1、- 0 -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 机械工程学院年级专业 13 材料本科班学 号 学生姓名指导教师 朱双霞教师职称 教授机械原理课程设计计算说明书- 1 -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 32.1 设计题目及机构示意图 32.2 机构简介 32.3 设计数据 4第三部分 设计内容及方案分析 63.1 曲柄滑块机构设计及其运动分析 63.1.1 设计曲柄滑块机构 63.1.2 曲柄滑块机构的运动分析 73.2 齿轮机构的设计 113.2.1 齿轮传动类型的选择 123.2.2 齿轮传动主要参数及几何尺寸的计算 13
2、3.3 凸轮机构的设计 133.3.1 从动件位移曲线的绘制 143.3.2 凸轮机构基本尺寸的确定 153.3.3 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机械原理课程设计计算说明书- 2 -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
3、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
4、再由进气行程开始，进行下一个工作循环。机械原理课程设计计算说明书- 3 -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机械原理课程设计计算说明书-
5、4 -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
6、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设计数据表 1设计内容 曲柄滑块机构的设计符号 H(mm) e(
7、mm) K (r/min)1n数据 215 55 1.05 650设计数据表 2 机械原理课程设计计算说明书- 5 -图 2 曲柄位置图机构位置分配表 32、齿轮机构设计已知：齿轮齿数 Z1，Z2，模数 m，分度圆压力角 ，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 齿轮机构设计 符号 Z1 Z2 i m a 数据 15 45 3 4 120 1203、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 ，推程运动角 ，远休止角 s，回程运动角 ，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 凸轮机构的设计符号 h(mm) s 数据 25 50 10 50
8、30 75位置编号 5 9曲柄位置（） 150 270学生编号 20 位置编号 5 9机械原理课程设计计算说明书- 6 -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设计数据表 设计内容 曲柄滑块机构的设计符号 H(mm) e(mm) K (r/min)1n数据 215 55 1.05 650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
9、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； 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，C 1 P C2=，C 1、 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。7图 3-1设C 2 C1A= 则 描述了曲柄回转中心 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 为滑块处于两极限位置 C1、 C2时，导路的垂线与 C1C2P 圆周的交点)上选取。由已知条件可以求出曲柄
10、和连杆的长度：=180（ 1）+1 =4.39= 2cos(2) +22=106()= 2sin(2) +22=424 ()可得 R=106mm,L=424mm,按此尺寸做得曲柄滑块的机构运动简图，如下图机械原理课程设计计算说明书- 8 -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 ,=4 =4故 ，则： = 1(4 )2=+cos OBA=+1(4 )2位移 s 数据表S 的位置 弧度 S/mmS0 0 0 530S1 30 0.523599 512.4732S2 60 1.047198 4
11、28.3043机械原理课程设计计算说明书- 9 -S3 90 1.570796 410.5362S4 120 2.094395 360.9433S5 150 2.617994 328.8758S6 180 3.141593 318S7 210 3.665191 328.8758S8 240 4.18879 360.9433S9 270 4.712389 410.5362S10 300 5.235988 428.3043S11 330 5.759587 512.4732S12 360 6.283185 530速度分析；= 23214 2加速度分析；=2=22321(4 )2+6421(4 )2(
12、3221(4 )2 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 2 及角加速度 2 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）机械原理课程设计计算说明书- 10 -图 3-3 曲柄位置图 =150。 （2）速度多边形图 由已知 w1=2n=68rad/s VA=w1R=68rad/s0.106m=7.208m/s取 v=0.1（m/s/mm）由 BAV方向 大小 ？ ？速度多边形如下图图 3-4 速度多边形图
13、由图可知 pbVB4.105m/s aA=5.86m/s（3）加速度多边形图加速度多边形如下图： 11图 3-5 加速度多边形图2=13.82/=490.144(m/s)=21=80.98(m/s)=22取 a=21.26（m/s 2/mm） =+方向 0 大小 ？ 0 ？可知 =21.2625=,=531.5 m/s2b,曲柄位置为 2701）曲柄位置为 270位置图 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 图 3-7 速度多边形图由图可知：=0= VA =7.208m/s=（3）加
14、速度多边形图加速度多边形如下图机械原理课程设计计算说明书12图 3-8 加速度多边形图=+方向 0 大小 ？ 0 ？= 21.2614=,=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 ，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 齿轮机构设计 符号 Z1 Z2 i m a 数据 15 45 4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；=()1 171517 =0.1182 174517 =1.647选择等变位齿轮传动则：x1=-x2x1+x2=0取 x1
15、=0.118 x2=-0.118x1+x2=0,且 x1=-x20。此类齿轮传动称为等变位传动。由于 x1+x2=0,故=, a=a ,y=0,y=0机械原理课程设计计算说明书13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=20 。 ，齿轮为正常齿制，在闭式润滑油池中工作齿轮 m=41,且为正常齿制故 ha
16、*=1, c*=0.25由等变位齿轮传动可知 =20 。 a=a=120齿轮各部分尺寸名称 下齿轮 z1 大齿轮 z2 计算公式模数 m 4压力角 20分度圆直径 d 60 180 d=mz节圆直径 d 60 180 di=di=zim啮合角 20 =齿顶高 ha 4.472 3.528 hai=(ha*+xi)m齿根高 hf 4.528 5.472 hfi=(ha*+c*-xi)m齿顶圆直径 da 64.472 183.528 dai=di+hai齿根圆直径 df 50.944 169.056 dfi=di-2hfi中心距 a 120 a=a=m(z1+z2)/2中心距变动系数 y 0 y=
17、0齿顶高降低系数y 0 y=0基圆直径 db 56.4 169.2 db=d cos齿距 p 12.56 P= m基圆齿距 pb 11.81 Pb=p cos机械原理课程设计计算说明书14齿厚 s 6.28 s= m/2齿槽宽 e 6.28 e= m/2顶隙 c 1 c=c*m传动比 i 3 I12=w1/w2=z2/z1=d2/d13.3 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 ，推程运动角 ，远休止角 s，回程运动角 ，从动件按余弦加速度运动规律运动。设计数据表设计内容 凸轮机构的设计符号 h(mm) s 数据 25 50 10 50 30 753.3.1 从动件位移曲
18、线的绘制从动件推杆的位移随凸轮转角 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：=102则其回程时的位移方程为：=1,02以从动件开始上升的点位 =0 。 ,s=0机械原理课程设计计算说明书15据此计算得 （单位： 。 ）s()（单位：mm） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110s 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, 0=50, 01=10, 0=50, 02=250 （单位： 。 ）s()（单位：mm
19、） 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 nn 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= =1=又由图中的三角形BCP 可得机械原理课程设计计算说明书16=+=0+则基圆半径的计算公式：0=将 S=S（）和 =，=20 。 ，计算得出：r 023.3mm ，取 r0=35mm，滚子半径选取 rr=5mm图 3-103.3.2 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
20、从动件初始位置，自 B0起沿-w 方向将基圆中心角分为 0、 01、 0、 02对应四段圆弧，并将机械原理课程设计计算说明书17 0、 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:图 3-11机械原理课程设计计算说明书- 18 -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
21、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
22、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机械原理课程设计计算说明书- 19 -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
23、，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。机械原理课程设计计算说明书- 20 -第五部分 参考文献1 孙恒，陈
24、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.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.20079 刘鸿文，材料力学,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.机械原理课程设计计算说明书- 21 -第六部分 图纸
