2021年单缸四冲程柴油机

课程设计说明书

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实习（训）报告评语

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河南工程学院

实习（训）报告

实训目的（内容）：

实习时间：自月日至月日

共天

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实习单位：

指导老师：系主任：

目录

一、机构简介与设计数据

1 机构简介 (1)

2 设计数据 (2)

二、设计内容及方案分析

1 曲柄滑块机构的运动分析（6）

2 曲柄滑块机构的动态静力分析（11）

3 齿轮机构的设计（12）

4 凸轮机构的设计（13）

附：齿轮啮合图的绘制（17）

三、心得体会（21）

四、主要参考文献（22）

一、机构简介与设计数据

1. 机构简介

柴油机（图1，a）是一种内燃机，它将燃料燃烧时所产生的热能转变为机械能。往复式内燃机的主体机构为曲柄滑块机构，以汽缸内的燃气压力推动活塞3经连杆2而使曲柄1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，汽缸内的压力变化可由示功图(用示功器从汽缸内测得，见图1，b)表出，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作一简单介绍：

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，汽缸内指示压力略低于1大气压力，一般以1大气压力计算，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 。

膨胀（作功）冲程：在压缩冲程终了时，被压缩的空气温度已超过柴油自燃的温度，因此，在高压下射入的柴油立刻爆炸燃烧，气缸内压力突增至最高点，燃气压力推动活塞下行对外作功，曲柄转角θ=360?→540?，随着燃起的膨胀，汽缸容积增加，压力逐渐降低，如图上c →b 。

排气冲程:活塞上行，曲柄转角θ=540?→720?.排气阀开，废气被驱出，气缸内压力略高于1大气压力，一般亦以1大气压力计算，如图上的b →a 。

进排气阀的启闭是由凸轮机构控制的，图1，a 中y-y 剖面有进排气阀各一只（图中只画了进气凸轮）。凸轮机构是通过曲柄轴O 上的齿轮z 1和凸轮轴O 1上的齿轮z 2来传动的。由于一个工作循环中，曲柄轴转两转而进排气阀各启闭一次，所以齿轮的传动比

21

2

2112===

z z n n i 。 图1

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作功的，其余的三个冲程则需依靠机械的惯性带动。因此，曲柄所受的驱动力不是均匀的，所以其速度波动也较大。为了减少速度波动，曲柄轴上装有飞轮（图上未画）。

2.设计数据

见表1，2，3。

1）曲柄滑块机构的运动分析

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，作机构三个位置的加速度和加速度多边形，并作出滑块的运动线图。以上内容与后面动态静力分析一起画在1号图纸上（参考图例1）。

表1s

′[]

图2

曲柄位置图的作法如图2所示，以滑块在上止点时所对应的曲柄位置为起始位置（即θ=0?），将曲柄圆周按转向分成十二等分得12个位置1→12，12?(θ=375?)为汽缸指示压力达最大值时所对应的曲柄位置，13→24为曲柄第二转时对应各位置。

2）曲柄滑块机构的动态静力分析

已知 机构各构件的重量G ，绕重心轴的转动惯量J S ,活塞直径D A ，示功图数据（表2）以及运动分析所得的各运动参数。 要求 确定机构两个位置（同运动分析）的各运动副反力及曲柄上的平衡力矩M y 。以上内容作在运动分析的同一张图纸上（参考图例1）。

3）飞轮设计

已知 机器的速度不均匀系数δ，曲柄轴的转动惯量1

S J 、凸轮

轴的转动惯量1

O J 、连杆2绕其重心轴的转动惯量2

S J ，动态静力分

析求得的平衡力矩M y ；阻力矩M c 为常熟。

要求 用惯性力法确定安装在曲柄轴上的飞轮转动惯量J F 。以上内容，作在2号图纸上（参考图例2）。 注意：该部分内容为选作内容。

4）齿轮机构设计

已知齿轮齿数、模数m、分度圆压力角α；齿轮为正常齿制，

在闭式的润滑油池中工作。

要求选择两轮变位系数，计算齿轮各部分尺寸。用2号图纸

绘制齿轮传动的啮合图。

表2

表3

5.凸轮机构设计

[]α和[]α?，推已知从动件冲程h，推程和回程的许用压力角

程运动角φ，远休止角sφ，回程运动角φ?，从动件的运动规律（图3）。

要求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。以上内容，作在2号图纸上。

图3

二 设计内容

1、曲柄滑块机构的运动分析 1）根据已知数据，取mm

m

2

L μl （以大图为准，这里只是示意），画机构运动简图。

2）运动分析

设曲柄长为OA L ，连杆长为AB L ，由表1可得， λ=AB L /OA L =4,

H=(AB L +)-(AB L -OA L )=120mm.

解得 OA L =60mm ，AB L =240mm 。

OA L =60mm

AB L =240mm

设计计算及说明

计算数据

由图4可知

b a

p 图5 11号点位速度分析图

由图5可知

设计计算及说明 计算数据

s

/18.3rad l v s m 9.2l v ab BA 122pb v 10B ===?=ω，μs /rad 53l v s m 5.7l v ab

BA 11pb v 11

B

===?=AB

ω

，μs

m 9.2v 10

B

=s

m 5.7v 11B

=

m

s

/s

2、曲柄滑块机构的动态静力分析

1) 受力分析

对10，11，12号点位进行受力分析，分别为图9（a ）

（b ）（c ）

（a ）10号点 （b ）11号点 （c ）12号点

图9 受力分析

2）计算活塞上的气体压力

设计计算及说明 计算数据

N D p P N D p P N D p P i

i i

274894153154510542

h

12'122

h 11'112

h

10'

10=?==?

==?=π，π，π3

3→

→

+G p i 3

3→

→

+G p i →'

P

→'

P

→'

P

43

→

R 43

→

R 43

→

R 2i M →

2i M →

2i M →

2

→

G 2

→

G 2

→

G →t R

12

→t R

12

→n R 12→n R

12

→

12

R N

P N P N P 27489153155105'12'

11'

10===，，

附录：

齿轮啮合图的绘制

齿轮啮合图是将齿轮各部分尺寸按一定的比例尺画出轮齿啮合关系的一种图形。它可直

观地表达一对齿轮的啮合特性和啮合参数，并可借助图形作某些必要的分析。

一、渐开线的画法

渐开线齿廓按渐开线的形成原理绘制，如图4所示。以小齿轮廓线为例，其步骤如下:

1)按公式计算出各圆直径d b 、d 、d ′、d f 及d a ，画出各相应的圆

。

图11

2)连心线与节圆的交点为节点P 。过P 点作基圆之切线，与基圆相切于N1，，则p n 1即为理论啮合线的一段，也是渐开线发生线的一段。

3)将p n 1线段分成若干等分:1p 、12、 23…

图12

4)根据渐开线的特性N 1 O ′＝p n 1，因弧长不易测量，可按下式计

算

N 1

O

′

所

对

应

的

弦

长

,1o n

,1O N ???

?

??=π01180sin b b d p n d （1）

按此弦长在基圆上取O ′点。

5)将基圆上的弧长N 1O'分成同样等分得基圆上的对应分点1'、2'、3'。

6)过点1'、2'、3'作基圆的切线，并在这些切线上分别截切线段，使得p 111,,,=

p 222,,,=、 p 333,,,=。得1"、2"、3"诸点。光滑连接0′、1"、2"、3"

各个点的曲线即为节圆以下部分的渐开线。

7)将基圆上的分点向左延伸，作出5′、6′、7′…，取

p 1555,,,?=，p 1666,,,?=…，可得节圆以下渐开线各点5"、6"…直至

画到齿顶圆为止。

8)当d f d b 时，在渐开线与齿根圆之间直接画出过渡圆角。 二、啮合图的绘制步骤

1)选取比例尺μL (mm/mm)，使齿全高在图样上有30-5Omm 的高度为宜。定出齿轮中心01 、02如图所示。分别以01、02为圆心作出基圆、分度圆、节圆、齿根圆、齿顶圆。

2)画出工作齿廓的基圆内公切线，它与21O O 连心线的交点为节点P ，又是两节圆的切点，内公切线与过P 点的节圆切线间夹角为啮合角α′t 。，应与按式(1)计算之值相符。

3)过节点p 分别画出两齿轮在顶圆与根圆之间的齿廓曲线。 4)按已算得的齿厚和齿距P 计算对应弦长S 和P 。

S ???

? ??=π

180sin d s d ……(2) p ???

? ?

?=π

180sin d p d ……(3) 按S 和p 在分度圆上截取弦长得A 、C 点，则弧AB=s,

弧AC=P （见图12）

5)取AB 中点D,连01、D 两点为轮齿的对称线。用描图纸描下对称线右半齿形以此为模板画出对称的左半部分齿廓及其他相邻的3~4个齿廓。另一齿轮的作法相同。

6)作出齿廓工作段。B 1、B 2为起始与终止啮合点，以01为圆心

21B O 为半径作圆弧交齿轮1齿廓于b 1点，则从b 1点到齿顶圆一段齿廓

为齿廓工作段。同理可作出齿轮2的齿廓工作段。

7)画出两齿轮啮合过程中的滑动系数变化曲线。滑动系数计算公为

???

? ?

?-+

=x l

l z z 112

11η…… (4) ???

? ??--+=

x

l l l z z 1212η……(5) 图13