機械原理課程設(shè)計--四沖程內(nèi)燃機設(shè)計

1、 課程設(shè)計報告書題目：四沖程內(nèi)燃機設(shè)計學(xué) 院 專 業(yè) 機械電子工程 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 課程編號 課程學(xué)分 2.0 起始日期 2015.1. 5 -2015.1.16 教師評語一、設(shè)計過程 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)計圖設(shè)計內(nèi)容 齊全 較齊全 不齊全制圖水平 規(guī)范 較規(guī)范 不規(guī)范圖面質(zhì)量 優(yōu)良 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 不合格備注 【目錄】一、 四沖程內(nèi)燃機的運動分

2、析及總體設(shè)計思路 1二、 繪制內(nèi)燃機運動簡圖（A4） 2三、 繪制連桿機構(gòu)位置圖（A2） 2四、 繪制機構(gòu)15個位置的速度及加速度多邊形（A2） 3繪制滑塊B的位移曲線、速度曲線及加速度曲（A2） 3五、 動態(tài)靜力分析（A1） 6六、 計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量（不計構(gòu)件質(zhì)量） 11七、 計算發(fā)動機功率 14八、 對曲柄滑塊進行機構(gòu)部分平衡 15九、 通過編程設(shè)計凸輪 16十、 繪制內(nèi)燃機工作循環(huán)圖（A4） 23十一、 心得體會 23 一、 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

3、力學(xué)的角度分析。 首先，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(fù)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0.61.5兆帕，溫度

4、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 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(fù)兩次，曲柄轉(zhuǎn)動兩周，進排氣閥門各開一次。1 .1 已知條件： 活塞行程 H=215 (mm) 活塞直徑 D170（mm）活塞移動導(dǎo)路相對于曲柄中心的距離 e45 (mm)行程速比系數(shù) K1.054 連桿重心C至A點的

5、距離 0.35× 曲柄重量 150 (N)連桿重量 120 (N)活塞重量 200（N）曲柄的轉(zhuǎn)速 600 (rpm)連桿通過質(zhì)心C的轉(zhuǎn)動慣性半徑 0.16 ()發(fā)動機的許用速度不均勻系數(shù) 1/90曲柄不平衡的重心到O點的距離 (mm)開放提前角 進氣門：-10°；排氣門：-32°齒輪參數(shù)：=3.5 (mm) ；=20°；=1=14 ; =72 ; =36凸輪I 行程 10（mm） 凸輪I 偏心距 = 0（mm） 凸輪I的基圓半徑 =55（mm） 凸輪II的行程 =10 （mm） 凸輪II的偏心距 = 7（mm） 凸輪II的基圓半徑 = 60（mm）1.

6、2 求連桿的長度和曲柄的長度設(shè)連桿的長度為、曲柄長度為 又=1745.95 mm = 515.39 mm=517.4 mm (1) =303.8mm (2) 圖 1 曲柄連桿幾何關(guān)系圖 聯(lián)立（1）、（2）式求解，可求出連桿的長度及曲柄的長度。 mm mm二、繪制內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖（A4）按照比例尺1：4，根據(jù)第二組數(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。圖1機構(gòu)運動簡圖三、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)一周供分為十五個位置）并作出機構(gòu)各位置時的

7、機構(gòu)位置圖，求出滑塊的相對位移。 當(dāng)活塞在最高位置時位起點，曲柄A點的編號為，由點開始，順時針方向把圓分為12等分，得、等點。當(dāng)滑塊在最低位置時，曲柄上點的編號為。 可近似以為，當(dāng)曲柄在和位置時，滑塊B速度為最大值。四作出機構(gòu)15個位置的速度和加速度多邊形4.1速度分析，畫出速度多邊形 單位：V-m/s, w-rad/s = + （3）大小 ？ lAO ?方向 /BE AO AB 圖 2 點A1速度多邊形表一 15個位置的VBA、VC2、VB、W2數(shù)值畫圖基本步驟： 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VB的方向?qū)к墸cVBA交于b；

8、 pb即為VB； ab即為VBA； 取ac2=0.36ab，則pc2即為Vc2； w2= VBA /LAB.圖 3 速度多邊形（模擬圖1）圖 4 速度多邊形（模擬圖2）4.2繪制加速度多邊形作出加速度多邊形 aB = aA + aBAn + aBAt （4）大小 ？ 2lAO 22lBA ? 方向 BE AO BA BA aB = -533.10 m/s2作機構(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 圖 5 點A1加速度多邊形注：，表 2 ，的數(shù)值畫圖基本步驟：確定極點p；根據(jù)aA的大小和方向作出aA即pa；過a，由的大小和方向畫出即at；過t作出的方向；過p作出的方向

9、導(dǎo)軌，與的方向交于b，則pb即為，tb即為；ab即；取ac2=0.35lab，ac2即；=/LAB.圖 6 加速度多邊形（模擬圖1）圖 7 加速度多邊形（模擬圖2）五動態(tài)靜力分析動態(tài)靜力分析根據(jù)理論力學(xué)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(xué)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（每人完成五個位置）。各種數(shù)據(jù)都要列表表示。5.1 計算活塞上的氣體壓力 （N） （5） -活塞的面積 ()圖 8 活塞的氣體壓強表 由圖可知，在特殊位置（如14，13，12，24，23，22）處，氣體壓力非常大，可相信為

10、電火花點燃，氣體爆炸，內(nèi)燃機工作時的點。5.2 求作用于構(gòu)件上慣性力。 (N) （6） （7） (N) （8）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(dāng)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(biāo)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。5.3 求出活塞上受力的大小及方向 (N) （9）表三 30個位置的、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。5.4 把作用在構(gòu)件2上的反力分

11、解為和，取，求出。計算方式：（矢量式）（10）其中，h1為Q2到B點的水平距離，h2為Pi2到B點的垂直距離，Mc為轉(zhuǎn)動慣量Mc=Jc*(c的角加速度)。特別注意其方向，使用右手法則，判斷其力矩方向，又或規(guī)定逆時針為正。小組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(biāo)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）圖9 連桿受力分析 圖10 力多邊形 圖11 原動件力矩圖（1） 以點作實例，受力分析如圖9（2

12、） 以構(gòu)件2，3為示力體， 首先取 ，即 由此求出，即代入LAB=410.6，Q2=120， h2=134.5, h1=21, =2, MI2=371.38,求得= -1509.77（3） 然后取 求出和。在這一步驟中，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10（4） 再以構(gòu)件1為示力體，（構(gòu)件1上的重力忽略不計），取，求出，再由，求出。如圖（11）數(shù)據(jù)記錄下：表四 30個位置的、數(shù)值單位：點的位置()()()()()()0017762.536.1217762.6130911839.41-454137201934.7813855.745609251.36

13、2-453.9648002844.9355808303358.15 2-453.962002926.28 2933540625.23-453.9629502842.564080701584.54-453.968015.74905.2458066.69922.214814.785-453.731297.2510450105301005870.126-453.961068018.801068018.805869.52 6-45411300124.4011300.6816506391.797-454125301022.391256520307361.28681109202051.4811111.03

14、26007280.0292269.8071102733.26765019205470.84 93631.6839502913.94775912.53622106809.4021480.661520.992122.68797.343608.791119737.31875.34730075002037.711546.312635604605036.1246065469552000.51363560504001934.7850437.12225054825.791432912317002844.9331800401032404 1422937231001509.723170170823126.115

15、14753.7183002842.5618600240016961166809.40215333.7905.24515360.393011989.03173402.981297.251432514340479726.918113512510186.71254012007458.3 181134.9010972.9198.6210974.701003.096817.2619454123901079.8912347.3121607698.5320453.96114001883.691155029407574.3521453.9651602839.67586011603542 21453.73225

16、1.4816222519961080.422453.965201.841520.995419.642862.344029.2623453.731875.3412745128502902.58433.64表五 30個位置的、數(shù)值六.計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量（不計構(gòu)件質(zhì)量）6.1把 = （）曲線作為=（）曲線（圖12）。不考慮機構(gòu)各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。W4Mb / NmW5W6W7W3MrW2W1/ 圖 9驅(qū)動力矩曲線6.2以Mb的平均值作為阻抗力矩（常數(shù)）。6.2.1首先求出下列Mb各單元的面積：表六 Mb各單元面積面積f單位：mm2-345388-7713483-4963776.2.2求出阻抗力矩（

17、）的縱坐標(biāo)H：= 10.98 mm （11）以的平均值作為阻抗力矩（常數(shù)）=H×=329.4 (N*m) （12）6.2.3求出下列盈虧功各個單元的面積：表七 盈虧功各個單元面積面積f單位：mm2649841418280095415112由Mb曲線求出各個單元相應(yīng)的功。根據(jù)上面單元的面積，由公式W=Mb*求出相應(yīng)的功:（盈功為正，虧功為負 單位：N*m）表八 各單元相應(yīng)的功WW1W2W3W4W5W6W7單位/N*m-1019.45131.945-2227.394398.23-1498.54237.14-18.856.5求出最大盈虧功Wmax= Wmax -Wmin =4398.23(

18、N*m) （13）作圖如下： 圖 10 示功圖6.5根據(jù)許用不均勻系數(shù)，求出等效所需的等效轉(zhuǎn)動慣量 （14）6.6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 JF Je 七.計算發(fā)動機功率 （15）八.對曲柄滑塊進行機構(gòu)部分平衡圖 11 曲柄滑塊平衡示意圖8.1把連桿的質(zhì)量代換到A.B點m2=m2A+m2B (16) m2A*lAC2=m2B(lAB - lAC) （17） 聯(lián)立（16）（17） 可求得m2B和 m2Am2B=4.284 kg m2A =7.956kgmB=m3+m2B （18）mA=m1+m2A （19） 可求得mB=16

19、.126kg mA=23.0561kg8.2 把曲柄A點的質(zhì)量用距O點為a=0.5r的平衡質(zhì)量mb平衡。mb*a= mA*rmb*0.5r= mArmb=2mA （20）可求得mb=46.112kg16 九排氣凸輪（凸輪）的輪廓設(shè)計9.1凸輪II輪廓設(shè)計要求(1) 升程角為60度，回程角為60度，遠休止止角為10度。(2) 選擇升程和回程的運動規(guī)律。(3) 用解析法設(shè)計凸輪的輪廓曲線，打印出曲線以及凸輪的輪廓曲線。9.2凸輪輪廓的數(shù)學(xué)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：回程時：輪廓曲線圖：凸輪圖 15 凸輪I實際與理論輪廓以及S-圖凸輪的輪廓設(shè)

20、計符合正弦加速度規(guī)律，故s-曲線和V-曲線都和正弦加速度的曲線基本一致。10、 四沖程內(nèi)燃機的工作循環(huán)圖（1） 根據(jù)工作循環(huán)圖及曲柄的位置，求出凸輪的安裝角，把凸輪畫在機構(gòu)運動簡圖上。（2）以曲柄作為定標(biāo)構(gòu)件，曲柄每轉(zhuǎn)兩周為一工作循環(huán)。畫出各執(zhí)行機構(gòu)在位置上協(xié)調(diào)配合工作的循環(huán)圖。 圖16 內(nèi)燃機工作循環(huán)圖11、 心得體會：在結(jié)束了十幾周的課程教學(xué)后，也迎來了大學(xué)生涯的第一次課程設(shè)計，竟有一絲激動與期待的興趣，因為我想，無非是一些畫圖之類的事情，自我覺得由于大一制圖這門課學(xué)的很認真，也取得不錯的成績。也更加信心十足。這次課程設(shè)計做的是四沖程內(nèi)燃機的設(shè)計。老師也詳細的介紹了我們所要做的東西和需要注意的東西，而我心里想的就是細節(jié)二字。很快，我們進行了分組，分好自己的任務(wù)，就埋頭于圖紙之中。當(dāng)然，很多時候，許多事情不是一個人就能把他做好做快，更多時候需要的就是團隊合作，對于一些不懂的參數(shù)與計算，我們都認真分析討論，提出自己的理解和看法，然后進行總結(jié)取結(jié)論在課程設(shè)計中真心覺得小組合作很重要，一個人的思考是有限的，每當(dāng)你冥思苦想不出來的時候，隊友的一句話往往會解決你所有的問題。例如我在A1圖的時候一直對不上數(shù)，苦惱了好久，頭痛了半天，直到晚上，隊友終于有空了，幫我檢查了一下，只說了一句，你的點取