机械原理课程设计单缸四冲程内燃机之欧阳科创编

时间：2021.02.05 创作：欧阳科 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

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

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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

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

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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。

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

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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

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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 设计数据表 1 设计内容 符号 数据 曲柄滑块机构的设计 H(mm) 215 e(mm) 55 K 1.05 n1(r/min) 650 设计数据表2

位置编号 曲柄位置（°） 5 9 图2 曲柄位置图

机构位置分配表3

150 270 20 位置编号 5 9 2、齿轮机构设计 学生编号 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 齿轮机构设计 Z1 15 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 凸轮机构的设计 h(mm) Φ 符号 Φs 数据 25 50 10 Φ′ 50 [α] 30 [α]′ 75 第三部分 设计内容及方案分析

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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 设计数据表 设计内容 符号 数据 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

3.1.1设计曲柄滑块机构

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

图3-1

处于两极限位置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

由已知条件可以求出曲柄和连杆的长度：

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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

3.1.2曲柄滑块机构的运动分析 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

由于,所以, 故，则：

S的位置 S0 位移s数据表

0 弧度 0 S/mm 530 欧阳科创编 2021.02.05

欧阳科创编 2021.02.05 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0.523599 1.047198 1.570796 2.094395 2.617994 3.141593 3.665191 4.18879 4.7123 5.235988 5.759587 6.283185 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；

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）

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图3-3曲柄位置图=150

。

（2）速度多边形图

由已知

w1=2πn=68rad/sVA=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

图3-4速度多边形图

由图

VBV·pb可

VBAV•ab知

4.105m/s=5.86m/s

边形如下图：

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=80.98(m/s)

取a=21.26（m/s2/mm）

方向√ √ 0 √ √ 大小？√ 0 √ ？ 可知=21.2625

图3-5加速度多边形图

=531.5m/s2

=490.144(m/s)

b,曲柄位1）曲柄位置为270°位置图

置

为

270

°

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）速速度多边形如下图

度多边形图

=VA=7.208m/s

图3-7速度多边形图

由图可知： =0

（3）加速度多边形图

加速度

多

边形如下

方向√ √ 0 √√ 大小？√ 0 √ ？ =21.2614

图

=297.m/s

图3-8加速度多边形图

3.2 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 齿轮机构设计 Z1 15 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

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

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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

名称 模数m 压力角α 分度圆直径d 节圆直径d’ 齿轮各部分尺寸

下齿轮z1 大齿轮z2 4 20 60 60 20 4.472 4.528 .472 50.944 3.528 5.472 183.528 169.056 180 180 ’计算公式 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’ 啮合角α' 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

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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 凸轮机构的设计 h(mm) Φ 符号 Φs 数据 25 50 10 Φ′ 50 [α] 30 [α]′ 75 3.3.1从动件位移曲线的绘制

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。

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 s 2.4 8.6 16.4 22.6 25 60 70 80 90 100 110 0 25 22.6 16.4 8.6 2.4 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）

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图3-9位移曲线图

3.3.2凸轮机构基本尺寸的确定

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 从而有

又由图中的三角形△BCP可得

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

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图3-10

3.3.2凸轮轮廓曲线的设计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

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

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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

[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.

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[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

时间：2021.02.05 创作：欧阳科 欧阳科创编 2021.02.05