华南理工机械原理课程设计案例

课程设计汇报书

题目:冲程内燃机设计

学院一

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.Q

起始日期2023.1・—

一、设计过程口严谨认真口较认真□小认真

二、设计汇报书

计算过程□完整口基本完整口不完整

计算成果□对日勺口基本对的□错误多

书面撰写口规范口较规范□小规范

教三、设计图

师

评设计内容□齐全口较齐全ZI不齐全

语制图水平口规范口较规范口不规范

图面质量口优良口良好口中等□较差

四、综合设计能力口强□一般口较差

五、答辩□清晰□基本清晰□不清晰

教师签名：

日期：

成

绩成绩：□优口良□中口合格口不合格

评

东

备

注

【目录】

一、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思绪.................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绪

根据设计任务书，我们需要处理如下问题：凸轮内参数是多少？怎样能让机构正常循

环工作？为了处理这个问题，我们需要对整个机构从运动及力学日勺角度分析。

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

个过程不停反复进行日勺C假如在四个冲程里完毕吸气、压缩、做功(燃烧、膨张)、排气

的循环动作，就叫做四冲程。对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，同步通过齿轮带动凸轮

向下旋转，是凸轮的I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，因此排气阀门仍然处在关闭状态。活塞向上运动时,

将第一冲程吸入H勺可燃气体压缩，被压缩的气体H勺压强到达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c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2023摄氏度左右，压强到达3〜5兆帕。高温高压烟气急剧膨胀，推进活塞向下

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c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。

四个冲程是内燃机口勺一种循环，每一种循环，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C2至A点的|距离4c2=0.35XlAB

曲柄重量9=150(N)连杆重量3=120(N)

活塞重量Q.=200(N)曲柄时转速叫=600(rpm)

连杆通过质心C2的转动惯性半径p；=0.16lAB(加〃2)

发动机的许用速度不均匀系数[S]=l/90

曲柄不平衡的重心到0点的距离loc=l0A(uim)

开放提前角进气门：-10°;排气门：-32°

齿轮参数："7=3.5(mm)；a=20°；h：=l

Z2=Z：=14;Z3=Z；=72;Z[=36

凸轮I行程以=10(mm)凸轮I偏心距&二0(mm)

凸轮IH勺基圆半径二55(mm)

凸轮II日勺行程》=10(mm)凸轮II的偏心距©2=7(mm)

凸轮II日勺基圆半径一2=60(mm)

1.2求连杆的长度和曲柄H勺长度

设连杆的长度为/、曲柄长度为

/.OB.=l-rOB=/+r;。==3.53°

'uUK+l

H

又•：R=CB『-----=1745.95mm

12sin。

/.OE=«OCY-(说=J(0C)Z一(CD-DEY

2

=-{CD-e)=收_(%物8-4=407.891nm

OF=OE+—=515.39mm

2

...1+r=J(6F)2+J=517.4mm(1)

•.•OB】=+I二

J(〃——〃/2)2+):3038mm

1—r-OB1==303.8mm(2)

图1曲柄连杆几何关系图

联立（1）、（2）式求解，可求出连杆日勺长度/及曲柄的长度厂。

1=410.6mmr-106.8mm

二、绘制内燃机机构简图（A4）

按照比例尺1：4,艰据第二组数据，绘制内燃机机构简图，空出凸轮的陶造，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时曲柄位置（即曲柄旋转一周供分为十五个位置）并作

出机构各位置时日勺机构位置图，求出滑块的相对位移。

当活塞在最高位置时位起点，曲柄A点节J编号为，由力。点开始，顺时针方向把圆分

为12等分，得4、4、43、.....乙等点。当滑块在最低位置时，曲柄上力点的编号为

4°

可近似认为，当曲柄在。6和勿9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

-A-►-►

与=%'(3)

大小?3IAO?

方向//BE±A0±AB图2点Ai速度多边形

表一15个位置的VBA、在2、VB、物数值

VBAVC2VBW2

AO6.750016.34

Al5.435.254.0513.15

A23.157.0657.1257.67

A3-0.756.6156.5551.83

A4-3.95.855.19.35

A5-6.0754.8152.8514.98

A6-6.0753.750.320.06

A7-7.264.8-2.413.7

A8-5.76-5.0557.31

A936.75-6.8851.64

A103.65.7-68.77

All6.0755.1-4.214.83

A2，11.256.6156.752.7

A6，-6.720016.34

A9'2.6256.75-7.1856.43

画图基本环节：

①确定极点P;

②根据Va日勺大小和方向过极点p画出Va即pa；

③过a画出VBA日勺方向_LAO；

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.

Al

AOA2A3

图3速度多边形（模拟图1）

q

P

p

图4速度多边形（模拟图2）

4.2绘制加速度多边形

_________________________I

作出加速度多边形

&【二aL+am

（4）

大小？31oG

*A±BA\,

方向〃BEA-0B-tf

-a:

-533.10m/s2

作机构日勺15个位置欧J加速度多变形，见2号图纸

各位置参数数值如表2

图5点A加速度多边形

注：a\m/azrad//

nl

表2

ClBA'ClBA,CIBAFCCifQcJ的数值

91

a/MClBAaHAa，an

A0115.1752.35128.78127.5487.9586.32

A173.29261.75272.22637.48431.36432.41

A226.18376.92397.86919.97335.04167.52

A39.42461.73462.771124.53303.63-104.7

A441.88381.11382.16928.3366.45-261.75

A596.32197.88219.87481.93398.91-319.34

A6167.5217.8169.6143.35403.1-295.25

A774.34250.23261.75609.43408.33-359.12

A823.03435.55492.091060.76366.45-324.57

A91.05486.5486.51184.85293.16-130.88

A1020.94391.58397.86953.68335.04195.14

All94.23180.08198.93438.58450.21461.73

A2'2.09459.63460.681119.41293.163.14

A6，115.1752.35125.64127.5419.85-353.89

画图基本环节：

①确定极点P；

②根据的।大小和方向作出a；\即pa；

③过a,由讥的大小和方向画出"；八即at；

④过t作出。曲口勺方向；

⑤过p作出日勺方向〃导轨，与的I方向交于b,则pb即为08,tb即为。加；

⑥ab即。曲.

⑦取ac2=0.351ab,ac2即“小；

⑧二QM/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

动态静力分析一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，仍可采用静力学措施对其进行受力分析。这样的力分析称为动态静力分析C

求出机构在各位置时各运动副的反力及应加于曲柄0A日勺平衡力矩用。(每人完毕五

个位置多种数据都要列表表达c

5.1计算活塞上的气体压力

p'=p「F(N)(5)

2

尸一活塞日勺面积(cm)

单位：mm

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。

P12=一%2,%(N)

(6)

JC?=_勿2,Pc⑺

乙=一〃73・%(N)

(8)

在这一步时，需要注意惯性力日勺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）力作用在该物体匕因此称之为惯性力。

惯性力实际上并不存在，实际存在日勺只有原本将物体加速的力。

5.3求出活塞上受力日勺大小及方向

〃=//+〃八+03(N)

(9)

表三30个位置的尸,2、历/2、P/3

PI2(N)Mi2(N*m)Pl3（卜正）PI2(N)Pi3(卜正)

A06025.1542.2-11997A153428.6-371.381836.9

A15018.4209.25-8980.4A164102.4-274.314979.59

A23612.24301.42-3000A174653.1138.256122.45

A33428.6337.561836.9A184973.95-14.356062.13

A44102.04-274.314979.59A194651.2-193.856735.3

A54653.1138.256122.45A204102.04-137.496326.53

A64555.1-92.446122.45A213428.6361.682694.12

A75127.79-202.577329.66A223820.4275.919-3489.8

A84039.2-314.655918.9A235142.9-136.76-8751.4

A93306.12-355.272653.06A2'3404.11-61.2377.1

A103820.4275.919-3489.8A6,4773.66429.2-8564.21

All5142.9-136.76-8751.4A9,3306.15-326.56609.5

A126025.1542.2-11997A14'3717.65-371.38-64.09

A135018.4209.25-8980.4A18'4040.8232.1775408.16

A143612.24301.42-3000A21'3367.38-333.86609.5

在这一步里，可得第一步时的假设对口勺，活塞上所受口勺力会由于气体压力口勺急剧变

化而变化大小，甚至方向，而这也正是内燃机工作关键。

5.4把作用在构件2上的反力吊2分解为用2和用2,取ZM=0,求出

/?12°

计算方式：

。2,h[..〃/+Pi2,力2・L、b,41+MJ.2=°（矢量式）（10）

其中，hl为Q2到B点的水平距离，h2为Pi2到B点曰勺垂直距离，Me为转动惯量

Mc=Jc*a（c的角加速度）。尤其注意其方向，使用右手法则，判断其力矩方向，又或规

定逆时针为正。小组决定为以便判断以及减少错误的出现，使用逆时针为正，决定式中

各项日勺正负。在这一步运算中要注意比例尺和单位日勺

转换。由于在计算中Mi2为原则国际单位，因此要把

毫米化为米，这一点很轻易出错！如上，我们可以得

到动态静力分析中所能确定的两个力日勺大小。而其

他未知力均能求得方向（或在某一直线上）

（1）以点44作实例，受力分析如图9

（2）以构件2,3为示力体，首先取2跖二0,即

R；2，，A，〃/+P12-M12=0

由此求出R；，

即代入LAB=410.6,Q2=120,112=134.5,h尸21,〃尸2,Mi2=371.38,

求得=-1509.77

（3）然后取Z户=0求出册2和RO3。

在这一环节中，R%，R）3方向均未知，在受力分析时可假设其己知，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H勺重力忽视不计），取工厂二°,求出

再由ZK=0,求出刈。如图（11）

数据记录下：

表四30人位置的p'、R：2、R；2、&2、R03、R”数值

单位:

点的位1

P（N）R：2（N）R12（N）Rl2（N））（）/?23（N）

置R3N

0017762.536.1217762.6130911839.4

1-454137201934.7813855.745609251.36

2-453.9648002844.9355808303358.15

2，-453.962002926.282933540625.2

3-453.96295。2842.564080701584.5

4-453.968015.74905.2458066.69922.214814.78

5-453.731297.2510450105301005870.12

6-453.961068018.801068018.805869.52

6，-45411300124.4011300.6816506391.79

7-454125301022.391256520307361.2

8681109202051.4811111.0326007280.02

92269.8071102733.26765019205470.84

9'3631.6839502913.94775912.53622

106809.4021480.661520.992122.68797.343608.79

1119737.31875.34730075002037.711546.3

12635604605036.1246065469552023.5

1363560504001934.7850437.12225054825.79

1432912317002844.9331800401032404

14，22937231001509.723170170823126.1

1514753.7183002842.5618600240016961

166809.40215333.7905.24515360.393011989.03

173402.981297.251432514340479726.9

18113512510186.71254012007458.3

18，1134.9010972.9198.6210974.701003.096817.26

19454123901079.8912347.3121607698.53

20453.96114001883.691155029407574.35

21453.9651602839.67586011603542

2y453.732251.4816222519961080.4

22453.965201.841520.995419.642862.344029.26

23453.731875.3412745128502902.58433.64

表五30个位置的R"、"b数值

R01(N)Mb(N*m)R01(N)Mb(N*m)

A02012.501

A113855.74-720.9A1615360.351136.67

A25580-37.7A1714340440.955

A34080212.16A18205545.166

A48060.7567.9A1912347.31-348.24

A510530284.31A2011550-669.9

A61068090.78A215860-416.06

A71365-32.69A225419.64453

A811111.03-1226.95A2312850649.57

A97650-612A2'2933-37.7

A102N2.68-207.6A6'11300.6867.8

All7500-606.375A9'4775-410.65

A1255500A14'22122468.08

A1350437.122824.48A18'10974.710

2A2f2251-8.44

六.计算飞轮转动惯量（不计构件质量）

（。）

6.1把Mh=Mb（。）曲线作为此二应曲线（图12）。

不考虑机构各构件的质量却转动惯量。

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ffiAfsA

单位：廊?-345388-7713483-496377

6.2.2求出阻抗力矩（Mr=Mr（。））的纵坐标H：

H='：力+力"八10>98mm（11）

以M源勺平均值作为阻抗力矩M,（常数）

,%=HX=329.4（N*n）（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'力，k八'6'

单位：mm2649841418280095415112

由狐曲线求出各个单元对应的功。根据上面单元的面积，由公式W=Mb*。求出对应的功:

（盈功为正，亏功为负单位：N*m）

表八各单元对应的功

WG

Ww.W2W：.W7

单位-1019.4131.945-2227.394398.23-1498.54237.14-18.85

/N*m5

6.5求出最大盈亏功

△wmax-WMX-Wmin=4398.23(N*m)(13)

作图如下:

4398.23

图10示功图

6.5根据许用不均匀系数⑹，求出等效所需的等效转动惯量

900x4398.23

_900AQX=100.37(kg-m2)

22

3口]岛”]3.14x600x1/90

(14)

6.6确定飞轮的转动惯量:

J«=Jl-+Jc

按题意：不考虑各构件日勺质量和转动惯量

・・・Jc可忽视不计

/.Jr弋工=100.37（3.加2）

七.计算发动机功率

329.4x4x»6001

—_____________xx

260750

=27.60(m

(15)

八.对曲柄滑块进行机构部分平衡

8.1把连杆日勺质量代换到A.B点

+

m2=m2Am2B

n)2A*1AC2-ni2B(LAB-IAC)

联立(16)(17)可求得和m2A

m2B=4.284kgm2A=7.956kg

+

m'B=ni3in2B

m'A=mi+m2A

可求得niB二求.126kg

图11曲柄滑块平衡示意图

m'A=23.0561kg

8.2把曲柄A点的质量用距0点为a=0.5rH勺平衡质量的,平衡。

mi,*a=m\*r

mb*0.5r=m'Ar

=

mi,2ni人(20)

可求得nib=46.112kg

九.排气凸轮(凸轮II)的轮廓设计

9.1凸轮n轮廓设计规定

(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S—3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日勺损耗，选用正弦运动规律，以消除刚性冲击和柔性冲击。

推程时：5="[3/4)一加(2芯/今)/(2创3=0~60)

_

回程时：5=//2[1-(^/^)+sin(2^>/4)W)(^>=70-130)

轮廓曲线图:

凸轮I

图15凸轮