FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计毕业设计.docx

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FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计毕业设计

FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计

摘要

以FSAE大学生方程式赛车中最常用的HONDACBR600-F4i发动机为例，探讨了该型号发动机中缸盖及配气机构的结构，并计算缸盖总体尺寸，凸轮型线方程式，并校核气门弹簧力。

气缸盖是提高整机性能的重要结构件之一，是发动机技术竞争的焦点。

气缸盖的气门排列方式与气道结构形式影响进气充量和气流在气缸内的运动，从而影响了燃烧效率，对整机的动力性、经济性以及排放都有直接的影响；配气机构的形式影响充气系数和整机噪声等；缸盖燃烧室决定了影响整机动力性能的压缩比ε，影响HC排放的F/V和对挤流起决定性作用的挤气面积以及挤气间隙，所以燃烧室对整机动力性、经济性、排放等都有重要的影响；气缸盖是整机热负荷与热应力最大的部件之一，热负荷过高将不利于发动机寿命以及可靠性的提高。

在实际中要特别防止发动机的局部过热，因而对缸盖必须要有充分的冷却。

关键词FSAE；发动机；缸盖；气门

Abstract

Inthispaper,FormulainFSAEcollegestudentsthemostcommonlyusedHONDACBR600-F4iengineasanexample,discussesthemodelofCylinderheadandgasdistributionagencies,andcalculateoverallsizeofcylinderhead,equationofCAMcontourline,andcheckvalvespringforce.Cylinderheadisoneofthecorepartsthataffecttheperformanceoftheengine.Itisthethefocusofthecompetition.Thedisposalofthevalvesandintakemanifoldstructurenotonlyaffectfreshairchargebutairflowinthecylinder,whichimmediatelyaffectcombustionefficiencyandtheperformanceofdynamic,economicandemission.Thestructureoftheairdistributinginstitutionhasinfluenceonchargingefficiencyandthenoiseofengine.Thecombustionchamberaffectscompressionscalewhichhasgreatinfluenceondynamicalperformance;F/VwhichaffectstheexhaustofHC;Squashareaandclearancewhichhavegreatinfluenceontheintensityofsquash.So,combustionchamberhasgreatinfluenceondynamicalperformance,economicalperformance,emissionandsoon.Cylinderheadisoneofthehighesttemperatureparts.Higherheatstresswilllowertheengine’susefullifeandsecurity.Inpractical,itisimportanttoavoidlocaloverheating.Tofullcooltocylinderheadisnecessary.

Keywords:

FSAE;Engine;Cylinderhead;Thevalve

摘要1

Abstract1

4气缸盖罩

4.1进气门室罩

4.2排气门室罩

4.3盖板

附录1

附录2

1绪论

1.1FSAE大学生方程式大赛

1.1.1赛事起源

FSAE方程式（FormulaSAE）系列赛源于1978年。

第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。

当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。

SAE方程式（FormulaSAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。

为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。

赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。

在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。

为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。

某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。

预期的销售市场是周末业余汽车比赛。

因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。

该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。

此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。

制造企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。

设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。

各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。

1.1.2赛事简介

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。

2010年第一届中国FSC由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团——易车（BITAUTO）联合发起举办。

中国FSC秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家FSC赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。

中国FSC致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。

中国FSC是一项非盈利的社会公益性事业，利在当代，功在未来。

项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。

社会各界对项目投入的人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。

1.1.3FSAE大赛的意义

目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。

从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。

大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：

一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为

院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。

在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIAUGANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。

与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。

FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。

1.2论文的研究背景及意义

目前，随着人们生活水平的提高，汽车、摩托车日益成为人们生活当中重要交通工具，对机械产品的需求量是越来越大，产品质量要求是越来越高。

同时，随着科学技术的发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展。

产品的结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高，为使产品能够安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静动态特性。

同时，设备在工作时产生的振动和噪声，会损害操作者的身心健康，污染环境。

因此必须对机械产品进行动态分析和动态设计，以满足机械结构静、动态特性与低振动、低噪声的要求。

这一切都要求工程师在设计阶段就能精确的预测出产品或工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场等技术参数进行分析计算。

为了在工程应用中节约成本、提高设计效率、缩短设计周期，很多厂家已经把前期的软件模拟作为检验设计成败的一个关键步骤。

发动机在车辆中是动力部件，其性能直接影响车辆在使用中的工作状况和可靠性。

发动机的发展向着大功率轻重量的方向发展，使得其刚度不断减少，从而加剧了发动机的振动和结构噪声，这类振动将直接影响发动机的寿命。

因此对发动机必须进行动态设计与分析，把动态特性作为设计的重要目标。

气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机和柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。

汽油机的燃烧室主要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。

气缸盖的作用是密封气缸套并与活塞共同形成燃烧室空间，结构及形状复杂，除须承受高温、高压燃气的作用外，还须承受很大的螺栓预紧力。

气缸盖各部分的温度分布很不均匀，如底面燃烧室部分温度很高，而冷却水套部分的温度较低，进、排气道温度相差也很大。

因此，气缸盖承受的机械应力和热应力都很大。

此外，其结构形状复杂，铸造残余应力大，是发动机设计难度最大的零件之一。

要把气缸盖布置得既紧凑又合理，既要能组织有效的冷却水流，又避免产生应力集中，是非常重要的。

压缩比、进气量、进气温度、燃油雾化质量、进排气系统的构造、燃烧室积碳情况、配气相位、活塞与气缸的配合间隙、发动机的气缸数与排量等，这些都会影响发动机的动力性，而这些参数都与发动机的气缸盖的结构有直接的关系，所以为增加发动机的动力性必须注重气缸盖的设计。

配气机构是发动机的重要组成部分，发动机配气机构，经常处在高温、高压下工作，因此气门机构是发动机最容易发生故障的零部件之一。

而配气机构性能的好坏,直接影响到发动机的经济性、可靠性,并对发动机噪声与振动产生直接影响。

而配气机构的主要零件气门既是燃烧室的组成部分，又是气体进、出燃烧室的通道，工作时需承受很高的机械负荷和热负荷，尤其是排气门，由于经常受到高温燃气的冲刷，从而更加容易产生漏气、腐蚀与烧损等现象，工作条件也就更为严酷。

其后果将影响气缸内的换气质量，严重时会导致燃烧恶化，从而降低了发动机的经济性、动力性和可靠性。

因此，对发动机的配气机构特别是气门进行深入研究是非常有必要的。

随着发动机强化程度的不断提高,气缸盖和配气机构已经成为发动机发展过程中的一个重要而且困难的环节。

这不只是由于内燃机转速的急剧增长,使机构零件惯性力和振动迅速提高,而且还由于内燃机平均有效压力的增加。

因此气缸盖