机械原理课程设计单缸四冲程内燃机

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 年级专业 学 号 学生姓名 指导教师 教师职称

机械工程学院 13材料本科班 朱双霞 教授

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目 录

第一部分 绪论……………………………………………………… 2 第二部分 设计题目及主要技术参数说明………………………… 3

2.1 设计题目及机构示意图…………………………………… 3 2.2 机构简介…………………………………………………… 3 2.3 设计数据…………………………………………………… 4 第三部分 设计内容及方案分析…………………………………… 6 3.1 曲柄滑块机构设计及其运动分析………………………… 6 3.1.1 设计曲柄滑块机构……………………………………… 6 3.1.2 曲柄滑块机构的运动分析……………………………… 7 3.2 齿轮机构的设计…………………………………………… 11 3.2.1 齿轮传动类型的选择…………………………………… 12 3.2.2 齿轮传动主要参数及几何尺寸的计算………………… 13 3.3 凸轮机构的设计…………………………………………… 13 3.3.1 从动件位移曲线的绘制………………………………… 14 3.3.2 凸轮机构基本尺寸的确定……………………………… 15 3.3.3 凸轮轮廓曲线的设计…………………………………… 16 第四部分 设计总结………………………………………………… 18 第五部分 参考文献………………………………………………… 20 第六部分 图纸……………………………………………………… 21

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第一部分 绪论

1.本课程设计主要内容是单缸四冲程内燃机机构设计及其运动分析，在设计计算中运用到了《机械原理》、《理论力学》、《机械制图》、

《高等数学》等多门课程知识。

2. 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。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，在其气缸内燃烧，释放出的热能是气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功。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。内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外做功的过程。其他过程都是为更好的实现做功过程而需要的过程。四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭；压缩行程时，气缸、内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并做功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。

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第二部分 课题题目及主要技术参数说明

2.1 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 2.2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，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气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

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功输出，驱动从动机械工作。

内燃机的工作原理：

内燃机是将液体材料燃烧时产生的热能变成机械能的装置。往复式内燃机的主体机构为曲柄滑块机构，借气缸内的燃气压力推动活塞通过连杆而使曲柄做旋转运动。单缸四冲程内燃机，活塞在气缸内往

复移动四次，即进气、压缩、膨胀、排气四个过程。

完成一个工作循环，它对应着曲柄转两圈。 1.进气冲程：活塞由上死点向下移动，进气阀开，可燃气体进入缸。由于进气系统有阻力，故进气行程终了时，气缸内压力低于大气压力。 2.压缩冲程：活塞由下死点向上移动，进气阀闭合，将缸内燃气体压缩，压力上升。 3.膨胀冲程：活塞在上死点附近，被压缩的气体被点燃，缸内压力骤增，气体压力推动活塞向下移动，即对外做功。 4.排气冲程:活塞由下死点向上移动。 由上可知，单缸四冲程内燃机在一个工作循环中，活塞只有一个冲程做功，即曲柄两转中，只有半转是因膨胀气体作用而被推动旋转，而其余的一转半中，借助机械的惯性来运转，因而曲柄所受驱动力是不均匀的，其速度波动也较大，所以一般在曲柄轴上装有飞轮。 2.3 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 设计内容 符号 数据 设计数据表 1 曲柄滑块机构的设计 H(mm) 215 e(mm) 55

设计数据表2

位置编号 曲柄位置（°） 5 9

150 270

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K 1.05 n1(r/min) 650 页眉内容

图2 曲柄位置图 机构位置分配表3 学生编号 20 位置编号 5 9 2、齿轮机构设计 已知：齿轮齿数Z1，Z2，模数m，分度圆压力角α，齿轮为正常齿制，在闭式润滑油池中工作。 设计数据表4 设计内容 符号 数据 Z1 15 齿轮机构设计 Z2 45 i 3 m 4 a 120 a 120 3、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[α] ，[α]′，推程运动角Φ，远休止角Φs，回程运动角Φ′，从动件按余弦加速度运动规律运动。 设计数据表5 设计内容 符号 数据 h(mm) 25 凸轮机构的设计 Φ 50 Φs 10 Φ′ 50 [α] 30 [α]′ 75

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第三部分 设计内容及方案分析

3.1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

设计内容 符号 数据 设计数据表

曲柄滑块机构的设计 H(mm) 215 e(mm) 55 K 1.05 n1(r/min) 650 要求:确定曲柄滑块机构杆件尺寸，绘制机构运动简图；并在3号图纸上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，并作出滑块的运动方程和位移线图 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；θ为极位夹角。 下图为过C1、C2、P三点所作的外接圆。半径为r，其中C1、C2垂直C2P，∠C1 P C2=θ，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点的位置。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

图3-1

极限位置C1、C2时，导路的垂线与C1C2P圆周的交点)上选取。

设∠C2 C1A=β则β描述了

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由已知条件可以求出曲柄和连杆的长度：

可得R=106mm,L=424mm,按此尺寸做得曲柄滑块的机构运动简图， 如下图

图3-2机构运动简图

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

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由于

,所以

，则：

,

故

位移s数据表 弧度 0 0.523599 1.047198 1.570796 2.094395 2.617994 3.141593 3.665191 4.18879 4.712389 5.235988 5.759587 6.283185 S的位置 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 S/mm 530 512.4732 428.3043 410.5362 360.9433 328.8758 318 328.8758 360.9433 410.5362 428.3043 512.4732 530 速度分析；

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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 已知曲柄滑快机构的尺寸及2个位置，构件1的转速 n1 ，用图解法求连杆的角速度ω2 及角加速度α2 和滑块上C点的速度和加速度。 a曲柄位置； （1）曲柄位置为150°位置图 取l=5（mm/mm）

图3-3曲柄位置图 =150

。

（2）速度多边形图 由已知w1=2πn=68rad/s

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VA=w1R=68rad/s0.106m

=7.208m/s 取v=0.1（m/s/mm） 由 VBVAVBA 方向 √ √ √ 大小 ？ √ ？

速度多边形如下图 （3）加速度多边形图 加速度多边形如下图： =490.144(m/s) =80.98(m/s) 取a=21.26（m/s2/mm） 方向 √ √ 0 √ √ 大小 ？ √ 0 √ ？ 图3-5加速度多边形图

图3-4 速度多边形图 由图可知VBV·pb4.105m/s VBAVab=5.86m/s 可知=21.2625 =531.5 m/s2 b,曲柄位置为270° 1）曲柄位置为270°位置图 页脚内容

3-6曲柄位置图

同理 l=5（mm/mm），v=0.1(m/s/mm)，a=21.26(m/s2/mm)

（2）速度多边形图

速度多边形如下图 由图可知：

=0 = VA =7.208m/s图3-7速度多边形图 （3）加速度多边形图 加速度多边形如下图 方向 √ √ 0 √ √ 大小 ？ √ 0 √ ？ 图3-8加速度多边形图 = 21.2614 =297.64 m/s3.2 齿轮机构的设计 已知：齿轮齿数Z1，Z2，模数m，分度圆压力角α，齿轮为正常齿制，在闭式润滑油池中工作。 设计数据表 设计内容 符号 数据 Z1 15 齿轮机构设计 Z2 45 i m 4 a a 要求：选择两轮变位系数，计算齿轮各部分尺寸 3.2.1 齿轮传动类型的选择

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由最小变位系数，

其中zmin=17则有；

选择等变位齿轮传动则： x1=-x2 x1+x2=0 取x1=0.118 x2=-0.118 x1+x2=0,且x1=-x2≠0。此类齿轮传动称为等变位传动。由于x1+x2=0,故 α’=α, a’=a ,y=0,△y=0 即其啮合角等于分度圆压力角，中心距等于标准中心距，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，从而使齿轮的承载能力提高 。 3.2.2 齿轮传动主要参数及几何尺寸的计算 。 已知：齿轮齿数Z1=15，Z2=45，模数m=4，分度圆压力角α=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*=0.25

由等变位齿轮传动可知α’=α=20。 a’=a=120

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齿轮各部分尺寸

名称 模数m 压力角α 分度圆直径d 节圆直径d’ 啮合角α' 下齿轮z1 大齿轮z2 4 计算公式 20 60 60 20 4.472 4.528 64.472 50.944 3.528 5.472 183.528 169.056 180 180 d=mz di’=di=zim α'=α hai=(ha*+xi)m hfi=(ha*+c*-xi)m dai=di+hai dfi=di-2hfi a’=a=m(z1+z2)/2 y=0 △y=0 db=d cosα P=π m Pb=p cosα s=π m/2 e=π m/2 c=c*m I12=w1/w2=z2/z1=d2’/d1’ 齿顶高ha 齿根高hf 齿顶圆直径da 齿根圆直径df 中心距a’ 中心距变动系数y 齿顶高降低系数△y 基圆直径db 齿距p 基圆齿距pb 齿厚s 齿槽宽e 顶隙c 传动比i 120 0 0 56.4 169.2 12.56 11.81 6.28 6.28 1 3 3.3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[α] ，[α]′，推程运动角Φ，远休止角Φs，回程运动角Φ′，从动件按余弦加速度运动规律运动。 设计数据表 设计内容 符号 数据 h(mm) 25 凸轮机构的设计 Φ 50 Φs 10 Φ′ 50 [α] 30 [α]′ 75

从动件推杆的位移随凸轮转角δ变化的，分为四个过程分别是：推程、远休止、回程、近休止。

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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：

则其回程时的位移方程为：

以从动件开始上升的点位δ=0。 ,s=0 据此计算得 。 δ（单位：）s(δ)（单位：mm） δ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

s 2.4 8.6 16.4 22.6 25 25 22.6 16.4 8.6 2.4 0 则从动件位移曲线图如下： 其中h=25, δ0=50, δ01=10, δ’0=50, δ02=250 。 δ（单位：）s(δ)（单位：mm）

图3-9位移曲线图

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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，从动件的盘型机构位于推程的某位置上，法线n—n与从动件速度vB的夹角为轮廓在B点的压力角，P点为凸轮与从动件的相对速度瞬心。故

又由图中的三角形△BCP可得 从而有

则基圆半径的计算公式： 将S=S（δ）和α=[α]，δ=20。， 计算得出：r0≥23.3mm ，取r0=35mm，滚子半径选取rr=5mm 页脚内容

图3-10 根据反转法建立直角坐标系。 （1）以r0为半径作基圆取B0为从动件初始位置，自B0起沿-w方向将基圆中心角分为δ0、δ01、δ’0、δ02对应四段圆弧，并将δ0、δ’0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，用光滑曲线连接个点，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曲线，即为滚子从动件凸轮工作轮廓曲线。

凸轮轮廓曲线如下:

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图3-11

第四部分 设计总结

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经过几天不断的努力，身体有些疲惫，但看到劳动后的硕果，心中又有分喜悦。总而言之，感触良多，收获颇丰。

做机械原理课程设计是第一次，在课程设计中充分体现从学习到运用再到实践的过程。学习重在学以致用，在实践中温习、反复、加强和提高所学的内容，使所学的内容更加扎实，融会贯通，综合运用能力也得到提升。作为大学生，要把 所学的东西运用到实际生产、生活中去，设计出实用的产品，这才是我们学习的最终目的所在。一周课程设计虽短，去过的非常忙碌充实。 一开始的时候完全没有头绪，大家集中在图书馆，翻阅了大量的资料，并就进行本课程设计时所遇到的问题进行了讨论，大部分问题得到了解决，还有不懂的向朱老师提出后都得到了详细的解答，我们总结出此次课程设计大致可以分为三个主要阶段：产品规划阶段、方案设计阶段和技术设计阶段。值得注意的是：机械设计过程是一个从抽象概念到具体产品的演化过程，我们在设计过程中不断丰富和完善产品的设计信息，直到完成整个产品设计；设计过程是一个逐步求精和细化的过程，设计初期，我们对设计对象的结构关系和参数表达往往是模糊的，许多细节在一开始不是很清楚，随着设计过程的深入，这些关系才逐渐清楚起来；机械设计过程是一个不断完善的过程，各个设计阶段并非简单的安顺序进行，为了改进设计结果，经常需要在各步骤之间反复、交叉进行，指导获得满意的结果为止。获得这份拥有是我们团队共同努力的结果。我们通过默契的配合，精细的分工，精诚的合作，不断的拼搏，共同完成了这一艰巨而又光荣的任务。 在课程设计中我深深地体会到我们学习的许多不足之处。首先学习知识太过散乱，各科内容很少有机会联系结合起来，也很少有机会让我们去实践，去把这些知识运用到一起，做成一个实际有意义的

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作品出来。再者我们的课程经常学完了就不管了，用不了多久就忘的一干二净，到毕业的时候甚至有些课程究竟学的什么东西都不知道。还有许多学生对实习、实验等实践性课程的不重视，只重视有考试的课程，实践严重不足，容易出现“高分低能”的现象。我们应该认真思考，树立正确的人生观、价值观，知道我们就读大学的目的，全面

提升自己。

第五部分 参考文献

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[1] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].第八版，北京：高等教育

出版社，2013.

[2] 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[S].第三版,北京：高等 教育出版社，2005.

[3] 王湘江，何哲明. 机械原理课程设计指导书.长沙：中南大学出

版社，2011.

[4] 陆凤仪.机械原理课程设计.北京：机械工业出版社, 2003. [5] 张展.齿轮设计与实用数据速查，机械工业出版社.

[6] 姜琪.机械运动方案及机构设计.北京：高等教育出版社. [7] 哈尔滨工业大学理论力学教研室，理论力学Ⅰ.第七版，北京：高等数学出版社. [8] 同济大学数学系，高等数学.第六版，北京：高等数学出版社.2007 [9] 刘鸿文，材料力学Ⅰ,第五版，北京：高等数学出版社. [10] 杨惠英，王玉坤.机械制图.第三版，清华大学出版社. [11] 余桂英，郭纪林.AutoCAD2008基础教程.大连：大连理工大学出版社，2008.

第六部分 图纸

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