機械原理課程設(shè)計報告書教材

1、課程設(shè)計報告書題目： 四沖程內(nèi)燃機設(shè)計學 院 機械與汽車工程學院專 業(yè) 車輛工程 學生姓名學生學號指導教師 邱志成 鄒焱飚課程編號 130160課程學分 2.0起始日期 2014.6.30-2014.7.11教 師 評 語一、設(shè)計態(tài)度 嚴謹認真 較認真 不認真 二、設(shè)計報告書計算過程 完整 基本完整 不完整計算結(jié)果 正確 基本正確 錯誤多書面撰寫 規(guī)范 較規(guī)范 不規(guī)范 三、設(shè)計圖結(jié)構(gòu)設(shè)計 合理 基本合理 不合理制圖水平 規(guī)范 較規(guī)范 不規(guī)范圖面質(zhì)量 良好 中等 較差 四、綜合設(shè)計能力 強 一般 較差 五、答辯 清晰 基本清晰 不清晰教師簽名：日 期：成 績 評 定成績： 優(yōu) 良 中 合格 不合

2、格備 注目錄一、四沖程內(nèi)燃機的運動分析及總體設(shè)計思路 . 4二、繪制內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖 . 6三、繪制連桿機構(gòu)位置圖 . 6四、作出機構(gòu) 15 個位置的速度和加速度多邊形 . 7五、動態(tài)靜力分析 . 10六、計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量（不計構(gòu)件質(zhì)量） . 17七、計算發(fā)動機功率 . 18八、對曲柄滑塊進行機構(gòu)部分平衡 . 19九、排氣凸輪（凸輪）的輪廓設(shè)計 . 20十、四沖程工作內(nèi)燃機的循環(huán)圖 . 27參考文獻 . 29、四沖程內(nèi)燃機的運動分析及總體設(shè)計思路根據(jù)設(shè)計任務(wù)書， 我們需要解決以下問題： 凸輪的參數(shù)是多少？如何能讓機構(gòu)正常循 環(huán)工作？為了解決這個問題，我們需要對整個機構(gòu)從運動及力學的角度分析。首先

3、，需要明確四沖程內(nèi)燃機的工作原理：內(nèi)燃機是通過吸氣、壓縮、燃燒、排氣四 個過程不斷重復進行的。如果在四個沖程里完成吸氣、壓縮、做功（燃燒、膨脹） 、排氣 的循環(huán)動作，就叫做四沖程。相應(yīng)的內(nèi)燃機叫四沖程內(nèi)燃機。第一沖程，即吸氣沖程。這時曲軸向下轉(zhuǎn)動，帶動活塞向下，同時通過齒輪帶動凸輪 向下旋轉(zhuǎn)，是凸輪的突起部分頂開進氣閥門，霧狀汽油和空氣混合的燃料被吸入氣缸。第二沖程，即壓縮沖程。曲軸帶動活塞向上，凸輪的突起部分已經(jīng)轉(zhuǎn)兩個過去，進氣 閥門被關(guān)閉，由于凸輪只轉(zhuǎn)了 1/ 4 周，所以排氣閥門仍然處于關(guān)閉狀態(tài)。活塞向上運動時， 將第一沖程吸入的可燃氣體壓縮，被壓縮的氣體的壓強達到 0.6 1.5 兆帕

4、，溫度升高到 300攝氏度左右。第三沖程是做功沖程。在壓縮沖程末火花塞產(chǎn)生電火花，混合燃料迅速燃燒，溫度驟 然升高到 2000攝氏度左右，壓強達到 35 兆帕。高溫高壓煙氣急劇膨脹，推動活塞向下 做功，此時曲柄轉(zhuǎn)動半周而凸輪轉(zhuǎn)過 1/ 4 周，兩個氣閥仍然緊閉。第四沖程是排氣沖程。由于飛輪的慣性，曲柄轉(zhuǎn)動，使活塞向上運動，這時由于凸輪 頂開排氣閥，將廢氣排出缸外。四個沖程是內(nèi)燃機的一個循環(huán)，每一個循環(huán)，活塞往復兩次，曲柄轉(zhuǎn)動兩周，進排氣 閥門各開一次。圖11、已知條件：活塞行程 H=220 (mm)活塞直徑 D 160（mm）活塞移動導路相對于曲柄中心的距離 68 (mm)行程速比系數(shù) K 1

5、.08 連桿重心 C2 至 A點的距離 l AC 2 0.35 lAB 曲柄重量 Q1 135 （N） 連桿重量 活塞重量 Q3 200（N）曲柄的轉(zhuǎn)速 連桿通過質(zhì)心 C2 的轉(zhuǎn)動慣性半徑 發(fā)動機的許用速度不均勻系數(shù) 曲柄不平衡的重心到 O 點的距離 開放提前角 進氣門： 10 ；排氣門： 齒輪參數(shù)： m=3.5 （mm） ； =20 Z2=Z2 =14; Z3=Z3 =72; Z1=36 凸輪 I 行程 凸輪 I 的基圓半徑 r1= 55 mm 凸輪 II 的偏心距e2= 0 mmh1 7 mmQ2 125 (N)n1 640 (rpm)c2 0.15 l AB ( mm2 ) 1/90 l

6、OC lOA (mm)32； ha* =1凸輪 II 的行程h2 = 6 mm凸輪 II 的基圓半徑r2= 60 mm凸輪 I 偏心距 e1= 0 mm2、求連桿的長度和曲柄的長度設(shè)連桿的長度為 l 、曲柄長度為 rOB l r OB l r 180 K OEsin 1=23.33 OC=16.41l r 2Rsin =261.60mm (2) 6. 92K1H又 R CB 2sHin =912.99mmOE(OC)聯(lián)立（ 1）、（2）式求解，可求出連桿的長度 l 及曲柄的長度 r l368. 53mmr 107. 93mm (CE)2(OC)2 (CD DE)2R2 (CD e)2 361.

7、 58mml r (OF)2 e2 =476.46mm- (1)HOF OE =471.58mm2圖2二、繪制內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖按照比例尺 1：5，根據(jù)第五組數(shù)據(jù)，繪制內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖，空出凸輪的結(jié)構(gòu)，并對凸 輪與排氣裝置的連接方式進行修改。三、繪制連桿機構(gòu)位置圖以活塞在最高位置時為起點，將曲柄回轉(zhuǎn)一周按順時針分為十二等分，然后找出活塞 在最低位置時和活塞速度為最大時的曲柄位置（即曲柄旋轉(zhuǎn)一周共分為十五個位置）并作 出機構(gòu)各位置時的機構(gòu)位置圖，求出滑塊的相對位移。當活塞在最高位置時位起點，曲柄 A 點的編號為 A0 ，由 A0 點開始，順時針方向把圓 等分為 12 等分，得 A1 、 A2 、 A3

8、 、， A11 等點。當滑塊在最低位置時，曲柄上 A 點的編 號為 A6 ?？山埔詾?，當曲柄在 OA2和OA9位置時，滑塊 B 速度為最大值。圖3四、作出機構(gòu) 15 個位置的速度和加速度多邊形1、速度分析，畫出速度多邊形單位： V-m/s, w-rad/sVB VA VBA大小 ？ lAO ?方向 /BE AOAB表1 機構(gòu) 15個位置的速度參數(shù)數(shù)值A(chǔ)A0A1A2A3A4A5A6A7VBA7.235.602.701.104.606.707.506.00VC24.705.796.807.066.345.434.715.25VB04.407.000.905.463.200.70-2.20W219

9、.6215.207.332.9812.4818.1820.3516.28AA8A9A10A11A2A9A6VBA2.901.405.007.000.803.407.23VC26.707.427.065.257.247.424.71VB-5.40-7.80-7.90-4.607.20-8.000W27.873.8013.5718.992.179.2319.62畫圖基本步驟： 確定極點 p； 根據(jù) VA的大小和方向過極點 p 畫出VA即 pa； 過 a畫出VBA的方向 AO； 過 p 畫出的方向?qū)к?，與 VBA 交于 b； pb 即為VB ； ab 即為 VBA；取 ac=0.35ab ，則 pC

10、2 即為VC2 ；2、分析加速度，畫出加速度多邊形圖 4 速度多邊形大小 ？ 2 lAO 2lBA方向 BE A O B ABA2 aA =484.3 m/ s2作出機構(gòu)的 15個位置的加速度多變形，見 2 號圖紙，各位置參數(shù)數(shù)值如表 2 表 2 機構(gòu) 15 個位置的加速度參數(shù)數(shù)值A(chǔ)A0A1A2A3A4A5A6A7n2 aBA m/s141.8485.0919.783.2857.42121.81152.6397.69t 2 aBA m/s84296.80460.60476.60389.20182.0042.00294.002 aBA m/s168.00313.60457.80476.00392

11、.00224.00154.00308.002 a2 rad/s227.93805.361249.831291.621056.09493.85113.97797.762aC2 m/s528.00448.00336.00322.00378.00422.80413.00432.60aB m/s2630.00464.80152.60-126.00-266.00-308.00-336.00-392.00AA8A9A10A11A2A9A6n aBA m/s222.825.3267.84132.961.7431.37141.84t 2 aBA m/s482.00533.00376.00140.00490.0

12、0475.00109.20aBA m/s2504.00546.00380.80189.00476.00476.00182.00a2 rad/s21307.901446.291020.27379.891329.611288.90296.312aC2 m/s392.00322.00364.00475.00318.50322.00424.202 aB m/s-385.00-182.00196.00476.001.2028.00-350.00畫圖基本步驟：定極點 p；根據(jù) aA的大小和方向作出 aA即 pa；n過 a，由 a BA 的大小和方向畫出na BA 即 at ；a 過 t 作出 a BA 的

13、方向； n 過 p作出 aB的方向?qū)к?，與 a BA的方向交于 b，則 pb即為aB ，tb 即為a BA； ab 即aBA；取ac2 0.35ab ，aC2即 aC2 ； aC2aBA /lAB 。圖 5 速度多邊形五、動態(tài)靜力分析動態(tài)靜力分析根據(jù)理論力學中所講的達朗伯原理，將慣性力視為一般外力加在構(gòu)件 上，仍可采用靜力學方法對其進行受力分析。這樣的力分析稱為動態(tài)靜力分析。求出機構(gòu)在各位置時各運動副的反力及應(yīng)加于曲柄 OA的平衡力矩 M b（每人完成五個10 位置）。各種數(shù)據(jù)都要列表表示。1、計算活塞上的氣體壓力 p pi F（N）F - 活塞的面積 （ cm2 ）圖6由圖可知，在特殊位置（

14、如 14，13，12， 24，23，22）處，氣體壓力非常大，相信為 電火花點燃，氣體爆炸，內(nèi)燃機工作時的點。2、求作用于構(gòu)件上慣性力。pI2 m2 aC2 （N）2JC2 m2 a CpI3 m3 aB （N） 在這一步時，需要注意慣性力的方向均與加速度或角加速度相反。 慣性力是指當物體加速時，慣性會使物體有保持原有運動狀態(tài)的傾向，若是以該物體 為坐標原點，看起來就仿佛有一股方向相反的力作用在該物體上，因此稱之為慣性力。慣 性力實際上并不存在，實際存在的只有原本將物體加速的力。3、求出活塞上受力的大小及方向p p PI3 Q3 （N）11表3點的位置PI2(N)M I2 (N*m)PI3(N

15、)06734.6967.73-12734.6915895.12212.36-9858.0324196.43445.18-3306.482 3891.8331.59-367.3834210.8342.172857.444821.43266.685142.8655392.86128.46285.7165471.1963.046807.326 5537.8464.207163.9175510.20197.547836.7385001.92350.648000.7293481.12784.53806.469 4083.2329.47-816.4104619.38271.62-4047.19116058

16、.6798.77-9714.29126734.6967.73-1234.69135895.12212.36-9858.03144196.432600.8-3262.6814 4005.10341.47-20.41154210.8342.172857.4164821.43266.68-4142.86175392.86128.46285.71185408.1633.877020.4118 562569.147285.71195627.16207.428429.33204834.18793.027492.0821-3955.6384.503755.4421 4107.14315.11-807.042

17、24553.57271.62-4142.86236058.6798.77-10857.14在這一步里，可得第一步時的假設(shè)正確，活塞上所受的力會由于氣體壓力的急劇改變而改變大小，甚至方向，而這也正是內(nèi)燃機工作的核心。4、把作用在構(gòu)件 2上的反力 R12分解為 Rn12和R 12，取 MB 0，求出 R12。計算方式： R 12 Q2 h2 l PI2 h1 l MI 2 0 （矢量式）其中， h1為Q2到 B 點的水平距離， h2 為 PI2到 B 點的垂直距離， M C為轉(zhuǎn)動慣量M C JC C2 （c 角加速度 ） 。特別注意其方向，使用右手法則，判斷其力矩方向，又或規(guī)12定逆時針為正。小組

18、決定為方便判斷以及減少錯誤的出現(xiàn)，使用逆時針為正，決定式中各 項的正負。在這一步運算中要注意比例尺和單位的轉(zhuǎn)換。由于在計算中MI2 為標準國際單位，因此要把毫米化為米，這一點很容易出錯！如上，我們能夠得到動態(tài)靜力分析中所能 確定的兩個力的大小。而其他未知力均能求得方向（或在某一直線上） 。以點 8 作實例，分析如圖 7：圖75、以構(gòu)件 2，3為示力體，取 F 0，求出 Rn12和R03 。在這一步驟中， Rn12 和R03方向均未知，在受力分析時可假設(shè)其已知， 在這一步中通過 力封閉多邊形求出方向。如圖 8：圖8136、以構(gòu)件 3 為示力體，取 F 0 ，求出 R23 。如圖 9：圖97、以構(gòu)

19、件 1 為示力體，（構(gòu)件 1 上的重力忽略不計），取 F 0，求出 R01 ，再由 M B 0， 求出 Mb 。如圖 10：圖 1014數(shù)據(jù)記錄如下：表4點的位 置p(N)R1n2( N )Rt12( N )R12(N)R03( N )R23 ( N)0019302.2297.7619302.472119.7512712.661-402.1215310.202065.1215448.96509.6710073.052-402.1252473296.9061838103600.832 -402.12476.753416.903450500757.853-402.124186.443492.525

20、4881962662.504-402.1289552662.83936013559855-402.12112501554.3211356.877006123.926-402.1212351.57456.431236019006873.036 -402.1213096.49424.0013103.3528377517.867401.9213788.501087.4313831.313118.608247.188603.1814095.292468.8814309.883737.609564.4392010.69108.693111.69625.53172.56802.199 3216.96333

21、7.243515.834847.511552845.51106031.82253436.483575237.52062.51117483.521877.722229.862915.1515508118.561256296.837530.8897.7637531.015789.8944126.811356296.841391.232065.9241442.761148.1646702.891429153.724267.073296.92449014126091.4114 2030120725.493534.2921024.682275.3620606.601513068.918167.34349

22、2.5218500117516169.04166031.8152002655.83154502005062.5173014.4147001554.3214781.9510009552.60181005.314045.19234.6014047.152459.548585.2618 -1005.314390526.4144002125875019402.1215528.87915.7215555.853865.279822.9020-402.1214025.491954.351416146839351.2921402.127493.953074.19810026405094.8921 402.1

23、22403492.453500.69870893.8522-402.1267053488.217560112.55062.523401.12161002229.8616253.68380010936.6115表5點的位 置R01(N)M b(N*m)019302-10.56115448-795.6226182-445.182 3450-44.8535487348.4949360547.56511355374.7861235663.046 13103-52.41713831-322.85814310-973.0799626-784.509 4830-299.460103575-117.98112

24、916-306.141237531-10.561341443745.9714244902600.814 210252236.9015185001813.0016154501035.1517147824735.021814047-105.7518 14400-21.6191556-373.342014161-793.02218100-619.6521 350117.50227560589.682316254841.19在這一步運算中，小組出現(xiàn)了一點分歧，即是否應(yīng)該計算其構(gòu)件 1 的慣性力，雖然這 個問題并不影響所求出的轉(zhuǎn)動慣量，可是卻會對 R01 產(chǎn)生影響。雖然題設(shè)構(gòu)件 1 的重力忽 略不計，可

25、是最后我們認為是應(yīng)該加上慣性力計算的，因為 O對 1 點主要是給以平衡連桿 對 1 點的力，以及勻速圓周運動。并且在對內(nèi)燃機的認識下，曲柄作為輸出的機構(gòu)，帶動 汽車的其他機構(gòu)運動，并不能孤立地作為二力桿來作出分析。8、用一張 4 號圖紙大小的方格紙作出 M d Md曲線16六、計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量（不計構(gòu)件質(zhì)量）時為正，畫在橫坐標的上方。 （在本課程設(shè)計中， 1 的方向為順時針）2、以 Mb的平均值作為阻抗力矩 M r （常數(shù)）。這是因為在周期性的速度波動中，一個波動 周期內(nèi)的輸入功等于輸出功。即 d r E 0 。2.1 、首先求出下列各單元面積f1 =-560 ； f2=500；f3=-997

26、； f 4 =2630； f5 =-680； f6=580。2.2 、求出阻抗力矩（ Mr Mr ）的縱坐標 H17f1f2f3f4f5f61473H 123456 6.1375mmL 2402.3 、求出下列各單元的面積f1 =-732 ； f2 =301； f3 =-1380； f4 =2279； f5 =-890； f6 =437； f7 =-3 在阻抗力矩曲線之上的面積表示盈功，在阻抗力矩曲線之下的面積表示虧功。盈功為 正，虧功為負值。2.4 、根據(jù)上面各單元的面積求相應(yīng)的功W1f1Mb957.7 ；W2f2Mb393.81；W3f3Mb1805.5；W4 f4 Mb2981.69；

27、W5 f5 Mb1168.34；W6 f6 Mb 571.74；W7 f7 Mb 3.9252.5 、求出各個位置上功的累計變化量WWa957.7 N m ； Wb 563.89 N m ； Wc2369.39 N m ；Wd 612.30 N m ； We556.04 N m ； Wf 15.7 N m ； Wg 11.775 N m根據(jù)上面各值找出：Wmax 612.30 NmWmin 2369.39 Nm2.6 、求出最大盈虧功Wmax Wmax Wmin 2981.69 Nm2.7 、根據(jù)許用不均勻系數(shù) ，求出等效構(gòu)件上所需的等效轉(zhuǎn)動慣量)2981.69 9067.022259.74

28、kg m2Je2 n1602.8 、確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量Je JF JC 按題意：不考慮各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量JC 可忽略不計2JF Je 59.74 kg m2七、計算發(fā)動機功率18L M bn160175017506.1375 240 2560 6402 6013.70(HP )1、把連桿的質(zhì)量代換到 A、B 點八、對曲柄滑塊進行機構(gòu)部分平衡m2 m2A m2Bm2A lAC2 m2B lAB l AC2 聯(lián)立可求得 m2A和 m2B m2B =4.466kgm2A =8.294kgmB m3 m2BmA m1 m2A2、把曲柄 A 點的質(zhì)量用距O為 a=0.5r 的平衡質(zhì)量 mb 平衡19

29、mb a mA rmb 0.5r mA rmb 2 mA可求得 mb =44.148kg九、排氣凸輪(凸輪)的輪廓設(shè)計1、凸輪 II 輪廓設(shè)計要求1.1 、升程角為 60 度，回程角為 60 度，遠停程角為 10 度。1.2 、選擇升程和回程的運動規(guī)律。1.3 、用解析法設(shè)計凸輪的輪廓曲線，打印出 s 曲線以及凸輪的輪廓曲線。 2、凸輪輪廓的數(shù)學模型為減少凸輪在運作過程中的損耗，選用正弦運動規(guī)律，以消除剛性沖擊和柔性沖擊。 推程時： s h2 ( / 0) sin(2 / 0)/(2 ) 0 60 回程時： s h2 1 ( / 0) sin(2 / 0)/(2 ) 70 130 式中， h2

30、 6mm ， 0 1303、解析法設(shè)計凸輪的實際輪廓曲線代碼： Private Sub Form_Load() Width = Screen.Width Height = Screen.Height * 0.9 Left = (Screen.Width - Width) / 100 Top = (Screen.Height - Height) / 100 End SubPrivate Sub Command1_Click()Dim l1, l2, l3 As SingleForm2.Picture2.Scale (-0.1, 1200)-(7, -1200)l1 = -Abs(Form2.Pi

31、cture1.ScaleHeight / Form2.Picture1.ScaleWidth)l3 = -Abs(Form2.Picture3.ScaleHeight / Form2.Picture3.ScaleWidth) Form2.Picture1.ScaleWidth = 9.5Form2.Picture3.ScaleWidth = 150Form2.Picture1.ScaleHeight = l1 * Form2.Picture1.ScaleWidthForm2.Picture3.ScaleHeight = l3 * Form2.Picture3.ScaleWidthForm2.P

32、icture1.ScaleLeft = -0.1Form2.Picture3.ScaleLeft = -70Form2.Picture1.ScaleTop = 11Form2.Picture3.ScaleTop = 70Dim dt1, dt2, dt3, dt4, dt5, s1, v1, s2, v2, k1, s0, r0 As SingleDim n, m As Integer20Dim h, e As IntegerDim dt6, dt7, dt8, dt9, dt10, dt11, x1, y1, x2, y2, r As Single Dim x3, y3, x4, y4, r

33、gConst pi = 3.1415926h = Form2.Text3 e = Form2.Text2 k1 = Form2.Text5 r0 = Form2.Text1 rg = Form2.Text4 n = 10000 dt11 = 0 dt1 = pi / 3 dt2 = pi / 3 dt3 = pi / 2 / n dt4 = 0 dt6 = pi / 18Form2.Picture3.Line (-70, 0)-(70, 0) Form2.Picture3.Line (0, 70)-(0, -70) Form2.Picture1.Line (0, 0)-(7, 0) Form2

34、.Picture1.Line (0, 20)-(0, 0) Form2.Picture2.Line (0, 0)-(20, 0) Form2.Picture2.Line (0, 390)-(0, -390) Form2.Picture3.Circle (0, 0), r0, RGB(255, 0, 0) s0 = Sqr(r0 * r0) - e 2)s1 = h * (dt4 / dt1) - Sin(2 * pi * dt4 / dt1) / (2 * pi) v1 = h * k1 * (1 - Cos(2 * pi * dt4 / dt1) / dt1 x1 = (s0 + s1) *

35、 Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y1 = (s0 + s1) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4) x3 = (s0 + s1 - rg) * Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y3 = (s0 + s1 - rg) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4)While dt4 = dt1 And dt11 = dt1 + dt6 And dt4 = dt1 + dt6 + dt2 And dt9 = 2 * pidt9 = dt9 + dt3x2 = (s0 + s2) * Sin(dt9) + e * Cos(dt9)y2 = (s0

36、+ s2) * Cos(dt9) - e * Sin(dt9)x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt9) + e * Cos(dt9)y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt9) - e * Sin(dt9) DrawWidth = 1Form2.Picture3.Line (x1, y1)-(x2, y2)DrawWidth = 20Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3 = y4WendDrawWidth = 1Form2.Picture1.Line (dt1 + dt6 + dt2, s1)-(2 * pi, s1)Form2.Picture2.Line (dt1 + dt6 + dt2, v1)-(2 * pi, v1) End SubPrivate Sub Command2_Click()Form2.Picture1.ClsForm2.Picture2.ClsFor