单缸四冲程内燃机机构设计及其运动分析

1、机械原理课程设计说明书题目：单缸四冲程内燃机机构设计及其运动分析二级学院机械工程学院年级专业机械制造及其自动化 学 号 学生姓名 指导教师教师职称目录第一部分绪论1第二部分 课题题目及主要技术参数说明 2课题题目2机构简介2设计数据3第三部分设计内容及方案分析6曲柄滑块机构设计及其运动分析 6设计曲柄滑块机构6曲柄滑块机构的运动分析8齿轮机构的设计 15齿轮传动类型的选择16齿轮传动主要参数及几何尺寸的计算 16凸轮机构的设计17从动件位移曲线的绘制18凸轮机构基本尺寸的确定 19凸轮轮廓曲线的设计20第四部分设计总结21第五部分参考文献22第一部分绪论内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效

2、率高、起动性能好 的特点。但是内燃机一般使用石油燃料，同时排出的废气中含有害气 体的成分较高。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、 旋转活 塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷 气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。 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，在其汽缸 内燃烧，释放出的热能使汽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。 它是将液体或气体 燃料与空气混合

3、后，直接输入汽缸内部的高压燃烧室燃烧爆发产生动 力。这也是将热能转化为机械能的一种热机。第二部分课题题目及主要技术参数说明课题题目单缸四冲程内燃机机构设计及其运动分析图2-1内燃机机构简图机构简介内燃机，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。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、 旋转活塞式发动机 和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机 等，但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，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作

4、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。常见的有柴油机和汽油机，通过将内能转化为机械能，是通过做 功改变内能。内燃机的工作原理：让燃料在机器内燃烧产生热量向外界传输机械能。 四冲程汽油机 是由进气、压缩、作功和排气完成一个工作循环的。吸气冲程：活塞下行形成气缸内压力小于于大气压的差， 这个压 力差俗称真空度，由于真空度的存在使机器外的空气进如气缸。 当活 塞下行到最后位置进气阀门关闭吸气冲程完成。 在机器运转中由于速 度的关系在吸气冲程完成时气缸内的气压是大于大气压的， 在设计上 设置了一个进气门关闭的延迟时间就是为了提高进气量。压缩冲程：吸气冲程完成后活塞上行压缩空

5、气达到一定温度使燃 料燃烧，此时有两种情况，一种是外界给于点火，另一种是压缩到一 定时候使其自燃.做功冲程：压缩后燃烧的空气使活塞下行从而将热能转换成机械 能，这种是通过连杆活塞组和曲轴实现的， 在高温高压的燃气的作用 下推动活塞下行通过连杆使曲周做圆周运动， 这个圆周运动就是人们 所需要的机械能，其能量同过于曲轴连接的设备输出， 其中一部份转 换成势能储存在与曲轴相连的飞轮中，这个势能以飞轮惯性旋转的形 式释放为内燃机的吸气，压缩，排气这三个冲程提供能量。排气冲程：在飞轮惯性的驱动下活塞上行将燃烧后的废气从打开 的排气阀门中排出，当活塞行至上终点位置时整个内燃机的工做循环 完成，在飞轮惯性的

6、作用下将开始新的一轮工作循环设计数据1、曲柄滑快机构设计及其运动分析已知：活塞冲程H,按照行程速比系数K,偏心距e,柄每分钟转数n1设计数据表2-1设计内容曲柄滑块机构的设计符号H (mm)e (mm)Kn1 (r/min)符号21555650设计数据表2 -2位置编号28曲柄位置（o ）60o240o图2曲柄位置图学生编号33位置编号282、齿轮机构设计已知：齿轮齿数Z1, Z2,模数m,分度圆压力角口,齿轮为正 常齿制，在闭式润滑油池中工作。设计内容齿轮机构设计符号Z1Z2imaa /数据1545341201203、凸轮机构设计已知：从动件冲程h,推程和回程的许用压力角%, %',

7、推 程运动角，远休止角s,回程运动角，从动件按余弦加速度 运动规律运动。设计内容凸轮机构的设计符号h (mm)s,口丁数据255010503075第三部分设计内容及方案分析曲柄滑块机构设计及其运动分析已知：活塞冲程H,按照行程速比系数 K,偏心距e,柄每分钟转数n1表3-1设计数据表设计内容曲柄滑块机构的设计符号H (mm)e ( mm)Kn( r/min )符号21555650设计曲柄滑块机构以R, L表示曲柄、连杆的长度，e表示曲柄回转中心与滑块移动导路中线的距离，即偏距；H表示滑块的最大行程；K为行程速比 系数，8为极为夹角。左图为过C1, C2, P三点 所作的外接圆。半径为r,其中

8、C1, C2 垂直 C2P/ C1PC2=e,C1, C2为滑块的两极限位置，A为 圆上的一点，它至C1, C2的距 离为偏距e,即A为曲柄的回中 心。曲柄回转中心A的位置。 为了能够满足机构连续性条件， A点只能在右图所示的C2AP上 选取，而不能在pt (p、t为滑 块处于两极限位置图 时，导路 的垂线与C1C2胭周的交点)上选取由已知条件可以求出曲柄和连杆的长度：sinsin180 K 1L R2r由得:L2R2里sincos4.39LLRsin_ 2_ 22(L R)2 (L R)2 H2-2(L R)(L R)由得:2eH cos -2eH H 2sin4sin2eH cos 2eH

9、 H 2sin4sin2(L2 R2) H22(L2 R2)106mm407mm可得R=106mm, L=407mmio按此比例作出曲柄滑块机构的运动简图如图3-2所示图3-2机构运动简图曲柄滑块机构的运动分析1.解析法分析滑块的运动位移分析：由上图可根据曲柄滑块简图及几何知sin ECBRsin - eL故 COS ECBL2Rsin -e 2L贝U S Rcos LcosECB Rcos2_2L2Rsin -e2位移s数据表3-2S的位置弧度S/mmS000Si30S260S390S4120S5150S6180S7210S8240S9270Sio300S11330S|2360速度分析:ds

10、 dtRsin2.R sin2 -2e Rcos2，L2 Rsin -e2dv adt2 Rcos2 22.R cos2 e Rsin2Rsin -e22R sin2 -2e Rcos322 n4 L Rsin -e 2加速度分析:2.图解法分析机构的二个瞬时位置利用图解法作机构的两个瞬时位置的速度和加速度多边形已知曲柄滑块机构的尺寸及 2个位置，构件1的转速n1,用图 解法求连杆的角速度w2及角加速度 幺滑块上C点的速度和加速度。a曲柄位置:(1)曲柄位置为60位置图取 i = 5 (mm/mm )图3-3曲柄位置图 =150(2)速度多边形图已知Wi = 2 兀 1= 68rad/sVbW

11、iR 7.2m/s方向Vb VcbVc大小由图3-4可知图3-4速度多边VcV pc6.6m / s(3)Vcbv bc3.4m/s加速度多边形a =10m/ s'mm2acn aBn aCBvCB8.354 rad / s490 m / s228.4m /sn aBaBaCnBaCB大小aca. p'c'235m/s2由图3-5可知：aCBn JI a.n c421m/s2a2aCB 1034.398rad /s2 tb.曲柄位置(4)曲柄位置为240的位置图取i = 5 (mm/mm )图3-6曲柄位置图(2)速度多边形 v =(m/s)/mm大小方向VC VB V

12、CB图3-7速度多边形由图3-7可知:Vcpc 4.98m/ s*Vcbvbc 3.8m/ s(3)加速度多边形a =10 m/ s2 mm2n aCBac.IaB aB aCnBaCBVCB9.337rad/sL3 35.48m/s图3-8加速度多边形方向：，由图3-8可知:大小：Vaca. p'c' 360m/s2aCBa.n'c' 445m/s2a2 % 1093.66rad/s2 2 t齿轮机构的设计已知：齿轮齿数Z1,Z2模数m,分度圆压力角0c ,齿轮为正常齿 制，在闭式润滑油中工作。设计数据表3-3设计内容齿轮机构设计符号Z1Z2imaa'

13、数据I54534I20I20齿轮传动类型的选择由最小变位系数，Xmin =（""Z）ha*,其中 Zmin = 17 则有: Z minXi> 17-517选择等变位齿轮传动则:Xi=-X?Xi+X2=0取 Xi=X2=Xi+X=0且Xi=-X2#0。此类齿轮传动称为等变位传动。由于Xi+X2=0，故:a' = a ,% '= % , y=0,A y=0即其啮合角等于分度圆压力角中心距等于中心距节圆与分度圆 重合，齿顶圆不需要降低。对于等变位齿轮传动为有利于强度的提高， 小齿轮应采用正变位，大齿轮采用负变位，使大、小齿轮的强度趋于 接近从而使齿轮的承载

14、能力提高。齿轮传动主要参数及几何尺寸的计算已知：齿轮齿数 Z = i5,22=45模数m=4,分度圆压力角 =20 , 齿轮为正常齿制，在闭式润滑油池中工作齿轮m=4>1,且为正常齿制故 ha*=1, c*=由等变位齿轮传动可知 '=% =20 a=a=120齿轮各部分尺寸表3-4名称小齿轮Zi大齿轮Z2计算公式模数m4压力角a20分度圆直径d60180d=mz节圆直径d'60180d'=d=mz啮合角a '20a'=a齿顶局haha= ( ha +x)齿根高hfhf= (ha +c-x)齿顶圆直径dada=d+2ha齿根圆直径dfdf=d-2hf

15、中心距a120a'=a=m(Z1+Z2) /2中心距变动系数y0y=0齿顶局降低系数A y0Ay=0基圆直径dbdb=d cos a齿距pP=tt m基圆齿距pbPb=p cos a齿厚sS=(兀 /2+2xtan a ) m齿槽宽ee=(兀 /2-2xtan a ) m顶隙c1_ *c=cm传动比i3Ii2= CD 1/ 2=Z2/Z1=d27d1凸轮机构的设计已知：从动件冲程h,推程和回程的许用压力角%, %',推 程运动角。，远休止角。s,回程运动角0 从动件按余弦加速度运 动规律运动。设计数据表3-5设计内容凸轮机构的设计符号H (mm)。(J) s，aa，数据2550

16、10503075从动件位移曲线的绘制从动件推杆的位移随凸轮转角S的变化而变化， 分为四个过程分 别是推程，远休止，回程，近休止。从动件按余弦加速度运动规律运动，则其推程时的位移方程为：h1 -cos -1-JS= 2其回程时的位移方程为：h1 cos50S= 2以从动件开始上升的点位S =0°, s=0据此计算得6 （单位：。）s（6）（单位：mm）6102030405060708090100110s25250则从动件位移曲线图如下:其中 h=25, 5 0=50, S 01 = 10, S。' =50, S 02=2506 （单位：。）s（6）（单位：mm）图3-9凸轮机构

17、基本尺寸的确定根据许用压力角计算出基圆半径最小值，凸轮形状选为偏距为零且 对称。如右图所示，从动件的盘形机 构位于推程的某位置，上法线n-n 与从动件速度Vb夹角为轮廓在B点 的压力角，p点为凸轮与从动件的相 对速度瞬心。故 Vp = V = WOP图3-10从而有v ds OP = w 1 = d 8又由图中的三角形 BCP可得dsd &OP_ _tan % = so s =0 s则基圆半径的计算公式：r0ds dtan将5=是(S )dsdt15°和% =%代入上式计算得出：r0 n,取r0=80mm,滚子半径选取rr=10mm凸轮轮廓曲线的设计 根据反转法建立直角坐标系

18、(1)以r。为半径作基圆取从动件初始位置，自B0起沿-w方向将基 圆中心角分为S 0, S01, S0', S 02对应四段圆弧，并将S 0, S0' 对应弧进行五等分。在从动件位移曲线图上量取各相应的行程以此为 半径并分别以基圆上的1, 2,，10, 11点为圆心作弧，令其与各 等分点相交于B1, B2,.B10,B11点，用光滑曲线连接各点，所得封 闭曲线便是凸理论轮廓曲线。(2)在凸理论轮廓曲线基础上，以滚子半径为偏移量作出其等距 由线，即为滚子从动件凸轮工作轮廓曲线。凸轮轮廓曲线如下:第四部分设计总结机械原理课程设计已经结束，经过一周的奋战我们的课程设计终 于完成了，课

19、程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足 下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义. 我 们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天 能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.说实话，课程设计真的有点累.需要靠自己的毅力，坚持和一个 团队的合作。然而，当我们一着手整理自己的设计成果，漫漫回味这 一周的付出与努力，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消.因为我们的课程设计只有一周余的时间， 所以时间上非常紧，容 不得我们有丝毫懈怠，除了在寝室休息食堂吃饭其他时间都是在做课 程设计。这个过程中我们团队在网上收集资料，选定方向，提出初步 的方案，经过几次不断地反复修改和讨论，我们确定了设计的方向。 这个阶段我们分工明确，有条不紊，我想这是我最充实的几天，经过 概念设计后我们对方案都认为有深刻的了解，可是真正落实到细节， 我们低估了它的困难性，在设计时遇到大量的专业知识问题， 除了向 老师咨询外，还需要自己去重新查阅资料，而且很多资料都需要花大 量的时间去阅读，思考，最终把所有知识结合，慢慢完善设计中出现 的问题，最终达到满意为止。