基于SolidWorks内燃机运动仿真设计.docx
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基于SolidWorks内燃机运动仿真设计
河南理工大学万方科技学院本科生毕业论文（设计）
基于solidwork活塞发动机运动仿真设计
院系名称
河南理工万方科技学院防空兵校区
姓 名
陈静
学 号
112608060168
专 业
电子信息工程
指导教师
薛雷
2015年4月7日
摘要
内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。
通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。
活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。
活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。
燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。
内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。
这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。
四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。
进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。
此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环.
关键词：
构建模型零件装配运动仿真
目录
第一章设计要求……………………………………1
1.1设计任务…………………………………………1
1.2设计思路…………………………………………1
第二章内燃机各零件建模…………………………1
2.1内燃机的工作原理………………………………1
2.2内燃机运动循环图………………………………1
2.3内燃机各个零件的建模…………………………2
2.3.1活塞的建模……………………………2
2.3.2汽缸的建模……………………………4
2.3.3曲轴建模………………………………5
2.3.4小带轮建模……………………………7
2.3.5大带轮建模……………………………8
2.3.6凸轮轴建模……………………………8
2.3.7凸轮建模………………………………9
2.3.8摆臂建模………………………………10
2.3.9弹簧座建模……………………………11
2.3.10气门头部建模…………………………11
2.3.11气缸盖建模……………………………11
2.3.12活塞销建模……………………………15
2.3.13连杆建模………………………………15
第3章内燃机各零件的装配…………………………………15
第4章内燃机的运动仿真……………………………………17
第五章内燃机的有限元分析………………………18
第六章心得体会……………………………………20
参考文献……………………………………………20
第一章设计要求
1.1设计任务
完成四冲程内燃机配气机构各个零件建模及动画仿真。
内燃机的要求：
须完成的动作为：
活塞的吸气，压缩，做功，排气4个过程，进，排气门的开关与关闭。
1.2设计思路
四冲程内燃机的关键点在于活塞的吸气，压缩，做功，排气以及气门的开闭几个动作的完成。
参考内燃机的结构图绘制草图，完成内燃机零件建模及内燃机的装配工作。
最后完成内燃机的运动仿真。
第二章内燃机各零件建模
2.1内燃机的工作原理
内燃机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。
活塞走过四个过程才能完成一个工作循环的内燃机成为4冲程内燃机。
2.1.1吸气冲程
此时，活塞被曲轴带动由上止点向下止点移动，同时，进气门开启，排起门关闭。
当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，气缸内气体压力下降，形成一定的真空度。
由于进气门开启，气缸与进气管相通，混合气被吸入汽缸。
当活塞移动到下止点时，汽缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。
空气由空气滤清器经进气道上的化油器，将汽油吸入并雾化成细小的油粒与空气混合，即形成可燃混合气，而后进入汽缸。
2.1.2压缩冲程
活塞由下止点移动到上止点，进排气门关闭。
曲轴在飞轮惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，汽缸内的气体容积逐渐减小，气体被压缩，汽缸内的混合压力与温度随着升高。
作用:
1.提高空气的温度,为燃料的自行发火作准备.
2.为气体膨胀作功创造条件
2.1.3做功冲程
此时，进排气门同时关闭，火花塞点火，混合气剧烈燃烧，汽缸内的温度、压力急剧上升，高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连杆带动曲轴旋转。
在发动机工作的四个过程中，只有这个在行程才实现热能转化为机械能，所以，这个行程又称为作工行程。
2.1.4排气冲程.
排气时，排气门打开，活塞从下止点移动到上止点，废气随着活塞的上行，被排出气缸。
由于排气系统的阻力，且燃烧室也有一定的容积，所以在排气终了，不可能将废气排净，这部分留下来的废气称为残余废气。
残余废气不仅影响充气，对燃烧也有不良影响。
2.2内燃机的运动循环图
进气门打开，气缸开始进气，当进气结束后，进气门关闭，活塞开始压缩，当压缩到一定程度后，喷油嘴喷出雾化的燃料，火花塞放电点火，此时燃料燃烧迅速膨胀对活塞做功，做功完成后，活塞再一次压缩，排气门打开，废气排出，废气排出后，排气门关闭，进入下一次循环。
内燃机的运动循环图
图2-1内燃机的圆形运动循环
内燃机的活塞、进气门、排气门、喷油嘴和火花塞必须按照圆形运动循环图所示协调运动，才能完成内燃机的功能。
而怎样才能使机构按照运动循环图的分配完成，则是我们在本次设计中需要攻克的一个难点。
2.3内燃机各个零件的建模
内燃机主要由活塞，活塞销，气缸，曲轴，带轮，凸轮，两个气门组成。
2.3.1活塞的建模
活塞可以说是内燃机中最主要的一个零件，它主要完成对气体的压缩，吸气，排气也是又活塞的开闭所带动的，做功也是燃气膨胀对活塞做功。
活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。
活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。
上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。
活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆联接起来。
连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。
连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。
活塞的建模步骤可分为：
绘制活塞草图→旋转草图，形成活塞的基本外形轮廓→拉伸切除，形成与活塞销相配合的孔Ф20→导相应的圆角R5，倒角3x45º→完成活塞建模。
2.3.2气缸建模
气缸是一个圆筒形金属机件。
密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。
各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。
活塞可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化的密封空间。
燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。
活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。
由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。
汽缸的建模步骤主要分为：
绘制汽缸草图→拉伸草图至70mm→与汽缸底面相距130mm绘制草图，拉伸草图至150mm→拉伸切除孔Ф50，形成与曲轴轴颈相配合的凹槽→完成汽缸建模。
2.3.3曲轴建模
曲轴作为内燃机的主要旋转零件，可承连杆的上下往复运动转变为循环旋转运动。
其有两个重要部位：
主轴颈和连杆颈。
主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接。
曲轴的旋转式内燃机的动力源，也是整个机械系统的动力源。
曲轴的建模步骤分为：
绘制Ф50x40的圆柱体→选择圆柱底面为基准面绘制草图，进行草图拉伸→绘制Ф50x20的圆柱体→镜像实体→绘制Ф50x32的圆柱体→绘制Ф28x30的圆柱体→绘制Ф15x30的圆柱体→依次完成R10，R5,R3的圆角→完成曲轴零件建模。
2.3.4小带轮建模
小带轮与内燃机曲轴相连接。
其作用是传递曲轴的扭矩和动力。
通过带轮与皮带相连接，可将曲轴输出的动力传递给空调压缩机、动力转向泵、水泵、发电机、凸轮轴、驱动正时系统等机构部件。
小带轮建模步骤分为：
绘制草图→旋转草图→完成小带轮建模
2.3.5大带轮建模
大带轮通过皮带与小带轮相连接。
小带轮的转矩通过皮带传递给大带轮。
大带轮与凸轮轴相连接，凸轮轴的旋转带动凸轮的旋转，从而完成气门的开启和闭合的功能。
大带轮建模步骤分为：
绘制草图→旋转草图→完成大带轮建模
2.3.5凸轮轴建模
凸轮轴两端分别与大带轮和凸轮相连接。
通过凸轮轴，可实现将大带轮的转矩传递给凸轮，使凸轮转动，从而使气门开启和关闭。
凸轮轴的建模步骤分为：
绘制Ф20x82的圆柱体→以圆柱体底面为基准面，绘制Ф16x50的圆柱体→完成凸轮轴的建模。
2.3.6凸轮建模
凸轮与导杆的常用接触方式有3种：
尖底接触，图2.3.6（a）；滚子接触，图2.3.6（b），平底接触，图2.3.6（c）。
（a）（b）（c）
图2.3.6凸轮与导杆的接触方式
图2.3.6（a）中所示的尖底从动件，在凸轮与导杆的接触过程中，导杆的尖底易磨损，因而运动速度不能过快，而且尖底从动件在运动过程中压力角可能过大而导致卡住。
图（c）中所示的平底从动件凸轮机构，凸轮轮廓曲线与平底接触处的共法线永远垂直于平底，压力角恒等于零，但是，平底从动件只能与外凸的轮廓曲线相作用，在使用时有一定的局限性；图（c）中所示的滚子从动件的凸轮机构，它结合了（a），（c）两种凸轮结构的优点，同时还能在高的转速下保证好的耐磨性。
凸轮的建模步骤分为：
绘制草图→拉伸草图→拉伸切除与凸轮轴相配合的孔Ф16x10→完成凸轮建模。
2.3.7摆臂建模
摆臂与凸轮相连接，通过凸轮的旋转运动，摆臂将会上下直线运动。
而摆臂的另一端与气门头部相接触，从而带动气门头部的上下运动，实现气门的开启与关闭。
摆臂的建模步骤分为：
绘制草图→拉伸草图→完成摆臂建模。
2.3.8弹簧座建模
弹簧座与弹簧接触，保证气门头部被压下的时候通过弹簧将其复位，为下次气门的开启做准备。
弹簧座的建模步骤分为：
绘制草图→旋转草图→完成弹簧座。
2.3.9气门头部建模
气门头部为气门中的主要部件。
气门头部的圆盘与气缸盖中的进、排气孔相配合。
通过气门头部的上下运动，实现与气缸盖的接触和分离，从而实现进气口、排气口的开启和关闭。
气门头部的倒角与气缸盖中进气、排气通道中的倒角应相一致，才能保证当气门关闭的时候，内热机燃烧室内的气体不会逸出，导致内燃机的输出功率大大降低。
气门头部的建模步骤分为：
绘制草图→旋转草图→分别倒角1x60º,2x30º→倒圆角R2→完成气门头部。
2.3.10气缸盖建模
气缸盖用来封闭气缸并构成燃烧室。
侧置气门式发动机气缸盖、铸有水套、进水孔、出水孔、火花塞孔、螺栓孔、燃烧室等。
顶置气门式发动机气缸盖，除了冷却水套外，还有气门装置、进气和排气通道等。
缸盖在内燃机属于配气机构,主要是用来封闭汽缸上部,构成燃烧室.并做为凸轮轴和摇臂轴还有进排气管的支撑.主要是把空气吸到汽缸内部,火花塞把可燃混合气体点燃,带动活塞做功,废气从排气管排出。
气缸盖用螺栓紧固于机体顶部，成为柴油机的顶端部件，故俗称气缸头。
其功用如下：
1.封闭气缸套顶部，与活塞、缸套共同组成密闭的气缸工作空间。
2.将汽缸套压紧于机体正确的位置上，是活塞运动正常。
3.安装内燃机各种附件，如喷油器，进气、排气阀装置，汽缸气动阀，示功阀，安全阀以及气阀摆臂装置等等。
4.布置进气、排气道，冷却水道等。
在小型高速机的气缸盖中还布置涡流室或预燃室等。
因此气缸盖中孔腔、通道繁多，使其结构形状较为复杂。
气缸盖的建模步骤分为：
气缸盖草图的绘制→拉伸草图至90mm→以气缸盖表面为基准面，绘制草图，拉伸切除形成气缸盖的壳体→分别拉伸切除与两侧气门头部的相配合的通孔Ф8→对气缸盖分别放样，拉伸切除，形成吸气、排气通道→绘制草图，利用旋转切除，形成气缸盖的燃烧室→绘制草图，对其拉伸切除，形成Ф20x32的盲孔→绘制草图，对其拉伸切除，形成Ф20的通孔→分别进行1x60º的倒角，R1的圆角→完成气缸盖的建模。
2.3.11活塞销建模
活塞销是装在活塞裙部的圆柱形销子，它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，把活塞承受的气体作用力传给连杆。
为了减轻重量，活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。
活塞销的建模步骤可分为：
绘制Ф20x82mm的圆柱体→倒角1x45º→完成活塞销的建模。
2.3.12连杆建模
连杆的共用时将活塞承受的力传给曲轴，推动曲轴转动，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。
连杆在工作中要承受活塞销传来的气体作用力、活塞连杆组往复运动的惯性力和连杆大头绕曲轴旋转产生的旋转惯性力的作用。
上述这些作用力都是交变载荷，而连杆本身又是一个较长的杆件，因此要求你连杆要有足够的强度和刚度，质量要尽量小。
连杆的建模步骤可分为：
绘制草图→拉伸草图至18mm→完成连杆的建模。
第3章内燃机各零件的装配
首先插入汽缸，使其作为装配机架使用。
然后插入活塞。
选择与汽缸的配合方式为同心。
插入活塞销，选择与活塞孔R50的配合方式为同心，与活塞圆柱平面的配合方式为重合。
插入连杆。
其中小孔与活塞销为同心配合，外表面与汽缸的表面为距离配合，其距离大小为9mm。
插入曲轴。
曲轴的轴颈Ф50x40的外圆与汽缸中的凹槽为同心配合，轴颈端面与汽缸表面为重合配合。
曲轴中间Ф50x40的外圆柱表面与连杆较大孔为同心配合。
插入小带轮。
小带轮孔Ф15与曲轴轴颈Ф15x40的配合方式为同心。
同时小带轮的端面与曲轴轴颈Ф15x40的端面为重合。
插入气缸盖。
选择气缸盖的底面与汽缸顶面的配合方式为重合。
气缸盖的底端侧面与汽缸侧面的配合方式为重合。
气缸盖的前端面与汽缸前端面的配合方式为重合。
插入液压挺杆2。
与气缸盖盲孔Ф20x32为同心配合。
液压挺杆2的底端与盲孔Ф20x32的底端为重合配合。
插入液压挺杆1。
其圆柱面Ф14x15与液压挺杆2孔Ф14x25为同心配合。
插入气门头部。
与气缸盖通孔Ф8为同心配合。
同时为了凸轮以及凸轮轴的配合方便，将气门头部的倒角1x60º与气缸盖中的倒角1x60º重合配合，使其固定，方便后续零件的装配。
插入弹簧座。
弹簧座孔Ф8与气门头部圆柱面Ф8为同心配合，弹簧座端面与气门头部端面为重合配合。
插入摆臂。
摆臂两底端平面分别于弹簧座，液压挺杆1的上端为重合配合。
调整与气缸盖表面适当的距离，使用锁定配合，将摆臂和液压挺杆1两个零件固定。
插入凸轮轴。
其圆柱面Ф20与气缸盖的通孔Ф20为同心配合。
插入凸轮。
气孔Ф16与凸轮轴圆柱面Ф16为同心配合。
分别选择凸轮端面和凸轮轴端面，使其为重合配合。
分别选择凸轮和摆臂端面，使其为重合配合。
凸轮外圆与摆臂上端圆弧为相切配合。
插入大带轮。
选择大带轮孔Ф20，与凸轮轴圆柱面Ф20为同心配合。
选择大带轮端面与凸轮轴端面，选择重合配合。
将气门头部的倒角1x60º与气缸盖中的倒角1x60º重合配合删除，使气门头部和气缸盖能自由的做相对运动。
删除凸轮外圆与摆臂上端圆弧为相切配合，使其摆臂能沿凸轮的外轮廓上下运动。
至此，内燃机的所有零件都已安
第四章内燃机的运动仿真
点击SolidWorks的运动算例，进入仿真界面。
选择皮带链命令，添加带轮皮带。
皮带接触面为大、小带轮的凹槽面。
选择实体接触命令，零部件为凸轮和摆臂。
选择弹簧命令，添加线性弹簧。
弹簧的端点选择弹簧座孔Ф8与气缸盖通孔Ф8的表面。
添加旋转马达，选择曲轴轴颈Ф50x40为马达位置，完成马达安装。
至此，仿真的所有准备工作都已完成。
点击计算命令，进行仿真计算。
活塞运动速度图
气门头部运动速度图
对活塞运动图和气门头部速度图联合分析，可以得出：
当活塞往复运动2个周期时，气门头部运动一次。
因此，可以满足四冲程内燃机的基本要求：
活塞在吸气，压缩，做功，排气4个过程，曲轴旋转2次，进/排气门的开启或关闭一次。
第五章内燃机的有限元分析
在内燃机中，由于连杆和气门头部都受循环应力作用，但气门头部的应力大小比连杆所受的应力小很多，因此对连杆进行有限元分析，而气门头部可忽略分析。
连杆的应力图解如图所示：
连杆的安全系数图为
对上述两图分析可知：
连杆孔Ф50的孔周边所受的应力较大，可将连杆孔Ф50处的壁厚增大，一减少此处的应力。
通过对安全系数图的分析可得连杆的安全系数在728.71-16711.13之间，属于安全范围内。
第六章心得体会
通过此次课程设计，使我对AutoCAD，SolidWorks等软件的使用得到了巩固。
同时通过查阅本次课程设计题目相关的书籍，让我对内燃机的内部结构更加的了解，也让我学会了如何利用你周围重要资源。
此次课程设计对于我而言不仅是一种单纯的任务,还是一个机会,我们应该好好的利用这次机会去锻炼自己,使自己的能力有所提高,为我以后学习和迈向社会打下坚实的基础。
参考文献[
[1]濮良贵纪名刚；机械设计；高等教育出版社
[2]宋年秀刘涛姜立标；图解汽车发动机构造与拆装；中国电力出版社
[3]张晋西郭学琴；SolidWorks及cosmosmotion机械仿真设计；清华大学出版社
[4]刘新平曾鑫；汽车发动机拆装机能实训；人民邮电出版社
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