華南理工機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)案例

課程設(shè)計(jì)匯報(bào)書

題目:沖程內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)

學(xué)院一

專業(yè)機(jī)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.Q

起始日期2023.1?—

一、設(shè)計(jì)過程口嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真口較認(rèn)真□小認(rèn)真

二、設(shè)計(jì)匯報(bào)書

計(jì)算過程□完整口基本完整口不完整

計(jì)算成果□對日勺口基本對的□錯(cuò)誤多

書面撰寫口規(guī)范口較規(guī)范□小規(guī)范

教三、設(shè)計(jì)圖

師

評設(shè)計(jì)內(nèi)容□齊全口較齊全ZI不齊全

語制圖水平口規(guī)范口較規(guī)范口不規(guī)范

圖面質(zhì)量口優(yōu)良口良好口中等□較差

四、綜合設(shè)計(jì)能力口強(qiáng)□一般口較差

五、答辯□清晰□基本清晰□不清晰

教師簽名：

日期：

成

績成績：□優(yōu)口良□中口合格口不合格

評

東

備

注

【目錄】

一、四沖程內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析及總體設(shè)計(jì)思緒.................1

二、繪制內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)簡圖（A4）.......................2

三、繪制連桿機(jī)構(gòu)位置圖（A2）.......................2

四、繪制機(jī)構(gòu)15個(gè)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(dòng)態(tài)靜力分析（A1）.....................6

六、計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)構(gòu)件質(zhì)量）......................11

七、計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率14

八、對曲柄滑塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)部分平衡........................15

九、通過編程設(shè)計(jì)凸輪16

十、繪制內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)圖（A4）23

十一、心得體會(huì).......................23

一、四沖程內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析及總體設(shè)計(jì)思緒

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們需要處理如下問題：凸輪內(nèi)參數(shù)是多少？怎樣能讓機(jī)構(gòu)正常循

環(huán)工作？為了處理這個(gè)問題，我們需要對整個(gè)機(jī)構(gòu)從運(yùn)動(dòng)及力學(xué)日勺角度分析。

首先，需要明確四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作原理：內(nèi)燃機(jī)是通過吸氣、壓縮、燃燒、排氣四

個(gè)過程不停反復(fù)進(jìn)行日勺C假如在四個(gè)沖程里完畢吸氣、壓縮、做功(燃燒、膨張)、排氣

的循環(huán)動(dòng)作，就叫做四沖程。對應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)叫四沖程內(nèi)燃機(jī)。

第一沖程，即吸氣沖程。這時(shí)曲軸向下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞向下，同步通過齒輪帶動(dòng)凸輪

向下旋轉(zhuǎn)，是凸輪的I突起部分頂開進(jìn)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(dòng)活塞向上，凸輪的突起部分已經(jīng)轉(zhuǎn)兩個(gè)過去，進(jìn)氣

閥門被關(guān)閉，由于凸輪只轉(zhuǎn)了%周，因此排氣閥門仍然處在關(guān)閉狀態(tài)?；钊蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí),

將第一沖程吸入H勺可燃?xì)怏w壓縮，被壓縮的氣體H勺壓強(qiáng)到達(dá)0.6?1.5兆帕，溫度升高到

300攝氏度左右。

第三沖程是做功沖程c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2023攝氏度左右，壓強(qiáng)到達(dá)3?5兆帕。高溫高壓煙氣急劇膨脹，推進(jìn)活塞向下

做功，此時(shí)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)半周而凸輪轉(zhuǎn)過%周，兩個(gè)氣閥仍然緊閉。

第四沖程是排氣沖程c由于飛輪的慣性，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，使活塞向上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)由于凸輪

頂開排氣閥，將廢氣排出缸外。

四個(gè)沖程是內(nèi)燃機(jī)口勺一種循環(huán)，每一種循環(huán)，活塞往復(fù)兩次，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)兩周，進(jìn)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D=170(mm)

活塞移動(dòng)導(dǎo)路相對于曲柄中心的距離e=45(mm)

行程速比系數(shù)K=1.054

連桿重心C2至A點(diǎn)的|距離4c2=0.35XlAB

曲柄重量9=150(N)連桿重量3=120(N)

活塞重量Q.=200(N)曲柄時(shí)轉(zhuǎn)速叫=600(rpm)

連桿通過質(zhì)心C2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性半徑p；=0.16lAB(加〃2)

發(fā)動(dòng)機(jī)的許用速度不均勻系數(shù)[S]=l/90

曲柄不平衡的重心到0點(diǎn)的距離loc=l0A(uim)

開放提前角進(jìn)氣門：-10°;排氣門：-32°

齒輪參數(shù)："7=3.5(mm)；a=20°；h：=l

Z2=Z：=14;Z3=Z；=72;Z[=36

凸輪I行程以=10(mm)凸輪I偏心距&二0(mm)

凸輪IH勺基圓半徑二55(mm)

凸輪II日勺行程》=10(mm)凸輪II的偏心距?2=7(mm)

凸輪II日勺基圓半徑一2=60(mm)

1.2求連桿的長度和曲柄H勺長度

設(shè)連桿的長度為/、曲柄長度為

/.OB.=l-rOB=/+r;。==3.53°

'uUK+l

H

又?：R=CB『-----=1745.95mm

12sin。

/.OE=?OCY-(說=J(0C)Z一(CD-DEY

2

=-{CD-e)=收_(%物8-4=407.891nm

OF=OE+—=515.39mm

2

...1+r=J(6F)2+J=517.4mm(1)

?.?OB】=+I二

J(〃——〃/2)2+):3038mm

1—r-OB1==303.8mm(2)

圖1曲柄連桿幾何關(guān)系圖

聯(lián)立（1）、（2）式求解，可求出連桿日勺長度/及曲柄的長度廠。

1=410.6mmr-106.8mm

二、繪制內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖（A4）

按照比例尺1：4,艱據(jù)第二組數(shù)據(jù)，繪制內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖，空出凸輪的陶造，并

對凸輪與排氣裝置的連接方式進(jìn)行修改。

圖1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

三、繪制連桿機(jī)構(gòu)位置圖

以活塞在最高位置時(shí)為起點(diǎn)，將曲柄回轉(zhuǎn)一周按順時(shí)針分為十二等分，然后找出活塞

在最低位置時(shí)和活塞速度為最大時(shí)時(shí)曲柄位置（即曲柄旋轉(zhuǎn)一周供分為十五個(gè)位置）并作

出機(jī)構(gòu)各位置時(shí)日勺機(jī)構(gòu)位置圖，求出滑塊的相對位移。

當(dāng)活塞在最高位置時(shí)位起點(diǎn)，曲柄A點(diǎn)節(jié)J編號為，由力。點(diǎn)開始，順時(shí)針方向把圓分

為12等分，得4、4、43、.....乙等點(diǎn)。當(dāng)滑塊在最低位置時(shí)，曲柄上力點(diǎn)的編號為

4°

可近似認(rèn)為，當(dāng)曲柄在。6和勿9位置時(shí)，滑塊B速度為最大值。

四.作出機(jī)構(gòu)15個(gè)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

-A-?-?

與=%'(3)

大小?3IAO?

方向//BE±A0±AB圖2點(diǎn)Ai速度多邊形

表一15個(gè)位置的VBA、在2、VB、物數(shù)值

VBAVC2VBW2

AO6.750016.34

Al5.435.254.0513.15

A23.157.0657.1257.67

A3-0.756.6156.5551.83

A4-3.95.855.19.35

A5-6.0754.8152.8514.98

A6-6.0753.750.320.06

A7-7.264.8-2.413.7

A8-5.76-5.0557.31

A936.75-6.8851.64

A103.65.7-68.77

All6.0755.1-4.214.83

A2，11.256.6156.752.7

A6，-6.720016.34

A9'2.6256.75-7.1856.43

畫圖基本環(huán)節(jié)：

①確定極點(diǎn)P;

②根據(jù)Va日勺大小和方向過極點(diǎn)p畫出Va即pa；

③過a畫出VBA日勺方向_LAO；

④過p畫出VB的方向〃導(dǎo)軌，與VBA交于b；

⑤pb即為VB；

⑥ab即為VBA；

⑦取ac2=0.36ab,則pc2即為Vc2；

⑧W2=VBA/LAB.

Al

AOA2A3

圖3速度多邊形（模擬圖1）

q

P

p

圖4速度多邊形（模擬圖2）

4.2繪制加速度多邊形

_________________________I

作出加速度多邊形

&【二aL+am

（4）

大小？31oG

*A±BA\,

方向〃BEA-0B-tf

-a:

-533.10m/s2

作機(jī)構(gòu)日勺15個(gè)位置歐J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(diǎn)A加速度多邊形

注：a\m/azrad//

nl

表2

ClBA'ClBA,CIBAFCCifQcJ的數(shù)值

91

a/MClBAaHAa，an

A0115.1752.35128.78127.5487.9586.32

A173.29261.75272.22637.48431.36432.41

A226.18376.92397.86919.97335.04167.52

A39.42461.73462.771124.53303.63-104.7

A441.88381.11382.16928.3366.45-261.75

A596.32197.88219.87481.93398.91-319.34

A6167.5217.8169.6143.35403.1-295.25

A774.34250.23261.75609.43408.33-359.12

A823.03435.55492.091060.76366.45-324.57

A91.05486.5486.51184.85293.16-130.88

A1020.94391.58397.86953.68335.04195.14

All94.23180.08198.93438.58450.21461.73

A2'2.09459.63460.681119.41293.163.14

A6，115.1752.35125.64127.5419.85-353.89

畫圖基本環(huán)節(jié)：

①確定極點(diǎn)P；

②根據(jù)的?大小和方向作出a；\即pa；

③過a,由譏的大小和方向畫出"；八即at；

④過t作出。曲口勺方向；

⑤過p作出日勺方向〃導(dǎo)軌，與的I方向交于b,則pb即為08,tb即為。加；

⑥ab即。曲.

⑦取ac2=0.351ab,ac2即“小；

⑧二QM/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(dòng)態(tài)靜力分析

動(dòng)態(tài)靜力分析一根據(jù)理論力學(xué)中所講的達(dá)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)措施對其進(jìn)行受力分析。這樣的力分析稱為動(dòng)態(tài)靜力分析C

求出機(jī)構(gòu)在各位置時(shí)各運(yùn)動(dòng)副的反力及應(yīng)加于曲柄0A日勺平衡力矩用。(每人完畢五

個(gè)位置多種數(shù)據(jù)都要列表表達(dá)c

5.1計(jì)算活塞上的氣體壓力

p'=p「F(N)(5)

2

尸一活塞日勺面積(cm)

單位：mm

圖8活塞的氣體壓強(qiáng)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

信為電火花點(diǎn)燃，氣體爆炸，內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)的點(diǎn)。

5.2求作用于構(gòu)件上慣性力。

P12=一%2,%(N)

(6)

JC?=_勿2,Pc⑺

乙=一〃73?%(N)

(8)

在這一步時(shí)，需要注意慣性力日勺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(shí)，慣性會(huì)使物體有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傾向，若是以該物

體為坐標(biāo)原點(diǎn)，看起來就仿佛有一股方向相反的）力作用在該物體匕因此稱之為慣性力。

慣性力實(shí)際上并不存在，實(shí)際存在日勺只有原本將物體加速的力。

5.3求出活塞上受力日勺大小及方向

〃=//+〃八+03(N)

(9)

表三30個(gè)位置的尸,2、歷/2、P/3

PI2(N)Mi2(N*m)Pl3（卜正）PI2(N)Pi3(卜正)

A06025.1542.2-11997A153428.6-371.381836.9

A15018.4209.25-8980.4A164102.4-274.314979.59

A23612.24301.42-3000A174653.1138.256122.45

A33428.6337.561836.9A184973.95-14.356062.13

A44102.04-274.314979.59A194651.2-193.856735.3

A54653.1138.256122.45A204102.04-137.496326.53

A64555.1-92.446122.45A213428.6361.682694.12

A75127.79-202.577329.66A223820.4275.919-3489.8

A84039.2-314.655918.9A235142.9-136.76-8751.4

A93306.12-355.272653.06A2'3404.11-61.2377.1

A103820.4275.919-3489.8A6,4773.66429.2-8564.21

All5142.9-136.76-8751.4A9,3306.15-326.56609.5

A126025.1542.2-11997A14'3717.65-371.38-64.09

A135018.4209.25-8980.4A18'4040.8232.1775408.16

A143612.24301.42-3000A21'3367.38-333.86609.5

在這一步里，可得第一步時(shí)的假設(shè)對口勺，活塞上所受口勺力會(huì)由于氣體壓力口勺急劇變

化而變化大小，甚至方向，而這也正是內(nèi)燃機(jī)工作關(guān)鍵。

5.4把作用在構(gòu)件2上的反力吊2分解為用2和用2,取ZM=0,求出

/?12°

計(jì)算方式：

。2,h[..〃/+Pi2,力2?L、b,41+MJ.2=°（矢量式）（10）

其中，hl為Q2到B點(diǎn)的水平距離，h2為Pi2到B點(diǎn)曰勺垂直距離，Me為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Mc=Jc*a（c的角加速度）。尤其注意其方向，使用右手法則，判斷其力矩方向，又或規(guī)

定逆時(shí)針為正。小組決定為以便判斷以及減少錯(cuò)誤的出現(xiàn)，使用逆時(shí)針為正，決定式中

各項(xiàng)日勺正負(fù)。在這一步運(yùn)算中要注意比例尺和單位日勺

轉(zhuǎn)換。由于在計(jì)算中Mi2為原則國際單位，因此要把

毫米化為米，這一點(diǎn)很輕易出錯(cuò)！如上，我們可以得

到動(dòng)態(tài)靜力分析中所能確定的兩個(gè)力日勺大小。而其

他未知力均能求得方向（或在某一直線上）

（1）以點(diǎn)44作實(shí)例，受力分析如圖9

（2）以構(gòu)件2,3為示力體，首先取2跖二0,即

R；2，，A，〃/+P12-M12=0

由此求出R；，

即代入LAB=410.6,Q2=120,112=134.5,h尸21,〃尸2,Mi2=371.38,

求得=-1509.77

（3）然后取Z戶=0求出冊2和RO3。

在這一環(huán)節(jié)中，R%，R）3方向均未知，在受力分析時(shí)可假設(shè)其己知，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H勺重力忽視不計(jì)），取工廠二°,求出

再由ZK=0,求出刈。如圖（11）

數(shù)據(jù)記錄下：

表四30人位置的p'、R：2、R；2、&2、R03、R”數(shù)值

單位:

點(diǎn)的位1

P（N）R：2（N）R12（N）Rl2（N））（）/?23（N）

置R3N

0017762.536.1217762.6130911839.4

1-454137201934.7813855.745609251.36

2-453.9648002844.9355808303358.15

2，-453.962002926.282933540625.2

3-453.96295。2842.564080701584.5

4-453.968015.74905.2458066.69922.214814.78

5-453.731297.2510450105301005870.12

6-453.961068018.801068018.805869.52

6，-45411300124.4011300.6816506391.79

7-454125301022.391256520307361.2

8681109202051.4811111.0326007280.02

92269.8071102733.26765019205470.84

9'3631.6839502913.94775912.53622

106809.4021480.661520.992122.68797.343608.79

1119737.31875.34730075002037.711546.3

12635604605036.1246065469552023.5

1363560504001934.7850437.12225054825.79

1432912317002844.9331800401032404

14，22937231001509.723170170823126.1

1514753.7183002842.5618600240016961

166809.40215333.7905.24515360.393011989.03

173402.981297.251432514340479726.9

18113512510186.71254012007458.3

18，1134.9010972.9198.6210974.701003.096817.26

19454123901079.8912347.3121607698.53

20453.96114001883.691155029407574.35

21453.9651602839.67586011603542

2y453.732251.4816222519961080.4

22453.965201.841520.995419.642862.344029.26

23453.731875.3412745128502902.58433.64

表五30個(gè)位置的R"、"b數(shù)值

R01(N)Mb(N*m)R01(N)Mb(N*m)

A02012.501

A113855.74-720.9A1615360.351136.67

A25580-37.7A1714340440.955

A34080212.16A18205545.166

A48060.7567.9A1912347.31-348.24

A510530284.31A2011550-669.9

A61068090.78A215860-416.06

A71365-32.69A225419.64453

A811111.03-1226.95A2312850649.57

A97650-612A2'2933-37.7

A102N2.68-207.6A6'11300.6867.8

All7500-606.375A9'4775-410.65

A1255500A14'22122468.08

A1350437.122824.48A18'10974.710

2A2f2251-8.44

六.計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)構(gòu)件質(zhì)量）

（。）

6.1把Mh=Mb（。）曲線作為此二應(yīng)曲線（圖12）。

不考慮機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的質(zhì)量卻轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖9驅(qū)動(dòng)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ffiAfsA

單位：廊?-345388-7713483-496377

6.2.2求出阻抗力矩（Mr=Mr（。））的縱坐標(biāo)H：

H='：力+力"八10>98mm（11）

以M源勺平均值作為阻抗力矩M,（常數(shù)）

,%=HX=329.4（N*n）（12）

6.2.3求出下列盈虧功各個(gè)單元的面積：

表七盈虧功各個(gè)單元面積

面積f'力，k八'6'

單位：mm2649841418280095415112

由狐曲線求出各個(gè)單元對應(yīng)的功。根據(jù)上面單元的面積，由公式W=Mb*。求出對應(yīng)的功:

（盈功為正，虧功為負(fù)單位：N*m）

表八各單元對應(yīng)的功

WG

Ww.W2W：.W7

單位-1019.4131.945-2227.394398.23-1498.54237.14-18.85

/N*m5

6.5求出最大盈虧功

△wmax-WMX-Wmin=4398.23(N*m)(13)

作圖如下:

4398.23

圖10示功圖

6.5根據(jù)許用不均勻系數(shù)⑹，求出等效所需的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

900x4398.23

_900AQX=100.37(kg-m2)

22

3口]島”]3.14x600x1/90

(14)

6.6確定飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

J?=Jl-+Jc

按題意：不考慮各構(gòu)件日勺質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

???Jc可忽視不計(jì)

/.Jr弋工=100.37（3.加2）

七.計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率

329.4x4x?6001

—_____________xx

260750

=27.60(m

(15)

八.對曲柄滑塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)部分平衡

8.1把連桿日勺質(zhì)量代換到A.B點(diǎn)

+

m2=m2Am2B

n)2A*1AC2-ni2B(LAB-IAC)

聯(lián)立(16)(17)可求得和m2A

m2B=4.284kgm2A=7.956kg

+

m'B=ni3in2B

m'A=mi+m2A

可求得niB二求.126kg

圖11曲柄滑塊平衡示意圖

m'A=23.0561kg

8.2把曲柄A點(diǎn)的質(zhì)量用距0點(diǎn)為a=0.5rH勺平衡質(zhì)量的,平衡。

mi,*a=m\*r

mb*0.5r=m'Ar

=

mi,2ni人(20)

可求得nib=46.112kg

九.排氣凸輪(凸輪II)的輪廓設(shè)計(jì)

9.1凸輪n輪廓設(shè)計(jì)規(guī)定

(1)升程角為60度，回程角為60度，遠(yuǎn)休止止角為10度。

(2)選擇升程和回程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

(3)用解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線，打印出S—3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(yùn)作過程中日勺損耗，選用正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以消除剛性沖擊和柔性沖擊。

推程時(shí)：5="[3/4)一加(2芯/今)/(2創(chuàng)3=0~60)

_

回程時(shí)：5=//2[1-(^/^)+sin(2^>/4)W)(^>=70-130)

輪廓曲線圖:

凸輪I

圖15凸輪