冲程内燃机机械原理课程设计说明书

机械原理课程设计说明书

四冲程内燃机设计

院（系）机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级××机械工程×班

学生姓名×××

指导老师×××

年月日

课程设计任务书

兹发给×××班学生×××课程设计任务书，内容如下：1．设计题目：四冲程内燃机设计

2．应完成的项目：

（1）内燃机机构运动简图1张（A4）

（2）内燃机运动分析与动态静力分析图1张（A3）

（3）力矩变化曲线图1张（A4）

（4）进气凸轮设计图1张（A4）

（5）工作循环图1张（A4）

（6）计算飞轮转动惯量

（7）计算内燃机功率

（8）编写设计说明书1份

3．参考资料以及说明：

（1）机械原理课程设计指导书

（2）机械原理教材

4．本设计任务书于20××年 1月4日发出，应于20××年1月15日前完成，然后进行答辩。

指导教师签发 201×年 12 月31日

课程设计评语：

课程设计总评成绩：

指导教师签字：

201×年1月15日

目录

摘要 (1)

第一章绪论 (2)

1．1 课程设计名称和要求 (2)

1．2 课程设计任务分析 (2)

第二章四冲程内燃机设计 (4)

2．1 机构设计 (4)

2．2 运动分析 (7)

2．3 动态静力分析 (11)

2．4 飞轮转动惯量计算 (16)

2．5 发动机功率计算 (18)

2．6 进排气凸轮设计 (18)

2．7 工作循环分析 (19)

设计小结 (21)

参考文献 (22)

摘要

内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。四冲程内燃机是将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，驱动从动机械工作，完成一个工作循环的内燃机。本课程设计是对四冲程内燃机的运动过程进行运动分析、动态静力分析，计算飞轮转动惯量、发动机功率等，设计一款四冲程内燃机。

关键词：四冲程内燃机；运动分析；动态静力分析

第一章绪论

1．1 课程设计名称和要求

1.课程设计名称：

机械原理课程设计，四冲程内燃机设计

2.课程设计要求：

（1）要有良好的学风及严格的纪律

（2）每位同学都要独立完成自己的设计任务。

（3）图面质量的要求

1）图幅、线型、标题栏等均要符合国标。

2）不用徒手画图，图纸上不能写有关的计算公式、计算结果。

（4）说明书要求

1）说明书不得涂改

2）说明书要有封面、任务书、评语、目录、正文、及参考资料等

3）封面、任务书、评语三项打印外，其余统一用A4打印。

（5）所有图纸要叠好（按4号图纸的大小），连同说明书一起装在档案袋内。（6）按规定时间来答辩。

（7）齿轮传动要按照无根切条件考虑。(采用变位齿轮)

课程设计任务分析

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。

3.动态静力分析

4.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的平衡力

M，完成动态静力分析图。运动分析与动态静力分析画在一张图中（A3）。

矩

b

5.计算并画出力矩变化曲线图1张（A4）。

J。

6.计算飞轮转动惯量

F

7.计算发动机功率。

8.用图解法设计进、排气凸轮，完成进气凸轮设计图1张（A4）。

9.绘制内燃机的工作循环图1张（A4）。

10.完成设计说明书（约20页）。

第二章 四冲程内燃机设计

2．1 机构设计

1.确定初始数据

活塞行程 H(mm) = 300 活塞直径 D(mm) = 190 推杆偏距 e(mm) = 50 行程速比系数 K = 连杆质心位置 lAC/LAB = 曲柄重 Q1(N) = 160 连杆重 Q2(N) = 130 滑块重 Q3(N) = 200 连杆通过质心轴2c 的转动惯性半径c ρ 2c ρ= （m 2m ） 曲柄转速 n1(rpm) = 610 发动机许用速度不均匀系数 [δ] = 进气凸轮推程 h1 = 9 进气凸偏距 e1 = 6 进气凸偏基圆直径 d01min = 50 进气门开放提前角 -10° 排气凸轮推程 h2 = 10 排气凸偏距 e2 = 8 排气凸偏基圆直径 d02min = 50 排气门开放提前角 -32° 速度、加速度、动态静力分析中对应点 A1

齿轮参数 m= mm 20=α 1=*a h 25.0=*c

2. 计算连杆及曲柄的长度

1）图解法求连杆和曲柄的长度

设曲柄长度为r 、连杆的长度为l ，活塞行程H 由已知数据知e= 50（mm ）H = 300（mm ）K=

r l OB -=∴I （极限位置1） r l OB += （极限位置2）

根据K 值求极位夹角：1

1

180+-?

=K K θ，已知K 值为，算得θ=° 如图2-1所示，借助SolidWorks 软件画出一条与活塞推程H 相等距离的水平线 B B I ，

在I B 点处作一点垂线，以 B 点为起点作一条线与垂线相交形成一个三角形，并使两条线的夹角等于°。再做一条水平线与 B B I 的距离为活塞偏置距e=50（mm ），以三角形斜边的中点为圆心，斜边距离的一半为半径作圆，O 为圆与水平线相交的点，连接I OB 、 OB ，则r l OB -=I ，r l OB +=

图2-1 图解法确定连杆和曲柄的长度

由此可得曲柄r 和连杆l 2）编程计算、校核 设计原理：

如图2-2所示，设曲柄长度为r 、连杆的长度为l ，活塞行程H

r l OB -=∴I （极限位置1）

r

l OB += （极限位置2）

θ∴ 可求

=2

2)()(DE CD OC -- =22)cos (e R R --θ

联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l 及曲柄的长度r 。 利用Labview 编程软件制作程序如图2-3，所示具体结果如图2-4所示

图2-3 Labview 程序 图2-4 Labview 程序前面板

3. 绘制内燃机的机构运动简图。

由初始数据可知齿轮的参数如表2-1所示

表2-1齿轮参数

齿数 模数m 分度圆直径 变位系数

基圆直径

齿顶圆直径

齿根圆直径

分度圆上的齿厚

公法线长

Z 1

36

126 Z 2、Z'2 14 49 Z 3、Z'3 72

252

利用SolidWorks 软件画出机构简图如图2-5所示图2-5 机构简图

运动分析

1、速度分析

（1）在CAD 中新建一个零件图，在任意处以曲柄长度r 画一个圆，圆心为O ，以圆心为起点，r 为长度画一条直线，与圆O 交于点A ，再画一条无限长度竖直线，以A 为起点画线与竖直线相交于点B ，长度为l ，一个简易的机构运动简图就完成了。在简图上定出当OA 与AB 共线和垂直的四个点，并以上共线点在圆上阵列出12个点，此时圆上共有15个点。如图2-6所示。

图2-6 运动简图

（2）图解法求速度 作出速度方程式如下：

方向： ↓ OA ⊥ AB ⊥ 大小： OA l 1ω

图2-7 速度矢量三角形

如图2-7所示，在SolidWorks 中任取一点p 作为速度极点。从点p 出发做代表A V 的矢量pa(OA ⊥且v A V pA μ/=)，再分别过点a 和p 做代表BA V 的方向线ab （AB ⊥），代表B V 的方向线pb(竖直方向），两者相交于点B ，在线段ab 上截出一点C ，使得ab ac l l /=，c

点即为连杆的质心点，连接pc ，则pc 的长度即为2c V 的大小。赋予速度矢量三角形一些约束，则速度矢量三角形可跟着机构运动简图的运动而变化，(100:1=v μ)

则

ab V v BA μ=，pb V v B μ=，pc V v c μ=2

连杆的角速度则为

在运动分析图中将曲柄移动一个点，记录一组数据，数据如表2-2所示(S 为连杆上端点与活塞推程最高点的距离)。

表2-2 各点速度

根据速度表格中的数据绘出S 的曲线如图2-8所示，绘出B V 的曲线图如图2-9所示。

图2-8 S 曲线图 图2-9

B V 曲线图

2、加速度分析

（1）列出加速度的方程式

方向： ↓ O A → A B → AB ⊥

大小： OA l 21ω AB l 2

2

ω 在SolidWorks 中任取一点'p 作为加速度极点。从点'p 出发作代表A a 的矢量''a p （由机

构图上的点A 指向点O ，且a

A

a a p μ=

''）；再过点'a 和'p ，作代表

a

n BA

（

t ''b a ⊥

n ''b p 10000:1=a μ

B a 塞上的气体压力求解

运用公式 F p P i ?=' （N ） （i p 数值查附表一可得）

F —活塞的面积（cm ）

）（cm 2

22

????

??=D

F π

根据附表一表中的数据找到对应的i p ，所以F p P i '

μ=（N ）

由原始数据已知连杆重量2Q ，活塞重量3Q ，上面所求得的2c a ，B a ，然后求出作用于构件上的惯性力

2I P =2

2c a m ?- （N ） B

I a m P ?-=33 （N ）

可以求出，活塞上所受合力的大小及方向

4）已知连杆重量2Q ，上面所求的2α，2c ρ=2

15.0AB l ，即可求作用于构件上的惯

性力矩

222C

C m J ρ?= （Kg ·m 2

）（见原始数据） 222J M αC I -= （N ·m ）

5）以构件2、3为示力体，将作用在构件2上A 点处的反力R 12

分解为n R 12和t

R 12（方

向先假设），取∑

B

M

=0，求出t

R 12。如图2-14，用图解法求出h 1，h 2取∑=0M B ，

设M 逆时针为正，则

图2-14 示力图

6）以构件2、3为示力体，取

∑=,

0F 利用图解法求出n

R 12和03R ，画受力分析图

如图2-15,用矢量法解得n

R 12，03R ，12R

图2-15受力分析矢量图

7）以构件3为示力体，对滑块进行受力分析如图2-16

图2-16滑块受力分析图

8）以构件1为示力体（构件1的重力忽略不计），取∑=,0F

求出01R ，再由

∑0

M

=0，求出b M 对曲柄做受力分析如图2-17 ，量得3h ，又2112R R =

321b h R ?=M

图2-17曲柄力矩图

上述要求的数据可以通过原始数据与已经求的数据通过excel 表格求得如下表格2-4所示

表格2-4 动态静力分析各点数据

飞轮转动惯量计算

1.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）

将所得30个b

M 值，在A3图纸上画出去变化曲线，即

d M =d M （φ）曲线，如

图2-18

图2-18力矩变化曲线图

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，

首先，根据图2-16用CAD 直接得出图中各个区域内的面积，如表2-5所示

表2-5力矩各区域面积

根据已知数据求阻抗力矩（r r M M =

)(6

54321mm L

f f f f f f H +++++=

=（mm ）

根据求出的H 值，画r M =r M （φ）阻抗力矩曲线，如图2-19所示

图2-19 阻抗力矩曲线

以H 为界，H 以上为盈功，以下为亏功。且盈功为正，亏功为负值,用CAD 求各部分面积，所得数据如表2-6。

表2-6阻抗力矩曲线各区域面积

根据上面各区域的面积，用公式

Φ

??=μμd M f W 'i i ，求对应的功得：

3）根据上面数据，求在各个位置上功的累积变化量W ?

=?a W 1W = =?b W 1W +2W = =?c W 1W +2W +3W = =?d W 1W +2W +3W +4W = =?e W 1W +2W +3W +4W +5W = =?f W 1W +2W +3W +4W +5W +6W = =?g W 1W +2W +3W +4W +5W +6W +7W =

所以，根据上面数据可得

=m ax W （Nm ） =min W （Nm ）

从而得到最大盈亏功max W ?

max W ?=min max W W -= （Nm ）

根据许用不均匀系数[δ]，求等效构件上所需的等效转动惯量：

已知 []δω2

m ax

m

e W J ?=

（60

21

n m πω=

），[]012.0=δ

从而得到εJ =（kg*m 2

）

飞轮的转动惯量：c F e J J J +=不考虑各构件的质量和转动惯量

∴ c J 忽略不计

∴ e F J J ≈=（kg*m

2

）

发动机功率计算

由公式)(750

1602

H 1HP n L N b M ??

???=

Φ

μμ，H=,L=，b M μ=100，φμ= ，

1n =610，

解得N=

进排气凸轮设计

已知：两凸轮的推程角均为60°，回程角均为60°，远休止角均为10°。查表知，进气凸轮的行程h=9mm , 偏距e=6mm , 基圆半径r=50mm; 排气凸轮的行程h=10mm , 偏距e=8mm , 基圆半径r=50mm 。

然后用CAD 绘图：先画基圆和偏距圆，然后设定推杆初始位置，再把基圆等分为36个点，一点10度，根据已知要求，从初始位置开始逆时针方向依次过等分点画相切与偏距圆的点，按照要求每转过十度推杆上升一定高度，具体数值如表2-7把描好的点用曲线光滑连接。然后把推杆的滚轮画上,将原轨迹放缩，就得到了凸轮的运动图，画出的凸轮如下图 (图2-20为进气凸轮，图2-21为排气凸轮） 。

表2-7 凸轮设计数据

图2-20进气凸轮 图2-21排气凸轮

工作循环分析

1.绘制内燃机工作循环图

设计要求：采用直线式运动循环图。

已知升程角?60，回程角?60，远程角?10，进气门的开放提前角为?10-，排气门的

开放提前角为?32-，按照要求在曲柄转两周的情况下凸轮转一周，分别进行进气、压缩、膨胀、排气四个过程，设计图如图2-22

图2-22内燃机工作循环图

设计小结

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。在本次课程设计中还进一步对CAD、SolidWorks、Excel的了解，认识到在做事时每一步都不能掉以轻心，否则将会前功尽弃或要从头再来。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考文献

【1】陈周娟，送瑞银，李虹.机械原理.第1版武汉：华中科技大学出版社，2013.【2】陈锦昌，刘林. 机械制图北京：高等教育出版社，