机械原理课程设计报告华南理工

1、-. z.- - - .可修编 . 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* 学生* 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 根本完整 不完整计算结果正确 根本正确 错误多书面撰写规* 较规* 不规*三、设计图设计内容 齐全 较齐全 不齐全制图水平规* 较规* 不规*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、辩论清晰 根本清晰 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】四冲程内燃机

2、的运动分析及总体设计思路 1绘制内燃机运动简图A4 2绘制连杆机构位置图A2 2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动态静力分析A1 6计算飞轮转动惯量不计构件质量 11计算发动机功率 14对曲柄滑块进展机构局部平衡 15通过编程设计凸轮 16绘制内燃机工作循环图A4 23心得体会 23-. z.- .可修编 .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

3、吸气、压缩、燃烧、排气四个过程不断重复进展的。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，是凸轮的突起局部顶开进气阀门，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，凸轮的突起局部已经转两个过去，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到达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，

4、混合燃料迅速燃烧，温度骤然升高到2000摄氏度左右，压强到达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条件：活塞行程 H=215 (mm) 活塞直径 D170mm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点的距离0.35曲柄重量150 (N)连杆重量120 (N)活塞重量200N曲柄的转速600

5、(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10mm凸轮I 偏心距 = 0mm凸轮I的基圆半径 =55mm凸轮II的行程 =10mm凸轮II的偏心距= 7mm凸轮II的基圆半径= 60mm1.2 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 SEQ 图 * ARABIC 1 曲柄连杆几何

6、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，空出凸轮的构造，并对凸轮与排气装置的连接方式进展修改。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，由点开场，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

7、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 SEQ 图 * ARABIC2点A1速度多边形表一 15个位置的VBA、VC2、VB、W2数值画图根本步骤：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；pb即为VB；ab即为VBA；取ac2=0.36ab，则pc2即为Vc2；w2= VBA /LAB.图 SEQ 图 * ARABIC3速度多边形模拟图1图 SEQ 图 * ARABIC4速度多边形模拟

8、图24.2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 SEQ 图 * ARABIC5点A1加速度多边形注：，表 2 ，的数值画图根本步骤：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 SEQ 图 * ARABIC6加速度多边形模拟图1

9、图 SEQ 图 * ARABIC7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展受力分析。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N5-活塞的面积 ()图 SEQ 图 * ARABIC 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。(N) 67(N) 8在这一步时，需

10、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，假设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*

11、(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*一直线上图9 连杆受力分析 图10 力多边形 图11 原动件力矩图以点作实例，受力分析如图9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=

12、-1509.77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，在这一步中通过力封闭多边形求出方向。如图10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()()()()()()0017762.536.1217762.6130911839.41-454137201934.7813855.745609251.362-453.9648002844.9355808303358.15 2-453.962002926.28 2933540625.23-453.9629502842.564080701584.54-

13、453.968015.74905.2458066.69922.214814.785-453.731297.2510450105301005870.126-453.961068018.801068018.805869.52 6-45411300124.4011300.6816506391.797-454125301022.391256520307361.28681109202051.4811111.0326007280.0292269.8071102733.26765019205470.84 93631.6839502913.94775912.53622106809.4021480.661520

14、.992122.68797.343608.791119737.31875.34730075002037.711546.312635604605036.1246065469552000.51363560504001934.7850437.12225054825.791432912317002844.9331800401032404 1422937231001509.723170170823126.11514753.7183002842.5618600240016961166809.40215333.7905.24515360.393011989.03173402.981297.251432514

15、340479726.918113512510186.71254012007458.3 181134.9010972.9198.6210974.701003.096817.2619454123901079.8912347.3121607698.5320453.96114001883.691155029407574.3521453.9651602839.67586011603542 21453.732251.4816222519961080.422453.965201.841520.995419.642862.344029.2623453.731875.3412745128502902.58433

16、.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 SEQ 图 * ARABIC12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首先求出以下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)126.2.3求出以下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：mm264984

17、1418280095415112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Wma*= Wma* -Wmin =4398.23(N*m)13作图如下：图 SEQ 图 * ARABIC13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146.6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

18、 JF Je 七.计算发动机功率15八.对曲柄滑块进展机构局部平衡图 SEQ 图 * ARABIC 14 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1617可求得m2B和 m2Am2B=4.284 kg m2A =7.956kgmB=m3+m2B 18mA=m1+m2A 19可求得mB=16.126kg 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=46.112kg-. z.九排气凸轮

19、凸轮的轮廓设计9.1凸轮II轮廓设计要求升程角为60度，回程角为60度，远休止止角为10度。选择升程和回程的运动规律。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根本一致。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

20、协调配合工作的循环图。图16 内燃机工作循环图心得体会：在完毕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，竟有一丝冲动与期待的兴趣，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。教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，我们进展了分组，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，然后进展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