四冲程内燃机设计说明

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的平衡力M（每人负责完成5～6个位置），完成动态静力分析图1张（A1）。

矩

b

4.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*=C

2Z ='

2Z =14； 3Z ='3Z =72 ；1Z =36

2. 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H

r l OB -=∴I （极限位置1）

r l OB += （极限位置2）

11

180+-?

=K K θ θ∴ 可求

θ

sin 2H

CB R I =

=

22)()(CE OC OE -=

=22)()(DE CD OC -- =22)cos (e R R --θ

)1()(22----------------+=+e OF r l

2

H OE OF +

= OC

OE

1

sin -=α θαδ-=

)2(2

sin

2-------------------=-δ

R 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）

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。

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（mm

s

m 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 t

BA 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

2

22C 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）

● 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t

R 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 ）

取∑=0M B ，设AB

I l I l t I l I l AB t

l M h P h Q R M h P h Q l R 2

2221221212212 0

-??+??-==+??-??+?μμμμ即

●

若t

R 12的计算结果为正，表示图中t

R 12的方向假设正确；若为负，表示t

R 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n

R 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23R

9）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 ）

6. 绘制力矩变化曲线b M =b M

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 =（φ））的纵坐标H ：

)(6

54321mm L

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

H 的单位为毫米，当乘上比例尺

b

M

μ之后为

r M 之值。

（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 '33 Φ?=μμd M f W '44

Φ?=μμd M f W '55 Φ??=μμd M f W '66 Φ??=μμd M f W '77

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： []

()2

2max

m kg W J m

e ??=δω （60

21

n m

πω=

）

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 )(750

1

602

H 1HP n L N b M ??

???=Φ

μμ

9. 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°。 2）分别选择两凸轮推程和回程的运动规律。 3）用图解法设计凸轮的轮廓（A3）。

●

需画出δ-s 曲线与凸轮的轮廓曲线。

10. 绘制内燃机工作循环图

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协调配合工作的循环图（A4）。

●

为了保证机械在工作时各执行构件间动作的协调配合关系，在设计机械时应编制出用

以表明机械在一个工作循环中各执行软件运动配合关系的工作循环图（也叫运动循环图）。 ●

在编制工作循环图时，要从机械中选择一个构件作为定标件，用它的运动位置（转角或位移）作为确定其他执行构件运动先后次序的基准。

●

本图中曲柄的位置是指在机构运动简图中所画的曲柄位置，两图要统一。

11. 补画进、排气凸轮，完成机构运动简图。

● 凸轮推程的起点必须与工作循环图中所求得的位置相对应，不能随意画。要确保曲柄连杆转到进气（或排气）位置时，进气（或排气）阀已经提前开启。 ●

凸轮的推程、远休、回程等角度要与凸轮的轮廓设计相对应。

12. 将设计过程整理，写成20页左右的详细说明书。

附表1：各组初始数据

. 专业.专注.

附表1续：各组初始数据

单位：mm

. 专业.专注.

. 专业.专注.

. 专业.专注

.

附表2：示功图、表 单位：mm

附表3：组内成员分工

6人一组数据分配

5人一组数据分配

. 专业.专注.

. 专业.专注.

附表4：课程设计进程表

附图1：四冲程内燃机

四冲程内燃机机构运动简图比例：1：4