搜索
重庆理工大学机械设计专业课程设计设计题目：内燃机配气门设计与仿真指导老师：贾秋红姓名：舒浩于专业：机械设计制造及其自动化学号：11104020617学院：机械工程学院中国重庆2014年6月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……………………………………11.1设计任务…………………………………………11.2设计思路…………………………………………1第二章内燃机各零件建模…………………………12.1内燃机的工作原理………………………………12.2内燃机运动循环图………………………………12.3内燃机各个零件的建模…………………………22.3.1活塞的建模……………………………22.3.2汽缸的建模……………………………42.3.3曲轴建模………………………………52.3.4小带轮建模……………………………72.3.5大带轮建模……………………………82.3.6凸轮轴建模……………………………82.3.7凸轮建模………………………………92.3.8摆臂建模………………………………102.3.9弹簧座建模……………………………112.3.10气门头部建模…………………………112.3.11气缸盖建模……………………………112.3.12活塞销建模……………………………152.3.13连杆建模………………………………15第三章内燃机各零件的装配…………………………………15第四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……………………………………………20-1-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-2-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-3-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。-4-2.3.2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。-5-2.3.3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。-6--7-2.3.4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-8-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。-9-2.3.6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。-10-2.3.7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。-11-2.3.8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：-12-1.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。-13--14-2.3.11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