內(nèi)容提要內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，帶動(dòng)了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。內(nèi)燃機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種。發(fā)動(dòng)機(jī)是把某種形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)和船舶等動(dòng)力機(jī)械的動(dòng)力之源，是它們的“心臟” ，其性能是決定這些機(jī)器使用性能好壞的關(guān)鍵。往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)由于受自身結(jié)構(gòu)的限制，已經(jīng)不太適用于高轉(zhuǎn)速、大功率的工作場(chǎng)合。通過對(duì)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理進(jìn)行對(duì)比分析后。作者試求設(shè)計(jì)一種能夠結(jié)合往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)于一身的新型發(fā)動(dòng)機(jī)——擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。首先，針對(duì)擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)既具備傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，又具備了旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)特性。它利用扇形活塞轉(zhuǎn)子在一定角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的擺動(dòng)，通過活塞銷帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，最終將力傳到曲軸上作為動(dòng)力輸出。其次，針對(duì)擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。即主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、燃燒室、活塞連桿組以及曲軸等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。最后，借鑒目前廣泛使用的發(fā)動(dòng)機(jī)輔助機(jī)構(gòu)——冷卻系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)。對(duì)冷卻與潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及部件進(jìn)行分析介紹，以致能充分完善發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；擺動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)；掃氣作用；浮式連接；包瓦現(xiàn)象；平衡重Content summaryThe internal combustion engine invention, has led the automobile development, on brings the enormous convenience for the common people in “the line“, causes the basement distance to reduce, people's working speed can enhance. The internal combustion engine is the engine one kind. The engine is can transform some kind of form into the mechanical energy machine. The engine is power generator the and so on automobile, tractor, airplane and ships source of power, is they “the heart“, its performance is decides these machine operational performance qualities the key. The reciprocation type engine as a result of own structure limit, not too is already suitable for the high rotational speed, the high efficiency work situation.Through carries on the contrast analysis after the reciprocation type engine and the rotary system engine unique feature and the principle of work. The author tries to ask to design one kind to be able to unify the reciprocation type engine and the rotary system engine characteristic——swings the piston engine in a body new engine.First, in view of swings the piston engine principle of work to carry on the design and the analysis. This kind of new engine both has the traditional engine crank link motion gear, and has had the rotary system engine turning performance. It uses the fan-shaped piston rotor in certain angle scope internal rotation swinging, through the piston pin impetus crank link motion gear movement, finally passes to the strength on the crank to take the dynamic output.Next, in view of swings the piston engine overall structure to carry on the design. Namely mainly aims at the engine the important transmission system ——crank link motion gear to carry on the structure analysis and the design, including part and so on engine cylinder, combustion chamber, piston linkage as well as crank structural design and analysis.Finally, model at present widespread use engine auxiliary body ——cooling system and lubrication system. To cools carries on the analysis introduction with the lubrication system structure and the part, so that can fully consummate the engine the overall structure.Key word：Engine ；Oscillating engine；Sweeps is mad the function；Floating type connection；Package of tile；Phenomenon Counterbalance目 錄內(nèi)容提要……………………………………………………………………IContent summary………………………………………………………II1 前言 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 內(nèi)燃機(jī)的概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 選題的背景 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2 往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)基本工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 2.1 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及換氣過程 ????????????????????????????????????????????????????????????????3 2.2 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 3 擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 3.1 工作原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????63.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????94 擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????124.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)介紹 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????124.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????124.3 主軸的設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????224.4 氣缸端蓋及軸承蓋的設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????234.5 裝配草圖 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????245 潤(rùn)滑系統(tǒng) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????275.1 潤(rùn)滑的作用與設(shè)計(jì)要求 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????275.2 幾種常見的潤(rùn)滑方式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????275.3 潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 6 冷卻系統(tǒng) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 6.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)水冷卻系統(tǒng)的組成 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????29 6.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 7 總結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 參考文獻(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 致 謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 附 錄 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 - 4 -前 言內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，帶動(dòng)了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，又使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)如虎添翼，成為高新技術(shù)的集成。汽車用內(nèi)燃機(jī)作動(dòng)力并發(fā)展成為支柱產(chǎn)業(yè)，在歷史上有幾次革命性的進(jìn)步，第一次是石油作為內(nèi)內(nèi)燃機(jī)的燃料，這使發(fā)動(dòng)機(jī)擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎(chǔ)上的固定式發(fā)動(dòng)機(jī)，從而邁向移動(dòng)式的車用動(dòng)力。第二次革命是汽車生產(chǎn)的工業(yè)化。第三次是電子技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相結(jié)合。電子技術(shù)最初在汽油機(jī)上的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火，然后到電控燃油噴射，至今天點(diǎn)火和噴射的集成管理。短短幾十年，發(fā)動(dòng)機(jī)成為高新技術(shù)的集成。無論是燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、廢氣排放水平等等，是任何一種其他動(dòng)力機(jī)械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術(shù)發(fā)揮的作用。汽車內(nèi)燃機(jī)是通過燃料的燃燒，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的熱動(dòng)力機(jī)械。熱力學(xué)、燃燒學(xué)和機(jī)械學(xué)的理論分析表明，內(nèi)燃機(jī)是熱效率最高的熱力機(jī)械，但仍存在著巨大的節(jié)能及降低尾氣污染的潛力。- 5 -1 內(nèi)燃機(jī)1.1 內(nèi)燃機(jī)的概述內(nèi)燃機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種。發(fā)動(dòng)機(jī)是把某種形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器。能夠?qū)⑷剂现械幕瘜W(xué)能經(jīng)過燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并通過一定的結(jié)構(gòu)使之再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的發(fā)動(dòng)機(jī)也稱為熱機(jī)。內(nèi)燃機(jī)是熱機(jī)的一種，他區(qū)別于其他形式熱機(jī)的特點(diǎn)，是燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，燃料燃燒時(shí)放出大量的熱量，使燃燒后的氣體膨脹推動(dòng)機(jī)械做功。燃?xì)馐菍?shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)，這種媒介物質(zhì)稱為工作介質(zhì) [1]。發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)不同的特征來分類：⑴ 按所用燃料分 有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和其他代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是用電火花強(qiáng)制點(diǎn)燃由汽油與空氣組成的可燃混合氣，使之燃燒并產(chǎn)生熱能，故汽油機(jī)又稱強(qiáng)制點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)使用的柴油是直接噴入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，在高溫高壓條件下自燃而產(chǎn)生熱能，故柴油機(jī)又稱壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。⑵ 按完成一個(gè)工作循環(huán)所需要的活塞沖程數(shù)分 有四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。⑶ 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分 有水冷發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)；單缸發(fā)動(dòng)機(jī)和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。多缸發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)各缸的排列方式，又有直列式發(fā)動(dòng)機(jī)和“V”形發(fā)動(dòng)機(jī)等。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用水冷式多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。⑷ 按活塞的運(yùn)動(dòng)方式分 有往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞為上下運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞是旋轉(zhuǎn)的 [2]?，F(xiàn)代汽車用的內(nèi)燃機(jī)絕大多數(shù)為往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。為了方便敘述我們對(duì)各種型式的內(nèi)燃機(jī)都簡(jiǎn)稱為內(nèi)燃機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)。本文主要介紹的便是在旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行改造，而得出的擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作沖程為二沖程。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)和船舶等機(jī)器的動(dòng)力源，是它們的“心臟” ，其性能是決定這些機(jī)器使用性能好壞的關(guān)鍵。往復(fù)機(jī)已有百年的歷史了，經(jīng)過長(zhǎng)期使用和發(fā)展，到目前，不論是二沖程還是四沖程，可以說已經(jīng)達(dá)到了比較完善的程度。它的最大優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)可靠，因此在工農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)中，一直占據(jù)主要地位。- 6 -1.2 選題的背景眾所周知，往復(fù)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)方案，是利用曲軸連桿機(jī)構(gòu)，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)所造成的慣性力和慣性力矩，不能得到完全平衡，這是往復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷。這些不平衡的力和力矩，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而急劇增大，作用在發(fā)動(dòng)機(jī)軸承上的慣性負(fù)荷顯著增加，并引起振動(dòng)和噪音的增大。特別是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)不斷向高速發(fā)展時(shí)，活塞連桿機(jī)構(gòu)和氣閥機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的弊病。同時(shí)，活塞的平均速度，由于受到現(xiàn)有金屬材料性能的限制，通常不得超過允許值，也限制了往復(fù)機(jī)向高速方向發(fā)展。加之往復(fù)機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，這些因素是往復(fù)機(jī)進(jìn)一步提高功率、降低重量（和體積）的嚴(yán)重障礙。而旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)比較，它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)很小，動(dòng)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，此外制造成本也比較低。特別是在要求發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速大功率的使用場(chǎng)合，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性就更為突出。但是，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也還存在著不少問題，例如低速動(dòng)力性差，起動(dòng)性能和耐久性也有待進(jìn)一步提高等等?；谝陨蠋追N原因，我們希望有一種發(fā)動(dòng)機(jī)能夠一定程度上結(jié)合了旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)與往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。即具有旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)特性，也具有往復(fù)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。它能夠利用旋轉(zhuǎn)特性很好地解決曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在的慣性力問題，而且根除了四桿機(jī)構(gòu)的急回特性。而正在此時(shí)，老師向我們提出了晉江某企業(yè)已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而且做成了樣機(jī)，還成功發(fā)動(dòng)起來。只是這個(gè)樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在著一些不合理性，以至于后來發(fā)生了故障。由于這種擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的市場(chǎng)開拓前景，我們?cè)趯?duì)樣機(jī)的理解上大膽地提出了改進(jìn)與創(chuàng)新。而所有的這些我們都將在下面的文章中做出詳細(xì)的說明。- 7 -2 往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)基本工作原理2.1 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：2.1.1 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。2.1.2 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程二沖程發(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)- 8 -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]。2.2 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。可燃混合氣體被吸入氣缸內(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)。- 9 -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。本文主要是針對(duì)二沖程汽油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。- 10 -3 擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理3.1 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 1 所示，我們可以看出活塞在氣缸內(nèi)大致裝配位置（環(huán)狀缸體即為氣缸；扇形狀為活塞，我們稱為扇形活塞） 。當(dāng)扇形活塞逆時(shí)針擺動(dòng)至死點(diǎn)時(shí)，可燃性混合氣體已經(jīng)被壓縮在左燃燒室內(nèi)。經(jīng)火花塞點(diǎn)火后，壓縮氣體爆炸產(chǎn)生作用力，推動(dòng)扇形活塞向右擺動(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 1- 11 -圖 2 為扇形活塞運(yùn)轉(zhuǎn)過一定角度之后，右工作室工作沖程。扇形活塞順時(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圖 3 為扇形活塞繼續(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。- 12 -圖 3圖 4 為扇形活塞繼續(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。右工作火花塞點(diǎn)火，右儲(chǔ)氣室進(jìn)氣開始。圖 4圖 5 為右工作室工作沖程，扇形活塞逆時(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。- 13 -圖 5圖 6 為扇形活塞繼續(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 1 所示位置，而后按圖 1 說明完成一次往復(fù)熱循環(huán)運(yùn)動(dòng)。圖 6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，再加上有部分混合氣體在掃氣時(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]。因此二沖程擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以較多地應(yīng)用在摩托車和一些小型機(jī)具上，或用作某些柴油機(jī)的起動(dòng)機(jī)。3.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)分析- 14 -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)，通過燃料在燃燒室中燃燒，推動(dòng)扇形活塞在氣缸內(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)從熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換（如圖 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 71．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 α1α2，所以有t1t2,v2v1。搖桿的這種運(yùn)動(dòng)性質(zhì)成為急回特性（如圖 8） 。圖 8圖 8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- 15 -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 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)。- 16 -4 擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)介紹傳統(tǒng)往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)一般由以下幾個(gè)機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成：⑴. 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞組、連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。此機(jī)構(gòu)的作用是把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)與機(jī)體組零件工作關(guān)系比較密切，比如氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱等在工作時(shí)的關(guān)系非常密切，再結(jié)構(gòu)分析時(shí)常把他們放在一起，組成廣義的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。⑵．配氣機(jī)構(gòu) 它的作用是按照發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)缸的工作順序，定時(shí)的開啟和關(guān)閉各缸的進(jìn)氣門和排氣門，以保證新鮮氣體及時(shí)進(jìn)入氣缸，廢氣及時(shí)排出氣缸。它是由氣門組、傳動(dòng)組和驅(qū)動(dòng)組組成。⑶. 供油系統(tǒng) 供給系統(tǒng)包括燃料供給、空氣供給與廢氣排出三個(gè)系統(tǒng)。其作用是將燃料和空氣及時(shí)供給氣缸，并將燃燒后的廢氣及時(shí)排出機(jī)外。⑷. 冷卻系統(tǒng) 其功用是吸收內(nèi)燃機(jī)工作中受熱零件的多余熱量并及時(shí)散發(fā)出去，保證內(nèi)燃機(jī)各部位在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。水冷系統(tǒng)一般由水箱、水套、水泵、風(fēng)扇、散熱器、節(jié)溫器等組成。風(fēng)冷系統(tǒng)由散熱片、風(fēng)扇、導(dǎo)流罩等組成。⑸. 潤(rùn)滑系統(tǒng) 其作用是將潤(rùn)滑油輸送到內(nèi)燃機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件的摩擦表面，以減少摩擦阻力和磨損，同時(shí)起到冷卻、密封、清洗和防銹的作用。主要包括機(jī)油泵、機(jī)油濾清器、機(jī)油散熱器、機(jī)油壓力表、機(jī)油溫度表和閥門、潤(rùn)滑油道等。(6).點(diǎn)火系統(tǒng) 它是汽油機(jī)特有的一個(gè)系統(tǒng)。其功能就是在一定的時(shí)刻產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃混合氣。由于我們所設(shè)計(jì)的為二沖程汽油機(jī)，而且利用吸氣口與排氣口就能控制空氣的進(jìn)與出，因此沒有給它配備專門的配氣機(jī)構(gòu)。本文主要考慮的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，再輔以冷卻系統(tǒng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [7]。- 17 -4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)借以實(shí)現(xiàn)將熱能轉(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)：4.2.1 氣缸的設(shè)計(jì)氣缸是內(nèi)燃機(jī)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)的燃燒室。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。- 18 -圖 9由圖 9 可知，由于氣缸筋板結(jié)構(gòu)所限，如果要右邊再設(shè)置進(jìn)氣口，結(jié)構(gòu)會(huì)顯得比較復(fù)雜。我們就沒有采用原先所提到的兩邊點(diǎn)火爆發(fā)做功。而改為單邊爆發(fā)做功，即只是在左邊設(shè)置火花塞位置及進(jìn)氣口位置。4.2.2 燃燒室的設(shè)計(jì)在介紹燃燒室的設(shè)計(jì)之前，我們先來看看壓縮比對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)的影響。氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比，即為壓縮比。通常用符號(hào) ε 表示。ε=Va/Vc。如圖 10 所示，Va 為活塞位于右止點(diǎn)時(shí)，活塞左側(cè)的整個(gè)空間；Vc 為活塞位于左止點(diǎn)時(shí)，活塞左側(cè)的空間。壓縮比是發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)很重要的參數(shù)。它反映了在壓縮沖程中氣缸內(nèi)的可燃混合氣體被壓縮的程度。排量相同的發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比越高，做功沖程時(shí)膨脹能力就越強(qiáng)，輸出功率也越大。汽油機(jī)壓縮比一般為 6-10[10]。在此我們選用壓縮比為 8。由此我們可以看出，在氣缸總體積一定的情況下，壓縮比的大小關(guān)系到燃燒室的大小。圖 10燃燒室的形狀和尺寸對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能有很大的影響。對(duì)燃燒室有兩點(diǎn)基本要求：第一是結(jié)構(gòu)要緊湊，散熱面積小以減少散熱損失，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短以減少爆燃傾向；第二是其形狀要使混合氣在壓縮終了時(shí)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臄_流，以提高燃燒速率，保證混合氣體得到及時(shí)和完全燃燒。此外燃燒室做成扇形狀有利于力的分布均勻，減少活塞振動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生影響，如左圖所示。參考樣機(jī)的設(shè)計(jì)，我們可將燃燒室的- 19 -角度設(shè)為 110。這樣由第一章燃燒比設(shè)為 8 可知，氣缸的總?cè)莘e為 8*11=880。我們只要再設(shè)計(jì)出扇形活塞的角度即可將兩楔形塊的位置確定出來，從而完成氣缸的尺寸設(shè)計(jì)。4.2.3 活塞連桿組的設(shè)計(jì)（1） ．扇形活塞的設(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。它直接承愛高溫高壓的燃?xì)鈮毫?，并在氣缸中高速往?fù)運(yùn)動(dòng)。圖 11 為活塞的示意圖：圖 11參考樣機(jī)的設(shè)計(jì)以及考慮活塞的強(qiáng)度要求，我們先將扇形活塞的角度定為 600左右，其寬度與氣缸寬度一致均為 60mm。扇形活塞下方的直板為掃氣板，其作用就是將氣體充分地掃進(jìn)燃燒室內(nèi)。而為了便于實(shí)現(xiàn)活塞與活動(dòng)缸壁的密封，我們將扇形活塞與活動(dòng)缸壁做成一體，因此我們從上圖中便可看出，扇形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。而扇形活塞內(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)扇形活塞上半部有一小孔即為活塞銷孔?；钊N孔中心到扇形活塞中心的距離即為搖桿的長(zhǎng)度。由扇形活塞的受力可知，扇形活塞的側(cè)面受到力作用。其力的作- 20 -用中心約位于扇型活塞直徑的 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） ．扇形活塞材料的選擇由于活塞承受高溫氣體的加熱，一般最高燃燒溫度高達(dá) 1200 度以上，活塞側(cè)面最高溫度達(dá) 300-400 度，這會(huì)使材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降。同時(shí)，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。因此扇形活塞最好用強(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，所以在中小型高速內(nèi)燃機(jī)中很少采用。鋁合金活塞重量輕，導(dǎo)熱性好，用于中小型高速內(nèi)燃機(jī)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） ．扇形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，內(nèi)燃機(jī)熱車時(shí)活塞會(huì)在氣缸中卡住。反之，間隙過大，內(nèi)燃機(jī)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） ．扇形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。另外，氣缸與活塞 之間多余的機(jī)油，若不刮掉，就會(huì)串入燃燒室燒掉，使耗油增加，產(chǎn)生燃燒室嚴(yán)重積碳、排氣冒藍(lán)煙等不良現(xiàn)象。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，我們將扇形活塞與活動(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，用以密封扇形活塞與氣缸即可。在此為了很好地密封，我們采用雙密封環(huán)進(jìn)行密封，這樣加上扇形活塞頂壁的密封環(huán)密封，就可以將扇形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- 21 -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，其漏氣量在高速燃機(jī)中是微乎其微的。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)油串入燃燒室。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)油壓入燃燒室，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。如圖 10 的左視圖所示，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)隨活塞向下動(dòng)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，它處在高溫、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，內(nèi)燃機(jī)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。活塞銷的軸向移動(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- 22 -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。 由于扇形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)扇形活塞的寬度取 180mm?；钊N在活塞銷座的裝配及尺寸如圖 12 所示，圖 12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)?？梢姡B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 13 所示，- 23 -圖 13扇形活塞的擺動(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。考慮曲軸慣性力不應(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 14 所示，圖 14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。活塞銷與襯套之間留- 24 -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 15 所示，圖 15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?，連桿螺栓的擰緊扭矩、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)- 25 -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 16 所示：圖 16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- 26 -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。有的內(nèi)燃機(jī)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，減輕內(nèi)燃機(jī)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)扇形活塞。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，以保證扇形活塞工作時(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)使扇形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 17 所示：- 27 -圖 17水道應(yīng)先全部鉆通后，再用金屬堵住圖中封閉處。與扇形活塞配合處的尺寸按扇形活塞的內(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。4.4 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