原机械原理课程设计报告.doc

一、 机器简介1-1 设计机器功能简介内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。 活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。1-2 设计参数1-3 设计任务设计一个四冲程内燃机。机器的功能与设计要求：该机器的功能是把化学能转化成机械能。须完成的动作为：活塞的吸气，压缩，做功，排气4个过程，进，排气门的开关与关闭、燃料喷射1-5 绘制整机工作的运动循环图准确的运动循环图决定了每个机构之间的配合与联系，对于我们选定每个机构间的联系方式具有决定性作用。可以说，机器的运动循环图就是机器执行机构的协调图，其目的是使机器能够进行生产工作，故有称作机器的工作循环图。内燃机的运动分析进气门打开，气缸开始进气，当进气结束后，进气门关闭，活塞开始压缩，当压缩到一定程度后，喷油嘴喷出雾化的燃料，火花塞放电点火，此时燃料燃烧迅速膨胀对活塞做功，做功完成后，活塞再一次压缩，排气门打开，废气排出，废气排出后，排气门关闭，进入下一次循环。二、 设计减速系统三、 设计执行机构3-1活塞机构的选定活塞的设计要求 活塞是内燃机中最重要的一个部件，它在气缸中做往复运动，并且有一定的行程，受到比较大的压力，所以活塞要求有一定的强度，不宜磨损、可靠，最重要的是能够保证持续的往复运动。在设计活塞的机构时，必须循依照它的设计要求来对机构进行筛选，以获得最满意的机构。活塞在内燃机的气缸中做往复运动，完成对气体的压缩过程，气体膨胀也是对活塞做功，再通过与活塞相连的机构将由化学能转化成的机械能输出。可以说，活塞是内燃机设计中最为主要的一个部件。活塞机构方案的比较用来完成往复运动的机构有很多，比如连杆机构，凸轮完成往复运动，我最先想到的就是连杆机构中的曲柄滑块机构，如图3-1所示曲柄滑块机构是我们在机械原理学习中最常见的一种机构。它由曲柄的转动带动滑块的往复运动，曲柄是整周副，而与曲柄相连的另一根杆是一个摆动副，摆动副与滑块相连，整体构成了曲柄滑块机构。而且图3-1所示的是一个对心曲柄滑块机构，同时极位夹角=0,因而不存在急回特性，可以保证稳定的输出在我们所学过的机构中还有凸轮机构也能够完成往复运动，如图3-2所示此凸轮机构为一个滚子从动件的凸轮机构，凸轮是一个具有曲线轮廓的构建，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。而且只要设计出适当的凸轮轮廓，便可以使从动件得到任意的预期运动，并且机构简单、紧凑、设计方便。但是凸轮也有不足：1）凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合；2）凸轮轮廓加工比较困难；3）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。 图3-1 曲柄滑块机构 图3-2 凸轮机构以上就是我们最常用的两种实现往复运动的机构，两者各有自己的优点与不足。要选择出一种合适的机构必须综合各个方面的因素，如制造成本、工艺性、寿命活塞机构的选定曲柄滑块机构和凸轮机构两者先比较，凸轮机构不能不适用于行程较大的从动件，且不能受到过大的力，也易磨损。内燃机的活塞有一定的运动行程，同时当气体被压缩以及膨胀时都给了活塞很大的压力。同时，活塞在气缸中不停的做往复运动，使用凸轮机构很容易使凸轮被磨损，导致严重的后果。而曲柄滑块机构则克服了这些缺点，它可以经受住很大的力，同时也不会被磨损，也能够保证一定的行程，因而对于活塞机构，我选择了曲柄滑块机构，它符合活塞的设计要求的。活塞机构选择的结论活塞机构我们选择采用曲柄滑块机构。3-2气门机构的设计要求气门主要做间歇性的往运动，我们需要它运动到一定位置后保持一段时间再回复，与活塞相比，气门受到的压力可以忽略，因而不要求气门具有很高的强度。选择气门的设计要求，最主要的就是要保证间歇的往复运动。气门机构的选定 气门在内燃机中做间歇的往复运动，有一定时间的停顿，首先让我想到的便是凸轮机构，同时能够完成间歇运动的还有棘轮机构，不完整齿轮机构，槽轮机构气门机构方案的比较首先我想到的便是凸轮机构 见图3-3,凸轮机构在间歇运动时有着很明显的有点 对如图所示的凸轮机构进行分析。当凸轮如图上所示方向旋转时，1点到2点之间，杆保持不动，此时气门关闭，当从3点运动到2点的时间内，气门被顶起，此时气门一直保持打开，可以进气或者排气。当从2点运动到1点过程中，气门逐渐下落，但扔保持打开，当运动到1点时，气门完全关闭。可见，凸轮机构可以很好的满足气门的设计要求。 图 3-3 气门的凸轮机构棘轮和不完整齿轮，它们可以完成间歇运动，但是不能保证往复运动，尤其棘轮易磨损，故不考虑做为气门的机构。槽轮也是可以满足间歇运动，但是不能完成往复运动。因而对于气门机构，我们只能选择凸轮机构，这是唯一的同时也是最好的选择。凸轮与导杆接触方式的选择 凸轮与导杆的常用接触方式有3种：尖底接触，图3-4（a）；滚子接触，图3-4（b），平底接触，图3-4（c）。 （a） (b） (c) 图3-4 凸轮与导杆的接触方式 图3-4（a）中所示的尖底从动件，在凸轮与导杆的接触过程中，导杆的尖底易磨损，因而运动速度不能过快，而且尖底从动件在运动过程中压力角可能过大而导致卡住。图（c）中所示的平底从动件凸轮机构，凸轮轮廓曲线与平底接触处的共法线永远垂直于平底，压力角恒等于零，但是，平底从动件只能与外凸的轮廓曲线相作用，在使用时有一定的局限性；图（c）中所示的滚子从动件的凸轮机构，它结合了（a），（c）两种凸轮结构的优点，同时还能在高的转速下保证好的耐磨性，这正是能够满足内燃机中气门高速反复开闭要求的结构，所以我选择图3-4（b）中的滚子从动件凸轮机构。气门机构选择的结论通过上面的比较，凸轮机构的优点显而易见，凸轮机构能够保证间歇的往复运动并且机构简单、紧凑、设计方便。而且气门的运动行程短，受到的力并不是很大，因而凸轮的磨损也很小。气门细节设计气门分为进气阀门和排气阀门。排气阀门和进气阀门在气体压缩时受到一定的压力，但是我们需要排进阀门是在燃料点燃膨胀后排气时才打开，在那之前受到压力也不能打开，所以我们要使用外加的强制力将排气门拉住，这里我选择最常见最简单的弹簧，具体结构见图3-5所示的排气阀们的强制关闭措施。1便是强制将排气阀门2拉住的弹簧，当然这个弹簧在排气阀关闭时要处于拉伸状态，当气体燃烧膨胀后，同时排气门的凸轮将排气阀顶开时，排气门才会打开进行排气，因为弹簧一直处于拉伸状态，而且在一定的受力情况下，排气阀不能打开，因而弹簧的弹性系数有一定的要求。这也是一个非常复杂的设计，在这次设计中暂且不讨论。3-5 排气阀们的强制关闭措施完整气门机构方案的最终确定一个完整的气门机构的主体便是凸轮机构，凸轮机构完成了排气阀门和进气阀门的间歇性往复运动，弹簧保证了排气阀门在排气时才打开。完整气门的示意图如图3-6。 图3-6中，1是排气阀门，2是将阀门强制拉住的弹簧，3是凸轮。当凸轮按所示方向转动时，开始排气阀门保持不变，此时阀门收到气体的压力，但是因为2弹簧将其拉住，因而此时排气门不会打开。当气体膨胀后，此时凸轮应转到凸处，将排气门顶开，进行排气。图 3-6 完整的排气门机构进气阀门的结构与排气阀门的基本一致，只是凸轮的装的方向与排气阀门的不同，以保证排气阀门和进气阀门的交替打开。这个在之后的机构间的运动安排时讨论。3-3火花塞和喷油嘴的设计火花塞的设计火花塞的作用是把点火线圈产生的高压电（1万伏特以上）引入发动机气缸，在火花塞电极的间隙之间产生火花点燃混合气。火花 塞的工作环境极为恶劣，以一台普通四冲程汽油机的火花塞为例，在进气冲程时温度只有60，压力90KPa；而在点火燃烧时，温度会瞬间上升至 3000，压力达到4000KPa；这种急冷急热的交替频率很高，不是一般材料所能应付得了，还要保证绝缘性能，因此对火花塞的材料要求也就很苛刻了。火花塞关键部分是绝缘体，如果绝缘体不起作用，高压电就会“抄小路”而不经两极入地，造成无火花现象。火花塞的绝缘体必须 要有良好的机械性能和耐高电压、耐高温冲击，耐化学腐蚀的能力，普通火花塞多采用以氧化铝为基础的陶瓷做成。火花塞的尺寸是全世界统一的，任何汽车上都 可以通用，但由于汽油发动机类型有区别，因此火花塞也会分有二种基本类型，冷型和热型。冷型与热型是相对而言，它反映了火花塞的热特性性能。火花塞要有适 当的温度才能工作良好，没有积炭才能工作正常。实践证明火花塞绝缘体保持在500600温度时，落在绝缘体上的油滴能立即烧去不会形成积炭，高于这个温度会早燃，低于这个温度有积炭。火花塞这个玩意儿看上去简单，做起来不容易，它对材料及制造工艺的要求十分高，由于工作环境十分恶劣，火花塞绝缘体被击穿、电极积炭失效常会发生，因此它属于“易损件”， 然，随着技术的发展，火花塞的耐用性也提高了，电极材料使用铂合金来代替传统的铜镍合金，延长了火花塞的使用寿命。火花塞选择择和使用火花塞有一定的讲究。火花塞安装在气缸上，工作时火花塞温度很高，正常的工作温度应在500-750，俗称“自净温度”，这个温度可把落在其上的油滴燃烧干净，避免积炭的产生。喷油嘴的设计喷油嘴的功能与原理喷油嘴通过高压将燃料从一个很小的孔中压出，使得液体的燃料呈雾状喷射到燃烧室中进行燃烧，雾状的燃料更有利于燃料的充分燃烧，而且也更节约燃料。喷油嘴其实就是个简单的电磁阀，当电磁线圈通电时，产生吸引力，针阀被吸起，打开喷孔，燃油经针阀头部的轴针与喷孔之间的环形间隙高速喷出，形成利于燃烧的雾状燃料。喷油嘴的设计 喷油量多少的控制:同一类型的电喷车,汽油泵的压力是恒定的,不论节气门的开度大小,只要经过燃油压力调节器的调节,喷油嘴的压力始终都是恒定的.喷油嘴是和燃油泵及燃油压力调节器严格配套使用的,只有设计的压力,喷油嘴才能达到最佳的雾化效果,压力低于设计压力，喷出的油不是雾状，呈柱状，不宜与空气混合；压力过大，喷出的油呈圆锥面形状，也不易混合，并且喷射的力量太大，很多的燃油直接就喷到管壁上，直接影响混合比参数。喷油量的多少,取决于喷油时间的长短,喷油器按电磁线圈的控制方式不同,分为电压驱动式和电流驱动式。在这次的课程设计中我选择的是电流驱动式得名喷油嘴。这次设计的内燃机的溶剂为3L，不需要过大的喷油量，适当即可。以上便是这次设计中对于火花塞和喷油嘴的选择，因为此次设计偏重于机构的设计，对于火花塞和喷油嘴就只做了字面上的描述。 3-4各机构间运动关系的协调 前面已经选好活塞和气门的机构，但是单独的几个机构是无法完成内燃机的功能的，我们必须使得活塞，进气阀门和排气阀门以及火花塞，喷油嘴之间按照运动循环图协调工作才能达到我们的设计要求。而如何使活塞的运动与气门的开闭协调联系起来，是这次设计的重点也是一个难点。3-4-1运动次序 各机构间有了正确的先后顺序才能使内燃机有序的工作，从而完成吸气压缩膨胀做功4个冲程。根据运动循环图，我们可以很明显的看出内燃机中活塞，气门，火花塞和喷油嘴的运动次序，见图7-1 由运动循环图知，当活塞准备由上止点向下止点运动时，此时进气门开启，不久就开始吸气，当活塞运动到下止点时，进气门关闭，活塞又向上运动，开始压缩冲程，压缩过程中所有的气门均关闭。当活塞运动到上止点使，喷油嘴喷出雾状燃料，火花塞放电，点燃燃料，燃料迅速膨胀，使活塞想下止点运动，活塞的运动又带动与曲柄相连的飞轮，这便完成了做功冲程。做功冲程中所有气门也是关闭的。当活塞运动到下止点时，此时排气门打开，进气门仍保持关闭，活塞再次向上止点运动，使燃烧后的废气排出。如此循环反复便把热能转化成了动能。 图 7-1 由图6-1,我们还可以知道，每个机构与曲柄的转动间的协调关系，对于各机构间的协调运动，我便准备从曲轴的运动入手逐一去分析其他机构的的运动。3-4-2传动关系 由对内燃机的整体分析，可以知道各构件的运动都与活塞的曲轴有一定联系。因而我将通过曲轴转过的角度来分析其他构件的运动。活塞与曲轴的关系 从图7-1所示的运动循环图中可以看出，我们假设活塞的起始位置在上止点。当曲轴在转动0180的过程中，是进气冲程，在这个过程中，活塞由上止点运动到下止点，我们把上下止点间的距离叫做一个行程，则在第一个90的过程中，活塞运动了一个行程。曲柄在转动180360的过程中，是压缩冲程，活塞由下止点运动到上止点，完成第二个行程。曲柄转到360540的过程中，这个过程是膨胀过程，既燃料燃烧后剧烈膨胀，使得活塞再次由上止点运动到下止点，完成了第三个行程。当曲轴转到5400的过程中，此过程完成了排气过程，活塞又一次从下止点运动到上止点，完成第四个行程。曲柄的转动又带动了下一次的循环。我将曲柄的运动与活塞的关系列入表3-4-1中，便于设计时容易看出曲轴与活塞之间的运动协调关系，依据设计要求，活塞与曲轴的运动关系必须满足表中所示的关系。曲柄转过的角度活塞的运动0180上止点到下止点，完成吸气冲程180360下止点到上止点，完成压缩冲程360540上止点到下止点，完成膨胀冲程（做功）5400下止点到上止点，完成排气冲程表3-4-1 曲轴与活塞之间的运动协调关系由表可以知道在曲轴转动一周的过程中，活塞共运动了4个行程。气门与曲轴的运动协调关系 从运动循环图上可以明显开出，进气阀门在排气冲程未完全结束的时候便开启了，而在进气冲程完全结束后再过一会才关闭；而排气阀门也是在膨胀冲程未完全结束的时候便开启，在排气冲程结束后再过一会才关闭。进气门的开启之所以这么安排，是为了获得更大的进气量，设计人员希望活塞在抵达下止点的时候也不关闭进气门，也就是说，只要吸气行程依旧存在的话，就让进气气门继续开启。因此，在活塞运行到了底部并再运行约60度曲轴角之后，才关闭进气气门。同样的道理，我们也可以让排气气门的开启时间更早一些，也就是在活塞抵达下止点还剩60度曲轴角之前就打开排气气门，因为，此时排气管中的压力已经和气缸中废气的压力相差不多了。 根据有关资料，进气气门则在再次进行第一个冲程之前的10-20度就进行开启，从而使更多的油气混合汽进入气缸 ；同时，在活塞完成了第四个冲程之后，我们一般不会让排气气门闭合，从而使活塞在继续旋转了15-20度曲轴角之后再闭合。 这样，大约有30-40度曲轴旋转的阶段是进气和排气气门同时开启的。这种进气和排气气门共同开启的阶段我们称为重叠阶段。 根据上面语言所叙述的，我将气门与曲轴的运动协调关系也整理到了表3-4-2中，700240进气门开启，其余保持关闭48020排气门开启，其余保持关闭表 3-4-2气门与曲轴转动角度的关系 以上便是内燃机的主要构件活塞、气门与曲轴的运动关系。当我们设计构件将曲轴的运动和两个气门的运动联系起来时，他们之间的运动关系是我们必须首要考虑的。3-4-3 各机构之间的协调运行 内燃机的正常运行是由活塞、气门的协调运行来保证的，由上面的运动关系的分析，我们可以知道，气门、活塞都与曲轴的运动有关，因而我们必须用曲轴同时带动活塞和气门的运动。从表7-1和表7-2中可以知道，曲轴转720，活塞运动4个行程，进气门和排气门各完成一个过程。我们可以使用齿轮传动将曲轴的运动与气门的运动联系起来，齿轮是我们最常见的传动方式，它的传动比稳定，精度高，且齿轮易于得到，成本低，所以这这里我选用齿轮作为传动方式。带传动，链传动等也可以用做传动装置，但是带传动链传动不能保证精确的传动比，而且也没法承受强烈的载荷冲击，所以这里我不选用这两种传动，而是选择了齿轮传动，见图3-4-3内燃机的整体机构示意图 图3-4-3 内燃机的整体机构示意图 图3-4-3便是内燃机的一个整体机构示意图，中间的小齿轮1与曲轴焊在一起，所以当曲轴转动时，齿轮1也转动，齿轮1的转动又带动齿轮2和3的转动，进而带动连个凸轮的转动，实现进气门和排气门的开闭。气门凸轮的位置安排 同时为了保证排气门和进气门在规定的角度范围内打开和关闭，通过运动循环图可以知道，排气门与进气门的凸轮的安装方向相差270.。，如图3-4-4图3-4-4 进气门与排气门凸轮的安排两个凸轮都是和齿轮固结在一起的。当曲轴逆时针转动时，在曲轴0180时，凸轮1将进气门顶开，并保持，在其他过程中，进气门均关闭；当曲轴转动5400时，排气门开启，在其他过程中，均保持关闭。进气门和排气门的协调配合正式通过凸轮安装的角度差完成的。凸轮的设计 知道了凸轮的安装位置，我们只能保证两个气门按照运动循环图协调的开启和关闭；但是还要设计出合适的凸轮，才能保证进气门和排气门在4个冲程中按照运动循环图的安排开启和关闭。 设计运动循环图，首先必须确定导杆的运动曲线图，根据运动循环图可以知道进气门和排气门都开启一个120，即凸轮在一个120的过程中是将导杆顶起来的，由于对应吸气冲程和排气冲程，与气门相关的齿轮均转动90，既凸轮也都转动90，所以在这个90内，我们要保证导杆顶起的高度达到一定值并保持。根据设计要求绘出导杆的运动曲线图3-4-5 根据绘制出的导杆运动曲线图，我们选定凸轮基圆半径为30mm，最终将导杆顶起8mm，设计出的凸轮如图3-4-6 图3-4-6 最终设计出的凸轮 通过前面的筛选，我最终确定了内燃机机构的最终方案。在下面我将着重各个机构的相关计算。3-5机构的相关计算 确定了内燃机的最终机构方案后，我将计算机构的相关数值，以确定最后的总方案。机构的相关计算也是设计中的一个重点与难点。3-5-1相关数据及参数 设计的要求是设计一个3L的内燃机。与此相关的需要计算的数据以及计算时需要用到的参数主要有以下这些: V气缸容积 D气缸直径 R曲柄半径 S活塞行程 L连杆长度 Z1与曲轴相连的齿轮的齿数 Z2与排气门相连的齿轮齿数 Z3与进气门相连的 =0.81.2 =L/R 在现代内燃机中 取0.250.33以上便是我们需要计算的量以及计算时需要用到的系数。3-5-2计算过程 运用已知的公式和参数计算出需要的数据，画出机构简图进行标注，以完成最终的设计。气缸相关数据的计算 气缸容积V=3L 缸数=1 冲程数=4 工作容积Vn= 设计要求是设计一个3L的内燃机，由公式有： Vn=3