单缸四冲程柴油机设计及静力分析

题目二 单缸四冲程柴油机设计

一、机构简介及有关数据

1、机构简介

柴油机如图2-1所示，其中a)为机构简图，它将燃料（柴油）燃烧时所产生的热能转变为机械能。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3，再通过连杆2使曲柄1作旋转运动。

往复式内燃机有两冲程和四冲程两种，本课程设计的是四冲程内燃机，即以活塞在气缸内往复移动四次（对应曲柄转两转）完成一个工作循环。在一个工作循环中，气缸内的压力变化可通过示功图（或称容压曲线）如图2-1 b)看出，它表示气缸容积（与活塞位移s 成正比）与压力的变化关系。

a) 机构简图 b) 示功图

图1 单缸四冲程柴油机的机构简图和示功图

四冲程内燃机的工作原理如下：

进气冲程：活塞由上止点向下移动，对应曲柄转角000180ϕ=→。进气阀开，空气开始进入气缸，此时气缸内指示压力略低于1大气压力，一般以1大气压力计算，如示功图上的a b →。

压缩冲程：活塞由下止点向上移动，对应曲柄转角00180360ϕ=→。此时进气完毕，进气阀闭，已吸入的空气受到压缩，压力渐升高，如示功图上的b c →。 膨胀（工作）冲程：在压缩冲程终了时，被压缩的空气的温度已超过柴油自燃的温度，因此，在高压下射入的柴油立刻爆炸燃烧，气缸内压力突增至最高点，此时燃气压力推动活塞由上向下移动对外作功（故又可称工作冲程），曲柄转角00360540ϕ=→，随着燃气的膨胀，活塞下行，气缸容积增加，压力逐渐降低，如示功图上的c b →。

排气冲程：活塞由下向上移动，曲柄转角00540720ϕ=→。排气阀开，废气经排

气阀门被驱除，此时气缸内压力略高于1大气压力，一般亦以1大气压力计算，如示功图上的b a →。示功图中的a b c b a →→→→即表四个冲程气缸内的压力变化情况。进、排气阀的启闭是由凸轮机构来控制的，图2-1 a ）中y y -剖面有进、排气阀各一只（图示只画了进气凸轮）。凸轮机构是通过曲柄轴O 上的齿轮Z 1和凸轮轴O 1的齿轮Z 2来传动的，由于一个工作循环中，曲柄转将转两转而进、排气阀则仅各启闭一次，所以齿轮的传动比1212212i n n Z Z ===。

由上可知，在组成一个工作循环的四个冲程中，活塞只有一个冲程（膨胀冲程）是对外作功的，而其余的三个冲程则需依靠机械的惯性来带动。因此，曲柄所受的驱动力是不均匀的，所以其速度波动也较大；为了减少速度波动，曲柄轴上装有飞轮（图2-1中未示出）。为了使驱动力较均匀和增加内燃机的功率，内燃机常做成多缸的，如两缸、四缸和六缸等。 2、题目数据

表1 原始数据

曲柄滑块机构的运动分析

曲柄滑块机构的动态静力分析及飞轮转动惯量确定

H

2

AS l

λ

1n

h D

D

1G

2

G 3G

1S J 2S J

1O J

δ

mm

r/min mm kg

kgms 2

Ⅲ

120

80

4

1200

80

180 19 2 1 0.03 0.006 0.02 0.01

凸轮机构的设计 齿轮机构的设计

h

y δ

Дδ

B δ

max α

max α

1Z

2Z

m α

mm 度 mm

度 30

20

50

10

50

30

22

44

5

20

图2 凸轮机构从动件加速度图 表2 示功图数据表

工作过程 进 气 压 缩 位置编号

1

2

3

4

5 6

7

8

9

10

11

12

容

内 符 号 数

据

二、完成论文作业的具体要求:

1、机构选型、机构运动简图的绘制

已知：活塞冲程H、连杆和曲柄之长度比λ、曲柄每分钟转数

1

n。

要求：根据该机械的工作原理和工作要求，进行机构的选型设计，对各方案进行特点、性能分析，择优选一；对优选方案绘制机构运动简图。

1)、设计方案一：1、2都是摇杆，当1转动时带动进气阀（排气阀）使得柴油

机能吸气或者排气。2转动带动3推动活塞运动实现预期功能。

图3 方案一结构图

该方案机构简单，但是1杆不是直线运动，存在摩擦会使机械效率降低。

且输出传动装置，摩擦较大都会影响机械效率。故不合适

2)、设计方案二：

图4 方案二结构图

图中1是凸轮，2是传动轮，3是连杆，4是活塞，5是固定在传动轮上的摇杆。运动和方案设计一相似，在方案一上改进，减小摩擦，但是凸轮和传动轮之间是独立分开的，不方便实现活塞运动四次凸轮运动一次。所以不是很合理。3)、设计方案三

图5 方案三结构图

凸轮固定在一个齿轮上，曲柄固定在传动轮上。两个齿轮啮合。这样的好处能够很方便的实现了活塞运动四次，进气阀和排气阀个运动一次的要求。运动可靠。能很好的符合设计的要求，故是合理的。

在次设计方案中，该机构有5个活动构件，包括推杆、凸轮、曲柄、连杆、滑动活塞共有3*5=15个自由度，其中运动低副有6个，包括2滑动副，4转动副；2高副。则机构的自由度F=3n-(2pl+ph)=1，符合机构的设计要求。

图6 机构运动简图

2、曲柄滑块机构的运动分析

图7 曲柄位置图

已知：曲柄的每分钟转数n1，曲柄滑块机构上各构件的尺寸。

要求：应用计算机辅助计算程序计算该机构中机构上各连接点的位移、速度、加速度，并绘制出滑块的速度线图和加速度线图以及运动线图。注意：在计算位移、速度、加速度时一定要计算出第12 点（在此点为气缸指示压力达最大值）。

，λ=l/r=4，得出l=240mm，r=60mm。并可由此做出滑块机构。

图8曲柄滑块简图