典型机械机构设计报告

《典型机械机构》课程报告

姓名：陈斯敏

班级：AP06085

学号：AP0608313

指导老师：沛晓峰

学校：五邑大学

时间：2010/03/20

目录

1、典型机械机构概述 (2)

1.1 摩托车发动机 (2)

1.1.1摩托车发动机工作原理 (2)

1.1.2摩托车发动机组成 (3)

1.2 轴向柱塞泵 (7)

1.2.1轴向柱塞泵工作原理 (7)

1.2.2轴向柱塞泵组成 (9)

2、典型机械机构的传动系统 (12)

2.1 摩托车发动机传动系统 (12)

2.2 轴向柱塞泵传动系统 (14)

3、典型机械机构的结构特点 (15)

3.1 摩托车发动机的结构特点 (15)

3.2 轴向柱塞泵的结构特点 (16)

4、关键零件测绘 (17)

4.1 摩托车发动机变速花键轴的作用和功能 (17)

4.2 零件图的绘制与要求 (17)

5、总结 (19)

1、典型机械机构概述

1.1 摩托车发动机

1.1.1摩托车发动机工作原理

1、发动机的分类:

按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。汽油机与柴油机各有不同的特点:汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。

2、发动机的工作原理:

此次我们拆装的发动机为四冲程发动机。四冲程发动机工作时分为四个行程，即：①进气行程：活塞在上止点前某一规定曲柄转角时，进气门开启，可燃混合气被吸入气缸。当活塞由上止点向下止点运动，排气阀则在上止点某一规定的曲轴转角时关闭，同时活塞上方的气缸容积增大，使气缸形成真空度可燃混合气继续通过进气门吸入。当活塞行至下止点后某一规定曲柄转角时，进气门关闭，此时，进气工作过程结束。

②压缩行程：活塞由下止点向上止点运动，当进气工作过程终了时，进气门和排气门都处于关闭状态，此时气缸内的可燃混合气开始被压缩。

③燃烧膨胀作功行程：在压缩行程，当活塞向上行至上止点前某一规定曲柄转角时，火花塞电极间发出火花，将被压缩的可燃混合气点燃。燃烧着的可燃混合气使气缸内的温度和压力急剧升高，活塞则在此高温高压气压作用下，再由上止点向下止点运动，且通过连杆驱使曲轴旋转而作有用功。

排气行程：在燃烧膨胀行程，当活塞行至下止点前某一规定曲轴转角时，排气阀开启，废气即通过排气门开始排出。曲轴仍继续旋转，并推动活塞再由下止点向上止点运动。将废气推出气缸。此排气过程直到活塞行至上止点后某一规定曲轴转角，排气门被关闭时终止。

如下图为四冲程发动机的四个行程：

1.1.2摩托车发动机的组成

1）曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

2）配气机构

配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入。气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。

3）燃料供给系统

汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去。

4）润滑系统

润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。

5）冷却系统

冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。

6）点火系统

在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

7）起动系统

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。

1.2 轴向柱塞泵

1.2.1轴向柱塞泵工作原理

轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体的圆周上,并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵。轴向柱塞泵有两种形式,直轴式(斜盘式)和斜轴式(摆缸式),如图3-23所示为直轴式轴向柱塞泵的工作原理,这种泵主体由缸体1、配油盘2、柱塞3和斜盘4组成。柱塞沿圆周均匀分布在缸体内。斜盘轴线与缸体轴线倾斜一角度,柱塞靠机械装置或在低压油作用下压紧在斜盘上(图中为弹簧),配油盘2和斜盘4固定不转,当原动机通过传动轴使缸体转动时,由于斜盘的作用,迫使柱塞在缸体内作往复运动,并通过配油盘的配油窗口进行吸油和压油。如图3-23中所示回转方向,当缸体转角在π～2π范围内,柱塞向外伸出,柱塞底部缸孔的密封工作容积增大,通过配油盘的吸油窗口吸油;在0～π范围内,柱塞被斜盘推入缸体,使缸孔容积减小,通过配油盘的压油窗口压油。缸体每转一周,每个柱塞各完成吸、压油一次,如改变斜盘倾角就能改变柱塞行程的长度,即改变液压泵的排量,改变斜盘倾角方向,就能改变吸油和压油的方向,即成为双向变量泵。

图2—15 轴向柱塞泵的工作原理

1—缸体2—配油盘3—柱塞4—斜盘5—传动轴6—弹簧

轴向柱塞泵的优点是:

结构紧凑、径向尺寸小,惯性小,容积效率高,目前最高压力可达40.0MPa,甚至更高,一般用于工程机械、压力机等高压系统中,但其轴向尺寸较大,轴向作用力也较大,结构比较复杂。

1.2.2轴向柱塞泵组成

图2-15直轴式向柱塞泵结构

1－转动手轮2—斜盘3—回程盘4—滑履5—柱塞6—缸体7—配油盘

8—传动轴

图2-15所示为一种直轴式轴向柱塞泵的结构。柱塞的球状头部装在滑履4内，以缸体作为支撑的弹簧9通过钢球推压回程盘3，回程盘和柱塞滑履一同转动。在排油过程中借助斜盘2推动柱塞作轴向运动；在吸油时依靠回程盘、钢球和弹簧组成的回程装置将滑履紧紧压在斜盘表面上滑动,弹簧9一般称之为回程弹簧,这样的泵具有自吸能力。在滑履与斜盘相接触的部分有一油室,它通过柱塞中间的小孔与缸体中的工作腔相连,压力油进入油室后在滑履与斜盘的接触面间形成了一层油膜,起着静压支承的作用,使滑履作用在斜盘上的力大大减小,因而磨损也减小。传动轴8通过左边的花键带动缸体6旋转,由于滑履4贴紧在斜盘表面上,柱

塞在随缸体旋转的同时在缸体中作往复运动。缸体中柱塞底部的密封工作容积是通过配油盘7与泵的进出口相通的。随着传动轴的转动,液压泵就连续地吸油和排油。

缸体

配流盘

柱塞滑履组

2、典型机械机构的传动系统

2.1 摩托车发动机传动系统

摩托车发动机传动系统主要由离合器、变速器、二次传动装置等零部件组成。（1）离合器：

离合器是设在发动机与变速箱之间的一个装置，它的主要作用就是用来传递或切断发动机的动力。传递动力的目的是让车辆前进；切断动力的目的通常是为了便于换档，因为如果不切断动力，变速箱内主动齿轮和被动齿轮就很难同步，也就不容易换档。

（2）变速器：

实现变速的关键部件是套在输出轴上的滑套，它通过花键与输出轴连接，带动轴体旋转。驾驶者通过拔叉控制滑套与旋转齿轮的接合。滑套上面有凸块，滑套的凸块插入齿轮的凹位，把滑套与齿轮固连在一起，使齿轮带动滑套，滑套带动输出轴，将动力从输入轴传送至输出轴。摆动拨叉可以控制滑套与不同齿轮的结合与分离，达到换档的目的。摩托车起动扭矩小，它没有液力变扭器那一套东西，主要依靠离心式离合器进行变速。

（3）传动系统

可用三种基本方式将发动机功率传递给摩托车后轮：链条、皮带或轴。链条主减速器系统是目前最常用的方式。在此系统中，将安装在输出轴上的链轮（即变速器中的轴）连接到通过金属链附加在摩托车后轮的链轮上。变速器转动较小的前部链轮时，沿着链条将功率传递给更大的后部链轮，然后转动后轮。这类系统必须润滑和调整，且由于链条伸长和链轮磨损，还需定期更换。

（4）发动机中的摩擦副和转动副

曲柄与连杆组成一转动副，活塞与气缸组成一摩擦副，轴套与花键轴组成摩擦副，花键齿轮与与花键轴组成一摩擦副，活塞与连杆组成一转动副。

2.2 轴向柱塞泵传动系统

轴向柱塞泵是利用与传动轴平行的柱塞在柱塞孔内往复运动所产生的容积变化来进行工作的。滑靴在旋转过程中，由于离心力的作用，滑靴对于斜盘产生的压紧力将偏离滑靴的轴线。在此力所引起的摩擦力的作用下，滑靴、柱塞在运动中会产生绕自身轴线的旋转运动，转动的快慢取决于旋转摩擦力的大小。但这一自旋可以改善滑靴底部的润滑，对减小摩擦、改善磨损和提高效率均有利。

滑靴除承受来自柱塞球头中心的压力、弹簧力和斜盘的垂直反力外，还要承受离心力和摩擦力。

轴向液压柱塞泵在工作中，主传动轴带动缸体转动。由于斜盘具有倾角，当柱塞泵缸体转动时柱塞就在缸体的柱塞孔内作往复运动，完成液压泵的吸油压油过程。

轴向柱塞泵中的转动副与摩擦副

滑履与轴孔组成一摩擦副，滑履与斜盘组成一转动副。

3、典型机械机构的结构特点

3.1 摩托车发动机的结构特点

发动机为四冲程汽油机；采用风冷冷却，有自然风冷与强制风冷两种。发动机的转速高，一般在5000转/分以上；升功率大，一般在60千瓦/升左右；发动机曲轴箱与离合器、变速箱设计一体，结构紧凑。

一、单气缸

单气缸是所有发动机的基本起点，也是发明摩托车发动机时采用的排列方式。不同型式的发动机都是由不同数量的单缸布置而成。由于曲轴需要旋转两周才会燃烧做功一次，因此工作的流畅感不佳，驾驶者会很清楚地感受到气缸内的活塞上下运动的振动。从表面上看，在性能上是缺点，但在主观情感上有的车迷却偏爱这种感受。

二、并列(平行)双缸

简单来说，并列双缸发动机可以想象为把两个单气缸发动机连接在一个180º的曲轴上。当一个活塞在上止点时，另一个活塞则在下止点位置(少数发动机如本田CD250除外)。由于两气缸活塞上下运动惯性差不多，可以互相抵消，因此运动零件引起的震荡较单缸

三、V型双缸

气缸呈V型布置的发动机，可以从简单的V2发动机说起。不同的气缸V型夹角，可使发动机产生很大的变化。夹角越小，工作越不流畅，这也是美式巡航车营造强烈节奏感的源头。

四、水平对置双气缸

水平对置的双气缸发动机夹角为180º，两个活塞连杆分别装在两个相位角差180º的曲柄销上，形成一个绝佳的活塞惯性抵消作用。由于两个活塞犹如拳击手搏击般运动，因此，人们都习惯称这种发动机为Boxer(意译为拳师)发动机，也称拳击手。

五、并列3气缸

可以想象，为把3个单气缸发动机连接在一个120º的曲轴上，它需要糅合单缸和多缸发动机的优点，在重量和运动性能方面提供一个中间的落脚点。

六、并列4气缸

顾名思义，4气缸发动机可以说是把4个单气缸发动机并列在一起。第一和第四活塞平衡了第二和第三活塞的运动惯性，这是250ml以上的街车或跑车最乐意采用的标准布局。

七、V4气缸

V4发动机，简单来说是把两台V2发动机结合在一起而得来的。当然，这种结构在进气系统和排气系统的布置上将更为复杂。

八、水平对向6气缸

水平对向6气缸发动机可以想象是三台Boxer发动机前、中、后排在一起再

塞入车架中。在摩托车的世界里属于极为罕见的品种。这是因为发动机宠大的体积和沉重的重量，非一般摩托车能把它容纳。近代仍然采用水平对向6气缸发动机的摩托车，是广为人知的本田金翼1800，它装有全球定位巡航系统等世界最尖端技术的仪器，是所有车迷朝思暮想的超级豪华摩托车。

由于上述特点，单缸摩托车给人一种冲劲和节奏感。而从工作圆滑角度来看，单缸机肯定不如双缸机好，特别是在低转速时，单缸发动机工作不平稳，转速波动大，而且一旦失火，二次燃烧时间间隔较长，很容易使发动机熄火停机。在相同排量条件下，和双缸相比，单缸发动机的运动件惯性力不能互相抵消，因此，单缸机的振动大，特别是高转速时，这个问题表现得尤为突出。此外，在相同排量的条件下，单缸机缸径较大，燃烧室尺寸大，因此混合气的燃烧相对较差。当然各运动件的尺寸也较大，譬如活塞、连杆等。这些因素不利于发动机提高转速，也不利于提高功率。上述这种倾向会随着发动机的排量增加而明显。所以单缸机排量越大，升功率越小，但是单缸机的脉动感却越强。

在摩托车上，发动机是最重要的装置，由于单缸机重量轻，结构尺寸小，它的宽度比双缸机窄，因此单缸机对整车布置十分有利，便于实现整车造型的苗条化。同时，由于单缸机有利于减轻整车的重量，也提高了方向把的灵活性。这是由于单缸机曲轴短而轻，尤其是横置发动机，曲轴旋转的陀螺效应阻碍摩托车侧倾转弯，而且曲轴越重转速越高，陀螺效应也越大。在这一点上，单缸机比较好，陀螺效应低，因此，车辆左右侧倾十分轻便，再加上单缸机尺寸短，不会妨碍摩托车的侧倾。此外，单缸机尺寸小，风阻也较小。单缸机的另一个特点是，在同一排量条件下，构成单缸机的零部件数量也较少，且不需要进行左右气缸的平衡调整，故障点少。同时，较小的结构又决定了单缸机具有制造和装配工艺简单、技术难度小等特点，因而单缸机制造成本低，使用维护简便，具有很好的经济性

3.2 轴向柱塞泵的结构特点

轴向柱塞泵一般都由缸体、配油盘、柱塞和斜盘等主要零件组成。

改变倾斜元件的角度，就可以改变柱塞在泵缸内的行程长度，即可改变泵的流量。倾斜角度固定的称为定量泵，倾斜角度可以改变的便称为变量泵。斜盘式是斜盘相对回转的缸体有一倾斜角度，而引起柱塞在泵缸中往复运动。传动轴轴线和缸体轴线是一致的。这种结构较简单，转速较高，但工作条件要求高，柱塞端部与斜盘的接触部往往是薄弱环节。斜轴式的斜盘轴线与传动轴轴线是一致的。它是由于柱塞缸体相对传动轴倾斜一角度而使柱塞作往复运动。流量调节依靠摆动柱塞缸体的角度来实现，故有的又称摆缸式。它与斜盘式相比，工作可靠，流量大，但结构复杂。

轴向柱塞泵与径向柱塞泵比较，排出压力高，它一般可在20～50MPa范围内工作，效率也高，径向尺寸小、结构紧凑、体积小、重量轻。但结构较径向柱塞泵复杂，加工制造要求高，价格较贵。

4、关键零件测绘

4.1 摩托车发动机变速花键轴的作用和功能

发动机变速花键轴主要用于变速箱里面的动力传动系统，起到传递动力和扭矩的作用。齿轮和花键轴是由套筒来连接的，套筒可以随着花键轴转动，同时也可以在花键轴上左右自由滑动来啮合齿轮。输入轴带动中间轴，中间轴带动右边的齿轮，齿轮通过套筒和花键轴相连，传递能量至驱动轴上。齿轮上的锥形凸出刚好卡进套筒的锥形缺口，两者之间的摩擦力使得套筒和齿轮同步，套筒的外部滑动，和齿轮啮合。

4.2 零件图的绘制与要求

如下图为花键轴的三维图

如下图为花键轴的CAD图：

5、总结

在这次典型机械构造学习的过程中，我获益匪浅，不但加强了我的绘图能力，还有这次设计，让我们对基本理论的综合运用及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的训练，为以后的设计工作打下了较好基础。通过此次设计使我们获得基本能力的感性知识，理论联系实际，扩大知识面;同时这又是锻炼和培养学生能力及素质的重要渠道，培养学生具有吃苦耐劳的精神，也是学生接触社会、了解产业状况、了解国情的一个重要途径，逐步实现由学生到社会的转变，培养我们初步担任技术工作的能力、初步了解企业管理的基本方法和技能。这些实际知识，对我们学习后面的课程乃至以后的工作，都是十分必要的基础。

课程设计作为机械工程及其自动化专业的重点，使理论与实践完美结合，同时巩固了对理论知识的理解，使生产实习中的理解和认识也得到了强化。

总之，在这次的机械设计中，我们了解了摩托车发动机和轴向柱塞泵的工作原理和它们的组成结构，这让我们对机械产品有了进一步的了解，也体验到机械产品的魅力。