机械原理课程设计指导书

机械原理课程设计指导书
四冲程内燃机设计
一．
已知条件： 在图1所示的四冲程内燃机中（不同方案对应不同数据，见数据分配表） 活塞行程 H = （mm ） 活塞直径 D= （mm ） 活塞移动导路相对于曲柄中心的距离 e= （mm ） 行程速比系数 K=
连杆重心2c 至A 点的距离 2AC l = 系 数 AB l (mm) 曲柄重量 1Q = (N) 连杆重量 2Q = (N) 活塞重量 3Q = (N) 连杆通过质心轴2c 的转动惯性半径c ρ 2c ρ= 系数AB l 2(m 2m ) 曲柄的转速 n 1= (rpm) 发动机的许用速度不均匀系数 [δ]=
曲柄不平衡的重心到O 点的距离 OC l = OA l （mm ） 开放提前角：
进气门：-10°；排气门： -32° 齿轮参数：
m=3.5（mm ）； α=20°；a h *=1
2Z ='
2Z =14； 3Z ='3Z =72 ；1Z =36
示功图见P9图2所示。

二．设计任务
1. 机构设计
按照行程速比系数K 及已知尺寸决定机构的主要尺寸，并绘出机构运动
简图（4号图纸）。

（凸轮要计算出装角后才画在该图上） 2. 选定长度比例尺作出连杆机构的位置图
以活塞在最高位置时为起点，将曲柄回转一周按顺时针方向分为十二等
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（即曲柄旋转一周共分十五个位置）并作出机构各位置时的机构位置图，求出滑快的相对位移。

3. 作出机构15个位置的速度多边形
求出这15个位置的BA V 、2C V 、B V 、ω2的数值，并列表表示。

（表一） 4. 作出机构的15个位置的加速度多边形
求出15个位置的n BA a 、t BA a 、BA a 、2α 、2C a 、B a 的数值，并列
表表示。

（表二）
5.用直角坐标作滑快B 点的位移曲线B S =B S （φ），速度曲线)(ϕB B V V =及加速度曲线)(ϕB B a a =。

（把以上2、3、4、5作在一张2号图纸上）
6. 动态静力分析（1号图纸）
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
b M （每人完成五个位置）各种数据均要列表表示：
（1） 将各个位置的2I P 、2I M 、3I P 等数值列于表三。

（2） 列出各个位置的t
R 12的计算公式，并计算出其数值。

（3） 将各个位置的'p 、n R 12、t R 12、12R 、03R 、23R 等数值列于
表四。

（4） 将各个位置的01R 、b M 等数值列于表五 （5） 将各个位置的'p 、b p 、'b M 等数值列于表六
（6） 将'b M 与b M 进行比较，计算出它们的误差，把结果列于表
七。

7. 用直角坐标作出b M =b M （φ）曲线。

（用方格纸绘制） （b M 统一用“动态静力分析”所求得的值）
8. 计算当不考虑机构各构件的质量和转动惯量时的飞轮转动惯量F J 。

9. 计算发动机功率。

10. 用图解法设计凸轮Ⅰ、Ⅱ的实际轮廓曲线（3号图纸）
11. 绘制内燃机的工作循环图（4号图纸）。

根据工作循环图及曲柄的位置，求出凸轮的安装角，把凸轮画在机构运动简图上。

12. 最后，将设计过程写成20页左右的详细说明书。

三．设计步骤及注意问题
1.求连杆及曲柄的长度
设连杆的长度为l 、曲柄长度为r
r l OB -=∴I
r l OB +=
11
180+-︒
=K K θ θ∴ 可求 θ
sin 2H
CB R I =
= 22)()(CE OC OE -= =22)()(DE CD OC -- =22)(e CD R --
)1()(22----------------+=+e OF r l 2H OE OF +
= OC
OE
1
sin -=α θαδ-=
)2(2
sin
2-------------------=-δ
R r l
联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l 及曲柄的长度r.
2.曲柄回转一周共分为15个位置
当活塞在最高位置时为起点，曲柄A 点的编号为A 。

，由A 。

点开始，顺时针方向把圆等分为12等分，得A 。

、1A 、2A 、……，11A 等点。

当滑快在最低位置时，曲柄上A 点的编号为'6A 。

可近似认为，当曲柄在OA '2和OA '
9位置时，滑快B 的速度为最大值。

注：括号内的编号在分析力时才使用。

3.动态静力分析步骤
（1） 计算活塞上的气体压力
F p p i ⋅=' （N ）
F —活塞的面积（cm 2） (2) 求作用于构件上的惯性力 2I p =22c a m ⋅- （N ）
2
22C C m J ρ⋅=
B I a m P ⋅-=3 （N ） （3） 出活塞上受力的大小及方向
3'3Q P P P I
++=
（4） 把作用在构件2上的反力R 12分解为n R 12和t
R 12取∑B M =0，求
出t
R 12
（5） 以构件2、3为示力体，取∑=,0F 求出n
R 12和03R （6） 以构件3为示力体，取∑=,0F
求出23R
（7） 以构件1为示力体，（构件1的重力忽略不计），取∑=,0F
求
出01R ，再由∑0M =0，求出b M 。

（8） 用一张4号图纸大小的方格纸作出b M =b M （φ）曲线。

4.飞轮转动惯量的确定
（2） 在本课程设计中，决定飞轮的转动惯量时，不考虑机构各构
件的质量和转动惯量。

（3） 把b M =b M （φ）曲线作为d M =d M （φ）曲线（驱动力矩曲
线）
3=
b
M μ
规定：当b M 与1ω的方向一致时为负，画在横坐标的下方。

当b M 与1ω的方向相反时为正，画在横坐标的上方。

（在本课程设计中，1ω的方向为顺时针）
（4） 以b M 的平均值作为阻抗力矩r M （常数）。

这是因为在周期性
的速度波动中，一个波动周期内的输入功等于输出功。

即
0=∆=-E r d ωω
（a ）首先求出下列各单元的面积：
1f 、2f 、3f 、4f 、5f 、6f
（b ）求出阻抗力矩（r r M M =（φ））的纵坐标H ：
)(6
54321mm L
f f f f f f H +++++=
注意：ⅰ） 1f ，2f ……6f 表示各单元的面积，单位为mm 2,
在横坐标之下为负值，在横坐标之上为正值。

ⅱ）H 的单位为毫米，当乘上比例尺b M μ之后，才得
出r M 之值。

（c ）根据求出的H 值，作出r M =r M （φ）阻抗力矩曲线（现
为水平线）
（5） 求出下列各单元的面积：
'1f 、'2f 、'3f 、'4f 、'5f 、'6f 、'7f
在阻抗力矩曲线之上的面积表示盈功，在阻抗力矩曲线之下
面积表示亏功。

盈功为正，亏功为负值。

（6） 根据上面各单元的面积求相应的功
Φ⋅⋅=μμB M f W '11 Φ⋅=μμb M f W '44 Φ⋅⋅=μμb M f W '77 Φ⋅⋅=μμb M f W '22 Φ⋅=μμb M f W '55 Φ⋅⋅=μμb M f W '33 Φ⋅⋅=μμb M f W '66 （7） 求出在各个位置上功的累积变化量W ∆
=∆a W ……（Nm ） =∆d W …… （Nm ） =∆b W ……（Nm ） =∆e W …… （Nm ） =∆c W ……（Nm ） =∆f W …… （Nm ） =∆g W ……（Nm ）
根据上面各值找出
=m ax W …… （Nm ） =m i n W …… （Nm ）
（8） 求出最大盈亏功max W ∆
max W ∆=min max W W -=……（Nm ）
(8) 根据许用不均匀系数[δ]，求出等效构件上所需的等效转动惯
量：
[]
()2
2m
a x
m kg W J m
e ⋅∆=
δω （60
21
n m
πω=
） （9）确定飞轮的转动惯量：
c F e J J J +=
按题意： 不考虑各构件的质量和转动惯量。

∴ c J 可忽略不挤 ∴
e F J J ≈
5．计算发动机功率
)(7501
6021HP n L M N b M r ⨯⨯⨯⨯⨯=
Φμμ
6.排气凸轮（凸轮Ⅱ）的轮廓设计
（1） 升程角为60°，回程角为60°，远停程角为10°。

（2）选择升程和回程的运动规律。

（3）用图解法设计凸轮Ⅱ的轮廓曲线。

需打印出δ-s 曲线以及凸轮的轮廓曲线。

7. 以曲柄作为定标构件，曲柄每转两周为一工作循环。

画出各执行机构在位置上协调配合工作的循环图。

图1四冲程内燃机机构运动简图比例：1：4
单位：mm
图2。