单缸四冲程柴油机课程设计说明书Word下载.docx

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把化学能转化成机械能。

须完成的动作为：

活塞的吸气，压缩，做功，

排气 

个过程，进，排气门的开关与关闭、燃料喷射。

1.2设计思路

设计四冲程内燃机的关键点在于活塞的吸气，压缩，做功，排气以

及气门的开闭几个动作的完成。

而怎样将这个几个动作完成并按照运动

循环图结合起来这是我们完成这次课程设计所需要解决的问题。

所以，

我将从这些方面入手，依据这些需要来选择机构。

1.3机构简介

柴油机（如附图 

1（a））是一种内燃机，它将燃料燃烧时所产生的热

能转变成机械能。

往复式内燃机的主体机构为曲柄滑块机构，以气缸内

的燃气压力推动活塞 

经连杆 

而使曲柄 

旋转。

本设计是四冲程内燃机，即以活塞在气缸内往复移动四次（对应曲

柄两转）完成一个工作循环。

在一个工作循环中，气缸内的压力变化可

由示功图（用示功器从气缸内测得，如附图 

1（b）所示），它表示汽缸

容积（与活塞位移 

s 

成正比）与压力的变化关系，现将四个冲程压力变

化做一简单介绍。

进气冲程：

活塞下行，对应曲柄转角 

θ=0°

→180°

。

进气阀开，

燃气开始进入汽缸，气缸内指示压力略低于 

个大气压力，一般以 

大

气压力算，如示功图上的 

a 

→ 

b。

压缩冲程：

活塞上行，曲柄转角 

θ=180°

360°

此时进气完毕，

进气阀关闭，已吸入的空气受到压缩，压力渐高，如示功图上的 

b→c。

做功冲程：

在压缩冲程终了时，被压缩的空气温度已超过柴油的自

2

燃的温度，因此，在高压下射入的柴油立刻爆燃，气缸内的压力突然增

至最高点，燃气压力推动活塞下行对外做功，曲柄转角 

θ=360°

→540°

随着燃气的膨胀，气缸容积增加，压力逐渐降低，如图上

c→b。

排气冲程：

θ=540°

→720°

排气阀打开，

废气被驱出，气缸内压力略高于 

大气压，一般亦以 

大气压计算，如

图上的 

b→a。

进排气阀的启闭是由凸轮机构控制的。

凸轮机构是通过曲柄轴 

O 

上

的齿轮 

Z1 

和凸轮轴上的齿轮 

Z2 

来传动的。

由于一个工作循环中，曲柄

转两转而进排气阀各启闭一次，所以齿轮的传动比 

i12 

=n1/n2=Z1/Z2 

=2。

由上可知，在组成一个工作循环的四个冲程中，活塞只有一个冲程

是对外做功的，其余的三个冲程则需一次依靠机械的惯性带动。

（a）机构简图（b）示功图

3

设计内

容

曲柄滑块机构的运动分析

曲柄滑块机构的动态经历分析及飞轮转动惯量的确定

符号

H

λ

lAS2

n1

Dh

D

G1

G2

G3

Js1

Js2

Js3

δ

单位

mm

r/min

N

Kg·

m2

数据

120

4

80

1500

100

200

210

20

10

0.1

0.05

0.2

1/100

齿轮机构的设计

凸轮机构的设计

Z1

Z2

m

α

h

Φ

Φs

Φ′

[α]

[α]′

°

22

44

5

50

30

75

位置编号

6

7

8

9

11

12

曲柄位置

（°

）

60

90

150

180

240

270

300

330

360

气缸指示压

力

5 

/（10 

N·

m 

6.5

19.5

35

工作过程

进 

气

压 

缩

12′

13

14

15

16

17

18

19

21

23

24

375

390

420

450

480

510

540

570

600

630

660

690

720

25.5

9.5

2.5

1.5

做 

功

排 

图 

1-1柴油机机构简图及示功图

1.4设计数据

连杆机构的运动分析

2.1连杆机构的设计要求

已知：

活塞冲程 

H，连杆与曲柄长度之比 

λ，曲柄每分钟转数 

n1。

要求：

设计曲柄滑块机构，绘制机构运动简图，做机构滑块的位移、

速度和加速度运动线图。

2.2杆件尺寸的确定

曲柄位置图的做法如附图 

所示，以滑块在上指点是所对应的曲柄

位

置为起始位置（即 

），将曲柄圆周按转向分成 

等分分得 

个

置 

1→12，12′（θ=375°

）为气缸指示压力达最大值时所对应的曲柄

置，13→24 

为曲柄第二转时对应的各位置。

1）设曲柄长度为 

r，连杆长度为 

I，由已知条件：

λ=I/r=4，H=（I+r）-（l-r）=2r=120mm

可得 

r=60mm，l=240mm 

按此尺寸做得曲柄滑块机构的机构运动简

图。

S

O

𝜑

B 

rI111

A102

93

84

75

2-1曲柄滑块机构运动简图图 

2-2曲柄位置图

2.2杆件运动的分析与计算

𝑟

𝑠

𝑖

𝑛

由几何知识：

sin∠OBA=

𝑙

=

得：

cos∠OBA=

‒ 

（ 

（2-1）

∴s=rcos𝜑

+I 

cos∠OBA= 

rcos𝜑

+I

（2-2）

𝜔

2𝜑

𝑑

V=𝑑

𝑡

=-ωrsin𝜑

-4）

（2-3）

A 

dV

dt

⎡

⎢

+ 

64 

cos 

2ϕ 

- 

ç

⎪

32 

⎝ 

⎭

322 

⎢1 

⎪ 

⎥

⎢ 

⎭ 

⎤

（2-4）

把各点的角度分别代入上式（2-2）（2-3）（2-4）得：

S1=S11=290.079mmS2=S10=264.307mm

S3=S9=232.379mmS4=S8=204.307mm

S5=S7=186.156mmS6=180.000S12=300.000mm

V1=-V11=-5.741m/sV2=-V10=-9.207m/s

V3=-V9=-9.425m/sV4=-V8=-7.117m/s

V5=-V7=-3.684m/sV6=V12=0m/s

a1=a11=1282.86m/s2a2=a10=739.401 

m/s2

a3=a9=-1.598 

m/s2a4=a8=741.036 

a5=a7=-1281.34 

m/s2a6=-1478.9 

2.3图解法作杆件的运动分析

o

量 

pb 

表示 

vb 

，向量 

pa 

则表示 

OA 

杆做圆周运动的速度 

va 

2-3点 

的速度分析图

有：

v

b

a

+

ab

方向：

B→O 

⊥OA⊥AB

大小：

？

ϖ 

r

3.1齿轮机构的设计要求

齿轮齿数 

Z1，Z2，模数 

m，分度圆压力角 

α，齿轮为正常齿

制，再闭式润滑油池中工作。

选择两轮变位系数，计算齿轮各部分尺寸，用 

号图纸绘制

齿轮传动的啮合图。

3.2齿轮参数的计算

1）齿轮基本参数：

注：

下面单位为 

模数：

m=5压力角：

α 

= 

20o

齿数：

z1 

=22

z2 

=44

齿顶高系数：

齿根高系数：

传动比：

1）

*

c* 

0.25

i 

/ 

z1

（3-

齿顶高变动系数：

2）

分度圆直径：

σ 

x1 

x2 

y

d1 

mz1

d 

mz2

3）

基圆直径：

4）

5）

齿顶高：

db1 

mz1 

cosα

db2 

mz2 

6）

7）

齿根高：

8）

9）

齿顶圆直径：

a1 

2ha1

10）

a2 

2ha2

11）

齿根圆直径：

f 

2h 

12）

13）

2）实际中心距 

a'

的确定：

⨯

14）

（z1 

=（a/5+1） 

⨯ 

15）

3）啮合角α 

'

cos（α 

） 

m（z1 

16）

invα 

tanα 

（x1 

/（z1 

invα

17）

4）分配变位系数 

x1、x2 

；

zmin 

sin 

≈ 

18）

**

19）

（invα 

）（z1 

tan 

20）

5）中心距变动系数y=（ 

）/m（3-

21）

6）重合度：

ε 

2π

[z1 

（tanα 

）]

名称

小齿轮

大齿轮

计算公式

变位因数 

x

0.23

-0.23

分度圆直径 

d

110

220

d=mz

法向齿距 

Pn

14.76

Pn=πm·

啮合角 

α′

20°

中心距 

a（a′）

165

节圆直径 

d′

22）

cos-1 

（db1 

（db2 

23）

一般情况应保证 

≥ 

1.2

7） 

齿顶圆齿厚：

sa1 

s1

ra1

r1

2ra1 

24）

sa2 

s2

ra2

r2

2ra2 

25）

一般取 

sa 

8）分度圆齿厚：

s1 

πm 

2x1m 

tanα

26）

27）

中心距变动因数 

齿高变动因数 

σ

σ=x1+x2-y

齿顶高 

ha

6.15

3.85

ha=（ha* 

+c*-σ）m

齿根高 

hf

5.1

7.4

hf=（ha* 

+c*-x）m

齿全高 

11.25

h=ha+hf

齿顶圆直径 

da

122.3

227.7

da=d+2ha

齿根圆直径 

df

99.8

205.2

df=d-2hf

重合度 

εa

1.65

分度圆齿厚 

s

7.85

齿顶圆齿厚 

Sa

7.11

3.79

4.1凸轮机构的设计要求

从动件冲程 

h，推程和回程的许用压力角[α],[α]′,推程

运动角 

Φ，远休止角 

Φs，回程运动角 

Φ′，从动件的运动规律如（附

3）所示。

按照许用压力角确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，

画出凸轮实际廓线。

并画在 

号图纸上

δ 

（单位：

S（δ） 

mm）

1.6

6.4

25

13.6

40

18.4

s′

4-1从动件运动规律图

4.2运动规律的选择：

根据从动件运动规律图（附图 

3）分析知位移 

对转角 

φ 

的二阶导数

为常数且周期变换，所以确定为二次多项式运动规律。

公式：

S= 

C0 

C1δ 

C 

2δ

（4-

加速阶段：

0-25°

S=2hδ2/δ0

（4-2）

减速阶段：

25-50°

S=h-2h（δ0-δ）2/δ02

（4-3）

以从动件开始上升的点为 

δ=0°

70

85

4.3基圆半径计算

根据许用压力角计算出基圆半径最小值，凸轮形状选为偏距为零且对

称。

如下图所示，从动件的盘型机构位于推程的某位置上，法线 

n—n 

与

从动件速度 

VB2 

的夹角为轮廓在 

点的压力角，P12为凸轮与从动件的

相对速度瞬心。

故 

VP12=VB2=ω|OP12|，

从而有|OP12| 

=VB2/ω1=ds/dδ。

计算可知

|𝑂

𝑃

12| 

/𝑑

𝛿

tanα==

𝑆

0 

整理得基圆半径

将 

S=S（δ）和 

α=[α]代入 

r0≥20mm在此我取 

r0=34mm

滚子半径选取 

rr=4mm

4.4凸轮设计图

根据以上数据做出凸轮的实际廓线及理论廓线，如下图所示：

4-1凸轮的实际轮廓线及理论轮廓线

课程设计小结

经过几天不断的努力，身体有些疲惫，但看到劳动后的硕果，心中

又有几分喜悦。

总而言之，感触良多，收获颇丰。

通过认真思考和总结，机械设计存在以下一般性问题：

机械设计的

过况而定，大程是一个复杂细致的工作过程，不可能有固定不变的程序，

设计过程须视具体情致可以分为三个主要阶段：

产品规划阶段、方案设

计阶段和技术设计阶段。

值得注意的是：

机械设计过程是一个从抽象概

念到具体产品的演化过程，我们在设计过程中不断丰富和完善产品的设

计信息，直到完成整个产品设计；

设计过程是一个逐步求精和细化的过

程，设计初期，我们对设计对象的结构关系和参数表达往往是模糊的，

许多细节在一开始不是很清楚，随着设计过程的深入，这些关系才逐渐

清楚起来；

机械设计过程是一个不断完善的过程，各个设计阶段并非简

单的安顺序进行，为了改进设计结果，经常需要在各步骤之间反复、交

叉进行，指导获得满意的结果为止。

获得这份拥有是我们团队共同努力的结果。

我们通过默契的配合，

精细的分工，精诚的合作，不断的拼搏，共同完成了这一艰巨而又光荣

的任务。

在这里，特别要感谢一下王老师。

经过他的精心指导，我们

多了几分激情，少了几分麻烦，多了几分灵感，少了几分忧虑。

参考文献

[1]张展. 

齿轮设计与实用数据速查[M]. 

北京:

机械工业出版社,2003

[2]张伟社.机械原理教程（第 

版）[M]. 

西北工业大学出版社,2005