擺動活塞式發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶CAD圖
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Mechanical Engineering in the Information Age
In the early 1980s, engineers thought that massive research would be needed to speed up product development. As it turns out, less research is actually needed because shortened product development cycles encourage engineers to use available technology. Developing a revolutionary technology for use in a new product is risky and prone to failure. Taking short steps is a safer and usually more successful approach to product development.
Shorter product development cycles are also beneficial in an engineering would in which both capital and labor are global. People who can design and manufacture various products can be found anywhere in the world, but containing a new idea is hard. Geographic distance is no longer a barrier to others finding out about your development six months into the process. If you’ve got a short development cycle, the situation is not catastrophic－as long as you maintain your lead. But if you’re in the midst of a six-year development process and a competitor gets wind of your work, the project could be in more serious trouble.
The idea that engineers need to create a new design to solve every problem is quickly becoming obsolete. The first step in the modern design process is to browse the Internet or other information systems to see if someone else has already designed a transmission, or a heat exchanger that is close to what you need. Through these information systems, you may discover that someone already has manufacturing drawings, numerical control programs, and everything else required to manufacture your product. Engineers can then focus their professional competence on unsolved problems.
Many engineers have as their function the designing of products that are to be brought into reality through the processing or fabrication of materials. In this capacity they are a key factor in the material selection-manufacturing procedure. A design engineer, better than any other person, should know what he or she wants a design to accomplish. He knows what assumptions he has made about service loads and requirements, what service environment the product must withstand, and what appearance he wants the final product to have. In order to meet these requirements he must select and specify the material(s) to be used. In most cases, in order to utilize the material and to enable the product to have the desired form, he knows that certain manufacturing processes will have to be employed. In many instances, the selection of a specific material may dictate what processing must be used. At the same time, when certain processes are to be used, the design may have to be modified may dictate what processing must be used. At the same time, when certain processes are to be used, the design may have be modified in order for the process to be utilized effectively and economically. Certain dimensional tolerances can dictate the processing. In any case, in the sequence of converting the design into reality, such decisions must be made by someone. In most instances they can be made most effectively at the design stage, by the designer if he has are a son ably adequate knowledge concerning materials and manufacturing processes. Otherwise, decisions may be made that will detract from thee effectiveness of the product, or the product may be needlessly costly. It is thus apparent that design engineers are a vital factor in the manufacturing process, and it is indeed a blessing to the company if they can design for producibility—that is, for efficient production.
Manufacturing engineers select and coordinate specific processes and equipment to be used, or supervise and manage their use. Some design special tooling that is used so that standard machines can be utilized en producing specific products. These engineers must habe abroad knowledge of machine and process capabilities and of materials, so that desired operations can be done effectively and effi8ciently without overloading or damaging machines and without adversely affecting the materials being processed. These manufacturing engineers also play an important role en manufacturing.
A relatively small group of engineers design the machines and equipment used en manufacturing. They obviously are design engineers and, relative to their products, they have the same concerns of the interrelationship of design, materials, and manufacturing processes. However they have an even greater concern regarding the properties of the materials that their machines are going to process and the interrelations of the materials and machines.
Still another group of engineers—the materials engineers—devote their major efforts toward developing new and better materials. They, too, must be concerned with how these materials can be processed and with the effects the processing will have on the properties of the materials.
Although their roles may be quite different, it is apparent that a large proportion of engineers must concern themselves with the interrelationship between materials and manufacturing processes.
Low-cost manufacture does not just happen. There is a close and interdependent relationship between the design of a product, selection of materials, selection of processes and equipment, and tooling selection and design. Each of these must be carefully considered, planned, and coordinated before manufacturing starts. This lead time, particularly for complicated products, may take months, even years, and the expenditure of large amount of money may be involved. Typically, the lead time for a completely new model of an automobile is about 2 years, for amodern aircraft it may be 4years.
In tackling such problems, the availability of high-powered personal computers and access to the information highway dramatically enhance the capability of the engineering team and its productivity. These information age tools can give the team access to massive databases of material properties, standards, technologies, and successful designs. Such protested designs can be downloaded for direct use or quickly modified to meet specific needs. Remote manufacturing, in which product instructions are sent out over a network, is also possible. You could end up with a virtual company where you don’t have to see any hardware. When the product is completed, you can direct the manufacturer to drop-ship it to your customer. Periodic visits to the customer can be made to ensure that the product you designed is working according to the specifications. Although all of these developments won’t apply equally to every company, the potential is there.
Custom design used to be left to small companies. Big companies sneered at it－they hated the idea of dealing with niche markets or small-volume custom solutions. “Here is my product,” One of the big companies would say. “ This is the best we can make it－you ought to like it. If you don’t, there’s smaller company down the street that will work on your problem. ”
Today, nearly every market is a niche market, because customers are selective. If you ignore the potential for tailoring your product to specific customers’ needs, you will lose the major part of your market share－perhaps all of it. Since these niche markets are transient, your company needs to be in a position to respond to them quickly.
The emergence of niche markets and design on demand has altered the way engineers conduct research. Today, research is commonly directed toward solving particular problems. Although this situation is probably temporary, much uncommitted technology, developed at government expense or written off by major corporations, is available today at very low cost. Following modest modifications, such technology can often be used directly in product development, which allows many organizations to avoid the expense of an extensive research effort. Once the technology is free of major obstacles, the research effort can focus on overcoming the barriers to commercialization rather than on pursuing new and interesting, but undefined, alternatives.
When viewed in this perspective, engineering research must focus primarily on removing the barriers to rapid commercialization of known technologies. Much of this effort must address quality and reliability concerns, which are foremost in the minds of today’s consumers. Clearly, a reputation for poor quality is synonymous with bad business. Everything possible－including thorough inspection at the end of the manufacturing line and automatic replacement of defective products－must be done to assure that the customer receives a properly functioning product.
Research has to focus on the cost benefit of factors such as reliability. As reliability increases, manufacturing costs and the final cost of the system will decrease. Having 30 percent junk at the end of a production line not only costs a fortune but also creates an opportunity for a competitor to take your idea and sell it to your customers.
Central to the process of improving reliability and lowering costs is the intensive and widespread use of design software, which allows engineers to speed up every stage of the design process. Shortening each stage, however, may not sufficiently reduce the time required for the entire process. Therefore, attention must also be devoted to concurrent engineering software with shared databases that can be accessed by all members of the design team.
As we move more fully into the Information Age, success will require that the engineer possess some unique knowledge of and experience in both the development and the management of technology. Success will require broad knowledge and skills as well as expertise in some key technologies and disciplines; it will also require a keen awareness of the social and economic factors at work in the marketplace. Increasingly, in the future, routine problems will not justify heavy engineering expenditures, and engineers will be expected to work cooperatively in solving more challenging, more demanding problems in substantially less time. We have begun a new phase in the practice of engineering. It offers great promise and excitement as more and more problem－solving capability is placed in the hands of the computerized and wired engineer. To assure success, the capability of our tools and the unquenched thirst for better products and systems must be matched by the joy of creation that marks all great engineering endeavors. Mechanical engineering is a great profession, and it will become even greater as we make the most of the opportunities offered by the Information Age.
信息時代的機械工程
在80年代初期，工程師們曾經(jīng)認為要加快產(chǎn)品的研制開發(fā)，必須進行大量的研究工作。結(jié)果是實際上只進行了較少的研究工作，這是因為產(chǎn)品開發(fā)周期的縮短，促使工程師們盡可能地利用現(xiàn)有的技術(shù)。研制開發(fā)一種創(chuàng)新性的技術(shù)并將其應(yīng)用在新產(chǎn)品上，是有風險的，并且易于招致失敗。在產(chǎn)品開發(fā)過程中采用較少的步驟是一種安全的和易于成功的方法。
對于資金和從略都處于全球性環(huán)境中的工程界而言，縮短產(chǎn)品研制開發(fā)周期也是有益的。能夠設(shè)計和制造各種產(chǎn)品的人可以在世界各地找到。但是，具有創(chuàng)新思想感情的人則比較難找。對于你已經(jīng)進行了6個月的研制開發(fā)工作，地理上的距離已經(jīng)不再是其他人發(fā)現(xiàn)它的障礙。如果你的研制周期較短，只要你仍然保持領(lǐng)先，這種情況親不會造成嚴重后果。但是如果你正處于一個長達6年的研制開發(fā)過程的中期，一個競爭對手了解到你的研究工作的一些信息，這個項目將面臨比較大的麻煩。
工程師們在解決任何問題時都需要進行新的設(shè)計這種觀念很快就過時了。在現(xiàn)代設(shè)計中的第一步是瀏覽因特網(wǎng)或者其他信息系統(tǒng)，看其他人是否已經(jīng)設(shè)計了一種類似于你所需要的產(chǎn)品，諸如傳動裝置或者換熱器等。通過這些信息系統(tǒng)，你可能發(fā)現(xiàn)有些人已經(jīng)有了制造圖紙，數(shù)控程序和制造你的產(chǎn)品所需要的其他所有東西。這樣，工程師們就可以把他們的職業(yè)技能集中在尚未解決的問題上。
許多工程師的職責是進行產(chǎn)品設(shè)計，而產(chǎn)品是通過對材料的加工制造而生產(chǎn)出來的。設(shè)計工程師在材料選擇——制造方法等方面起著關(guān)鍵的作用。一個設(shè)計工程師應(yīng)該比其他的人更清楚地知道他的設(shè)計需要達到什么目的。他知道他對使用荷載和使用要求所做的假設(shè)，產(chǎn)品的使用環(huán)境，產(chǎn)品應(yīng)該具有的外觀形貌。為了滿足這些要求，他必須選擇和規(guī)定所使用的材料。通常，為了利用材料并使產(chǎn)品具有所期望的形狀，設(shè)計工程師知道應(yīng)該采用哪些制造方法。在許多情況下，選擇了某種特定材料就可能意味著已經(jīng)確定了某種必須采用的加工方法。同時，當決定采用某種加工方法后，很可能需要對設(shè)計進行修改，以使這種加工方法能夠被有效而經(jīng)濟地應(yīng)用。某些尺寸公差可以決定產(chǎn)品的加工方法。總之，在將設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的過程中，必須有人作出這些決定。在大多數(shù)情況下，如果設(shè)計人員在材料和加工方法方面具有足夠的知識，他會在設(shè)計階段作出最為合理的決定。否則，作出的決定可能會降低產(chǎn)品的性能，或者使產(chǎn)品變得過于昂貴。顯然，設(shè)計工程師是制造過程中的關(guān)鍵人物，如果他們能夠進行面向生產(chǎn)（即可以進行高效率生產(chǎn)）的設(shè)計，就會給公司帶來效益。
制造工程師們選擇和調(diào)整所采用的加工方法和設(shè)備，或者監(jiān)督和管理這些加工方法和設(shè)備的使用。一些工程師進行專用工藝裝備的設(shè)計，以使通用機床能夠被用來生產(chǎn)特定的產(chǎn)品。這些工程師們在機床、工藝能力和材料方面必須具有廣泛的知識，以使機器在沒有過載和損壞，而且對被加工材料沒有不良影響的情況下，更為有效地完成所需要的加工工序。這些制造工程師們在制造業(yè)中也起到重要作用。
少數(shù)工程師們設(shè)計在制造業(yè)中使用的機床和設(shè)備。顯然，他們是設(shè)計工程師。而且對于他們的產(chǎn)品而言，他們同樣關(guān)心設(shè)計、材料和制造方法之間的相互關(guān)系。然而，他們更多地關(guān)心他們所設(shè)計的機床將要加工的材料的性能和機床與材料之間的相互作用。
這有另外一些工程師——材料工程師，他們致力于研制新型的和更好的材料，他們也應(yīng)該關(guān)心這些材料的加工方法和加工對材料性能的影響。
盡管工程師們所起的作用可能會有很大差別，但是，大部分工程師們都必須考慮材料與制造工藝之間的相互關(guān)系。
低成本制造并不是自動產(chǎn)生的。在產(chǎn)品設(shè)計、材料選擇、加工方法和設(shè)備的選擇，工藝裝備選擇和設(shè)計之間都有著非常密切的相互依賴關(guān)系。這些步驟中的每一個都必須在開始制造前仔細地加以考慮、規(guī)劃和協(xié)調(diào)。這種從產(chǎn)品設(shè)計到實際生產(chǎn)的準備工作，特別是對于復(fù)雜產(chǎn)品，可能需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間，并且可能花費很多錢。典型的例子有，對于一種全新的汽車，從設(shè)計到投產(chǎn)所需要的時間大約為2年，而一種現(xiàn)代化飛機則可能需要4年。
在解決這類問題時，利用高性能微型計算機和進入信息高速公路可以大大增強工程小組的能力和效率。這些信息時代的工具可以使工程小組利用大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中有材料性能、標準、技術(shù)和成功的設(shè)計方案等信息。這些經(jīng)過驗證的設(shè)計可以通過下載直接應(yīng)用，或者通過對其進行快速、簡單的改進來滿足特定的要求。將產(chǎn)品的技術(shù)要求通過網(wǎng)絡(luò)送出去的遠程制造也是可行的。你可以建立一個沒有任何加工設(shè)備的虛擬公司。你可以批示制造商，在產(chǎn)品加工完成后，將其直接送給你的客戶。定期訪問你的客戶可以保證你設(shè)計的產(chǎn)品按照設(shè)計要求進行工作。盡管這些研制開發(fā)方式不可能對每個公司都完全適用，但是這種可能性是存在的。
過去客戶設(shè)計的產(chǎn)品通常是由小公司來制造。大公司不屑于制造這種產(chǎn)品——它們討厭瞄準機會的市場，或者是與客戶設(shè)計的小批量產(chǎn)品打交道?！斑@就是我的產(chǎn)品”，一家大公司這樣說：“這是我們能夠制造出來的最好產(chǎn)品——你應(yīng)該喜歡它。如果你不喜歡，順這條街走有一家小公司，它會按你的要求去做”。
今天，因為顧客們有較大的選擇余地，幾乎所有的市場都是瞄準機會的市場。如果你不能使你的產(chǎn)品滿足某些特定客戶的要求，你將失掉你的市場份額中的一大部分，或者失掉全部份額。由于這些瞄準機會的市場是經(jīng)常變化的，你的公司應(yīng)該對市場的變化作出快速的反應(yīng)。
瞄準機會的市場和根據(jù)客戶要求進行設(shè)計這種現(xiàn)象的出現(xiàn)改變了工程師們進行研究工作的方式。今天，研究工作通常是針對解決特定問題進行的?，F(xiàn)在許多由政府資助或者由大公司出資開發(fā)的技術(shù)可以在非常低的成本下被自由使用，盡管這種情況可能是暫時的。在對這些技術(shù)進行適當改進后，它們通常能夠被直接用于產(chǎn)品開發(fā)，這使得許多公司可以節(jié)省昂貴的研究經(jīng)費。在主要的技術(shù)障礙被克服后，研究工作應(yīng)該主要致力于產(chǎn)品的商品化方面，而不是開發(fā)新的，有趣的，不確定的替換產(chǎn)品。
采用上述觀點看問題，工程研究應(yīng)該致力于消除將已知技術(shù)快速商品化的障礙。工作的重點是產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，這些在當今的顧客的頭腦中是最重要的。很明顯，一個質(zhì)量差的聲譽是一個不好的企業(yè)的同義詞。企業(yè)應(yīng)該盡最大的努力來保證顧客得到合格的產(chǎn)品，這個努力包括在生產(chǎn)線的終端對產(chǎn)品進行嚴格的檢驗和自動更換有缺陷的產(chǎn)品。研究工作應(yīng)該著重考慮諸如可能性等因素對成本帶來的益處。當可能性提高時，制造成本和系統(tǒng)的最終成本將會降低。如果在生產(chǎn)線的終端產(chǎn)生了30%的廢品，這不僅會浪費金錢，也會給你的競爭對手創(chuàng)造一個利用你的想法制造產(chǎn)品，并將其銷售給你的客戶的良機。
提高可能性和降低成本這個過程的關(guān)鍵是深入、廣泛地利用設(shè)計軟件。設(shè)計軟件可以使工程師們加快每一階段的設(shè)計工作。然而，僅僅縮短每一階段的設(shè)計時間，可能不會顯著地縮短整個設(shè)計過程的時間。因而，必須致力于采用并行工程軟件，這樣可以使所有設(shè)計組的成員都能使用共同的數(shù)據(jù)庫。
隨著我們步入信息時代，要取得成功，工程師們在技術(shù)開發(fā)和技術(shù)管理方面都應(yīng)該具有一些獨特的知識和經(jīng)驗。成功的工程師們不但應(yīng)該具有寬廣的知識和技能，而且還應(yīng)該是某些關(guān)鍵技術(shù)或?qū)W科的專家，他們還應(yīng)該在日常工程問題上的費用將會減少，工程師們將會在一些更富有挑戰(zhàn)性，更亟待解決的問題上協(xié)同工作，大大縮短解決這些問題所需要的時間。我們已經(jīng)開始了工程實踐的新階段。計算機和網(wǎng)絡(luò)使工程師們具有了越來越強的解決問題的能力，這也給他們的工作帶來了很大的希望和喜悅。為了確保成功，我們所使用的工具的性能和對更好的產(chǎn)品與系統(tǒng)的不斷追求應(yīng)該與標志著在工程方面所有巨大努力的創(chuàng)新工作所帶來的喜悅相適應(yīng)。機械工程是一個偉大的行業(yè)，在我們盡可能多地利用了信息時代所提供的機遇后，它將變得更加偉大。
邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文）
前 言
內(nèi)燃機的發(fā)明，帶動了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，又使汽車發(fā)動機如虎添翼，成為高新技術(shù)的集成。
汽車用內(nèi)燃機作動力并發(fā)展成為支柱產(chǎn)業(yè)，在歷史上有幾次革命性的進步，第一次是石油作為內(nèi)內(nèi)燃機的燃料，這使發(fā)動機擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎(chǔ)上的固定式發(fā)動機，從而邁向移動式的車用動力。第二次革命是汽車生產(chǎn)的工業(yè)化。第三次是電子技術(shù)與發(fā)動機技術(shù)相結(jié)合。電子技術(shù)最初在汽油機上的應(yīng)用是實現(xiàn)電子點火，然后到電控燃油噴射，至今天點火和噴射的集成管理。
短短幾十年，發(fā)動機成為高新技術(shù)的集成。無論是燃油經(jīng)濟性、動力性、廢氣排放水平等等，是任何一種其他動力機械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術(shù)發(fā)揮的作用。汽車內(nèi)燃機是通過燃料的燃燒，把燃料的化學能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機械功的熱動力機械。熱力學、燃燒學和機械學的理論分析表明，內(nèi)燃機是熱效率最高的熱力機械，但仍存在著巨大的節(jié)能及降低尾氣污染的潛力。
1內(nèi)燃機
1.1內(nèi)燃機的概述
內(nèi)燃機是發(fā)動機的一種。發(fā)動機是把某種形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的機器。能夠?qū)⑷剂现械幕瘜W能經(jīng)過燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并通過一定的結(jié)構(gòu)使之再轉(zhuǎn)化為機械能的發(fā)動機也稱為熱機。內(nèi)燃機是熱機的一種，他區(qū)別于其他形式熱機的特點，是燃料在機器內(nèi)部燃燒，燃料燃燒時放出大量的熱量，使燃燒后的氣體膨脹推動機械做功。燃氣是實現(xiàn)熱能向機械能轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)，這種媒介物質(zhì)稱為工作介質(zhì)[1]。
發(fā)動機可以根據(jù)不同的特征來分類：
⑴ 按所用燃料分 有汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機和其他代用燃料發(fā)動機。汽油發(fā)動機是用電火花強制點燃由汽油與空氣組成的可燃混合氣，使之燃燒并產(chǎn)生熱能，故汽油機又稱強制點火式發(fā)動機。柴油機使用的柴油是直接噴入發(fā)動機氣缸，在高溫高壓條件下自燃而產(chǎn)生熱能，故柴油機又稱壓燃式發(fā)動機。
⑵ 按完成一個工作循環(huán)所需要的活塞沖程數(shù)分 有四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機。
⑶ 按結(jié)構(gòu)特點分 有水冷發(fā)動機和風冷發(fā)動機；單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機。多缸發(fā)動機根據(jù)各缸的排列方式，又有直列式發(fā)動機和“V”形發(fā)動機等。汽車發(fā)動機大多采用水冷式多缸發(fā)動機。
⑷ 按活塞的運動方式分 有往復(fù)活塞式發(fā)動機和旋轉(zhuǎn)發(fā)動機。往復(fù)活塞發(fā)動機的活塞為上下運動，旋轉(zhuǎn)發(fā)動機的活塞是旋轉(zhuǎn)的[2]。
現(xiàn)代汽車用的內(nèi)燃機絕大多數(shù)為往復(fù)活塞式內(nèi)燃機。為了方便敘述我們對各種型式的內(nèi)燃機都簡稱為內(nèi)燃機或發(fā)動機。本文主要介紹的便是在旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機上進行改造，而得出的擺動活塞式發(fā)動機，其工作沖程為二沖程。
發(fā)動機是汽車、拖拉機、飛機和船舶等機器的動力源，是它們的“心臟”，其性能是決定這些機器使用性能好壞的關(guān)鍵。往復(fù)機已有百年的歷史了，經(jīng)過長期使用和發(fā)展，到目前，不論是二沖程還是四沖程，可以說已經(jīng)達到了比較完善的程度。它的最大優(yōu)點是經(jīng)濟可靠，因此在工農(nóng)業(yè)和交通運輸業(yè)中，一直占據(jù)主要地位。
1.2選題的背景
眾所周知，往復(fù)機的基本結(jié)構(gòu)方案，是利用曲軸連桿機構(gòu)，將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動。由于活塞的往復(fù)運動所造成的慣性力和慣性力矩，不能得到完全平衡，這是往復(fù)機結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷。這些不平衡的力和力矩，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而急劇增大，作用在發(fā)動機軸承上的慣性負荷顯著增加，并引起振動和噪音的增大。特別是隨著發(fā)動機不斷向高速發(fā)展時，活塞連桿機構(gòu)和氣閥機構(gòu)表現(xiàn)出明顯的弊病。同時，活塞的平均速度，由于受到現(xiàn)有金屬材料性能的限制，通常不得超過允許值，也限制了往復(fù)機向高速方向發(fā)展。加之往復(fù)機的運動機構(gòu)復(fù)雜，這些因素是往復(fù)機進一步提高功率、降低重量（和體積）的嚴重障礙。
而旋轉(zhuǎn)發(fā)動機機與往復(fù)式發(fā)動機比較，它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，發(fā)動機振動很小，動轉(zhuǎn)平穩(wěn)，此外制造成本也比較低。特別是在要求發(fā)動機高轉(zhuǎn)速大功率的使用場合，轉(zhuǎn)子發(fā)動機的優(yōu)越性就更為突出。但是，轉(zhuǎn)子發(fā)動機也還存在著不少問題，例如低速動力性差，起動性能和耐久性也有待進一步提高等等。
基于以上幾種原因，我們希望有一種發(fā)動機能夠一定程度上結(jié)合了旋轉(zhuǎn)發(fā)動機與往復(fù)發(fā)動機的優(yōu)點。即具有旋轉(zhuǎn)發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)特性，也具有往復(fù)機的曲柄連桿機構(gòu)。它能夠利用旋轉(zhuǎn)特性很好地解決曲柄連桿機構(gòu)存在的慣性力問題，而且根除了四桿機構(gòu)的急回特性。而正在此時，老師向我們提出了晉江某企業(yè)已經(jīng)設(shè)計出了一種擺動發(fā)動機，而且做成了樣機，還成功發(fā)動起來。只是這個樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計時存在著一些不合理性，以至于后來發(fā)生了故障。由于這種擺動發(fā)動機具有較好的市場開拓前景，我們在對樣機的理解上大膽地提出了改進與創(chuàng)新。而所有的這些我們都將在下面的文章中做出詳細的說明。
2 往復(fù)發(fā)動機基本工作原理
2.1 二沖程發(fā)動機工作原理及換氣過程
汽油機是將汽油和空氣混合成可燃混合氣，然后進入氣缸用電火花點燃。首先，我們以曲柄軸箱掃氣二沖程發(fā)動機為例說明一下二沖程汽油機的工作過程。二沖程汽油機的工作沖程如下：
2.1.1 工作原理
（1）．第一沖程 活塞自下止點向上移動，三個氣孔被關(guān)閉后，在活塞上方，已進入氣缸的可燃混合氣體被壓縮；而活塞下方的曲柄軸箱內(nèi)因容積增大，形成一定的真空度，在進氣孔露出時，可燃混合氣體自化油器經(jīng)進氣孔流入曲柄軸箱內(nèi)。
（2）．第二沖程 活塞壓縮到上止點附近時，火花塞點燃混合氣體，高溫高壓的燃氣膨脹，推動活塞下移做功?；钊乱谱龉r進氣孔關(guān)閉，密閉在曲軸箱內(nèi)的可燃混合氣體沖入氣功，驅(qū)除廢氣，進行換氣過程。此過程一直進行到下一沖程活塞上移，三個氣孔完全關(guān)閉為止?？傊?，活塞上行時進行換氣、壓縮、曲柄軸箱進氣；活塞下行時進行做功、壓縮曲柄軸箱混合氣體、換氣。
2.1.2 二沖程發(fā)動機的換氣過程
二沖程發(fā)動機與四沖程發(fā)動機相比，由于省去單獨的進排氣沖程，必須在下死點前后很短的時間內(nèi)同時進行進排氣，進排氣的時間差不多只有四沖程發(fā)動機的三分之一，因此，必須用有壓力的新氣清除氣缸內(nèi)的廢氣，稱為掃氣作用。如果在此期間，有可能把廢氣完全驅(qū)除，而用新鮮氣充滿氣缸，則與同樣大小同樣轉(zhuǎn)速的四沖程發(fā)動機相比，可使功率增大50%-70%。但如掃氣作用進行得不好，在氣缸中殘留下很多廢氣，與新氣混合，而且新氣中相當一部分進入氣缸后并沒有留在缸內(nèi)，而在掃氣期間短路經(jīng)過排氣口流出缸外的話，則由于氣缸內(nèi)空氣不足（加上為了壓縮新氣要消耗一定能量），功率就要受到影響。如果是汽化器式發(fā)動機，新氣中含有燃料，短路溜走的燃料又會造成浪費。這樣會使燃料消耗率增高很多，而且排氣污染更嚴重[3]。
由此可見，對二沖程發(fā)動機來說，掃氣作用對性能影響特別大。如果掃氣不良，壓縮空氣中廢氣率高，實際的混合氣體濃度將很稀，經(jīng)常由于缺火使工作不穩(wěn)定，有時也會因為壓縮過量，溫度過高而發(fā)生爆燃。小負荷由于進氣節(jié)流，缺火會特別嚴重，甚至變成兩轉(zhuǎn)爆發(fā)一次，像四沖程那樣。由于二沖程的汽化器式發(fā)動機經(jīng)濟性較差，如果能采用汽油直接噴射即可大大改善指標（燃料消耗可下降1/4左右）。二沖程原理應(yīng)用于柴油機，效果顯著。
排氣口一經(jīng)開啟，膨脹過程就告結(jié)束，因此排氣口應(yīng)盡可能晚開啟，但是它應(yīng)保證掃氣孔緊跟著它開啟時，氣缸內(nèi)的壓力能降低到足夠低，以避免廢氣倒流，同時還保證掃氣過程又足夠的時間，所以排氣口不能開的太晚。由于氣口的存在，使發(fā)動機的實際壓縮比低于幾何壓縮比。實際壓縮比應(yīng)該為幾何壓縮比減去一個排氣口相對高度σ，而對于擺動活塞則應(yīng)該減去一個排氣口的相對角度。掃氣口的開啟時間也應(yīng)該從類似的考慮確定。應(yīng)該注意的是，換氣過程中氣體的流量不僅是活塞的位置的函數(shù)，而且是時間的函數(shù)，故發(fā)動機的轉(zhuǎn)速越高，氣口相對高度或擺動活塞發(fā)動機的排氣相對角度就要越大。至于掃氣口和排氣口的關(guān)閉時間，如果掃氣孔比排氣孔先關(guān)，新氣可能逃逸，過后充填也就不可能了。所以最好是不對稱換氣，即排氣口先開先關(guān)，掃氣口后開后關(guān)[4]。
2.2 四沖程發(fā)動機工作原理
四沖程汽油機的每個工作循環(huán)均經(jīng)過如下四個沖程：
（1）．進氣沖程 在這個沖程中，進氣門開啟，排氣門關(guān)閉，氣缸與化油器相通，活塞由上止點向下止點移動，活塞上方容積增大，氣缸內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度。可燃混合氣體被吸入氣缸內(nèi)?；钊兄料轮裹c時，曲軸轉(zhuǎn)過半周，進氣門關(guān)閉，進氣沖程結(jié)束。
（2）．壓縮沖程 進氣沖程結(jié)束后，進氣門、排氣門同時關(guān)閉。曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞由下止點向上止點移動，活塞上方的容積減少，進入到氣缸內(nèi)的可燃混合氣體被壓縮，使其溫度、壓力升高。活塞到上止點時，壓縮沖程結(jié)束。
（3）．做功沖程 當壓縮沖程臨近終了時，火花塞發(fā)出電火花，點燃可燃混合氣體。由于混合氣體迅速燃燒膨脹，在極短的時間內(nèi)壓力可達到3-5MPa，最高溫度約為2200-2800K。高溫、高壓的燃氣推動活塞迅速下行，并通過連桿使曲柄旋轉(zhuǎn)而對外做功。在做功沖程中，活塞自上止點移至下止點，曲軸轉(zhuǎn)至一周半。隨活塞向下運動，活塞上方容積增大，燃氣溫度、壓力逐漸降低。
（4）．排氣沖程 混合氣體燃燒后成了廢氣，為了便于下一個工作循環(huán)，這些廢氣應(yīng)及時排出氣缸，所以在做功沖程終了時，排氣門開啟，活塞向上移動，廢氣便排到氣缸外[5]。
當活塞到達上止點時，排氣門關(guān)閉、曲軸轉(zhuǎn)至兩周，完成一個工作循環(huán)。由此可見，四沖程發(fā)動機經(jīng)過進氣、壓縮、做功、排氣四個過程，完成一個工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點間往復(fù)移動了四個沖程，相應(yīng)的曲軸旋轉(zhuǎn)了兩周。
由上面的分析我們可以看出二沖程與四沖程汽油機不同，即二沖程汽油機曲軸每轉(zhuǎn)動一周就有一個做功沖程，因此，理論上相同排量的二沖程發(fā)動機的功率應(yīng)該等于四沖程發(fā)動機的二倍。和四沖程發(fā)動機相比，由于做功頻率較快，因而運轉(zhuǎn)比較均勻平穩(wěn)。而且結(jié)構(gòu)簡單。但是二沖程發(fā)動機換氣過程中新鮮氣體損失較多，廢氣排放也不徹底，而且氣孔占據(jù)了一部分活塞沖程，做功時能量損失較大，經(jīng)濟性較差。本文主要是針對二沖程汽油機進行設(shè)計的。
3 擺動活塞式發(fā)動機工作原理
3.1 工作原理
下面我們就用圖解法來說明一下這個二沖程擺動發(fā)動機的工作原理。
如圖1所示，我們可以看出活塞在氣缸內(nèi)大致裝配位置（環(huán)狀缸體即為氣缸；扇形狀為活塞，我們稱為扇形活塞）。
當扇形活塞逆時針擺動至死點時，可燃性混合氣體已經(jīng)被壓縮在左燃燒室內(nèi)。經(jīng)火花塞點火后，壓縮氣體爆炸產(chǎn)生作用力，推動扇形活塞向右擺動，發(fā)動機開始工作。此時左儲氣室開始進氣。右工作室進氣已經(jīng)完畢，右氣門關(guān)閉。
圖1
圖2為扇形活塞運轉(zhuǎn)過一定角度之后，右工作室工作沖程。扇形活塞順時針擺動，左氣門進氣，左儲氣室增壓。右工作室封閉，右工作室氣體被壓縮。
圖2
圖3為扇形活塞繼續(xù)順時針擺動，左工作室開始排氣，左氣門保持開啟，左儲氣室與左工作室相貫通，左工作室開始進氣。右工作室則繼續(xù)壓縮。
圖3
圖4為扇形活塞繼續(xù)順時針擺動至死點，左氣門還是保持開啟，而左工作室與左儲氣
室持續(xù)貫通，左工作室充氣工作此時已經(jīng)完成。右工作火花塞點火，右儲氣室進氣開始。
圖4
圖5為右工作室工作沖程，扇形活塞逆時針擺動，右氣門保持開啟，右儲氣室持續(xù)進氣，且開始增壓。左工作室開始壓縮，左氣門關(guān)閉。
圖5
圖6為扇形活塞繼續(xù)逆時針擺動，右工作室已經(jīng)開始排氣，右儲氣室與工作室已經(jīng)貫通，壓縮氣體進入右工作室，右氣門保持開啟。左工作室繼續(xù)壓縮，左氣門保持關(guān)閉。此時工作沖程接近完畢，最后擺動至左死點，即圖1所示位置，而后按圖1說明完成一次往復(fù)熱循環(huán)運動。
圖6
從以上原理圖我們可以看出二沖程擺動發(fā)動機機主要有以下優(yōu)點：每轉(zhuǎn)做功，因此升功率較大（約為四沖程汽油機的1.5--1.6倍），運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)；而且構(gòu)造較簡單，重量也較輕，制造和維修都比較方便。但是我們也看到了，不論將排氣口開得多大，都不能將廢氣從氣缸內(nèi)排除得比較干凈，而且換氣時要損失一部分做功沖程，再加上有部分混合氣體在掃氣時隨同廢氣流失，所以動力性較差。此外，因做功頻率較大，所以熱負荷較高[6]。因此二沖程擺動發(fā)動機可以較多地應(yīng)用在摩托車和一些小型機具上，或用作某些柴油機的起動機。
3.2 曲柄搖桿機構(gòu)傳動分析
擺動活塞發(fā)動機的傳動是依靠一個曲柄搖桿機構(gòu)，通過燃料在燃燒室中燃燒，推動扇形活塞在氣缸內(nèi)一定范圍角度內(nèi)作往復(fù)的擺動，通過一個與活塞相連的連桿把活塞的擺動傳動到輸出軸上的曲柄，從而使曲柄帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)從熱能向機械能的轉(zhuǎn)換（如圖7）?；钊趤砘財[動一個過程中，帶動曲軸轉(zhuǎn)動一周。
圖7
1． 極位夾角
曲柄搖桿機構(gòu)搖桿處在兩個極位時，曲柄所在兩個位置之間的夾角稱為極位夾角。 當曲柄以等角速度ω1順時針轉(zhuǎn)過ａ1=180+θ時，搖桿將由位置C1D擺到C2D，其擺角為φ，設(shè)所需要時間為t1，C點的平均速度為v1；當曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)過α2=180— θ時，搖桿又從位置C2D回到C1D，擺角仍然是φ，設(shè)所需要時間為t2，C點的平均速度為V2。由于曲柄為等速轉(zhuǎn)動，而α1>α2，所以有t1>t2,v2>v1。搖桿的這種運動性質(zhì)成為急回特性（如圖8）。
圖8
圖8
可見極位夾角θ越大，急回特性便越顯著。由于這種急回特性會導(dǎo)致活塞擺動運動慣性力的增大，降低傳動的穩(wěn)定性，所以發(fā)動機設(shè)計中應(yīng)盡可能地減小極位夾角θ。存在一種特例，使θ為零，從而消除急回特性，即曲柄回轉(zhuǎn)中心在搖桿兩極位時C1，C2的延長線上。在設(shè)計總體機構(gòu)時應(yīng)該盡量考慮采用無急回特性的機構(gòu)（如圖1所示），如果受到總體方案的限制，也應(yīng)該采用小的極位夾角，并且使急回沖程做功的運動，而更有利于傳遞動力。本設(shè)計所采用的θ角即為零度。這也就較好地解決了一部分慣性力問題。
2． 傳動角
四桿機構(gòu)中，主動件AB經(jīng)連桿傳遞到從動件CD上C點的力F的方向與C點速度方向之間的銳角稱為此位置的壓力角，而連桿BC與從動件CD之間所夾的銳角為機構(gòu)在此位置的傳動角。傳動角越大，對機構(gòu)的傳力則越有利。一般要保證最小傳動角≥40~50度，這樣才能使機構(gòu)有良好傳動性。對于曲柄搖桿機構(gòu)，最小傳動角在主動件曲柄與機架共線的兩位置之一。傳動角與各桿的長度有關(guān)。
4 擺動活塞式發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 傳統(tǒng)發(fā)動機的組成結(jié)構(gòu)介紹
傳統(tǒng)往復(fù)發(fā)動機一般由以下幾個機構(gòu)和系統(tǒng)組成：
⑴. 曲柄連桿機構(gòu) 曲柄連桿機構(gòu)由活塞組、連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。此機構(gòu)的作用是把活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。該機構(gòu)與機體組零件工作關(guān)系比較密切，比如氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱等在工作時的關(guān)系非常密切，再結(jié)構(gòu)分析時常把他們放在一起，組成廣義的曲柄連桿機構(gòu)。
⑵．配氣機構(gòu) 它的作用是按照發(fā)動機的各個缸的工作順序，定時的開啟和關(guān)閉各缸的進氣門和排氣門，以保證新鮮氣體及時進入氣缸，廢氣及時排出氣缸。它是由氣門組、傳動組和驅(qū)動組組成。
⑶. 供油系統(tǒng) 供給系統(tǒng)包括燃料供給、空氣供給與廢氣排出三個系統(tǒng)。其作用是將燃料和空氣及時供給氣缸，并將燃燒后的廢氣及時排出機外。
⑷. 冷卻系統(tǒng) 其功用是吸收內(nèi)燃機工作中受熱零件的多余熱量并及時散發(fā)出去，保證內(nèi)燃機各部位在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。水冷系統(tǒng)一般由水箱、水套、水泵、風扇、散熱器、節(jié)溫器等組成。風冷系統(tǒng)由散熱片、風扇、導(dǎo)流罩等組成。
⑸. 潤滑系統(tǒng) 其作用是將潤滑油輸送到內(nèi)燃機各運動部件的摩擦表面，以減少摩擦阻力和磨損，同時起到冷卻、密封、清洗和防銹的作用。主要包括機油泵、機油濾清器、機油散熱器、機油壓力表、機油溫度表和閥門、潤滑油道等。
(6).點火系統(tǒng) 它是汽油機特有的一個系統(tǒng)。其功能就是在一定的時刻產(chǎn)生電火花，點燃氣缸內(nèi)的可燃混合氣。
由于我們所設(shè)計的為二沖程汽油機，而且利用吸氣口與排氣口就能控制空氣的進與出，因此沒有給它配備專門的配氣機構(gòu)。本文主要考慮的是曲柄連桿機構(gòu)的設(shè)計，再輔以冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)的設(shè)計[7]。
4.2 曲柄連桿機構(gòu)的設(shè)計
曲柄連桿機構(gòu)是內(nèi)燃機借以實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的最主要的機構(gòu)，它的零件可分為固定件與運動件兩類。
固定件包括氣缸端蓋、氣缸墊、氣缸體等。運動件包括活塞連桿組和曲軸飛輪組?；钊B桿組由活塞、密封環(huán)、活塞銷、連桿等零件組成；曲軸飛輪組由曲軸、飛輪及裝在曲軸上的其他零件組成[8]。下面我們就發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)進行分析設(shè)計：
4.2.1 氣缸的設(shè)計
氣缸是內(nèi)燃機中重要部位，氣缸中裝有活塞，活塞在氣缸中高速往復(fù)運動。氣缸端面是用氣缸端蓋封閉的，中間再用密封圈加以密封[9]。為了保持結(jié)構(gòu)的簡易性，我們沒有在氣缸體壁留出水道以冷卻，而只是在氣缸端蓋上做出水道冷卻。主軸承安裝在氣缸端蓋上。為了保證主要機構(gòu)工作可靠，氣缸和軸承的尺寸和相對位置都加工得比較精確。參考樣機的設(shè)計，我們暫時將氣缸的內(nèi)徑設(shè)為65mm，考慮到總體的功率問題，這里我們將活塞的厚度定為60mm。為了減少氣缸與活塞之間的摩擦損失，氣缸外壁尺寸和形狀要求比較精確，表面粗糙度要高。如果按2-3級精度的尺寸公差來加工氣缸必然會增加加工困難，并且提高零件的加工成本。因此，一般將尺寸公差加大，按4-5級精度來加工，然后按2-3級精度的尺寸公差來選配，這樣加工就比較容易，而且成本也降低了。為了提高氣缸的耐磨性，可選用含有少量合金元素鎳（Ni）的優(yōu)質(zhì)鑄鐵，這種材料機械強度高，耐磨性好，但成本相對會高一些。
我們知道氣缸是個類似于環(huán)形的缸體，怎么才能保證活塞在一定的角度內(nèi)擺動呢？為此我們可在氣缸壁上再加上兩塊楔形塊，氣缸中的楔形塊與活塞側(cè)面所包圍的空間，就是擺動發(fā)動機的燃燒室。兩楔形塊形成一定的角度，即為活塞的活動空間。楔形塊與組合后的氣缸形狀如下圖所示。楔形塊的左右端面都是加工成弧形，再用螺栓將其與氣缸壁鎖緊，當然這也就要求楔形塊的加工精度相對較高。配合前應(yīng)先畫線以確保配合的精度。保證活塞的活動空間的準確性。
圖9
由圖9可知，由于氣缸筋板結(jié)構(gòu)所限，如果要右邊再設(shè)置進氣口，結(jié)構(gòu)會顯得比較復(fù)雜。我們就沒有采用原先所提到的兩邊點火爆發(fā)做功。而改為單邊爆發(fā)做功，即只是在左邊設(shè)置火花塞位置及進氣口位置。
4.2.2 燃燒室的設(shè)計
在介紹燃燒室的設(shè)計之前，我們先來看看壓縮比對燃燒室設(shè)計的影響。氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比，即為壓縮比。通常用符號ε表示。ε=Va/Vc。如圖10所示，Va為活塞位于右止點時，活塞左側(cè)的整個空間；Vc為活塞位于左止點時，活塞左側(cè)的空間。壓縮比是發(fā)動機一個很重要的參數(shù)。它反映了在壓縮沖程中氣缸內(nèi)的可燃混合氣體被壓縮的程度。排量相同的發(fā)動機，壓縮比越高，做功沖程時膨脹能力就越強，輸出功率也越大。汽油機壓縮比一般為6-10[10]。在此我們選用壓縮比為8。由此我們可以看出，在氣缸總體積一定的情況下，壓縮比的大小關(guān)系到燃燒室的大小。
圖10
燃燒室的形狀和尺寸對內(nèi)燃機的性能有很大的影響。對燃燒室有兩點基本要求：第一是結(jié)構(gòu)要緊湊，散熱面積小以減少散熱損失，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短以減少爆燃傾向；第二是其形狀要使混合氣在壓縮終了時產(chǎn)生適當?shù)臄_流，以提高燃燒速率，保證混合氣體得到及時和完全燃燒。此外燃燒室做成扇形狀有利于力的分布均勻，減少活塞振動對發(fā)動機性能產(chǎn)生影響，如左圖所示。參考樣機的設(shè)計，我們可將燃燒室的角度設(shè)為110。這樣由第一章燃燒比設(shè)為8可知，氣缸的總?cè)莘e為8*11=880。我們只要再設(shè)計出扇形活塞的角度即可將兩楔形塊的位置確定出來，從而完成氣缸的尺寸設(shè)計。
4.2.3 活塞連桿組的設(shè)計
（1）．扇形活塞的設(shè)計
考慮到力如果從主軸輸出的話，主軸的尺寸就會顯得比較大，整個結(jié)構(gòu)都會因此而顯得比較龐大，為此我們將搖桿定在活塞上，即將活塞銷置于活塞上的小孔內(nèi)（活塞銷孔）。因此活塞一方面隨著氣體的壓力，一方面又要將力通過活塞銷傳給連桿。它直接承愛高溫高壓的燃氣壓力，并在氣缸中高速往復(fù)運動。圖11為活塞的示意圖：
圖11
參考樣機的設(shè)計以及考慮活塞的強度要求，我們先將扇形活塞的角度定為600左右，其寬度與氣缸寬度一致均為60mm。扇形活塞下方的直板為掃氣板，其作用就是將氣體充分地掃進燃燒室內(nèi)。而為了便于實現(xiàn)活塞與活動缸壁的密封，我們將扇形活塞與活動缸壁做成一體，因此我們從上圖中便可看出，扇形活塞后加一突出的圓盤即為活動缸壁。由于還要在活動缸壁上加工出環(huán)槽用以密封，因此，缸壁的半徑取100mm，厚度取20mm，缸壁的半徑?jīng)Q定了氣缸臺階的半徑也為100mm。掃氣板由于也要開密封槽，厚度也取20mm。而扇形活塞內(nèi)徑則依主軸進行設(shè)計，這在下面的設(shè)計中再做介紹。
（2）．搖桿長度的設(shè)計
扇形活塞上半部有一小孔即為活塞銷孔?；钊N孔中心到扇形活塞中心的距離即為搖桿的長度。由扇形活塞的受力可知，扇形活塞的側(cè)面受到力作用。其力的作用中心約位于扇型活塞直徑的2/3處，即是65mm*2/3＝43.3mm考慮到機構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)的簡單和連桿與主軸的干涉，取大值，定為46mm。這樣在整個曲柄搖桿機構(gòu)中搖桿的長度就出來了。
（3）．扇形活塞材料的選擇
由于活塞承受高溫氣體的加熱，一般最高燃燒溫度高達1200度以上，活塞側(cè)面最高溫度達300-400度，這會使材料的機械強度顯著下降。同時，活塞在氣缸中高速運動，活塞與氣缸壁之間摩擦嚴重。因此扇形活塞最好用強度高、重量輕、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好的材料制造。鑄鐵活塞雖有強度高，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，但重量大，導(dǎo)熱性差，所以在中小型高速內(nèi)燃機中很少采用。鋁合金活塞重量輕，導(dǎo)熱性好，用于中小型高速內(nèi)燃機可以滿足強度要求，因而應(yīng)用非常廣泛。但是，其主要缺點卻是熱膨脹系數(shù)大。
（4）．扇形活塞與氣缸的間隙
活塞在高速擺動時，要求活塞與氣缸頂壁間有恒定的最佳間隙，以減小摩擦和磨損。如果間隙過小，由于鋁合金膨脹系數(shù)大，內(nèi)燃機熱車時活塞會在氣缸中卡住。反之，間隙過大，內(nèi)燃機冷車時密封效果就會大打折扣[11]。為此我們參考了目前廣泛使用的最佳間隙量后，對活塞頂壁的尺寸公差及制造精度做出了確定。
（5）．扇形活塞的密封
既然氣缸與活塞之間留有間隙，若不加以密封，氣缸中的氣體會向排氣口漏氣，造成壓縮壓力降低，發(fā)動機性能變壞。另外，氣缸與活塞 之間多余的機油，若不刮掉，就會串入燃燒室燒掉，使耗油增加，產(chǎn)生燃燒室嚴重積碳、排氣冒藍煙等不良現(xiàn)象。為了解決這個問題，我們在活塞頂部裝有密封環(huán)。而為了便于實現(xiàn)活塞與活動缸壁的密封，我們將扇形活塞與活動缸壁做成一體，如上圖所看到的圓盤狀外形，這樣就省去了活塞與活動缸壁的密封問題，而我們只要在“活動缸壁”上開一些槽，用以密封扇形活塞與氣缸即可。在此為了很好地密封，我們采用雙密封環(huán)進行密封，這樣加上扇形活塞頂壁的密封環(huán)密封，就可以將扇形活塞與外界很好地隔開。
（6）．密封環(huán)的設(shè)計
密封環(huán)按其功用不同分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)用來密封氣缸，并將活塞頂部的熱量傳給氣缸壁由冷卻水散走。油環(huán)是用來刮掉氣缸頂壁多余的機油，并使機油在氣缸壁上分布均勻，改善氣缸與活塞的潤滑條件[12]。
氣環(huán)切有開口，具有彈性，在自由狀態(tài)下的外徑大于氣缸直徑。將氣環(huán)裝入氣缸之后，在彈力作用下其外圓表面緊貼在氣缸頂壁上，活塞左右擺動時密封環(huán)的上下端面緊壓在槽的相應(yīng)端面上，所以只有通過微小的開口間隙泄漏，其漏氣量在高速燃機中是微乎其微的。氣缸內(nèi)的氣體穿過第一密封環(huán)后壓力降低到20%，穿過每二環(huán)后壓力降低到7.6%，穿過第三環(huán)后壓力就更小了，環(huán)后的背壓使密封環(huán)更加貼緊氣缸頂壁，氣缸內(nèi)氣體壓力越高，密封就越可靠。
氣環(huán)能夠防止氣體從氣缸漏氣，但不能防止機油串入燃燒室。因為氣環(huán)在活塞槽中左右留有間隙，背后也有間隙，以防止它在受熱膨脹時卡死在槽中。但是，這些間隙的存在，又產(chǎn)生了新的矛盾---氣環(huán)泵油現(xiàn)象。
當活塞向左運動時，在環(huán)與氣缸頂壁之間的摩擦力和環(huán)的慣性力作用下，使環(huán)壓緊在槽的右端面，而其左面則充滿機油。當活塞向右運動時，環(huán)壓向槽的右端，并把機油向左擠。如此反復(fù)，便將機油壓入燃燒室，這種現(xiàn)象稱為氣環(huán)的泵油作用。
油環(huán)就是為了解決這個矛盾而設(shè)置的。如圖10的左視圖所示，油環(huán)外圓柱端面上車出一道槽，槽底加工出穿通的狹縫或許多小孔，當油環(huán)隨活塞向下動動時，油環(huán)外圓如象刀口一樣，便將氣缸壁上多余的機油刮下，使之經(jīng)狹縫或小孔流向活塞銷。
從上述密封環(huán)的工作原理中可以看出，它處在高溫、高壓、高速以及潤滑極其困難的條件下工作，尤其是第一環(huán)的工作條件更為嚴重。密封環(huán)在使用中磨損嚴重，彈性也不易保持，結(jié)果會失去封氣和刮油作用。這種矛盾的存在，促使密封環(huán)的結(jié)構(gòu)不斷向前發(fā)展。因此，密封環(huán)的工作可靠性和使用耐久性，是我們觀察和了解密封環(huán)的結(jié)構(gòu)以及在使用中必須要注意的問題[13]。
（7）．密封環(huán)材料的選擇
密封環(huán)一般用耐溫、耐磨的優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵或合金鑄鐵（含有鎳，鉻，鉬，鎢等合金元素）。工作條件最差的第一道環(huán)的工作表面，一般都進行多孔性鍍鉻，多孔性鍍鉻層硬度高，并能貯存少量機油以改善潤滑條件，使環(huán)的使用壽命提高2—3倍。其余環(huán)一般鍍錫以改善磨合性能。
（8）．活塞銷的設(shè)計
活塞銷是圓柱形零件，用以連接活塞和連桿，并把活塞所承受的力傳給連桿，活塞銷中部穿過連桿小頭孔而兩端則支承在活塞銷座孔中，內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時，活塞銷在連桿小頭中和活塞銷座中都自由轉(zhuǎn)動，所以這種連接方式，稱為“浮式”連接?；钊N的軸向移動，用活塞銷擋圈來限位[14]。
從活塞銷的功用中可以看出，它的強度和剛度要大，表面就耐磨，重量盡可能要輕，為此，通常采取以下兩點措施：
①.活塞銷用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，活塞銷表面經(jīng)熱處理提高硬度后進行精磨加工，使形狀精確，表面光潔，以提高耐磨性。
②.活塞銷做成空心圓柱體，使重量輕，但強度和剛度下降不多。其中部比兩端厚，這是因為活塞銷中部負荷比兩端重的原因，但這樣內(nèi)孔加工比較麻煩。
由于扇形活塞的半徑一定程度上限制了活塞銷的外徑，再此我們?nèi)∑渲睆綖檎麛?shù)20mm，而考慮到上面所提到的加工問題，我們將內(nèi)孔做成直通孔，直徑為14mm。而其長度則依據(jù)扇形活塞的寬度取180mm。
活塞銷在活塞銷座的裝配及尺寸如圖12所示，
圖12
發(fā)動機工作時，活塞銷與銷座之間應(yīng)有適當間隙，一般為0.015-0.02mm[15]。若間隙過大會產(chǎn)生敲擊聲，加劇磨損。但是，由于鋁合金銷座孔的熱膨脹比活塞銷大，因此安裝活塞銷于銷座孔時，應(yīng)有一定的過盈，才能保證在高溫工作時有正常的間隙。安裝時先將活塞銷加熱至70-80度，然后若用手能把活塞銷輕輕推入，說明配合適當。
（9）．連桿的設(shè)計
連桿是用來連接活塞和曲軸，將活塞所受的力傳給曲軸，并把活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動?？梢姡B桿是受力運動零件，要求重量輕，強度和剛度大。因此連桿常用優(yōu)質(zhì)鋼或合金鋼材模鍛制造[16]。由于連桿為四桿機構(gòu)的一部件，因此其尺寸與四桿機構(gòu)的每一個部件的尺寸關(guān)系密切,我們先來求出四桿機構(gòu)的尺寸。
下面我們來用做圖法確定四桿機構(gòu)尺寸：
連桿為四桿機構(gòu)的一部件，因此其尺寸與四桿機構(gòu)的每一個部件的尺寸關(guān)系密切。由前面已確定的燃燒比及氣缸的工作容積，我們可作出四桿機構(gòu)傳動示意圖，如圖13所示，
圖13
扇形活塞的擺動角度為770，搖桿的長度為46mm，考慮到曲柄安放位置與氣缸外壁的干涉，我們將其中心拉遠一點，這樣就要求搖桿的擺放位置進行校核，其角度為630，這樣我們楔形塊的位置也就可以確定出來，具體角度在零件圖中均有標出。我們的極位夾角取00，這樣延長搖桿的連線使之與水平線相交就可確定出曲軸中心的位置。中心距隨之確定，為180mm?？紤]曲軸慣性力不應(yīng)太大及四桿機構(gòu)的桿長定理[17]，取曲柄長為30mm。這樣連桿的長度則為177mm。至此本設(shè)計中最為重要的四桿機構(gòu)的尺寸已全部設(shè)計出來。
連桿的構(gòu)造，由小頭、桿身、大頭三部分組成。如圖14所示，
圖14
連桿小頭用來安裝活塞銷，小頭孔內(nèi)壓有襯套，襯套一般用耐磨性好的錫青銅制造。近年來我國廣泛采用鐵基粉末冶金來制造襯套，其耐磨性好，制造成本也低。由于連桿置于氣缸外部，潤滑效果將受到一定的影響。為了潤滑活塞銷與襯套，在小頭和襯套中鉆孔，一定時間以后就朝孔內(nèi)壓力機油以潤滑?；钊N與襯套之間留有適當?shù)呐浜祥g隙，若間隙過小潤滑困難，間隙過大會產(chǎn)生沖擊聲并加劇磨損。一般活塞銷涂上機油后，用大拇指的力能壓入襯套中，即為合適的間隙[18]。
連桿桿身是連接小頭和大頭的部位。為了既減輕重量，又保證連桿有足夠的強度和剛度，一般桿身做成工字形斷面。
連桿大頭與曲柄銷相連接，一般都做成可分的，被分開的部分（連桿蓋），用連桿螺栓與連桿大頭固緊。為了潤滑連桿大頭，也在桿身處鉆有一個小孔，通過向里面擠壓機油進行潤滑。
（10）．連桿大頭軸瓦的設(shè)計
連桿大頭孔中裝有連桿軸瓦，它是1.5-2mm的鋼帶上繞有減磨合金的薄壁零件。由于連桿軸瓦承受負荷大，它與曲柄銷之間滑動速度高，減磨合金應(yīng)是機械強度高、減磨性能好的材料。即在潤滑油不足時仍能使摩擦和磨損小。而廣泛應(yīng)用的是用巴氏合金作為減磨合金。連桿軸瓦如圖15所示，
圖15
為了防止軸瓦的工作可靠性和使用壽命，通常采取以下措施：
為了防止軸瓦在工作時松動，軸瓦上制有凸鍵，安裝時凸鍵置于連桿大頭相應(yīng)的凹槽內(nèi)。軸瓦與瓦座要緊貼合，以免軸瓦松動，散熱不良而燒損軸瓦。為此軸瓦在座中其一端與座的分開面對齊時，軸瓦的另一端高出座的分開面0.05mm左右。當擰緊連桿螺栓時，軸瓦與瓦座因過盈而使配合很好的貼緊[19]?？梢姡B桿螺栓的擰緊扭矩、連桿螺栓的強度和剛度，都直接影響連桿軸瓦的工作可靠性。連桿螺栓常用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，安裝時按一定的擰緊扭矩擰緊。為防止螺栓松動，連桿螺栓一般用的是開口銷鎖緊。
軸瓦與曲柄銷之間具有最佳的配合間隙，并以一定的壓力將機油送入間隙中進行強制潤滑。間隙過小曲軸在軸瓦中會卡住，即通常所說的包瓦現(xiàn)象，間隙過大會產(chǎn)生沖擊和加劇磨損。使用中由于磨損間隙過大時，要重新調(diào)整間隙，為此連桿大頭分開面通常裝有墊片，減少墊片就會使間隙縮小。
4.2.4 曲軸的設(shè)計
曲軸是發(fā)動機中最重要的零件之一，發(fā)動機的全部功率都通過它輸出。設(shè)計時要充分考慮以下三個方面：
(1).曲軸是在不斷周期變化的氣體壓力、往復(fù)運動質(zhì)量慣性力、旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量慣性力以及它們的力矩（扭矩和彎矩）共同作用下工作。這些變力使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當嚴重。所以在設(shè)計曲軸時要使曲軸具有足夠的疲勞強度，特別要注意強化應(yīng)力集中部位和設(shè)法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象。
(2).曲軸的主軸頸在實際工作中并不能總保證液體潤滑，尤其當潤滑油不潔凈時，曲軸軸頸表面遭到強烈的磨料磨損。所以曲軸的主要摩擦表面——主軸頸要有一定的耐磨性能，同時要保證盡可能好的潤滑條件。
(3).如果曲軸彎曲剛度不足，就會大大惡化活塞、連桿、軸承等重要零件的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性，甚至使軸承座局部超負荷。曲軸扭轉(zhuǎn)剛度不足則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的扭轉(zhuǎn)震動，引起噪音，甚至使曲軸上的齒輪等傳動件加速磨損，重則使曲軸斷裂。所以，應(yīng)保證曲軸有盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。
但是，所有的這些要求都應(yīng)該在輕結(jié)構(gòu)的條件下實現(xiàn)，特別是不平衡的質(zhì)量要盡可能小，以免設(shè)置沉重的平衡塊。因此曲軸常用優(yōu)質(zhì)鋼制成。示意圖如圖16所示：
圖16
曲軸的長度主要是由發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)定出來的，這可由做圖法得出。由于功率不是特大，再者參考了樣機的設(shè)計尺寸，我們可取主軸頸的直徑為25mm，大家可能看到了一般曲軸的主軸頸是緊貼著曲柄臂的，而上圖所示的曲軸則是主軸軸頸緊鄰著一軸肩，這主要是由于為了防止總體機構(gòu)干涉而將主軸頸移走的結(jié)果。但這就不影響曲軸的結(jié)構(gòu)性。其余各主要尺寸均在綜合考慮總體結(jié)構(gòu)要求及受力情況合況下做出的。具體可參見曲軸零件圖。
主軸頸是曲軸的支承部位，安裝在軸承中，合上軸承座后用螺栓固緊。曲柄銷用來安裝連桿大頭，經(jīng)曲柄銷同主軸頸連接。主軸頸和曲柄銷表面是曲軸的重要部分，為了提高它的耐磨性，通常采取以下措施：主軸頸和曲柄銷表面經(jīng)熱處理提高硬度之后進行精磨，其尺寸精確，表面光潔。
主軸頸與主軸承座之間裝有軸承。主軸承座上開有小孔，是用來強制將機油送入軸承座內(nèi)部進行潤滑的。為了減輕重量和減少曲軸旋轉(zhuǎn)時曲柄銷產(chǎn)生的離心力，曲柄銷一般都做成空心。
曲柄臂用來連接主軸頸與曲柄銷。有的內(nèi)燃機曲柄臂上加有平衡重，平衡重的作用是平衡連桿大頭、曲柄臂等產(chǎn)生的離心力和活塞連桿組零件直線運動質(zhì)量產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，減輕內(nèi)燃機的振動。而為了防止曲軸軸向串動，曲軸前端有軸向定位裝置。主軸承座兩邊各有一片一面澆有巴氏合金的止推片。澆有巴氏合金的一面都朝向主軸承座內(nèi)側(cè)。止推片有凸鍵置于主軸承蓋的凹槽中，使之防止轉(zhuǎn)動。止推片與曲柄臂之間軸向間隙為0.05-0.25mm[20]。
4.3 主軸的設(shè)計
本發(fā)動機所設(shè)計出來的主軸主要用于支承兩個扇形活塞。同時承受小部分的載荷，活塞大部分的載荷都作用在了活塞銷上，再通過連桿傳遞給曲柄輸出。但是還是要求主軸具有一定的強度和足夠的剛度，以保證扇形活塞工作時保持正確幾何形狀以及正確的配合關(guān)系。假如剛度不夠，就會使扇形活塞與氣缸的配合間隙過大，影響密封性能，從而造成氣缸內(nèi)壓縮壓力降低，發(fā)動機性能變壞，嚴重時還會導(dǎo)致發(fā)動機癱瘓，不能工作。因此我們選用優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造。主軸中間要留有水道，以便于冷卻水進入活塞內(nèi)孔進行冷卻?；诖宋覀兛纱笾伦龀鍪疽鈭D如圖17所示：
圖17
水道應(yīng)先全部鉆通后，再用金屬堵住圖中封閉處。與扇形活塞配合處的尺寸按扇形活塞的內(nèi)徑去做即可，但其尺寸精度要求相當高，再有就是位置精度要求也較高，這也給加工帶來了一定的困難。軸徑最大處主要是用于定位左右兩氣缸用的，其尺寸決定了兩氣缸的相對位移以及連桿的寬度，可定為50mm。這樣再減掉又端蓋厚度之后仍有30mm的寬度，這已經(jīng)可以滿足連桿的強度要求了。主軸各主要尺寸及公差要求可參照主軸零件圖。
4.4 氣缸端蓋及軸承蓋的設(shè)計
4.4.1氣缸端蓋
缸蓋的設(shè)計是按照氣缸體的配合要求進行的,在設(shè)計中,力求簡單。但是注意考慮以下幾點要求：
（1）．配合要求：氣缸端蓋與氣缸的配合，氣缸端蓋與軸承的配合。
（2）．密封要求：氣缸端蓋與氣缸的密封，氣缸端蓋與軸承蓋的密封
（3）．冷卻水道的布置
由此我們初步設(shè)計如下氣缸端蓋的示意圖如圖18所示：
圖18
首先在配合要求上，缸蓋與活塞的密封是靜配合，但是其端面直接與扇形活塞相接觸，為了減少摩擦就要求其端面尺寸精度要求較高一些。而與軸承端蓋的配合就要考慮怎樣防止水流進軸承里面，因此尺寸精度也有相應(yīng)的要求。所有的端蓋的連接均靠螺栓鎖定。
其次密封方面，氣缸端蓋與氣缸的密封采用的墊片是雙金屬層的金屬粘覆密封墊片，能耐高溫，密封性能好；而與軸承端蓋的密封采用的是“O”型橡膠圈密封，密封性能好，不會造成冷卻水泄漏到軸承里面去，影響軸承的使用性能及壽命。
最后水道的布置在氣缸端蓋上，呈環(huán)形分布，因為在扇形活塞擺動時，會與氣缸端蓋進行摩擦，以及可燃氣體燃燒時產(chǎn)生熱量。因此這一側(cè)屬于高溫區(qū)，至于冷卻水的循環(huán)，將在下文的冷卻系統(tǒng)中做詳細介紹。氣缸端蓋具體尺寸請參照零件圖紙。
4.4.2軸承端蓋
為了防止軸承在承受軸向負荷時產(chǎn)生軸向移動，軸承在軸上和外南寧孔內(nèi)都應(yīng)用軸向定位裝置。軸承在軸上和外殼孔內(nèi)定位方式的選擇，取決于作用在軸上負荷的大小和方向，軸承的轉(zhuǎn)速，軸承的類型，軸承在軸上的位置等。軸向負荷越大，軸承轉(zhuǎn)速越高，軸向定位應(yīng)越可靠。端蓋定位用于所有類型的向心軸承和角接觸軸承，在軸承轉(zhuǎn)速較高、軸向負荷較大的情況下使用。端蓋用螺釘定位壓緊軸承外圈，端蓋也可以做成迷宮式的密封裝置。
軸承端蓋主要是為了密封軸承而設(shè)計的，但他還起到了密封水道的功能，因此需要采用“O”型橡膠圈密封，防止冷卻水泄漏到軸承里面去。
示意圖如圖19所示：
圖19
其中上通孔為進水口，冷卻水由此進在氣缸端蓋水道內(nèi)環(huán)流一周后從下出水口流出。
軸承端蓋具體的設(shè)計請參見軸承軸承端蓋零件圖，在此就不詳細畫出。
4.5 裝配草圖
現(xiàn)在我們活動缸壁雙聯(lián)缸式擺動發(fā)動機的大體結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)完成，下面我們就來看看總的裝配示意圖，如圖20、圖21和圖22。詳細的總裝配圖請見附錄。
圖20——主視圖
圖21——俯視圖
圖22——左視圖
5 潤滑系統(tǒng)
5.1 潤滑的作用與設(shè)計要求
內(nèi)燃機潤滑系統(tǒng)的主要作用是將一定數(shù)量的清潔潤滑油送到各摩擦部位，以潤滑、冷卻和凈化摩擦表面。一個良好的潤滑系統(tǒng)必須具備以下幾個條件：
⑴．有布置合理的油路，使內(nèi)燃機所有的摩擦部位都能得到潤滑。
⑵．當內(nèi)燃機在允許的工況和環(huán)境條件下，在內(nèi)燃機允許的傾斜范圍內(nèi)，仍有適當?shù)臐櫥蛪毫?、溫度和足夠的循環(huán)油量，以保證摩擦表面的潤滑。
⑶．進入摩擦部位的潤滑油應(yīng)清潔。
⑷．內(nèi)燃機一經(jīng)啟動，各摩擦部位應(yīng)能夠立即充滿潤滑油。也可在啟動前將潤滑油預(yù)先壓入各摩擦部位進行潤滑。
5.2 幾種常見的潤滑方式
根據(jù)內(nèi)燃機類型和潤滑部位不同，采用不同的潤滑方式，主要有以下5種：
⑴．壓力循環(huán)潤滑 即潤滑油是在機油泵作用下以一定的壓力注入摩擦部位。常用于承受較大負荷的摩擦表面，如軸承、軸套等。
⑵．飛濺潤滑 潤滑油濺于摩擦表面上。常用于那些壓力送油難以到達，或承受負荷不大的摩擦部位，如氣缸壁、齒輪、凸輪等。
⑶．油霧潤滑 油霧附著于摩擦表面周圍，積多后滲入摩擦部位。常用于承受負荷較小或相對運動速度不大的摩擦部位，如氣門調(diào)整、螺釘球頭、氣門桿頂端與搖臂之間等處。
⑷．壓力間歇潤滑 潤滑油在微量機油泵作用下定期注入摩擦部位。常用于曲軸箱掃氣二沖程發(fā)動機的軸承及大型柴油機氣缸壁等。
⑸．摻混潤滑 潤滑油以一定比例摻混在汽油中，在燃料經(jīng)化油器時呈霧狀進人曲軸箱，借此摻混的油霧來潤滑摩擦部位。常用于摩托車和其他小型曲軸箱掃氣二沖程汽油機的摩擦部位。
除了個別情況采用單一的潤滑方式(例如二沖程摩托車汽油機采用摻混潤滑)外，大多數(shù)內(nèi)燃機的潤滑系統(tǒng)都是采用壓力循環(huán)潤滑、飛濺潤滑和油霧潤滑的復(fù)合形式。這是因為內(nèi)燃機是各類機械中潤滑條件最困難的一種。
5.3 潤滑系統(tǒng)的設(shè)計
對于作者設(shè)計的發(fā)動機而言，我們主要考慮幾個主要相對運動的零件潤滑，即連桿、主軸與主軸軸承、扇形活塞、曲軸與曲軸軸承的潤滑。
⑴.連桿潤滑
由于整個連桿裸露在氣缸體的外面，因此不能采用通常的飛濺方式潤滑，只能在定期地往連桿注油孔擠壓機油進行潤滑。雖然這種潤滑效果比較差，但是由于此發(fā)動機還處于試驗階段，不會作大負荷長時間的工作，基于結(jié)構(gòu)簡單考慮后還是采用此法。我們可以在連桿大頭及小頭內(nèi)挖一個小的儲油槽，以便更大程度上地減少注油次數(shù)，提高效率。當然今后我們可以對其結(jié)構(gòu)進行改造，將整個連桿機構(gòu)并入一個氣缸體內(nèi)。
⑵.主軸與主軸軸承的潤滑
對于主軸與支承主軸的主軸軸承來說，由于主軸軸承所受到的力比較簡單的，不會特別大。再加上我們在氣缸端蓋上設(shè)有水道，故如果要在氣缸端蓋上開專門的潤滑油路，還要考慮水的密封問題，這樣整個結(jié)構(gòu)又會顯得比較復(fù)雜。因此我們暫定為定期將軸承端蓋打開，朝滾動軸承添加黃油或機油進行潤滑即可。
⑶.曲軸與曲軸軸承的潤滑
對于曲軸軸承來說，我們在設(shè)計軸承座的時候已經(jīng)在軸承座的上蓋預(yù)置了螺紋孔，這樣我們便可在軸承座上安裝油杯。我們只須隨著需要朝軸承座里添加潤滑機油。而曲軸銷的潤滑剛可從連桿上得到潤滑
⑷.扇形活塞的潤滑
在氣缸內(nèi)扇形活塞的潤滑方面，采用的是摻混潤滑，和上述所提到的二沖程摩托車的發(fā)動機一樣，把機油和汽油以一定的比例混合，就可以對活塞起到潤滑作用。而且也省去了開通油道的煩惱。所以對于本設(shè)計整個發(fā)動機而言，潤滑方式有濺油潤滑又有摻混潤滑，故屬于復(fù)合潤滑方式。雖然說潤滑效果及效率不是很好，但能滿足通常的要求即可。
由于潤滑系統(tǒng)只是發(fā)動機結(jié)構(gòu)的一個輔助構(gòu)件，因此在設(shè)計時可能會略顯簡單點。但由于我們只是對新產(chǎn)品開發(fā)的初步探討。勢必會有不合理的地方，這將在今后的改進中進行重新考慮。
6 冷卻系統(tǒng)
發(fā)動機工作時，燃燒氣體的最高溫度達1800-2200度，使直接與燃燒氣體相接觸的零件如活塞、氣缸端蓋、氣缸等強烈受熱。如果不采取適當?shù)睦鋮s措施，將會產(chǎn)生一系列嚴重后果：
(1)．各受熱件將要達到很高的溫度，使金屬的強度顯著下降，以致發(fā)生變形破
壞。
(2)．零件受熱后要膨脹。溫度越高，膨脹量越大，以致破壞零件之間的正常
合間隙。常見的活塞卡列在氣缸中的現(xiàn)象，溫度太高就是其中一個主要原因。
(3)．潤滑油在高溫下容易氧化變質(zhì)，使粘度降低，不利于摩擦表面形成油膜，潤滑油使用期限縮短，消耗量增加。
(4)．新鮮氣體進入氣缸之前受到高溫機件的加熱后，比容增加，每次被吸入氣缸的氣體重量減少，使內(nèi)燃機功率下降，而且還會導(dǎo)致混合氣體燃燒不正常。
由此可見，不進行冷卻，內(nèi)燃機就不能正常工作，所以冷卻系統(tǒng)是內(nèi)燃機正常工作所必需的。但是，過度冷卻也是極其有害的。因為將執(zhí)量散發(fā)到大氣中去，必然消耗一部分燃料所發(fā)出的熱能，這就會降低內(nèi)燃機的輸出功率。不僅如此，內(nèi)燃機在過冷的情況下運轉(zhuǎn)時，可燃混合氣體不能很好地形成和燃燒；機油在低溫時粘度增高，零件運動的摩擦阻力增加。降低零件的使用壽命。
因此，冷卻系統(tǒng)的作用就是保持內(nèi)燃機最適宜工作的溫度范圍。采用水冷卻時，冷卻水溫度應(yīng)在80-90攝氏度之間；采用空氣冷卻時，鋁氣缸壁的允許溫度為150-180攝氏度，鋁氣缸蓋則為160-200攝氏度。本文主要采用的冷卻方法為水冷卻。
6.1 傳統(tǒng)發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)的組成
水冷卻系統(tǒng)是用水做為介質(zhì)冷卻內(nèi)燃機，然后再將熱傳給空氣。這種冷卻方法的優(yōu)點是：冷卻比較均勻。目前用得最為廣泛的水冷卻采用的是強制循環(huán)式的水冷卻。它主要是由以下幾個部件組成的：
⑴.散熱器 散熱器的功用是將水的熱量散發(fā)給外界大氣，因此必須有足夠的散熱面積，并用導(dǎo)熱性好的材料制造。
⑵.風扇 風扇通常裝在散熱器后面。風扇放置時，把散熱器周圍的熱空氣抽走，冷空氣通過散熱器芯部提高了散熱器的散熱能力，使流過芯部的冷卻水很快得到冷卻。
⑶.水泵 水泵與風扇安裝在同一根軸上，它的功用是迫使冷卻水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)作循環(huán)流動。目前在內(nèi)燃機上應(yīng)用最廣泛的是離心式水泵，因為它具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、排量大、工作可靠。當水泵因故障而停止工作時，其結(jié)構(gòu)不妨礙水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)的自然循環(huán)等優(yōu)點。
⑷.冷卻強度的調(diào)整裝置
在強制循環(huán)式水冷卻系統(tǒng)中，可用節(jié)溫器來改變流過散熱器的冷卻水的循環(huán)量，以自動調(diào)節(jié)冷卻強度。一般節(jié)溫器安裝在氣缸蓋出水口處。
6.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性，我們只在主軸上、活塞內(nèi)孔以及在氣缸端蓋上留出水道，而沒有在裝配圖上繪制出強制循環(huán)式水冷卻所必需的水泵、散熱器以及風扇。
1. 氣缸端蓋的冷卻
冷卻水的走向見圖23所示(氣缸端蓋實體按逆時針旋轉(zhuǎn)90度后所形成的圖形)。
圖23
由上圖我們可知,冷卻水從端蓋的上方進入，流經(jīng)整個氣缸端蓋內(nèi)腔后從端蓋下方流出。這樣可以很好地對氣缸端蓋及扇形活塞壁進行冷卻。
2.扇形活塞內(nèi)部的冷卻
主軸及扇形活塞內(nèi)部冷卻水的流向如圖24所示
圖24
由上圖,我們可以清楚地看到,冷卻水經(jīng)主軸左端水道流入,流經(jīng)扇形活塞內(nèi)腔后又進入主軸水道,流向另一扇形活塞內(nèi)腔。最后從主軸右端水道流出。
七 總結(jié)
通過將近三個月的艱心分析和設(shè)計，本次的畢業(yè)設(shè)計也已接近尾聲。在這次發(fā)動機的設(shè)計中，我學到了很多東西，畢竟對于自己這次設(shè)計是從零開始的、從小到大、從不會到自己設(shè)計的一個新過程，也是鍛煉自己的一個好機會。在設(shè)計過程中的許多曾經(jīng)從未涉及的問題對我來說無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)，以擺動活塞式發(fā)動機的工作原理以及大學四年機械專業(yè)知識為理論基礎(chǔ)，和莫愛貴副教授在設(shè)計過程中對我的悉心指導(dǎo)及自己查閱大量的發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計的資料。如機械設(shè)計手冊、圖冊、內(nèi)燃機構(gòu)造及一些關(guān)于發(fā)動機設(shè)計方面的優(yōu)秀學術(shù)論文，并時常向同學討論、探討，最終完成了本次畢業(yè)設(shè)計。
當然，由于作者的知識、設(shè)計水平有限，設(shè)計中必然會存在不少問題，如有關(guān)發(fā)動機的裝配以及氣缸等零件的加工工藝方面的常識性、經(jīng)驗性的問題還有待解決。尤其是發(fā)動機裝配需要特別說明：由于發(fā)動機氣缸結(jié)構(gòu)所限，我們只能將主軸軸承裝在氣缸端蓋上，這樣在裝配主軸時就會涉及到裝配精度與裝配工藝的問題。這就要求在裝配時花費較多的時間與精力。這也是日后我們進行結(jié)構(gòu)改進時首要考慮的地方。
通過這次設(shè)計，我已經(jīng)基本掌握了發(fā)動機設(shè)計的大概思路和基本步驟。也使我對發(fā)動機的工作原理和性能有了更深的理解，提高了我對發(fā)動機的認識。同時也提高了我的自學能力、查閱資料能力和綜合設(shè)計能力，相信所有這些對自己以后走入社會參加工作都會有很大的幫助，都是一些很重要的經(jīng)驗和財富。
參 考 文 獻
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致 謝
這次畢業(yè)設(shè)計，承蒙我的指導(dǎo)老師莫愛貴副教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)，才能得以勝利完成。他嚴肅的教學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到本次設(shè)計的最終完成，莫老師都始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。四年多來，莫教授不僅在學業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷和幫助，在此謹向莫老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
在此，我還要感謝在一起愉快的度過大學生活的02機本班的各位同學，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個又一個的困難和疑惑，直至本設(shè)計的順利完成。
其次我還非常感謝那些以一定方式影響本論文的論述思想的作者、提供參考文獻的作者和邵陽學院圖書館的工作人員，為
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