單缸四沖程柴油機(jī)設(shè)計(jì)及靜力分析

1、題目二 單缸四沖程柴油機(jī)設(shè)計(jì)一、機(jī)構(gòu)簡介及有關(guān)數(shù)據(jù)1、機(jī)構(gòu)簡介柴油機(jī)如圖2-1所示，其中a)為機(jī)構(gòu)簡圖，它將燃料（柴油）燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的主體機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，借氣缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)活塞3，再通過連桿2使曲柄1作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)有兩沖程和四沖程兩種，本課程設(shè)計(jì)的是四沖程內(nèi)燃機(jī)，即以活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)移動(dòng)四次（對(duì)應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個(gè)工作循環(huán)。在一個(gè)工作循環(huán)中，氣缸內(nèi)的壓力變化可通過示功圖（或稱容壓曲線）如圖2-1 b)看出，它表示氣缸容積（與活塞位移s成正比）與壓力的變化關(guān)系。 a) 機(jī)構(gòu)簡圖 b) 示功圖圖1 單缸四沖程柴油機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖和示功圖四沖程內(nèi)燃機(jī)的

2、工作原理如下：進(jìn)氣沖程：活塞由上止點(diǎn)向下移動(dòng)，對(duì)應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角。進(jìn)氣閥開，空氣開始進(jìn)入氣缸，此時(shí)氣缸內(nèi)指示壓力略低于1大氣壓力，一般以1大氣壓力計(jì)算，如示功圖上的。壓縮沖程：活塞由下止點(diǎn)向上移動(dòng)，對(duì)應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角。此時(shí)進(jìn)氣完畢，進(jìn)氣閥閉，已吸入的空氣受到壓縮，壓力漸升高，如示功圖上的。膨脹（工作）沖程：在壓縮沖程終了時(shí)，被壓縮的空氣的溫度已超過柴油自燃的溫度，因此，在高壓下射入的柴油立刻爆炸燃燒，氣缸內(nèi)壓力突增至最高點(diǎn)，此時(shí)燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)活塞由上向下移動(dòng)對(duì)外作功（故又可稱工作沖程），曲柄轉(zhuǎn)角，隨著燃?xì)獾呐蛎?，活塞下行，氣缸容積增加，壓力逐漸降低，如示功圖上的。排氣沖程：活塞由下向上移動(dòng)，曲柄轉(zhuǎn)角。排氣閥

3、開，廢氣經(jīng)排氣閥門被驅(qū)除，此時(shí)氣缸內(nèi)壓力略高于1大氣壓力，一般亦以1大氣壓力計(jì)算，如示功圖上的。示功圖中的即表四個(gè)沖程氣缸內(nèi)的壓力變化情況。進(jìn)、排氣閥的啟閉是由凸輪機(jī)構(gòu)來控制的，圖2-1 a）中剖面有進(jìn)、排氣閥各一只（圖示只畫了進(jìn)氣凸輪）。凸輪機(jī)構(gòu)是通過曲柄軸O上的齒輪Z1和凸輪軸O1的齒輪Z2來傳動(dòng)的，由于一個(gè)工作循環(huán)中，曲柄轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)而進(jìn)、排氣閥則僅各啟閉一次，所以齒輪的傳動(dòng)比。由上可知，在組成一個(gè)工作循環(huán)的四個(gè)沖程中，活塞只有一個(gè)沖程（膨脹沖程）是對(duì)外作功的，而其余的三個(gè)沖程則需依靠機(jī)械的慣性來帶動(dòng)。因此，曲柄所受的驅(qū)動(dòng)力是不均勻的，所以其速度波動(dòng)也較大；為了減少速度波動(dòng)，曲柄軸上裝有飛

4、輪（圖2-1中未示出）。為了使驅(qū)動(dòng)力較均勻和增加內(nèi)燃機(jī)的功率，內(nèi)燃機(jī)常做成多缸的，如兩缸、四缸和六缸等。2、題目數(shù)據(jù) 表1 原始數(shù)據(jù)容內(nèi)號(hào)符據(jù)數(shù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析及飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定mmr/minmmkgkgms212080412008018019210.030.0060.020.01凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)mm度 mm度3020501050302244520圖2 凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件加速度圖表2 示功圖數(shù)據(jù)表工作過程進(jìn) 氣壓 縮位置編號(hào)123456789101112曲柄位置（度）30060090012001500180021002400270030003300360

5、0氣缸指示壓力1111111116.519.535膨 脹排 氣13141516171819202122232437503900420045004800510054005700600063006600690072006025.59.5332.521.511111二、完成論文作業(yè)的具體要求:1、機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制已知：活塞沖程H、連桿和曲柄之長度比、曲柄每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。要求：根據(jù)該機(jī)械的工作原理和工作要求，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)，對(duì)各方案進(jìn)行特點(diǎn)、性能分析，擇優(yōu)選一；對(duì)優(yōu)選方案繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。1)、設(shè)計(jì)方案一：1、2都是搖桿，當(dāng)1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)進(jìn)氣閥（排氣閥）使得柴油機(jī)能吸氣或者排氣。2轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)3

6、推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。 圖3 方案一結(jié)構(gòu)圖 該方案機(jī)構(gòu)簡單，但是1桿不是直線運(yùn)動(dòng)，存在摩擦?xí)箼C(jī)械效率降低。且輸出傳動(dòng)裝置，摩擦較大都會(huì)影響機(jī)械效率。故不合適 2)、設(shè)計(jì)方案二： 圖4 方案二結(jié)構(gòu)圖圖中1是凸輪，2是傳動(dòng)輪，3是連桿，4是活塞，5是固定在傳動(dòng)輪上的搖桿。運(yùn)動(dòng)和方案設(shè)計(jì)一相似，在方案一上改進(jìn)，減小摩擦，但是凸輪和傳動(dòng)輪之間是獨(dú)立分開的，不方便實(shí)現(xiàn)活塞運(yùn)動(dòng)四次凸輪運(yùn)動(dòng)一次。所以不是很合理。 3)、設(shè)計(jì)方案三圖5 方案三結(jié)構(gòu)圖凸輪固定在一個(gè)齒輪上，曲柄固定在傳動(dòng)輪上。兩個(gè)齒輪嚙合。這樣的好處能夠很方便的實(shí)現(xiàn)了活塞運(yùn)動(dòng)四次，進(jìn)氣閥和排氣閥個(gè)運(yùn)動(dòng)一次的要求。運(yùn)動(dòng)可靠。能很好的符合設(shè)計(jì)

7、的要求，故是合理的。在次設(shè)計(jì)方案中，該機(jī)構(gòu)有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，包括推桿、凸輪、曲柄、連桿、滑動(dòng)活塞共有3*5=15個(gè)自由度，其中運(yùn)動(dòng)低副有6個(gè)，包括2滑動(dòng)副，4轉(zhuǎn)動(dòng)副；2高副。則機(jī)構(gòu)的自由度F=3n-(2pl+ph)=1，符合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。圖6 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖2、 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 圖7 曲柄位置圖已知：曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n1，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)上各構(gòu)件的尺寸。要求：應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算程序計(jì)算該機(jī)構(gòu)中機(jī)構(gòu)上各連接點(diǎn)的位移、速度、加速度，并繪制出滑塊的速度線圖和加速度線圖以及運(yùn)動(dòng)線圖。注意：在計(jì)算位移、速度、加速度時(shí)一定要計(jì)算出第點(diǎn)（在此點(diǎn)為氣缸指示壓力達(dá)最大值）。已知曲柄滑塊的部分運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)如下內(nèi)容曲

8、柄滑塊機(jī)構(gòu)符號(hào)HLAS2n1單位mmmmr/min數(shù)據(jù)1208041200設(shè)曲柄的長度為r，連桿的長度為l，根據(jù)表格有H=（r+l）-（l-r）=120mm，=l/r=4，得出l=240mm，r=60mm。并可由此做出滑塊機(jī)構(gòu)。圖8曲柄滑塊簡圖1） 位移分析：由上圖可根據(jù)曲柄滑塊簡圖及幾何知識(shí)有：sin0BA/r=sin/l。由于=4，所以sinOBA=sin/4。故 ， （1）根據(jù)圖7，基于Excel軟件得出： 表3 位移S數(shù)據(jù)表S的位置弧度S/mmS000300S1300.523599290.0791S2601.047198264.3075S3901.570796232.379S41202

9、.094395204.3075S51502.617994186.1561S61803.141593180S72103.665191186.1561S82404.18879204.3075S92704.712389232.379S103005.235988264.3075S113305.759587290.0791S123606.283185300 圖9 位移S變化圖2）速度分析根據(jù) （2）利用Excel軟件，將各點(diǎn)的數(shù)據(jù)帶進(jìn)入計(jì)算得表4 速度v數(shù)據(jù)表S的位置弧度S/mmv/mpsS0003000S1300.523599290.07912.947249S2601.047198264.30755.

10、693638S3901.570796232.3797.539822S41202.094395204.30757.365717S51502.617994186.15614.592573S61803.1415931800S72103.665191186.1561-4.59257S82404.18879204.3075-7.36572S92704.712389232.379-7.53982S103005.235988264.3075-5.69364S113305.759587290.0791-2.94725S123606.2831853000 圖10 速度v變化圖3）加速度分析 （3）表5 加速度a

11、數(shù)據(jù)表S的位置弧度S/mmv/mpsa/mps2S0003000947.482S1300.523599290.07912.947249820.6338S2601.047198264.30755.693638473.6549S3901.570796232.3797.5398225.8E-14S41202.094395204.30757.365717-473.827S51502.617994186.15614.592573-820.453S61803.1415931800-947.482S72103.665191186.1561-4.59257-820.453S82404.18879204.307

12、5-7.36572-473.827S92704.712389232.379-7.53982-1.7E-13S103005.235988264.3075-5.69364473.6549S113305.759587290.0791-2.94725820.6338S123606.2831853000947.482 圖11 加速度a變化圖3、 齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)1) 參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)柴油機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，可以確定兩嚙合齒輪傳動(dòng)為高變位齒輪傳動(dòng)。高變位齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是，小齒輪正變位，齒根變厚；大齒輪負(fù)變位。齒根變薄。這樣的好處有：1、可以使大小齒輪的抗彎程度相近，相對(duì)的提高了整個(gè)機(jī)構(gòu)的承載能力。2、兩齒輪相近，

13、改善了磨損情況。延長了在高速運(yùn)動(dòng)的情況下的齒輪的使用壽命。齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) mm度2244520取 齒頂高系數(shù)： ，齒根高系數(shù)： 表6 齒輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表題名公式計(jì)算結(jié)果(mm)中心距165實(shí)中心距170嚙合角0.422rad分配變位系數(shù)；x=-0.2941=-1.582X=1.104中心距變動(dòng)系數(shù)1.000傳動(dòng)比： 2.000齒頂高變動(dòng)系數(shù)： 0.104分度圓直徑 ； =110;=220基圓直徑；=103.373=206.746齒頂高=4.809=9.671齒根高；=5.921=1.059齒頂圓直徑；=119.618=239.341齒根圓直徑；=98.159=217.882節(jié)圓直徑；=113.33

14、3=226.667重合度；1.403齒距15.700節(jié)圓齒距16.176基圓齒距14.754齒頂圓齒厚=4.000=1.267基圓齒厚=9.141=14.003分度圓齒厚；=8.090=11.627展角=0.02705rad=0.02705rad2) 齒輪嚙合圖的繪制齒輪嚙合圖是將齒輪各部分尺寸按一定的比例尺畫出輪齒嚙合關(guān)系的一種圖形。它可直觀地表達(dá)一對(duì)齒輪的嚙合特性和嚙合參數(shù)，并可借助圖形作某些必要的分析。漸開線的畫法漸開線齒廓按漸開線的形成原理繪制，如圖12所示。以小齒輪廓線為例，其步驟如下:1)按表6所列公式計(jì)算出各圓直徑db、d、d´、df及da，畫出各相應(yīng)的圓。 圖12 基

15、本漸開線圖 2)連心線與節(jié)圓的交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)P。過P點(diǎn)作基圓之切線，與基圓相切于N1，則即為理論嚙合線的一段，也是漸開線發(fā)生線的一段。3)將線段分成若干等分: 、 4)根據(jù)漸開線的特性N1 O´，因弧長不易測(cè)量，可按下式計(jì)算N1 O´所對(duì)應(yīng)的弦長 按此弦長在基圓上取O´點(diǎn)。5)將基圓上的弧長N1O'分成同樣等分得基圓上的對(duì)應(yīng)分點(diǎn)1'、2'、3'。6)過點(diǎn)1'、2'、3'作基圓的切線，并在這些切線上分別截切線段，使得、 。得1"、2"、3"諸點(diǎn)。光滑連接0´、1"、

16、2"、3"各個(gè)點(diǎn)的曲線即為節(jié)圓以下部分的漸開線。7)將基圓上的分點(diǎn)向左延伸，作出5´、6´、7´，取，可得節(jié)圓以下漸開線各點(diǎn)5"、6"直至畫到齒頂圓為止。8)當(dāng)df<db時(shí)，基圓以下一段齒廓取為徑向線，在徑向線與齒根圓之間以r=O.2mn為半徑畫出過渡圓角; 當(dāng)df>db時(shí)，在漸開線與齒根圓之間直接畫出過渡圓角。嚙合圖的繪制步驟1)選取比例尺L(mm/mm)，使齒全高在圖樣上有30-5Omm的高度為宜。定出齒輪中心01 、02分別以01、02為圓心作出基圓、分度圓、節(jié)圓、齒根圓、齒頂圓。2)畫出工作齒廓的基圓內(nèi)公

17、切線，它與連心線的交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)P，又是兩節(jié)圓的切點(diǎn)，內(nèi)公切線與過P點(diǎn)的節(jié)圓切線間夾角為嚙合角´t。，應(yīng)與按式(4-1)或式(4-2)計(jì)算之值相符。3)過節(jié)點(diǎn)p分別畫出兩齒輪在頂圓與根圓之間的齒廓曲線。4)按已算得的齒厚和齒距P計(jì)算對(duì)應(yīng)弦長和。； （4）按和在分度圓上截取弦長得A、C點(diǎn)，則弧AB=s,弧AC=P （見圖13）5)取AB中點(diǎn)D,連01、D兩點(diǎn)為輪齒的對(duì)稱線。用描圖紙描下對(duì)稱線右半齒形以為模板畫出對(duì)稱的左半部分齒廓及其他相鄰的3至4個(gè)齒廓。另一齒輪的作法相同。6)作出齒廓工作段。B1、B2為起始與終止嚙合點(diǎn)，以01為圓心為半徑作圓弧交齒輪1齒廓于b1點(diǎn)，則從b1點(diǎn)到齒頂圓一段

18、齒廓為齒廓工作段。同理可作出齒輪2的齒廓工作段。 圖13 齒輪嚙合圖4、 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)mm度205010503075圖14 凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件加速度圖根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖(附圖3)分析知位移s對(duì)轉(zhuǎn)角的二階導(dǎo)數(shù)為常數(shù)且周期變換所以確定為二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 公式：S=C0+C1+C22 （5）加速階段 0-25° S=2h2/0減速階段 25-50° S=h-2h(0-)2/02 以從動(dòng)件開始上升的點(diǎn)為=0°據(jù)此計(jì)算得表7 凸輪從動(dòng)件上升位移 變化 （單位：°）S() （單位：mm）00101.6206.425103013.64

19、018.4502060207018.48013.68510906.41001.61100根據(jù)上表繪制出從動(dòng)件上升位移S= S() 的變化曲線如下： 圖15 從動(dòng)件上升位移S= S() 的變化曲線 2）基圓半徑計(jì)算圖解法：根據(jù)許用壓力角計(jì)算出基圓半徑最小值，凸輪形狀選為偏距為零且對(duì)稱，從動(dòng)件的盤型機(jī)構(gòu)位于推程的某位置上，法線nn與從動(dòng)件速度VB2的夾角為輪廓在B點(diǎn)的壓力角，P12 為凸輪與從動(dòng)件的相對(duì)速度瞬心。故 VP12=VB2=|OP12|，從而有 |OP12| =VB2/1=ds/d。三角形BCP12可知 整理得，基圓半徑 r0=dsdtan-s 將S=S（）和=代入 得： （6）將S=

20、S（），=，取=25°。計(jì)算得出29.69。在此取 =33，滾子半徑為5。根據(jù)以上數(shù)據(jù)做出凸輪的理論廓線和實(shí)際廓線。解析法(滾子半徑取 5 mm)凸輪理論輪廓曲線的計(jì)算:滾子中心處于B點(diǎn)的直角坐標(biāo) （7）其中e=0，=33mm，=33mm（1）推程： （8） （2）遠(yuǎn)休： （9） (3)回程： (10) (4)近休止： (11)實(shí)際輪廓曲線的計(jì)算:(1)推程： (12)(2)遠(yuǎn)休： (3)回程：(13)(4)近休止時(shí)即時(shí) (14)4、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析已知：各構(gòu)件的重量G、繞重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js、活塞直徑Dh，示功圖數(shù)據(jù)見表2以及運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算中的已知條件和計(jì)算結(jié)果。要求：確定各運(yùn)動(dòng)

21、副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩My。平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析法,是把作用在機(jī)構(gòu)每一構(gòu)件上的所有外力,包括慣性力、重力和生產(chǎn)阻力(或驅(qū)動(dòng)力),合并為作用在每一構(gòu)件上的合成外力和合成力矩M,然后將合力外力F和運(yùn)動(dòng)副反力分解為沿選定的直角坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)軸的分量并列出每一構(gòu)件件三個(gè)動(dòng)態(tài)靜力平衡式.如圖2所示,在此機(jī)構(gòu)中共有四個(gè)低副,每個(gè)低副中的反力都有兩個(gè)未知要素(即反力的方向和大小),此外還有一個(gè)平衡力的朱知要素，但由于構(gòu)件3和4組成移動(dòng)副,其反力垂直于導(dǎo)路xx,即R43x,且反力的著力點(diǎn)通過B點(diǎn),故反力對(duì)B點(diǎn)的力臂為0。因此該機(jī)構(gòu)共有八個(gè)力的未知要素待定,三個(gè)活動(dòng)構(gòu)件可列出八個(gè)力的平衡方程式,故知此機(jī)構(gòu)所有力的未知要索都是可解的。其次,由于運(yùn)動(dòng)副的反力Rij表示構(gòu)件i作用構(gòu)件j上的反力,而Rij=- Rji,因此對(duì)構(gòu)件進(jìn)行受力分析時(shí),各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的反力,統(tǒng)一寫成Rij形式(即反力Rji用-Rij表示)。另外,為計(jì)算方便,避免正負(fù)號(hào)的差錯(cuò),對(duì)左手系建立的直角坐標(biāo)系,力矩規(guī)定順時(shí)針為正,逆