机械原理课程设计报告书教材.docx

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机械原理课程设计报告书教材

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

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Ⅱ）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0.6～1.5兆帕，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，温度骤然升高到2000摄氏度左右，压强达到3～5兆帕。

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D＝160（mm）

活塞移动导路相对于曲柄中心的距离e＝68（mm）

行程速比系数K＝1.08

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（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＝7mm凸轮II的行程=6mm

凸轮I的基圆半径=55mm凸轮II的基圆半径=60mm

凸轮II的偏心距=0mm凸轮I偏心距=0mm

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=912.99mm

=476.46mm--------

（1）

=471.58mm

=23.33°

=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？

ωlAO?

方向//BE⊥AO⊥AB

表1机构15个位置的速度参数数值

A

A0

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

VBA

7.23

5.60

2.70

1.10

4.60

6.70

7.50

6.00

VC2

4.70

5.79

6.80

7.06

6.34

5.43

4.71

5.25

VB

0

4.40

7.00

0.90

5.46

3.20

0.70

-2.20

W2

19.62

15.20

7.33

2.98

12.48

18.18

20.35

16.28

A

A8

A9

A10

A11

A2’

A9’

A6’

VBA

2.90

1.40

5.00

7.00

0.80

3.40

7.23

VC2

6.70

7.42

7.06

5.25

7.24

7.42

4.71

VB

-5.40

-7.80

-7.90

-4.60

7.20

-8.00

0

W2

7.87

3.80

13.57

18.99

2.17

9.23

19.62

画图基本步骤：

①确定极点p；

②根据的大小和方向过极点p画出即pa；

③过a画出的方向⊥AO；

④过p画出的方向∥导轨，与交于b；

⑤pb即为；

⑥ab即为；

⑦取ac=0.35ab，则即为；⑧=/。

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∥BEA→OB→A⊥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2。

表2机构15个位置的加速度参数数值

A

A0

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

aBAnm/s2

141.84

85.09

19.78

3.28

57.42

121.81

152.63

97.69

aBAtm/s2

84

296.80

460.60

476.60

389.20

182.00

42.00

294.00

aBAm/s2

168.00

313.60

457.80

476.00

392.00

224.00

154.00

308.00

a2rad/s2

227.93

805.36

1249.83

1291.62

1056.09

493.85

113.97

797.76

aC2m/s2

528.00

448.00

336.00

322.00

378.00

422.80

413.00

432.60

aBm/s2

630.00

464.80

152.60

-126.00

-266.00

-308.00

-336.00

-392.00

A

A8

A9

A10

A11

A2’

A9’

A6’

aBAnm/s2

22.82

5.32

67.84

132.96

1.74

31.37

141.84

aBAtm/s2

482.00

533.00

376.00

140.00

490.00

475.00

109.20

aBAm/s2

504.00

546.00

380.80

189.00

476.00

476.00

182.00

a2rad/s2

1307.90

1446.29

1020.27

379.89

1329.61

1288.90

296.31

aC2m/s2

392.00

322.00

364.00

475.00

318.50

322.00

424.20

aBm/s2

-385.00

-182.00

196.00

476.00

1.20

28.00

-350.00

画图基本步骤：

①定极点p；

②根据的大小和方向作出即pa；

③过a，由的大小和方向画出即at；

④过t作出的方向；

⑤过p作出的方向∥导轨，与的方向交于b，则pb即为，tb即为；

⑥ab即；

⑦取，即；

⑧。

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）。

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）

0

6734.69

67.73

-12734.69

1

5895.12

212.36

-9858.03

2

4196.43

445.18

-3306.48

2’

3891.8

331.59

-367.38

3

4210.8

342.17

2857.4

4

4821.43

266.68

5142.86

5

5392.86

128.4

6285.71

6

5471.19

63.04

6807.32

6’

5537.84

64.20

7163.91

7

5510.20

197.54

7836.73

8

5001.92

350.64

8000.72

9

3481.12

784.5

3806.46

9’

4083.2

329.47

-816.4

10

4619.38

271.62

-4047.19

11

6058.67

98.77

-97