四冲程内燃机机械原理优秀课程设计项目新版说明书.doc

X X 大 学机械原理课程设计说明书 四冲程内燃机设计 院（系） 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机械工程班 学生姓名 指导老师 年 月 日 课 程 设 计 任 务 书兹发给 班学生 课程设计任务书，内容以下：1 设计题目： 四冲程内燃机设计 2 应完成项目：（1）内燃机机构运动简图1张（A4） （2）内燃机运动分析和动态静力分析图1张（A3） （3）力矩改变曲线图1张（A4） （4）进气凸轮设计图1张（A4） （5）工作循环图1张（A4） （6）计算飞轮转动惯量 （7）计算内燃机功率 （8）编写设计说明书1份 3 参考资料和说明：（1）机械原理课程设计指导书 （2）机械原理教材 4 本设计任务书于20年 1月4日发出，应于20 年1月15日前完成，然后进行答辩。指导老师 签发 201 年 12 月31日课程设计评语：课程设计总评成绩：指导老师签字：201年1月15日目 录摘 要1第一章 绪论211 课程设计名称和要求212 课程设计任务分析2第二章 四冲程内燃机设计421 机构设计422 运动分析723 动态静力分析1124 飞轮转动惯量计算1625 发动机功率计算1826 进排气凸轮设计1827 工作循环分析19设计小结21参考文件22摘 要内燃机是一个动力机械，它是经过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出热能直接转换为动力热力发动机。四冲程内燃机是将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出热能使气缸内产生高温高压燃气。燃气膨胀推进活塞作功，把曲轴转两圈(720)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，驱动从动机械工作，完成一个工作循环内燃机。本课程设计是对四冲程内燃机运动过程进行运动分析、动态静力分析，计算飞轮转动惯量、发动机功率等，设计一款四冲程内燃机。关键词：四冲程内燃机；运动分析；动态静力分析第一章 绪论11 课程设计名称和要求1.课程设计名称： 机械原理课程设计，四冲程内燃机设计2.课程设计要求：（1）要有良好学风及严格纪律（2）每位同学全部要独立完成自己设计任务。（3）图面质量要求 1） 图幅、线型、标题栏等均要符合国家标准。 2）不用徒手画图，图纸上不能写相关计算公式、计算结果。（4）说明书要求 1）说明书不得涂改 2）说明书要有封面、任务书、评语、目录、正文、及参考资料等 3）封面、任务书、评语三项打印外，其它统一用A4打印。（5）全部图纸要叠好（按4号图纸大小），连同说明书一起装在档案袋内。（6）按要求时间来答辩。（7）齿轮传动要根据无根切条件考虑。(采取变位齿轮)1.2课程设计任务分析1. 机构设计依据行程速比系数K及已知尺寸确定机构关键尺寸，并绘制机构运动简图1张（A4）。2. 运动分析图解求出连杆机构位置、速度和加速度，绘制滑块位移、速度和加速度曲线，完成运动分析图。3. 动态静力分析经过计算和图解，求出机构中各运动副约束反力及应加于曲柄OA平衡力矩，完成动态静力分析图。运动分析和动态静力分析画在一张图中（A3）。4. 计算并画出力矩改变曲线图1张（A4）。5. 计算飞轮转动惯量。6. 计算发动机功率。7. 用图解法设计进、排气凸轮，完成进气凸轮设计图1张（A4）。8. 绘制内燃机工作循环图1张（A4）。9. 完成设计说明书（约20页）。第二章 四冲程内燃机设计21 机构设计1.确定初始数据活塞行程 H(mm)= 300活塞直径 D(mm) = 190推杆偏距 e(mm) = 50行程速比系数 K = 1.06连杆质心位置 lAC/LAB = 0.37曲柄重 Q1(N) = 160连杆重 Q2(N) = 130滑块重 Q3(N) = 200连杆经过质心轴转动惯性半径 = 27959.9142（m）曲柄转速 n1(rpm) = 610发动机许用速度不均匀系数 = 0.012进气凸轮推程 h1 = 9进气凸偏距 e1 = 6进气凸偏基圆直径 d01min = 50进气门开放提前角 -10排气凸轮推程 h2 = 10排气凸偏距 e2 = 8排气凸偏基圆直径 d02min = 50排气门开放提前角 -32速度、加速度、动态静力分析中对应点 A1齿轮参数 m=3.5 mm 2.计算连杆及曲柄长度1）图解法求连杆和曲柄长度设曲柄长度为r、连杆长度为l，活塞行程H由已知数据知e= 50（mm）H = 300（mm）K= 1.06（极限位置1） （极限位置2）依据K值求极位夹角：，已知K值为1.06，算得=5.24 图2-1所表示，借助SolidWorks软件画出一条和活塞推程H相等距离水平线，在点处作一点垂线，以点为起点作一条线和垂线相交形成一个三角形，并使两条线夹角等于5.24。再做一条水平线和距离为活塞偏置距e=50（mm），以三角形斜边中点为圆心，斜边距离二分之一为半径作圆，O为圆和水平线相交点，连接、，则， 图2-1 图解法确定连杆和曲柄长度由此可得曲柄r和连杆l 2）编程计算、校核 设计原理： 图2-2所表示，设曲柄长度为、连杆长度为l，活塞行程H （极限位置1） （极限位置2） 可求 = =联立（1）、（2）式求解，可求出连杆长度l及曲柄长度r。利用Labview编程软件制作程序图2-3，所表示具体结果图2-4所表示图2-3 Labview程序 图2-4 Labview程序前面板3.绘制内燃机机构运动简图。由初始数据可知齿轮参数如表2-1所表示 表2-1齿轮参数齿数模数m分度圆直径变位系数基圆直径齿顶圆直径齿根圆直径分度圆上齿厚公法线长Z1363.5126-0.176118.401131.768116.0185.04937.507Z2、Z2143.5490.17646.04557.23241.4825.94616.606Z3、Z3723.5252-0.176236.803257.768242.0185.04980.601利用SolidWorks软件画出机构简图图2-5所表示图2-5 机构简图2.2运动分析1、速度分析（1）在CAD中新建一个零件图，在任意处以曲柄长度r画一个圆，圆心为O，以圆心为起点，r为长度画一条直线，和圆O交于点A，再画一条无限长度竖直线，以A为起点画线和竖直线相交于点B，长度为l，一个简易机构运动简图就完成了。在简图上定出当OA和AB共线和垂直四个点，并以上共线点在圆上阵列出12个点，此时圆上共有15个点。图2-6所表示。图2-6 运动简图（2） 图解法求速度作出速度方程式以下： 方向： 大小： ？ ？图2-7 速度矢量三角形图2-7所表示，在SolidWorks中任取一点p作为速度极点。从点p出发做代表矢量pa(且)，再分别过点a和p做代表方向线ab（），代表方向线pb(竖直方向），二者相交于点B，在线段ab上截出一点C，使得=0.37，c点即为连杆质心点，连接pc，则pc长度即为大小。给予速度矢量三角形部分约束，则速度矢量三角形可跟着机构运动简图运动而改变，()则，连杆角速度则为在运动分析图中将曲柄移动一个点，统计一组数据，数据如表2-2所表示(S为连杆上端点和活塞推程最高点距离)。 表2-2 各点速度位置SVAB(m/s)Vc2(m/s)VB(m/s)2A009.5084.754022.02251A126.117.8217.516.08418.11507A292.064.1079.2669.429.51267A2124.52.1499.5429.7484.977533A3170.850.8419.4169.5081.947932A4237.995.5238.2056.87312.79242A5281.738.6176.73.76719.95877A6299.589.5755.9750.57422.1777A63009.5084.754022.02251A7290.448.2086.657-2.87519.01144A8251.314.4568.304-6.70510.32103A9182.110.9229.644-9.8962.135545A9124.54.4969.653-10.51810.41367A1097.199.5379.324-10.1622.08968A1126.928.9257.306-6.36420.67216依据速度表格中数据绘出S曲线图2-8所表示，绘出曲线图图2-9所表示。图2-8 S曲线图 图2-9 曲线图2、加速度分析 （1）列出加速度方程式 方向： 大小： ？ ？在SolidWorks中任取一点作为加速度极点。从点出发作代表矢量（由机构图上点A指向点O，且）；再过点和，作代表（/BA，由点B指向点A）和代表矢量（AB）；然后再作代表矢量（竖直方向）（）。图2-10 加速度矢量三角形求得加速度数据如表2-3所表示表2-3 各点加速度位置anBAatBAaBAaBac22A0209.390171.21221.17819.8685.34164.9372A1141.678337.43365.9667611.56582.74781.5583A239.06853553.33554.7186.84416.671281.628A210.69672604.79605.0711383.571400.82A31.63821621.07621.07-192.11395.171438.528A470.65254493.03498.07-360.45471.881141.96A5171.9847252.18305.24-385.93151.57584.1015A6212.351521.64213.45-398.19529.5950.12276A6209.390171.36221.22-404.36530.58165.2847A7156.0459314.83351.38-448.34527.27729.212A845.99049587.05588.85-467.03481.981359.73A91.968972680.22680.22-258.37386.351575.532A946.81988585.25587.1251.79391.231355.561A10210.6693451.34498.09361.26472.11045.398A11184.4991216.51284.46671.59616.8501.4824绘出aB曲线图图2-11所表示。图2-11 曲线图（2）编写程序计算校核以下图2-12、2-13（图中数据为A1点数据） 图2-12前面板 图2-13程序图2.3动态静力分析1.活塞上气体压努力争取解利用公式 （N） （数值查附表一可得） F活塞面积（cm） 依据附表一表中数据找到对应，所以（N）由原始数据已知连杆重量，活塞重量，上面所求得，然后求出作用于构件上惯性力= （N） （N）能够求出，活塞上所受协力大小及方向4）已知连杆重量，上面所求，=，即可求作用于构件上惯性力矩 （Kgm2）（见原始数据） （Nm）5）以构件2、3为示力体，将作用在构件2上A点处反力R分解为和（方向先假设），取=0，求出。图2-14，用图解法求出h1，h2取，设M逆时针为正，则 图2-14 示力图 6）以构件2、3为示力体，取利用图解法求出和，画受力分析图图2-15,用矢量法解得，图2-15受力分析矢量图7）以构件3为示力体，对滑块进行受力分析图2-16图2-16滑块受力分析图8）以构件1为示力体（构件1重力忽略不计），取求出，再由=0，求出对曲柄做受力分析图2-17 ，量得，又 图2-17曲柄力矩图上述要求数据能够经过原始数据和已经求数据经过excel表格求得以下表格2-4所表示表格2-4 动态静力分析各点数据位置2ac2aBpiP(N) 下正Pi3（N)P(N)Pi2（N)Mi2（N*m）逆正A0164.9372685.34819.800-16730.6-16530.69091.24161.17467A1781.5583582.74611.56-1-567.06-12480.8-12847.97730.221289.8774A21281.628416.67186.84-1-567.06-3813.07-4180.135527.253-475.351A21400.82383.5711-1-567.06-224.49-591.555088.171-519.559A31438.528395.17-192.11-1-567.063920.6193553.5595242.049-533.545A41141.96471.88-360.45-1-567.067356.1366989.0766259.63-423.549A5584.1015151.57-385.93-1-567.067876.1377509.077.622-216.641A650.12276529.59-398.19-1-567.068126.3417759.2817025.17-18.5904A6165.2847530.58-404.36-1-567.068252.267885.27038.30361.30353A7729.212527.27-448.34-1-567.069149.8128782.7526994.395270.4623A81359.73481.98-467.031.5850.599531.24210581.836393.609504.3194A91575.532386.35-258.3752835.35272.8678308.1675125.049584.3594A91355.561391.2351.7984536.48-1056.943679.5395189.783502.7731A101045.398472.1361.26158505.9-7372.671333.2346262.548-387.735A11501.4824616.8671.5943.524667.11-13705.911161.178182.037-185.998A12164.9372685.34819.814079388.4-16730.662857.769091.24161.17467A13781.5583582.74611.5614079388.4-12480.867107.567730.221289.8774A141281.628416.67186.8472.541111.85-3813.0737498.785527.253-475.351A141400.82383.571150.528636.53-224.4928612.045088.171-519.559A151438.528395.17-192.1132.518429.453920.61922550.075242.049-533.545A161141.96471.88-360.45158505.97356.13616062.046259.63-423.549A17584.1015151.57-385.937.54252.957876.13712329.09.622-216.641A1850.12276529.59-398.192.51417.658126.3419743.9917025.17-18.5904A18165.2847530.58-404.362.51417.658252.269869.917038.30361.30353A19729.212527.27-448.341567.069149.8129916.8726994.395270.4623A201359.73481.98-467.031567.069531.24210298.36393.609504.3194A211575.532386.35-258.371567.065272.8676039.9275125.049584.3594A211355.561391.2351.791567.06-1056.94-289.8815189.783502.7731A221045.398472.1361.261567.06-7372.67-6605.616262.548-387.735A23501.4824616.8671.591567.06-13705.9-12938.98182.037-185.998h1逆正（mm）h2逆正（mm）Rt12（N)Rn12(N)R03R12h3Mb-10.1823.4265.6171925570.651699.3125570.730.39-9.97259122.53-22.21-2858.619713.05-1667.6119919.2477.49-1543.54251.52-53.45-2102.926837.27-3879.847153.358127.83-914.414271.98-59.97-1983.891227.33-3286.642332.84578.31-182.685239.21-61.93-1649.96-5585.98-2178.75824.564122.59714.0333144.38-45.37-1098.62-12148.9-1051.2912198.4896.251174.10477.66-8.22142.5975-9547.82-486.089548.88560.98582.29139.5822.75-607.827-14971.7-1139.914984.052.8642.8543948.0513.58-929.401-15069.1-851.4315097.79.14-137.99329.8685.21-1135.85-15709.3-935.3415750.2652.91-833.346-95.88116.45216.7075-16871.3-2820.616872.793.38-1575.57-218.16124.931198.593-11054.61084.8211119.43130.7-1453.31-271.73116.282066.823-2509.841647.463251.316114.9-373.576-246.75108.374444.6431576.72712.674716.02620.9-98.5649-137.771.223018.961-4338.52-1899.615285.535143.83-760.218-10.1823.4265.61719-54113.1-5162.3954113.140.18-9.74037122.53-22.21-2858.6-60510.34882.3260577.73100.236071.706251.52-53.45-2102.92-35670.44473.0635732.33146.435232.286271.98-59.97-1983.89-287133314.4128781.47148.54274.048239.21-61.93-1649.96-25094.92263.0125149.03138.143474.087144.38-45.37-1098.62-21350.8483.721379.05100.582150.30477.66-8.22142.5975-14370.2-340.3514370.9460.3866.567539.5822.75-607.827-16977.8-1431.7916988.663.5760.6495148.0513.58-929.401-17085.5-1207.6717110.768.06-137.91329.8685.21-1135.85-16903.5-1309.4516941.652.2-884.351-95.88116.45216.7075-11845.5-668.9411847.592.75-1098.86-218.16124.931198.593-8521.03-88.018604.916128.35-1104.44-271.73116.282066.8231881.013524.492794.63100.19279.994-246.75108.374444.64310232.274161.3211155.9122.021361.243-137.771.223018.96120632.774638.8820852.4778.691640.8812.4飞轮转动惯量计算1.绘制力矩改变曲线=（）1）把=（）曲线作为=（）曲线（驱动力矩曲线） 将所得30个值，在A3图纸上画出去改变曲线，即=（）曲线，图2-18 图2-18力矩改变曲线图2） 以平均值作为阻抗力矩（常数）。这是因为在周期性速度波动中，一个波动周期内输入功等于输出功。即，首先，依据图2-16用CAD直接得出图中各个区域内面积，如表2-5所表示表2-5力矩各区域面积单元面积f1f2f3f4f5f6面积大小(mm2)-101.894384.3587-187.5711864.8207-120.668140.1461依据已知数据求阻抗力矩（ =6.76（mm）依据求出H值，画=（）阻抗力矩曲线，图2-19所表示图2-19 阻抗力矩曲线以H为界，H以上为盈功，以下为亏功。且盈功为正，亏功为负值,用CAD求各部分面积，所得数据如表2-6。表2-6阻抗力矩曲线各区域面积区域面积f1f2f3f4f5f6f7面积大小(mm2)-185.322421.4178-376.2884716.472-244.006872.552-0.5339依据上面各区域面积，用公式，求对应功得： 3） 依据上面数据，求在各个位置上功累积改变量= -5559.672 += -4917.138 += -16205.7885 += 5288.3715+= -2031.8325+= 144.7275+= 128.7105 所以，依据上面数据可得 5288.3715（Nm） -5559.672（Nm）从而得到最大盈亏功= 10848.0435（Nm）依据许用不均匀系数，求等效构件上所需等效转动惯量： 已知 （），从而得到=221.52（kg*m2）飞轮转动惯量：不考虑各构件质量和转动惯量忽略不计=221.52（kg*m2）2.5发动机功率计算由公式，H=6.77,L=100.53，=100，=0.125 ，=610，解得N=57.66HP2.6进排气凸轮设计已知：两凸轮推程角均为60，回程角均为60，远休止角均为10。查表知，进气凸轮行程h=9mm , 偏距e=6mm , 基圆半径r=50mm;排气凸轮行程h=10mm , 偏距e=8mm , 基圆半径r=50mm 。然后用CAD绘图：先画基圆和偏距圆，然后设定推杆初始位置，再把基圆等分为36个点，一点10度，依据已知要求，从初始位置开始逆时针方向依次过等分点画相切和偏距圆点，根据要求每转过十度推杆上升一定高度，具体数值如表2-7把描好点用曲线光滑连接。然后把推杆滚轮画上,将原轨迹放缩，就得到了凸轮运动图，画出凸轮以下图 (图2-20为进气凸轮，图2-21为排气凸轮） 。表2-7 凸轮设计数据转角进气凸轮推程位移进气凸轮回程位移排气凸轮进程位移排气凸轮回程位移009010100.58.50.55555569.4444444420272.22222227.77777778304.54.55540727.77777782.22222222508.50.59.44444440.555555566090100图2-20进气凸轮 图2-21排气凸轮2.7工作循环分析1.绘制内燃机工作循环图设计要求：采取直线式运动循环图。已知升程角，回程角，远程角，进气门开放提前角为，排气门开放提前角为，根据要求在曲柄转两周情况下凸轮转一周，分别进行进气、压缩、膨胀、排气四个过程，设计图图2-22图2-22内燃机工作循环图设计小结 两周课程设计结束了，在这次课程设计中不仅检验了我所学习知识，也培养了我怎样去把握一件事情，怎样去做一件事情，又怎样完成一件事情。课程设计是我们专业课程知识综合应用实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少过程.“千里之行始于足下”，经过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言真正含义。我今天认真进行课程设计，学会脚扎实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实基础。在此次课程设计中还深入对CAD、SolidWorks、Excel了解，认识到在做事时每一步全部不能掉以轻心，不然将会前功尽弃或要从头再来。因为本人设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我十分愿意接收你们批评和指正，本人将万分感谢。 参考文件【1】陈周娟，送瑞银，李虹.机械原理.第1版 武汉：华中科技大学出版社，.【2】陈锦昌， 刘林. 机械制图 北京：高等教育出版社，.8