基于SolidWorks内燃机运动仿真设计.doc

1、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姓名学号专业指导教师2015年4月7日III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

2、。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1 1.2 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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、，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

8、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20导相应的圆角R5，倒角3x45完成活塞建模。2.3.2 气缸建模 气缸是一个圆筒形金

9、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50，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

10、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50x40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50x20的圆柱体镜像实体绘制50x32的圆柱体绘制28x30的圆柱体绘制15x30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

11、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20x82的圆柱体以圆柱体底面为基准面，绘制16x50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

12、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

13、配合的孔16x10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

14、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1x60,2x30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