单缸四冲程内燃机机构设计及其运动分析报告

机械原理课程设计说明书题目：单缸四冲程内燃机机构设计及其运动分析

二级学院机械工程学院

年级专业机械制造及其自动化

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目录

第一部分绪论 (1)

第二部分课题题目及主要技术参数说明 (2)

2.1 课题题目 (2)

2.2 机构简介 (2)

2.3设计数据 (3)

第三部分设计内容及方案分析 (6)

3.1曲柄滑块机构设计及其运动分析 (6)

3.1.1设计曲柄滑块机构 (6)

3.1.2曲柄滑块机构的运动分析 (8)

3.2 齿轮机构的设计 (12)

3.2.1 齿轮传动类型的选择 (12)

3.2.2 齿轮传动主要参数及几何尺寸的计算 (13)

3.3 凸轮机构的设计 (14)

3.3.1 从动件位移曲线的绘制 (14)

3.3.2 凸轮机构基本尺寸的确定 (15)

3.3.2 凸轮轮廓曲线的设计 (16)

第四部分设计总结 (18)

第五部分参考文献 (19)

第一部分绪论

内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。但是内燃机一般使用石油燃料，同时排出的废气中含有害气体的成分较高。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。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。它是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入汽缸内部的高压燃烧室燃烧爆发产生动力。这也是将热能转化为机械能的一种热机。

第二部分课题题目及主要技术参数说明

2.1 课题题目

单缸四冲程内燃机机构设计及其运动分析

图2-1内燃机机构简图

2.2 机构简介

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。

广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。

活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。

常见的有柴油机和汽油机，通过将内能转化为机械能，是通过做功改变内能。

内燃机的工作原理：

让燃料在机器内燃烧产生热量向外界传输机械能。四冲程汽油机是由进气、压缩、作功和排气完成一个工作循环的。

吸气冲程：活塞下行形成气缸内压力小于于大气压的差，这个压力差俗称真空度，由于真空度的存在使机器外的空气进如气缸。当活塞下行到最后位置进气阀门关闭吸气冲程完成。在机器运转中由于速度的关系在吸气冲程完成时气缸内的气压是大于大气压的，在设计上设置了一个进气门关闭的延迟时间就是为了提高进气量。

压缩冲程：吸气冲程完成后活塞上行压缩空气达到一定温度使燃料燃烧，此时有两种情况，一种是外界给于点火，另一种是压缩到一定时候使其自燃.

做功冲程：压缩后燃烧的空气使活塞下行从而将热能转换成机械能，这种是通过连杆活塞组和曲轴实现的，在高温高压的燃气的作用下推动活塞下行通过连杆使曲周做圆周运动，这个圆周运动就是人们所需要的机械能，其能量同过于曲轴连接的设备输出，其中一部份转换成势能储存在与曲轴相连的飞轮中，这个势能以飞轮惯性旋转的形式释放为内燃机的吸气，压缩，排气这三个冲程提供能量。

排气冲程：在飞轮惯性的驱动下活塞上行将燃烧后的废气从打开的排气阀门中排出，当活塞行至上终点位置时整个内燃机的工做循环完成，在飞轮惯性的作用下将开始新的一轮工作循环

2.3设计数据

1、曲柄滑快机构设计及其运动分析

已知：活塞冲程H，按照行程速比系数K，偏心距e,,柄每分钟转数n1

设计数据表2-1

设计数据表2 -2

位置编号 2 8

曲柄位置（o）60o240o

-

图2 曲柄位置图

学生编号33 位置编号 2 8

2、齿轮机构设计

已知：齿轮齿数Z1，Z2，模数m，分度圆压力角α，齿轮为正设计内容齿轮机构设计

符号Z1 Z2 i m a α'

数据15 45 3 4 120 120 3、凸轮机构设计

已知：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′，从动件按余弦加速度运动

规律运动。

第三部分 设计内容及方案分析

3.1曲柄滑块机构设计及其运动分析

已知：活塞冲程H ，按照行程速比系数K ，偏心距e ，柄每分钟转数n1

表3-1设计数据表

设计内容 曲柄滑块机构的设计 符号 H （mm ） e （mm ） K n 1（r/min ） 符号

215

55

1.05

650

3.1.1设计曲柄滑块机构

以R ，L 表示曲柄、连杆的长度，e 表示曲柄回转中心与滑块移动导路中线的距离，即偏距；H 表示滑块的最大行程；K 为行程速比系数,θ为极为夹角。

左图为过C1，C2，P 三点所作的外接圆。半径为r ，其中C1，C2垂直C2P ,∠C1PC2=θ,C1，C2为滑块的两极限位置，A 为圆上的一点，它至C1，C2的距离为偏距e ，即A 为曲柄的回中心。曲柄回转中心A 的位置。为了能够满足机构连续性条件，A 点只能在右图所示的C2AP 上选取，而不能在pt （p 、

t 为滑块处于两极限位置 图 3-1 C1，C2时，导路 的垂线与C1C2P 圆周的交点）上选取。 由已知条件可以求出曲柄和连杆的长度:

()39.41

1180=+-=

K K

θ

○

1

○

2

由○

1○2得： θsin e 22H

R L =

- ○3

)

(2)(2)

)((2)()(222222

22cos R L H R L R L R L H R L R L --+-+--++=

=

θ○

4 由○

3○4得： mm 106sin 4sin e 2-cos e 22==

+θ

θ

θ H H H R

mm 407sin 4sin e 2cos e 22=++=

θ

θ

H H H L

可得R=106mm ，L=407mm 。按此比例作出曲柄滑块机构的运动简图如图3-2所示。

图3-2机构运动简图

θθβsin sin 22r 2sin H

R L H

R

L R L -=-=

-=

R

L +=

e

sin β

3.1.2曲柄滑块机构的运动分析 1.解析法分析滑块的运动

位移分析：由上图可根据曲柄滑块简图及几何知

L

e

-sin sin ?R ECB =

∠ 故()2

2

e -sin 1cos L R ECB ?-

=

∠

=()L

R L 2

2e -sin ?-

则()22

e -sin cos cos cos ???R L R ECB L R S -+=∠+=

位移s 数据表3-2

速度分析：

()222e -sin 2cos e 2-2sin -sin -dt ds ??ω?ω?ωR L R R R V -==

加速度分析：

()()()[]2

3222222222e -sin 4cos e 2-2sin R e -sin sin e 2cos 2--cos -dt dv a ??ω?ω??ω?ω?ωR L R R L R R R --+== 2.图解法分析机构的二个瞬时位置

利用图解法作机构的两个瞬时位置的速度和加速度多边形 已知曲柄滑块机构的尺寸及2个位置，构件1的转速n1，用图解法求连杆的角速度w2及角加速度α2滑块上C 点的速度和加速度。 a 曲柄位置：

（1）曲柄位置为60°位置图 取μl = 5（mm/mm ）

图3-3曲柄位置图

?=150°

（2）速度多边形图

v μ=0.2(m/s)/mm

已知 68rad/s =2ππ=W 11

s R W V B /m 2.71

== CB B V V V +=c 方向 √ √ √

大小 ？ √ ？

由图3-4可知 图3-4 速度多边

形 s m bc V s

pc V v CB /4.3/m 6.6c v =?=?==μμ

（3）加速度多边形 a μ=10()

mm s m 2

/

t CB

n CB t B n B c n CB B CB

a a a a a s m L a s R L

v +++=======/4.28/m 490a s

/rad 354.8222

21n 2ωωω

图3-5加速度多边形 方向 √ √ √ √

大小 ？ √ 0 √ ?

由图3-5可知： 2.2

/421''/235''.s m c n a s m c p a t a t CB a c ====μμ

b.曲柄位置

（4）曲柄位置为240°的位置图取 μl = 5（mm/mm ）

图3-6曲柄位置图

（2）速度多边形

v μ=0.2(m/s)/mm

CB B V V V +=C

大小 ？ √ ？ 方向 √ √ ？

图3-7速度多边形

由图3-7可知：

s

m bc V s

m pc V V CB C /8.3/98.4===?=μμ

（3）加速度多边形 a μ=10()

mm s m 2

/

CB

n CB t B n B c n CB CB

a a a a a s m L a L

V +++=====/48.35s

/rad 337.9222ωω

图3-8加速度多边形 方向：√ √ 0 √ ？

大小：√ √ √ √

由图3-8可知：

3.2 齿轮机构的设计

已知：齿轮齿数Z1,Z2,模数m ，分度圆压力角α，齿轮为正常齿制，在闭式润滑油中工作。 设计数据表3-3

设计内容 齿轮机构设计 符号 Z1 Z2 i m a a' 数据 15

45

3

4

120

120

3.2.1 齿轮传动类型的选择 由最小变位系数，X min =

min

min Z Z Z ）（-h a *

，其中Z min =17则有：

2

22.2

/66.1093/445''/360''.s rad t

a a s m c n a s m c p a t

CB a t

CB a c ======μμ

X 1≥

1715

17-=0.118 X 2≥17

45

17-=-1.647

选择等变位齿轮传动则： X 1=-X 2 X 1+X 2=0 取X 1=0.118 X 2=-0.118

X 1+X 2=0且X 1=-X 2≠0。此类齿轮传动称为等变位传动。由于X 1+X 2=0,故:

a ’= a ， α’=α , y=0,Δy=0

即其啮合角等于分度圆压力角中心距等于中心距节圆与分度圆重合，齿顶圆不需要降低。对于等变位齿轮传动为有利于强度的提高，小齿轮应采用正变位，大齿轮采用负变位，使大﹑小齿轮的强度趋于接近从而使齿轮的承载能力提高。 3.2.2 齿轮传动主要参数及几何尺寸的计算

已知：齿轮齿数Z 1=15,Z 2=45,模数m=4，分度圆压力角α=20。，齿轮为正常齿制，在闭式润滑油池中工作

齿轮m=4＞1，且为正常齿制故h a *=1，c *=0.25 由等变位齿轮传动可知α’=α=20。 a=a=120 齿轮各部分尺寸表3-4

3.3 凸轮机构的设计

已知：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’，从动件按余弦加速度运动规律运动。

设计数据表3-5

3.3.1 从动件位移曲线的绘制

从动件推杆的位移随凸轮转角δ的变化而变化，分为四个过程分别是推程，远休止，回程，近休止。

从动件按余弦加速度运动规律运动，则其推程时的位移方程为：

S=2

]cos -h[1δ0

πδ 其回程时的位移方程为： S=

2

]cos h[1δ0'

πδ

以从动件开始上升的点位δ=0o，s=0

据此计算得

δ（单位：o）s（δ）（单位：mm）δ10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 s 2.4 8.6 16.4 22.6 25 25 22.6 16.4 8.6 2.4 0 则从动件位移曲线图如下：

其中h=25，δ0=50，δ01=10，δ0’=50，δ02=250

δ（单位：o）s（δ）（单位：mm）

图3-9

3.3.2 凸轮机构基本尺寸的确定

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。如右图所示，从动件的盘形机

构位于推程的某位置，上法线n—

n与从动件速度V B 夹角为轮廓在B

点的压力角，p点为凸轮与从动件的

相对速度瞬心。

故 V P = V = W

图

3-10 从而有

OP =

1

w v =

d δ

ds

又由图中的三角形ΔBCP 可得 tan α=S S OP +0=s r0d δ

ds

+

则基圆半径的计算公式：s

r tan 0

d ds

-=

α

δ

将s=是（δ）o 15,=δdt ds 和α=[α] 代入上式

计算得出：r 0 ≥66.4mm ，取r 0=80mm ，滚子半径选取r r =10mm 。 3.3.2 凸轮轮廓曲线的设计 根据反转法建立直角坐标系。

(1)以r 0为半径作基圆取从动件初始位置，自B0起沿-w 方向将基圆中心角分为δ0，δ01，δ0’，δ02对应四段圆弧，并将δ0，δ0’对应弧进行五等分。在从动件位移曲线图上量取各相应的行程以此为半径并分别以基圆上的1，2，......，10，11点为圆心作弧，令其与各等分点相交于B1，B2,......B10,B11点，用光滑曲线连接各点，所得封闭曲线便是凸理论轮廓曲线。

(2)在凸理论轮廓曲线基础上，以滚子半径为偏移量作出其等距曲线，即为滚子从动件凸轮工作轮廓曲线。 凸轮轮廓曲线如下：