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四沖程內(nèi)燃機(jī)設(shè)計
四沖程內(nèi)燃機(jī)設(shè)計
一．設(shè)計任務(wù)
1. 機(jī)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)行程速比系數(shù)K及已知尺寸確定機(jī)構(gòu)的主要尺寸，并繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1張（A4）。 2. 運(yùn)動分析
圖解求出連桿機(jī)構(gòu)的位置、速度與加速度，繪制滑塊的位移、速度與加速度曲線，完成運(yùn)動分析圖1張（A2）。 3. 動態(tài)靜力分析
通過計算和圖解，求出機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動副的約束反力及應(yīng)加于曲柄OA的平衡力矩Mb（每人負(fù)責(zé)完成5～6個位置），完成動態(tài)靜力分析圖1張（A1）。 4. 計算并畫出力矩變化曲線圖1張（A3方格紙）。 5. 計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量JF。 6. 計算發(fā)動機(jī)功率。
7. 用圖解法設(shè)計進(jìn)、排氣凸輪，完成凸輪設(shè)計圖1張（A3）。 8. 繪制內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)圖1張（A4）。 9. 完成設(shè)計說明書（約20頁）。
? 分組及組內(nèi)數(shù)據(jù)見附表1； ? 示功圖見附表2； ? 組內(nèi)成員分功見附表3； ? 課程設(shè)計進(jìn)程表見附表4； ? 四沖程內(nèi)燃機(jī)中運(yùn)動簡圖見附圖1。
二．設(shè)計步驟及注意問題
1. 確定初始數(shù)據(jù)
根據(jù)分組情況（附表1），查出設(shè)計初始數(shù)據(jù)。
活塞行程 H= （mm） 活塞直徑 D= （mm） 活塞移動導(dǎo)路相對于曲柄中心的距離 e= 行程速比系數(shù) K=
連桿重心c2 至A點(diǎn)的距離 lAC2= 曲柄重量 Q1= 連桿重量 Q2= 活塞重量 Q3= 連桿通過質(zhì)心軸c2的轉(zhuǎn)動慣性半徑?c ?2c= 曲柄的轉(zhuǎn)速
n1= 發(fā)動機(jī)的許用速度不均勻系數(shù) [?]= 曲柄不平衡的重心到O點(diǎn)的距離 lOC=lOA 開放提前角：
進(jìn)氣門：-10°；排氣門： -32° 齒輪參數(shù)：
m=3.5（mm）； ?=20°；h*a=1；C*?0.25
Z'2=Z2
=14； Z'
3=Z3=72 ；Z1=36
mm） （mm） （N） （N） （N） （mm2）（rpm）
mm） （ （
2. 計算連桿及曲柄的長度
設(shè)曲柄長度為r、連桿的長度為l，活塞行程H
?OB??l?r（極限位置1）
OB??l?r（極限位置2）
???180???
K?1
K?1H
2sin?
2
2
可求
R?CBI?
OE?(OC)?(CE)
22
=(OC)?(CD?DE) 22
=R?(Rcos??e)
l?r?(OF)2?e2????????????????(1)
OF?OE?
H 2
??sin?1
OE
OC
?????
l?r?2Rsin
?
2
???????????????????(2)
聯(lián)立（1）、（2）式求解，可求出連桿的長度l及曲柄的長度r。
3. 繪制內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖（A4）
根據(jù)曲柄與連桿的尺寸、活塞（滑塊）的行程、活塞移動導(dǎo)路相對于曲柄中心的距離e、各齒輪的參數(shù)等數(shù)據(jù)，參照“附圖1”繪制構(gòu)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動簡圖。 注意：
? ? ? ? ?
嚴(yán)格按比例繪制（推薦1：4）
先打好圖紙的邊框，畫好標(biāo)題欄，再根據(jù)空間的大小合理安排位置畫圖。標(biāo)題欄放在圖紙的右下方。
凸輪先不畫，待凸輪設(shè)計完成后再補(bǔ)畫 樣例中進(jìn)、排氣閥機(jī)構(gòu)有錯，需要找出并更正
圖線、箭頭要規(guī)范、書寫要工整（以機(jī)械制圖中的GB為準(zhǔn)）。 ? ?
實(shí)體用粗實(shí)線
齒輪的節(jié)圓用點(diǎn)劃線（間距要基本相同）
? ? ? ?
文字、尺寸（界）線、剖面線用細(xì)實(shí)線。粗細(xì)線比例為2：1。
文字與尺寸標(biāo)注方向朝上或朝左（在尺寸線上寫時可朝左，如樣圖中的162；無尺寸線時只能朝上，如樣圖中的Z3。上下以標(biāo)題欄中的文字為準(zhǔn)） 假想位置可畫成虛線或雙點(diǎn)劃線（建議用雙點(diǎn)劃線） 尺寸按自己的實(shí)際尺寸標(biāo)注，不要抄樣例尺寸。
4. 運(yùn)動分析
1）參照圖2設(shè)置圖紙布局（A2）
2）在速度“v圖”與加速度“a圖”之間的位置上，畫出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖（參照圖3）
具體作法：
以活塞在最高位置時的“A”為起點(diǎn)（記為A0），由A0開始，順時針方向?qū)A等分為12等分，得A0、A1、A2、??，A11共12個點(diǎn)；
找出滑塊在最低位置時曲柄上A點(diǎn)的
'
位置，記為A6；
找出曲柄OA與連桿AB垂直的兩點(diǎn)（此
'時lOB?l2?r2），分別記為A'2和A9。如
此，曲柄回轉(zhuǎn)一周共分為15個位置
'
可近似認(rèn)為，當(dāng)曲柄在OA'2和OA9位置時，滑快B的速度為最大值。
注意：
? ?
括號內(nèi)的編號在繪制運(yùn)動分析圖時不用，繪制動態(tài)靜力分析圖時再使用。 圖中，用粗實(shí)線畫出曲柄滑塊的一個位置（任選）。其它14個位置的曲柄與連桿用細(xì)實(shí)線畫，滑塊不畫，標(biāo)注出各B點(diǎn)的位置即可。
3）設(shè)定合適的比例，畫出機(jī)構(gòu)15個位置的速度多邊形
??m/s
? 在“V圖”的左上角清楚注明繪圖比例（?v?）
mm
? ?
速度矢量用粗實(shí)線繪制，箭頭長寬比約4/1～5/1，繪圖要規(guī)范、工整 若圖線太短，不夠畫箭頭時，可用小圓點(diǎn)代替箭頭。
4）通過圖解法，求出這15個位置的VBA、VC2、VB、?2的數(shù)值。
? ?
所有公式和計算過程都寫在說明書上，不要寫到圖紙上
在說明書上寫出1個點(diǎn)的求解步驟和方法即可（包括簡圖），其他點(diǎn)直接將所計算數(shù)據(jù)列在表中即可。
表一 機(jī)構(gòu)各點(diǎn)速度表
t
5）同理，畫出15個位置的加速度多邊形，求出an
BA、aBA、aBA、?2、aC2、aB的
數(shù)值，并將方法和結(jié)果在說明書中說明和列表。（不同的圖可用不同的比例，注明即可）
表二 機(jī)構(gòu)各點(diǎn)加速度表
? ? ?
6）在圖紙的右側(cè)繪制15個點(diǎn)的位移曲線、速度曲線和加速度曲線圖。
坐標(biāo)與單位要標(biāo)注清楚
用粗實(shí)線繪制
畫出一個完整循環(huán)，也就是要畫360°（起點(diǎn)要畫2次），起點(diǎn)和終點(diǎn)的數(shù)據(jù)大小要完全相同（因為是同一個點(diǎn)）。
5. 動態(tài)靜力分析
1）計算活塞上的氣體壓力
P'?pi?F （N） F—活塞的面積（cm2）
?
注意“附表2”表中的數(shù)據(jù)單位是mm，而比例是“（2N/cm2）/mm”，所以查表所得數(shù)據(jù)要進(jìn)行換算
2）求作用于構(gòu)件上的慣性力
PI2=?m2?ac2 （N） PI3??m3?aB （N）
3）求出活塞上所受合力的大小及方向
???'?
P?P?PI3?Q3
4）求作用于構(gòu)件上的慣性力矩
2
JC2?m2??C （Kg·m2）
MI2??JC2?2 （N·m）
?
注意轉(zhuǎn)動慣量統(tǒng)一單位
5）在A1圖紙上等分規(guī)劃好位置（根據(jù)分組情況等分5～6份），見圖4。
? ? ? ?
所有的力（力矩）尺寸、標(biāo)題欄、邊框等的標(biāo)注要符合國標(biāo)要求，每張圖紙都要畫邊框和標(biāo)題欄 基本桿組、力多邊形盡可能畫大一些
不同的力多邊形的比例可以不同，但需要分別標(biāo)注清楚繪圖比例
nt
6）以連桿2為研究對象，將作用在構(gòu)件2上A點(diǎn)處的反力R12分解為R12和R12t（方向先假設(shè)，用虛線畫參見圖5-a），取?MB=0，求出R12。
（a） （b）
取?MB?0，設(shè)M逆時針為正，則
t
R12?lAB?Q2?h2??l?PI2?h1??l?MI2?0
即
t R12?
?Q2?h2??l?PI2?h1??l?MI2
lAB
t
t
?
若R12的計算結(jié)果為正，表示圖中R12的方向假設(shè)正確；若為負(fù)，表示R12的實(shí)際方向與假設(shè)相反。
t
?n
7）以構(gòu)件2、3為示力體，取?F?0,利用圖解法求出R12和R03（參見圖5-b）
?
先畫已知力，建議從P開始，參照圖5-b順序
?
8）以構(gòu)件3為示力體，取?F?0,求出R
23
?
9）以構(gòu)件1為示力體（圖7-b），（構(gòu)件1的重力忽略不計），取?F?0,求出R01，再由?M0=0，求出Mb。
?
R21由圖5-b求得（圖中虛線）
（a） （b）
6. 繪制力矩變化曲線Mb=Mb（?）
1）把Mb=Mb（?）曲線作為Md=Md（?）曲線（驅(qū)動力矩曲線）
將同組同學(xué)所得30個Mb值，畫在一張A4方格紙上，作出Md=Md（?）曲線，參見圖8。
? ?
注明比例和單位，本圖不用畫邊框和標(biāo)題欄，但要在右下方寫明圖名稱和姓名
在本課程設(shè)計中，?1的方向為順時針，當(dāng)Mb與?1的方向相反時為正，畫在橫坐標(biāo)的上方。
2）以Mb的平均值作為阻抗力矩Mr（常數(shù)）。這是因為在周期性的速度波動中，一個波動周期內(nèi)的輸入功等于輸出功。即?d??r??E?0
（a）首先求出下列各單元的面積（圖8-a）：
?
，單位為mm,在橫坐標(biāo)之下為負(fù)值，f1，f2??f6表示各單元的面積（以φ軸為界）在橫坐標(biāo)之上為正值。
2
（b）求出阻抗力矩（Mr?Mr（?））的縱坐標(biāo)H：
H?
?
f1?f2?f3?f4?f5?f6
(mm)
L
H的單位為毫米，當(dāng)乘上比例尺
?M
b
之后為
Mr之值。
（c）根據(jù)求出的H值，畫出Mr=Mr（?）阻抗力矩曲線（參見圖8-b，水平線）
7. 飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定
?
在本課程設(shè)計中，決定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量時，不考慮機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。
1）求出圖8-b中下列各單元的面積（以Mr為界）：
f1'、f2'、f3'、f4'、f5'、f6'、f7'
? 在阻抗力矩曲線之上的面積表示盈功，在阻抗力矩曲線之下面積表示虧功。 ? 盈功為正，虧功為負(fù)值。
2）根據(jù)上面各單元的面積求相應(yīng)的功
W1?f1'??Md??? W2?f2'??Md???
W3?f3'??Md??? W4?f4'?Md??? W5?f5'?Md??? W6?f6'??Md??? W7?f7'??Md???
3）求出在各個位置上功的累積變化量?W
?Wa?W1（Nm） ?Wb? W1+W2（Nm） ?Wc? W1+W2+W3（Nm） ?Wd???（Nm） ?We??? （Nm）
?Wf??? （Nm） ?Wg???（Nm）
根據(jù)上面各值找出
Wmax??? （Nm） Wmin??? （Nm）
4）求出最大盈虧功?Wmax
?Wmax=Wmax?Wmin=??（Nm）
5） 根據(jù)許用不均勻系數(shù)[?]，求出等效構(gòu)件上所需的等效轉(zhuǎn)動慣量： Je?
6）確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量：
?Wmax
2?m
?kg?m? （??2
m
?
2?n1
） 60
Je?JF?Jc
按題意： 不考慮各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量
? ?
8. 計算發(fā)動機(jī)功率 N?
9. 凸輪的輪廓設(shè)計
Jc忽略不擠 JF?Je
H?L??Mb???
2
?
n11?(HP) 60750
1）兩凸輪的推程角均為60°，回程角均為60°，遠(yuǎn)休止角均為10°。 2）分別選擇兩凸輪推程和回程的運(yùn)動規(guī)律。 3）用圖解法設(shè)計凸輪的輪廓（A3）。
?
需畫出s
??
曲線與凸輪的輪廓曲線。
10. 繪制內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)圖
以曲柄作為定標(biāo)構(gòu)件，曲柄每轉(zhuǎn)兩周為一工作循環(huán)。畫出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在位置上協(xié)調(diào)配合工作的循環(huán)圖（A4）。
?
為了保證機(jī)械在工作時各執(zhí)行構(gòu)件間動作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，在設(shè)計機(jī)械時應(yīng)編制出用
以表明機(jī)械在一個工作循環(huán)中各執(zhí)行軟件運(yùn)動配合關(guān)系的工作循環(huán)圖（也叫運(yùn)動循環(huán)圖）。 在編制工作循環(huán)圖時，要從機(jī)械中選擇一個構(gòu)件作為定標(biāo)件，用它的運(yùn)動位置（轉(zhuǎn)角或位移）作為確定其他執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動先后次序的基準(zhǔn)。
?
?
本圖中曲柄的位置是指在機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖中所畫的曲柄位置，兩圖要統(tǒng)一。
11. 補(bǔ)畫進(jìn)、排氣凸輪，完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。
? ?
凸輪推程的起點(diǎn)必須與工作循環(huán)圖中所求得的位置相對應(yīng)，不能隨意畫。要確保曲柄連桿轉(zhuǎn)到進(jìn)氣（或排氣）位置時，進(jìn)氣（或排氣）閥已經(jīng)提前開啟。 凸輪的推程、遠(yuǎn)休、回程等角度要與凸輪的輪廓設(shè)計相對應(yīng)。
12. 將設(shè)計過程整理，寫成20頁左右的詳細(xì)說明書。
附表1：各組初始數(shù)據(jù)
12
附表1續(xù)：各組初始數(shù)據(jù)
單位：mm
13
附表2：示功圖、表 單位：mm
14
附表3：組內(nèi)成員分工
6
5人一組數(shù)據(jù)分配
15
附表4：課程設(shè)計進(jìn)程表
附圖1：四沖程內(nèi)燃機(jī)
四沖程內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 比例：1：4
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