双摆盘式章动发动机运动机构固定件的设计 40页

中北大学2012届毕业设计说明书双摆盘式章动发动机运动机构固定件的设计摘要众所周知，章动发动机突破了传统的活塞式内燃机曲柄连杆机构的束缚。其核心部件只是一个安装在Z轴上的摆盘，从而减小了内燃机的体积，增大了体积功率。据估算，章动发动机的功率是同体积二冲程发动机的二倍，四冲程发动机的四倍。机体构成了内燃机的骨架。机体内安装着内燃机的所有零件和主要附件。因此机体的合理布置关系着章动发动机的体积大小，质量大小和功率大小。本文对于章动发动机机体的设计就具有很好的实用性和实时性。本文重点介绍了章动发动机固定件设计过程，包括利用包络线法确定结构，材料的选择，进、排气系统，冷却系统，润滑系统等的设计和布置。关键词：往复活塞式，章动，机体\n中北大学2012届毕业设计说明书TheDesignoftheSkelekonoftheTwo-nutatingDiskEngineABSTRACTAsisknowntoallofus,thenutatingdiskenginehasbrokenthroughtheshacklesofconventionalpistonengine'scrackconnectingrodmechanism.ThecorecomponentsofitisonlyadiskintalledaZ-shapedshaft,soreducingthevolumeandimprovingtheprower.Itisestimatedthatthenutatingdiskengineproducestwicethepowerofatwo-strokeengineandfourtimespowerofafour-strokeengine,iftheyareinthesamevolume.Thecasingconstitutestheskelekonoftheinternalcombustionengine.Allthepartandattachmentsoftheinternalcombustionengineareinit.Soitsretionalityhasrelationswiththevolumequalityandthepower.Therefore,thedesignofthecasingofthenutatingdiskenginehasbetterreal-timeandpracticality.ThispaperfocusesonhowtodesigntheskelekonoftheengineaccordingtotheEnvelopemethod.,howtochoosethemeterial,howtodesigntheintakeandexhaust,andthispaperalsofocousonhowtodesignthecoolingsystemandthelubricationsystem.Keyword:four-strokereciprocatingpiston，thenutatingdisk，casing\n中北大学2012届本科毕业设计说明书目录1引言11.1背景及意义11.2理论依据11.3国内外的现状以及发展史11.4本文主要研究内容32章动发动机固定件方案设计43章动发动机固定件结构的设计63.1材料的选择63.2机体总体结构的确定63.3腔体的具体结构73.3.1材料的选择73.4挡板103.4.1材料的选择103.4.2挡板结构以及具体尺寸的确定103.5机体的下壳133.5.1机体下壳的材料选择133.5.2机体下壳结构的的具体的尺寸133.6机体的上壳体163.6.1机体上壳体材料的选择163.6.2机体上壳体结构以及具体尺寸的确定163.7壳体两侧的端盖183.7.1端盖材料的选择183.7.2端盖的结构以及具体的尺寸的确定183.8整个机体所用到的螺栓、螺钉193.8.1材料的选择203.8.2结构的确定和具体尺寸的确定203.9机体支座的设计21第II页共Ⅱ页\n中北大学2012届本科毕业设计说明书4机体润滑系统的设计234.1机体润滑系统的作用234.2润滑方式的选择234.3润滑系的布置244.4润滑系的主要设计参数255冷却系统的设计265.1冷却系统的作用265.2冷却系的选择265.3冷却系的结构尺寸276进、排气系统的设计296.1进排气系统的重要性297章动发动机机体强度的校核317.1机体强度校核的必要性318总结33参考文献35致谢36第II页共Ⅱ页\n中北大学2012届毕业设计说明书1引言1.1背景及意义随着人们对于内燃机的功率要求的不断提高，传统的往复活塞式内燃机的体积大、质量大、相对功率小等缺点[1]，已经逐渐的引起人们的注意。人们在不断的寻求着有效的方法来改善这些缺点，但由于往复活塞式内燃机本身不可克服的缺点，导致这些改善方法并不是很明显。因此，最近人们更加倾向于研制新结构的内燃机来克服传统内燃机的曲柄连杆机构的缺点。章动发动机就是人们在探索过程中寻找到的一种新式发动机。1.2理论依据章动内燃机又叫做米勒循环内燃机，它具有一圆盘，圆盘带有圆锥形表面及中央放置的球，圆盘和球放置在一对称的球截形的腔室中，腔室有一中央轴承活动地接合球，并且使圆盘可在腔室中章动以转动驱动轴[2]。章动内燃机恰好与四冲程往复活塞式内燃机的工作循环过程相同，且将进气和压缩腔室并成一个腔室，而将燃烧和排气腔室并成一个腔室以便每180°点火,如图1.1所示。由于章动内燃机没有传统往复活塞式内燃机所具有的曲轴、连杆和活塞等运动机构，所以很大程度上减小了发动机的体积，从而增大了发动机的体积功率[3]。图图1.1章动发动机工作原理图1.3国内外的现状以及发展史虽然章动发动机的理念近几年才逐渐被提出，并逐步引起人们的注意，然而，章动理论在国外却完全可以追溯到19世纪初。在1820年，英国工厂业主，爱德华．詹姆斯曾制造出一液压盘式的发动机，开启了章动发动机的先河[4]第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书。此后的时间里，不断有人在各种机械装置中，使用章动零件来转换能量，例如早在1904年，美国专利号中，公开了一种汽油发动机，其活塞驱动一球或轴做章动以转动另一根驱动轴。具体来说，活塞驱动章动零件的臂，从而以扫过一圆锥形的章动方式驱动一根轴。这根轴能量通过齿轮机构传递到另一根轴[5]。虽然这些理念与现在的章动理念有着很大程度的不同，但经过人们长时间的不断完善，章动理论已逐渐趋向于成熟。此外，还出现过其他专利也使用章动的球或轴零件将一种形式的运动，转变为另一种形式的运动。在1942年美国专利号公开了一种用于转缸式发动机的章动零件[6]。该专利的活塞连接于垂直一根轴的若干臂。这根轴绕一中心枢轴点转动以产生两个圆锥形的转动，轴的两端连接于转动另一根驱动轴的装置，该轴借助轴承以球和盘布置而运动。但是，上述各种专利只是利用轴和球将一种运动传至另一种运动。但这些零件都没有章动零件（即球、盘、轴）来限定内燃机的腔室[7]。直到1963年，美国专利号中公开了一种以章动体原理的章动盘内燃机。这种章动盘本身是内燃机循环的整体零件[8]。具体来说，球和盘限定了腔室，即进气、压缩、燃烧和排气腔室该专利所公开的发动机一包围和支撑一球面的壳体，球面上带有一圆盘，将腔室分成两个腔室，以及连接两个腔室的挡板[9]。由于球和盘以章动方式转动，进气、压缩、燃烧和排气用的腔室相互作用而驱动轴。此内燃机每360度点火。该专利所公开的发动机只有一根轴，因此球和轴的质心不在球的球心。其轴和球的质心是不断运动着的，将附加应力作用在发动机上。由于该发动机只有一个挡块，这种内燃机具有两个或者三个腔室[10]。另外，进气和压缩是在盘的一侧同时完成的，膨胀和排气是在盘的另一侧完成的。因此盘的两侧都要求完成一个四冲程过程[11]。而对于机体本身也经历了不断地变革。人们为了不断改善传统内燃机热效率低、质量大等缺点，而不断对对机体从各个方面提出变革，从材料到铸造工艺以及结构造型等各个方面到有了很大进步[12]。目前的机体已经不再是单纯的灰铸铁的材料，很多时候更偏向于铝合金，壁厚等也在逐渐减少，质量在不断减轻。时至今天，章动发动在国外已经有了比较成熟的理念，已经有了相应的专利。但在国内，章动理论却是刚刚起步。国内内燃机除了少部分的二冲程和转子式发动机外，仍然是以四冲程往复活塞式内燃机为主导地位[13]。章动发动机在国内更是一片空白。无论是在国外还是国内，内燃机机体合理设计，都是一个很重要的课题。众所周知，国内内燃机真正的发展时间只有五十多年，而这五十年中的又有很长一段时间是在仿制国外的内燃机，当时的机体更是体积大，重量大，功率小，材料也多是灰铸铁[14]第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书。直到20世纪80年代才有了重大发展，随着一些先进机型和技术的引进，我国内燃机总体水平已经达到了国外八九十年代的水平，机体的设计和造型也是达到了较高的水平目前人们设计机体的标准也基本一致：根据内燃机的用途，合理设计受力部位的结构以及形状化，以免应力集中；保证有足够的刚度和强度；尺寸小，重量轻；机构简单，有利于三化；便于拆装、维修。而铝合金的的机体有着降低噪声、减少机油消耗、导热性好、提高压缩比、提高功率使整个发动机轻量化等优点。但同时也使成本变高。同时无论在机体设计过程中也遇到很多问题：汽缸盖螺栓数的确定和螺栓孔位置的选择；机体前后端的密封等问题[15]。这些问题在机体设计过程中一直是难以解决的难题。近年来，随着有限元法与实验应力分析法不断地发展，提供了有效的计算与实验方法，从而显著缩短了内燃机的研制时间。1.4本文主要研究内容本文主要是在了解章动发动机工作原理，准确把握章动发动机的整个工作过程后，对其整个机体进行设计，包括：（1）合理的选择材料，章动发动机在设计过程中，由于材料直接制约着整个发动机的工作性能和制造成本，因此材料的选择是十分重要的一个环节。（2）确定机体具体结构，机体的设计的紧凑性是章动发动机设计的一个最基本的要求，因此机体设计是一个复杂的过程，而整个机体设计的过程中，利用的包络线法确定机体外部轮廓尺寸。（3）利用pro/e4.0画出相应的三维立体图，在确定了机体的外部尺寸后，为了能够更好的呈现出机体的外部结构，则必须画出其三维设计图。（4）确定各个尺寸加工时对应的误差，以及各个加工表面的粗糙度。无论是尺寸的加工误差或者是表面粗糙度，都是在机体各结构在加工的过程中，所必须确定的要素，因此，加工误差和表面粗糙度是必不可缺少的一环节。（5）对机体进行强度校核。对设计的结构进行强度校核，不仅保证可以所设计的机体结构的可加工性，同时也可以大大的减少机体设计的时间，保证机体在最短的时间内完成设计。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书2章动发动机固定件方案设计章动发动机固定件用来支持内燃机的运动件以及安装配气机构、驱动机构和各种附件，并作为内燃机安装用的支座。它的总体重量和体积占整个内燃机体积和重量的大部分。而且固定件的主要零件都是几何形状比较复杂的铸件，工艺准备和制造的工作量比较大，受力情况比较复杂，有些零件除了机械载荷外，还伴随有强烈的热载荷，因此固定件很难用一般的方法来计算，因此只能通过包络线法确定机体总计结构，然后通过实验模拟、校核等手段反复进行校核。（1）由于章动发动机运动摆盘的运动包络线是一个不完全的球面，因此腔体的内部结构应该是缺少两端的球面。（2）摆盘上的Z轴在运动过程中需要有一定的支撑，因此在机体上应该设计一个相应的凹槽，用来支撑Z轴的转动。而对于双摆盘式章动发动机两个腔体可以布置在一条直线上，因此两个摆盘可以用同一根轴（即两根Z轴连接在了一起），因此对于这根Z轴可以有三个支撑点。即在固定件上要有三个凹槽来支撑整根的Z轴。（3）由于章动发动机摆盘在摆动过程中需要一个挡板来固定排盘的一个自由度。使其能够按照预想的运动轨迹进行运动。因此要根据章动角和摆盘的两侧之间的夹角设计一个挡板，使其既固定摆盘的运动又能与摆盘之间有很好的密封。（4）对于章动发动机的进排气系统与活塞式内燃机完全不同。由章动发动机摆盘的运动，我们可以设想到，章动发动机进气口完全可以不用气门的控制，而通过摆盘的摆动来控制各个密封腔体的进气口的开关，这个过程更类似于二冲程发动机的进气过程。但是对于排气口的设计却必须借助于气门，因为排气口与蓄压腔相接，气门可以预防蓄压腔内气体逆流进入腔体。（5）对于章动发动机的润滑系统设计要保证运动部件所有的接触面都要有润滑油的存在，同时润滑油要起到一部分的冷却作用，使冷却水不容易达到部件能够很好的冷却。（6）章动发动机冷却系统的设计方案。整个章动发动机最需要冷却部位无疑是腔体所承受高温的部分。这一部分在设计过程中最好可以有冷却水腔的环绕，使腔体与冷却水腔可以最大程度的接触。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书另外在整个发动机设计过程中，要充分考虑的发动机支撑，使其既能支承发动机，又能最大程度上减轻发动机的振动。考虑到发动机各个零部件安装时的定位，以及所选材料达到所需强度。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书3章动发动机固定件结构的设计3.1材料的选择章动发动机固定件的设计主要包括以下几个方面：机体材料的选择，机体结构的确定，机体具体尺寸的确定，进排气管的确定，蓄压腔以及预燃室的布置，以及机体强度的校核。对于机体材料的选择要具体考虑到机体质量的减轻，机体的耐热性等各个方面。主要用到6063铝合金和HT200等材料！铝合金和HT200的各种特性如下表3.1所示：表3.1HT200和铝合金材料特性对比熔点密度硬度HT2001145～1250℃6.6~7.7g/cm³HB170-200铝合金<660℃2.5~2.88g/cm³HB60-150由上表3.1中HT200和铝合金的特性的比较，HT200熔点高硬度大，但是密度也大，导致本身质量大，而铝合金由于低密度，在机体制造过程中倍受青睐，但本身的熔点太低，难以承受燃烧气体的高温，故在机体加工过程中很受制约。结合机体尽量减轻重量的特性可知，机体外部在正常工作时不承受高温的部分应该利用铝合金。而与燃烧室连的腔体由于工作时温度较高则必须利用HT200。为了加工过程的方便性，整个机体加工过程中，不考虑其它材料！3.2机体总体结构的确定确定机体的结构，主要是利用包络线等方法，对腔体等各个部分进行确定同时综合考虑各个部分的统一性，确定最佳的机体结构机体的外部如图3.1和图3.2所示图3.1机体的下部壳体以及腔体装配结构第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书图3.2机体的上部壳体机构图3.3机体上下壳体各结构的尺寸如图3.1和图3.2所示，机体结构所示，对应其相应的外形轮廓尺寸如图3.3所示。为了能够更好的布置，可以将整个壳体分成多个部分。具体的部分，以及各个部分的具体结构及尺寸如下3.3腔体的具体结构3.3.1材料的选择由于两个腔体虽然形状相同，但是由于其中一个腔体要承受高温的热负荷，所以两个腔体材料应该有所不同，进气压缩的腔体可以利用铝合金来减轻重量，但是需要承受热负荷的腔体则必须利用能够耐高温的HT200。3.3.2腔体各部分具体尺寸的确定第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书根据摆盘所做的运动，然后由包络线法可以得到，腔体的形状就是一个球体的一部分，由于摆盘的直径为240mm.可以容易确定中间球体部分的直径为Φ=240mm而由排盘的摆角是20度。综合考虑摆盘实际运动过程中由于厚度的影响L=240*cos20+2*（14/2）=96.2mm所以中间球形腔体的实际宽度定为l=96.02mm而由于两侧的挡板的作用腔体两侧都有θ=15°的倾斜用于和挡板的连接。腔体的形状如图3.4所示。由图3.3可知，腔体两侧的承载轴的圆柱形凹糟的直径，可由轴的具体直径，结合两者之间具体的配合可得为Φ36mm。而凹槽的长度两侧皆为L=21.88mm凹槽外侧的薄板主要用于固定挡板，厚度为L=8.1mm挡板上的凹槽为Φ=59.70mm。另外为了能够很好的固定腔体和挡板，在凹糟上有布置有M4的螺钉孔。具体位置可由图3.5可知。图3.4腔体的具体机构第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书图3.5腔体部分的尺寸在具体的加工过程中各个尺寸所允许的误差以及各个部分所要求的粗糙度如图3.5和图3.6所示。与摆盘的所接触的腔体内侧对于加工误差以及粗糙度都有很高的要求，而对于外侧的非工作面，为了加工的方便性可以对粗糙度要求降低。对于轴与凹槽之间一般应该加轴瓦，因此对于凹糟的粗糙度也有一定的要求。具体要求如下。图3.6腔体各部分的粗糙度要求第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书3.4挡板两个结构形状完全相同的挡板，将腔体完全隔离成了两相互孤立的部分。同时两个挡板与摆盘紧密接触，既保证半盘能够在挡板上自由滑动，没有太大的摩擦力，同时又要保证挡板与摆盘之间的密封的良好性！两挡板被放置在腔体的两个斜侧，与腔体用螺钉相连。两个挡板的一头与同一球体相接。外形形状如图3.7所示图3.7挡板的外形结构3.4.1材料的选择此章动发动机一共四个挡板，在材料选择上与上述介绍的腔体的材料应该相互对应。两个与常温下腔体相接的挡板材料选择铝合金来减轻发动机的整体质量，提高发动机的性能，而两个需要承受高热负荷的挡板却却必须采用HT200。这样既保证了在高热负荷下内燃机能够正常的工作，又最大程度的减轻了内燃机的重量，提高内燃机的相应的工作性能。3.4.2挡板结构以及具体尺寸的确定由于挡板的结构受到腔体的很大影响，与腔体在尺寸上应该有很好的搭配性，因此挡板的整体结构如图3.7所示。对于首先如图3.8挡板的倾斜角由摆盘确定为δ=30°第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书图3.8挡板的部分尺寸以及加工要求图3.9挡板的部分加工要求而挡板的小头两侧是长度为L=22mm直径是Φ=72mm的圆柱形切口，如图3.9。最中间则由于与摆盘的球体相接，因此是一个球形的截口。球第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书的直径为Φ=120mm球心与图3.9中的圆心重合。由图3.7可以清楚的知道，挡板的两侧有两突起的薄板，此薄板是与图3.4的两侧薄板可以更好的搭配，厚度与图3.4两侧的薄板完全相同，为L=8.1mm同时由图3.7知，挡板两侧分别有两个螺钉孔，这四个螺钉孔的直径同样为M4。与图3.4薄板上螺钉孔用相应的螺钉连接在了一起。对于挡板的内侧是直径为Φ=10mm的圆柱形平衡杆的运动区域。内部具体形状如图3.10所示，章动角（图3.10中标出）为θ=20°这个扇形区域的两侧都为直径D=10mm的半圆弧。图3.10章动角此外对于小端的圆柱形和球形的边界倒圆角R1,其他的各个边倒圆角R2。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书3.5机体的下壳机体的下壳体承载着机体几乎所有的部件和附件，因此机体的下壳在整个机体结构中是很重要的一部分。同时机体重量很大程度上影响着整个发动机质量，进而影响着发动机整体的工作性能。机体下壳还要保证有足够的强度和刚度，从而保证章动发动机能够正常的工作。因此章动发动机固定件的设计过程中，既要尽量减少整个机体的重量，又要保证机体的强度。此外机体下壳的合理的布置影响着整个发动机的紧凑性，因此章动发动机壳体是整个固定件设计中的一个重点。机体下壳的外形如图3.11所示图3.11下壳体的结构3.5.1机体下壳的材料选择由于机体本身的重要性，机体应该有一定的刚度和强度，同时要尽量减少机体的重量，同时机体的下壳虽然有一部分与高热负荷的腔体相接，但由于冷却系统的存在，本身并不会承受太多的热负荷，温度也不会太高，同时为了保证机体在实际加工过程中要有良好的铸造性，和良好的耐磨性，因此机体尽量选择铝合金作为铸造的材料。3.5.2机体下壳结构的的具体的尺寸由图2.11可以清楚的而看到，下部壳体的形状并不是很复杂。但是尺寸却有很严格的要求，以方便与腔体等结构的合理搭配以及便于蓄压腔，预燃室，冷却水腔，油腔等结构的合理布置。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书壳体的最外轮廓尺寸可以由图3.3确定，壳体总长度为L=775mm中间两个凹腔的尺寸完全相同，都可在图3.3中得出为D=156.02mm而最外边的两个凹槽由于密封的作用，需要进行高精密的配合，因此结构尺寸也格外的重要。两侧皆为直径D=40mm的圆柱形凹槽的长度都为L=42mm中间圆柱形凹槽是连接连个腔体的过渡性桥梁。尺寸与两端的圆柱形凹槽相同，此处与两端的凹槽完全一样，与轴用轴瓦连接，L=42mm,D=40mm对于每一个腔体的两侧皆有一较大圆柱形凹槽，此凹槽与图3.4腔体两侧的凹槽大小相同，能够很好的搭配。但长度与腔体两侧的凹槽之和为50mm，故这四个凹槽的长度皆为l=50-8.1=41.9mm,D=59.70mm从图3.11中我们可以看到，与上述四个凹槽直接相接的还有四个保证Z轴正常旋转的斜槽，而这四个斜槽的长度同样可以得到a=(660-156.022-423-41.94)/4a=13.6mm另外，由图可以看出在下部壳体上有六个通孔，这六个通孔直径为Φ17，皆为与上部壳体固定的螺栓孔，螺栓孔的长度为d=40mm所需要的螺栓为M16的长螺栓以及相应的螺帽，他们的位置如图3.12中标出的所示。此外由于在下壳体上还有支撑等部件存在以及冷却系统润滑系统，进排气系统等的布置，在后面将单独介绍。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书下部壳体整体来说是比较麻烦的一部分结构，但其也有着相当重要的作用，同时，下部壳体由于其本身需要承受巨大的压力以及扭转应力，必须从各个方面加强下部壳体的强度以及刚度。下部壳体的具体尺寸如下图3.12，图3.13所示。图3.12下部壳体的部分尺寸以加工要求同样在下壳体的两侧都有两个M12的螺钉孔，深度为l=10mm具体的位置如下图3.13所示图3.13螺钉孔的位置确定第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书3.6机体的上壳体机体的上壳体与下壳体在外形上有很多不相似的地方，机体的上壳体同样承载着机体的很多零部件和附件，同时，机体的上壳体不同于机体的下壳体，因为机体的上壳体上有燃烧的腔体，故机体的上壳体要承受下壳体不用承受的热负荷。这样机体的上壳体在制造过程中也显得更加重要。机体的上壳体的pro/e视图如图3.14所示。图3.14上部壳体的结构3.6.1机体上壳体材料的选择机体的上壳体同样承受着机体的很大一部分质量，因此机体的在选择材料的同时，要注重选择轻质量的材料，但同时由于机体的上壳体很大一部分都要承受高热负荷，因此在选择材料的同时要注意选择耐热性材料，故综合考虑以上两方面的因素，机体上壳的材料要选择HT200。3.6.2机体上壳体结构以及具体尺寸的确定机体上壳体的外形尺寸如图3.14所示，最重要的结构显而易见就是两个腔体，这两个腔体的尺寸与图3.4腔体的尺寸完全相同。与图3.4中的腔体，以及图3.7的挡板要有很好的结合。腔体本身的尺寸为Φ=240mm第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书的球体的一部分。而两个腔体的宽度皆为d=96.2mm腔体两侧皆有一个圆柱形的凹槽，同样与图3.4中腔体两侧的凹槽相同，长度以及直径与其也同样一样即D=36mm,l=21.88mm上壳体是与下壳体完美搭配的，因此该上壳体的腔体两侧如图3.4一样有一定的倾斜度，这是为了能够与固定在下壳体的挡板完美搭配的。这个倾斜角为θ=15°上壳体的两端同样各有两个螺钉孔，位置同样如图3.13而上壳体的其他尺寸由于要与下壳体进行搭配，因此与下壳体完全相同，故所有的凹槽，所有的螺栓孔都与下壳体在位置和尺寸上完全相同都为M12的螺钉孔，深度都为L=10mm图3.15上部壳体的尺寸及部分加工要求第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书3.7壳体两侧的端盖除了上述介绍的各种结构外发动机还有一些的零附件，而在壳体的两侧起固定作用的端盖就是很重要的零附件。端盖不仅起着固定作用，保证上下壳体能够很好的搭配，同时由于挡板的存在使得上下壳体够很好的密封。同时，端盖是由四个螺钉固定在机体上的，承载着很大拉应力和扭曲应力，但由于端盖距离预燃室等高热负荷的结构距离较远，所以端盖基本上不承受热应力。端盖的外形图如图3.16所示3.7.1端盖材料的选择由端盖的作用可以准确的知道，端盖需要较高的强度，同时端盖本身并不会承受较图3.16壳体端盖的结构高的热负荷，只是对机体的上下端盖起到了固定和定位作用，同时保证机体两侧可以很好的密封，因此为了能够减少整个机体的重量，机体两端的两个端盖应该采用铝合金进行铸造。3.7.2端盖的结构以及具体的尺寸的确定图3.16中的pro/e图清楚的向我们展示出了端盖的外形类似与一个环形，上边有四个螺钉孔，用来将端盖固定在机体上的，由于里边的圆要穿过机体两侧的突出，因此要稍微大一点直径定为第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书D1=200mm而端盖的大圆要比机体的最外轮廓圆线要小一点，同时为保证端盖的强度，外圆尺寸也不能太小，因此端盖的外圆直径为D2=300mm同样对于端盖的厚度，也应该在尽量较少机体重量的前提下，保证端盖本身的强度，因此端盖的厚度为d=12mm对于螺钉孔位置的布置应该如下图3.17所示图3.17端盖的尺寸及部分加工要求3.8整个机体所用到的螺栓、螺钉机体最后要连接在一起，螺钉和螺栓是必不可少的组成部分，而在设计中一共有三个地方用到螺栓螺钉首先，就是在腔体和挡板连接的地方，整个机体一共8个这样的螺钉如图3.18。其次，就是固定上下壳体时，用到了螺栓，此处一共有6个同样的螺栓图3.19。第三，就是将两边的端盖固定在机体上此处用的仍然是螺栓，只是此处并不需要螺帽，而是直接将端盖和机体通过螺纹固定在一起。如图3.20第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书3.8.1材料的选择这些主要的作用就是固定作用，因此对于这些螺钉螺栓来说承受巨大的拉应力，弯曲应力和扭转应力，因此这些螺钉螺栓最重要的就是强度，为增加他们，他们的强度，在选择材料时应该选择HT200.3.8.2结构的确定和具体尺寸的确定螺钉用来固定挡板和腔体，因此螺钉并不需要太大，因此用了M4×18的梅花头的螺钉，如图3.18两个螺栓都比较大，一个用了连接上下腔体，两一个则是用来将端盖与上下腔体连接，故分别用M14×200（如图3.19），另一个则是M12×22的短螺栓如图3.20，同时，长螺栓还配有相应的螺帽。图3.18螺钉的结构图3.19螺栓的结构第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书图3.20短螺栓的结构图3.21内燃机支撑3.9机体支座的设计第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书在机体的下腔体的下部要设有支座，用来固定内燃机。支座承受着内燃机的重量机及其工作时的力和力矩引起的振动，在车用内燃机的支座上还承受着内燃机在运动时产生的颠簸和振动。所以，对支座也要精心设计，要尽可能的减少内燃机的振动，并有足够的强度。各支应间的距离要尽可能加大，以增强稳定性。同时，还要考虑到内燃机固定的渐变机件检修的容易与拆卸方便等。一般内燃机多用四支座，但有些内燃机采用三支座。支座支承的方式有刚性与弹性两种。通常采用刚性支承，但有时为了避免内燃机工作时振动传到车辆上，同时避免车辆行驶中引起内燃机的振动而采用弹性支承。支撑的结构如图3.21所示，章动发动机的一共有四个支撑，这四个支撑共同承受了发动机的所有重量，因此一定要有足够的强度。此外每个支撑上都有一个直径为22的螺栓孔。通过此螺栓孔，将整个发动机固定在支撑架上，从而可以保证内燃机正常工作。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书4机体润滑系统的设计4.1机体润滑系统的作用内燃机运转时，各个运动零件的接触表面，有很小的间隙做高速相对运动，这就必然存在着摩擦。而金属表面的摩擦不仅会增加内燃机内部的功率消耗，使零件表面迅速的磨损，并且因摩擦而产生的大量的热量会使零件体积膨胀，甚至使零件表面融化，从而导致内燃机无法正常的运转。因此，为了保证内燃机正常的工作，就必须对相对零件表面进行润滑，使金属表面覆盖一层薄的油膜，形成液体摩擦，从而减少摩擦阻力，降低功率损失，减轻零件的磨损，延长内燃机机体的使用寿命。润滑系统的功用就是将清洁的、数量足够的额、压力和温度适宜的润滑油输送到各个摩擦表面进行润滑，以保证内燃机的正常工作。此外，流动的润滑油不仅可以消除摩擦表面的杂质，冷却摩擦表面，还可以提高密封性，且防止零件生锈[3]。随着内燃机的转速和功率的不断提高，因此润滑系的设计显得越来越重要，对于润滑系统的设计要求是(1)机油的供用应必须适应摩擦表面的工作条件，供油应该具有一定的压力。(2)能够自动地将机油滤清，消除机油中的机械杂质，保持机油的清洁。(3)机油温度应保持在一定的范围内。(4)应能贮存必要数量的机油。同时当内燃机在运行过程中倾斜时保证机油能正常的供应到摩擦表面上。(5)所有的各机件应性能优良，工作可靠，结构紧凑，重量轻，并应便于维修。(6)润滑系中必须有必要的监控仪表与安全装置。4.2润滑方式的选择由于内燃机工作时各运动零件的工作条件不同，所要求的润滑强度也不同，故相应的采取不同的润滑方式。目前大多数内燃机润滑方式都是飞溅润滑、压力润滑、掺混润滑共同作用的复合润滑方式。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书飞溅润滑是利用一些运动件激溅起来落在摩擦副表面的机油来润滑。掺混润滑是在燃油中掺入4-6％机油，成雾状进入润滑部位，因此利用掺混的油雾润滑摩擦部位。压力润滑则是机油在机油泵作用下，以一定的压力注入摩擦的副表面来润滑。混合润滑则是同时利用压力润滑和压力润滑，即对承受负荷较大的摩擦表面，如主轴承等采用压力润滑，而对于压力送油难以达到，或承受负荷不大的摩擦部位，则采用飞溅润滑。4.3润滑系的布置润滑系在内燃机上的具体布置，随内燃机上的具体的布置，随内燃机的整体布置而定，总的要求就是便于维护保养，润滑系内的机油既容易添加，又能全部放尽，并且应有油量测量装置以及油压表。油箱的布置时，一方面需要充分利用空间，另一方面最好使油箱位于有冷却空气可能吹到的地方，以利于冷却机油。为了提高油箱的有效容积，其底部面积宜小，应尽量增加油箱的高度方面来增加容积，以便于泵有较高的压头。为了使内燃机冬季在低温条件下启动迅速，应在润滑系内设置机油加温装置，此时除应考虑管道不能太长外，还应使油管外层也有与加温系相通的“热冷却液”的保温层，以免机油在管道内自然温差散热而使温度急剧下降。由于内燃机停止工作时，摩擦副处于半干摩擦甚至干摩擦状态，为了减少运动时的磨损，最好在润滑系系设置手动或电动预润滑泵，这样在内燃机启动之前预先将机油压送到各主要摩擦副中。在本设计中润滑系的布置如下图4.1所示。图4.1润滑系统的布置图4.1中最中间的腔体下方就是油箱，我们可以看到在最中间的凹槽和两侧的凹槽都有油孔，且油孔都通过油道直到油箱。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书4.4润滑系的主要设计参数循环油量的确定，循环油量是指单位之间内流经主油道的机油量，它取决于从内燃机传给机油的热量，这个热量的多少，只能进行估算得到，一般约为进入气缸的燃料发热量的1.5-2.0％。内燃机进入气缸的燃料发热量为=（kJ/h)(式4.1)为内燃机的标定功率，单位为kW为内燃机的有效效率，可取=0.35==1.5(kw/h)=2％=3000kW求出传给机油的热量之后，即可计算润滑系的机油循环量=（式4.2）——机油的密度，一般取为——机油的比热容，一般取为℃——机油进出口的温度差，一般取为15℃而此时我们采用简单估算=35=3515=525L/h机体储油量的确定，内燃机工作时，部分机油进入燃烧室内被烧掉，造成机油的消耗，在内燃机标定功率下，机油的消耗率为燃油消耗率的1--3％。因此为了使内燃机在足够长的时间里能可靠的工作，润滑系中在机油箱中储油量除了应考虑各机件的容量外，还应考虑到下一次保养前的机油消耗量，并有一定的储备量。0.4（L)即=0.415（L)=6L第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书5冷却系统的设计内燃机运转时高温气体会使相接触的零件温度升高，机械强度降低，同时会出现热变形，破坏零件强烈的磨损，甚至咬住，以致发生零件的断裂事故，高温还会使部分机油变质和结焦，使之失去润滑性能引起发动机的性能。因此冷却系统在内燃机的设计过程中显得格外重要。5.1冷却系统的作用内燃机是在是在环境温度及运转工况下工作的，随着环境温度以及运转工况的变化，冷却工况也必须随着变化，冷却系统必须保证内燃机的可靠工作，维持内燃机的内燃机在最合适的温度下工作[3]。对冷却系统设计要求有以下几点：（1）保证内燃机在最适当的温度下工作。当环境温度和运转工况变化时，冷却系能调节到保持最适当的温度状态。（2）启动后能够迅速达到要求的工作温度。（3）尺寸小，重量轻，工作可靠，维修方便。（4)消耗于冷却系的功率小。（5）制造成本低。5.2冷却系的选择内燃机的冷却系统有水冷和风冷两种。水冷式又分为一般水冷却系和高温冷却系两种，而本文献介绍的章动发动机采用的是一般水冷却系的的冷却方式。一般的水冷却系又有表面蒸发、对流循环、开式强制循环和闭式强制循环四种。表面蒸发式冷却系。没有风扇和散热器，只有一个简单的蒸发水箱。这种冷却系结构简单，但单位功率耗水量大，易形成水垢，散热能力有限，主要是应用与小型动力上。对流循环冷却系，没有水泵，而是利用高低温水的密度不同，产生自然对流，实现水的循环。这种冷却系结构简单，但是水的循环缓慢；水系的容量大，水箱位置要比内燃机的本体高，，水套进出口的温度差大、缸体下部过冷，可能性差。因此只能应用于小功率的内燃机中。开式强制循环冷却系其中的水冷却系统与大气相通，为了使内燃机保持正常的工作，比水温度控制的低，一般在80℃-90℃第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书，以减少水垢的产生。这对低负荷时的燃烧不利，而且处出于系统内外压力相等，系统内的冷却水吸热后不断的蒸发进入大气，因此需要经常加水。一般在旧式的内燃机上采用这种形式的冷却系。闭式强制循环冷却系其中的冷却系统与外界大气不相通，因而冷却系内的温度压力可以高一些，一般出水温度为90℃-100℃左右，为了防止冷却系统内由于压力过高，损坏散热器的焊缝和水封，防止冷却系统因温度下降内压过低而损坏，在加水口处装有蒸汽空气阀。闭式强制冷却系的优点是：(1)冷却水温较高，减少散热并改善了内燃机的工作过程，从而使内燃机的经济性指标提高。(2)冷却水温较高，可使冷却系的体积减少，因此消耗于冷却系的功率降低。(3)减少冷却水的蒸发损失与水垢的产生。(4)冷却系内压力较高，有一定的抑制气囊产生的作用，冷却可靠。章动发动机采用冷却系就是这种闭式强制循环冷却系。5.3冷却系的结构尺寸为了能使章动发动机能够有更好的冷却效果，在设计冷却系统的冷却水箱时，尽量使冷却水腔能够最大程度的与章动发动机的腔体接触，为此整个腔体的设计如下图.1所示5.1冷却系统的布置第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书如上图所示，冷却水腔环绕着整个腔体，整个冷却水腔只有下部和两侧有支撑，而且下部和下侧的支撑上都设计有水道，且两个腔体的水腔中间通过水道进行连接。同时由图5.1中我们可以清楚的知道腔体两侧的水腔是环形的形状，水腔的最外的圆的直径为D1=300mm内部的小圆直径是D2=245mm具体尺寸的标注如下图5.2冷却水腔的尺寸第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书6进、排气系统的设计6.1进排气系统的重要性章动发动机进排气系统的设计是一个难点，其进、排气系统的好坏，对内燃机的性能、工作可靠性以及整个动力装置，在车辆上布置的紧凑性、维修保养的方便性、噪声的大小、以及排放污染程度等都有很大的影响。进、排气系统的设计应金可能的满足以下要求：(1)进、排气系统的布置应紧凑，尽量减少它在车辆内所占的空间。(2)进、排气系统的管道等阻力应尽量小，以及使内燃机由于进、排气系阻力而造成的功率损失减至最小。(3)工作可靠，其中空气滤清器的保养要方便。(4)进、排气的噪声与排放污染尽量减少。6.2进、排气系的布置一般情况下，进、排气系的布置随着内燃机在车辆内位置不同而异。在章动发动中，进、排气系统的设计是一个复杂的过程，空气滤清器一般在进气管内，在空气滤清器后一般还会有进气消声器。内燃机的排气管则与排气消声器连接。同时设有排气净化装置。一般进、排气系统在布置时一般应注意以下几个问题：(1)空气滤清器安装的位置要适当，以增加内燃机的使用寿命和空气滤清器的保养次数。(2)尽量避免经过散热器等机件之后的热空气进入空气滤清器，以免热空气进入气缸。(3)进气窗口到空气滤清器的阻力要小。(4)进气窗口到排气窗口的距离应大一些，以防止排出的废气重新进入空气滤清器。(5)空气滤清器应该便于保养，但是保养的间隔应尽量长。进、排气管在设计的好坏对内燃机也有一定的影响。进、排气管设计必须使分配到各进气腔体的气体尽可能的均匀，并且流动阻力尽量小，尽可能的保证各腔体进气管的长度相等，并利用调整各支管的截面积、转弯角度和半径等来使它们的流通能力大致相等。进气管的垂直段采用圆形截面以减少流动阻力，水平段采用矩形截面或者上圆下平的断面提高进气质量。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书章动发动机进、排气过程如图6.1所示，章动发动机进、排气口的布置在腔体中位置，在腔体的仅有一个进气口，靠着摆盘的摆动实现对进气口的开放和关闭，从而实现章动发动机的进气过程，整个进气过程类似于二冲程的进气，并不需要对气门的控制。但是对于章动发动机的排气过程却必须有气门控制，在摆盘进过进气门后在腔体内实现气体的压缩，当压缩气体达到所需要的压力后排气门打开，使高压气体排入蓄压腔内，整个过程需要气门的控制，保证了进入蓄压腔内的气体的高压，同时防止了蓄压腔内高压气体逆流回腔体中。整个过程的四个腔体的进、排气是同时进行的，需要很好的配合。图6.1进排气孔在腔体中的布置在气体被压缩进过蓄压腔、预燃室以后，然后气体进行了燃烧，燃烧后的气体进入下一个腔体，这个过程类似于上一个腔体的排气过程，需要气门的控制。在燃烧后的推动摆盘转动然后经过排气口，排出机体，这个过程类似于第一个腔体的进气过程不需要气门的控制。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书7章动发动机机体强度的校核7.1机体强度校核的必要性机体是章动发动机的骨架，各种原始的和诱发的二次激振力，都以不同形式最终作用在机体上，引起机体以及装在机体上的各种零部件的复杂振动并产生噪声辐射。机体的振动模态对整机的动态性能有着重要的影响。应用有限元法对章动发动机的机体进行有限元模态分析，可以发现机体各阶主模态模态刚度较差的薄弱部位。然后可以找出提高刚度和强度的方法，使机体具有高刚度轻质量的优点，从而可以使机体变形小，保证机体载荷作用下，具有较高的同轴度的目的，最终达到提高工作效率和较少噪音的目的。章动发动机的机体结构复杂，在构造发动机运动模型时做了必要的简化，对安装附件用的凸台，以及影响不大的螺纹孔，水孔，油孔等不予考虑，这样不仅大大减少了计算量又能很好的保证了精度[16]。7.2上、下壳体连接螺栓的校核在设计过程中对机体的多个部件都进行了校核，而对于长螺栓的校核过程如下。紧螺栓采用45钢所制，连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力外F0的拉伸而产生拉伸力外，还受螺纹的摩擦力矩T1扭转而产生的扭转切应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。因此进行仅承受预紧力的紧螺栓强度计算时应综合考虑拉伸应力和扭转切应力的作用[15]。螺栓危险截面的应力为（式7.1）螺栓危险截面的扭转切应力为（式7.2）整理得（式7.3）第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书对于此章动发动机所用的M16的普通螺纹的钢制螺栓，取，，由此可得（式7.4）此时可以根据第四强度理论，求出螺栓预紧状态下的计算应力为（式7.5）当普通螺栓承受横向载荷时，由于预紧力的作用，将在接合面上产生摩擦力来抵抗工作载荷。这时，螺栓承受预紧力的作用，而且预紧力不受工作载荷的影响，在连接承受工作载荷后仍保持不变。，预紧力F0的大小，根据接合面不产生位移的条件确定。螺栓危险截面的拉伸强度条件根据式7.1及式7.5可写为（式7.6）式中为螺栓所受的预紧力，单位为N。此设计中3N。为预紧螺栓的小径，。而为螺栓的疲劳极限，。故将上述数据代入式7.6中可得（式7.7）由式7.7所示，螺栓所受的抗拉强度小于它的疲劳极限。故螺栓的强度合格。对于机体的其它零部件同样进行校核。保证机体的强度要求。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书8总结2012年2月，我开始了《双摆盘式章动发动机运动机构固定件的设计》这一毕业设计的工作。时至今日，在老师和同学们的共同帮助下论文已经基本完成。在这四个多月的时间里，我一直艰苦的奋战。现在会想起来真的是感慨万千，收获颇多。2012年2月13日，我从老师那里接到了任务书，那是我对这一设计的内容是一片的茫然，不知道应该从哪里做起，之后我不断的去咨询老师终于渐入状态。我出入图书馆，查阅外文文献，浏览各个部分的内容，终于对这一设计有了初步了解，之后我全身心的投入到了开题报告的书写中，终于在3月5号时候完成了开题报告，并且圆满的结束了开题答辩。在开题答辩结束后，我更是信心满怀的要努力完成这一毕业设计，虽然我知道这一毕业设计难度很大，需要自己的大量付出。但是我一直没有退缩，我制定了具体的设计方案。(1)我重新努力的学习了章动发动机的工作原理，对于章动发动机整个工作过程有了系统而又具体的了解。(2)我初步确定了固定件设计所需要的材料，充分结合机体所承受热负荷，以及机体所需要的基本强度。(3)机体整体结构设计的方案。我确定机体设计的具体方案，将整个机体分成了几个小部件，并将其进行了合理的搭配。(4)在机体上完成了了进、排气系统，润滑系统以及冷却系统等系统的布置。(5)根据自己的设计完成Pro/e的三维立体图。(6)利用ansys对机体的强度进行了校核。在四月中旬，我完成了以上各个部分的设计。之后我着手于毕业论文的书写和外文的翻译。虽然在这期间我同样遇到了很大的困难，但在老师的帮助下论文最后慢慢成形。时至今日，我终于完成了整篇论文的设计打字、绘图、排版、校核。现在回想起来，虽然当时感到很累，但真的感觉到受益匪浅，收获颇多。看到自己亲手完成的整个毕业设计，我却感到这一切真的值了，这次的毕业设计我充分温习了所有的大学学到的只是，是一次再提高、再学习的过程。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书在这次的毕业设计中，我真正的成长了起来，明白了很多做人做事的道理。在以后的日子里我一定会坚持认真严谨、实事求是、一丝不苟的求学态度，以及认真踏实、不怕困难、坚持不懈的做事的精神。这是我个人做事求学的一个转折点，我相信会对我将来做事、求学会有很大的帮助。第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书参考文献[1]周龙保,刘忠长,高宗英.内燃机学.北京：机械工业出版社,2011.5[2]L.MeyerM.Boruta，IntroductionandPerformancePredictionnofaNutating-DiskEngine，2004.4[3]苏铁熊,张翼.发动机设计讲义,2011[4]KorakianitisT,MeyerL,BorutaM,McCormickHE.One-disknutating-engineperformanceforunmannedaerialvehicles.Trans.ASMEJEngGasTurbinesPower2004;126(3):475–81[5]WahlRH.Nutatingengine.USpatentno.3,981,639,1976[6]MahmoudKG,LoibnerE,WieslerB,eta.Simulation-BasedVehlThermalManagementSystem-ConceptandMethodology[C].SAEPaper2003[7]Meyer.L,1993,‘NutatingCombustionEngine,’U.S.PatantNo.[8]莱昂纳德·梅耶.章动内燃机.中国专利CN.2,1992[9]T.KorakititsJamesWattProfessorofMechanicalEnginering，AlternativeMultinutatingDiskEngineConfigurationsforDiverseApplication,2004-7[10]陈家瑞,马天飞.汽车构造5版.北京:人民交通出版社,2006[11]徐清富.国外汽车最新结构图册.北京：机械工业出版社,1996[12]李春明.宝来轿车维修手册.北京：北京理工大学出版社，2004[13]齐金春.闭式铝合金机体铸造新技术.http://wuxizazhi.cnki.net/Search/NRJJ.html,1991-06[14]许道延,丁贤华.高速柴油机概念设计与实践.北京：机械工业出版社,2003.37[15]高秀华，郭建华.内燃机.北京：化学工业出版社，2005.214[16]胡于进，王璋奇.有限元分析及应用.北京：清华大学出版社，2009.9[17]蒲良贵，纪名刚.机械设计（8版）.北京：高等教育出版社，2009第36页共36页\n中北大学2012届毕业设计说明书致谢在这四个多月的毕业设计过程中，我得到了老师和同学们的大力帮助。尤其是张翼老师给予我的教导，将让我受益终生。在这个过程中，张翼老师百忙之中仍然坚持每周都给我们至少一次的指导。他严谨的治学态度，踏实的工作理念，和蔼的待人胸襟，这一切都深深的感染着我。由于张翼老师的教导，我学到了很多，不仅在让我认真踏实的完成自己的毕业设计，同时也明白了求学严谨的重要性。感谢张翼老师。另外，在整个设计过程中也得到了许俊峰老师，图书馆里的很多老师，以及大量同学的帮助，向他们表示我真诚的谢意。最后，我要感谢我的母校—中北大学，是他栽培了我四年，让我学到了做人做事的道理，我会铭记于心。第36页共36页