机械原理课程设计(华南理工)

1、 课程设计报告书题目：四冲程内燃机设计学 院 专 业 机械电子工程 学生姓名 学生学号 指导教师 课程编号 课程学分 2.0 起始日期 2015.1. 5 -2015.1.16 教师评语一、设计过程 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、设计图设计内容 齐全 较齐全 不齐全制图水平 规范 较规范 不规范图面质量 优良 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 不合格备注 【目录】一、 四冲程内燃机的运动分

2、析及总体设计思路 1二、 绘制内燃机运动简图（A4） 2三、 绘制连杆机构位置图（A2） 2四、 绘制机构15个位置的速度及加速度多边形（A2） 3绘制滑块B的位移曲线、速度曲线及加速度曲（A2） 3五、 动态静力分析（A1） 6六、 计算飞轮转动惯量（不计构件质量） 11七、 计算发动机功率 14八、 对曲柄滑块进行机构部分平衡 15九、 通过编程设计凸轮 16十、 绘制内燃机工作循环图（A4） 23十一、 心得体会 23 一、 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

3、力学的角度分析。 首先，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0.61.5兆帕，温度

4、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 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。1 .1 已知条件： 活塞行程 H=215 (mm) 活塞直径 D170（mm）活塞移动导路相对于曲柄中心的距离 e45 (mm)行程速比系数 K1.054 连杆重心C至A点的

5、距离 0.35× 曲柄重量 150 (N)连杆重量 120 (N)活塞重量 200（N）曲柄的转速 600 (rpm)连杆通过质心C的转动惯性半径 0.16 ()发动机的许用速度不均匀系数 1/90曲柄不平衡的重心到O点的距离 (mm)开放提前角 进气门：-10°；排气门：-32°齿轮参数：=3.5 (mm) ；=20°；=1=14 ; =72 ; =36凸轮I 行程 10（mm） 凸轮I 偏心距 = 0（mm） 凸轮I的基圆半径 =55（mm） 凸轮II的行程 =10 （mm） 凸轮II的偏心距 = 7（mm） 凸轮II的基圆半径 = 60（mm）1.

6、2 求连杆的长度和曲柄的长度设连杆的长度为、曲柄长度为 又=1745.95 mm = 515.39 mm=517.4 mm (1) =303.8mm (2) 图 1 曲柄连杆几何关系图 联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度及曲柄的长度。 mm mm二、绘制内燃机机构简图（A4）按照比例尺1：4，根据第二组数据，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。图1机构运动简图三、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（即曲柄旋转一周供分为十五个位置）并作出机构各位置时的

7、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，由点开始，顺时针方向把圆分为12等分，得、等点。当滑块在最低位置时，曲柄上点的编号为。 可近似以为，当曲柄在和位置时，滑块B速度为最大值。四作出机构15个位置的速度和加速度多边形4.1速度分析，画出速度多边形 单位：V-m/s, w-rad/s = + （3）大小 ？ lAO ?方向 /BE AO AB 图 2 点A1速度多边形表一 15个位置的VBA、VC2、VB、W2数值画图基本步骤： 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VB的方向导轨，与VBA交于b；

8、 pb即为VB； ab即为VBA； 取ac2=0.36ab，则pc2即为Vc2； w2= VBA /LAB.图 3 速度多边形（模拟图1）图 4 速度多边形（模拟图2）4.2绘制加速度多边形作出加速度多边形 aB = aA + aBAn + aBAt （4）大小 ？ 2lAO 22lBA ? 方向 BE AO BA BA aB = -533.10 m/s2作机构的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 图 5 点A1加速度多边形注：，表 2 ，的数值画图基本步骤：确定极点p；根据aA的大小和方向作出aA即pa；过a，由的大小和方向画出即at；过t作出的方向；过p作出的方向

9、导轨，与的方向交于b，则pb即为，tb即为；ab即；取ac2=0.35lab，ac2即；=/LAB.图 6 加速度多边形（模拟图1）图 7 加速度多边形（模拟图2）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（每人完成五个位置）。各种数据都要列表表示。5.1 计算活塞上的气体压力 （N） （5） -活塞的面积 ()图 8 活塞的气体压强表 由图可知，在特殊位置（如14，13，12，24，23，22）处，气体压力非常大，可相信为

10、电火花点燃，气体爆炸，内燃机工作时的点。5.2 求作用于构件上惯性力。 (N) （6） （7） (N) （8）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。5.3 求出活塞上受力的大小及方向 (N) （9）表三 30个位置的、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。5.4 把作用在构件2上的反力分

11、解为和，取，求出。计算方式：（矢量式）（10）其中，h1为Q2到B点的水平距离，h2为Pi2到B点的垂直距离，Mc为转动惯量Mc=Jc*(c的角加速度)。特别注意其方向，使用右手法则，判断其力矩方向，又或规定逆时针为正。小组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）图9 连杆受力分析 图10 力多边形 图11 原动件力矩图（1） 以点作实例，受力分析如图9（2

12、） 以构件2，3为示力体， 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。在这一步骤中，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10（4） 再以构件1为示力体，（构件1上的重力忽略不计），取，求出，再由，求出。如图（11）数据记录下：表四 30个位置的、数值单位：点的位置()()()()()()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个位置的、数值六.计算飞轮转动惯量（不计构件质量）6.1把 = （）曲线作为=（）曲线（图12）。不考虑机构各构件的质量和转动惯量。W4Mb / NmW5W6W7W3MrW2W1/ 图 9驱动力矩曲线6.2以Mb的平均值作为阻抗力矩（常数）。6.2.1首先求出下列Mb各单元的面积：表六 Mb各单元面积面积f单位：mm2-345388-7713483-4963776.2.2求出阻抗力矩（

17、）的纵坐标H：= 10.98 mm （11）以的平均值作为阻抗力矩（常数）=H×=329.4 (N*m) （12）6.2.3求出下列盈亏功各个单元的面积：表七 盈亏功各个单元面积面积f单位：mm2649841418280095415112由Mb曲线求出各个单元相应的功。根据上面单元的面积，由公式W=Mb*求出相应的功:（盈功为正，亏功为负 单位：N*m）表八 各单元相应的功WW1W2W3W4W5W6W7单位/N*m-1019.45131.945-2227.394398.23-1498.54237.14-18.856.5求出最大盈亏功Wmax= Wmax -Wmin =4398.23(

18、N*m) （13）作图如下： 图 10 示功图6.5根据许用不均匀系数，求出等效所需的等效转动惯量 （14）6.6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 JF Je 七.计算发动机功率 （15）八.对曲柄滑块进行机构部分平衡图 11 曲柄滑块平衡示意图8.1把连杆的质量代换到A.B点m2=m2A+m2B (16) m2A*lAC2=m2B(lAB - lAC) （17） 联立（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点的质量用距O点为a=0.5r的平衡质量mb平衡。mb*a= mA*rmb*0.5r= mArmb=2mA （20）可求得mb=46.112kg16 九排气凸轮（凸轮）的轮廓设计9.1凸轮II轮廓设计要求(1) 升程角为60度，回程角为60度，远休止止角为10度。(2) 选择升程和回程的运动规律。(3) 用解析法设计凸轮的轮廓曲线，打印出曲线以及凸轮的轮廓曲线。9.2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：回程时：轮廓曲线图：凸轮图 15 凸轮I实际与理论轮廓以及S-图凸轮的轮廓设

20、计符合正弦加速度规律，故s-曲线和V-曲线都和正弦加速度的曲线基本一致。10、 四冲程内燃机的工作循环图（1） 根据工作循环图及曲柄的位置，求出凸轮的安装角，把凸轮画在机构运动简图上。（2）以曲柄作为定标构件，曲柄每转两周为一工作循环。画出各执行机构在位置上协调配合工作的循环图。 图16 内燃机工作循环图11、 心得体会：在结束了十几周的课程教学后，也迎来了大学生涯的第一次课程设计，竟有一丝激动与期待的兴趣，因为我想，无非是一些画图之类的事情，自我觉得由于大一制图这门课学的很认真，也取得不错的成绩。也更加信心十足。这次课程设计做的是四冲程内燃机的设计。老师也详细的介绍了我们所要做的东西和需要注意的东西，而我心里想的就是细节二字。很快，我们进行了分组，分好自己的任务，就埋头于图纸之中。当然，很多时候，许多事情不是一个人就能把他做好做快，更多时候需要的就是团队合作，对于一些不懂的参数与计算，我们都认真分析讨论，提出自己的理解和看法，然后进行总结取结论在课程设计中真心觉得小组合作很重要，一个人的思考是有限的，每当你冥思苦想不出来的时候，队友的一句话往往会解决你所有的问题。例如我在A1图的时候一直对不上数，苦恼了好久，头痛了半天，直到晚上，队友终于有空了，帮我检查了一下，只说了一句，你的点取