機械原理課程設計報告書

1、 課程設計報告書題目：四沖程內(nèi)燃機設計學 院 機械與汽車工程學院 專 業(yè) 車輛工程 學生姓名 學生學號 指導教師 邱志成 鄒焱飚 課程編號 130160 課程學分 2.0 起始日期 2014.6.30-2014.7.11 教師評語一、設計態(tài)度 嚴謹認真 較認真 不認真二、設計報告書計算過程 完整 基本完整 不完整計算結(jié)果 正確 基本正確 錯誤多書面撰寫 規(guī)范 較規(guī)范 不規(guī)范三、設計圖結(jié)構(gòu)設計 合理 基本合理 不合理制圖水平 規(guī)范 較規(guī)范 不規(guī)范圖面質(zhì)量 良好 中等 較差四、綜合設計能力 強 一般 較差五、答辯 清晰 基本清晰 不清晰 教師簽名： 日 期：成績評定成績： 優(yōu) 良 中 合格 不合格

2、備注目錄一、四沖程內(nèi)燃機的運動分析及總體設計思路4二、繪制內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖6三、繪制連桿機構(gòu)位置圖6四、作出機構(gòu)15個位置的速度和加速度多邊形7五、動態(tài)靜力分析10六、計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量（不計構(gòu)件質(zhì)量）17七、計算發(fā)動機功率18八、對曲柄滑塊進行機構(gòu)部分平衡19九、排氣凸輪（凸輪）的輪廓設計20十、四沖程工作內(nèi)燃機的循環(huán)圖27參考文獻29一、四沖程內(nèi)燃機的運動分析及總體設計思路 根據(jù)設計任務書，我們需要解決以下問題：凸輪的參數(shù)是多少？如何能讓機構(gòu)正常循環(huán)工作？為了解決這個問題，我們需要對整個機構(gòu)從運動及力學的角度分析。首先，需要明確四沖程內(nèi)燃機的工作原理：內(nèi)燃機是通過吸氣、壓縮、燃燒、排氣四個過程

3、不斷重復進行的。如果在四個沖程里完成吸氣、壓縮、做功（燃燒、膨脹）、排氣的循環(huán)動作，就叫做四沖程。相應的內(nèi)燃機叫四沖程內(nèi)燃機。第一沖程，即吸氣沖程。這時曲軸向下轉(zhuǎn)動，帶動活塞向下，同時通過齒輪帶動凸輪向下旋轉(zhuǎn)，是凸輪的突起部分頂開進氣閥門，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。曲軸帶動活塞向上，凸輪的突起部分已經(jīng)轉(zhuǎn)兩個過去，進氣閥門被關(guān)閉，由于凸輪只轉(zhuǎn)了周，所以排氣閥門仍然處于關(guān)閉狀態(tài)?；钊蛏线\動時，將第一沖程吸入的可燃氣體壓縮，被壓縮的氣體的壓強達到0.61.5兆帕，溫度升高到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

4、升高到2000攝氏度左右，壓強達到35兆帕。高溫高壓煙氣急劇膨脹，推動活塞向下做功，此時曲柄轉(zhuǎn)動半周而凸輪轉(zhuǎn)過周，兩個氣閥仍然緊閉。第四沖程是排氣沖程。由于飛輪的慣性，曲柄轉(zhuǎn)動，使活塞向上運動，這時由于凸輪頂開排氣閥，將廢氣排出缸外。四個沖程是內(nèi)燃機的一個循環(huán)，每一個循環(huán)，活塞往復兩次，曲柄轉(zhuǎn)動兩周，進排氣閥門各開一次。圖1 1、已知條件： 活塞行程 H=220 (mm) 活塞直徑 D160（mm）活塞移動導路相對于曲柄中心的距離 e68 (mm)行程速比系數(shù) K1.08 連桿重心C至A點的距離 0.35曲柄重量 135 (N)連桿重量 125 (N)活塞重量 200（N）曲柄的轉(zhuǎn)速 640

5、(rpm)連桿通過質(zhì)心C的轉(zhuǎn)動慣性半徑 0.15 ()發(fā)動機的許用速度不均勻系數(shù) 1/90曲柄不平衡的重心到O點的距離 (mm)開放提前角 進氣門：°；排氣門：°齒輪參數(shù)：=3.5 (mm) ；=20°；=1=14; =72; =36凸輪I 行程 7 mm 凸輪II的行程 = 6 mm凸輪I的基圓半徑 = 55 mm 凸輪II的基圓半徑 = 60 mm凸輪II的偏心距 = 0 mm 凸輪I 偏心距 = 0 mm2、求連桿的長度和曲柄的長度 設連桿的長度為、曲柄長度為 ° 又=912.99mm =476.46mm- (1) =471.58mm =23.33

6、° =16.41° =261.60mm- (2) 聯(lián)立（1）、（2）式求解，可求出連桿的長度及曲柄的長度。 圖2二、繪制內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖按照比例尺1：5，根據(jù)第五組數(shù)據(jù)，繪制內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖，空出凸輪的結(jié)構(gòu)，并對凸輪與排氣裝置的連接方式進行修改。三、繪制連桿機構(gòu)位置圖以活塞在最高位置時為起點，將曲柄回轉(zhuǎn)一周按順時針分為十二等分，然后找出活塞在最低位置時和活塞速度為最大時的曲柄位置（即曲柄旋轉(zhuǎn)一周共分為十五個位置）并作出機構(gòu)各位置時的機構(gòu)位置圖，求出滑塊的相對位移。當活塞在最高位置時位起點，曲柄點的編號為，由點開始，順時針方向把圓等分為12等分，得、，等點。當滑塊在最低位置時，曲

7、柄上點的編號為。 可近似以為，當曲柄在和位置時，滑塊速度為最大值。圖3四、作出機構(gòu)15個位置的速度和加速度多邊形1、速度分析，畫出速度多邊形單位：V-m/s, w-rad/s大小 ？ lAO ?方向 /BE AO AB表1 機構(gòu)15個位置的速度參數(shù)數(shù)值A(chǔ)A0A1A2A3A4A5A6A7VBA7.235.602.701.104.606.707.506.00VC24.705.796.807.066.345.434.715.25VB04.407.000.905.463.200.70-2.20W219.6215.207.332.9812.4818.1820.3516.28AA8A9A10A11A2A9

8、A6VBA2.901.405.007.000.803.407.23VC26.707.427.065.257.247.424.71VB-5.40-7.80-7.90-4.607.20-8.000W27.873.8013.5718.992.179.2319.62畫圖基本步驟：確定極點p；根據(jù)的大小和方向過極點p畫出即pa；過a畫出的方向AO；過p畫出的方向?qū)к?，與交于b；pb即為；ab即為；取ac=0.35ab，則即為； = /。圖4 速度多邊形2、分析加速度，畫出加速度多邊形 大小 ？ ? 方向 BE AO BA BA=484.3作出機構(gòu)的15個位置的加速度多變形，見2號圖紙，各位置參數(shù)數(shù)值如表

9、2。表2 機構(gòu)15個位置的加速度參數(shù)數(shù)值A(chǔ)A0A1A2A3A4A5A6A7aBAnm/s2141.8485.0919.783.2857.42121.81152.6397.69aBAt m/s284296.80460.60476.60389.20182.0042.00294.00aBA m/s2168.00313.60457.80476.00392.00224.00154.00308.00a2 rad/s2227.93805.361249.831291.621056.09493.85113.97797.76aC2 m/s2528.00448.00336.00322.00378.00422.804

10、13.00432.60aB m/s2630.00464.80152.60-126.00-266.00-308.00-336.00-392.00AA8A9A10A11A2A9A6aBAn m/s222.825.3267.84132.961.7431.37141.84aBAt m/s2482.00533.00376.00140.00490.00475.00109.20aBA m/s2504.00546.00380.80189.00476.00476.00182.00a2 rad/s21307.901446.291020.27379.891329.611288.90296.31aC2 m/s2392

11、.00322.00364.00475.00318.50322.00424.20aB m/s2-385.00-182.00196.00476.001.2028.00-350.00畫圖基本步驟：定極點p；根據(jù)的大小和方向作出即pa；過a，由的大小和方向畫出即at；過t作出的方向；過p作出的方向?qū)к?，與的方向交于b，則pb即為，tb即為；ab即；取，即；。圖5速度多邊形五、動態(tài)靜力分析動態(tài)靜力分析根據(jù)理論力學中所講的達朗伯原理，將慣性力視為一般外力加在構(gòu)件上，仍可采用靜力學方法對其進行受力分析。這樣的力分析稱為動態(tài)靜力分析。求出機構(gòu)在各位置時各運動副的反力及應加于曲柄OA的平衡力矩（每人完成五個位置

12、）。各種數(shù)據(jù)都要列表表示。1、計算活塞上的氣體壓力 （N） -活塞的面積 （）圖6由圖可知，在特殊位置（如14，13，12，24，23，22）處，氣體壓力非常大，相信為電火花點燃，氣體爆炸，內(nèi)燃機工作時的點。2、求作用于構(gòu)件上慣性力。 (N) (N) 在這一步時，需要注意慣性力的方向均與加速度或角加速度相反。慣性力是指當物體加速時，慣性會使物體有保持原有運動狀態(tài)的傾向，若是以該物體為坐標原點，看起來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。慣性力實際上并不存在，實際存在的只有原本將物體加速的力。3、求出活塞上受力的大小及方向 (N) 表3點的位置(N)(N*m)(N)06734

13、.6967.73-12734.6915895.12212.36-9858.0324196.43445.18-3306.48 23891.8331.59-367.3834210.8342.172857.444821.43266.685142.8655392.86128.46285.7165471.1963.046807.32 65537.8464.207163.9175510.20197.547836.7385001.92350.648000.7293481.12784.53806.46 94083.2329.47-816.4104619.38271.62-4047.19116058.6798.

14、77-9714.29126734.6967.73-1234.69135895.12212.36-9858.03144196.432600.8-3262.68 144005.10341.47-20.41154210.8342.172857.4164821.43266.68-4142.86175392.86128.46285.71185408.1633.877020.41 18562569.147285.71195627.16207.428429.33204834.18793.027492.0821-3955.6384.503755.44 214107.14315.11-807.04224553.

15、57271.62-4142.86236058.6798.77-10857.14在這一步里，可得第一步時的假設正確，活塞上所受的力會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)燃機工作的核心。4、把作用在構(gòu)件2上的反力分解為和，取，求出。計算方式：（矢量式）其中，為到B點的水平距離，為到B點的垂直距離，為轉(zhuǎn)動慣量 (c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)定逆時針為正。小組決定為方便判斷以及減少錯誤的出現(xiàn)，使用逆時針為正，決定式中各項的正負。在這一步運算中要注意比例尺和單位的轉(zhuǎn)換。由于在計算中為標準國際單位，因此要把毫米化為米，這一點很容易出錯！如上，我們能

16、夠得到動態(tài)靜力分析中所能確定的兩個力的大小。而其他未知力均能求得方向（或在某一直線上）。以點8作實例，分析如圖7：圖75、以構(gòu)件2，3為示力體，取，求出和。 在這一步驟中，和方向均未知，在受力分析時可假設其已知，在這一步中通過力封閉多邊形求出方向。如圖8：圖86、以構(gòu)件3 為示力體，取，求出。如圖9：圖97、以構(gòu)件1為示力體，（構(gòu)件1上的重力忽略不計），取，求出，再由，求出。如圖10：圖10 數(shù)據(jù)記錄如下：表4點的位置()()()()()()0019302.2297.7619302.472119.7512712.661-402.1215310.202065.1215448.96509.6710

17、073.052-402.1252473296.9061838103600.83 2-402.12476.753416.903450500757.853-402.124186.443492.5254881962662.504-402.1289552662.83936013559855-402.12112501554.3211356.877006123.926-402.1212351.57456.431236019006873.03 6-402.1213096.49424.0013103.3528377517.867401.9213788.501087.4313831.313118.608247.

18、188603.1814095.292468.8814309.883737.609564.4392010.69108.693111.69625.53172.56802.19 93216.963337.243515.834847.511552845.51106031.82253436.483575237.52062.51117483.521877.722229.862915.1515508118.561256296.837530.8897.7637531.015789.8944126.811356296.841391.232065.9241442.761148.1646702.891429153.

19、724267.073296.92449014126091.41 142030120725.493534.2921024.682275.3620606.601513068.918167.343492.5218500117516169.04166031.8152002655.83154502005062.5173014.4147001554.3214781.9510009552.60181005.314045.19234.6014047.152459.548585.26 18-1005.314390526.4144002125875019402.1215528.87915.7215555.8538

20、65.279822.9020-402.1214025.491954.351416146839351.2921402.127493.953074.19810026405094.89 21402.122403492.453500.69870893.8522-402.1267053488.217560112.55062.523401.12161002229.8616253.68380010936.61表5點的位置()(N*m)0 19302 -10.561 15448 -795.6226182 -445.18 23450-44.8535487348.4949360547.56511355374.78

21、61235663.04 613103-52.41713831-322.85814310-973.0799626-784.50 94830-299.460103575-117.98112916-306.141237531-10.561341443745.9714244902600.89015185001813.0016154501035.1517147824735.021814047-105.75 1814400-21.6191556-373.342014161-793.02218100-619.65 21350117.50227560589.682316254841.

22、19 在這一步運算中，小組出現(xiàn)了一點分歧，即是否應該計算其構(gòu)件1的慣性力，雖然這個問題并不影響所求出的轉(zhuǎn)動慣量，可是卻會對產(chǎn)生影響。雖然題設構(gòu)件1的重力忽略不計，可是最后我們認為是應該加上慣性力計算的，因為O對1點主要是給以平衡連桿對1點的力，以及勻速圓周運動。并且在對內(nèi)燃機的認識下，曲柄作為輸出的機構(gòu)，帶動汽車的其他機構(gòu)運動，并不能孤立地作為二力桿來作出分析。8、用一張4號圖紙大小的方格紙作出 曲線六、計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量（不計構(gòu)件質(zhì)量）1、把曲線作為曲線（驅(qū)動力矩曲線） f6f4f2f7f4f2f6 f5f3f1f5f3f1圖11 規(guī)定：當與與的方向一致時為負，畫在橫坐標的下方，當與的方向相反

23、時為正，畫在橫坐標的上方。（在本課程設計中，的方向為順時針）2、以的平均值作為阻抗力矩（常數(shù)）。這是因為在周期性的速度波動中，一個波動周期內(nèi)的輸入功等于輸出功。即。2.1、首先求出下列各單元面積 =-560；=500；=-997；=2630；=-680；=580。2.2、求出阻抗力矩（）的縱坐標H2.3、求出下列各單元的面積 =-732；=301；=-1380；=2279；=-890；=437；=-3 在阻抗力矩曲線之上的面積表示盈功，在阻抗力矩曲線之下的面積表示虧功。盈功為正，虧功為負值。2.4、根據(jù)上面各單元的面積求相應的功；2.5、求出各個位置上功的累計變化量；根據(jù)上面各值找出： 2.6

24、、求出最大盈虧功2.7、根據(jù)許用不均勻系數(shù)，求出等效構(gòu)件上所需的等效轉(zhuǎn)動慣量 2.8、確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量按題意：不考慮各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量?？珊雎圆挥?七、計算發(fā)動機功率 八、對曲柄滑塊進行機構(gòu)部分平衡1、把連桿的質(zhì)量代換到A、B點 聯(lián)立可求得和=4.466kg =8.294kg 可求得=15.944kg =22.074kg圖122、把曲柄A點的質(zhì)量用距O為a=0.5r的平衡質(zhì)量平衡。可求得=44.148kg九、排氣凸輪（凸輪）的輪廓設計1、凸輪II輪廓設計要求1.1、升程角為60度，回程角為60度，遠停程角為10度。1.2、選擇升程和回程的運動規(guī)律。1.3、用解析法設計凸輪的輪廓曲線，打印

25、出曲線以及凸輪的輪廓曲線。2、凸輪輪廓的數(shù)學模型為減少凸輪在運作過程中的損耗，選用正弦運動規(guī)律，以消除剛性沖擊和柔性沖擊。推程時：回程時：式中， ，3、解析法設計凸輪的實際輪廓曲線代碼：Private Sub Form_Load()Width = Screen.WidthHeight = Screen.Height * 0.9Left = (Screen.Width - Width) / 100Top = (Screen.Height - Height) / 100End SubPrivate Sub Command1_Click() Dim l1, l2, l3 As Single Form

26、2.Picture2.Scale (-0.1, 1200)-(7, -1200) l1 = -Abs(Form2.Picture1.ScaleHeight / Form2.Picture1.ScaleWidth) l3 = -Abs(Form2.Picture3.ScaleHeight / Form2.Picture3.ScaleWidth) Form2.Picture1.ScaleWidth = 9.5 Form2.Picture3.ScaleWidth = 150 Form2.Picture1.ScaleHeight = l1 * Form2.Picture1.ScaleWidth For

27、m2.Picture3.ScaleHeight = l3 * Form2.Picture3.ScaleWidth Form2.Picture1.ScaleLeft = -0.1 Form2.Picture3.ScaleLeft = -70 Form2.Picture1.ScaleTop = 11 Form2.Picture3.ScaleTop = 70 Dim dt1, dt2, dt3, dt4, dt5, s1, v1, s2, v2, k1, s0, r0 As Single Dim n, m As Integer Dim h, e As Integer Dim dt6, dt7, dt

28、8, dt9, dt10, dt11, x1, y1, x2, y2, r As Single Dim x3, y3, x4, y4, rg Const pi = 3.1415926 h = Form2.Text3 e = Form2.Text2 k1 = Form2.Text5 r0 = Form2.Text1 rg = Form2.Text4 n = 10000 dt11 = 0 dt1 = pi / 3 dt2 = pi / 3 dt3 = pi / 2 / n dt4 = 0 dt6 = pi / 18 Form2.Picture3.Line (-70, 0)-(70, 0) Form

29、2.Picture3.Line (0, 70)-(0, -70) Form2.Picture1.Line (0, 0)-(7, 0) Form2.Picture1.Line (0, 20)-(0, 0) Form2.Picture2.Line (0, 0)-(20, 0) Form2.Picture2.Line (0, 390)-(0, -390) Form2.Picture3.Circle (0, 0), r0, RGB(255, 0, 0) s0 = Sqr(r0 * r0) - e 2) s1 = h * (dt4 / dt1) - Sin(2 * pi * dt4 / dt1) / (

30、2 * pi) v1 = h * k1 * (1 - Cos(2 * pi * dt4 / dt1) / dt1 x1 = (s0 + s1) * Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y1 = (s0 + s1) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4) x3 = (s0 + s1 - rg) * Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y3 = (s0 + s1 - rg) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4) While dt4 < dt1 dt5 = dt4 + dt3 s2 = h * (dt5 / dt1) - Sin(2 * pi

31、* dt5 / dt1) / (2 * pi) v2 = h * k1 * (1 - Cos(2 * pi * dt5 / dt1) / dt1 x2 = (s0 + s2) * Sin(dt5) + e * Cos(dt5) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt5) - e * Sin(dt5) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt5) + e * Cos(dt5) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt5) - e * Sin(dt5) Form2.Picture1.Line (dt4, s1)-(dt5, s2) Form2.Picture

32、2.Line (dt4, v1)-(dt5, v2) Form2.Picture3.Line (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) dt4 = dt5 s1 = s2 v1 = v2 x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3 = y4 Wend dt11 = dt4 While dt11 >= dt1 And dt11 < dt1 + dt6 dt11 = dt11 + dt3 x2 = (s0 + s2) * Sin(dt11) +

33、e * Cos(dt11) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt11) - e * Sin(dt11) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt11) + e * Cos(dt11) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt11) - e * Sin(dt11) DrawWidth = 1 Form2.Picture3.Line (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3

34、 = y4 Wend dt4 = dt4 + dt6 Form2.Picture1.Line (dt1, s1)-(dt4, s1) Form2.Picture2.Line (dt1, v1)-(dt4, v1) While dt4 >= dt1 + dt6 And dt4 < dt1 + dt6 + dt2 dt8 = dt4 - dt1 - dt6 s2 = h * (1 - (dt8 / dt2) + Sin(2 * pi * dt8 / dt2) / (2 * pi) v2 = h * k1 * (Cos(2 * pi * dt8 / dt2) - 1) / dt2 x2

35、= (s0 + s2) * Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt4) + e * Cos(dt4) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt4) - e * Sin(dt4) dt5 = dt4 + dt3 DrawWidth = 1 Form2.Picture1.Line (dt4, s1)-(dt5, s2) Form2.Picture2.Line (dt4, v1)-(dt5, v2) Form2.Picture3.Line

36、 (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) dt4 = dt5 x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3 = y4 s1 = s2 v1 = v2 Wend dt9 = dt4 While dt9 >= dt1 + dt6 + dt2 And dt9 <= 2 * pi dt9 = dt9 + dt3 x2 = (s0 + s2) * Sin(dt9) + e * Cos(dt9) y2 = (s0 + s2) * Cos(dt9) - e

37、 * Sin(dt9) x4 = (s0 + s2 - rg) * Sin(dt9) + e * Cos(dt9) y4 = (s0 + s2 - rg) * Cos(dt9) - e * Sin(dt9) DrawWidth = 1 Form2.Picture3.Line (x1, y1)-(x2, y2) DrawWidth = 20 Form2.Picture3.Line (x3, y3)-(x4, y4), RGB(0, 0, 255) x1 = x2 y1 = y2 x3 = x4 y3 = y4 Wend DrawWidth = 1 Form2.Picture1.Line (dt1 + dt6 + dt2, s1)-(2 * pi, s1) Form2.Picture2.Line (dt1 + dt6 + dt2, v1)-(2 * pi, v1)End SubPrivate Sub Command2_Click()Form2.Picture1.