发动机和柱塞泵典型机构设计.docx

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发动机和柱塞泵典型机构设计

《典型机械机构》

课程设计报告

姓名:

XXX

班级：

APXXXX班

学号：

APXXXXX

指导老师:

XXXXX

时间：

XXXXX

一、典型机械机构概述

1摩托车发动机

摩托车发动机工作原理

摩托车发动机组成

2轴向柱塞泵

轴向柱塞泵工作原理

轴向柱塞泵组成

二、典型机械机构的传动系统（传动副、摩擦副等详细介绍）

1摩托车发动机传动系统

2轴向柱塞泵传动系统

三、典型机械机构的结构特点

1摩托车发动机的结构特点

2轴向柱塞泵的结构特点

四、关键零件测绘

1气缸零件的作用、功能

2零件图

五、总结

一、典型机械机构概述

1摩托车发动机

摩托车发动机工作原理

本次拆卸的摩托车发动机是属于四冲程发动机，所以以下说明均是四冲程原理介绍。

本次研究的是活塞式单缸汽油发动机，气缸是直立式的，共有四个冲程，分别是：

进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。

1）进气冲程

活塞从上止点移动到下止点，曲轴转动180度，进气门打开，排气门关闭，混合气体进入气缸。

2）压缩冲程

活塞由下止点移动到上止点，就是曲轴的曲柄由180°转到360°。

在这个过程中，进气门、排气门关闭，气缸内混合可燃气体被压缩。

3）做功冲程

活塞由上止点移动到下止点，即曲轴的曲柄由360°转到540°。

在这个过程中，进气门、排气门关闭，气缸内的可燃气体膨胀做功。

4）排气冲程

活塞再由下止点移动到上止点，即曲轴的曲柄由540°转到720°。

在这个过程当中，进气门关闭，排气门打开。

缸内燃烧后的废气经排气门排出气缸。

摩托车发动机组成

无论是哪一种发动机，都必须具备一些基本的机构和系统，才能完成能量的转换，实现工作循环，保证机械能够长时间地连续工作，达到所需的工作要求。

本次拆卸的摩托车发动机总体结构包括：

两大机构：

曲柄连杆机构、配气机构；

五大系统：

燃料供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统、起动系统。

（一）曲柄连杆机构

1.曲柄连杆机构由气缸体与曲轴箱组、活塞连杆组、曲轴飞轮组等三部分。

（1）气缸体与曲轴箱组由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸垫及油底壳等组成；

（2）活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成；

（3）曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡重等组成。

有的发动机将气缸分铸成上下两部分，上部称为气缸体、下部称为曲轴箱。

2.功用：

（1）气缸体是发动机各机构、各系统的装配基体，其本身的许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、冷却系和润滑系的组成部分。

（2）气缸盖和气缸体的内壁共同组成燃烧室的一部分，是承受高温、高压的机件。

它的功用是将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。

（二）配气机构

组成：

配气机构由进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、凸轮轴以及凸轮轴正时齿轮（由曲轴正时齿轮驱动）等组成。

功用：

使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排出废气。

（三）燃料供给系统

组成：

汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器，进气管、排气管、排气消声器等组成。

功用：

是把汽油和空气混合成合适的可燃混合气供入气缸，以供燃烧，并将燃烧生成的废气排出发动机。

（四）点火系统

蓄电池、断电器（与分电装置等组合成为分电器和点火线圈、火花塞等组成：

功用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气。

（五）冷却系统

水泵、散热器、风扇、分水管、气缸体放水阀以及气缸体和气缸盖里铸出的空腔——水套等组成。

功用是把受热机件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。

（六）润滑系统

组成：

机油泵、集滤器、限压阀、润滑油道、机油粗滤器、机油细滤器和机油冷却器等组成。

功用：

将润滑油供给作相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件。

清洗摩擦表面。

（七）起动系统

组成；起动机8及其附属装置等组成，

功用：

用以使静止的发动机起动并转入自行运转。

2轴向柱塞泵

轴向柱塞泵工作原理

轴向柱塞泵的工作原理，当电动机带动传动轴旋转时，泵缸与柱塞一同旋转，柱塞头永远保持与斜盘接触，因斜盘与缸体成一角度，因此缸体旋转时，柱塞就在泵缸中做往复运动。

以一柱塞为例，它从0°转到180°，即转到上面柱塞的位置，柱塞缸容积逐渐增大，因此液体经配油盘的吸油口a吸人油缸；而该柱塞从180°转到360°时，柱塞缸容积逐渐减小，因此油缸内液体经配油盘的出口排出液体。

只要传动轴不断旋转，泵便不断地工作。

改变倾斜元件的角度，就可以改变柱塞在泵缸内的行程长度，即可改变泵的流量。

倾斜角度固定的称为定量泵，倾斜角度可以改变的便称为变量泵。

轴向柱塞泵组成

本次拆卸的斜盘式轴向柱塞泵结构图是由：

变量机构、斜盘体、压盘、缸体外大轴承、滑履、缸体、柱塞、弹簧、传动轴、配流盘、斜盘耐磨板、轴销、变量活塞、丝杆和手轮。

1）变量调节机构

主要组成部分为调节手轮、锁紧螺母、调节螺杆、上法兰、下法兰、刻度盘、变量活塞。

调节手轮的作用为通过手轮的转动带动调节螺杆的上下移动；调节螺杆与变量活塞相连，调节螺杆上下移动时带动变量活塞移动；锁紧螺母作用为固定调节螺杆的上下移动，当选定一定的斜盘倾斜角度时，斜盘角度不会在工作过程中变化；上、下法兰为了安装检测的方便；变量活塞上有孔与斜盘上固定的凸出圆球连接，当变量活塞上下移动时，斜盘的角度发生改变；刻度盘显示出油泵的排量。

2）动力传动机构

主要组成部分是传动轴、骨架油封传动轴的作用是将外部动力传送到缸体，驱动油泵进行工作；骨架油封的作用是保持泵体内部密封性，提高油泵效率。

3）泵油机构

主要组成部分是泵体、泵壳、柱塞、滑靴、配油盘、回程盘、缸体、斜盘。

泵体、泵壳组成油泵的内部工作空间，也是缸体的安装基体；柱塞的主要作用是通过沿缸体柱塞孔的轴向移动改变柱塞孔内容积的大小，将油液泵进泵出并增大泵出油液的压力；滑靴的主要作用是连接柱塞和斜盘，当斜盘倾斜角度改变时，滑靴角度也改变，缸体转动时，滑靴在斜盘上滑动，将缸体的旋转动力转变为柱塞的水平移动；配油盘的主要作用是提供进油和出油的通道，将进油和出油通道严格区分开来；回程盘的主要作用是固定滑靴，保持滑靴之间的相对位置，使滑靴能平稳的在斜盘上滑动；缸体是柱塞泵的核心责成部分，其上有柱塞孔，是柱塞安装的空间，也是吸油和压油的主要部分，其壳体承受较大压力；斜盘倾斜一定的角度，当柱塞在上止点和下止点时，柱塞孔内的体积不同；滑靴在斜盘上滑动。

二、典型机械机构的传动系统

1摩托车发动机传动系统

摩托车发动机的最具代表性的传动系统要数曲柄连杆机构，其功用是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能。

其曲轴连杆机构的运动简图如图所示：

由简图可知，曲柄连杆机构有1个滑动副，3个转动副。

由自由度公式算出：

F=3n-2p=3×3-2×4=1，所以曲柄连杆机构有1个自由度。

由于曲柄连杆机构是在高压下做变速运动，因此它在工作中的受力情况比较复杂。

其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力和外界阻力等。

1.膨胀气体作用力

发动机在作功行程时，燃烧气体产生的高压作用到活塞顶部，设活塞所受总压力

，传到活塞销上，可以分解为

和

。

通过活塞销传给连杆，并沿着连杆方向作用在曲柄销上后，又分解

和

两个力。

沿着曲柄方向使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力，

与曲柄垂直，并对曲轴形成转矩T，推动曲轴转动；

把活塞压向气压壁，形成活塞与缸壁间的侧压力，有使机体翻到的趋势，故机体下部两侧应固定在车架上。

在压缩行程中，气体压力是阻碍活塞向上运动的阻力。

作用在活塞顶的气体总压力

`,可以分解为

`和

`。

`又可以分解为

`和

`。

`使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力，对曲轴造成一个旋转阻力矩T`，企图阻止曲轴旋转。

`则将活塞压向气缸的另一侧壁。

在工作循环的任何行程中，气体作用力的大小都是随活塞的位移而变化的，再加上连杆在左右摇摆，因而作用在活塞销和曲轴主轴颈的表面以及二者的支承表面上的压力和作用点不断变化，从而造成了各种磨损的不均匀性。

2.往复惯性力与离心力

活塞和连杆小端在气缸中作往复直线运动时，速度很高，且数值不断变化。

当活塞从上止点向下止点运动时，其速度变化规律是：

从零开始，逐渐增大，临近中间达最大值，然后又逐渐减小至零。

所以当活塞向下运动时，前半行程是加速度运动，惯性力向上，以

表示；后半行程是减速运动，惯性力向下，以

`表示。

同理，当活塞向上时，前半行程惯性力向下，后半行程惯性力向上。

活塞、活塞销和连杆小端的质量越大，曲轴转速越大，往复惯性力也越大。

它使曲柄连杆的各零件和所有轴颈承受周期性的附加载荷，加快了轴承的磨损。

未被平衡的变化着的惯性力传到气缸体后，还会引发发动机的振动。

3.摩擦力

摩擦力是任何一对互相压紧并做相对运动的零件表面之间必定存在的，其最大值决定于上述各种力对摩擦面形成的正压力和摩擦系数。

上述各种力的作用在曲柄连杆机构和机体的各有关零件上，使它们受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷。

为了保证工作可靠，减少磨损，在结构上必须采取相应的措施。

2轴向柱塞泵传动系统

动力从传动轴传入，传动轴与缸体通过花键连接，传动轴转动时带动缸体一起旋转；柱塞装在缸体上的孔内，能在孔内转动并沿孔的轴向移动；柱塞一端与滑靴用球面副连接，滑靴能在变量头（斜盘）上滑动，滑靴套在回程盘上，由于安装在传动轴上的弹簧力的作用，滑靴紧紧贴在斜盘上。

当有动力输入时，传动轴带动缸体旋转，柱塞跟随缸体转动，同时滑靴在斜盘上滑动，柱塞在柱塞孔内轴向移动，柱塞孔的容积随着缸体转动变化，从而完成吸油和压油。

三、典型机械机构的结构特点

1摩托车发动机的结构特点

摩托车发动机的主要工作机构是曲柄连杆机构，由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。

1）机体组：

气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸衬垫、油底壳等

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。

气功盖用螺柱与气缸体－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功盖的结构又有所不同。

油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。

油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。

油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。

2）活塞连杆组：

活塞、活塞环、活塞销和连杆等

活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。

工作条件活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。

活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。

活塞环是用于崁入活塞槽沟内部的金属环，活塞环分为两种：

压缩环和机油环。

压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。

活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。

往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。

活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。

活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。

为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。

在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏。

连杆中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。

连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。

连杆是发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。

连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。

因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。

它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。

3）曲轴飞轮组：

曲轴、飞轮和扭转减振器等

曲轴是主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下往复运动变成循环旋转运动。

是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：

主轴颈，连杆颈。

主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。

曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑．曲轴的旋转是发动机的动力源。

也是整个机械系统的源动力。

扭转减振器的作用是防止传动系统共振，降低曲轴扭转晃动度,提高曲轴寿命。

2轴向柱塞泵的结构特点

1）构成吸压油腔密闭容积的三对运动摩擦副中，柱塞与缸体柱塞孔之间的圆柱环形间隙加工精度易于保证；缸体与配流盘、滑履与斜盘之间的平面缝隙采用静压平衡，间隙磨损后可以补偿，因此轴向柱塞泵的容积效率较高，额定压力可达到32MPa。

2）为了防止柱塞底部的密闭容积在吸、压油腔转换时由于压力突变而引起的压力冲击，一般在配流盘吸、压油窗口的前端开设减震槽（或减震孔），或者将配流盘顺缸体旋转方向偏转一定角度放置。

开减震槽的配流盘可使柱塞底部的密闭容积在离开吸油腔时，先通过减振槽与压油腔缓慢沟通，压力渐渐上升，然后再接通压油腔；配流盘偏转一定角度放置可利用一定的封闭角度使离开吸油腔的柱塞底部的密闭容积实现预压缩，待压力升高接近或达到压油腔压力时再与压油腔连通。

在采取上述措施之后可有缓减压力突变，减少振动、降低噪声，但因为它们都是针对泵的某一旋转方向而采取的非对称措施，因此泵轴旋转方向不能任意改变。

如果求泵反向旋转或双向旋转，则需要更换配流盘或与生产厂家联系。

3）泵内压油腔的高压油经三对运动摩擦副的间隙泄漏到缸体与泵体之间的空间后，再经泵体上方的泄漏油口直接引回油箱，这不仅可保证泵体内的油液为零压，而且可随时将热油带走，保证泵体内的油液不致过热。

4）本次拆装的斜盘式轴向柱塞泵其传动轴两端均由轴承直接支承，变量斜盘装在传动轴的前端，这样传动轴工作起来更稳定。

5）柱塞泵的瞬时理论流量随缸体的转动而周期性变化，其变化频率与泵的转速和柱塞数有关，由理论推导柱塞数为奇数时的脉动小于偶数时的脉动，因此柱塞泵的柱塞数取为奇数，一般为5，7或9。

四、关键零件测绘

1气缸零件的作用、功能

气缸体的作用除了形成气缸的工作容积外，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。

2零件图

五、总结

这次课程设计历时二个星期，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。

在过去的学习里，我们在课堂上掌握的仅仅是专业的理论面，如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次课程设计的过程中，我感触最深的是碰触真正的发动机。

我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。

这次的设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。

而这次拆卸的过程中，也正好锻炼我们这一点，这是非常宝贵的经验。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。

虽然这只是一次的简单的课程设计，但是对于我们日后工程经验积累有一定的良好影响。

精心搜集整理，只为你的需要