談內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用
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摘要：內(nèi)燃機(jī)是當(dāng)前時代環(huán)境下應(yīng)用非常廣泛的動力機(jī)械，通過將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)化為動能，從而為機(jī)械設(shè)備提供動力。是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)以及交通運(yùn)輸中非常核心的機(jī)械設(shè)備。內(nèi)燃機(jī)對社會發(fā)展的重要性不言而喻，因此對內(nèi)燃機(jī)的研究從未間斷。本文對內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用進(jìn)行簡單的分析探討。
關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；零部件；結(jié)構(gòu)設(shè)計；應(yīng)用
引言
內(nèi)燃機(jī)是將氣體或液體燃料同空氣按照一定的比例混合，輸入內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部，燃料燃燒時爆發(fā)熱量，將熱能通過活塞運(yùn)動轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為設(shè)備提供機(jī)械動力。因此內(nèi)燃機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)是圍繞以下幾點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計的：構(gòu)建封閉環(huán)境、設(shè)計熱能與機(jī)械動能轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)、構(gòu)建動力傳達(dá)結(jié)構(gòu)。日常生活中，常見的內(nèi)燃機(jī)有柴油機(jī)和汽油機(jī)，在汽車中應(yīng)用尤為廣泛，下面以汽車發(fā)動機(jī)為例，分析內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，并就其實際應(yīng)用進(jìn)行探討。
1內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷史
內(nèi)燃機(jī)的基本理念最早是由荷蘭的物理學(xué)家惠更斯提出來，他最初是希望將火藥爆炸時產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化為需要的動力，并對此進(jìn)行了一定的研究，但是由于當(dāng)時實驗環(huán)境的問題，火藥爆炸所產(chǎn)生的能量無法很好的控制，因此沒有成功。之后在18世紀(jì)末，英國的斯特里特經(jīng)過不斷的實驗，提出了從燃料中獲取機(jī)械動力的方法，他第一次提出了將燃料和空氣混合產(chǎn)生的熱量，轉(zhuǎn)化成需要的動力。由此，內(nèi)燃機(jī)的基本理念誕生了。直到1833年，由英國人賴特提出了活塞做功的機(jī)械裝置，即通過將燃料置于固定的裝置，使得燃燒產(chǎn)生固定的推動力，然后進(jìn)行動力作用，這時內(nèi)燃機(jī)的基本雛形形成了。到達(dá)19世紀(jì)中期，以英國科學(xué)家為主的不同研究人員逐漸完善了以不同燃料為基礎(chǔ)的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動能的基礎(chǔ)理論，給后期內(nèi)燃機(jī)的形成、發(fā)展、完善奠定了良好的基礎(chǔ)，并由于其效率高，機(jī)動性好，在最初形成之后，就得到了非常廣泛的應(yīng)用，形成了非常龐大而又重要的工業(yè)體系，并給這些工業(yè)體系提供了基本和重要的動力支持，為后期工業(yè)革命以及工業(yè)領(lǐng)域的爆發(fā)式增長打下了基礎(chǔ)。這個應(yīng)用主要是汽車、工程機(jī)械、船舶、小型飛機(jī)以及一些基礎(chǔ)的工業(yè)設(shè)備，特別是在汽車上，內(nèi)燃機(jī)獲得了最大程度的應(yīng)用。成熟的內(nèi)燃機(jī)在1876年由德國的科學(xué)家奧托設(shè)計并實現(xiàn)，他創(chuàng)造設(shè)計了世界上第1臺往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，其設(shè)計結(jié)構(gòu)基本和設(shè)計理念成為了后來內(nèi)燃機(jī)改造完善的基礎(chǔ)，并由于其性能和效率的優(yōu)越性，迅速的得到了推廣和普及，大大的推動了汽車行業(yè)的發(fā)展。而隨著石油的開發(fā)，汽油的產(chǎn)生，進(jìn)一步的推動了內(nèi)燃機(jī)的完善和發(fā)展。到如今內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)成了世界發(fā)展前行過程中必不可少的一種動力機(jī)械。其基本原理雖仍然是將燃料的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動能，但是由于當(dāng)前材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)科學(xué)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)的不斷突破和前行，內(nèi)燃機(jī)也得到了最大程度的完善改造，發(fā)揮其最大的動力特性，為人們的需要提供最大的動力支持。
2內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)
內(nèi)燃機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的內(nèi)燃機(jī)類別，有著不同的構(gòu)成和分類，本文主要對應(yīng)用在汽車上的發(fā)動機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)介紹。
2.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)
發(fā)動機(jī)的工作機(jī)制和工作循環(huán)以及主要運(yùn)動零件是曲柄連桿機(jī)構(gòu)，這個連線構(gòu)造是發(fā)動機(jī)的核心，是進(jìn)行發(fā)動機(jī)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是由機(jī)體組、曲軸飛輪組以及活塞連桿等不同的組件構(gòu)成，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，首先燃料在燃燒室燃燒，使得活塞承受燃料所產(chǎn)生的巨大壓力，而這些壓力根據(jù)結(jié)構(gòu)化設(shè)計做直線受力，使得連桿獲得直線推動力，然后通過曲軸飛輪的作用，將這些直線的動力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動力，并使得曲軸飛輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，然后以曲軸飛輪為紐帶，將其獲得的動力輸送給下一個組件。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是進(jìn)行動力轉(zhuǎn)化的核心所在，是使得燃料燃燒所產(chǎn)生的動力轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)動力共識汽車前行的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)合理，構(gòu)建質(zhì)量良好的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，能夠有效的提升和保障發(fā)動機(jī)的燃料燃燒產(chǎn)生能量的利用效率，是判斷一個發(fā)動機(jī)類型基本質(zhì)量的關(guān)鍵。
2.2配氣機(jī)構(gòu)
發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)顧名思義就是配送空氣的機(jī)構(gòu)。發(fā)動機(jī)使用的燃料主要是柴油和汽油，當(dāng)然目前也有許多的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，但這些燃料燃燒時都需要配置比例一定的空氣，這樣才能夠保證燃料能夠燃燒并產(chǎn)生能量，而且一定的空氣比例，能夠保證燃料燃燒的更加充分。配氣機(jī)構(gòu)是控制進(jìn)氣門和排氣門開啟關(guān)閉的結(jié)構(gòu)，通過控制進(jìn)氣門，使得一定量的空氣進(jìn)入到氣缸中，并使燃料在一定量的空氣下燃燒過后產(chǎn)生的廢氣，通過排氣門，從氣缸中排出，從而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的換氣過程。目前發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)主要由氣門組、氣門傳動和驅(qū)動組組成，是保證發(fā)動機(jī)燃料正常在氣缸中燃燒的基本結(jié)構(gòu)。
2.3燃料供給系統(tǒng)
燃料供給系統(tǒng)根據(jù)燃料種類的不同有著不同的區(qū)分和結(jié)構(gòu)，汽油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)，是通過發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)配置出數(shù)量和濃度在一定范圍內(nèi)的混合氣，并將其導(dǎo)入氣缸當(dāng)中，使其在氣缸中燃燒，并使燃燒后的廢氣從氣缸中排出，柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)，是將柴油和空氣按照一定的比例共入到氣缸當(dāng)中，在燃燒室中燃燒提供能量，并將燃燒后產(chǎn)生的廢氣排出。不論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，燃料供給系統(tǒng)都需要根據(jù)燃料的特性，控制燃料同空氣的比例，并按照一定的規(guī)律進(jìn)行燃料的供給，使得發(fā)動機(jī)能夠穩(wěn)定正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。燃料供給系統(tǒng)同配氣系統(tǒng)有著非常深入緊密的聯(lián)系，這兩者是發(fā)動機(jī)燃料提供充分的能量和動力的基本保證。
2.4冷卻系統(tǒng)
發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)是保證發(fā)動機(jī)能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，降低出現(xiàn)故障幾率的保障。由于發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱量，而這些熱量往往會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的部件溫度升高，而一旦發(fā)動機(jī)部件溫度升高，就會導(dǎo)致部件的磨損加快，大大的降低發(fā)動機(jī)的使用說明，同時也會大大的增加發(fā)動機(jī)產(chǎn)生故障的幾率。因此冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)中維護(hù)發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高發(fā)動機(jī)使用壽命的保障。發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)主要是由水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組件構(gòu)成，功能和作用良好的冷卻系統(tǒng)對于發(fā)動機(jī)有著極大的幫助。
2.5點(diǎn)火系統(tǒng)
點(diǎn)火系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)啟動的關(guān)鍵，發(fā)動機(jī)的啟動首先需要點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)氣缸中的燃料，然后才能保障發(fā)動機(jī)后續(xù)的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)。在發(fā)動機(jī)的初步啟動過程中，通常采用火花塞將氣缸中的燃料進(jìn)行初步的點(diǎn)燃，然后，氣缸中產(chǎn)生的能量和熱量就能夠保證后續(xù)進(jìn)入氣缸中的燃料，能夠繼續(xù)燃燒產(chǎn)生熱量，持續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)一般由蓄電池、點(diǎn)火，線圈、火花塞等組件構(gòu)成，是發(fā)動機(jī)初步啟動的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。當(dāng)然根據(jù)發(fā)動機(jī)類型的不同以及功能結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不同，還有著許多不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，但是每一種類型的發(fā)動機(jī)，其基本的構(gòu)成都需要這些，這些機(jī)構(gòu)構(gòu)成是維持發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證發(fā)動機(jī)能夠提供穩(wěn)定動力的基礎(chǔ)，也是發(fā)動機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)。
3內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
內(nèi)燃機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計目前大多數(shù)采用電腦模擬軟件或3D模型軟件進(jìn)行設(shè)計，通過對電腦軟件的應(yīng)用，將需要設(shè)計的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)在這些電腦軟件上實現(xiàn)，并通過電腦軟件的功能進(jìn)行修改，然后利用設(shè)計動力學(xué)運(yùn)轉(zhuǎn)模型，將這些設(shè)計好的零部件進(jìn)行功能模擬，最終使用3D模型軟件將零部件利用精細(xì)化機(jī)床設(shè)備打造出來，并通過實踐驗證，確定在實際應(yīng)用過程中所設(shè)計的零部件基礎(chǔ)功能是否達(dá)到設(shè)計的目的。內(nèi)燃機(jī)不同組成結(jié)構(gòu)有著不同的功能和作用，每一個部件都在內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮著不可代替不可缺少的作用，因此每一個內(nèi)燃機(jī)零部件的構(gòu)架設(shè)計都是非常重要的，需要通過嚴(yán)格的設(shè)計以及制造，讓每一個部件都能夠獲得最好的技術(shù)支持，從而為內(nèi)燃機(jī)整體的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)揮出最大的作用。下面通過對內(nèi)燃機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行介紹，簡單闡述內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。內(nèi)燃機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，首先需要分析曲軸結(jié)構(gòu)的基本要求和需要。曲軸結(jié)構(gòu)最基本的要求是要有足夠大的強(qiáng)度，特別是曲軸結(jié)構(gòu)當(dāng)中曲柄部分的彎曲疲勞強(qiáng)度，以及動力傳輸端的靜強(qiáng)度，這是保障動力能夠有效傳達(dá)的基本要求。其次是要有足夠的剛度，保證能量傳遞效率，就需要曲軸結(jié)構(gòu)有著足夠的幫助，盡可能的降低曲軸的變形，從而保證曲軸軸承以及活塞連桿之間的可靠性工作。曲軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計基本要求還要有合理的曲柄排列，合適的平衡塊，油孔布置的合理性等等。然后需要結(jié)合內(nèi)燃機(jī)自身的結(jié)構(gòu)形式，以及自身特殊的要求，對曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的確定。這個過程基本上需要確定曲軸結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)樣式。目前主要通過電腦的模擬軟件以及三維立體軟件進(jìn)行立體化設(shè)計，在有需要的時候還需要設(shè)計出動力運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型，通過可靠的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行曲軸結(jié)構(gòu)的可靠性實驗，并對其具體的尺寸大小進(jìn)行精密的計算設(shè)計。電腦軟件的設(shè)計和三維立體樣式的確定能夠最大程度的提高結(jié)構(gòu)的精度。然后通過對曲軸結(jié)構(gòu)的基本要求進(jìn)行分析，確定不同部分強(qiáng)度、剛度以及其他性能的鑄造工藝，以及所采用的材料，從而最終確定曲軸結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計。并在曲軸結(jié)構(gòu)最終設(shè)計完成后，進(jìn)行初步的鑄造，然后對鑄造后的曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行實踐驗證，確定其是否滿足需要和要求。在驗證過程中有著謹(jǐn)密的實驗流程，內(nèi)燃機(jī)每一個組成構(gòu)件的設(shè)計制造都需要嚴(yán)格的按照實驗流程進(jìn)行功能性能，內(nèi)燃機(jī)每一個構(gòu)造結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造都需要嚴(yán)格的按照驗證流程，進(jìn)行其功能性能的驗證，最終獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性以及可行性的基本判斷。目前內(nèi)燃機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗證以及應(yīng)力分析主要采用專門的軟件CAE進(jìn)行，是構(gòu)建基本的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行校核的一種先進(jìn)驗證方式，這種驗證方式由于其高效性以及精準(zhǔn)性，大大的降低了核驗所需要的時間，因此迅速得到了人們的認(rèn)可，同時經(jīng)過不斷的實踐，精準(zhǔn)性也得到了大大的提升，有一定的保障。基本性能和結(jié)構(gòu)的驗證是每一個內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造都需要進(jìn)行的一個過程，是內(nèi)燃機(jī)在實際應(yīng)用過程中高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠保障，是內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用的不可缺失的一個過程。因此在內(nèi)燃機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要充分的重視最后的性能驗證過程，這是保證零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用的關(guān)鍵。
4結(jié)語
內(nèi)燃機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計是內(nèi)燃機(jī)不斷發(fā)展前行的基礎(chǔ)，通過不斷的引入先進(jìn)的材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)科學(xué)、數(shù)學(xué)模型等，不斷的提高零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力，從而開發(fā)出更加合理完善的內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)，不斷的推動內(nèi)燃機(jī)發(fā)展前行，讓內(nèi)燃機(jī)為社會的發(fā)展以及需要提供更多的助力。
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作者：林翔 單位：大連機(jī)車技師學(xué)院
