阚磊毕业设计

1、凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了优点：组成凸轮机构的构件数较少，结构比较简单，只要合理地设计凸轮的轮廓曲线就可以使从动件获得各种预期的运动规律，而且设计比较容易。缺点：凸轮与从动件之间组成了点或线接触的高副，在接触处由于相互作用力和相

2、对运动的结果会产生较大的摩擦和磨损。连杆机构：连杆机构的运动具有可逆性；传力时压强小，磨损少，易于保持精度；可方便实现传动，摆动和移动等基本形式及其相互转换；能实现多种运动轨迹凸轮机构：当从动件的位移，速度，加速度必须严格按照预定规律运动时，需要用到凸轮机构1.凸轮机构简单紧凑、工作可靠。设计适当的凸轮轮廓曲线，可以使从动件获得任意预期的运动规律。2.连杆机构相对庞大，不能实现任意规律的运动。3.凸轮机构的刚性、耐磨损性不如连杆机构。4.凸轮机构的润滑不如连杆机构持久。易磨损。第三章 凸轮机构§3-1 凸轮机构的组成和类型一、凸轮机构的组成   1、凸轮：具有曲线

3、轮廓或沟槽的构件，当它运动时，通过其上的曲线轮             廓与从动件的高副接触，使从动件获得预期的运动。   2、凸轮机构的组成：由凸轮、从动件、机架这三个基本构件所组成的              一种高副机构。二、凸轮机构的类型1.按照凸轮的形状分：空间凸轮机构：    盘形凸轮：凸轮呈盘状

4、，并且具有变化的向径。它是凸轮最基本的形式，                应用最广。     移动（楔形）凸轮：凸轮呈板状，它相对于机架作直线移动。盘形凸轮转                 轴位于无穷远处。 空间凸轮机构：      圆

5、柱凸轮：凸轮的轮廓曲线做在圆柱体上。2.按照从动件的形状分：（1）尖端从动件    从动件尖端能与任意形状凸轮接触，使从动件实现任意运动规律。结构简单，但尖端易磨损，适于低速、传力不大场合。 （2）曲面从动件：从动件端部做成曲面，不易磨损，使用广泛。（3）滚子从动件：滑动摩擦变为滚动摩擦，传递较大动力。（4）平底从动件      优点：平底与凸轮之间易形成油膜，润滑状态稳定。不计摩擦时，凸轮给从动件的力始终垂直于从动件的平底，受力平稳，传动效率高，常用于高速。    

6、0; 缺点：凸轮轮廓必须全部是外凸的。3.按照从动件的运动形式分：4.按照凸轮与从动件维持高副接触的方法分：   （1）力封闭型凸轮机构：    利用重力、弹簧力或其它外力使从动件与凸轮轮廓始终保持接触。封闭方式简单，对从动件运动规律没有限制。 5、其它反凸轮机构：摆杆为主动件，凸轮为从动件。应用实例：自动铣槽机应用反凸轮实现料斗翻转§3-2 凸轮机构的特点和功能一.凸轮机构的特点  1、优点： (1)结构简单、紧凑，具有很少的活动构件，占据空间小。       &

7、#160;     (2)最大优点是对于任意要求的从动件运动规律都可以毫无困难                  地设计出凸轮廓线来实现。  2、缺点：由于是高副接触，易磨损，因此多用于传力不大的场合。二.功能  1、实现无特定运动规律要求的工作行程     应用实例：车床床头箱中利用凸轮机构实现变速操纵  2、实现有特定运动规

8、律要求的工作行程     应用实例：自动机床中利用凸轮机构实现进刀、退刀  3、实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程     应用实例：船用柴油机中利用凸轮机构控制阀门的启闭   4、实现复杂的运动轨迹     应用实例：印刷机中利用凸轮机构适当组合实现吸纸吸头的复杂运动      轨迹§3-3 从动件运动规律设计一.基础知识1、从动件运动规律：从动件的位移、速度、加速度及加速度变化

9、率随时间或凸轮转角变化的规律。2、基圆：以凸轮轮廓的最小向径为半径所作的圆3、升距：从动件上升的最大距离二.从动件常用运动规律1、等速（直线）运动规律   从动件的速度为常数     运动方程式                   运动线图：          

10、0;                                    推程：          回程：     

11、       特点：刚性冲击，速度有突变，加速度理论 上由零      至无穷大，从而使从动件产生巨大惯性力，构件受到强烈冲击。适用场合：低速轻载2、等加速等减速（抛物线）运动规律   从动件的位移曲线为抛物线。从动件在推程或回程的前半个行程中作等加速运动，后半个行程作等减速运动，且通常加速度和减速度绝对值相等。运动方程式     推程：     回程：    

12、60;       运动线图：                        特点：有柔性冲击适用场合：中速轻载3、简谐（余弦加速度）运动规律   加速度曲线为余弦曲线，即当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规律。   运动方程式   

13、              运动线图：推程 ：          回程 ：        ： 特点：有柔性冲击适用场合：中速轻载。当从动件做无歇止的升、降、升运动时，可用于高速场          合。4、摆线（正弦加速

14、度）运动规律   半径为的滚圆沿纵坐标轴做等速无滑动的纯滚动，圆上最初位于原点的点其位移随时间变化规律加速度曲线为摆线运动规律。   运动方程式：                运动线图：推程：    回程：     特点：无刚性、柔性冲击适用场合：高速5、3-4-5次（5次）多项式运动规律运动方程式：推程： 回程：特点：无刚性、柔性冲击

15、适用场合：高速中载三.从动件常用运动规律的选择1、常用运动规律特性比较表3-2 常用运动规律特性比较及适用场合运动规律冲击特性适用场合等速（直线）刚性1.00低速轻载等加等减速（抛物线）柔性2.004.00中速轻载简谐（余弦加速度）柔性1.574.93中速中载摆线（正弦加速度）无2.006.2839.5高速轻载3-4-5次多项式（五次多项式）无1.885.7760.0高速中载2、从动件运动规律的选取原则  (1)当机械的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，应考虑所选的运动规律使凸轮机构具有良好的动力特性和便于加工。·  低速轻载：主

16、要考虑加工，选择圆弧、直线等易加工的曲线作凸轮轮廓，这时的动力特性不是主要的。 ·  高速轻载：首先考虑动力特性，避免产生过大冲击。   (2)当机械的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮的转速又不太高时，应首先从满足工作需求出发来选择从动件的运动规律，其次考虑其动力特性和便于加工。  (3)当机械的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮 的转速又较高时，应兼顾两者来设计从动件的运动规律。通常可考虑把不同形式的运动规律恰当地组合起来，形成既能满足工作对运动的特殊要求，又具有良好动力性能。  (4)在选择或设计从动件运动规律时，除了

17、要考虑其冲击特性外，还应考虑其具有的最大速度、最大加速度和最大跃度，这些值也会从不同角度影响凸轮机构的工作性能。   ：和机构动量有关，影响机构停、动灵活和运行安全。   ：和机构惯性有关，对构件的强度和耐磨性要求较高。  ：与惯性力的变化率有关，影响从动件系统的振动和工作平稳性。四、从动件运动规律的组合   组合后的从动件运动规律应满足以下要求：1、满足工作对从动件特殊的运动要求；2、为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲线（包括起始点和终点）必须连续 。  对高、中速凸轮机构，还应当避免柔性冲击，其加速度曲线（包括起

18、始点和  终点）也必须连续。跃度曲线可以不连续，但不能出现无穷大。即在用不  同运动规律组合起来形成从动件完整的运动规律时，各段的位移、速度、加  速度曲线在连接点处其值应分别相等，这是运动规律组合时应满足的边界条   件。 3、应使最大速度、最大加速度的值尽可能小。§3-4 凸轮廓线设计一、反转法原理   凸轮机构工作时，凸轮以等角速度匀速转动，推动从动件在导路中往复移动。为绘图方便，假设凸轮固定不动，从动件一方面随导路一起以角速度匀速转动，同时又在导路中作相对移动。由于从动件尖端始终与凸轮轮廓曲线接触

19、，故反转后从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。二、用图解法设计凸轮轮廓一）移动从动件盘形凸轮轮廓1、尖端从动件   已知：基圆半径，偏距，等角速度逆时针方向转动。设计步骤（略）2、滚子从动件已知：基圆半径，偏距，滚子半径，凸轮以等角速度逆时针方向转动。设计步骤（略）3、平底从动件已知：基圆半径，偏距，滚子半径，凸轮以等角速度逆时针方向转动。二）摆动从动件盘形凸轮轮廓设计  已知：基圆半径，凸轮轴心与从动件转动中心距离，摆杆长度，凸轮以等角速度逆时针方向转动。三）圆柱凸轮轮廓曲线设计已知：凸轮的平均圆柱半径，滚子半径，从动件长度，凸轮以等角速度逆时针方向转动。三

20、、用解析法设计凸轮轮廓1、移动滚子从动件盘形凸轮机构(1)理论廓线方程根据反转法原理，B点的直角坐标为：         即凸轮理论廓线方程          式中： 对于对心从动件，由于，凸轮理论廓线的方程式可表示为：           (2)实际廓线方程  凸轮的实际轮廓是理论轮廓的等距（滚子半径）曲线。由高等数

21、学可知，曲线上任一点的斜率与该点的切线斜率互为负倒数，故理论廓线上B点处法线的斜率为：则实际廓线上对应点B的坐标为：  即凸轮实际廓线方程式。上面一组加减号表示一条内包络线，下面一组加减号表示一条外包络线。(3)刀具中心轨迹   滚子从动件盘形凸轮加工时，尽可能采用直径和滚子相同的刀具，刀具中心轨迹与凸轮理论廓线重合，理论廓线的方程即为刀具中心轨迹方程。当用直径大于滚子的铣刀或砂轮来加工凸轮廓线，或在线切割机床上用钼丝（直径远小于滚子）来加工凸轮时，刀具(半径为)中心不在理论廓线上，而在与理论廓线的等距（）线上。故用（）代替，即可得到刀具中心轨迹方程：2、移动平底

22、从动件盘形凸轮机构(1)实际廓线方程   凸轮与平底从动件的瞬心P点的速度                         凸轮实际廓线上任意一点B的坐标              即凸轮实际廓线方程(2)刀具中心轨迹&

23、#160;   当用砂轮端面加工凸轮时，刀具中心的轨迹方程为：   当用铣刀、砂轮或钼丝的外圆加工凸轮时，刀具中心的运动轨迹是凸轮实际廓线的等距（）曲线。3、摆动滚子从动件盘形凸轮机构(1)理论廓线方程   凸轮廓线上任意一点B的坐标为：    即理论廓线方程         实际廓线和刀具中心轨迹方程（略）§3-5 凸轮机构基本尺寸的确定一、移动滚子从动件盘形凸轮机构1、压力角及其许用值压力角：在不计摩擦的情况下，

24、凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角。压力角是机构位置的函数。 (1)压力角与作用力的关系   当压力角增到一定值，会发生自锁。从减小推力、避免机构自锁，使机构具有良好的受力状况看，压力角越小越好。  在BDP中       点P为凸轮机构的瞬心      所以：     (2)压力角与机构尺寸的关系此式适用于：凸轮逆时针旋转，从动件偏于凸轮轴心右侧；凸轮顺时针旋转，从动件偏于凸轮轴心左侧时。&

25、#160;凸轮从动件“+”顺时针凸轮右侧逆时针凸轮左侧“-”顺时针凸轮左侧逆时针凸轮右侧     则：      在其它条件不变的情况下，压力角越大，基圆半径越小，即凸轮的尺寸越小。从使结构紧凑的观点看，压力角越大越好。(3)许用压力角    推程： 移动从动件            摆动从动件     回程： 2、凸轮基圆半径的确定  

26、 凸轮基圆半径选择的前提是：   由于压力角随凸轮转角变化，因此需求最大压力角。(1)令来确定   理论推导  诺模图(2)令凸轮基圆半径大于等于倍的轴径，检验是否小于，若不满足则    增大基圆半径。3、从动件偏置方向的确定   由于，因此，正确选择从动件的偏置方向(使分子中的前面出现“-”号)可以减小推程的压力角。4、凸轮实际廓线形状与滚子半径的关系(1)内凹凸轮廓线 图a)           无论滚子半径多大

27、，总能由理论廓线求出实际轮廓。(2)外凸凸轮廓线                                                

28、60; 光滑曲线             出现尖点             出现交叉    运动失真：当滚子半径小于等于理论轮廓上的最小曲率半径时，实际轮廓出现尖点或交叉，在进行加工时，尖点以外的部分将被刀具切去，凸轮轮廓出现过度切割，使从动件不能准确实现预期的运动规律，这种现象称为运动失真。 5、避免运动失真的措施  

29、0;(1)减小滚子半径   (2)增大基圆半径6、滚子半径的选择    根据结构、强度等方面的限制，选择滚子半径大小。若利用该滚子半径使从动件产生运动失真，则增大基圆半径。二、移动平底从动件盘形凸轮机构1、运动失真及其避免(1)运动失真：凸轮轮廓出现过度切割现象，从动件无法完全实现预期的运动规律。(2)避免运动失真的措施   减小   增大基圆半径2、凸轮基圆半径的确定(1)原则     使 以避免运动失真(2)确定方法    由于 &

30、#160;   用复数的极坐标形式表示为：    推导可得：   所以： 3、从动件偏置方向的选择    对移动平底从动件，偏距并不影响凸轮廓线的形状，选择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程阶段所受的弯曲应力。推程时，从动件所受弯曲应力较大。时，从动件所受弯曲应力减小。4、平底宽度的确定  为保证从动件平底与凸轮廓线正常接触，平底宽度应为：  §3-6 凸轮机构的计算机辅助设计一、设计步骤   在机构运动方案设计阶段，一个凸轮机构的完整设计过程

31、如下：1、根据使用场合和工作要求，选择凸轮机构类型；2、根据工作要求选择或设计从动件的运动规律；3、根据机构的具体结构条件，初选凸轮机构的基圆半径；  当采用滚子从动件时，还应根据滚子的结构、强度等条件，选择滚子半径。4、对凸轮机构进行计算机辅助设计。二、实例   已知：升程，停歇角。凸轮以角速度转动。工作要求凸轮机构既无刚性冲击，又无柔性冲击，试设计此凸轮机构。解：(1)根据使用场合和工作要求，选择凸轮机构类型。本例中要求从动件作往复移动，因此，选择一对心滚子从动件盘形凸轮机构。   (2)根据工作要求选择或设计从动件的运动规律。为保证机构既

32、无刚性冲击又无柔性冲击，推程回程均选用摆线运动规律。    (3)根据滚子的结构、强度等条件，选择滚子半径。本例中，初选。    (4)根据机构的结构空间，初选凸轮机构的基圆半径。    (5)对凸轮机构进行计算机辅助设计。为保证凸轮机构具有良好的受力状况，要保证，；为保证机构不产生运动失真和避免凸轮廓线应力集中，取凸轮理论廓线外凸部分的曲率半径，设计中要保证。     根据上述设计思路和有关公式，可设计出该机构的计算机辅助设计程序框图（略）。3.1  凸

33、轮机构的应用和分类一、凸轮机构的应用    凸轮机构是由具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件实现预期运动规律的一种高副机构。它广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线中。在设计机械时，当需要其从动件必须准确地实现某种预期的运动规律时，常采用凸轮机构。    图示为内燃机配气凸轮机构。具有曲线轮廓的构件1叫做凸轮，当它作等速转动时，其曲线轮廓通过与推杆2的平底接触，使气阀有规律地开启和闭合。工作对气阀的动作程序及其速度和加速度都有严格的要求，这些要求都是通过凸轮的轮廓曲线来实现的。  

34、;  由上图可以看出:当凸轮运动时，通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触，可使从动件获得预期的运动。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架这三个基本构件所组成的一种高副机构。    凸轮机构的特点：优点：结构简单、紧凑，占据空间较小；具有多用性和灵活性，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状。对于几乎任意要求的从动件的运动规律，都可以毫无困难地设计出凸轮廓线来实现。    缺点：凸轮轮廓线与从动件之间是点或线接触的高副，易于磨损，故多用于传力不大的场合。二、凸轮机构的分类    工程实际中所使用的凸轮

35、机构型式多种多样，常用的分类方法有以下几种：    1.按照凸轮的形状分类    （1）盘形凸轮机构    这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化向径的盘形零件，如内燃机配气机构中的凸轮。当其绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内运动。它是凸轮的最基本型式，结构简单，应用最广。       （2）移动凸轮机构    当盘形凸轮的转轴位于无穷远处时，就演化成了图示的移动凸轮（或楔形凸轮）。凸轮呈板状，它相

36、对于机架作直线移动。    在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。    （3）圆柱凸轮    如果将移动凸轮卷成圆柱体即演化成圆柱凸轮。图示为自动机床的进刀机构。在这种凸轮机构中凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，故属于空间凸轮机构。      图中具有曲线凹槽的构件叫凸轮，当它作等速回转时，其上曲线凹槽的侧面推动从动件绕O点作复摆动，通过扇形齿轮和固结在刀架上的齿条，控制刀架作进刀和退刀运动。刀架的运动

37、规律则取决于凸轮上曲线凹槽的形状。     2 按照从动件的形状分类名称 图形 说明 尖端从动件    从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接 触，从而使从动件实现任意的运动规律。这种从动件结构最简单，但尖端处易磨损，故只适用于速度较低和传力不大的场合。曲面从动件     为了克服尖端从动件的缺点，可以把从动件的端 部做成曲面，称为曲面从动件。这种结构形式的从动件在生产中应用较多。滚子从动件     为减小摩擦磨损，在从动件端部安装

38、一个滚轮， 把从动件与凸轮之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用来传递较大的动力，故这种形式的从动件应用很广。平底从动件     从动件与凸轮轮廓之间为线接触，接触处易形成 油膜，润滑状况好。此外，在不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于从动件的平底，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。缺点是与之配合的凸轮轮廓必须全部为外凸形状。    3按照从动件的运动形式分类    按照从动件的运动形式分为移动从动件和摆动从动件凸轮机构。移动从动件凸轮机构又可根据其从动件轴线与凸轮回转轴心

39、的相对位置分成 对心和偏置两种。    4按照凸轮与从动件维持高副接触的方法    （1）力封闭型凸轮机构      所谓力封闭型，是指利用重力、弹簧力或其它外力使从动件与凸轮轮廓始终保持接触。如内燃机配气机构中的凸轮。   （2）形封闭型凸轮机构       所谓形封闭型，是指利用高副元素本身的几何形状使从动件与凸轮轮廓始终保持接触。    常用的形封闭型凸轮机构有以下几种：

40、槽凸轮机构 等宽凸轮机构 等径凸轮机构 共轭凸轮机构     在实际应用中，可以将不同类型的凸轮和从动件组合起来，就可以得到各种不同形式的凸轮机构。设计时，可根据工作要求和使用场合的不同加以选择。6.4.1 凸轮式间歇运动机构的工作原理及类型    凸轮式间歇运动机构由主动凸轮、从动转盘和机架组成，以主动凸轮带动从动转盘完成间歇运动。一般有两种形式：圆柱凸轮间歇运动机构和蜗杆凸轮间歇运动机构。1凸轮间歇运动机构    在圆柱凸轮间歇运动机构中，主动凸轮的圆柱面上有一条两端开口、不闭合的

41、曲线沟槽。当凸轮连续地转动时，通过圆柱销带动从动转盘实现间歇转动。2蜗杆凸轮间歇运动机构    在蜗杆凸轮间歇运动机构中主动凸轮上有一条突脊犹如蜗杆，从动转盘的圆柱面上均匀分布有圆柱销就像蜗轮的齿。当蜗杆凸轮转动时，将通过转盘上的圆柱销推动从动转盘作间歇运动。内燃机是将燃料燃烧释放出来的热能转变成有用机械能的一种能量装置。内燃机中的燃料与空气混合、燃烧，产生高温、高压的工作气体，它作为热能的载体推动活塞，通过连杆、曲轴箱外输出机械功。由于这一能量转变过程完全是在发动机的内部完成的，所以称为内燃机。广义的说，内燃机包括往复活塞式内燃机、转动式燃气轮机、复合

42、式发动机和喷气推进机，这些热机可以统称为内燃动力装置。我们将在这里主要向大家介绍往复活塞式内燃机和转动式燃气机，另外还会介绍一种比较特殊的斯特林机，以此向大家展示内燃机的百年发展史。  引 言 内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世。一百多年以来，内燃机的巨大生命力经久不衰。目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机，在国民经济中占有相当重要的地位。现代内燃机更是成为了当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的的最重要的热能机械。 当然内燃机同样也存在着不少的缺点，主要是：对燃料的要求高，不能直接燃用劣质燃料和固体燃料；由于间歇换气以及制造的困难，

43、单机功率的提高受到限制，现代内燃机的最大功率一般小于4万千瓦，而蒸汽机的单机功率可以高达数十万千瓦；内燃机不能反转；内燃机的噪声和废气中有害成分对环境的污染尤其突出。可以说这一百多年来的内燃机的发展史就是人类不断革新，不断挑战克服这些缺点的历史。 内燃机发展至今，约有一个半世纪的历史了。同其他科学一样，内燃机的每一个进步都是人类生产实践经验的概括和总结。内燃机的发明始于对活塞式蒸汽机的研究和改进。在它的发展史中应当特别提到的是德国人奥托和狄塞尔，正是他们在总结了前人无数实践经验的基础上，对内燃机的工作循环提出了较为完善的奥托循环和狄塞尔循环，才使得到他们为止几十年间无数人的实践和创造活动得到了

44、一个科学地总结，并有了质的飞跃，他们将前任粗浅的、纯经验的、零乱无序的的经验，加以继承、发展、总结、提高，找出了规律性，为现代汽油机和柴油机热力循环奠定了热力学基础，为内燃机的发展做出了伟大的贡献。 往复活塞式内燃机 往复活塞式内燃机的种类很多，主要的分类方法有这样一些：按所用的燃料的不同，分为汽油机，柴油机、煤油机、煤气机（包括各种气体燃料内燃机）等；按每个工作循环的行程数不同，分为四冲程和二冲程；按着火方式不同，分为点燃式和压燃式；按冷却方式不同，分为水冷式和风冷式；按气缸排列形式不同，分为直列式、V型、对置式、星型等；按气缸数不同，分为单缸内燃机和多缸内燃机等；按内燃机的用途不同，分为汽

45、车用、农用、机车用、船用以及固定用等等。本文将会主要针对煤气机、汽油机、柴油机这样一个发展脉络来向大家介绍。 最早的内燃机煤气机 最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机。1860年，法国发明家莱诺制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为0.741.47KW，转速为100r/min，热效率为4%）。法国工程师德罗沙认识到，要想尽可能提高内燃机的热效率，就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小，膨胀时活塞的速率尽量快，膨胀的范围（冲程）尽量长。在此基础上，他在1862年提出了著名的等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。 1876年，德国人奥托制成了第一台四

46、冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为2.21KW、180r/min）。在这部发动机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了气缸盖，使混合气充分形成。这是一部非常成功的发动机，其热效率相当于当时蒸汽机的两倍。奥托把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体，使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点。在1878年巴黎万国博览会上,被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。等容燃烧四冲程循环由奥托实现,也被称为奥托循环。 煤气机虽然比蒸汽机具有很大的优越性,但在社会化大生产情况下,仍不能满足交通运输业所要求的高速、轻便等性能。因为它以煤气为

47、燃料,需要庞大的煤气发生炉和管道系统。而且煤气的热值低(约1.75×1072.09×107J/m3),故煤气机转速慢,比功率小。到19世纪下半叶,随着石油工业的兴起,用石油产品取代煤气作燃料已成为必然趋势。        汽油机的出现 1883年，戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机，此发动机上安装了迈巴赫设计的化油器，还用白炽灯管解决了点火问题。以前内燃机的转速都不超过200r/min，而戴姆勒的汽油机转速一跃为8001000r/min。它的特点是功率大，质量轻、体积小、转速快和效率高，特别适用于交通工具

48、。与此同时，本茨研制成功了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷却器。 到十九世纪末，主要的集中活塞式内燃机大体上进入了实用阶段，并且很快显示出巨大的生命力。内燃机在广泛应用中不断地得到改善和革新，迄今已达到一个较高的技术水平。在这样一个漫长的发展历史中，有两个重要的发展阶段是具有划时代意义的：一是50年代兴起的增压技术在发动机上的广泛应用；再就是70年代开始的电子技术及计算机在发动机研制中的应用，这两个发展趋势至今都方兴未艾 首先我们来看一下汽油机在本世纪的发展历程。在汽车和飞机工业的推动下汽油机取得了长足的发展。按提高汽油机的功率、热效率、比功率和降低油耗等主要性能指标的过程，可以把汽油机的发展

49、分为四个阶段。 第一阶段是本世纪最初二十年，为适应交通运输的要求，以提高功率和比功率为主。采取的主要技术措施是提高转速、增加缸数和改进相应辅助装置。这个时期内，转速从上世纪的500800r/min提高到10001500r/min，比功率从3.68W/Kg提高到441.3735.5W/Kg，对提高飞机的飞行性能和汽车的负载能力具有重大的意义。 第二阶段时间在20年代，主要解决汽油机的爆震燃烧问题。当时汽油机的压缩比达到4时，汽油机就发生爆震。美国通用汽车公司研究室的米格雷和鲍义德通过在汽油中加入少量的四乙基铝，干扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了爆震的问题，使压缩比从4提高到了8，大大提高了汽

50、油机的功率和热效率。当时另一严重影响汽油机功率和热效率的因素是燃烧室的形状和结构，英国的里卡多及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理的研究，改进了燃烧室，使汽油机的功率提高了20%。 第三阶段是从20年代后期到40年代早期，主要是在汽油机上装备增压器。废气涡轮增压可使气压增至1.41.6大气压，他的应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径。但是其真正的广泛应用，却是在50年代后期才普及的。 第四阶段从50年代至今，汽油机技术在原理重大变革之前发展已近极致。它的结构越来越紧凑，转速越来越高。其技术现状为：缸内喷射；多气门技术；进气滚流，稀薄分层燃烧；电子控制点火正时、汽油喷射及空燃比随工况

51、精确控制等全面电子发动机管理；废气在循环及三元催化等排气净化技术等。其集中体现在近年来研制成功并投产的缸内直喷分层充气稀燃汽油机（GDI）。 但是随着70年代开始的电子技术在发动机上的应用，为内燃机技术的改进提供了条件,使内燃机基本上满足了目前世界各国有关排放、节能、可靠性和舒适性等方面的要求。内燃机电子控制现已包括电控燃油喷射、电控点火、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、警告提示、自我诊断、失效保护等诸多方面。 同样内燃机电子控制技术的发展也大致可分为四个阶段： 1、内燃机零部件或局部系统的单独控制,如电子油泵、电子点火装置等。 2、内燃机单一系统或几个相关系统的独立控制,如燃油供给系

52、统控制、最佳空燃比控制等。 3、整台内燃机的统一智能化控制,如内燃机电子控制系统。 4、装置与内燃机动力的集中电子控制,如汽车、船舶、发电机组的集中电子控制系统。 电子控制系统一般由传感器、执行器和控制器三部分组成。由此构成各种不同功能、不同用途的控制系统。其主要目标是保持发动机各运行参数的最佳值，以求得发动机功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并监视运行工况。如Caterpillar公司的3406PEPC系统是在3406柴油机上采用可变程序的发动机控制系统，具有电子调速功能，采用电子控制空燃比，可将喷有提前角始终保持在最佳值。美国Stanaclyne公司将其生产的DB型分配泵改为电子控制喷油泵

53、，称为PFP系统，采用步进电机作为执行元件来控制喷油量和喷油定时  柴油机内燃机家族的另一个明星 柴油机几乎是与汽油机同时发展起来的，它们具有许多相同点。所以柴油机的发展也与汽油机有许多相似之处，可以说在整个内燃机的发展史上，它们是相互推动的。 德国狄塞尔博士于1892年获得压缩点火压缩机的技术专利，1897年制成了第一台压缩点火的“狄塞尔”内燃机，即柴油机。 柴油机的高压缩比带来众多的优点： 1、1、不但可以省去化油器和点火装置，提高了热效率，而且可以使用比汽油便宜得多的柴油作燃料。 2、2、柴油机由于其压缩比大,最大功率点、单位功率的油耗低。在现代优秀的发动机中,柴油机的油耗约为

54、汽油机的70%。特别像汽车,通常在部分负荷工况下行驶,其油耗约为汽油机的60%。柴油机是目前热效率最高的内燃机。 3、3、柴油机因为压缩比高,发动机结实,故经久耐用、寿命长。 同时高压缩比也带来了缺点: 1、柴油机的结构笨重。通常柴油的单位功率质量约为汽油机的1.53倍。柴油机压缩比高,爆发压力也高,可达汽油机的1.5倍左右(不增压的情况下)。为承受高温高压,就要求结实的结构。所以柴油机最初只是作为一种固定式发动机使用。 2、在同一排量下,柴油机的输出功率约为汽油机的1/3。因为柴油机把燃料直接喷入气缸,不能充分利用空气,相应功率输出低。假设汽油机的空气利用率为100%,那么柴油机仅有80%9

55、0%。柴油机功率输出小的另一原因是压缩比大,发动机的摩擦损失比汽油机大。这种摩擦损失与转速成正比,不能期望通过增加转速来提高功率。转速最高的汽油机每分钟可运转10000次以上(如赛车发动机),而柴油机的最高转速却只有5000r/min。 近百年来,柴油机的热效率提高近80%,比功率提高几十倍,空气利用率达90%。当今柴油机的技术水平表现为:优良的燃烧系统；采用4气门技术；超高压喷射；增压和增压中冷；可控废气再循环和氧化催化器；降低噪声的双弹簧喷油器；全电子发动机管理等,集中体现在以采用电控共轨式燃油喷射系统为特征的新一代柴油机上。目前,日本的Nippondeno公司(ECDU2),德国Bosc

56、h(ZECCEL)和美国Caterpilla公司(HELII)是研究和生产共轨式电控喷油系统的主要公司。 增压技术在柴油机上的应用要比汽油机晚一些。早在20年代就有人提出压缩空气提高进气密度的设想，直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次设计了一台带废气涡轮增压器的增压发动机。由于当时的技术水平和工艺、材料的限制，还难以制造出性能良好的涡轮增压器，加上二次大战的影响，增压技术为能迅速普及，直到大战结束后，增压技术的研究和应用才受到重视。1950年增压技术才开始在柴油机上使用并作为产品提供市场。 50年代，增压度约为50%，四冲程机的平均有效压力约为0.70.8MPa，无中冷，处于一个技术水平

57、较低的发展阶段。其后20多年间，增压技术得到了迅速的发展和广泛地采用。 70年代，增压度达200%以上，正式作为商品提供的柴油机的平均有效压力，四冲程机已达2.0MPa以上，二冲程机已超过1.3MPa，普遍采用中冷，使高增亚（>2.0MPa）四冲程机实用化。单级增压比接近5，并发展了两级增压和超高增压系统，相对于50年代初期刚采用增压技术的发动机技术水平，30年来有了惊人的发展。 进入80年代，仍保持这种发展势头。进排气系统的优化设计，提高充气效率，充分利用废气能量，出现谐振进气系统和MPC增压系统。可变截面涡轮增压器，使得单级涡轮增压比可达到5甚至更高。采用超高增压系统，压力比可达10

58、以上，而发动机的压缩比可降至6以下，发动机的功率输出可提高23倍。进一步发展到与动力涡轮复合式二级涡轮增压系统。由此可见，高增压、超高增压的效果是可观的，将发动机的性能提高到了一个崭新的水平。 转动式内燃机 在蒸汽机的发展历史中有从往复活塞式蒸汽机到蒸汽轮机的演化。这一点,对内燃机的发展大有启发的。往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等,转换为功率输出轴的转动，这样不仅使机构复杂，而且由于转动机构的摩擦损耗,还会降低机械效率。另外由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力,这个惯性力与转速的平方成正比。随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平

59、衡而产生强烈的振动。此外，往复式内燃机还有一套复杂的气门控制机构。于是人们设想:既然工具机的运动形式大部分都是轴的转动，能否效法从往复活塞式蒸汽机到蒸汽轮机的路子，使热能直接转化为轴的转动呢？于是人们开始了在这一领域的探索。   燃气轮机 1873年布拉顿(GeorgeBrayton)制造了一种定压燃烧的发动机。该机能提供使燃气完全膨胀到大气压所发出的功率。20世纪初法国的阿曼卡(BeneArmangaud)等成功地应用布拉顿循环原理制成燃气轮机。但是，因当时条件限制,热效率很低未能得到发展。 到30年代,由于空气动力学及耐高温合金材料和冷却系统的进展,为燃气轮机进入实用创造了条件。

60、燃气轮机虽然是内燃机,但它没有像往复式内燃机那样必须在封闭的空间里和限定的时间内燃烧的限制，所以不会发生像汽油机那样令人担心的爆震，也很少像柴油机那样受摩擦损失的限制；且燃料燃烧所产生的气体直接推动叶轮转动，故它的结构简单(与活塞式内燃机相比，其部件仅为它的1/6左右)、质量轻、体积小、运行费用省，且易于采用多种燃料，也较少发生故障。虽然燃气轮机目前尚存在一些缺点：寿命短、需要高级耐热钢材和成本高及排污(主要是NOx)较严重等，致使至今燃气轮机的应用仍局限于飞机、船舶、发电厂和机车，但是由于布拉顿循环的优越性和燃气轮机对燃油的限制少及上述的其它优点,使得它仍为现在和将来人们致力研究的动力技术之

61、一。若突破涡轮入口温度，大大提高热效率，且克服其它缺点，燃气轮机有望取代汽、柴油机。  旋转活塞式发动机 一直以来人们都在致力于建造旋转式发动机，其目标是避免往复式发动机固有的复杂性。在1910年以前，人们曾提出过2000多个旋转发动机的方案。20世纪初，又有许多人提出不同的方案，但大多因结构复杂或无法解决气缸密封问题而不能实现。直到1954年，德国人汪克尔(FelixWankel)经长期研究，突破了气缸密封这一关键技术，才使具有长短幅圆外旋轮线缸体的三角旋转活塞发动机首次运转成功。转子每转一圈可以实现进气、压缩、燃烧膨胀和排气过程，按奥托循环运转。1962年三角转子发动机作为船用动

62、力，到80年代日本东洋工业公司把它用于汽车引擎。 转子发动机有一系列的优点： 1、它取消了曲柄连杆机构、气门机构等，得以实现高速化。 2、质量轻(比往复式内燃机质量下降1/2到1/3)、结构和操作简单(零件数量比往复式少40%，体积减少50%)。 3、3、在排气污染方面也有所改善，如NOx产生较少。 但转子发动机也存在着严重的不足之处： 1、.这种结构的密封性能较差，至今只能作为压缩比低的汽油机使用。 2、由于高速带来了扭矩低，组织经济的燃烧过程困难。 3、寿命短、可靠性低以及加工长短轴旋轮线的专用机床构造复杂等。     内燃机的发展趋势 内燃机的发明，至今已有

63、100多年的历史。如果把蒸汽机的发明认为是第一次动力革命,那么内燃机的问世当之无愧是第二次动力革命。因为它不仅是动力史上的一次大飞跃，而且其应用范围之广、数量之多也是当今任何一种别的动力机械无与伦比的。随着科技的发展,内燃机在经济性、动力性、可靠性等诸多方面取得了惊人的进步，为人类做出了巨大贡献。蒸汽机从初创到完成花去了一个世纪的时间，从完成到极盛又走了一个世纪，从极盛到衰落大约也是一个世纪。内燃机的发明也经历了一个世纪的历程，从那时起，人类又前进了一个世纪，可以说如今内燃机已进入了极盛时期。在世纪之交的今天，我们关注内燃机的未来，人们在拭目以待的同时，更希望内燃机能在新的世纪再创辉煌的业绩。

64、这里我将向大家展示新世纪里内燃机的发展趋势。         内燃机增压技术 从内燃机重要参数(压力、温度、转速)的发展规律来看，可以发现这三个参数在1900年以前随着年代的推移提高得很快。而在1900年以后，尤其是1950年以后，温度、转速提高变慢，而平均有效压力随着年代的增加仍直线上升。实践证明：提高平均有效压力可以大幅度地提高效率，减轻质量。而提高平均有效压力的技术就是提高增压度。如柴油机增压可大幅度地缩小柴油机进气管尺寸，并使气缸有足够大的充气效率用于提高柴油机的功率，使之能在一个宽广的转速范围内既提高功率又有大的扭

65、矩。一台增压中冷柴油机可以使功率成倍提高，而造价仅提高15%30%，即每马力造价可平均降低40%。所以增压、高增压、超高增压是当前内燃机重要的发展方向之一。但是这只是问题的一个方面，另一个方面发动机强化和超强化会给零部件带来过大的机械负荷和热负荷，特别是热负荷问题已成为发动机进一步强化的限制；再就是单级高效率、高压比压气机也限制了增压技术的进一步发展，因此，不是增压度越高越好的。         内燃机电子控制技术 内燃机电子控制技术产生于20世纪60年代后期,通过70年代的发展,80年代趋于成熟。随着电子技术的进一步发展,

66、内燃机电子控制技术将会承担更加重要的任务,其控制面会更宽,控制精度会更高,智能化水平也会更高。诸如燃烧室容积和形状变化的控制、压缩比变化控制、工作状态的机械磨损检测控制等较大难度的内燃机控制将成为现实并得到广泛应用。内燃机电子控制是由单独控制向综合、集中控制方向发展,是由控制的低效率及低精度向控制的高效率及高精度发展的。随着人类进入电子时代,21世纪的内燃机也将步入“内燃机电子时代”,其发展情况将与高速发展的电子技术相适应。内燃机电子控制技术是内燃机适应社会发展需求的主要技术依托,也是内燃机保持21世纪辉煌的重要影响因素。       

67、; 内燃机材料技术 内燃机使用的传统材料是钢、铸铁和有色金属及其合金。在内燃机发展过程中，人们不断对其经济性、动力性、排放等提出了更高的要求，从而对内燃机材料的要求相应提高。根据内燃机今后的发展目标，对内燃机材料的要求主要集中在绝热性、耐热性、耐磨性、减摩性、耐腐蚀性及热膨胀小、质量轻等方面。要促进内燃机材料的发展,除采用改变材料化学成分与含量来达到零部件所要求的物理、机械性能这一常规方法外，也可采用表面强化工艺来使材料达到所需的要求，但内燃机材料的发展更需要我们去开发适应不同工作状态的新材料。与内燃机传统材料相比，陶瓷材料具有无可比拟的绝热性和耐热性，陶瓷材料和工程塑料(如纤维增强塑料)具有

68、比传统材料优越的减摩性、耐磨性和耐腐蚀性,其比重与铝合金不相上下而比钢和铸铁轻得多。因此,陶瓷材料(高性能陶瓷)凭借其优良的综合性能，可用在许多内燃机零件上，如喷油点火零件、燃烧室、活塞顶等，若能克服脆性、成本等方面的弱点，在新世纪里将会得到广泛应用。工程塑料也可用于许多内燃机零件，如内燃机上的各种罩盖、活塞裙部、正时齿轮、推杆等，随着工艺水平的提高及价格的降低,未来工程塑料在内燃机上的应用将会与日俱增。综合内燃机的各种材料，为扬长避短，在新材料的基础上又开发出了以金属、塑料或陶瓷为基材的各种复合材料,并开始在内燃机上逐渐推广使用。 展望新世纪，在今后一段时期内，钢、铸铁和有色金属及其合金，仍将是内燃机的主要材料。各种表面强化工艺将更加先进，并得到广泛应用。以金属、塑料、陶瓷为基材的各种复合材料将在10年之后进入惊人的高速推广时期，新材料在内燃机上的使用也将同时加速。        内燃机制造技术 内燃机的发展水平取决于其零部件的发展水平，而内燃机零部件的发展水平，是由生产制造技术等因素来决定的。也就是说，内燃机零部件的制造技术水平，对主机的性能、寿命及可靠性有决定性的影响。同样制造技术与设备的关系也是密不可分的，每当