机械原理课程设计报告书

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 不合格

2、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

3、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

4、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。图1 1、已知条件： 活塞行程 H=220 (mm) 活塞直径 D160（mm）活塞移动导路相对于曲柄中心的距离 e68 (mm)行程速比系数 K1.08 连杆重心C至A点的距离 0.35曲柄重量 135 (N)连杆重量 125 (N)活塞重量 200（N）曲柄的转速 640

5、(rpm)连杆通过质心C的转动惯性半径 0.15 ()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：°；排气门：°齿轮参数：=3.5 (mm) ；=20°；=1=14; =72; =36凸轮I 行程 7 mm 凸轮II的行程 = 6 mm凸轮I的基圆半径 = 55 mm 凸轮II的基圆半径 = 60 mm凸轮II的偏心距 = 0 mm 凸轮I 偏心距 = 0 mm2、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=912.99mm =476.46mm- (1) =471.58mm =23.33

6、° =16.41° =261.60mm- (2) 联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度及曲柄的长度。 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，曲柄点的编号为，由点开始，顺时针方向把圆等分为12等分，得、，等点。当滑块在最低位置时，曲

7、柄上点的编号为。 可近似以为，当曲柄在和位置时，滑块速度为最大值。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/s大小 ？ lAO ?方向 /BE AO AB表1 机构15个位置的速度参数数值AA0A1A2A3A4A5A6A7VBA7.235.602.701.104.606.707.506.00VC24.705.796.807.066.345.434.715.25VB04.407.000.905.463.200.70-2.20W219.6215.207.332.9812.4818.1820.3516.28AA8A9A10A11A2A9

8、A6VBA2.901.405.007.000.803.407.23VC26.707.427.065.257.247.424.71VB-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；根据的大小和方向过极点p画出即pa；过a画出的方向AO；过p画出的方向导轨，与交于b；pb即为；ab即为；取ac=0.35ab，则即为； = /。图4 速度多边形2、分析加速度，画出加速度多边形 大小 ？ ? 方向 BE AO BA BA=484.3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

9、2。表2 机构15个位置的加速度参数数值AA0A1A2A3A4A5A6A7aBAnm/s2141.8485.0919.783.2857.42121.81152.6397.69aBAt m/s284296.80460.60476.60389.20182.0042.00294.00aBA m/s2168.00313.60457.80476.00392.00224.00154.00308.00a2 rad/s2227.93805.361249.831291.621056.09493.85113.97797.76aC2 m/s2528.00448.00336.00322.00378.00422.804

10、13.00432.60aB m/s2630.00464.80152.60-126.00-266.00-308.00-336.00-392.00AA8A9A10A11A2A9A6aBAn m/s222.825.3267.84132.961.7431.37141.84aBAt m/s2482.00533.00376.00140.00490.00475.00109.20aBA m/s2504.00546.00380.80189.00476.00476.00182.00a2 rad/s21307.901446.291020.27379.891329.611288.90296.31aC2 m/s2392

11、.00322.00364.00475.00318.50322.00424.20aB m/s2-385.00-182.00196.00476.001.2028.00-350.00画图基本步骤：定极点p；根据的大小和方向作出即pa；过a，由的大小和方向画出即at；过t作出的方向；过p作出的方向导轨，与的方向交于b，则pb即为，tb即为；ab即；取，即；。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（每人完成五个位置

12、）。各种数据都要列表表示。1、计算活塞上的气体压力 （N） -活塞的面积 （）图6由图可知，在特殊位置（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。 (N) (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 (N) 表3点的位置(N)(N*m)(N)06734

13、.6967.73-12734.6915895.12212.36-9858.0324196.43445.18-3306.48 23891.8331.59-367.3834210.8342.172857.444821.43266.685142.8655392.86128.46285.7165471.1963.046807.32 65537.8464.207163.9175510.20197.547836.7385001.92350.648000.7293481.12784.53806.46 94083.2329.47-816.4104619.38271.62-4047.19116058.6798.

14、77-9714.29126734.6967.73-1234.69135895.12212.36-9858.03144196.432600.8-3262.68 144005.10341.47-20.41154210.8342.172857.4164821.43266.68-4142.86175392.86128.46285.71185408.1633.877020.41 18562569.147285.71195627.16207.428429.33204834.18793.027492.0821-3955.6384.503755.44 214107.14315.11-807.04224553.

15、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上的反力分解为和，取，求出。计算方式：（矢量式）其中，为到B点的水平距离，为到B点的垂直距离，为转动惯量 (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

16、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，求出和。 在这一步骤中，和方向均未知，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86、以构件3 为示力体，取，求出。如图9：图97、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10：图10 数据记录如下：表4点的位置()()()()()()0019302.2297.7619302.472119.7512712.661-402.1215310.202065.1215448.96509.6710

17、073.052-402.1252473296.9061838103600.83 2-402.12476.753416.903450500757.853-402.124186.443492.5254881962662.504-402.1289552662.83936013559855-402.12112501554.3211356.877006123.926-402.1212351.57456.431236019006873.03 6-402.1213096.49424.0013103.3528377517.867401.9213788.501087.4313831.313118.608247.

18、188603.1814095.292468.8814309.883737.609564.4392010.69108.693111.69625.53172.56802.19 93216.963337.243515.834847.511552845.51106031.82253436.483575237.52062.51117483.521877.722229.862915.1515508118.561256296.837530.8897.7637531.015789.8944126.811356296.841391.232065.9241442.761148.1646702.891429153.

19、724267.073296.92449014126091.41 142030120725.493534.2921024.682275.3620606.601513068.918167.343492.5218500117516169.04166031.8152002655.83154502005062.5173014.4147001554.3214781.9510009552.60181005.314045.19234.6014047.152459.548585.26 18-1005.314390526.4144002125875019402.1215528.87915.7215555.8538

20、65.279822.9020-402.1214025.491954.351416146839351.2921402.127493.953074.19810026405094.89 21402.122403492.453500.69870893.8522-402.1267053488.217560112.55062.523401.12161002229.8616253.68380010936.61表5点的位置()(N*m)0 19302 -10.561 15448 -795.6226182 -445.18 23450-44.8535487348.4949360547.56511355374.78

21、61235663.04 613103-52.41713831-322.85814310-973.0799626-784.50 94830-299.460103575-117.98112916-306.141237531-10.561341443745.9714244902600.89015185001813.0016154501035.1517147824735.021814047-105.75 1814400-21.6191556-373.342014161-793.02218100-619.65 21350117.50227560589.682316254841.

22、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，可是却会对产生影响。虽然题设构件1的重力忽略不计，可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 曲线六、计算飞轮转动惯量（不计构件质量）1、把曲线作为曲线（驱动力矩曲线） f6f4f2f7f4f2f6 f5f3f1f5f3f1图11 规定：当与与的方向一致时为负，画在横坐标的下方，当与的方向相反

23、时为正，画在横坐标的上方。（在本课程设计中，的方向为顺时针）2、以的平均值作为阻抗力矩（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。2.1、首先求出下列各单元面积 =-560；=500；=-997；=2630；=-680；=580。2.2、求出阻抗力矩（）的纵坐标H2.3、求出下列各单元的面积 =-732；=301；=-1380；=2279；=-890；=437；=-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；2.5、求出各个位置上功的累计变化量；根据上面各值找出： 2.6

24、、求出最大盈亏功2.7、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 2.8、确定飞轮的转动惯量按题意：不考虑各构件的质量和转动惯量。可忽略不计 七、计算发动机功率 八、对曲柄滑块进行机构部分平衡1、把连杆的质量代换到A、B点 联立可求得和=4.466kg =8.294kg 可求得=15.944kg =22.074kg图122、把曲柄A点的质量用距O为a=0.5r的平衡质量平衡。可求得=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

25、出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：回程时：式中， ，3、解析法设计凸轮的实际轮廓曲线代码：Private Sub Form_Load()Width = Screen.WidthHeight = Screen.Height * 0.9Left = (Screen.Width - Width) / 100Top = (Screen.Height - Height) / 100End SubPrivate Sub Command1_Click() Dim l1, l2, l3 As Single Form

26、2.Picture2.Scale (-0.1, 1200)-(7, -1200) l1 = -Abs(Form2.Picture1.ScaleHeight / Form2.Picture1.ScaleWidth) l3 = -Abs(Form2.Picture3.ScaleHeight / Form2.Picture3.ScaleWidth) Form2.Picture1.ScaleWidth = 9.5 Form2.Picture3.ScaleWidth = 150 Form2.Picture1.ScaleHeight = l1 * Form2.Picture1.ScaleWidth For

27、m2.Picture3.ScaleHeight = l3 * Form2.Picture3.ScaleWidth Form2.Picture1.ScaleLeft = -0.1 Form2.Picture3.ScaleLeft = -70 Form2.Picture1.ScaleTop = 11 Form2.Picture3.ScaleTop = 70 Dim dt1, dt2, dt3, dt4, dt5, s1, v1, s2, v2, k1, s0, r0 As Single Dim n, m As Integer Dim h, e As Integer Dim dt6, dt7, dt

28、8, dt9, dt10, dt11, x1, y1, x2, y2, r As Single Dim x3, y3, x4, y4, rg Const pi = 3.1415926 h = 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 / 18 Form2.Picture3.Line (-70, 0)-(70, 0) Form

29、2.Picture3.Line (0, 70)-(0, -70) Form2.Picture1.Line (0, 0)-(7, 0) Form2.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) / (

30、2 * pi) v1 = h * k1 * (1 - Cos(2 * pi * dt4 / dt1) / dt1 x1 = (s0 + s1) * 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 dt5 = dt4 + dt3 s2 = h * (dt5 / dt1) - Sin(2 * pi

31、* dt5 / dt1) / (2 * pi) v2 = h * k1 * (1 - Cos(2 * pi * dt5 / dt1) / dt1 x2 = (s0 + s2) * Sin(dt5) + e * Cos(dt5) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt5) - e * Sin(dt5) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt5) + e * Cos(dt5) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt5) - e * Sin(dt5) Form2.Picture1.Line (dt4, s1)-(dt5, s2) Form2.Picture

32、2.Line (dt4, v1)-(dt5, v2) Form2.Picture3.Line (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) dt4 = dt5 s1 = s2 v1 = v2 x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3 = y4 Wend dt11 = dt4 While dt11 >= dt1 And dt11 < dt1 + dt6 dt11 = dt11 + dt3 x2 = (s0 + s2) * Sin(dt11) +

33、e * Cos(dt11) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt11) - e * Sin(dt11) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt11) + e * Cos(dt11) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt11) - e * Sin(dt11) DrawWidth = 1 Form2.Picture3.Line (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3

34、 = y4 Wend dt4 = dt4 + dt6 Form2.Picture1.Line (dt1, s1)-(dt4, s1) Form2.Picture2.Line (dt1, v1)-(dt4, v1) While dt4 >= dt1 + dt6 And dt4 < dt1 + dt6 + dt2 dt8 = dt4 - dt1 - dt6 s2 = h * (1 - (dt8 / dt2) + Sin(2 * pi * dt8 / dt2) / (2 * pi) v2 = h * k1 * (Cos(2 * pi * dt8 / dt2) - 1) / dt2 x2

35、= (s0 + s2) * Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4) dt5 = dt4 + dt3 DrawWidth = 1 Form2.Picture1.Line (dt4, s1)-(dt5, s2) Form2.Picture2.Line (dt4, v1)-(dt5, v2) Form2.Picture3.Line

36、 (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) dt4 = dt5 x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3 = y4 s1 = s2 v1 = v2 Wend dt9 = dt4 While dt9 >= dt1 + dt6 + dt2 And dt9 <= 2 * pi dt9 = dt9 + dt3 x2 = (s0 + s2) * Sin(dt9) + e * Cos(dt9) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt9) - e

37、 * Sin(dt9) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt9) + e * Cos(dt9) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt9) - e * Sin(dt9) DrawWidth = 1 Form2.Picture3.Line (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3 = y4 Wend DrawWidth = 1 Form2.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.