机械原理课程设计(华南理工)

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1、 课程设计报告书题目:四冲程内燃机设计学 院 专 业 机械电子工程 学生姓名 学生学号 指导教师 课程编号 课程学分 20 起始日期 2015。1 5-20151。16 教师评语一、设计过程 严谨认真 较认真 不认真二、设计报告书计算过程 完整 基本完整 不完整计算结果 正确 基本正确 错误多书面撰写 规范 较规范 不规范三、设计图设计内容齐全 较齐全 不齐全制图水平 规范 较规范 不规范图面质量 优良 良好 中等 较差四、综合设计能力强 一般 较差五、答辩 清晰 基本清晰不清晰 教师签名: 日 期：成绩评定成绩： 优 良 中 合格 不合格备注 【目录】一、 四冲程内燃机的运动分析及总体设计思

2、路 1二、 绘制内燃机运动简图(A) 2三、 绘制连杆机构位置图（A2) 2四、 绘制机构15个位置的速度及加速度多边形（A) 3绘制滑块B的位移曲线、速度曲线及加速度曲（2)3五、 动态静力分析(A） 6六、 计算飞轮转动惯量（不计构件质量) 11七、 计算发动机功率 1八、 对曲柄滑块进行机构部分平衡 15九、 通过编程设计凸轮 16十、 绘制内燃机工作循环图（A4） 23十一、 心得体会 2318 / 21一、 四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路 根据设计任务书，我们需要解决以下问题：凸轮的参数是多少？如何能让机构正常循环工作?为了解决这个问题，我们需要对整个机构从运动及力学的角度分析

3、。 首先，需要明确四冲程内燃机的工作原理:内燃机是通过吸气、压缩、燃烧、排气四个过程不断重复进行的。如果在四个冲程里完成吸气、压缩、做功(燃烧、膨胀）、排气的循环动作,就叫做四冲程。相应的内燃机叫四冲程内燃机。 第一冲程,即吸气冲程。这时曲轴向下转动，带动活塞向下,同时通过齿轮带动凸轮向下旋转，是凸轮的突起部分顶开进气阀门，雾状汽油和空气混合的燃料被吸入气缸。第二冲程,即压缩冲程。曲轴带动活塞向上,凸轮的突起部分已经转两个过去，进气阀门被关闭,由于凸轮只转了周，所以排气阀门仍然处于关闭状态。活塞向上运动时,将第一冲程吸入的可燃气体压缩，被压缩的气体的压强达到0.6.兆帕,温度升高到30摄氏度左

4、右。第三冲程是做功冲程。在压缩冲程末火花塞产生电火花，混合燃料迅速燃烧，温度骤然升高到2000摄氏度左右,压强达到35兆帕。高温高压烟气急剧膨胀，推动活塞向下做功，此时曲柄转动半周而凸轮转过 周,两个气阀仍然紧闭。第四冲程是排气冲程。由于飞轮的惯性，曲柄转动，使活塞向上运动，这时由于凸轮顶开排气阀，将废气排出缸外。四个冲程是内燃机的一个循环，每一个循环，活塞往复两次，曲柄转动两周，进排气阀门各开一次。1 .1已知条件: 活塞行程 H=1 （m) 活塞直径 D170（）活塞移动导路相对于曲柄中心的距离=4 (mm)行程速比系数 K1054 连杆重心C至点的距离 =35 曲柄重量 =15(N）连杆

5、重量 =120 （N)活塞重量 200（N）曲柄的转速 =600 (rpm)连杆通过质心C的转动惯性半径 016 （)发动机的许用速度不均匀系数 1/0曲柄不平衡的重心到O点的距离 = (mm）开放提前角进气门：0；排气门:32齿轮参数：=3。5 （mm） ；=20；=1=1 ； =72 ; 36凸轮I 行程 10（mm) 凸轮 偏心距 0（m） 凸轮I的基圆半径 =55（m） 凸轮I的行程 =10(m) 凸轮I的偏心距 = 7(m)凸轮I的基圆半径 = 0（mm）.求连杆的长度和曲柄的长度设连杆的长度为、曲柄长度为 又=1745.9mm 51.39mm=17.4 mm (1） =30mm （

6、2）图 1 曲柄连杆几何关系图 联立（1)、(2）式求解，可求出连杆的长度及曲柄的长度。 mm m二、绘制内燃机机构简图（A4)按照比例尺1:4,根据第二组数据，绘制内燃机机构简图,空出凸轮的结构，并对凸轮与排气装置的连接方式进行修改。图1机构运动简图三、绘制连杆机构位置图 以活塞在最高位置时为起点，将曲柄回转一周按顺时针分为十二等分，然后找出活塞在最低位置时和活塞速度为最大时的曲柄位置(即曲柄旋转一周供分为十五个位置）并作出机构各位置时的机构位置图，求出滑块的相对位移. 当活塞在最高位置时位起点,曲柄A点的编号为，由点开始，顺时针方向把圆分为12等分，得、等点。当滑块在最低位置时，曲柄上点的

7、编号为。 可近似以为，当曲柄在和位置时,滑块B速度为最大值。四作出机构个位置的速度和加速度多边形4。速度分析,画出速度多边形 单位:/s,w-rad/s = （）大小 ? lAO ?方向 BE A B 图 Error! Bookmark not defined. 点A1速度多边形表一 个位置的VBA、VC2、VB、2数值画图基本步骤: 确定极点; 根据va的大小和方向过极点p画出va即p； 过a画出V的方向AO; 过p画出的方向导轨,与VB交于b； p即为VB； ab即为VBA； 取ac=0.36ab,则pc即为c； w2=VBA /LAB图 Error! Bookmark not defin

8、ed.速度多边形（模拟图1)图 Error! Bookmark not defined. 速度多边形（模拟图2）4.2绘制加速度多边形作出加速度多边形 B = a aBAn + aBt （4）大小 ? 2lAO 22BA ? 方向 E AO B aB = -33.0 m/s2作机构的15个位置的加速度多变形，见2号图纸 各位置参数数值如表2 图 2点A1加速度多边形注:，表 2 ，,，的数值画图基本步骤:确定极点p;根据aA的大小和方向作出A即pa;过a,由的大小和方向画出即at；过作出的方向；过作出的方向导轨,与的方向交于b,则b即为，t即为；b即；取c2=0.35lb,c2即;/LAB.图

9、Error! Bookmark not defined. 加速度多边形（模拟图1）图 Error! Bookmark not defined. 加速度多边形(模拟图）五.动态静力分析动态静力分析根据理论力学中所讲的达朗伯原理，将惯性力视为一般外力加在构件上,仍可采用静力学方法对其进行受力分析。这样的力分析称为动态静力分析。求出机构在各位置时各运动副的反力及应加于曲柄OA的平衡力矩(每人完成五个位置).各种数据都要列表表示.5. 计算活塞上的气体压力 （N） (5） 活塞的面积 （）图 3 活塞的气体压强表 由图可知,在特殊位置(如,1,，24，2，22）处，气体压力非常大，可相信为电火花点燃,

10、气体爆炸，内燃机工作时的点。5.2 求作用于构件上惯性力. （N) （6） (7) （N) （）在这一步时，需要注意惯性力的方向均与加速度或角加速度相反。惯性力是指当物体加速时，惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向,若是以该物体为坐标原点，看起来就仿佛有一股方向相反的力作用在该物体上,因此称之为惯性力。惯性力实际上并不存在，实际存在的只有原本将物体加速的力。53求出活塞上受力的大小及方向 (） （9）表三 0个位置的、在这一步里,可得第一步时的假设正确，活塞上所受的力会由于气体压力的急剧改变而改变大小，甚至方向,而这也正是内燃机工作的核心。54 把作用在构件2上的反力分解为和，取，求出.计算方

11、式：(矢量式）（0）其中,h为Q到B点的水平距离，h2为Pi到B点的垂直距离,c为转动惯量=J（c的角加速度）。特别注意其方向，使用右手法则，判断其力矩方向,又或规定逆时针为正。小组决定为方便判断以及减少错误的出现,使用逆时针为正,决定式中各项的正负.在这一步运算中要注意比例尺和单位的转换。由于在计算中2为标准国际单位,因此要把毫米化为米，这一点很容易出错!如上，我们能够得到动态静力分析中所能确定的两个力的大小。而其他未知力均能求得方向(或在某一直线上)图9 连杆受力分析 图10 力多边形 图1原动件力矩图（1） 以点作实例,受力分析如图9（2） 以构件，为示力体, 首先取，即 由此求出,即代

12、入LAB=4。6,2120, h234.5， h=21, 2， I3138，求得=-1509.77（3） 然后取 求出和.在这一步骤中,，方向均未知，在受力分析时可假设其已知，在这一步中通过力封闭多边形求出方向。如图10（4） 再以构件1为示力体，(构件1上的重力忽略不计)，取,求出，再由，求出。如图(1)数据记录下：表四 3个位置的、数值单位:点的位置(）（）(）(）（)(）007762.53.121776691189.44517019。7813855.74609251.36243。9640044.9303335.5 45。92002926.28 29335625.23453。69242。5

13、6801584.5396801。7405。25806。9922.214147855.73127250450050058016453。9616818。8006801.85869。52 453002401300.156391。7974542312。39265003.868110920148111.0360780。02926。07110733.66501205470.4 9331。68395023.9479136221060。401480。66120.9912.6794368。79111973175。3430075000.71154.316356060503612466546550。36350541

14、934。785043.122505459142912317002844.33800401032404 142932310159.723707083126.11475371830028458602400616609。021533.79524515363901189.31740.9897.25135143479726.918135121086。12501074583 18134901097.919。2097.0003.098179541239017.1234731207698532043.96114001883。6955294075。352595102839.67586011603422143。7

15、321.8162251996108.4453.608452099519。642862.340292623453.71875。327512850202。53.64表五 30个位置的、数值六计算飞轮转动惯量（不计构件质量）6。1把 = （)曲线作为=（)曲线(图1）。不考虑机构各构件的质量和转动惯量.W4 / NmWW6W3rWW/ 图 Error! Bookmark not defined.驱动力矩曲线6。以M的平均值作为阻抗力矩（常数）。.2.首先求出下列b各单元的面积：表六 Mb各单元面积面积f单位：m3458-7713483-496776。2.2求出阻抗力矩（()）的纵坐标H:= 10。8

16、 m (11)以的平均值作为阻抗力矩（常数）=32。4 (N*m) （12).。求出下列盈亏功各个单元的面积：表七 盈亏功各个单元面积面积f单位：mm26498414880091112由b曲线求出各个单元相应的功。根据上面单元的面积，由公式Mb*求出相应的功:（盈功为正,亏功为负 单位：N)表八各单元相应的功WW1W23W4W56W7单位/Nm1。4131。945222。9439。2319。5423。141856。5求出最大盈亏功WmWmax -Wi =439823(Nm） （13)作图如下: 图 Error! Bookmark not defined. 示功图6。5根据许用不均匀系数，求出等

17、效所需的等效转动惯量（14）.6确定飞轮的转动惯量：Je =JF Jc按题意：不考虑各构件的质量和转动惯量 Jc 可忽略不计 JF Je 七。计算发动机功率 (15)八.对曲柄滑块进行机构部分平衡图 Error! Bookmark not defined. 曲柄滑块平衡示意图8。把连杆的质量代换到A.B点=mA+m2B （16） 2A*lAC2m2B(lAB C） (17） 联立（6)（17) 可求得2B和 2Am2B=4。28 k m =7。956kgmB=3+2B (18）mA=m1+2A (19) 可求得B=1.126kg A=23056k8 把曲柄A点的质量用距O点为=0.r的平衡质量

18、mb平衡。b*a= A*rmb0。r= Amb=2mA （2）可求得m=6112kg九排气凸轮（凸轮）的轮廓设计。1凸轮I轮廓设计要求(1) 升程角为60度,回程角为6度,远休止止角为10度。(2) 选择升程和回程的运动规律.(3) 用解析法设计凸轮的轮廓曲线，打印出曲线以及凸轮的轮廓曲线。9.凸轮轮廓的数学模型为减少凸轮在运作过程中的损耗，选用正弦运动规律，以消除刚性冲击和柔性冲击。推程时：回程时：轮廓曲线图：凸轮图 1 凸轮实际与理论轮廓以及-图凸轮的轮廓设计符合正弦加速度规律，故s-曲线和V-曲线都和正弦加速度的曲线基本一致。十、 四冲程内燃机的工作循环图（1)根据工作循环图及曲柄的位置

19、,求出凸轮的安装角，把凸轮画在机构运动简图上.（2）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. 图16 内燃机工作循环图十一、 心得体会：在结束了十几周的课程教学后，也迎来了大学生涯的第一次课程设计,竟有一丝激动与期待的兴趣，因为我想,无非是一些画图之类的事情,自我觉得由于大一制图这门课学的很认真，也取得不错的成绩。也更加信心十足。这次课程设计做的是四冲程内燃机的设计.老师也详细的介绍了我们所要做的东西和需要注意的东西,而我心里想的就是细节二字。很快，我们进行了分组，分好自己的任务，就埋头于图纸之中.当然，很多时候,许多事情不是一个人就能把他做好

20、做快，更多时候需要的就是团队合作,对于一些不懂的参数与计算，我们都认真分析讨论，提出自己的理解和看法,然后进行总结取结论在课程设计中真心觉得小组合作很重要,一个人的思考是有限的，每当你冥思苦想不出来的时候,队友的一句话往往会解决你所有的问题。例如我在A1图的时候一直对不上数,苦恼了好久，头痛了半天,直到晚上，队友终于有空了，帮我检查了一下，只说了一句，你的点取错了，虽然当时真的悲痛欲绝，可是没有队友我真的找不出来，毕竟当时我已经失去正常的思考能力了.虽然过程中很多时间都花在队友争执中，可是这并不是逞强,而是为了更好地解决问题,完成任务.所以队友不该是你的引导者,而是你的纠错者,这样子才可以更好

21、地互相学习，而不是在模仿。通过慢带快，慢核对的策略进行画图.当然,这过程也并非一帆风顺，诸如画快的人因为理解错误、计算错误等，影响这各个图，这就需要极大的耐心和细心去寻找,去比对，然后修正.对于我个人来说，自己画的进度是比较慢的,但是却比别人要整洁、准确,因为在绘图之前,我总会去规划布局，使可利用的空间充分利用,该间隔的地方不交叉含糊,尽可能的放大比例尺，提高精确度。我的图纸也在最后发挥出了重要的作用。总的来说，在这两周的课程设计中,我学到的几个关键词便是:细心、合作、坚持、互助。这些东西是许多理论课所不能给我的,生活中也很难学到的,在制图室熬过了白天的弯腰作图，在寝室面对这数字与公式,熬过了许多个夜晚,也最终也呕心沥血的做出了这些图纸，虽然有瑕疵,但也是收获良多.当然，这里也很感谢老师和组员们的帮助,让我有更大的进步，也希望自己在其他的课程设计上面得到更大的提升。参考文献1 姜琪。机构运动方案及机构设机械原理课程设计题例及指导主编.北京：高等教育出版社 ,91.42 周明傅。 机械原理课程设计.上海：上海科技出版社，19873 杨忠秀. 机械原理课程设计指导书北京:机械工业出版社,034 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理.北京：高等教育出版社，201。15 裘建新机械原理指导书北京:高等教育出版社，20086 文中如有不足，请您指教！78