机械原理课程设计指导书(四冲程内燃机)

(四冲程内燃机)

机械原理课程设计指导书

题Ⅰ 四冲程内燃机设计

一． 已知条件： 在图示的四冲程内燃机中

活塞行程 H= （mm） 活塞直径 D= （mm） 活塞移动导路相对于曲柄中心的距离 e= （mm） 行程速比系数 K=

连杆重心c2 至A点的距离 lAC2= 系 数 lAB(mm) 曲柄重量 Q1= (N) 连杆重量 Q2= (N) 活塞重量 Q3= (N) 连杆通过质心轴c2的转动惯性半径ρc ρc2= 系数l2AB(mm2) 曲柄的转速 n1= (rpm) 发动机的许用速度不均匀系数 [δ]=

曲柄不平衡的重心到O点的距离 lOC= lOA （mm） 开放提前角：

进气门：-10°；排气门： -32° 齿轮参数：

m=3.5（mm）； α=20°；h*a=1

'

Z2=Z2=14； Z3=Z3'=72 ；Z1=36

示功图见P9图所示。

二．设计任务

1. 机构设计

按照行程速比系数K及已知尺寸决定机构的主要尺寸，并绘出机构运动

简图（4号图纸）。（凸轮要计算出装角后才画在该图上） 2. 选定长度比例尺作出连杆机构的位置图

以活塞在最高位置时为起点，将曲柄回转一周按顺时针方向分为十二等

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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（即曲柄旋转一周共分十五个位置）并作出机构各位置时的机构位置图，求出滑快的相对位移。

3. 作出机构15个位置的速度多边形

求出这15个位置的VBA、VC2、VB、ω2的数值，并列表表示。（表一）

4. 作出机构的15个位置的加速度多边形

nt求出15个位置的aBA 、aBA 、aBA 、α2 、aC2 、aB 的数值，并列

表表示。（表二）

5.用直角坐标作滑快B点的位移曲线SB=SB（φ），速度曲线VB=VB( )及加（把以上2、3、4、5作在一张2号图纸上） 速度曲线aB=aB( )。

6. 动态静力分析（1号图纸）

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

Mb （每人完成五个位置）各种数据均要列表表示： （1） 将各个位置的PI2、MI2、PI3等数值列于表三。

t（2） 列出各个位置的R12的计算公式，并计算出其数值。

nt（3） 将各个位置的p'、R12、R12、R12、R03、R23等数值列于表四。

（4） 将各个位置的R01、Mb等数值列于表五

7. 用直角坐标作出Mb=Mb（φ）曲线。（用方格纸绘制） （Mb统一用“动态静力分析”所求得的值）

8. 计算当不考虑机构各构件的质量和转动惯量时的飞轮转动惯量JF。 9. 计算发动机功率。

10. 用解析法设计凸轮Ⅱ的实际轮廓曲线

建立凸轮轮廓的数学模型，写出程序设计框图，编写程序，要有简短的程序说明及变量符号说明，上机计算并打印结果（包括凸轮轮廓曲线）。

11. 绘制内燃机的工作循环图（4号图纸）。

根据工作循环图及曲柄的位置，求出凸轮的安装角，把凸轮画在机构

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运动简图上。

12. 最后，将设计过程写成20页左右的详细说明书。

三．设计步骤及注意问题

1.求连杆及曲柄的长度

设连杆的长度为l、曲柄长度为r

∴OBΙ

=l r OBC=l+r

Qθ=180°

K 1

K+1H

2sinθ

∴θ 可求

R=CBI=

OE=(OC)2 (CE)2

=(OC)2 (CD DE)2 =R2 (CD e)2

l+r=(OF)2+e2 (1)

OF=OE+

α=sin 1

H 2OE

OC

δ=α θ

l r=2Rsin

δ

2

(2)

联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l及曲柄的长度r.

2.曲柄回转一周共分为15个位置

当活塞在最高位置时为起点，曲柄A点的编号为A。，由A。点开始，顺时针方向把圆等分为12等分，得A。、A1、A2、……，A11等点。当滑快在最低位

'

置时，曲柄上A 点的编号为A6。

' 可近似认为，当曲柄在OA'2和OA9位置时，滑快B的速度为最大值。

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注：括号内的编号在分析力时才使用。 3.动态静力分析步骤

（1） 计算活塞上的气体压力

p'=pi F （N）

F—活塞的面积（cm2） (2) 求作用于构件上的惯性力 pI2= m2 ac2 （N）

2

JC2=m2 ρC

PI= m3 aB （N） （3） 出活塞上受力的大小及方向

vvv'v

P=P+PI3+Q3

nt和R12取∑MB=0，求（4） 把作用在构件2上的反力R12分解为R12

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t

出R12

vn

（5） 以构件2、3为示力体，取∑F=0,求出R12和R03 v

（6） 以构件3为示力体，取∑F=0,求出R23

v

（7） 以构件1为示力体，（构件1的重力忽略不计），取∑F=0,求

出R01，再由∑M0=0，求出Mb。

（8） 用一张4号图纸大小的方格纸作出Mb=Mb（φ）曲线。

4.飞轮转动惯量的确定

（2） 在本课程设计中，决定飞轮的转动惯量时，不考虑机构各构

件的质量和转动惯量。

（3） 把Mb=Mb（φ）曲线作为Md=Md（φ）曲线（驱动力矩曲

线）

μ

M=3

b

规定：当Mb与ω1的方向一致时为负，画在横坐标的下方。 当Mb与ω1的方向相反时为正，画在横坐标的上方。 （在本课程设计中，ω1的方向为顺时针）

。这是因为在周期性（4） 以Mb的平均值作为阻抗力矩Mr（常数）

的速度波动中，一个波动周期内的输入功等于输出功。即

ωd ωr=ΔE=0

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（a）首先求出下列各单元的面积： f1、f2、f3、f4、f5、f6

（b）求出阻抗力矩（Mr=Mr（φ））的纵坐标H：

H=

f1+f2+f3+f4+f5+f6

(mm)

L

注意：ⅰ） f1，f2……f6表示各单元的面积，单位为mm2,

在横坐标之下为负值，在横坐标之上为正值。

ⅱ）H的单位为毫米，当乘上比例尺μMb之后，才得

出Mr之值。

（c）根据求出的H值，作出Mr=Mr（φ）阻抗力矩曲线（现

为水平线）

（5） 求出下列各单元的面积：

f1'、f2'、f3'、f4'、f5'、f6'、f7'

在阻抗力矩曲线之上的面积表示盈功，在阻抗力矩曲线之下

面积表示亏功。盈功为正，亏功为负值。 （6） 根据上面各单元的面积求相应的功

W1=f1' μMB μΦ W4=f4'μMb μΦ W7=f7' μMb μΦ W2=f2' μMb μΦ W5=f5'μMb μΦ W3=f3' μMb μΦ W6=f6' μMb μΦ （7） 求出在各个位置上功的累积变化量ΔW

ΔWa=……（Nm） ΔWd=…… （Nm） ΔWb=……（Nm） ΔWe=…… （Nm） ΔWc=……（Nm） ΔWf=…… （Nm）

ΔWg=……（Nm）

根据上面各值找出

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Wmax=…… （Nm） Wmin=…… （Nm）

（8） 求出最大盈亏功ΔWmax

ΔWmax=Wmax Wmin=……（Nm）

(8) 根据许用不均匀系数[δ]，求出等效构件上所需的等效转动惯

量：

Je=

ΔWmax

2ωm

(kg m) （ωδ2

m

=

2πn1

） 60

（9）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可忽略不挤 JF≈Je

5．计算发动机功率

v

Mr×L×μMb×μΦn11

××(HP) N=

2607506. 曲柄滑快机构的平衡

（1） 把连杆的质量代换到A、B点

m2=m2A+m2B

mlmll =( )2BABAC2 2AAC2

由上面的方程组可求得：

m2B= m2

lAC2lAB

m2A=m2

lAB lAC2

lAB

' mB=m3+m2B

∴ '

mA=m1+m2A

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（2） 把曲柄A点的质量用距O点为a=0.5r的平衡质量mb平衡。

mb a=m'A rmb 0.5r=m r

'A

∴mb=2 m'A

7.排气凸轮（凸轮Ⅱ）的轮廓设计

（1） 升程角为60°，回程角为60°，远停程角为10°。 （2）选择升程和回程的运动规律。 （3）用解析法设计凸轮Ⅱ的轮廓曲线。

需打印出s δ曲线以及凸轮的轮廓曲线。

8. 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。

附：

分组

位 置

负 责 人

7 ' 8 ' 9 9'' ' '

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四冲程内燃机机构运动简图 比例：1：4

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