基于內(nèi)燃機(jī)氣門機(jī)構(gòu)及SolidWorks運動仿真

1、重慶理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計專業(yè)課程設(shè)計 設(shè)計題目： 內(nèi)燃機(jī)配氣門設(shè)計與仿真 指導(dǎo)老師： 賈 秋 紅 姓 名： 舒 浩 于 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 11104020617 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 中 國 重 慶2014年6月摘 要內(nèi)燃機(jī)是一種動力機(jī)械，它是通過使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動力的熱力發(fā)動機(jī)。通常所說的內(nèi)燃機(jī)是指活塞式內(nèi)燃機(jī)。 活塞式內(nèi)燃機(jī)以往復(fù)活塞式最為普遍?；钊絻?nèi)燃機(jī)將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)狻Ｈ細(xì)馀蛎浲苿踊钊鞴?，再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動從動機(jī)械工作。內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)氣、

2、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對外作功的過程，其他過程都是為更好地實現(xiàn)作功過程而需要的過程。四沖程是指在進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣四個行程內(nèi)完成一個工作循環(huán)，此間曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈。進(jìn)氣行程時，此時進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉；壓縮行程時，氣缸內(nèi)氣體受到壓縮，壓力增高，溫度上升；膨脹行程是在壓縮上止點前噴油或點火，使混合氣燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓，推動活塞下行并作功；排氣行程時，活塞推擠氣缸內(nèi)廢氣經(jīng)排氣門排出。此后再由進(jìn)氣行程開始，進(jìn)行下一個工作循環(huán). 關(guān)鍵詞：構(gòu)建模型 零件裝配 運動仿真目 錄第一章 設(shè)計要求11.1 設(shè)計任務(wù)1 1.2 設(shè)計思路1第二章 內(nèi)燃機(jī)各零件建模12.1 內(nèi)

3、燃機(jī)的工作原理12.2 內(nèi)燃機(jī)運動循環(huán)圖1 2.3 內(nèi)燃機(jī)各個零件的建模2 2.3.1 活塞的建模2 2.3.2 汽缸的建模4 2.3.3 曲軸建模5 2.3.4 小帶輪建模7 2.3.5 大帶輪建模8 2.3.6 凸輪軸建模8 2.3.7 凸輪建模9 2.3.8 擺臂建模10 2.3.9 彈簧座建模11 2.3.10 氣門頭部建模11 2.3.11 氣缸蓋建模11 2.3.12 活塞銷建模15 2.3.13 連桿建模15第3章 內(nèi)燃機(jī)各零件的裝配15第4章 內(nèi)燃機(jī)的運動仿真17第五章 內(nèi)燃機(jī)的有限元分析18第六章 心得體會20參考文獻(xiàn) 20第一章 設(shè)計要求1.1 設(shè)計任務(wù) 完成四沖程內(nèi)燃機(jī)配

4、氣機(jī)構(gòu)各個零件建模及動畫仿真。內(nèi)燃機(jī)的要求：須完成的動作為：活塞的吸氣，壓縮，做功，排氣4個過程，進(jìn)，排氣門的開關(guān)與關(guān)閉。1.2 設(shè)計思路 四沖程內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵點在于活塞的吸氣，壓縮，做功，排氣以及氣門的開閉幾個動作的完成。參考內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)圖繪制草圖，完成內(nèi)燃機(jī)零件建模及內(nèi)燃機(jī)的裝配工作。最后完成內(nèi)燃機(jī)的運動仿真。第二章 內(nèi)燃機(jī)各零件建模2.1 內(nèi)燃機(jī)的工作原理內(nèi)燃機(jī)的工作是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣這四個過程來完成的，這四個過程構(gòu)成了一個工作循環(huán)?；钊哌^四個過程才能完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)成為4沖程內(nèi)燃機(jī)。2.1.1 吸氣沖程 此時，活塞被曲軸帶動由上止點向下止點移動，同時，進(jìn)氣門開啟，排

5、起門關(guān)閉。當(dāng)活塞由上止點向下止點移動時，活塞上方的容積增大，氣缸內(nèi)氣體壓力下降，形成一定的真空度。由于進(jìn)氣門開啟，氣缸與進(jìn)氣管相通，混合氣被吸入汽缸。當(dāng)活塞移動到下止點時，汽缸內(nèi)充滿了新鮮混合氣以及上一個工作循環(huán)未排出的廢氣?？諝庥煽諝鉃V清器經(jīng)進(jìn)氣道上的化油器，將汽油吸入并霧化成細(xì)小的油粒與空氣混合，即形成可燃混合氣，而后進(jìn)入汽缸。2.1.2 壓縮沖程活塞由下止點移動到上止點，進(jìn)排氣門關(guān)閉。曲軸在飛輪慣性力的作用下帶動旋轉(zhuǎn)，通過連桿推動活塞向上移動，汽缸內(nèi)的氣體容積逐漸減小，氣體被壓縮，汽缸內(nèi)的混合壓力與溫度隨著升高。作用:1.提高空氣的溫度,為燃料的自行發(fā)火作準(zhǔn)備.2.為氣體膨脹作功創(chuàng)造條件

6、2.1.3做功沖程此時，進(jìn)排氣門同時關(guān)閉，火花塞點火，混合氣劇烈燃燒，汽缸內(nèi)的溫度、壓力急劇上升，高溫、高壓氣體推動活塞向下移動，通過連桿帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動機(jī)工作的四個過程中，只有這個在行程才實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以，這個行程又稱為作工行程。2.1.4 排氣沖程.排氣時，排氣門打開，活塞從下止點移動到上止點，廢氣隨著活塞的上行，被排出氣缸。由于排氣系統(tǒng)的阻力，且燃燒室也有一定的容積，所以在排氣終了，不可能將廢氣排凈，這部分留下來的廢氣稱為殘余廢氣。殘余廢氣不僅影響充氣，對燃燒也有不良影響。 2.2內(nèi)燃機(jī)的運動循環(huán)圖進(jìn)氣門打開，氣缸開始進(jìn)氣，當(dāng)進(jìn)氣結(jié)束后，進(jìn)氣門關(guān)閉，活塞開始壓縮，當(dāng)壓縮到一

7、定程度后，噴油嘴噴出霧化的燃料，火花塞放電點火，此時燃料燃燒迅速膨脹對活塞做功，做功完成后，活塞再一次壓縮，排氣門打開，廢氣排出，廢氣排出后，排氣門關(guān)閉，進(jìn)入下一次循環(huán)。 內(nèi)燃機(jī)的運動循環(huán)圖圖2-1 內(nèi)燃機(jī)的圓形運動循環(huán) 內(nèi)燃機(jī)的活塞、進(jìn)氣門、排氣門、噴油嘴和火花塞必須按照圓形運動循環(huán)圖所示協(xié)調(diào)運動，才能完成內(nèi)燃機(jī)的功能。而怎樣才能使機(jī)構(gòu)按照運動循環(huán)圖的分配完成，則是我們在本次設(shè)計中需要攻克的一個難點。2.3 內(nèi)燃機(jī)各個零件的建模 內(nèi)燃機(jī)主要由活塞，活塞銷，氣缸，曲軸，帶輪，凸輪，兩個氣門組成。2.3.1 活塞的建?；钊梢哉f是內(nèi)燃機(jī)中最主要的一個零件，它主要完成對氣體的壓縮，吸氣，排氣也是又

8、活塞的開閉所帶動的，做功也是燃?xì)馀蛎泴钊龉??；钊M由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等組成。活塞呈圓柱形，上面裝有活塞環(huán)，借以在活塞往復(fù)運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環(huán)稱為氣環(huán)，用來封閉氣缸，防止氣缸 內(nèi)的氣體漏泄，下面的環(huán)稱為油環(huán)，用來將氣缸壁上的多余的潤滑油刮下，防止?jié)櫥透Z入氣缸?；钊N呈圓筒形，它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中，將活塞和連 桿聯(lián)接起來。連桿大頭端分成兩半，由連桿螺釘聯(lián)接起來，它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時，連桿小頭端隨活塞作往復(fù)運動，連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作 旋轉(zhuǎn)運動，連桿大小頭間的桿身作復(fù)雜的搖擺運動?；钊慕２襟E可分為：繪制活塞草圖旋轉(zhuǎn)草圖，形成活塞的基本外形輪廓拉

9、伸切除，形成與活塞銷相配合的孔20導(dǎo)相應(yīng)的圓角R5，倒角3x45完成活塞建模。2.3.2 氣缸建模 氣缸是一個圓筒形金屬機(jī)件。密封的氣缸是實現(xiàn)工作循環(huán)、產(chǎn)生動力的源地。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機(jī)體里，它的頂端用氣缸蓋封閉著。活塞可在氣缸套內(nèi)往 復(fù)運動，并從氣缸下部封閉氣缸，從而形成容積作規(guī)律變化的密封空間。燃料在此空間內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)鈩恿ν苿踊钊\動?；钊耐鶑?fù)運動經(jīng)過連桿推動曲軸作 旋轉(zhuǎn)運動，曲軸再從飛輪端將動力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)傳遞動力的主要部分。汽缸的建模步驟主要分為：繪制汽缸草圖拉伸草圖至70mm與汽缸底面相距130mm繪制草圖，拉伸草圖至

10、150mm拉伸切除孔50，形成與曲軸軸頸相配合的凹槽完成汽缸建模。2.3.3 曲軸建模曲軸作為內(nèi)燃機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)零件，可承連桿的上下往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)旋轉(zhuǎn)運動。其有兩個重要部位：主軸頸和連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接。曲軸的旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)的動力源，也是整個機(jī)械系統(tǒng)的動力源。曲軸的建模步驟分為：繪制50x40的圓柱體選擇圓柱底面為基準(zhǔn)面繪制草圖，進(jìn)行草圖拉伸繪制50x20的圓柱體鏡像實體繪制50x32的圓柱體繪制28x30的圓柱體繪制15x30的圓柱體依次完成R10，R5,R3的圓角完成曲軸零件建模。2.3.4 小帶輪建模小帶輪與內(nèi)燃機(jī)曲軸相連接。其作用是傳遞曲軸的扭矩和動力。

11、通過帶輪與皮帶相連接，可將曲軸輸出的動力傳遞給空調(diào)壓縮機(jī)、動力轉(zhuǎn)向泵、水泵、發(fā)電機(jī)、凸輪軸、驅(qū)動正時系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)部件。小帶輪建模步驟分為：繪制草圖旋轉(zhuǎn)草圖完成小帶輪建模2.3.5大帶輪建模大帶輪通過皮帶與小帶輪相連接。小帶輪的轉(zhuǎn)矩通過皮帶傳遞給大帶輪。大帶輪與凸輪軸相連接，凸輪軸的旋轉(zhuǎn)帶動凸輪的旋轉(zhuǎn)，從而完成氣門的開啟和閉合的功能。大帶輪建模步驟分為：繪制草圖旋轉(zhuǎn)草圖完成大帶輪建模2.3.5 凸輪軸建模凸輪軸兩端分別與大帶輪和凸輪相連接。通過凸輪軸，可實現(xiàn)將大帶輪的轉(zhuǎn)矩傳遞給凸輪，使凸輪轉(zhuǎn)動，從而使氣門開啟和關(guān)閉。凸輪軸的建模步驟分為：繪制20x82的圓柱體以圓柱體底面為基準(zhǔn)面，繪制16x50的

12、圓柱體完成凸輪軸的建模。2.3.6 凸輪建模凸輪與導(dǎo)桿的常用接觸方式有3種：尖底接觸，圖2.3.6（a）；滾子接觸，圖2.3.6（b），平底接觸，圖2.3.6（c）。 （a） （b） （c）圖2.3.6 凸輪與導(dǎo)桿的接觸方式圖2.3.6（a）中所示的尖底從動件，在凸輪與導(dǎo)桿的接觸過程中，導(dǎo)桿的尖底易磨損，因而運動速度不能過快，而且尖底從動件在運動過程中壓力角可能過大而導(dǎo)致卡住。圖（c）中所示的平底從動件凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪輪廓曲線與平底接觸處的共法線永遠(yuǎn)垂直于平底，壓力角恒等于零，但是，平底從動件只能與外凸的輪廓曲線相作用，在使用時有一定的局限性；圖（c）中所示的滾子從動件的凸輪機(jī)構(gòu)，它結(jié)合了（a）

13、，（c）兩種凸輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時還能在高的轉(zhuǎn)速下保證好的耐磨性。凸輪的建模步驟分為：繪制草圖拉伸草圖拉伸切除與凸輪軸相配合的孔16x10完成凸輪建模。 2.3.7 擺臂建模擺臂與凸輪相連接，通過凸輪的旋轉(zhuǎn)運動，擺臂將會上下直線運動。而擺臂的另一端與氣門頭部相接觸，從而帶動氣門頭部的上下運動，實現(xiàn)氣門的開啟與關(guān)閉。擺臂的建模步驟分為：繪制草圖拉伸草圖完成擺臂建模。2.3.8 彈簧座建模彈簧座與彈簧接觸，保證氣門頭部被壓下的時候通過彈簧將其復(fù)位，為下次氣門的開啟做準(zhǔn)備。彈簧座的建模步驟分為：繪制草圖旋轉(zhuǎn)草圖完成彈簧座。2.3.9 氣門頭部建模氣門頭部為氣門中的主要部件。氣門頭部的圓盤與氣缸蓋中的進(jìn)

14、、排氣孔相配合。通過氣門頭部的上下運動，實現(xiàn)與氣缸蓋的接觸和分離，從而實現(xiàn)進(jìn)氣口、排氣口的開啟和關(guān)閉。氣門頭部的倒角與氣缸蓋中進(jìn)氣、排氣通道中的倒角應(yīng)相一致，才能保證當(dāng)氣門關(guān)閉的時候，內(nèi)熱機(jī)燃燒室內(nèi)的氣體不會逸出，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的輸出功率大大降低。氣門頭部的建模步驟分為：繪制草圖旋轉(zhuǎn)草圖分別倒角1x60,2x30倒圓角R2完成氣門頭部。2.3.10 氣缸蓋建模氣缸蓋用來封閉氣缸并構(gòu)成燃燒室。側(cè)置氣門式發(fā)動機(jī)氣缸蓋、鑄有水套、進(jìn)水孔、出水孔、火花塞孔、螺栓孔、燃燒室等。頂置氣門式發(fā)動機(jī)氣缸蓋，除了冷卻水套外，還有氣門裝置、進(jìn)氣和排氣通道等。缸蓋在內(nèi)燃機(jī)屬于配氣機(jī)構(gòu),主要是用來封閉汽缸上部,構(gòu)成燃燒室

15、.并做為凸輪軸和搖臂軸還有進(jìn)排氣管的支撐.主要是把空氣吸到汽缸內(nèi)部,火花塞把可燃混合氣體點燃,帶動活塞做功,廢氣從排氣管排出。氣缸蓋用螺栓緊固于機(jī)體頂部，成為柴油機(jī)的頂端部件，故俗稱氣缸頭。其功用如下：1. 封閉氣缸套頂部，與活塞、缸套共同組成密閉的氣缸工作空間。2. 將汽缸套壓緊于機(jī)體正確的位置上，是活塞運動正常。3. 安裝內(nèi)燃機(jī)各種附件，如噴油器，進(jìn)氣、排氣閥裝置，汽缸氣動閥，示功閥，安全閥以及氣閥擺臂裝置等等。4. 布置進(jìn)氣、排氣道，冷卻水道等。在小型高速機(jī)的氣缸蓋中還布置渦流室或預(yù)燃室等。因此氣缸蓋中孔腔、通道繁多，使其結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜。氣缸蓋的建模步驟分為：氣缸蓋草圖的繪制拉伸草圖至

16、90mm以氣缸蓋表面為基準(zhǔn)面，繪制草圖，拉伸切除形成氣缸蓋的殼體分別拉伸切除與兩側(cè)氣門頭部的相配合的通孔8對氣缸蓋分別放樣，拉伸切除，形成吸氣、排氣通道繪制草圖，利用旋轉(zhuǎn)切除，形成氣缸蓋的燃燒室繪制草圖，對其拉伸切除，形成20x32的盲孔繪制草圖，對其拉伸切除，形成20的通孔分別進(jìn)行1x60的倒角，R1的圓角完成氣缸蓋的建模。 2.3.11 活塞銷建?；钊N是裝在活塞裙部的圓柱形銷子，它的中部穿過連桿小頭孔，用來連接活塞和連桿，把活塞承受的氣體作用力傳給連桿。為了減輕重量，活塞銷一般用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，并作成空心?；钊N的建模步驟可分為：繪制20x82mm的圓柱體倒角1x45完成活塞銷的建模。2

17、.3.12 連桿建模連桿的共用時將活塞承受的力傳給曲軸，推動曲軸轉(zhuǎn)動，使活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動。連桿在工作中要承受活塞銷傳來的氣體作用力、活塞連桿組往復(fù)運動的慣性力和連桿大頭繞曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力的作用。上述這些作用力都是交變載荷，而連桿本身又是一個較長的桿件，因此要求你連桿要有足夠的強(qiáng)度和剛度，質(zhì)量要盡量小。連桿的建模步驟可分為：繪制草圖拉伸草圖至18mm完成連桿的建模。第3章 內(nèi)燃機(jī)各零件的裝配首先插入汽缸，使其作為裝配機(jī)架使用。然后插入活塞。選擇與汽缸的配合方式為同心。插入活塞銷，選擇與活塞孔R50的配合方式為同心，與活塞圓柱平面的配合方式為重合。插入連桿。其中小孔與活塞

18、銷為同心配合，外表面與汽缸的表面為距離配合，其距離大小為9mm。插入曲軸。曲軸的軸頸50x40的外圓與汽缸中的凹槽為同心配合，軸頸端面與汽缸表面為重合配合。曲軸中間50x40的外圓柱表面與連桿較大孔為同心配合。插入小帶輪。小帶輪孔15與曲軸軸頸15x40的配合方式為同心。同時小帶輪的端面與曲軸軸頸15x40的端面為重合。插入氣缸蓋。選擇氣缸蓋的底面與汽缸頂面的配合方式為重合。氣缸蓋的底端側(cè)面與汽缸側(cè)面的配合方式為重合。氣缸蓋的前端面與汽缸前端面的配合方式為重合。插入液壓挺桿2。與氣缸蓋盲孔20x32為同心配合。液壓挺桿2的底端與盲孔20x32的底端為重合配合。插入液壓挺桿1。其圓柱面14x15

19、與液壓挺桿2孔14x25為同心配合。插入氣門頭部。與氣缸蓋通孔8為同心配合。同時為了凸輪以及凸輪軸的配合方便，將氣門頭部的倒角1x60與氣缸蓋中的倒角1x60重合配合，使其固定，方便后續(xù)零件的裝配。插入彈簧座。彈簧座孔8與氣門頭部圓柱面8為同心配合，彈簧座端面與氣門頭部端面為重合配合。插入擺臂 。擺臂兩底端平面分別于彈簧座，液壓挺桿1的上端為重合配合。調(diào)整與氣缸蓋表面適當(dāng)?shù)木嚯x，使用鎖定配合，將擺臂和液壓挺桿1兩個零件固定。插入凸輪軸。其圓柱面20與氣缸蓋的通孔20為同心配合。插入凸輪。氣孔16與凸輪軸圓柱面16為同心配合。分別選擇凸輪端面和凸輪軸端面，使其為重合配合。分別選擇凸輪和擺臂端面，

20、使其為重合配合。凸輪外圓與擺臂上端圓弧為相切配合。插入大帶輪。選擇大帶輪孔20，與凸輪軸圓柱面20為同心配合。選擇大帶輪端面與凸輪軸端面，選擇重合配合。將氣門頭部的倒角1x60與氣缸蓋中的倒角1x60重合配合刪除，使氣門頭部和氣缸蓋能自由的做相對運動。刪除凸輪外圓與擺臂上端圓弧為相切配合，使其擺臂能沿凸輪的外輪廓上下運動。至此，內(nèi)燃機(jī)的所有零件都已安第四章 內(nèi)燃機(jī)的運動仿真 點擊SolidWorks的運動算例，進(jìn)入仿真界面。選擇皮帶鏈命令，添加帶輪皮帶。皮帶接觸面為大、小帶輪的凹槽面。選擇實體接觸命令，零部件為凸輪和擺臂。選擇彈簧命令，添加線性彈簧。彈簧的端點選擇彈簧座孔8與氣缸蓋通孔8的表面。添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，選擇曲軸軸頸50x40為馬達(dá)位置，完成馬達(dá)安裝。至此，仿真的所