发动机结构与设计各类计算与校核

第二篇 设计部分

一、摩托车发动机结构与设计

（一）、发动机机体

１．气缸体

气缸体的作用除形成气缸工作容积外，还用作活塞运动导向，其圆柱形空腔称为气缸。 由于气缸壁表面经常与高温高压燃气接触，活塞在汽缸内作高速运动（最高速度可达100km/s ）并施加侧压力，以及气缸壁与活塞环几活塞外圆表面之间反复摩擦，而其润滑条件由较差，所以气缸体必须耐高温、耐高压、耐腐蚀，还应具有足够的刚度和强度。

气缸体的材料一般用优质灰铸铁，为了提高气缸的耐磨性，可以在铸铁中加入少量的合金元素，如镍、铬、钼、磷、硼等。

汽缸内壁按二级精度珩磨加工，其工作表面有较高的关洁度，并且形状和尺寸精度也都比较高。 为了保证气缸壁表面能在高温下正常工作，必须对汽缸体和气缸盖随时加以冷却。发动机有风冷和水冷两种。用风冷却时，在汽缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片，易增大冷却面积，保证散热充分。用水冷却时在汽缸体内制有水套。 １.1 气缸直径

气缸直径是指气缸内径，与活塞相配合，是发动机的重要参数，许多主要的尺寸如曲柄销直径、气门直径、活塞结构参数等，都要根据气缸直径来选取。

参数设计：

气缸直径已标准化，其直径值按一个优先系列合一个常用系列来选取。根据有关资料可确定气缸的直径D.

1.2 气缸工作容积、燃烧室容积和气缸总容积

上止点和下止点之间的气缸容积，称为气缸工作容积（也称为总排量）（图1）。气缸工作容积与气缸直径的平方、活塞冲程的大小成正比。气缸直径越大、工作容积越大、发动机的功率也就相应地增大。

气缸工作容积的计算公式为

N S D V n ⋅⋅=42

π

式中：

V

n

——气缸工作容积(ml);

D —— 气缸直径（mm ）; S —— 活塞行程（mm;）

N —— 气缸数目。

参数设计：

因设计要求的是单缸发动机的排气量V

n

为100ml ，那么其活塞行程为： 2

4n S V d

π=

同时活塞行程S =2r ；r 为曲轴半径 那么：2S r =

1.3压缩比

图1 气缸燃烧室容积和工作室容积 （a ）燃烧室容积 （b ）工作室容积

气缸总容积与燃烧室容积的比值，称为压缩比。压缩比表示活塞由下止点到上止点时，可燃混合气在气缸内被压缩多少倍。 1.4气缸工作内压力、气缸总推力

气缸工作内压力是一个变量，随作功行程的开始，数值急剧下降。高质量的气缸在跳火燃烧的瞬间，内压力可达3～5MPa 。

气缸总推力是指一个周期内气缸对外实际作功量。其计算式为：

P D s

F ηπ

2

4

=

式中：F ——气缸总推力（N ）; η ——气缸效率；一般η＝30％ P s ——气缸工作内压力（MPa ）； D ——气缸直径（mm ）。

参数设计：

气缸工作内压力： P D s

F ηπ

2

4

=

1.5气缸盖

气缸盖用螺柱与气缸体－曲轴箱或气缸体固连在一起。为了增加密封性，气缸体和气缸盖之间加有气缸衬垫。气缸盖的作用主要是封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁共同形成燃烧室。燃烧室有很多种形式，不同形式的燃烧室气缸盖的结构又有所不同。

四行程顶置气门发动机的气缸盖上有进、排气门座及气门导管，并设有进气道和排气道，装有进、排气管等。

对气缸盖螺栓联接静强度计算：2

11.3[]4

ca Q

d σσπ=≤

对螺栓的疲劳强度进行精确校核：

1min

min 2()()(2)

tc ca a K S S K σσσσσψσψσσ-+-=

≥++

max 2

14

Q

d σπ

=

min 21

4

p

Q d

σπ

=

max min

2

a σσσ-=

式中：1tc σ-――螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限，Mpa 。值见附表。

σψ――试件的材料特性，即循环应力中平均应力的折算系数，对于碳素钢为0.1～0.2，合金钢为0.2～0.3

K σ――拉压疲劳强度综合影响系数. S ――安全系数

1.6燃烧室

燃烧室的种类较多，有锲形、盆形、菱形、半球形等燃烧室。半球形燃烧室结构呈半球形，比起锲形、盆形燃烧室更为紧凑，面容比最小。因进、排气门分别置于气缸轴线的两侧，故其配气机构比较复杂。但有利于促进燃料的完全燃烧和减少排气中的有害成分，对提高经济性和排气净化有利。

（二）、曲柄连杆机构的受力分析与平衡

2.1 曲柄连杆比

曲柄连杆臂时指曲柄半径与连杆长度之比，简称为连杆比，用λ表示。由下式定义

l

r

=λ

式中：r ——曲柄半径，即曲柄销中心到曲轴中心之间的距离； l ——连杆长度，即连杆大小头轴线之间的距离。

连杆比不仅影响曲柄连杆机构的运动特性，而且影响发动机的外形尺寸。λ值越大，连杆越矩，发动机的总高度（立式发动机）或总宽度（卧式发动机）越小。对于V 形发动机，其总高度和总宽度都会减少。连杆过矩时易导致活塞在运动过程中与曲柄相碰。因此一般情况下现代摩托车发动机的连杆比3

1~51=λ，尽可能地采用矩连杆。

参数设计：取λ

那么连杆长度：l ＝ r/λ=

2.2 曲柄连杆机构运动学

曲柄连杆机构运动学是研究曲柄连杆机构各主要零件的运动规律，分析其作用力和力矩及发动机的平衡和曲轴的扭转振动的一门科学。

在计算时，曲轴的转动可以近似看成等速转动，这是因为高速发动机在稳定工况下工作时，由于扭转的不均匀性而引起的曲轴旋转角速度的变化不大。

曲轴的角速度可以写为

ω＝30π

n s rad

式中：n ——曲轴转速，m in r 。

曲柄销中心的切向速度v t 和向心加速度a n 分别为： v t ＝ ωr s m a n ＝ ωr 2

s 2

m

式中：r ——曲轴半径，m 。

在讨论连杆、活塞的运动规律时，不用时间t 表达，而是用曲轴转角α，并且规定：将活塞处