北航机械原理大作业-V8发动机自制版

北京航空航天大学B E I H A N G U N I V E R S I T Y机械原理课程机构设计实验报告题目：八缸发动机的设计与分析成员：班级：班机械工程及自动化学院2013年06月八缸发动机的设计与分析（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京市102206）摘要：本文先是列举了几种典型的发动机，然后对其工作原理进行分析，得到了多缸发动机设计的基本经验。

在此基础上，设计出了一种八缸发动机，通过对该发动机的理论分析和ADAMS仿真，表明该八缸发动机不仅可以实现正常驱动的功能，而且结构紧凑，效率高，极具有实用性。

关键字：机构分析；Adams仿真；SolidWorks建模，八缸发动机目录1．设计要求 (2)2．现状调研 (2)2.1 V型发动机 (3)2.2 L型发动机 (3)2.3 H型发动机 (4)3．发动机工作原理分析 (5)4．八缸发动机设计与分析 (6)4.1活塞缸体设计 (7)4.2进气排气系统 (7)5．八缸发动机的设计验证 (10)5.1创建模型 (11)5.2功能仿真 (11)6．结论 (15)参考文献 (15)1．设计要求此八缸发动机根据技术任务书要求，在充分论证的基础上选择内燃机的型式，确定主要结构参数，选定主要零部件与辅助系统的结构型式，进行确定一种总体方案图，如下图1.1按照4*2的方式排列发动机可以使八个缸体的动力同时输出又不会相互干扰，能满足动力的叠加，极具合理性。

设计要求如下：⑴根据初步确定的主要零部件的结构型式及轮廓尺寸进行布置，绘制纵横剖面图和一些必要的局部视图，以及运动轨迹图等，借以发现它们之间在尺寸，空间位置，拆装和运动轨迹方面所出现的干涉，并给予合理解决⑵根据初步选定的辅助系统型式及主要几件轮廓尺寸，确定它们在内燃机中的合适位置和安装方式，检验它们之间是否相互干涉，拆装和维修是否方便。

⑶在上述工作基础上，确定内燃机零部件，系统及其机件的布置和外形尺寸，制作一套完整的SolidWorks内燃机仿真零件⑷将文件导入Adams进行分析仿真，验证设计的合理性，制作仿真视频。

总结设计中出现的问题和解决问题的办法，以及小组成员的收获。

2．现状调研通过查阅相关文献，可找出几种典型的发动机，如图2.1所示。

2.1 V型发动机图2.1所示为V型发动机：将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定的夹角布置在一起，使两组汽缸形成两个有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。

图2.1优点：V型发动机的高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便。

尤其是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车的迎风面越小越好，也就是要求发动机盖越低越好。

另外，如果将发动机的长度缩短，便能为驾乘舱留出更大的空间，从而提高舒适性。

将汽缸分成两排然后“打斜”，便能缩小发动机的高度和长度，从而迎合车身设计的要求。

由于汽缸之间已相互错开布置，因此在汽缸之间有较大的空间，这样便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率。

V型发动机的气缸均成一角度对向布置，还可以抵消一部分振动。

缺点：V型发动机的缺点是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂。

另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置2.2 L型发动机图2.2 所示为L型发动机又称“直列”(LineEngine)发动机，是指汽缸是按直线排列的，它所有的汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面图2.2优点：稳定，成本低，结构简单，运转平衡性好，体积小稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸紧凑，应用比较广泛。

缺点：当排气量和汽缸数增加时，发动机的长度将大大增加。

直列4缸发动机，一般广泛运用于2.2升排量以下的发动机中。

直列6缸发动机，目前的佼佼者就是著名的BMW，BMW直列6缸发动机凝聚了当今量产发动机的顶尖技术，堪称直列6缸的巅峰之作。

2.3 H型发动机如图2.3所示为H型发动机又称水平对置发动机，这也是V型发动机的一种，只不过V的夹角变成了180度了，一般为4缸或6缸。

图2.3优点：低重心：产生的横向震动容易被支架吸收、有效将全车较重的发动机重心降低，更容易达到整体平衡。

低振动：活塞运动的平衡良好（180度左右抵消）。

相比直列式，在曲轴方面所需的平衡配重因素减少，有助转速提升。

它能保持650转的低转速，并保证发动机平稳的工作。

同样相比其它发动机行式油耗最低。

缺点：造价高，发动机太宽。

目前世界上只有“保时捷”和“斯巴鲁”两家汽车制造商生产水平对置发动机。

3．发动机工作原理分析四冲程发动机的工作原理如下，分四个步骤进行：1.进气行程进气行程中，进气门打开，排气门关闭，转动的曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，缸内容积增大，压力降低而形成真空，将可燃混合气吸人气缸。

由于进气系统的阻力，进气终了时缸内气体的压力略低于大气压，约为0．075MPa —0．09MPa，温度为370K—400K。

示功图上曲线ra表示进气行程，位于大气压力线之下。

它与大气压力线纵坐标之差，即为活塞在各位置时缸内的真空度图3.12．压缩行程为使吸人缸内的混合气迅速燃烧，放出更多的热量而使发动机发出大的功率，必须在混合气燃烧前对其进行压缩，使其容积变小、温度升高。

为此，在进气终了时便立即进入压缩行程。

在此行程中，进、排门均关闭，曲轴推动活塞定时由下止点向上止点移动一个行程图3.23．作功行程在压缩行程接近终了时，火花塞产生电火花点燃混合气，此时进排门仍关闭。

由于混合气的迅速燃烧，使缸内气体的温度和压力迅速升高，最高压力可达5MPa-9MPa，最高温度可达2200K-2800K。

在高温高压气体的作用力推动下，活塞向下止点运动，活塞的下移通过连杆使曲轴旋转运动，产生转矩而作功。

发动机至此完成了一次将热能转变为机械能的过程图3.34．排气行程当作功行程接近终了时排气门打开，进气门仍关闭，因废气压力高于大气压而自动排出，此外，当活塞越过下止点上移时，还靠活塞的推挤作用强制排气。

活塞到上止点附近时，排气行程结束。

示功图上曲线br表示排气行程图3.44．八缸发动机设计与分析4.1活塞缸体设计根据发动机的设计种类可以知道，只要合理安排发动机的结构，保证输出能够叠加上去，不会出现全部曲柄的顶死现象就能够高效率的工作。

因而，理论只要紧凑安排曲柄的位置，又不影响冷却系统的工作，就可以叠加无数个缸体。

基于此，本文综合出一90度V型八缸发动机，如图4.1.1所示。

图4.1.1图中两排缸体轴线所在平面之间的夹角为90度，两排缸体之间安排排气收集管如图4.1.2所示，图4.1.2这样的结构恰好为一个整体，充分利用空间，合理性强，比L型的发动机消振动能力强，又比H型的更节省空间。

在同一横向平面的两个缸体的曲柄安装在同一个曲轴上，其输出同步，相邻曲柄相位差180度，恰好能满足同步输出，因而，总的输出动力是八个缸体的叠加。

4.2进气排气系统进气系统：如图所示，蓝色部分为排气筒，两侧为凸轮控制的排气阀。

图4.2.1进气道：气缸底部两侧为进气道，当活塞到达底部时进气。

图4.2.2进气冲程：如图所示左侧缸体处于进气冲程，此时排气阀关闭。

图4.2.3压缩冲程：如图左侧缸体处于压缩冲程。

做功冲程：如图，右侧缸体处于做功冲程。

排气冲程：左侧气缸处于排气冲程。

图4.2.6综上所述，排气阀一周期关闭两次，故凸轮轴所连小带轮于曲轴主带轮半径之比为1:2。

图4.2.75．八缸发动机的设计验证在完成八缸发动机的设计与理论分析后，下面对设计的发动机进行功能验证和工作空间的验证。

本文使用虚拟样机技术（ADAMS软件）对所设计的发动机进行设计验证。

5.1创建模型考虑到该发动机的杆件较多，且杆件布置较为复杂，可以使用SolidWorks 软件建立三维模型，然后导入到ADAMS软件中。

最终建立的ADAMS模型如图8所示。

图5.1.1 ADAMS仿真模型5.2功能仿真根据气缸内流体动力学数值仿真结果，利用一个工作循环内的缸内压强数据，可以得到气缸内压强曲线（DataSpline）SPLINE_fpiston，如图5所示。

图中自变量X表示时间（单位为毫秒），因变量Y表示气缸内气体压强（单位为105帕）。

活塞所受的总的气体平均压力为活塞上、下两侧空间内的气体压强差与活塞截面积的乘积。

在ADAMS中燃气压力采用Spline函数进行曲线定义，采用AKISPL函数式进行表达。

在曲轴以3000rpm保持匀速时，活塞和连杆的动力学特性曲线完全符合平衡状态下的物理规律。

活塞速度峰值约为3.23m/s，加速度出现两个峰值，分别约为227m/s2和1.475m/s2；连杆的摆角峰值约为±15°，呈正弦曲线变化；当气缸工作在燃烧阶段出现尖峰压力时，内燃机的输出指示转矩也达到最大，在其他时刻有小幅波动。

可以非常直观地看出，活塞的加速度曲线及其往复惯性力曲线、连杆摆角曲线及其动力学特性曲线都是呈周期性变化的。

1．曲轴角速度图5.2.12．活塞位移图5.2.2 3．活塞速度图5.2.3 4.活塞加速度图5.2.4 5．凸轮从动件的位移图5.2.5 6．凸轮从动件的速度图5.2.6 7．凸轮从动件的加速度图5.2.7 8.曲柄轴线和活塞轴线的夹角图5.2.86．结论本文先是针对设计要求，对现有的各类发动机进行调研，列举了几种典型的发动机机构，并对其工作原理进行透彻的分析，得到了设计多缸体发动机的基本经验。

在此基础上，设计出了一种V型八缸发动机，通过理论分析和ADAMS 仿真验证，表明该八缸发动机不仅可以同时多动力叠加，而且机构紧凑，结构合理。

相信本文对于多缸体发动机的研究有一定帮助。

参考文献[1] 郭卫东. 虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社2009年2月.[2] 郑相周，唐国元.机械系统虚拟样机技术.高等教育出版社，2010年5月[3] 郭卫东，Tutorial of Using ADAMS.北京：北京航空航天大学出版社[4] 郭卫东，机械原理，北京：科学出版社[5] 廖汉元，2007.机械原理.北京.机械工业出版社。