機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)(華南理工)

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題目：四沖程內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)學(xué) 院 專 業(yè) 機(jī)械電子工程 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 課程編號(hào) 課程學(xué)分 2.0 起始日期 2015.1. 5 -2015.1.16 教師評(píng)語(yǔ)一、設(shè)計(jì)過(guò)程 嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真 較認(rèn)真 不認(rèn)真二、設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)計(jì)算過(guò)程 完整 基本完整 不完整計(jì)算結(jié)果 正確 基本正確 錯(cuò)誤多書(shū)面撰寫(xiě) 規(guī)范 較規(guī)范 不規(guī)范三、設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)內(nèi)容 齊全 較齊全 不齊全制圖水平 規(guī)范 較規(guī)范 不規(guī)范圖面質(zhì)量 優(yōu)良 良好 中等 較差四、綜合設(shè)計(jì)能力 強(qiáng) 一般 較差五、答辯 清晰 基本清晰 不清晰 教師簽名： 日 期：成績(jī)?cè)u(píng)定成績(jī)： 優(yōu) 良 中 合格 不合格備注 【目錄】一、 四沖程內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動(dòng)分

2、析及總體設(shè)計(jì)思路 1二、 繪制內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（A4） 2三、 繪制連桿機(jī)構(gòu)位置圖（A2） 2四、 繪制機(jī)構(gòu)15個(gè)位置的速度及加速度多邊形（A2） 3繪制滑塊B的位移曲線、速度曲線及加速度曲（A2） 3五、 動(dòng)態(tài)靜力分析（A1） 6六、 計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)構(gòu)件質(zhì)量） 11七、 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率 14八、 對(duì)曲柄滑塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)部分平衡 15九、 通過(guò)編程設(shè)計(jì)凸輪 16十、 繪制內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)圖（A4） 23十一、 心得體會(huì) 23 一、 四沖程內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析及總體設(shè)計(jì)思路 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，我們需要解決以下問(wèn)題：凸輪的參數(shù)是多少？如何能讓機(jī)構(gòu)正常循環(huán)工作？為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)從運(yùn)動(dòng)及

3、力學(xué)的角度分析。 首先，需要明確四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作原理：內(nèi)燃機(jī)是通過(guò)吸氣、壓縮、燃燒、排氣四個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行的。如果在四個(gè)沖程里完成吸氣、壓縮、做功（燃燒、膨脹）、排氣的循環(huán)動(dòng)作，就叫做四沖程。相應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)叫四沖程內(nèi)燃機(jī)。 第一沖程，即吸氣沖程。這時(shí)曲軸向下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞向下，同時(shí)通過(guò)齒輪帶動(dòng)凸輪向下旋轉(zhuǎn)，是凸輪的突起部分頂開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén)，霧狀汽油和空氣混合的燃料被吸入氣缸。第二沖程，即壓縮沖程。曲軸帶動(dòng)活塞向上，凸輪的突起部分已經(jīng)轉(zhuǎn)兩個(gè)過(guò)去，進(jìn)氣閥門(mén)被關(guān)閉，由于凸輪只轉(zhuǎn)了周，所以排氣閥門(mén)仍然處于關(guān)閉狀態(tài)?；钊蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí)，將第一沖程吸入的可燃?xì)怏w壓縮，被壓縮的氣體的壓強(qiáng)達(dá)到0.61.5兆帕，溫度

4、升高到300攝氏度左右。第三沖程是做功沖程。在壓縮沖程末火花塞產(chǎn)生電火花，混合燃料迅速燃燒，溫度驟然升高到2000攝氏度左右，壓強(qiáng)達(dá)到35兆帕。高溫高壓煙氣急劇膨脹，推動(dòng)活塞向下做功，此時(shí)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)半周而凸輪轉(zhuǎn)過(guò) 周，兩個(gè)氣閥仍然緊閉。第四沖程是排氣沖程。由于飛輪的慣性，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，使活塞向上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)由于凸輪頂開(kāi)排氣閥，將廢氣排出缸外。四個(gè)沖程是內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)，活塞往復(fù)兩次，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)兩周，進(jìn)排氣閥門(mén)各開(kāi)一次。1 .1 已知條件： 活塞行程 H=215 (mm) 活塞直徑 D170（mm）活塞移動(dòng)導(dǎo)路相對(duì)于曲柄中心的距離 e45 (mm)行程速比系數(shù) K1.054 連桿重心C至A點(diǎn)的

5、距離 0.35× 曲柄重量 150 (N)連桿重量 120 (N)活塞重量 200（N）曲柄的轉(zhuǎn)速 600 (rpm)連桿通過(guò)質(zhì)心C的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性半徑 0.16 ()發(fā)動(dòng)機(jī)的許用速度不均勻系數(shù) 1/90曲柄不平衡的重心到O點(diǎn)的距離 (mm)開(kāi)放提前角 進(jìn)氣門(mén)：-10°；排氣門(mén)：-32°齒輪參數(shù)：=3.5 (mm) ；=20°；=1=14 ; =72 ; =36凸輪I 行程 10（mm） 凸輪I 偏心距 = 0（mm） 凸輪I的基圓半徑 =55（mm） 凸輪II的行程 =10 （mm） 凸輪II的偏心距 = 7（mm） 凸輪II的基圓半徑 = 60（mm）1.

6、2 求連桿的長(zhǎng)度和曲柄的長(zhǎng)度設(shè)連桿的長(zhǎng)度為、曲柄長(zhǎng)度為 又=1745.95 mm = 515.39 mm=517.4 mm (1) =303.8mm (2) 圖 1 曲柄連桿幾何關(guān)系圖 聯(lián)立（1）、（2）式求解，可求出連桿的長(zhǎng)度及曲柄的長(zhǎng)度。 mm mm二、繪制內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（A4）按照比例尺1：4，根據(jù)第二組數(shù)據(jù)，繪制內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，空出凸輪的結(jié)構(gòu)，并對(duì)凸輪與排氣裝置的連接方式進(jìn)行修改。圖1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖三、繪制連桿機(jī)構(gòu)位置圖 以活塞在最高位置時(shí)為起點(diǎn)，將曲柄回轉(zhuǎn)一周按順時(shí)針?lè)譃槭确?，然后找出活塞在最低位置時(shí)和活塞速度為最大時(shí)的曲柄位置（即曲柄旋轉(zhuǎn)一周供分為十五個(gè)位置）并作出機(jī)構(gòu)各位置時(shí)的

7、機(jī)構(gòu)位置圖，求出滑塊的相對(duì)位移。 當(dāng)活塞在最高位置時(shí)位起點(diǎn)，曲柄A點(diǎn)的編號(hào)為，由點(diǎn)開(kāi)始，順時(shí)針?lè)较虬褕A分為12等分，得、等點(diǎn)。當(dāng)滑塊在最低位置時(shí)，曲柄上點(diǎn)的編號(hào)為。 可近似以為，當(dāng)曲柄在和位置時(shí)，滑塊B速度為最大值。四作出機(jī)構(gòu)15個(gè)位置的速度和加速度多邊形4.1速度分析，畫(huà)出速度多邊形 單位：V-m/s, w-rad/s = + （3）大小 ？ lAO ?方向 /BE AO AB 圖 2 點(diǎn)A1速度多邊形表一 15個(gè)位置的VBA、VC2、VB、W2數(shù)值畫(huà)圖基本步驟： 確定極點(diǎn)p； 根據(jù)va的大小和方向過(guò)極點(diǎn)p畫(huà)出va即pa； 過(guò)a畫(huà)出VBA的方向AO； 過(guò)p畫(huà)出VB的方向?qū)к?，與VBA交于b；

8、 pb即為VB； ab即為VBA； 取ac2=0.36ab，則pc2即為Vc2； w2= VBA /LAB.圖 3 速度多邊形（模擬圖1）圖 4 速度多邊形（模擬圖2）4.2繪制加速度多邊形作出加速度多邊形 aB = aA + aBAn + aBAt （4）大小 ？ 2lAO 22lBA ? 方向 BE AO BA BA aB = -533.10 m/s2作機(jī)構(gòu)的15個(gè)位置的加速度多變形，見(jiàn)2號(hào)圖紙 各位置參數(shù)數(shù)值如表 2 圖 5 點(diǎn)A1加速度多邊形注：，表 2 ，的數(shù)值畫(huà)圖基本步驟：確定極點(diǎn)p；根據(jù)aA的大小和方向作出aA即pa；過(guò)a，由的大小和方向畫(huà)出即at；過(guò)t作出的方向；過(guò)p作出的方向

9、導(dǎo)軌，與的方向交于b，則pb即為，tb即為；ab即；取ac2=0.35lab，ac2即；=/LAB.圖 6 加速度多邊形（模擬圖1）圖 7 加速度多邊形（模擬圖2）五動(dòng)態(tài)靜力分析動(dòng)態(tài)靜力分析根據(jù)理論力學(xué)中所講的達(dá)朗伯原理，將慣性力視為一般外力加在構(gòu)件上，仍可采用靜力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行受力分析。這樣的力分析稱為動(dòng)態(tài)靜力分析。求出機(jī)構(gòu)在各位置時(shí)各運(yùn)動(dòng)副的反力及應(yīng)加于曲柄OA的平衡力矩（每人完成五個(gè)位置）。各種數(shù)據(jù)都要列表表示。5.1 計(jì)算活塞上的氣體壓力 （N） （5） -活塞的面積 ()圖 8 活塞的氣體壓強(qiáng)表 由圖可知，在特殊位置（如14，13，12，24，23，22）處，氣體壓力非常大，可相信為

10、電火花點(diǎn)燃，氣體爆炸，內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)的點(diǎn)。5.2 求作用于構(gòu)件上慣性力。 (N) （6） （7） (N) （8）在這一步時(shí)，需要注意慣性力的方向均與加速度或角加速度相反。慣性力是指當(dāng)物體加速時(shí)，慣性會(huì)使物體有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傾向，若是以該物體為坐標(biāo)原點(diǎn)，看起來(lái)就仿佛有一股方向相反的力作用在該物體上，因此稱之為慣性力。慣性力實(shí)際上并不存在，實(shí)際存在的只有原本將物體加速的力。5.3 求出活塞上受力的大小及方向 (N) （9）表三 30個(gè)位置的、在這一步里，可得第一步時(shí)的假設(shè)正確，活塞上所受的力會(huì)由于氣體壓力的急劇改變而改變大小，甚至方向，而這也正是內(nèi)燃機(jī)工作的核心。5.4 把作用在構(gòu)件2上的反力分

11、解為和，取，求出。計(jì)算方式：（矢量式）（10）其中，h1為Q2到B點(diǎn)的水平距離，h2為Pi2到B點(diǎn)的垂直距離，Mc為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Mc=Jc*(c的角加速度)。特別注意其方向，使用右手法則，判斷其力矩方向，又或規(guī)定逆時(shí)針為正。小組決定為方便判斷以及減少錯(cuò)誤的出現(xiàn)，使用逆時(shí)針為正，決定式中各項(xiàng)的正負(fù)。在這一步運(yùn)算中要注意比例尺和單位的轉(zhuǎn)換。由于在計(jì)算中Mi2為標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位，因此要把毫米化為米，這一點(diǎn)很容易出錯(cuò)！如上，我們能夠得到動(dòng)態(tài)靜力分析中所能確定的兩個(gè)力的大小。而其他未知力均能求得方向（或在某一直線上）圖9 連桿受力分析 圖10 力多邊形 圖11 原動(dòng)件力矩圖（1） 以點(diǎn)作實(shí)例，受力分析如圖9（2

12、） 以構(gòu)件2，3為示力體， 首先取 ，即 由此求出，即代入LAB=410.6，Q2=120， h2=134.5, h1=21, =2, MI2=371.38,求得= -1509.77（3） 然后取 求出和。在這一步驟中，方向均未知，在受力分析時(shí)可假設(shè)其已知，在這一步中通過(guò)力封閉多邊形求出方向。如圖10（4） 再以構(gòu)件1為示力體，（構(gòu)件1上的重力忽略不計(jì)），取，求出，再由，求出。如圖（11）數(shù)據(jù)記錄下：表四 30個(gè)位置的、數(shù)值單位：點(diǎn)的位置()()()()()()0017762.536.1217762.6130911839.41-454137201934.7813855.745609251.36

13、2-453.9648002844.9355808303358.15 2-453.962002926.28 2933540625.23-453.9629502842.564080701584.54-453.968015.74905.2458066.69922.214814.785-453.731297.2510450105301005870.126-453.961068018.801068018.805869.52 6-45411300124.4011300.6816506391.797-454125301022.391256520307361.28681109202051.4811111.03

14、26007280.0292269.8071102733.26765019205470.84 93631.6839502913.94775912.53622106809.4021480.661520.992122.68797.343608.791119737.31875.34730075002037.711546.312635604605036.1246065469552000.51363560504001934.7850437.12225054825.791432912317002844.9331800401032404 1422937231001509.723170170823126.115

15、14753.7183002842.5618600240016961166809.40215333.7905.24515360.393011989.03173402.981297.251432514340479726.918113512510186.71254012007458.3 181134.9010972.9198.6210974.701003.096817.2619454123901079.8912347.3121607698.5320453.96114001883.691155029407574.3521453.9651602839.67586011603542 21453.73225

16、1.4816222519961080.422453.965201.841520.995419.642862.344029.2623453.731875.3412745128502902.58433.64表五 30個(gè)位置的、數(shù)值六.計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)構(gòu)件質(zhì)量）6.1把 = （）曲線作為=（）曲線（圖12）。不考慮機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。W4Mb / NmW5W6W7W3MrW2W1/ 圖 9驅(qū)動(dòng)力矩曲線6.2以Mb的平均值作為阻抗力矩（常數(shù)）。6.2.1首先求出下列Mb各單元的面積：表六 Mb各單元面積面積f單位：mm2-345388-7713483-4963776.2.2求出阻抗力矩（

17、）的縱坐標(biāo)H：= 10.98 mm （11）以的平均值作為阻抗力矩（常數(shù)）=H×=329.4 (N*m) （12）6.2.3求出下列盈虧功各個(gè)單元的面積：表七 盈虧功各個(gè)單元面積面積f單位：mm2649841418280095415112由Mb曲線求出各個(gè)單元相應(yīng)的功。根據(jù)上面單元的面積，由公式W=Mb*求出相應(yīng)的功:（盈功為正，虧功為負(fù) 單位：N*m）表八 各單元相應(yīng)的功WW1W2W3W4W5W6W7單位/N*m-1019.45131.945-2227.394398.23-1498.54237.14-18.856.5求出最大盈虧功Wmax= Wmax -Wmin =4398.23(

18、N*m) （13）作圖如下： 圖 10 示功圖6.5根據(jù)許用不均勻系數(shù)，求出等效所需的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （14）6.6確定飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：Je =JF + Jc按題意：不考慮各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jc 可忽略不計(jì) JF Je 七.計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率 （15）八.對(duì)曲柄滑塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)部分平衡圖 11 曲柄滑塊平衡示意圖8.1把連桿的質(zhì)量代換到A.B點(diǎn)m2=m2A+m2B (16) m2A*lAC2=m2B(lAB - lAC) （17） 聯(lián)立（16）（17） 可求得m2B和 m2Am2B=4.284 kg m2A =7.956kgmB=m3+m2B （18）mA=m1+m2A （19） 可求得mB=16

19、.126kg mA=23.0561kg8.2 把曲柄A點(diǎn)的質(zhì)量用距O點(diǎn)為a=0.5r的平衡質(zhì)量mb平衡。mb*a= mA*rmb*0.5r= mArmb=2mA （20）可求得mb=46.112kg16 九排氣凸輪（凸輪）的輪廓設(shè)計(jì)9.1凸輪II輪廓設(shè)計(jì)要求(1) 升程角為60度，回程角為60度，遠(yuǎn)休止止角為10度。(2) 選擇升程和回程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。(3) 用解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線，打印出曲線以及凸輪的輪廓曲線。9.2凸輪輪廓的數(shù)學(xué)模型為減少凸輪在運(yùn)作過(guò)程中的損耗，選用正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以消除剛性沖擊和柔性沖擊。推程時(shí)：回程時(shí)：輪廓曲線圖：凸輪圖 15 凸輪I實(shí)際與理論輪廓以及S-圖凸輪的輪廓設(shè)

20、計(jì)符合正弦加速度規(guī)律，故s-曲線和V-曲線都和正弦加速度的曲線基本一致。10、 四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)圖（1） 根據(jù)工作循環(huán)圖及曲柄的位置，求出凸輪的安裝角，把凸輪畫(huà)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖上。（2）以曲柄作為定標(biāo)構(gòu)件，曲柄每轉(zhuǎn)兩周為一工作循環(huán)。畫(huà)出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在位置上協(xié)調(diào)配合工作的循環(huán)圖。 圖16 內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)圖11、 心得體會(huì)：在結(jié)束了十幾周的課程教學(xué)后，也迎來(lái)了大學(xué)生涯的第一次課程設(shè)計(jì)，竟有一絲激動(dòng)與期待的興趣，因?yàn)槲蚁耄瑹o(wú)非是一些畫(huà)圖之類(lèi)的事情，自我覺(jué)得由于大一制圖這門(mén)課學(xué)的很認(rèn)真，也取得不錯(cuò)的成績(jī)。也更加信心十足。這次課程設(shè)計(jì)做的是四沖程內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)。老師也詳細(xì)的介紹了我們所要做的東西和需要注意的東西，而我心里想的就是細(xì)節(jié)二字。很快，我們進(jìn)行了分組，分好自己的任務(wù)，就埋頭于圖紙之中。當(dāng)然，很多時(shí)候，許多事情不是一個(gè)人就能把他做好做快，更多時(shí)候需要的就是團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)于一些不懂的參數(shù)與計(jì)算，我們都認(rèn)真分析討論，提出自己的理解和看法，然后進(jìn)行總結(jié)取結(jié)論在課程設(shè)計(jì)中真心覺(jué)得小組合作很重要，一個(gè)人的思考是有限的，每當(dāng)你冥思苦想不出來(lái)的時(shí)候，隊(duì)友的一句話往往會(huì)解決你所有的問(wèn)題。例如我在A1圖的時(shí)候一直對(duì)不上數(shù)，苦惱了好久，頭痛了半天，直到晚上，隊(duì)友終于有空了，幫我檢查了一下，只說(shuō)了一句，你的點(diǎn)取