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 -2015.1.16一、设计过程严谨认真口较认真口不认真二、设计报告书计算过程完整口基本完整不完整计算结果口正确基本正确错误多书面撰写规范口较规范不规范教师评语三、设计图设计内容齐全口较齐全不齐全制图水平规范口较规范不规范图面质量优良良好 口中等口较差四、综合设计能力强口较差五、答辩口清晰基本清晰口不清晰教师签名：日 期：成绩 成绩： 优 良 中 口合格 不合格评【目录】一、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路 1二、绘制内燃机运动简图（A4） 2三、绘制连杆

2、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 1623十、绘制内燃机工作循环图（A4） 23心得体会一、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 其周，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

4、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 其周，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 阀门各开一次凸轮i的基圆半径r1 =55 （mm凸轮II的行程 h2 =10 （mrm凸轮II的偏心距e2= 7 （mrm凸轮II的基圆半径2= 60 （mm1.2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rK -1OB l r -180 = 3.53K

5、 1一H又 R = CB =1745.95 mm2s".OE = .(OC)2 二(CE)2 = .(OC)2二(CD = DE)2=,R2二(CD匚e)2 = . R2 _(H 2 ta。 -e)2 = 407.89mm一 一 HOF =OE= 515.39 mm2l r = ,(OF)2 e2 =517.4 mm (1)OB = (OG)2 e2 =(OE - H 2)2 e2 =. 303. 8mml _ r = OB =303.8mm(2)图1曲柄连杆几何关系图22联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l及曲柄的长度r 。r = 106.8 mmA绘制内燃机机构简图（A4

6、）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。;H®.二3:三、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Ao点开始，顺时针方向把圆分为12等分，得A、%、A、Ai等点。当滑块在最低位置时，曲柄上 A点的编号为'A O可近似以为，当曲柄在OA2和。育位置时，滑块B速度为最大值。四.

7、作出机构15个位置的速度和加速度多边形图2点Ai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/sk.Vb =Va + Vba 大小？3 l AO ?方向 /BE±AO ±AB表一 15 个位置的 Wa VC2、VB、W2数值VBAVC2VBW2A06.750016.34A15.435.254.0513.15A23.157.0657.1257.67A3-0.756.6156.5551.83A4-3.95.855.19.35A5-6.0754.8152.8514.98A6-6.0753.750.320.06A7-7.264.8-2.413.7A8-5.

8、76-5.0557.31A936.75-6.8851.64A103.65.7-68.77A116.0755.1-4.214.83A2'11.256.6156.752.7A6'-6.720016.34A9'2.6256.75-7.1856.43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，AQ 过p画出VB的方向/导轨，与Vba交于b; pb即为VB; ab即为Vba； 取 ac2=0.36ab,贝U pc2 即为 Vc2； W= Vba /L ab.图5点A1加速度多边形4.2绘制加速度多边形作出加速度多边形aB = a

9、A + aBA + aBA(4)大小 ？Cl) l AO Cl) 2 l BA ?方向 /BE A一 O B-A±BA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2aB = -533.10 m/s2a:m/s2，Q :表2rad /s2ntaBA，aBA，aBA , 口 2，ac2aB的数值na bata baa ba一工2ac2a bA0115.1752.35128.78127.5487.9586.32A173.29261.75272.22637.48431.36432.41A226.18376.92397.86919.97335.04167.52A39.4246

10、1.73462.771124.53303.63-104.7A441.88381.11382.16928.3366.45-261.75A596.32197.88219.87481.93398.91-319.34A6167.5217.8169.6143.35403.1-295.25A774.34250.23261.75609.43408.33-359.12A823.03435.55492.091060.76366.45-324.57A91.05486.5486.51184.85293.16-130.88A1020.94391.58397.86953.68335.04195.14A1194.2318

11、0.08198.93438.58450.21461.73A2'2.09459.63460.681119.41293.163.14A6'115.1752.35125.64127.5419.85-353.89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； n过a,由aBA的大小和方向画出aBA即at; t过t作出aBA的方向； tn过p作出aB的方向/导轨，与aBA的方向交于b,则pb即为aB, tb即为aBA ；ab即aBA ；取 ac2=0.35l ab, ac2 即 a c2 ; ac2 = aBA/LAB.7加速度多边形（模拟图图2)五.动态静力分析将惯性力

12、视为一般外力加在构件动态静力分析-根据理论力学中所讲的达朗伯原理, 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 个位置)。各种数据都要列表表示。5.1 计算活塞上的气体压力(5)p' = Pi F(N)F -活塞的面积(rm2)ci m单位：on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。Pl2 二 一1 %(N)(6)JC2叫4P3

13、:13 aB (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P= P' Pl3 Q3 (N)(9)表三30个位置的P12、M12、Pi 3P12 (N)A0 6025.15A1 5018.4A2 3612.24A3 3428.6A4 4102.04A5 4653.1A6 4555.1A7 5127.79A8 4039.2

14、A9 3306.12A10 3820.4M2(N*m) P3 (下正)42.2-11997209.25-8980.4301.42-3000337.561836.9-274.314979.59138.256122.45-92.446122.45-202.577329.66-314.655918.9-355.272653.06275.919 -3489.8A11A12A13A145142.96025.155018.43612.24-136.7642.2209.25301.42-8751.4-11997-8980.4-3000P2 (N) M2(N*m)R3 (下正)A153428.6-371.38

15、1836.9A164102.4-274.314979.59A174653.1138.256122.45A184973.95-14.356062.13A194651.2-193.856735.3A204102.04-137.496326.53A213428.6361.682694.12A223820.4275.919-3489.8A235142.9-136.76-8751.4A2'3404.11-61.2377.1A6'4773.66429.2-8564.21A9'3306.15-326.56609.5A14'3717.65-371.38-64.09A18'

16、;4040.8232.1775408.16A21'3367.38-333.86609.5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R12分解为RL和R；2,取£ M =0,求出 BRt2 0计算方式：Q十 P2 h2+ Rt12 Lb 己+ M2 = 0（矢量式）（10）其中，hl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*a (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

17、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AI4作实例， 受力分析如图9(2)以构件2, 3为示力体，首先取Z Mb = 0 ,即R121AB - Q2 也 P2 - M|2 = 0由此求出Rt2,即代入 Lab=410.6, Q2=120, h2=134.5, h=21,4=2, Mi2=371.38, t求

18、得 R2 = -1509.77T(3)然后取£ F = 0求出R1r2和R03。在这一步骤中，Rn2, 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 10（4）再以构件1为示力体，（构件1上的重力忽略不计），取Z F = 0 ,求出R01 , 再由M 0 = 0 ,求出M b。如图（11）数据记录下：表四30个位置的p、R2、阵、R12、R03 、R23数值单位：点的位 置'P （N）R?2（N）Rt2（N）R12（N）R03（N）R23 （N）0017762.536.1217762.61309 111839.41-4541372019

19、34.7813855.745609251.362-453.964800:2844.93P 55808303358.152，-453.962002926.282933540625.23-453.9629502842.564080701584.54-453.968015.74P 905.245P 8066.69922.214814.785-453.731297.2510450105301005870.126-453.961068018.801068018.805869.526 '-45411300P 124.40111300.681650 16391.797-45412530r 1022.

20、39125652030 17361.28681109202051.4811111.0326007280.0292269.8071102733.26765019205470.849 '3631.683950P 2913.94775912.5：3622106809.4021480.661520.992122.68797.343608.791119737.31875.34730075002037.711546.3126356046050P 36.12P 460654695 152000.51363560504001934.7850437.122250 154825.7914329123170

21、02844.933180040103240414 '2293723100P 1509.7P 231701708 123126.11514753.7183002842.56186002400 116961166809.40215333.7905.24515360.393011989.03173402.981297.25P 14325P918113512510186.7125401200 17458.318 '1134.9010972.9198.6210974.701003.096817.2619454123901079.8912347.312160 17

22、698.5320453.9611400P 1883.69115502940 17574.3521453.9651602839.6758601160354221 '453.732251.4816222519961080.422453.965201.84r 1520.995419.642862.344029.2623453.731875.3412745128502902.58433.64表五30个位置的R01、M b数值R01 (NDMb(N*m)R01 (N)Mb(N*m)A02012.501A113855.74-720.9A1615360.351136.67A

23、25580-37.7A1714340440.955A34080212.16A18205545.166A48060.7567.9A1912347.31-348.24A510530284.31A2011550-669.9A61068090.78A215860-416.06A71365-32.69A225419.64453A811111.03-1226.95A2312850649.57A97650-612A2'2933-37.7A102122.68-207.6A6'11300.6867.8A117500-606.375A9'4775-410.65A1255500A14'

24、;22122468.08A1350437.122824.48A18'10974.7102A21'2251-8.44六.计算飞轮转动惯量（不计构件质量）（）曲线（图6.1 把 M b= Mb (4)曲线作为 Md = Md不考虑机构各构件的质量和转动惯量图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各单兀面积回积ff1f2f3f4f5f62单包：mm-345388-7713483-4963776.2.2求出阻抗力矩(Mr = Mr ( *)的纵坐标H:H = "l，4(mm) = 1

25、0.98 mm(11)以M b的平均值作为阻抗力矩Mr (常数)Mr =HX =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f，f2f3f4f5f6，f7单位：mrm649841418280095415112由M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=M®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W，WWWWWWW单位/N*m-1019.45131.945-2227.394398.23-1498.54237.14-18.856.5求出最大盈亏功 Wa>= Wax-WLn =4398.23(N

26、*m)(13)作图如下：4398.23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Je Wax900A Wax900 M 4398 233ml 8兀2n2 S3.142 父 6002 父 190=10Q 37kg 向(14)6.6 确定飞轮的转动惯量:Je =Jf + J 按题意：不考虑各构件的质量和转动惯量J c可忽略不计J F = Je = 100.37( kg m2)七.计算发动机功率Mrn11X X 260 750329.44 二 60012-60750=27. 60( HP(15)图11曲柄滑块平衡示意图m、A=23.0561kg八.对曲柄滑块进行机构部分平衡8

27、.1 把连杆的质量代换到A.B点m2=n2k+m2B(16)m2A*l Ac2=n2B(l AB- l AC)(17)联立(16) (17)可求得mb和m2Am2B=4.284 kgm 2A =7.956kgm、B=m+mB(18)m、A=m+mA(19)可求得 m、B=16.126kg8.2 把曲柄A点的质量用距。点为a=0.5r的平衡质量mb平衡。m*a= m' A*rm*0.5r= m' 灯(20)mb=2m、A可求得 mb=46.112kg九.排气凸轮（凸轮n）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

28、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 S-6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：s =% （、/、o）-sin（2二、/、o）/（2 二）、=060；回程时：s =昨 .1-（。/。0） , sin（2 二 c. /。0）/（2 二）二=70'130；轮廓曲线图:凸轮I图15凸轮I实际与理论轮廓以及 S- 6图凸轮的轮廓设计符合正弦加速度规律，故s- 6曲线和V- 6曲线都和正弦加速度的曲线基本一致。十、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

29、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内燃机工作循环图卜一、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 错了，虽然当时真的悲痛欲绝，可是没有队友我真的找不出来，毕竟当时我已经失去正常 的思考能力了。虽然过程中很多时间都花在队友争执中， 可是这并不是逞强，而是为了更 好地解决问题，完成任务。所以队友不该是你的引导者，而是你