng)傳動(dòng)到輸出軸上的曲柄，從而使曲柄帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換（如圖2.7）。活塞在來回?cái)[動(dòng)一個(gè)過程中，帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周。圖2.7曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖（1）極位夾角曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿處在兩個(gè)極位時(shí)，曲柄所在兩個(gè)位置之間的夾角稱為極位夾角。當(dāng)曲柄以等角速度ω1順時(shí)針轉(zhuǎn)過ａ1=180+θ時(shí)，搖桿將由位置C1D擺到C2D，其擺角為φ，設(shè)所需要時(shí)間為t1，C點(diǎn)的平均速度為v1；當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)過α2=180—θ時(shí)，搖桿又從位置C2D回到C1D，擺角仍然是φ，設(shè)所需要時(shí)間為t2，C點(diǎn)的平均速度為V2。由于曲柄為等速轉(zhuǎn)動(dòng)，而α1>α2，所以有t1>t2,v2>v1。搖桿的這種運(yùn)動(dòng)性質(zhì)成為急回特性（如圖2.8）。圖2.8極位夾角示意圖可見極位夾角θ越大，急回特性便越顯著。由于這種急回特性會(huì)導(dǎo)致活塞擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)慣性力的增大，降低傳動(dòng)的穩(wěn)定性，所以發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地減小極位夾角θ。存在一種特例，使θ為零，從而消除急回特性，即曲柄回轉(zhuǎn)中心在搖桿兩極位時(shí)C1，C2的延長(zhǎng)線上。在設(shè)計(jì)總體機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)該盡量考慮采用無急回特性的機(jī)構(gòu)（如圖2.1所示），如果受到總體方案的限制，也應(yīng)該采用小的極位夾角，并且使急回沖程做功的運(yùn)動(dòng)，而更有利于傳遞動(dòng)力。本設(shè)計(jì)所采用的θ角即為零度。這也就較好地解決了一部分慣性力問題。（2）傳動(dòng)角四桿機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)件AB經(jīng)連桿傳遞到從動(dòng)件CD上C點(diǎn)的力F的方向與C點(diǎn)速度方向之間的銳角稱為此位置的壓力角，而連桿BC與從動(dòng)件CD之間所夾的銳角為機(jī)構(gòu)在此位置的傳動(dòng)角。傳動(dòng)角越大，對(duì)機(jī)構(gòu)的傳力則越有利。一般要保證最小傳動(dòng)角≥40~50度，這樣才能使機(jī)構(gòu)有良好傳動(dòng)性。對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小傳動(dòng)角在主動(dòng)件曲柄與機(jī)架共線的兩位置之一。傳動(dòng)角與各桿的長(zhǎng)度有關(guān)。

3活塞式空氣動(dòng)力引擎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是活塞式空氣動(dòng)力引擎借以實(shí)現(xiàn)將壓縮空氣所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的最主要的機(jī)構(gòu)，它的零件可分為固定件與運(yùn)動(dòng)件兩類。固定件包括氣缸端蓋、氣缸墊、氣缸體等。運(yùn)動(dòng)件包括活塞連桿組和曲軸飛輪組?；钊B桿組由活塞、密封環(huán)、活塞銷、連桿等零件組成；曲軸飛輪組由曲軸、飛輪及裝在曲軸上的其他零件組成[8]。下面我們就發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)：3.1.1氣缸的設(shè)計(jì)氣缸是活塞式空氣動(dòng)力引擎中重要部位，氣缸中裝有活塞，活塞在氣缸中高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣缸端面是用氣缸端蓋封閉的，中間再用密封圈加以密封[9]。為了保持結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易性，我們沒有在氣缸體壁留出水道以冷卻，而只是在氣缸端蓋上做出水道冷卻。主軸承安裝在氣缸端蓋上。為了保證主要機(jī)構(gòu)工作可靠，氣缸和軸承的尺寸和相對(duì)位置都加工得比較精確。參考樣機(jī)的設(shè)計(jì)，我們暫時(shí)將氣缸的內(nèi)徑設(shè)為65mm，考慮到總體的功率問題，這里我們將活塞的厚度定為60mm。為了減少氣缸與活塞之間的摩擦損失，氣缸外壁尺寸和形狀要求比較精確，表面粗糙度要高。如果按2-3級(jí)精度的尺寸公差來加工氣缸必然會(huì)增加加工困難，并且提高零件的加工成本。因此，一般將尺寸公差加大，按4-5級(jí)精度來加工，然后按2-3級(jí)精度的尺寸公差來選配，這樣加工就比較容易，而且成本也降低了。為了提高氣缸的耐磨性，可選用含有少量合金元素鎳（Ni）的優(yōu)質(zhì)鑄鐵，這種材料機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性好，但成本相對(duì)會(huì)高一些。我們知道氣缸是個(gè)類似于環(huán)形的缸體，怎么才能保證活塞在一定的角度內(nèi)擺動(dòng)呢？為此我們可在氣缸壁上再加上兩塊楔形塊，氣缸中的楔形塊與活塞側(cè)面所包圍的空間，就是擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作室。兩楔形塊形成一定的角度，即為活塞的活動(dòng)空間。楔形塊與組合后的氣缸形狀如下圖所示。楔形塊的左右端面都是加工成弧形，再用螺栓將其與氣缸壁鎖緊，當(dāng)然這也就要求楔形塊的加工精度相對(duì)較高。配合前應(yīng)先畫線以確保配合的精度。保證活塞的活動(dòng)空間的準(zhǔn)確性。3.2.2活塞連桿組的設(shè)計(jì)（1）活塞的設(shè)計(jì)考慮到力如果從主軸輸出的話，主軸的尺寸就會(huì)顯得比較大，整個(gè)結(jié)構(gòu)都會(huì)因此而顯得比較龐大，為此我們將搖桿定在活塞上，即將活塞銷置于活塞上的小孔內(nèi)（活塞銷孔）。因此活塞一方面隨著氣體的壓力，一方面又要將力通過活塞銷傳給連桿。圖4.1活塞的示意圖參考樣機(jī)的設(shè)計(jì)以及考慮活塞的強(qiáng)度要求，我們先將活塞的角度定為600左右，其寬度與氣缸寬度一致均為60mm?；钊路降闹卑鍨閽邭獍?，其作用就是將空氣充分地掃進(jìn)工作室內(nèi)。而為了便于實(shí)現(xiàn)活塞與活動(dòng)缸壁的密封，我們將活塞與活動(dòng)缸壁做成一體，因此我們從上圖中便可看出，活塞后加一突出的圓盤即為活動(dòng)缸壁。由于還要在活動(dòng)缸壁上加工出環(huán)槽用以密封，因此，缸壁的半徑取100mm，厚度取20mm，缸壁的半徑?jīng)Q定了氣缸臺(tái)階的半徑也為100mm。掃氣板由于也要開密封槽，厚度也取20mm。而活塞內(nèi)徑則依主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，這在下面的設(shè)計(jì)中再做介紹。（2）搖桿長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)活塞上半部有一小孔即為活塞銷孔?；钊N孔中心到活塞中心的距離即為搖桿的長(zhǎng)度。由活塞的受力可知，活塞的側(cè)面受到力作用。其力的作用中心約位于活塞直徑的2/3處，即是65mm*2/3＝43.3mm考慮到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單和連桿與主軸的干涉，取大值，定為46mm。這樣在整個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長(zhǎng)度就出來了。（3）活塞材料的選擇活塞在氣缸中高速運(yùn)動(dòng)，活塞與氣缸壁之間摩擦嚴(yán)重。因此活塞最好用強(qiáng)度高、重量輕、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好的材料制造。鑄鐵活塞雖有強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，但重量大，導(dǎo)熱性差，所以在中小型高速活塞式空氣動(dòng)力引擎中很少采用。鋁合金活塞重量輕，導(dǎo)熱性好，用于中小型高速活塞式空氣動(dòng)力引擎可以滿足強(qiáng)度要求，因而應(yīng)用非常廣泛。但是，其主要缺點(diǎn)卻是熱膨脹系數(shù)大。（4）活塞與氣缸的間隙活塞在高速擺動(dòng)時(shí)，要求活塞與氣缸頂壁間有恒定的最佳間隙，以減小摩擦和磨損。如果間隙過小，由于鋁合金膨脹系數(shù)大，活塞式空氣動(dòng)力引擎工作時(shí)活塞會(huì)在氣缸中卡住。反之，間隙過大，活塞式空氣動(dòng)力引擎冷車時(shí)密封效果就會(huì)大打折扣[11]。為此我們參考了目前廣泛使用的最佳間隙量后，對(duì)活塞頂壁的尺寸公差及制造精度做出了確定。（5）活塞的密封既然氣缸與活塞之間留有間隙，若不加以密封，氣缸中的氣體會(huì)向排氣口漏氣，造成壓縮壓力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能變壞。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)诨钊敳垦b有密封環(huán)。而為了便于實(shí)現(xiàn)活塞與活動(dòng)缸壁的密封，我們將活塞與活動(dòng)缸壁做成一體，如上圖所看到的圓盤狀外形，這樣就省去了活塞與活動(dòng)缸壁的密封問題，而我們只要在“活動(dòng)缸壁”上開一些槽，用以密封活塞與氣缸即可。在此為了很好地密封，我們采用雙密封環(huán)進(jìn)行密封，這樣加上活塞頂壁的密封環(huán)密封，就可以將活塞與外界很好地隔開。（6）密封環(huán)的設(shè)計(jì)密封環(huán)按其功用不同分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)用來密封氣缸，并將活塞頂部的熱量傳給氣缸壁由冷卻水散走。油環(huán)是用來刮掉氣缸頂壁多余的機(jī)油，并使機(jī)油在氣缸壁上分布均勻，改善氣缸與活塞的潤(rùn)滑條件[12]。氣環(huán)切有開口，具有彈性，在自由狀態(tài)下的外徑大于氣缸直徑。將氣環(huán)裝入氣缸之后，在彈力作用下其外圓表面緊貼在氣缸頂壁上，活塞左右擺動(dòng)時(shí)密封環(huán)的上下端面緊壓在槽的相應(yīng)端面上，所以只有通過微小的開口間隙泄漏。氣缸內(nèi)的氣體穿過第一密封環(huán)后壓力降低到20%，穿過每二環(huán)后壓力降低到7.6%，穿過第三環(huán)后壓力就更小了，環(huán)后的背壓使密封環(huán)更加貼緊氣缸頂壁，氣缸內(nèi)氣體壓力越高，密封就越可靠。氣環(huán)能夠防止氣體從氣缸漏氣，但不能防止機(jī)油串入工作室。因?yàn)闅猸h(huán)在活塞槽中左右留有間隙，背后也有間隙，以防止它在受熱膨脹時(shí)卡死在槽中。但是，這些間隙的存在，又產(chǎn)生了新的矛盾氣環(huán)泵油現(xiàn)象。當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，在環(huán)與氣缸頂壁之間的摩擦力和環(huán)的慣性力作用下，使環(huán)壓緊在槽的右端面，而其左面則充滿機(jī)油。當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)壓向槽的右端，并把機(jī)油向左擠。如此反復(fù)，便將機(jī)油壓入工作室，這種現(xiàn)象稱為氣環(huán)的泵油作用。油環(huán)就是為了解決這個(gè)矛盾而設(shè)置的。油環(huán)外圓柱端面上車出一道槽，槽底加工出穿通的狹縫或許多小孔，當(dāng)油環(huán)隨活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，油環(huán)外圓如象刀口一樣，便將氣缸壁上多余的機(jī)油刮下，使之經(jīng)狹縫或小孔流向活塞銷。從上述密封環(huán)的工作原理中可以看出，它處在高壓、高速以及潤(rùn)滑極其困難的條件下工作，尤其是第一環(huán)的工作條件更為嚴(yán)重。密封環(huán)在使用中磨損嚴(yán)重，彈性也不易保持，結(jié)果會(huì)失去封氣和刮油作用。這種矛盾的存在，促使密封環(huán)的結(jié)構(gòu)不斷向前發(fā)展。因此，密封環(huán)的工作可靠性和使用耐久性，是我們觀察和了解密封環(huán)的結(jié)構(gòu)以及在使用中必須要注意的問題[13]。（7）密封環(huán)材料的選擇密封環(huán)一般用耐溫、耐磨的優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵或合金鑄鐵（含有鎳，鉻，鉬，鎢等合金元素）。工作條件最差的第一道環(huán)的工作表面，一般都進(jìn)行多孔性鍍鉻，多孔性鍍鉻層硬度高，并能貯存少量機(jī)油以改善潤(rùn)滑條件，使環(huán)的使用壽命提高2—3倍。其余環(huán)一般鍍錫以改善磨合性能。（8）活塞銷的設(shè)計(jì)活塞銷是圓柱形零件，用以連接活塞和連桿，并把活塞所承受的力傳給連桿，活塞銷中部穿過連桿小頭孔而兩端則支承在活塞銷座孔中，活塞式空氣動(dòng)力引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞銷在連桿小頭中和活塞銷座中都自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以這種連接方式，稱為“浮式”連接?；钊N的軸向移動(dòng)，用活塞銷擋圈來限位[14]。從活塞銷的功用中可以看出，它的強(qiáng)度和剛度要大，表面就耐磨，重量盡可能要輕，為此，通常采取以下兩點(diǎn)措施：①活塞銷用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，活塞銷表面經(jīng)熱處理提高硬度后進(jìn)行精磨加工，使形狀精確，表面光潔，以提高耐磨性。②活塞銷做成空心圓柱體，使重量輕，但強(qiáng)度和剛度下降不多。其中部比兩端厚，這是因?yàn)榛钊N中部負(fù)荷比兩端重的原因，但這樣內(nèi)孔加工比較麻煩。由于活塞的半徑一定程度上限制了活塞銷的外徑，再此我們?nèi)∑渲睆綖檎麛?shù)20mm，而考慮到上面所提到的加工問題，我們將內(nèi)孔做成直通孔，直徑為14mm。而其長(zhǎng)度則依據(jù)活塞的寬度取180mm。活塞銷在活塞銷座的裝配如圖4.2所示，圖4.2活塞銷在活塞銷座圖發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞銷與銷座之間應(yīng)有適當(dāng)間隙，一般為0.015-0.02mm[15]。若間隙過大會(huì)產(chǎn)生敲擊聲，加劇磨損。但是，由于鋁合金銷座孔的熱膨脹比活塞銷大，因此安裝活塞銷于銷座孔時(shí)，應(yīng)有一定的過盈，才能保證在高溫工作時(shí)有正常的間隙。安裝時(shí)先將活塞銷加熱至70-80度，然后若用手能把活塞銷輕輕推入，說明配合適當(dāng)。（9）連桿的設(shè)計(jì)連桿是用來連接活塞和曲軸，將活塞所受的力傳給曲軸，并把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。可見，連桿是受力運(yùn)動(dòng)零件，要求重量輕，強(qiáng)度和剛度大。因此連桿常用優(yōu)質(zhì)鋼或合金鋼材模鍛制造[16]。由于連桿為四桿機(jī)構(gòu)的一部件，因此其尺寸與四桿機(jī)構(gòu)的每一個(gè)部件的尺寸關(guān)系密切,我們先來求出四桿機(jī)構(gòu)的尺寸。下面我們來用做圖法確定四桿機(jī)構(gòu)尺寸：連桿為四桿機(jī)構(gòu)的一部件，因此其尺寸與四桿機(jī)構(gòu)的每一個(gè)部件的尺寸關(guān)系密切。由前面已確定的燃燒比及氣缸的工作容積，我們可作出四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖，如圖4.3所示，圖4.3連桿示意圖活塞的擺動(dòng)角度為770，搖桿的長(zhǎng)度為46mm，考慮到曲柄安放位置與氣缸外壁的干涉，我們將其中心拉遠(yuǎn)一點(diǎn)，這樣就要求搖桿的擺放位置進(jìn)行校核，其角度為630，這樣我們楔形塊的位置也就可以確定出來，具體角度在零件圖中均有標(biāo)出。我們的極位夾角取00，這樣延長(zhǎng)搖桿的連線使之與水平線相交就可確定出曲軸中心的位置。中心距隨之確定，為180mm?？紤]曲軸慣性力不應(yīng)太大及四桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)定理[17]，取曲柄長(zhǎng)為30mm。這樣連桿的長(zhǎng)度則為177mm。至此本設(shè)計(jì)中最為重要的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸已全部設(shè)計(jì)出來。連桿的構(gòu)造，由小頭、桿身、大頭三部分組成。如圖4.4所示，圖4.4連桿結(jié)構(gòu)圖連桿小頭用來安裝活塞銷，小頭孔內(nèi)壓有襯套，襯套一般用耐磨性好的錫青銅制造。近年來我國(guó)廣泛采用鐵基粉末冶金來制造襯套，其耐磨性好，制造成本也低。由于連桿置于氣缸外部，潤(rùn)滑效果將受到一定的影響。為了潤(rùn)滑活塞銷與襯套，在小頭和襯套中鉆孔，一定時(shí)間以后就朝孔內(nèi)壓力機(jī)油以潤(rùn)滑?；钊N與襯套之間留有適當(dāng)?shù)呐浜祥g隙，若間隙過小潤(rùn)滑困難，間隙過大會(huì)產(chǎn)生沖擊聲并加劇磨損。一般活塞銷涂上機(jī)油后，用大拇指的力能壓入襯套中，即為合適的間隙[18]。連桿桿身是連接小頭和大頭的部位。為了既減輕重量，又保證連桿有足夠的強(qiáng)度和剛度，一般桿身做成工字形斷面。連桿大頭與曲柄銷相連接，一般都做成可分的，被分開的部分（連桿蓋），用連桿螺栓與連桿大頭固緊。為了潤(rùn)滑連桿大頭，也在桿身處鉆有一個(gè)小孔，通過向里面擠壓機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑。（10）連桿大頭軸瓦的設(shè)計(jì)連桿大頭孔中裝有連桿軸瓦，它是1.5-2mm的鋼帶上繞有減磨合金的薄壁零件。由于連桿軸瓦承受負(fù)荷大，它與曲柄銷之間滑動(dòng)速度高，減磨合金應(yīng)是機(jī)械強(qiáng)度高、減磨性能好的材料。即在潤(rùn)滑油不足時(shí)仍能使摩擦和磨損小。而廣泛應(yīng)用的是用巴氏合金作為減磨合金。連桿軸瓦如圖4.5所示，圖4.5為了防止軸瓦的工作可靠性和使用壽命，通常采取以下措施：為了防止軸瓦在工作時(shí)松動(dòng)，軸瓦上制有凸鍵，安裝時(shí)凸鍵置于連桿大頭相應(yīng)的凹槽內(nèi)。軸瓦與瓦座要緊貼合，以免軸瓦松動(dòng)，散熱不良而燒損軸瓦。為此軸瓦在座中其一端與座的分開面對(duì)齊時(shí)，軸瓦的另一端高出座的分開面0.05mm左右。當(dāng)擰緊連桿螺栓時(shí)，軸瓦與瓦座因過盈而使配合很好的貼緊[19]?？梢姡B桿螺栓的擰緊扭矩、連桿螺栓的強(qiáng)度和剛度，都直接影響連桿軸瓦的工作可靠性。連桿螺栓常用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，安裝時(shí)按一定的擰緊扭矩?cái)Q緊。為防止螺栓松動(dòng)，連桿螺栓一般用的是開口銷鎖緊。軸瓦與曲柄銷之間具有最佳的配合間隙，并以一定的壓力將機(jī)油送入間隙中進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑。間隙過小曲軸在軸瓦中會(huì)卡住，即通常所說的包瓦現(xiàn)象，間隙過大會(huì)產(chǎn)生沖擊和加劇磨損。使用中由于磨損間隙過大時(shí)，要重新調(diào)整間隙，為此連桿大頭分開面通常裝有墊片，減少墊片就會(huì)使間隙縮小。4.2.4曲軸的設(shè)計(jì)曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的全部功率都通過它輸出。設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮以下三個(gè)方面：（1）曲軸是在不斷周期變化的氣體壓力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力以及它們的力矩（扭矩和彎矩）共同作用下工作。這些變力使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。所以在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)要使曲軸具有足夠的疲勞強(qiáng)度，特別要注意強(qiáng)化應(yīng)力集中部位和設(shè)法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象。（2）曲軸的主軸頸在實(shí)際工作中并不能總保證液體潤(rùn)滑，尤其當(dāng)潤(rùn)滑油不潔凈時(shí)，曲軸軸頸表面遭到強(qiáng)烈的磨料磨損。所以曲軸的主要摩擦表面——主軸頸要有一定的耐磨性能，同時(shí)要保證盡可能好的潤(rùn)滑條件。（3）如果曲軸彎曲剛度不足，就會(huì)大大惡化活塞、連桿、軸承等重要零件的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性，甚至使軸承座局部超負(fù)荷。曲軸扭轉(zhuǎn)剛度不足則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，引起噪音，甚至使曲軸上的齒輪等傳動(dòng)件加速磨損，重則使曲軸斷裂。所以，應(yīng)保證曲軸有盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。但是，所有的這些要求都應(yīng)該在輕結(jié)構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)，特別是不平衡的質(zhì)量要盡可能小，以免設(shè)置沉重的平衡塊。因此曲軸常用優(yōu)質(zhì)鋼制成。示意圖如圖4.6所示：圖4.6曲軸示意圖曲軸的長(zhǎng)度主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)定出來的，這可由做圖法得出。由于功率不是特大，再者參考了樣機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸，我們可取主軸頸的直徑為25mm，大家可能看到了一般曲軸的主軸頸是緊貼著曲柄臂的，而上圖所示的曲軸則是主軸軸頸緊鄰著一軸肩，這主要是由于為了防止總體機(jī)構(gòu)干涉而將主軸頸移走的結(jié)果。但這就不影響曲軸的結(jié)構(gòu)性。其余各主要尺寸均在綜合考慮總體結(jié)構(gòu)要求及受力情況合況下做出的。具體可參見曲軸零件圖。主軸頸是曲軸的支承部位，安裝在軸承中，合上軸承座后用螺栓固緊。曲柄銷用來安裝連桿大頭，經(jīng)曲柄銷同主軸頸連接。主軸頸和曲柄銷表面是曲軸的重要部分，為了提高它的耐磨性，通常采取以下措施：主軸頸和曲柄銷表面經(jīng)熱處理提高硬度之后進(jìn)行精磨，其尺寸精確，表面光潔。主軸頸與主軸承座之間裝有軸承。主軸承座上開有小孔，是用來強(qiáng)制將機(jī)油送入軸承座內(nèi)部進(jìn)行潤(rùn)滑的。為了減輕重量和減少曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)曲柄銷產(chǎn)生的離心力，曲柄銷一般都做成空心。曲柄臂用來連接主軸頸與曲柄銷。有的活塞式空氣動(dòng)力引擎曲柄臂上加有平衡重，平衡重的作用是平衡連桿大頭、曲柄臂等產(chǎn)生的離心力和活塞連桿組零件直線運(yùn)動(dòng)質(zhì)量產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，減輕活塞式空氣動(dòng)力引擎的振動(dòng)。而為了防止曲軸軸向串動(dòng)，曲軸前端有軸向定位裝置。主軸承座兩邊各有一片一面澆有巴氏合金的止推片。澆有巴氏合金的一面都朝向主軸承座內(nèi)側(cè)。止推片有凸鍵置于主軸承蓋的凹槽中，使之防止轉(zhuǎn)動(dòng)。止推片與曲柄臂之間軸向間隙為0.05-0.25mm[20]。4.3主軸的設(shè)計(jì)本發(fā)動(dòng)機(jī)所設(shè)計(jì)出來的主軸主要用于支承兩個(gè)活塞。同時(shí)承受小部分的載荷，活塞大部分的載荷都作用在了活塞銷上，再通過連桿傳遞給曲柄輸出。但是還是要求主軸具有一定的強(qiáng)度和足夠的剛度，以保證活塞工作時(shí)保持正確幾何形狀以及正確的配合關(guān)系。假如剛度不夠，就會(huì)使活塞與氣缸的配合間隙過大，影響密封性能，從而造成氣缸內(nèi)壓縮壓力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能變壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)癱瘓，不能工作。因此我們選用優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造。主軸中間要留有水道，以便于冷卻水進(jìn)入活塞內(nèi)孔進(jìn)行冷卻。基于此我們可大致做出示意圖如圖4.7所示：圖4.7主軸示意圖水道應(yīng)先全部鉆通后，再用金屬堵住圖中封閉處。與活塞配合處的尺寸按活塞的內(nèi)徑去做即可，但其尺寸精度要求相當(dāng)高，再有就是位置精度要求也較高，這也給加工帶來了一定的困難。軸徑最大處主要是用于定位左右兩氣缸用的，其尺寸決定了兩氣缸的相對(duì)位移以及連桿的寬度，可定為50mm。這樣再減掉又端蓋厚度之后仍有30mm的寬度，這已經(jīng)可以滿足連桿的強(qiáng)度要求了。主軸各主要尺寸及公差要求可參照主軸零件圖。4.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)排量與功率計(jì)算（1）基本發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)首先，讓我們確定活塞引擎的基本參數(shù)：氣缸內(nèi)徑：65mm活塞厚度：60mm活塞擺動(dòng)角度：60°采用二沖程工作方式（2）掃氣容積計(jì)算活塞的掃氣容積可以用以下公式計(jì)算：其中：LFLFLF其中：LF其中：VF其中：VF其中：WF其中：P=0.7?33.17?4000其中：P=0.7?33.17?4000其中：P=92876其中：P=1.55kW其中：ns其中：ns其中：ns其中：ns其中：ns4.3.2工作室與壓縮比計(jì)算（1）工作室容積工作室容積對(duì)于確定壓縮比至關(guān)重要。對(duì)于我們的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，我們需要計(jì)算活塞在上死點(diǎn)時(shí)的最小容積?？紤]到活塞設(shè)計(jì)，工作室容積包括：活塞與氣缸壁之間楔形空間的體積適當(dāng)所需的額外間隙容積假設(shè)活塞與氣缸端蓋之間的間隙深度為2mm。間隙容積： V間隙=θ?πV間隙V間隙V間隙V間隙（2）壓縮比計(jì)算壓縮比是影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率和功率的關(guān)鍵參數(shù)，定義為： ε=V掃氣將之前計(jì)算的結(jié)果代入：ε=33167.9?ε=34273.5?ε=31:1這個(gè)壓縮比對(duì)于汽油機(jī)來說過高，容易導(dǎo)致爆震，一般汽油機(jī)的壓縮比在8:1至12:1之間。因此，我們需要增加工作室的容積，降低壓縮比。假設(shè)我們調(diào)整楔形塊的設(shè)計(jì)，增加工作室的容積至4000mm3，則：ε=33167.9?ε=37167.9?ε=9.3:1這個(gè)壓縮比更適合二沖程汽油機(jī)的工作要求。4.3.3曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算（1）四桿機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算根據(jù)前面的分析，我們已確定：搖桿長(zhǎng)度（L?）：46mm搖桿擺動(dòng)角度（φ）：77°曲柄長(zhǎng)度（L?）：30mm機(jī)架長(zhǎng)度（L?）：180mm（中心距）連桿長(zhǎng)度（L?）：177mm我們可以驗(yàn)證這些參數(shù)是否滿足四桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)定理：最短桿+最長(zhǎng)桿<其余兩桿之和L?+L?<L?+L?代入數(shù)值：30mm+180mm<46mm+177mm210mm<223mm因此，我們的四桿機(jī)構(gòu)滿足桿長(zhǎng)定理，能夠連續(xù)運(yùn)動(dòng)。（2）搖桿的角速度和角加速度計(jì)算假設(shè)曲柄以恒定角速度ω1 ω2=其中：-α是曲柄與機(jī)架的夾角-β是搖桿與機(jī)架的夾角-γ是連桿與機(jī)架的夾角對(duì)于特殊位置，當(dāng)曲柄與機(jī)架垂直（α=90°）時(shí)，計(jì)算搖桿的角速度：假設(shè)此時(shí)β=ω2ω2ω2ω2ω2角加速度計(jì)算： ε2=簡(jiǎn)化起見，我們可以使用近似計(jì)算： ε2≈代入數(shù)值：ε2ε2ε2ε2這個(gè)角加速度數(shù)值較大，說明搖桿的運(yùn)動(dòng)不夠平穩(wěn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮添加平衡塊或飛輪來減輕振動(dòng)。4.活塞的強(qiáng)度分析4.1活塞受力分析活塞主要承受以下力：1.氣體壓力產(chǎn)生的力2.慣性力3.摩擦力4.1.1氣體壓力力計(jì)算最大氣體壓力力： F氣壓=其中：-pmax是缸內(nèi)最大壓力（約4MPa）-A A有效=θ?π其中：-r2是外半徑（32.5mm）-rA有效A有效A有效A有效A有效代入計(jì)算氣壓力:F氣壓F氣壓F氣壓活塞的慣性力取決于活塞的質(zhì)量、擺動(dòng)半徑和角加速度:F慣性假設(shè)活塞的質(zhì)量m=0.25?kg,重心到擺動(dòng)中心的距離r重心F慣性F慣性F慣性當(dāng)活塞擺動(dòng)到上死點(diǎn)位置時(shí)，氣壓力和慣性力可能方向相反，此時(shí)活塞所受的凈力為: F總=F總F總活塞采用鋁合金材料，假設(shè)材料的許用應(yīng)力σ=80?MPa A危險(xiǎn)=計(jì)算此處的應(yīng)力: σ=F總σ=1048.35Nσ=1.40MPa由于σ=1.40MPa<σ4.3.4連桿的強(qiáng)度校核計(jì)算（1）連桿受力分析連桿主要承受拉壓交變載荷，其最大壓力力來自于活塞的傳遞力： F連桿=其中β是連桿與活塞運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。當(dāng)β=15F連桿F連桿F連桿（2）連桿的截面尺寸設(shè)計(jì)連桿采用工字形截面，假設(shè)連桿的危險(xiǎn)截面面積為300mm σ連桿=σ連桿σ連桿假設(shè)連桿材料為45鋼，其許用應(yīng)力σ=120MPa σ壓曲=其中φ是考慮壓曲影響的系數(shù)，一般取1.2-1.5。取φ=1.3:σ壓曲仍然遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此連桿的設(shè)計(jì)是安全的。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，活塞銷的尺寸為：-外徑：20mm-內(nèi)徑：14mm-長(zhǎng)度：180mm活塞銷簡(jiǎn)化為兩端支撐、中間受力的梁，其最大彎曲應(yīng)力為： σmax=其中：-M_max是最大彎矩-W是截面抗彎模量對(duì)于中間受力的狀況： Mmax=其中l(wèi)是支撐點(diǎn)之間的距離，約為60mm。MmaxMmax圓環(huán)截面的抗彎模量： W=πD4其中：-D是外徑（20mm）-d是內(nèi)徑（14mm）W=πW=3.14159?W=3.14159?121584W=597.32?mm計(jì)算最大彎曲應(yīng)力：σmaxσmax對(duì)于熱處理后的活塞銷材料（一般為40Cr），其許用應(yīng)力[σ]>300MPa，因此活塞銷的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。（3）活塞銷的剪切應(yīng)力校核活塞銷還受到剪切應(yīng)力： τ=F連桿其中A_剪切是活塞銷的剪切面積： A剪切=A剪切A剪切A剪切A剪切計(jì)算剪切應(yīng)力：τ=1085.36?Nτ=1085.36τ=3.39?MPa活塞銷材料的許用剪切應(yīng)力[τ]>150MPa，因此剪切強(qiáng)度也滿足要求。4.3.5曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）曲軸主軸頸的尺寸計(jì)算曲軸主軸頸承受的主要載荷是連桿傳來的力和扭矩。主軸頸直徑的初步選擇為25mm，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核：①計(jì)算軸頸受到的彎矩和扭矩假設(shè)連桿傳遞的力F_連桿=1085.36N，作用點(diǎn)距離主軸頸中心的距離為曲柄長(zhǎng)度30mm。彎矩： Mb=發(fā)動(dòng)機(jī)的功率P=1.55kW，轉(zhuǎn)速n=4000rpm，計(jì)算扭矩： T=9550?PnT=9550?1.55T=3703.13?N?mm②計(jì)算等效彎矩 Meq=MeqMeqMeqMeqMeq③計(jì)算軸頸的應(yīng)力 σ=Meq其中d是軸頸直徑（25mm）。σ=32717.6?Nσ=32717.6σ=32717.6σ=20.94?MPa對(duì)于曲軸材料（假設(shè)為42CrMo），其許用應(yīng)力[σ]>200MPa，因此主軸頸的直徑設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。（2）曲柄銷的強(qiáng)度計(jì)算曲柄銷承受連桿傳來的力，其受力狀況與活塞銷類似。假設(shè)曲柄銷的尺寸為：-外徑：18mm-內(nèi)徑：10mm計(jì)算曲柄銷的抗彎模量： W=πDW=πW=3.14159?W=3.14159?94976W=518.71?mm假設(shè)連桿寬度為30mm，則曲柄銷的最大彎矩： Mmax=FMmaxMmax計(jì)算最大彎曲應(yīng)力: σmax=σmaxσmax曲柄銷材料的許用應(yīng)力遠(yuǎn)大于此值，滿足強(qiáng)度要求。4.3.6軸承設(shè)計(jì)計(jì)算（1）主軸軸承的選擇計(jì)算主軸軸承承受的徑向力主要來自于活塞的質(zhì)量和慣性力:徑向力： Fr=m?假設(shè)兩個(gè)活塞總質(zhì)量m=0.5kg,重心到軸心的距離r_重心=25mm,搖桿最大角速度ω2=225.9rad/s:FrFrFr軸承的基本額定動(dòng)負(fù)荷: C=Fr其中：-L_h是軸承的設(shè)計(jì)壽命(取4000小時(shí))-n是轉(zhuǎn)速(取4000rpm)C=637.89?3C=637.89?3C=637.89?9.85C=6283.22N因此，我們需要選擇基本額定動(dòng)負(fù)荷大于6283.22N的軸承。根據(jù)軸承目錄，可以選擇型號(hào)為6205的深溝球軸承，其基本額定動(dòng)負(fù)荷C=14500N，滿足使用要求。（2）曲軸軸承的選擇曲軸軸承承受的徑向力主要來自于連桿的傳遞力：徑向力： Fr=其中α是曲柄與連桿的夾角，當(dāng)α=45°時(shí)：FrFrFr計(jì)算軸承的基本額定動(dòng)負(fù)荷：C=767.46?3C=767.46?9.85C=7559.48N選擇型號(hào)為6206的深溝球軸承，其基本額定動(dòng)負(fù)荷C=19500N，滿足使用要求。4.3.7密封環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）密封環(huán)的彈性力計(jì)算密封環(huán)的彈性力是保證密封效果的關(guān)鍵。假設(shè)密封環(huán)材料為灰鑄鐵，彈性模量E=110GPa。對(duì)于直徑為65mm的氣缸，密封環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：自由狀態(tài)下的開口間隙s0=3mm裝入氣缸后的開口間隙s=0.5mm密封環(huán)厚度h=2mm密封環(huán)徑向?qū)挾萣=3mm計(jì)算密封環(huán)的彈性力： F=3EbH3其中R是氣缸半徑（32.5mm）。F=3?110?F=3?110?F=19800000F=144.2N這個(gè)彈性力分布在密封環(huán)的周向，每單位長(zhǎng)度的彈性力為： p=F2πR?sp=144.2p=144.2p=0.708N/mm這個(gè)壓力值足以保證良好的密封效果。密封環(huán)的磨損率與壓力、摩擦系數(shù)和擺動(dòng)速度有關(guān)： Wr=k?p?v其中：-k是磨損系數(shù)（取1×10?11mm v=ω2密封環(huán)單位面積的壓力： pa=計(jì)算磨損率:WrWrWr假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)，密封環(huán)的磨損量為：W=WW=2.60×10W=0.0936mm這個(gè)磨損量在允許范圍內(nèi)（通常密封環(huán)的磨損極限為0.5-1.0mm）。4.3.8冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算冷卻水道截面積計(jì)算水道的截面積需要滿足冷卻水的流量要求，并保持適當(dāng)?shù)牧魉伲ㄍǔＨ?.5-1.5m/s）： A=Gρ?v其中：-ρ是水的密度（1000kg/m3）-v是冷卻水的流速（取1m/s）A=0.0445kg/sA=0.0445A=4.45×10A=44.5mm對(duì)于主軸內(nèi)的水道，其截面為環(huán)形，計(jì)算所需的內(nèi)徑：假設(shè)外徑d?=25mm，求內(nèi)徑d?：πdπ625?3.14159?625?3.14159?625?625?d625?dd2d2因此，主軸內(nèi)水道的內(nèi)徑應(yīng)為約24mm。4.3.9四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角分析（1）傳動(dòng)角計(jì)算傳動(dòng)角是評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)傳力性能的重要指標(biāo)，對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)角μ可通過以下方式計(jì)算： cosμ=L1代入之前確定的參數(shù)：L1（曲柄長(zhǎng)度）：30mmL2（搖桿長(zhǎng)度）：46mmL?（連桿長(zhǎng)度）:177mmL?（機(jī)架長(zhǎng)度）:180mm計(jì)算最小傳動(dòng)角:cosμcosμcosμcosμ由于cosμ不能大于1，這表明我們的計(jì)算有誤或參數(shù)選擇不合理。重新檢查參數(shù)并校正:假設(shè)L?=155mm，重新計(jì)算:cosμcosμcosμcosμμmin這個(gè)傳動(dòng)角大于40°，滿足良好傳動(dòng)性的要求。13.2極位夾角驗(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)中要求極位夾角θ=0°，現(xiàn)在驗(yàn)證是否滿足條件:極位夾角的計(jì)算公式為: cosθ=L0代入數(shù)值（使用修正后的L?=155mm):cosθ=180cosθ=32400+900?40401cosθ=?7101cosθ=?0.657θ=arccos?0.657這與我們?cè)O(shè)計(jì)要求的θ=0°不符。進(jìn)一步修正參數(shù)：根據(jù)極位夾角θ=0 cos0°1=1802?180?30=18010800=32400+900?46+10800=33300?46+46+L46+L46+LL3因此，為滿足極位夾角θ=0氣缸端蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算15.1氣缸端蓋的靜強(qiáng)度分析氣缸端蓋主要承受氣缸內(nèi)的最大壓力。假設(shè)最大工作壓力為4MPa，活塞的面積為343.61mm2，則氣缸端蓋受到的總壓力為: F=p?A=4MPa?343.61mm2將氣缸端蓋簡(jiǎn)化為直徑為65mm的圓板，厚度為20mm，則最大彎曲應(yīng)力為： σmax=其中：h是端蓋厚度（20mm）ν是泊松比（約0.3）r_0是端蓋半徑（32.5mm）r_i是中心孔半徑（假設(shè)為12.5mm）簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)氣缸端蓋為均勻分布載荷的圓板，則最大彎曲應(yīng)力: σmax=σmaxσmaxσmaxσmax氣缸端蓋材料如果選用鑄鐵，其許用應(yīng)力約為100MPa，因此設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。15.2氣缸端蓋的疲勞強(qiáng)度校核考慮到氣缸端蓋承受交變載荷，需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核:疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式: σa≤其中：其中：-σ_a是應(yīng)力幅值，約為最大應(yīng)力的一半-[σ_1]是材料的疲勞極限對(duì)于鑄鐵材料，疲勞極限約為極限強(qiáng)度的0.4倍，假設(shè)極限強(qiáng)度為250MPa，則:σ1應(yīng)力幅值: σa=σ由于σ_a=2.71MPa<[σ_1]=100MPa，因此氣缸端蓋滿足疲勞強(qiáng)度要求。4.4氣缸端蓋及軸承蓋的設(shè)計(jì)4.4.1氣缸端蓋缸蓋的設(shè)計(jì)是按照氣缸體的配合要求進(jìn)行的,在設(shè)計(jì)中,力求簡(jiǎn)單。但是注意考慮以下幾點(diǎn)要求：（1）配合要求：氣缸端蓋與氣缸的配合，氣缸端蓋與軸承的配合。（2）密封要求：氣缸端蓋與氣缸的密封，氣缸端蓋與軸承蓋的密封（3）冷卻水道的布置由此我們初步設(shè)計(jì)如下氣缸端蓋的示意圖如圖4.8所示：圖4.8氣缸端蓋示意圖首先在配合要求上，缸蓋與活塞的密封是靜配合，但是其端面直接與活塞相接觸，為了減少摩擦就要求其端面尺寸精度要求較高一些。而與軸承端蓋的配合就要考慮怎樣防止水流進(jìn)軸承里面，因此尺寸精度也有相應(yīng)的要求。所有的端蓋的連接均靠螺栓鎖定。其次密封方面，氣缸端蓋與氣缸的密封采用的墊片是雙金屬層的金屬粘覆密封墊片，能耐高溫，密封性能好；而與軸承端蓋的密封采用的是“O”型橡膠圈密封，密封性能好，不會(huì)造成冷卻水泄漏到軸承里面去，影響軸承的使用性能及壽命。最后水道的布置在氣缸端蓋上，呈環(huán)形分布，因?yàn)樵诨钊麛[動(dòng)時(shí)，會(huì)與氣缸端蓋進(jìn)行摩擦，以及可燃?xì)怏w燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量。因此這一側(cè)屬于高溫區(qū)，至于冷卻水的循環(huán)，將在下文的冷卻系統(tǒng)中做詳細(xì)介紹。氣缸端蓋具體尺寸請(qǐng)參照零件圖紙。4.4.2軸承端蓋為了防止軸承在承受軸向負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，軸承在軸上和外南寧孔內(nèi)都應(yīng)用軸向定位裝置。軸承在軸上和外殼孔內(nèi)定位方式的選擇，取決于作用在軸上負(fù)荷的大小和方向，軸承的轉(zhuǎn)速，軸承的類型，軸承在軸上的位置等。軸向負(fù)荷越大，軸承轉(zhuǎn)速越高，軸向定位應(yīng)越可靠。端蓋定位用于所有類型的向心軸承和角接觸軸承，在軸承轉(zhuǎn)速較高、軸向負(fù)荷較大的情況下使用。端蓋用螺釘定位壓緊軸承外圈，端蓋也可以做成迷宮式的密封裝置。軸承端蓋主要是為了密封軸承而設(shè)計(jì)的，但他還起到了密封水道的功能，因此需要采用“O”型橡膠圈密封，防止冷卻水泄漏到軸承里面去。示意圖如圖19所示：圖4.9軸承端蓋示意圖其中上通孔為進(jìn)水口，冷卻水由此進(jìn)在氣缸端蓋水道內(nèi)環(huán)流一周后從下出水口流出。軸承端蓋具體的設(shè)計(jì)請(qǐng)參見軸承軸承端蓋零件圖，在此就不詳細(xì)畫出。4.5裝配草圖現(xiàn)在我們活動(dòng)缸壁雙聯(lián)缸式擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的大體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，下面我們就來看看總的裝配示意圖，如圖4.10、圖4.11和圖4.12。詳細(xì)的總裝配圖請(qǐng)見附錄。圖4.10主視圖圖4.11俯視圖圖4.12左視圖4.6連桿的設(shè)計(jì)和ANSYS校核（1）連桿受力分析連桿主要承受拉壓交變載荷，其最大壓力力來自于活塞的傳遞力： F連桿=其中β是連桿與活塞運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。當(dāng)β=15F連桿F連桿F連桿（2）連桿的截面尺寸設(shè)計(jì)連桿采用工字形截面，假設(shè)連桿的危險(xiǎn)截面面積為300mm σ連桿=σ連桿σ連桿假設(shè)連桿材料為45鋼，其許用應(yīng)力σ=120MPa σ壓曲=其中φ是考慮壓曲影響的系數(shù)，一般取1.2-1.5。取φ=1.3:σ壓曲仍然遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此連桿的設(shè)計(jì)是安全的。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，活塞銷的尺寸為：-外徑：20mm-內(nèi)徑：14mm-長(zhǎng)度：180mm活塞銷簡(jiǎn)化為兩端支撐、中間受力的梁，其最大彎曲應(yīng)力為： σmax=其中：-M_max是最大彎矩-W是截面抗彎模量對(duì)于中間受力的狀況： Mmax=其中l(wèi)是支撐點(diǎn)之間的距離，約為60mm。MmaxMmax圓環(huán)截面的抗彎模量： W=πD4其中：-D是外徑（20mm）-d是內(nèi)徑（14mm）W=πW=3.14159?W=3.14159?121584W=597.32?mm計(jì)算最大彎曲應(yīng)力：σmaxσmax對(duì)于熱處理后的活塞銷材料（一般為40Cr），其許用應(yīng)力[σ]>300MPa，因此活塞銷的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。（3）活塞銷的剪切應(yīng)力校核活塞銷還受到剪切應(yīng)力： τ=F連桿其中A_剪切是活塞銷的剪切面積： A剪切=A剪切A剪切A剪切A剪切計(jì)算剪切應(yīng)力：τ=1085.36?Nτ=1085.36τ=3.39?MPa活塞銷材料的許用剪切應(yīng)力[τ]>150MPa，因此剪切強(qiáng)度也滿足要求。ANSYS校核圖4.13ANSYS校核圖圖4.14ANSYS校核圖圖4.15ANSYS校核圖

5潤(rùn)滑系統(tǒng)5.1潤(rùn)滑的作用與設(shè)計(jì)要求活塞式空氣動(dòng)力引擎潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要作用是將一定數(shù)量的清潔潤(rùn)滑油送到各摩擦部位，以潤(rùn)滑、冷卻和凈化摩擦表面。一個(gè)良好的潤(rùn)滑系統(tǒng)必須具備以下幾個(gè)條件：（1）有布置合理的油路，使活塞式空氣動(dòng)力引擎所有的摩擦部位都能得到潤(rùn)滑。（2）當(dāng)活塞式空氣動(dòng)力引擎在允許的工況和環(huán)境條件下，在活塞式空氣動(dòng)力引擎允許的傾斜范圍內(nèi)，仍有適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油壓力、溫度和足夠的循環(huán)油量，以保證摩擦表面的潤(rùn)滑。（3）進(jìn)入摩擦部位的潤(rùn)滑油應(yīng)清潔。（4）活塞式空氣動(dòng)力引擎一經(jīng)啟動(dòng)，各摩擦部位應(yīng)能夠立即充滿潤(rùn)滑油。也可在啟動(dòng)前將潤(rùn)滑油預(yù)先壓入各摩擦部位進(jìn)行潤(rùn)滑。5.2幾種常見的潤(rùn)滑方式根據(jù)活塞式空氣動(dòng)力引擎類型和潤(rùn)滑部位不同，采用不同的潤(rùn)滑方式，主要有以下5種：（1）壓力循環(huán)潤(rùn)滑：即潤(rùn)滑油是在機(jī)油泵作用下以一定的壓力注入摩擦部位。常用于承受較大負(fù)荷的摩擦表面，如軸承、軸套等。（2）飛濺潤(rùn)滑：潤(rùn)滑油濺于摩擦表面上。常用于那些壓力送油難以到達(dá)，或承受負(fù)荷不大的摩擦部位，如氣缸壁、齒輪、凸輪等。（3）油霧潤(rùn)滑：油霧附著于摩擦表面周圍，積多后滲入摩擦部位。常用于承受負(fù)荷較小或相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不大的摩擦部位，如氣門調(diào)整、螺釘球頭、氣門桿頂端與搖臂之間等處。（4）壓力間歇潤(rùn)滑：潤(rùn)滑油在微量機(jī)油泵作用下定期注入摩擦部位。常用于曲軸箱掃氣二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承及大型柴油機(jī)氣缸壁等。（5）摻混潤(rùn)滑：潤(rùn)滑油以一定比例摻混在汽油中，在燃料經(jīng)化油器時(shí)呈霧狀進(jìn)人曲軸箱，借此摻混的油霧來潤(rùn)滑摩擦部位。常用于摩托車和其他小型曲軸箱掃氣二沖程汽油機(jī)的摩擦部位。除了個(gè)別情況采用單一的潤(rùn)滑方式(例如二沖程摩托車汽油機(jī)采用摻混潤(rùn)滑)外，大多數(shù)活塞式空氣動(dòng)力引擎的潤(rùn)滑系統(tǒng)都是采用壓力循環(huán)潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑的復(fù)合形式。這是因?yàn)榛钊娇諝鈩?dòng)力引擎是各類機(jī)械中潤(rùn)滑條件最困難的一種。5.3潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于作者設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，我們主要考慮幾個(gè)主要相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件潤(rùn)滑，即連桿、主軸與主軸軸承、活塞、曲軸與曲軸軸承的潤(rùn)滑。（1）連桿潤(rùn)滑由于整個(gè)連桿裸露在氣缸體的外面，因此不能采用通常的飛濺方式潤(rùn)滑，只能在定期地往連桿注油孔擠壓機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑。雖然這種潤(rùn)滑效果比較差，但是由于此發(fā)動(dòng)機(jī)還處于試驗(yàn)階段，不會(huì)作大負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間的工作，基于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單考慮后還是采用此法。我們可以在連桿大頭及小頭內(nèi)挖一個(gè)小的儲(chǔ)油槽，以便更大程度上地減少注油次數(shù)，提高效率。當(dāng)然今后我們可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)并入一個(gè)氣缸體內(nèi)。（2）主軸與主軸軸承的潤(rùn)滑對(duì)于主軸與支承主軸的主軸軸承來說，由于主軸軸承所受到的力比較簡(jiǎn)單的，不會(huì)特別大。再加上我們?cè)跉飧锥松w上設(shè)有水道，故如果要在氣缸端蓋上開專門的潤(rùn)滑油路，還要考慮水的密封問題，這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)又會(huì)顯得比較復(fù)雜。因此我們暫定為定期將軸承端蓋打開，朝滾動(dòng)軸承添加黃油或機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑即可。（3）曲軸與曲軸軸承的潤(rùn)滑對(duì)于曲軸軸承來說，我們?cè)谠O(shè)計(jì)軸承座的時(shí)候已經(jīng)在軸承座的上蓋預(yù)置了螺紋孔，這樣我們便可在軸承座上安裝油杯。我們只須隨著需要朝軸承座里添加潤(rùn)滑機(jī)油。而曲軸銷的潤(rùn)滑剛可從連桿上得到潤(rùn)滑（4）活塞的潤(rùn)滑在氣缸內(nèi)活塞的潤(rùn)滑方面，采用的是摻混潤(rùn)滑，和上述所提到的二沖程摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，把機(jī)油和汽油以一定的比例混合，就可以對(duì)活塞起到潤(rùn)滑作用。而且也省去了開通油道的煩惱。所以對(duì)于本設(shè)計(jì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，潤(rùn)滑方式有濺油潤(rùn)滑又有摻混潤(rùn)滑，故屬于復(fù)合潤(rùn)滑方式。雖然說潤(rùn)滑效果及效率不是很好，但能滿足通常的要求即可。由于潤(rùn)滑系統(tǒng)只是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的一個(gè)輔助構(gòu)件，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)略顯簡(jiǎn)單點(diǎn)。但由于我們只是對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)的初步探討。勢(shì)必會(huì)有不合理的地方，這將在今后的改進(jìn)中進(jìn)行重新考慮。

6冷卻系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，零件如活塞、氣缸端蓋、氣缸等受熱。如果不采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，將會(huì)產(chǎn)生一系列嚴(yán)重后果：（1）各受熱件將要達(dá)到很高的溫度，使金屬的強(qiáng)度顯著下降，以致發(fā)生變形破壞。（2）零件受熱后要膨脹。溫度越高，膨脹量越大，以致破壞零件之間的正常合間隙。常見的活塞卡列在氣缸中的現(xiàn)象，溫度太高就是其中一個(gè)主要原因。（3）潤(rùn)滑油在高溫下容易氧化變質(zhì)，使粘度降低，不利于摩擦表面形成油膜，潤(rùn)滑油使用期限縮短，消耗量增加。（4）新鮮氣體進(jìn)入氣缸之前受到高溫機(jī)件的加熱后，比容增加，每次被吸入氣缸的氣體重量減少，使活塞式空氣動(dòng)力引擎功率下降，而且還會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮不正常。由此可見，不進(jìn)行冷卻，活塞式空氣動(dòng)力引擎就不能正常工作，所以冷卻系統(tǒng)是活塞式空氣動(dòng)力引擎正常工作所必需的。但是，過度冷卻也是極其有害的。因?yàn)閷?zhí)量散發(fā)到大氣中去，必然消耗一部分燃料所發(fā)出的熱能，這就會(huì)降低活塞式空氣動(dòng)力引擎的輸出功率。不僅如此，活塞式空氣動(dòng)力引擎在過冷的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣不能很好地壓縮；機(jī)油在低溫時(shí)粘度增高，零件運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力增加。降低零件的使用壽命。因此，冷卻系統(tǒng)的作用就是保持活塞式空氣動(dòng)力引擎最適宜工作的溫度范圍。采用水冷卻時(shí)，冷卻水溫度應(yīng)在80-90攝氏度之間；采用空氣冷卻時(shí)，鋁氣缸壁的允許溫度為150-180攝氏度，鋁氣缸蓋則為160-200攝氏度。本文主要采用的冷卻方法為水冷卻。6.1傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)水冷卻系統(tǒng)的組成水冷卻系統(tǒng)是用水做為介質(zhì)冷卻活塞式空氣動(dòng)力引擎，然后再將熱傳給空氣。這種冷卻方法的優(yōu)點(diǎn)是：冷卻比較均勻。目前用得最為廣泛的水冷卻采用的是強(qiáng)制循環(huán)式的水冷卻。它主要是由以下幾個(gè)部件組成的：（1）散熱器：散熱器的功用是將水的熱量散發(fā)給外界大氣，因此必須有足夠的散熱面積，并用導(dǎo)熱性好的材料制造。（2）風(fēng)扇：風(fēng)扇通常裝在散熱器后面。風(fēng)扇放置時(shí)，把散熱器周圍的熱空氣抽走，冷空氣通過散熱器芯部提高了散熱器的散熱能力，使流過芯部的冷卻水很快得到冷卻。（3）水泵：水泵與風(fēng)扇安裝在同一根軸上，它的功用是迫使冷卻水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)作循環(huán)流動(dòng)。目前在活塞式空氣動(dòng)力引擎上應(yīng)用最廣泛的是離心式水泵，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、排量大、工作可靠。當(dāng)水泵因故障而停止工作時(shí)，其結(jié)構(gòu)不妨礙水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)的自然循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。（4）冷卻強(qiáng)度的調(diào)整裝置在強(qiáng)制循環(huán)式水冷卻系統(tǒng)中，可用節(jié)溫器來改變流過散熱器的冷卻水的循環(huán)量，以自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度。一般節(jié)溫器安裝在氣缸蓋出水口處。6.2冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性，我們只在主軸上、活塞內(nèi)孔以及在氣缸端蓋上留出水道，而沒有在裝配圖上繪制出強(qiáng)制循環(huán)式水冷卻所必需的水泵、散熱器以及風(fēng)扇。（1）氣缸端蓋的冷卻冷卻水的走向見圖6.1所示(氣缸端蓋實(shí)體按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后所形成的圖形)。圖6.1由上圖我們可知,冷卻水從端蓋的上方進(jìn)入，流經(jīng)整個(gè)氣缸端蓋內(nèi)腔后從端蓋下方流出。這樣可以很好地對(duì)氣缸端蓋及活塞壁進(jìn)行冷卻。（2）活塞內(nèi)部的冷卻主軸及活塞內(nèi)部冷卻水的流向如圖6.2所示圖6.2由上圖,我們可以清楚地看到,冷卻水經(jīng)主軸左端水道流入,流經(jīng)活塞內(nèi)腔后又進(jìn)入主軸水道,流向另一活塞內(nèi)腔。最后從主軸右端水道流出。

7經(jīng)濟(jì)性分析活塞式空氣動(dòng)力引擎的經(jīng)濟(jì)性分析1.材料成本該引擎的主要部件材料成本占比較大。氣缸和活塞采用鋁合金（約20-30元/公斤），單個(gè)活塞約0.25公斤，材料成本約5-8元；氣缸體若采用鑄鐵（10-20元/公斤），單個(gè)氣缸體重量約3-5公斤，成本約30-100元。曲軸和連桿需優(yōu)質(zhì)鋼材（如42CrMo，50-100元/公斤），曲軸重量約5-8公斤，成本約250-800元。主軸采用中碳鋼（30-50元/公斤），重量約3公斤，成本約90-150元。密封環(huán)采用灰鑄鐵或合金鑄鐵，單件成本約20-50元。2.加工成本高精度部件的加工費(fèi)用較高。例如，氣缸內(nèi)徑需精密鏜削（數(shù)控加工費(fèi)用約200-500元/小時(shí)），單個(gè)氣缸加工耗時(shí)約2小時(shí)，成本約400-1000元。曲軸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工（含熱處理和精磨）需約500-1500元。密封環(huán)的鍍鉻或多孔性處理單件增加20-50元?；钊N空心加工及連桿工字形截面成型需額外200-500元。3.部件采購(gòu)成本軸承（如深溝球軸承6205和6206）單價(jià)約50-200元/個(gè)，需2-4個(gè)，總成本約100-800元。潤(rùn)滑系統(tǒng)需油杯、油管等輔助部件，成本約50-200元。冷卻系統(tǒng)水道加工（主軸和氣缸端蓋）需額外200-500元。螺栓、密封墊片等標(biāo)準(zhǔn)件成本約100-300元。4.裝配與測(cè)試成本高精度裝配（如活塞與氣缸間隙控制、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)位）需熟練技工操作，工時(shí)約10-20小時(shí)，按每小時(shí)100元計(jì)算，成本約1000-2000元。測(cè)試環(huán)節(jié)（如密封性驗(yàn)證、潤(rùn)滑系統(tǒng)調(diào)試）需額外500-1000元。5.維護(hù)成本采用復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)需定期添加機(jī)油或潤(rùn)滑脂，年均維護(hù)成本約200-500元。冷卻系統(tǒng)若需外接散熱器或水泵，后續(xù)擴(kuò)展成本約500-2000元。6.總成本估算單件制造成本（不含研發(fā)費(fèi)用）約為：材料成本：600-2000元加工與部件采購(gòu)：2000-5000元裝配與測(cè)試：1500-3000元總計(jì)約4100-10000元。若批量生產(chǎn)（100件以上），成本可降低30%-50%，主要得益于材料批量采購(gòu)和加工效率提升。7.潛在優(yōu)化方向采用鑄造工藝替代部分精密加工（如氣缸體），降低單件成本。簡(jiǎn)化潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如預(yù)潤(rùn)滑軸承），減少維護(hù)需求。優(yōu)化密封環(huán)結(jié)構(gòu)，采用低成本鍍層