四冲程内燃机设计

机械原理课程设计指导书四冲程内燃机设计一．设计任务1.机构设计根据行程速比系数K及已知尺寸确定机构的主要尺寸，并绘制机构运动简图1张（A4）。

2.运动分析图解求出连杆机构的位置、速度与加速度，绘制滑块的位移、速度与加速度曲线，完成运动分析图1张（A2）。

3.动态静力分析通过计算和图解，求出机构中各运动副的约束反力及应加于曲柄OA的平衡M（每人负责完成5～6个位置），完成动态静力分析图1张（A1）。

力矩b4.计算并画出力矩变化曲线图1张（A3方格纸）。

5.计算飞轮转动惯量F J。

6.计算发动机功率。

7.用图解法设计进、排气凸轮，完成凸轮设计图1张（A3）。

8.绘制内燃机的工作循环图1张（A4）。

9.完成设计说明书（约20页）。

●分组及组内数据见附表1；●示功图见附表2；●组内成员分功见附表3；●课程设计进程表见附表4；●四冲程内燃机中运动简图见附图1。

二．设计步骤及注意问题1. 确定初始数据根据分组情况（附表1），查出设计初始数据。

活塞行程 H = （mm ） 活塞直径 D= （mm ） 活塞移动导路相对于曲柄中心的距离 e= （mm ） 行程速比系数 K=连杆重心2c 至A 点的距离 2AC l = （mm ） 曲柄重量 1Q = （N ） 连杆重量 2Q = （N ） 活塞重量 3Q = （N ） 连杆通过质心轴2c 的转动惯性半径c ρ 2c ρ= （m 2m ） 曲柄的转速n 1= （rpm ）发动机的许用速度不均匀系数 [δ]= 曲柄不平衡的重心到O 点的距离 OC l =OA l （mm ） 开放提前角：进气门：-10°；排气门： -32° 齿轮参数：m =3.5（mm ）； α=20°；a h *=1；25.0*=C2Z ='2Z =14； 3Z ='3Z =72 ；1Z =362. 计算连杆及曲柄的长度设曲柄长度为r 、连杆的长度为l ，活塞行程Hr l OB -=∴I （极限位置1）r l OB += （极限位置2）11180+-︒=K K θ θ∴ 可求θsin 2HCB R I ==22)()(CE OC OE -==22)()(DE CD OC -- =22)cos (e R R --θ)1()(22----------------+=+e OF r l2H OE OF += OCOE1sin -=α θαδ-=)2(2sin2-------------------=-δR r l联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l 及曲柄的长度r 。

3. 绘制内燃机的机构运动简图（A4）根据曲柄与连杆的尺寸、活塞（滑块）的行程、活塞移动导路相对于曲柄中心的距离e 、各齿轮的参数等数据，参照“附图1”绘制构内燃机的运动简图。

注意：● 严格按比例绘制（推荐1：4）● 先打好图纸的边框，画好标题栏，再根据空间的大小合理安排位置画图。

标题栏放在图纸的右下方。

● 凸轮先不画，待凸轮设计完成后再补画 ● 样例中进、排气阀机构有错，需要找出并更正●图线、箭头要规范、书写要工整（以机械制图中的GB 为准）。

➢ 实体用粗实线➢齿轮的节圆用点划线（间距要基本相同）图1 曲柄滑块机构设计➢ 文字、尺寸（界）线、剖面线用细实线。

粗细线比例为2：1。

➢ 文字与尺寸标注方向朝上或朝左（在尺寸线上写时可朝左，如样图中的162；无尺寸线时只能朝上，如样图中的Z 3。

上下以标题栏中的文字为准） ➢ 假想位置可画成虚线或双点划线（建议用双点划线） ➢尺寸按自己的实际尺寸标注，不要抄样例尺寸。

4. 运动分析1）参照图2设置图纸布局（A2）2）在速度“v 图”与加速度“a 图”之间的位置上，画出曲柄滑块机构的运动简图（参照图3）具体作法：以活塞在最高位置时的“A ”为起点（记为A 0），由A 0开始，顺时针方向将圆等分为12等分，得A 0、1A 、2A 、……，11A 共12个点；找出滑块在最低位置时曲柄上A 点的位置，记为'6A ；找出曲柄OA 与连杆AB 垂直的两点（此时22r l l OB +=），分别记为A '2和A '9。

如此，曲柄回转一周共分为15个位置可近似认为，当曲柄在OA '2和OA '9位置时，滑快B 的速度为最大值。

注意：● 括号内的编号在绘制运动分析图时不用，绘制动态静力分析图时再使用。

●图中，用粗实线画出曲柄滑块的一个位置（任选）。

其它14个位置的曲柄与连杆用细实线画，滑块不画，标注出各B 点的位置即可。

图2 机构运动分析图3 曲柄滑块的运动简图3）设定合适的比例，画出机构15个位置的速度多边形● 在“V 图”的左上角清楚注明绘图比例（mmsm v /=μ）● 速度矢量用粗实线绘制，箭头长宽比约4/1～5/1，绘图要规范、工整 ●若图线太短，不够画箭头时，可用小圆点代替箭头。

4）通过图解法，求出这15个位置的2B C2BA V V V ω、、、的数值。

● 所有公式和计算过程都写在说明书上，不要写到图纸上●在说明书上写出1个点的求解步骤和方法即可（包括简图），其他点直接将所计算数据列在表中即可。

表一 机构各点速度表5）同理，画出15个位置的加速度多边形，求出B C a a 、、、、、22BA tBA n BA a a a α的数值，并将方法和结果在说明书中说明和列表。

（不同的图可用不同的比例，注明即可）表二 机构各点加速度表6）在图纸的右侧绘制15个点的位移曲线、速度曲线和加速度曲线图。

● 坐标与单位要标注清楚● 用粗实线绘制●画出一个完整循环，也就是要画360°（起点要画2次），起点和终点的数据大小要完全相同（因为是同一个点）。

5. 动态静力分析1）计算活塞上的气体压力F p P i ⋅=' （N ）F —活塞的面积（cm 2）●注意“附表2”表中的数据单位是mm ，而比例是“（2N/cm 2）/mm ”，所以查表所得数据要进行换算2）求作用于构件上的惯性力2I P =22c a m ⋅- （N ） B I a m P ⋅-=33 （N ）3）求出活塞上所受合力的大小及方向3'3Q P P P I++=4）求作用于构件上的惯性力矩222C C m J ρ⋅= （Kg ·m 2）222J M αC I -= （N ·m ）●注意转动惯量统一单位5）在A1图纸上等分规划好位置（根据分组情况等分5～6份），见图4。

● 所有的力（力矩）、构件均画粗实线，其余用细实线● 尺寸、标题栏、边框等的标注要符合国标要求，每张图纸都要画边框和标题栏 ● 基本杆组、力多边形尽可能画大一些●不同的力多边形的比例可以不同，但需要分别标注清楚绘图比例6）以连杆2为研究对象，将作用在构件2上A 点处的反力R 12分解为n R 12和tR 12（方向先假设，用虚线画参见图5-a ），取∑B M =0，求出t R 12。

（a ） （b ）图4 动态静力分析取∑=0M B ，设M 逆时针为正，则ABI l I l tI l I l AB tl M h P h Q R M h P h Q l R 22221221212212 0-⋅⋅+⋅⋅-==+⋅⋅-⋅⋅+⋅μμμμ即●若tR 12的计算结果为正，表示图中tR 12的方向假设正确；若为负，表示tR 12的实际方向与假设相反。

7）以构件2、3为示力体，取∑=,0F 利用图解法求出nR 12和03R （参见图5-b ）●先画已知力，建议从P 开始，参照图5-b 顺序8）以构件3为示力体，取∑=,0F求出23R9）以构件1为示力体（图7-b ），（构件1的重力忽略不计），取∑=,0F求出01R ，再由∑0M =0，求出b M 。

●12R 由图5-b 求得（图中虚线）（a ） （b ）图7 求驱动力矩图6 求约束力6. 绘制力矩变化曲线b M =b M （φ）1）把b M =b M （φ）曲线作为d M =d M （φ）曲线（驱动力矩曲线）将同组同学所得30个b M 值，画在一张A4方格纸上，作出d M =d M （φ）曲线，参见图8。

● 注明比例和单位，本图不用画边框和标题栏，但要在右下方写明图名称和姓名 ●在本课程设计中，1ω的方向为顺时针，当b M 与1ω的方向相反时为正，画在横坐标的上方。

2）以b M 的平均值作为阻抗力矩r M （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0=∆=-E r d ωω（a ）首先求出下列各单元的面积（图8-a ）：●1f ，2f ……6f 表示各单元的面积（以φ轴为界），单位为mm 2,在横坐标之下为负值，在横坐标之上为正值。

（b ）求出阻抗力矩（r r M M =（））的纵坐标H ：)(654321mm Lf f f f f f H +++++=●H 的单位为毫米，当乘上比例尺bMμ之后为r M 之值。

图8 画驱动力矩变化曲线图8-a 通过面积求平均阻抗力矩（c ）根据求出的H 值，画出r M =r M （φ）阻抗力矩曲线（参见图8-b ，水平线）7. 飞轮转动惯量的确定●在本课程设计中，决定飞轮的转动惯量时，不考虑机构各构件的质量和转动惯量。

1）求出图8-b 中下列各单元的面积（以M r 为界）：'1f 、'2f 、'3f 、'4f 、'5f 、'6f 、'7f● 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面积表示亏功。

● 盈功为正，亏功为负值。

2）根据上面各单元的面积求相应的功Φ⋅⋅=μμd M f W '11 Φ⋅⋅=μμd M f W '22 Φ⋅⋅=μμd M f W '33Φ⋅=μμd M f W '44 Φ⋅=μμd M f W '55 Φ⋅⋅=μμd M f W '66 Φ⋅⋅=μμd M f W '77图8-b 画出平均阻抗力矩，计算飞轮转动惯量3）求出在各个位置上功的累积变化量W ∆=∆a W W 1（Nm ） =∆b W W 1+W 2（Nm ） =∆c W W 1+W 2+W 3（Nm ） =∆d W ……（Nm ） =∆e W …… （Nm ） =∆f W …… （Nm ）=∆g W ……（Nm ）根据上面各值找出=m ax W …… （Nm ） =min W …… （Nm ）4）求出最大盈亏功max W ∆max W ∆=min max W W -=……（Nm ）5） 根据许用不均匀系数[δ]，求出等效构件上所需的等效转动惯量： []()22maxm kg W J me ⋅∆=δω （6021n mπω=）6）确定飞轮的转动惯量：c F e J J J +=按题意： 不考虑各构件的质量和转动惯量∴ c J 忽略不挤 ∴e F J J ≈8. 计算发动机功率 )(7501602H 1HP n L N b M ⨯⨯⨯⨯⨯=Φμμ9. 凸轮的轮廓设计1）两凸轮的推程角均为60°，回程角均为60°，远休止角均为10°。