机械原理课程设计(华南理工).doc
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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2.0
起始日期2015.1.5-2015.1.16
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路………………………1
二、绘制内燃机运动简图（A4）………………………………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（A2）………………3
绘制滑块B的位移曲线、速度曲线及加速度曲（A2）…………3
五、动态静力分析（A1）……………………………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…………………………………14
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………………………………23
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。
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0.6～1.5兆帕，温度升高到300摄氏度左右。
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3～5兆帕。
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=215（mm）
活塞直径D＝170（mm）
活塞移动导路相对于曲柄中心的距离e＝45（mm）
行程速比系数K＝1.054
连杆重心C至A点的距离＝0.35×
曲柄重量＝150（N）连杆重量＝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＝0.16（）
发动机的许用速度不均匀系数[]＝1/90
曲柄不平衡的重心到O点的距离＝（mm）
开放提前角进气门：
-10°；排气门：
-32°
齿轮参数：
=3.5（mm）；=20°；=1
==14;==72;=36
凸轮I行程＝10（mm）凸轮I偏心距=0（mm）
凸轮I的基圆半径=55（mm）
凸轮II的行程=10（mm）凸轮II的偏心距=7（mm）
凸轮II的基圆半径=60（mm）
1.2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=1745.95mm
=515.39mm
=517.4mm
（1）
=303.8mm
（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。
mmmm
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15个位置的速度和加速度多边形
4.1速度分析，画出速度多边形
单位：
V--m/s,w--rad/s
=+（3）
大小？
ωlAO?
方向//BE⊥AO⊥AB图2点A1速度多边形
表一15个位置的VBA、VC2、VB、W2数值
画图基本步骤：
①确定极点p；
②根据va的大小和方向过极点p画出va即pa；
③过a画出VBA的方向⊥AO；
④过p画出VB的方向∥导轨，与VBA交于b；
⑤pb即为VB；
⑥ab即为VBA；
⑦取ac2=0.36ab，则pc2即为Vc2；
⑧w2=VBA/LAB.
图3速度多边形（模拟图1）
图4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
aB=aA+aBAn+aBAt（4）
大小？
ω2lAOω22lBA?
方向∥BEA→OB→A⊥BA
aB=-533.10m/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5点A1加速度多边形
注：
，
表2，，，，，的数值
画图基本步骤：
①确定极点p；
②根据aA的大小和方向作出aA即pa；
③过a，由的大小和方向画出即at；
④过t作出的方向；
⑤过p作出的方向∥导轨，与的方向交于b，则pb即为，tb即为；
⑥ab即；
⑦取ac2=0.35lab，ac2即；
⑧=/LAB.
图6加速度多边形（模拟图1）
图7加速度多边形（模拟图2）
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。
5.1计算活塞上的气体压力
（N）（5）
--活塞的面积（）
图8活塞的气体压强表
由图可知，在特殊位置（如14，13，12，24，23，22）处，气体压力非常大，可相信为电火花点燃，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）（8）
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。
5.3求出活塞上受力的大小及方向
（N）（9）
表三30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。
5.4把作用在构件2上的反力分解为和，取，求出。
计算方式：
（矢量式）（10）
其中，h1为Q2到B点的水平距离，h2为Pi2到B点的垂直距离，Mc为转动惯量Mc=Jc*α（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Mi2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11原动件力矩图
（1）以点作实例，受力分析如图9
（2）以构件2，3为示力体，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（11）
数据记录下：
表四30个位置的、、、、、数值
单位：
点的位置
（）
（）
（）
（）
（）
（）
0
0
17762.5
36.12
17762.6
1309
11839.4
1
-454
13720
1934.78
13855.74
560
9251.36
2
-453.96
4800
2844.93
5580
830
3358.15
2’
-453.96
200
2926.28
2933
540
625.2
3
-453.96
2950
2842.56
4080
70
1584.5
4
-453.96
8015.74
905.245
8066.69
922.21
4814.78
5
-453.73
1297.25
10450
10530
100
5870.12
6
-453.96
10680
18.80
10680
18.80
5869.52
6’
-454
11300
124.40
11300.68
1650
6391.79
7
-454
12530
1022.39
12565
2030
7361.2
8
681
10920
2051.48
11111.03
2600
7280.02
9
2269.80
7110
2733.26
7650
1920
5470.84
9’
3631.68
3950
2913.9
4775
912.5
3622
10
6809.402
1480.66
1520.99
2122.68
797.34
3608.79
11
19737.3
1875.34
7300
7500
2037.7
11546.3
12
63560
46050
36.12
46065
4695
52000.5
13
63560
50400
1934.78
50437.12
2250
54825.79
14
32912
31700
2844.93
31800
4010
32404
14’
22937
23100
1509.7
23170
1708
23126.1
15
14753.7
18300
2842.56
18600
2400
16961
16
6809.402
15333.7
905.245
15360.39
30
11989.03
17
3402.98
1297.25
14325
14340
47
9726.9
18
1135
12510
186.7
12540
1200
7458.3
18’
1134.90
10972.9
198.62
10974.70
1003.09
6817.26
19
454
12390
1079.89
12347.31
2160
7698.53
20
453.96
11400
1883.69
11550
2940
7574.35
21
453.96
5160
2839.67
5860
1160
3542
21’
453.73
2251.48
162
2251
996
1080.4
22
453.96
5201.84
1520.99
5419.64
2862.34
4029.26
23
453.73
1875.34
12745
12850
2902.5
8433.64
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12）。
不考虑机构各构件的质量和转动惯量。
△W4
Mb/Nm
△W5
△W6
△W7
△W3
Mr
△W2
△W1
φ/○
图9驱动力矩曲线
6.2 以Mb的平均值作为阻抗力矩（常数）。
6.2.1首先求出下列Mb各单元的面积：
表六Mb各单元面积
面积f
单位：
mm2
-345
388
-771
3483
-496
377
6.2.2求出阻抗力矩（（））的纵坐标H：
=10.98mm（11）
以的平均值作为阻抗力矩（常数）
=H×=329.4（N*m）（12）
6.2.3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：
mm2
649
84
1418
2800
954
151
12
由Mb曲线求出各个单元相应的功。
根据上面单元的面积，由公式W=Mb*求出相应的功:
（盈功为正，亏功为负单位：
N*m）
表八各单元相应的功
W
W1
W2
W3
W4
W5
W6
W7
单位/N*m
-1019.45
131.945
-2227.39
4398.23
-1498.54
237.14
-18.85
6.5求出最大盈亏功
△Wmax=Wmax-Wmin=4398.23（N*m）（13）
作图如下：
图10示功图
6.5根据许用不均匀系数，求出等效所需的等效转动惯量
（14）
6.6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11曲柄滑块平衡示意图
8.1把连杆的质量代换到A.B点
m2=m2A+m2B（16）
m2A*lAC2=m2B（lAB-lAC）（17）②
联立（16）（17）可求得m2B和m2A
m2B=4.284kgm2A=7.956kg
m`B=m3+m2B（18）
m`A=m1+m2A（19）
可求得m`B=16.126kg
m`A=23.0561kg
8.2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*r
mb*0.5r=m`Ar
mb=2m`A（20）
可求得mb=46.112kg
15
九．排气凸轮（凸轮Ⅱ）的轮廓设计
9.1凸轮II轮廓设计要求
（1）升程角为60度，回程角为60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。
9.2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Ⅰ
图15凸轮I实际与理论轮廓以及S-δ图
凸轮的轮廓设计符合正弦加速度规律，故s-δ曲线和V-δ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，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，1991.4
［2］周明傅.机械原理课程设计.上海：
上海科技出版社,1987
［3］杨忠秀.机械原理课程设计指导书.北京：
机械工业出版社,2003
［4］孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理.北京：
高等教育出版社，2011.11
［5］裘建新.机械原理指导书.北京:
高等教育出版社,2008
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