机械原理课程设计报告书教材

1、课程设计报告书题目： 四冲程内燃机设计学 院 机械与汽车工程学院专 业 车辆工程 学生姓名学生学号指导教师 邱志成 邹焱飚课程编号 130160课程学分 2.0起始日期 2014.6.30-2014.7.11教 师 评 语一、设计态度 严谨认真 较认真 不认真 二、设计报告书计算过程 完整 基本完整 不完整计算结果 正确 基本正确 错误多书面撰写 规范 较规范 不规范 三、设计图结构设计 合理 基本合理 不合理制图水平 规范 较规范 不规范图面质量 良好 中等 较差 四、综合设计能力 强 一般 较差 五、答辩 清晰 基本清晰 不清晰教师签名：日 期：成 绩 评 定成绩： 优 良 中 合格 不合

2、格备 注目录一、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路 . 4二、绘制内燃机机构简图 . 6三、绘制连杆机构位置图 . 6四、作出机构 15 个位置的速度和加速度多边形 . 7五、动态静力分析 . 10六、计算飞轮转动惯量（不计构件质量） . 17七、计算发动机功率 . 18八、对曲柄滑块进行机构部分平衡 . 19九、排气凸轮（凸轮）的轮廓设计 . 20十、四冲程工作内燃机的循环图 . 27参考文献 . 29、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路根据设计任务书， 我们需要解决以下问题： 凸轮的参数是多少？如何能让机构正常循 环工作？为了解决这个问题，我们需要对整个机构从运动及力学的角度分析。首先

3、，需要明确四冲程内燃机的工作原理：内燃机是通过吸气、压缩、燃烧、排气四 个过程不断重复进行的。如果在四个冲程里完成吸气、压缩、做功（燃烧、膨胀） 、排气 的循环动作，就叫做四冲程。相应的内燃机叫四冲程内燃机。第一冲程，即吸气冲程。这时曲轴向下转动，带动活塞向下，同时通过齿轮带动凸轮 向下旋转，是凸轮的突起部分顶开进气阀门，雾状汽油和空气混合的燃料被吸入气缸。第二冲程，即压缩冲程。曲轴带动活塞向上，凸轮的突起部分已经转两个过去，进气 阀门被关闭，由于凸轮只转了 1/ 4 周，所以排气阀门仍然处于关闭状态。活塞向上运动时， 将第一冲程吸入的可燃气体压缩，被压缩的气体的压强达到 0.6 1.5 兆帕

4、，温度升高到 300摄氏度左右。第三冲程是做功冲程。在压缩冲程末火花塞产生电火花，混合燃料迅速燃烧，温度骤 然升高到 2000摄氏度左右，压强达到 35 兆帕。高温高压烟气急剧膨胀，推动活塞向下 做功，此时曲柄转动半周而凸轮转过 1/ 4 周，两个气阀仍然紧闭。第四冲程是排气冲程。由于飞轮的惯性，曲柄转动，使活塞向上运动，这时由于凸轮 顶开排气阀，将废气排出缸外。四个冲程是内燃机的一个循环，每一个循环，活塞往复两次，曲柄转动两周，进排气 阀门各开一次。图11、已知条件：活塞行程 H=220 (mm)活塞直径 D 160（mm）活塞移动导路相对于曲柄中心的距离 68 (mm)行程速比系数 K 1

5、.08 连杆重心 C2 至 A点的距离 l AC 2 0.35 lAB 曲柄重量 Q1 135 （N） 连杆重量 活塞重量 Q3 200（N）曲柄的转速 连杆通过质心 C2 的转动惯性半径 发动机的许用速度不均匀系数 曲柄不平衡的重心到 O 点的距离 开放提前角 进气门： 10 ；排气门： 齿轮参数： m=3.5 （mm） ； =20 Z2=Z2 =14; Z3=Z3 =72; Z1=36 凸轮 I 行程 凸轮 I 的基圆半径 r1= 55 mm 凸轮 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凸轮 II 的行程h2 = 6 mm凸轮 II 的基圆半径r2= 60 mm凸轮 I 偏心距 e1= 0 mm2、求连杆的长度和曲柄的长度设连杆的长度为 l 、曲柄长度为 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)联立（ 1）、（2）式求解，可求出连杆的长度 l 及曲柄的长度 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图2二、绘制内燃机机构简图按照比例尺 1：5，根据第五组数据，绘制内燃机机构简图，空出凸轮的结构，并对凸 轮与排气装置的连接方式进行修改。三、绘制连杆机构位置图以活塞在最高位置时为起点，将曲柄回转一周按顺时针分为十二等分，然后找出活塞 在最低位置时和活塞速度为最大时的曲柄位置（即曲柄旋转一周共分为十五个位置）并作 出机构各位置时的机构位置图，求出滑块的相对位移。当活塞在最高位置时位起点，曲柄 A 点的编号为 A0 ，由 A0 点开始，顺时针方向把圆 等分为 12 等分，得 A1 、 A2 、 A3

8、 、， A11 等点。当滑块在最低位置时，曲柄上 A 点的编 号为 A6 。可近似以为，当曲柄在 OA2和OA9位置时，滑块 B 速度为最大值。图3四、作出机构 15 个位置的速度和加速度多边形1、速度分析，画出速度多边形单位： V-m/s, w-rad/sVB VA VBA大小 ？ lAO ?方向 /BE AOAB表1 机构 15个位置的速度参数数值AA0A1A2A3A4A5A6A7VBA7.235.602.701.104.606.707.506.00VC24.705.796.807.066.345.434.715.25VB04.407.000.905.463.200.70-2.20W219

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画图基本步骤： 确定极点 p； 根据 VA的大小和方向过极点 p 画出VA即 pa； 过 a画出VBA的方向 AO； 过 p 画出的方向导轨，与 VBA 交于 b； pb 即为VB ； ab 即为 VBA；取 ac=0.35ab ，则 pC

10、2 即为VC2 ；2、分析加速度，画出加速度多边形图 4 速度多边形大小 ？ 2 lAO 2lBA方向 BE A O B ABA2 aA =484.3 m/ s2作出机构的 15个位置的加速度多变形，见 2 号图纸，各位置参数数值如表 2 表 2 机构 15 个位置的加速度参数数值AA0A1A2A3A4A5A6A7n2 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画图基本步骤：定极点 p；根据 aA的大小和方向作出 aA即 pa；n过 a，由 a BA 的大小和方向画出na BA 即 at ；a 过 t 作出 a BA 的

13、方向； n 过 p作出 aB的方向导轨，与 a BA的方向交于 b，则 pb即为aB ，tb 即为a BA； ab 即aBA；取ac2 0.35ab ，aC2即 aC2 ； aC2aBA /lAB 。图 5 速度多边形五、动态静力分析动态静力分析根据理论力学中所讲的达朗伯原理，将惯性力视为一般外力加在构件 上，仍可采用静力学方法对其进行受力分析。这样的力分析称为动态静力分析。求出机构在各位置时各运动副的反力及应加于曲柄 OA的平衡力矩 M b（每人完成五个10 位置）。各种数据都要列表表示。1、计算活塞上的气体压力 p pi F（N）F - 活塞的面积 （ cm2 ）图6由图可知，在特殊位置（

14、如 14，13，12， 24，23，22）处，气体压力非常大，相信为 电火花点燃，气体爆炸，内燃机工作时的点。2、求作用于构件上惯性力。pI2 m2 aC2 （N）2JC2 m2 a CpI3 m3 aB （N） 在这一步时，需要注意惯性力的方向均与加速度或角加速度相反。 惯性力是指当物体加速时，惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向，若是以该物体 为坐标原点，看起来就仿佛有一股方向相反的力作用在该物体上，因此称之为惯性力。惯 性力实际上并不存在，实际存在的只有原本将物体加速的力。3、求出活塞上受力的大小及方向p p PI3 Q3 （N）11表3点的位置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在这一步里，可得第一步时的假设正确，活塞上所受的力会由于气体压力的急剧改变而改变大小，甚至方向，而这也正是内燃机工作的核心。4、把作用在构件 2上的反力 R12分解为 Rn12和R 12，取 MB 0，求出 R12。计算方式： R 12 Q2 h2 l PI2 h1 l MI 2 0 （矢量式）其中， h1为Q2到 B 点的水平距离， h2 为 PI2到 B 点的垂直距离， M C为转动惯量M C JC C2 （c 角加速度 ） 。特别注意其方向，使用右手法则，判断其力矩方向，又或规12定逆时针为正。小组

18、决定为方便判断以及减少错误的出现，使用逆时针为正，决定式中各 项的正负。在这一步运算中要注意比例尺和单位的转换。由于在计算中MI2 为标准国际单位，因此要把毫米化为米，这一点很容易出错！如上，我们能够得到动态静力分析中所能 确定的两个力的大小。而其他未知力均能求得方向（或在某一直线上） 。以点 8 作实例，分析如图 7：图75、以构件 2，3为示力体，取 F 0，求出 Rn12和R03 。在这一步骤中， Rn12 和R03方向均未知，在受力分析时可假设其已知， 在这一步中通过 力封闭多边形求出方向。如图 8：图8136、以构件 3 为示力体，取 F 0 ，求出 R23 。如图 9：图97、以构

19、件 1 为示力体，（构件 1 上的重力忽略不计），取 F 0，求出 R01 ，再由 M B 0， 求出 Mb 。如图 10：图 1014数据记录如下：表4点的位 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点的位 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在这一步运算中，小组出现了一点分歧，即是否应该计算其构件 1 的惯性力，虽然这 个问题并不影响所求出的转动惯量，可是却会对 R01 产生影响。虽然题设构件 1 的重力忽 略不计，可

25、是最后我们认为是应该加上惯性力计算的，因为 O对 1 点主要是给以平衡连杆 对 1 点的力，以及匀速圆周运动。并且在对内燃机的认识下，曲柄作为输出的机构，带动 汽车的其他机构运动，并不能孤立地作为二力杆来作出分析。8、用一张 4 号图纸大小的方格纸作出 M d Md曲线16六、计算飞轮转动惯量（不计构件质量）时为正，画在横坐标的上方。 （在本课程设计中， 1 的方向为顺时针）2、以 Mb的平均值作为阻抗力矩 M r （常数）。这是因为在周期性的速度波动中，一个波动 周期内的输入功等于输出功。即 d r E 0 。2.1 、首先求出下列各单元面积f1 =-560 ； f2=500；f3=-997

26、； f 4 =2630； f5 =-680； f6=580。2.2 、求出阻抗力矩（ Mr Mr ）的纵坐标 H17f1f2f3f4f5f61473H 123456 6.1375mmL 2402.3 、求出下列各单元的面积f1 =-732 ； f2 =301； f3 =-1380； f4 =2279； f5 =-890； f6 =437； f7 =-3 在阻抗力矩曲线之上的面积表示盈功，在阻抗力矩曲线之下的面积表示亏功。盈功为 正，亏功为负值。2.4 、根据上面各单元的面积求相应的功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 、求出各个位置上功的累计变化量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根据上面各值找出：Wmax 612.30 NmWmin 2369.39 Nm2.6 、求出最大盈亏功Wmax Wmax Wmin 2981.69 Nm2.7 、根据许用不均匀系数 ，求出等效构件上所需的等效转动惯量)2981.69 9067.022259.74

28、kg m2Je2 n1602.8 、确定飞轮的转动惯量Je JF JC 按题意：不考虑各构件的质量和转动惯量JC 可忽略不计2JF Je 59.74 kg m2七、计算发动机功率18L M bn160175017506.1375 240 2560 6402 6013.70(HP )1、把连杆的质量代换到 A、B 点八、对曲柄滑块进行机构部分平衡m2 m2A m2Bm2A lAC2 m2B lAB l AC2 联立可求得 m2A和 m2B m2B =4.466kgm2A =8.294kgmB m3 m2BmA m1 m2A2、把曲柄 A 点的质量用距O为 a=0.5r 的平衡质量 mb 平衡19

29、mb a mA rmb 0.5r mA rmb 2 mA可求得 mb =44.148kg九、排气凸轮(凸轮)的轮廓设计1、凸轮 II 轮廓设计要求1.1 、升程角为 60 度，回程角为 60 度，远停程角为 10 度。1.2 、选择升程和回程的运动规律。1.3 、用解析法设计凸轮的轮廓曲线，打印出 s 曲线以及凸轮的轮廓曲线。 2、凸轮轮廓的数学模型为减少凸轮在运作过程中的损耗，选用正弦运动规律，以消除刚性冲击和柔性冲击。 推程时： s h2 ( / 0) sin(2 / 0)/(2 ) 0 60 回程时： s h2 1 ( / 0) sin(2 / 0)/(2 ) 70 130 式中， h2

30、 6mm ， 0 1303、解析法设计凸轮的实际轮廓曲线代码： 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