单缸四冲程柴油机课程设计说明书.doc

《机械原理》
课程设计说明书

设 计 题 目：单缸四冲程柴油机

院（系、部）：机械工程学院

专 业：材料成型及控制工程

班 级：01班

学 号：1003040124

设 计 者 ： 解志强

指 导 教 师： 王靖

2012年 12月 20日

湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
目 录
第1章 设计要求 ………………………………………………(2)
1.1 设计任务 …………………………………………… (2)
1.2 设计思路 …………………………………………… (2)
1.3 机构简介 …………………………………………… (3)
1.4 设计数据 …………………………………………… (4)
第2章 连杆机构设计和运动分析 ……………………… (5)
2.1 连杆机构的设计要求 ……………………………… (5)
2.2 杆件尺寸确定 ……………………………………… (5)
2.2 杆件运动的分析与计算 …………………………… (5)
2.3 图解法作杆件的运动分析 ………………………… (7)
第3章 齿轮机构传动设计 ………………………………… (8)
3.1 齿轮机构的设计要求 ……………………………… (8)
3.2 齿轮参数的计算 …………………………………… (8)
第4章 凸轮机构设计 ……………………………………… (11)
4.1 凸轮机构的设计要求 ………………………………(11)
4.2 运动规律的选择 ……………………………………(11)
4.3 基圆半径的计算 ……………………………………(12)
4.4 凸轮设计图 …………………………………………(13)
课程设计小结 …………………………………………………… (14)
参考文献 ………………………………………………………… (14)
第1章
设计要求

1.1 设计任务
设计一个四冲程内燃机。机器的功能与设计要求：该机器的功能是把化学能转化成机械能。须完成的动作为：活塞的吸气，压缩，做功，排气4个过程，进，排气门的开关与关闭、燃料喷射。
1.2 设计思路
设计四冲程内燃机的关键点在于活塞的吸气，压缩，做功，排气以及气门的开闭几个动作的完成。而怎样将这个几个动作完成并按照运动循环图结合起来这是我们完成这次课程设计所需要解决的问题。所以，我将从这些方面入手，依据这些需要来选择机构。
1.3 机构简介
柴油机（如附图1（a））是一种内燃机，它将燃料燃烧时所产生的热能转变成机械能。往复式内燃机的主体机构为曲柄滑块机构，以气缸内的燃气压力推动活塞3经连杆2而使曲柄1旋转。
本设计是四冲程内燃机，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由示功图（用示功器从气缸内测得，如附图1（b）所示），它表示汽缸容积（与活塞位移s成正比）与压力的变化关系，现将四个冲程压力变化做一简单介绍。
进气冲程：活塞下行，对应曲柄转角θ=0°→180°。进气阀开，燃气开始进入汽缸，气缸内指示压力略低于1个大气压力，一般以1大气压力算，如示功图上的a → b。
压缩冲程：活塞上行，曲柄转角θ=180°→ 360°。此时进气完毕，进气阀关闭，已吸入的空气受到压缩，压力渐高，如示功图上的b→c。
做功冲程：在压缩冲程终了时，被压缩的空气温度已超过柴油的自燃的温度，因此，在高压下射入的柴油立刻爆燃，气缸内的压力突然增至最高点，燃气压力推动活塞下行对外做功，曲柄转角θ=360°→540°。随着燃气的膨胀，气缸容积增加，压力逐渐降低，如图上c→b。
排气冲程：活塞上行，曲柄转角θ=540°→720°。排气阀打开，废气被驱出，气缸内压力略高于1大气压，一般亦以1大气压计算，如图上的b→a。
进排气阀的启闭是由凸轮机构控制的。凸轮机构是通过曲柄轴O上的齿轮Z1和凸轮轴上的齿轮Z2来传动的。由于一个工作循环中，曲柄转两转而进排气阀各启闭一次，所以齿轮的传动比=n1/n2=Z1/Z2 =2。
由上可知，在组成一个工作循环的四个冲程中，活塞只有一个冲程是对外做功的，其余的三个冲程则需一次依靠机械的惯性带动。

（a）机构简图 （b）示功图

图1-1 柴油机机构简图及示功图
1.4 设计数据

表1-1 设计数据表
设计内容
曲柄滑块机构的运动分析
曲柄滑块机构的动态经历分析及飞轮转动惯量的确定
符号
H
λ

D
G1
G2
G3
Js1
Js2
Js3
δ
单位
mm

mm
r/min
mm
N
Kg·m2

数据
120
4
80
1500
100
200
210
20
10
0.1
0.05
0.2
1/100
齿轮机构的设计

凸轮机构的设计
Z1
Z2
m
α
h
Φ
Φs
Φ′
[α]
[α]′

mm
°
mm
°
22
44
5
20
20
50
10
50
30
75

表1-2 示功图数据表
位置编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
曲柄位置（°）
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
气缸指示压力/(105N·m2)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
6.5
19.5
35
工作过程
进 气
压 缩
12′
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
375
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
60
25.5
9.5
3
3
2.5
2
1.5
1
1
1
1
1
做 功
排 气

第2章
连杆机构的运动分析

2.1 连杆机构的设计要求
已知：活塞冲程H，连杆与曲柄长度之比λ，曲柄每分钟转数n1。
要求：设计曲柄滑块机构，绘制机构运动简图，做机构滑块的位移、速度和加速度运动线图。
2.2 杆件尺寸的确定
曲柄位置图的做法如附图2所示，以滑块在上指点是所对应的曲柄位
置为起始位置（即θ=0°），将曲柄圆周按转向分成12等分分得12个位
置1→12，12′（θ=375°）为气缸指示压力达最大值时所对应的曲柄位
置，13→24为曲柄第二转时对应的各位置。
1）设曲柄长度为r，连杆长度为I，由已知条件：
λ=I/r=4，H=（I+r）-（l-r）=2r=120mm
可得r=60mm，l=240mm按此尺寸做得曲柄滑块机构的机构运动简图。
S
O B 12 12′
r I 11 1
A 10 2

9 3
8 4
7 5
6
图2-1 曲柄滑块机构运动简图 图2-2 曲柄位置图

2.2 杆件运动的分析与计算
由几何知识：sin∠OBA= =
得： cos∠OBA= (2-1)
∴ s=rcos+I cos∠OBA= rcos+I (2-2)
V==-ωrsin- (2-3)
(2-4)
把各点的角度分别代入上式（2-2）（2-3）（2-4）得：
S1=S11=290.079mm S2=S10=264.307mm
S3=S9=232.379mm S4=S8=204.307mm
S5=S7=186.156mm S6=180.000 S12=300.000mm

V1=-V11=-5.741m/s V2=-V10=-9.207m/s
V3=-V9=-9.425m/s V4=-V8=-7.117m/s
V5=-V7=-3.684m/s V6=V12=0m/s

a1=a11=1282.86m/s2 a2=a10=739.401 m/s2
a3=a9=-1.598 m/s2 a4=a8=741.036 m/s2
a5=a7=-1281.34 m/s2 a6=-1478.9 m/s2

2.3 图解法作杆件的运动分析
对点1做速度分析，即，如下图所示，向量表示，向量表示，向量则表示OA杆做圆周运动的速度。

图2-3 点1的速度分析图

有： = +
方向：B→O ⊥OA ⊥AB
大小： ？ ？

第3章
齿轮机构的设计

3.1 齿轮机构的设计要求
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，再闭式润滑油池中工作。
要求：选择两轮变位系数，计算齿轮各部分尺寸，用2号图纸绘制齿轮传动的啮合图。

3.2 齿轮参数的计算
1) 齿轮基本参数：
注：下面单位为mm
模数： m=5 压力角：
齿数： =22 =44
齿顶高系数：
齿根高系数：
传动比： （3-1）
齿顶高变动系数： （3-2）
分度圆直径： （3-3）
基圆直径： （3-4）
（3-5）
齿顶高： （3-6）
（3-7）
齿根高： （3-8）
（3-9）
齿顶圆直径： （3-10）
（3-11）
齿根圆直径： （3-12）
（3-13）
2) 实际中心距的确定： （3-14）
=（a/5+1）5 （3-15）
3) 啮合角： （3-16）
（3-17）
4) 分配变位系数；
（3-18）
； （3-19）
（3-20）
5) 中心距变动系数 y=()/m （3-21）
6) 重合度： （3-22）
（3-23）
一般情况应保证
7) 齿顶圆齿厚： （3-24）
（3-25）
一般取
8) 分度圆齿厚： （3-26）
（3-27）
表3-1 齿轮参数的主要计算结果
名称
小齿轮
大齿轮
计算公式
变位因数x
0.23
-0.23

分度圆直径d
110
220
d=mz
法向齿距Pn
14.76
Pn=πm·cosα
啮合角α′
20°
20°

中心距a(a′)
165

节圆直径d′
110
220

中心距变动因数y
0

齿高变动因数σ
0
σ=x1+x2-y
齿顶高ha
6.15
3.85
ha=(ha* +c*-σ)m
齿根高hf
5.1
7.4
hf=(ha* +c*-x)m
齿全高h
11.25
11.25
h=ha+hf
齿顶圆直径da
122.3
227.7
da=d+2ha
齿根圆直径df
99.8
205.2
df=d-2hf
重合度εa
1.65

分度圆齿厚s
7.85

齿顶圆齿厚Sa
7.11
3.79

第4章
凸轮机构的设计

4.1 凸轮机构的设计要求
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′，从动件的运动规律如(附图3)所示。
要求：按照许用压力角确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，画出凸轮实际廓线。并画在2号图纸上

s ′

图4-1 从动件运动规律图

4.2 运动规律的选择：
根据从动件运动规律图(附图3)分析知位移s对转角φ的二阶导数为常数且周期变换，所以确定为二次多项式运动规律。 公式：

S= （4-1）
加速阶段： 0-25°
S=2hδ2/δ0 (4-2)
减速阶段： 25-50°
S=h-2h(δ0-δ)2/δ02 （4-3）
以从动件开始上升的点为δ=0°

表4-1 凸轮S（）计算结果
δ （单位：°）
S(δ) （单位：mm）
0
0
10
1.6
20
6.4
25
10
30
13.6
40
18.4
50
20
60
20
70
18.4
80
13.6
85
10
90
6.4
100
1.6
110
0

4.3 基圆半径计算
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。如下图所示，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VB2的夹角为轮廓在B点的压力角，P12 为凸轮与从动件的相对速度瞬心。
故 VP12=VB2=ω|OP12|，
从而有 |OP12| =VB2/ω1=ds/dδ。

计算可知
tanα===
整理得基圆半径
将S=S（δ）和α=[α]代入 得：

r0≥20mm 在此我取r0=34mm
滚子半径选取rr=4mm

4.4 凸轮设计图
根据以上数据做出凸轮的实际廓线及理论廓线，如下图所示：

图4-1 凸轮的实际轮廓线及理论轮廓线

课程设计小结
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 有几分喜悦。总而言之，感触良多，收获颇丰。
通过认真思考和总结，机械设计存在以下一般性问题：机械设计的过况而定，大程是一个复杂细致的工作过程，不可能有固定不变的程序，设计过程须视具体情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。
在这里，特别要感谢一下王老师。经过他的精心指导，我们多了几分激情，少了几分麻烦，多了几分灵感，少了几分忧虑。

参考文献

[1] 张展. 齿轮设计与实用数据速查[M]. 北京: 机械工业出版社,2003
[2] 张伟社.机械原理教程（第2版）[M]. 北京: 西北工业大学出版社,2005
14