机械原理课程设计(华南理工)

课程设计报告书题目：四冲程内燃机设计学院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2.0起始日期2015.1.5-2015.1.16教师评语一、设计过程□严谨认真□较认真□不认真二、设计报告书计算过程□完整□基本完整□不完整计算结果□正确□基本正确□错误多书面撰写□规范□较规范□不规范三、设计图设计内容□齐全□较齐全□不齐全制图水平□规范□较规范□不规范图面质量□优良□良好□中等□较差四、综合设计能力□强□一般□较差五、答辩□清晰□基本清晰□不清晰教师签名：日期：成绩评定成绩：□优□良□中□合格□不合格备注【目录】一、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路………………………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………………………………231一、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路根据设计任务书，我们需要解决以下问题：凸轮的参数是多少？如何能让机构正常循环工作？为了解决这个问题，我们需要对整个机构从运动及力学的角度分析。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、排气四个过程不断重复进行的。如果在四个冲程里完成吸气、压缩、做功（燃烧、膨胀）、排气的循环动作，就叫做四冲程。相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，同时通过齿轮带动凸轮向下旋转，是凸轮的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14周，所以排气阀门仍然处于关闭状态。活塞向上运动时，将第一冲程吸入的可燃气体压缩，被压缩的气体的压强达到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。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2000摄氏度左右，压强达到3～5兆帕。高温高压烟气急剧膨胀，推动活塞向下做功，此时曲柄转动半周而凸轮转过14周，两个气阀仍然紧闭。第四冲程是排气冲程。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。四个冲程是内燃机的一个循环，每一个循环，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2ACl＝0.35×ABl曲柄重量1Q＝150(N)连杆重量2Q＝120(N)活塞重量3Q＝200（N）曲柄的转速1n＝600(rpm)连杆通过质心C2的转动惯性半径2c＝0.16ABl(2mm)发动机的许用速度不均匀系数[]＝1/90曲柄不平衡的重心到O点的距离OCl＝OAl(mm)开放提前角进气门：-10°；排气门：-32°齿轮参数：m=3.5(mm)；=20°；*ah=12Z=2Z=14;3Z=3Z=72;1Z=36凸轮I行程1h＝10（mm）凸轮I偏心距1e=0（mm）2凸轮I的基圆半径1r=55（mm）凸轮II的行程2h=10（mm）凸轮II的偏心距2e=7（mm）凸轮II的基圆半径2r=60（mm）1.2求连杆的长度和曲柄的长度设连杆的长度为l、曲柄长度为rOBrlOBrl11180KK3.53又sin2HCBR=1745.95mmmmeHReCDRDECDOCCEOCOE89.407)tan2()()()()()(222222222HOEOF=515.39mm22)(eOFrl=517.4mm(1)mmeHOEeOGOBI8.303)2()(2222IOBrl=303.8mm(2)联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l及曲柄的长度r。410.6lmm106.8rmm二、绘制内燃机机构简图（A4）按照比例尺1：4，根据第二组数据，绘制内燃机机构简图，空出凸轮的结构，并对凸轮与排气装置的连接方式进行修改。图1曲柄连杆几何关系图3图1机构运动简图4三、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的曲柄位置（即曲柄旋转一周供分为十五个位置）并作出机构各位置时的机构位置图，求出滑块的相对位移。当活塞在最高位置时位起点，曲柄A点的编号为，由0A点开始，顺时针方向把圆分为12等分，得1A、2A、3A、………11A等点。当滑块在最低位置时，曲柄上A点的编号为'6A。可近似以为，当曲柄在2'OA和9'OA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/sbV=aV+baV（3）大小？ωlAO?方向//BE⊥AO⊥AB图2点A1速度多边形表一15个位置的VBA、VC2、VB、W2数值VBAVC2VBW2A06.750016.34A15.435.254.0513.15A23.157.0657.1257.67A3-0.756.6156.5551.83A4-3.95.855.19.35A5-6.0754.8152.8514.98A6-6.0753.750.320.06A7-7.264.8-2.413.7A8-5.76-5.0557.31A936.75-6.8851.64A103.65.7-68.77A116.0755.1-4.214.83A2'11.256.6156.752.7A6'-6.720016.34A9'2.6256.75-7.1856.435画图基本步骤：①确定极点p；②根据va的大小和方向过极点p画出va即pa；③过a画出VBA的方向⊥AO；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.图3速度多边形（模拟图1）图4速度多边形（模拟图2）64.2绘制加速度多边形作出加速度多边形aB=aA+aBAn+aBAt（4）大小？ω2lAOω22lBA?方向∥BEA→OB→A⊥BAaB=-533.10m/s2作机构的15个位置的加速度多变形，见2号图纸各位置参数数值如表2图5点A1加速度多边形注：2:/ams，2/s：rad表2nBAa，tBAa，BAa，2，2ca，Ba的数值A0115.1752.35128.78127.5487.9586.32A173.29261.75272.22637.48431.36432.41A226.18376.92397.86919.97335.04167.52A39.42461.73462.771124.53303.63-104.7A441.88381.11382.16928.3366.45-261.75A596.32197.88219.87481.93398.91-319.34A6167.5217.8169.6143.35403.1-295.25A774.34250.23261.75609.43408.33-359.12A823.03435.55492.091060.76366.45-324.57A91.05486.5486.51184.85293.16-130.88A1020.94391.58397.86953.68335.04195.14A1194.23180.08198.93438.58450.21461.73A2'2.09459.63460.681119.41293.163.14A6'115.1752.35125.64127.5419.85-353.89nBAatBAaBAa22caBa画图基本步骤：①确定极点p；②根据aA的大小和方向作出aA即pa；③过a，由nBAa的大小和方向画出nBAa即at；④过t作出tBAa的方向；⑤过p作出Ba的方向∥导轨，与tBAa的方向交于b，则pb即为Ba，tb即为nBAa；⑥ab即BAa；7⑦取ac2=0.35lab，ac2即2ca；⑧2ca=BAa/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－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，仍可采用静力学方法对其进行受力分析。这样的力分析称为动态静力分析。8求出机构在各位置时各运动副的反力及应加于曲柄OA的平衡力矩bM（每人完成五个位置）。各种数据都要列表表示。5.1计算活塞上的气体压力'ipFp（N）（5）F--活塞的面积(2cm)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。222cIamP(N)（6）cCmJ222（7）BIamP33(N)（8）在这一步时，需要注意惯性力的方向均与加速度或角加速度相反。图8活塞的气体压强表9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上，因此称之为惯性力。惯性力实际上并不存在，实际存在的只有原本将物体加速的力。5.3求出活塞上受力的大小及方向33'IpppQ(N)（9）表三30个位置的2IP、2IM、3IPPI2（N）MI2(N*m)PI3（下正）PI2（N）MI2(N*m)PI3（下正）A06025.1542.2-11997A153428.6-371.381836.9A15018.4209.25-8980.4A164102.4-274.314979.59A23612.24301.42-3000A174653.1138.256122.45A33428.6337.561836.9A184973.95-14.356062.13A44102.04-274.314979.59A194651.2-193.856735.3A54653.1138.256122.45A204102.04-137.496326.53A64555.1-92.446122.45A213428.6361.682694.12A75127.79-202.577329.66A223820.4275.919-3489.8A84039.2-314.655918.9A235142.9-136.76-8751.4A93306.12-355.272653.06A2'3404.11-61.2377.1A103820.4275.919-3489.8A6'4773.66429.2-8564.21A115142.9-136.76-8751.4A9'3306.15-326.56609.5A126025.1542.2-11997A14'3717.65-371.38-64.09A135018.4209.25-8980.4A18'4040.8232.1775408.16A143612.24301.42-3000A21'3367.38-333.86609.5在这一步里，可得第一步时的假设正确，活塞上所受的力会由于气体压力的急剧改变而改变大小，甚至方向，而这也正是内燃机工作的核心。5.4把作用在构件2上的反力12R分解为12nR和12tR，取0BM，求出12tR。计算方式：02122212ilabtlilMlRhPhQ